Brevet FR2261415A1 — publié le 19750912

L 'invention concerne un dispositif pour la purification catalytique des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, auquel l'élément catalyseur monolithe est logé dans un carter. De tels appareils sont d'ores et déjà connus Ainsi, la demande de brevet allemande mise à l'inspection publique sous le n 1.476.507 décrit un dispositif dans lequel l'élément catalyseur comporte une gaine protectrice extérieure en silicate d'aluminium fibreux par laquelle il slappuie, par l'intermédiaire d'une pièce ondulée et élastique, contre la paroi intérieure du carter. Dans le sens de l'écoulement des gaz, cet élément catalyseur est maintenu, à son extrémité, par une bride fixe annulaire saillant vers l'intérieur du carter.Un autre dispositif est décrit dans la demande allemande mise à l'inspection publique sous le n 2. 220.921. Dans ce dispositif, l'élément catalyseur est logé dans un carter à double paroi, lequel présente, entre les deux parois, des éléments élastiques, et dans lequel la fixation frontale de 11 élément catalyseur est assurée par des anneaux en matériau souple, élastique et incombustible. Dans ces appareils connus, I'élément catalyseur devrait être logé dans le carter, de manièrè à résister aux chocs provoqués par la pulsation des gaz d'échappement ainsi qu'aux sollicitations extérieures.Sur ces appareils connus, les éléments catalyseurs, compte tenu de la faible épaisseur des parois de leur ossature, n'opposent qu'une résistance mécanique relativement faible, et sont sensibles aux sollicitations provoquées par les brusques changements de la température. Ainsi, le coefficient de dilatation thermique des éléments catalyseurs les plus courants est sensiblement inférieur aux coefficients de dilatation des pièces en alliage, utilisées pour leur fixation, telles les pièces en alliage Fe - Ni - Gr, par exemple. Ceci explique que les températures de fonctionnement élevées, atteignant 850"C, provoquent, entre l'élément catalyseur et les organes de fixation, des dilatations relatives qui, sur les appareils actuellement connus, se situent dans un ordre de grandeur de 1 mm. Or, quelles que soient les conditions de fonctionnement, il importe qu'il n'y ait pas de jeu entre les éléments de fixation et l'élément catalyseur, ce qui revient à dire que l'élément catalyseur ne doit pas bouger dans ses éléments de fixation. Ce principe s'applique tant à la fixation axiale qu'à la fixation radiale. Quelques solutions actuellement connues préconisent la compensation des différences de dilatation à l'aide d1an- neaux en matériau souple et élastique. On a pu constater que les déplacements élastiques des anneaux souples étaient très limités. Les mêmes difficultés affectent d'autres matériaux d'enrobage élastiques, tels, par exemple, les ressorts à disques ou autres suspensions métalliques, et il est particulièrement difficile d'obtenir des déplacements élastiques plus importants tout en restant dans les limites des dépenses justifiables, du point de vue économique. La présente invention se propose, par des mesures à prendre dans le domaine de la fabrication, de limiter les mouvements relatifs provoqués et de faire en sorte que les anneaux souples n'aient plus à fournir que des déplacements élastiques relativement peu importants. Ce problème est résolu par l'invention en ce que l'élément catalyseur se trouve enrobé d'une gaine métallique, qu'un matériau élastique se trouve aménagé entre cette gaine métallique et l'élément catalyseur, et que cette gaine repose sur des éléments d'appui tronqués, fixés sur le carter. Ceci fait que les différentes dilatations thermiques du catalyseur et de son,nveloppe porteuse ne devrontplus être absorbées en totalité par les anneaux élastiques, du fait que les forces de serrage agissant sur le catalyseur sont provoquées par la paroi extérieure du carter. Ainsi, le revêtement entourant l'élément catalyseur ne sert qu'à la fixation et au guidage du catalyseur dans le seul sens radial. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'un au moins des éléments d'appui tronqués se compose de deux parties, entre lesquelles se trouve amé- nagé un élément élastique. Cet élément élastique peut être intercalé entre les deux parties de l'élément d'appui, sous forme, par exemple, de bouts de tubes ondulés, à une ou deux ondulations, ou d'une boucle élastique. Selon une autre réalisation, l'élément d'appui tronqué peut être lui-même élastique. Ainsi, l'élément d'appui peut, sur son extrémité dirigée vers l'élément catalyseur, être coudé de ma nière à constituer une branche élastique. En règle générale, il est toujours opportun d'utiliser une boucle élastique. Finalement, pour absorber les variations de longueur, il est possible, d'après l'invention, que le carter proprement dit comporte une partie élastique. On dispose, pour ce cas, également de bouts de tubes ondulés pouvant être fixés par soudage ou maintenus entre des brides. Avec le dispositif défini par l'invention, les forces de serrage agissant sur ltélément catalyseur sont provoquées par la paroi extérieure du carter, alors que la gaine enveloppant le catalyseur ne sert qu 'au centrage et au guidage de l'élément catalyseur. Suivant une autre réalisation de l'invention, l'espace circulaire entre la gaine et le carter peut comporter un matériau isolant afin de maintenir les variations de la longueur, provoquées par les effets thermiques, dans un ordre de grandeur correspondant approximative- ment à la dilatation de l'élément catalyseur. Un mode de réalisation particulièremen t avantageux de la présente invention est caractérisé en ce que une bague élastique est aménagée entre chaque élément d'appui et l'élément catalyseur. Cette disposition des bagues élastiques, définie par l'invention, permet de faire absorber, précisément, par ces bagues élastiques les effets de dilatations éventuelles agissant dans le sens longitudinal de l'élément catalyseur.Ainsi, la mise en place de telles bagues devant le catalyseur est un procédé connu en soi, qui n'est utilisé avantageusement dans le cadre de la présente invention, qu'en liaison avec les éléments d'appui, U s'est donc avéré particulièrement utile de maintenir ces bagues, qui peuvent, par exemple, etre en filures métalliques dans une bague d'étanchéité, dont fa section transversale est en forme d'U.Par cette manière simple et avantageuse la fraction du gaz d'échappement, évitant l'élément catalyseur et échappant ainsi à la purification, se trouve au moins très sensiblement réduite. Un aménagement méticuleux perme, d'une part, cl'empêcher que les gaz d'échappement évitent l'élément catalyseur et, d'autre part, d'obtenir une purification optimale. Pour faciliter le montage du dispositif défini par l'invention et pour permettre, le cas échéant, le remplacement de l'élément catalyseur, il est prévu de relier au moins un élément d'appui fixement au carter. Ainsi, l'élé- ment catalyseur, avec sa gaine et la couche élastique intercalée, peut être logé dans le carter aménagé, dans lequel on introduit ensuite l'autre élément d'appui. Ce dernier peut également être relié au carter. 1l existe également quelques variantes de pose amovible, Pour éviter que la gaine de l'élément catalyseur, ainsi que les éléments d'appui et en particulier le carter, ne soient exposés d'une manière trop intense aux gaz d' échappement, un autre mode de réalisation de l'invention prévoit la pose d'un manchon à- élargissement conique à l'entrée de l'élément catalyseur et Va pose d'un manchon de sortie à étranglement conique en aval de cet élément catalyseur. Ces manchons coniques présentent de plus l'avantage de canaliser 1I proprmnent " les gaz dléchappement dans 1' élément catalyseur. L'élargissement contribue en même temps à abaisser la résistance du flux d'écoulement dans le système d'évacuation des gaz d'échappement. L'avantage le plus important, toutefois, réside dans le fait que le carter peut, le cas échéant, à l'aide de moyens simples, être maintenu à une température telle que la variation de la longueur provoquée ne dépasse pas la variation de la longueur dans l'élément catalyseur. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, il est prévu d'utiliser des éléments d'appui en deux parties, dont l'une est reliée au carter, alors que l'autre sert d'appui à la gaine de l'élément catalyseur et d'aménager une bague élastique entre les deux parties des éléments d'appui. Cette bague peut également être maintenue par une bague d'étanchéité en forme d'U. Cette disposition avantageuse fait que la bague élastique et la bague d'étanchéité à profil en U, éventuellement associée, se trouvent à un endroit non exposé aux effets des hautes températures des gaz d'échappement. On obtient ainsi un meilleur comportement élastique du dispositif aux hautes températures. L'efficacité du dispositif défini par l'invention sera démontrée à l'aide diun exemple. Les valeurs citées dans cet exemple sont des valeurs me sucrées sur une installation d'essai. L'installation comportait un pot catalyseur adapté à un moteur à combustion interne d'une cylindrée de 2 litres. L'élément catalyseur monolithe avait un diamètre de 102 mm pour une largeur de 152 mm. I1 se trouvait à l'intérieur d'une gaine d'un diamètre d'environ 110 mm et était logé dans un carter cylindrique dlun diamètre de 130 mm environ. L'espace circulaire entre le carter et la gaine était rempli de fibres céramiques assurant l'isolation thermique. A un moment déterminé au cours du fonctionnement du moteur, on a relevé les températures ci-après a) température moyenne des gaz (moyenne entre la température des gaz à l'entrée et la température des gaz à la sortie de l'élément catalyseur ). Cette tempétature est pratiquement identique à la température de 1' élé ment catalyseur. b) température de la gaine : tk = 800 C c) température du carter : tg = 230 C g Le coefficient de dilatation thermique de l'élément catalyseur en céramique est de = 4,95. 10-6 degré -1 &alpha;k celui du matériau constituant la gaine et le carter ( acier allié à du chrome et du nickel) est de &alpha;m = 17 . 106 degré -1 Rapportées à une température ambiante de tr = 20 C les dilatations thermiques des différents éléments sont données ci-après a) élément catalyseur : Ik = I . &alpha;k . (tk - tr) = 152 . 4,95 . 10-6 . ( 800 - 20 ) = 0, 6 mm b) gaine :: 1h = I . &alpha;m . (th - tr) = 152 . 17 . 10-6 . ( 650 - 20 ) = 1, 6 mm c) carter 1 = 1 . , (t ( t tr) g = 152 . 17 . 10-6 . ( 230 - 20 ) = 0, 55 mm Si, d'après le principe connu, les forces de serrage sont répercutées par la gaine, les éléments d'enrobage élastiques intercalés entre l'élé- ment catalyseur et le carter devront absorber la différence de longueur ré sultant des coefficients de dilatations thermique s différents, soit 1d = lh - lk = 1, 6 - 0, 6 = I mm Par contre si, en application de la présente invention, les forces de serrage axiales sont dirigées sur le carter isolant, cette différence de longueur à absorber n'est plus que de ld = 1 - lk = 0,55 - 0, 6 = - 0,05 mm Ces 0, OS mm peuvent être absorbés sans difficultés par les matériaux d'en robage aménagés entre l'élément catalyseur et le carter. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif ,en référence au dessin annexé, sur lequel - la Figure 1 représente en coupe, le dispositif de l'invention; - la Figure 2 représente un autre exemple de réalisation d'un système de fixation du catalyseur et, - la Figure 3 est une vue en coupe d'un catalyseur avec gaine et carter suivant liinvention. Dans l'exemple illustré, l'élément catalyseur ( 1 ) traversé par les gaz d'échappement est logé dans le carter ( 7 ) . L'arrivée des gaz d'échappement chauds se fait par le tuyau ( 15 ). Le gaz d'échappement purifié est évacué par le tuyau ( 17 ). Le carter ( 7 ) est relié au tuyau ( 15 ) par une pièce de raccordement ( 18 ). Ce raccordement peut être réalisé par soudure. I1 est possible également de raccorder le carter ( 7 ) sur la conduite d'évacuation à l'aide de brides. Pour absorber les tensions radiales provoquées en cours de fonctionnement, ainsi que pour assurer à l'élément catalyseur ( 1 ) un logement élastique rendu nécessaire par les pulsations du gaz d'échappement et, le cas échéant, par les sollicitations par à-coups extérieures, l'élément catalyseur ( 1 ) est entouré d'un matériau élastique ( 21 ) tel que de la filure ou éponge métallique, par exemple. Cette couche de matériau ( 21 est enrobée d'une gaine ( 2 ). Cette gaine ( 2 ) appelée également à absorber des tensions radiales peut, d'après l'invention, être constituée d'un corps circulaire à rainure longitudinale. Dans ce cas, les modifications radiales sont absorbées par la modification de la largeur des rainures. Pour éviter qu'une partie du matériau élastique ( 21 ) ne se coince dans la rainure de la gaine ( 2 ), cette gaine ( 2 ) peut se composer également, selon une autre caractéristique de l'invention, d'un corps circulaire dont les extrémités se recouvrent à la manière d'un corps enroulé. Finalement, il est fait allusion à la configuration de la Figure 3, dans laquelle la gaine ( 2 ) comporte des 'estampages s'étendant sur toute sa longueur. Dans ce cas, la gaine est élastique en soi, ce qui ne provoque d'ailleurs aucune difficulté pour sa mise en place sur les éléments d'appui (9, 10 ), étant donné que la ligne d'appui est une ligne ondulée et que la surface d'appui est suffisante. Cette solution, tout comme de nombreuses autres non décrites dans le cadre de cette invention, est applicable sans trop grandes dépenses.Le choix de la gaine ( 2 ) est essentiellement fonction des variations de longueur radiales à absorber sous l'effet des hautes températures des gaz d'échappement. Dans certains cas, on peut même surseoir au matériau élastique ( 21 ), surtout si la gaine adoptée est celle de la Figure 3. Dans l'espace circulaire entre la gaine ( 2 ) et le carter ( 7 ) on introduit une isolation thermique telle, par exemple, une natte isolante en fibres de céramique. Cette couche isolante protège le carter contre les échauffements trop importants provoqués par les gaz d'échap- pement et limite ainsi la température de ce carter à 200 C environ A cette température, la variation de longueur dans le carter, provoquée par les charges thermiques, correspond approximativement aux variations subies par l'élément catalyseur.Ainsi, les forces de serrage agissant sur l'élément catalyseur ne représentent aucun danger pour celui-ci, c'est-à-dire l'élément catalyseur est maintenu fermement en place quelle que soit l'allure de fonctionnement. La gaine ( 2 ) s'appuie sur les éléments d'appui tronqués (9, 10 ). Ces éléments d'appui (9, 10 ) sont reliés au carter (7 ). Ce raccordement peut être fixe ou amovible, mais doit dans tous les cas être en mesure de répercuter les forces de serrage. Ainsi, l'élément appui (9.) se trouvant en amont de l'élément catalyseur ( 1 ) peut être soudé au carter ( 7 ), alors que l'élément d'appui ( 10 ) peut être vissé sur le même carter ( 7 ).Cette dernière méthode est de préférence appliquée aux appareils à élément catalyseur interchangeable, tout comme d'autres solutions d'ailleurs qui pré votent, par exemple, le maintien de l'élément d'appui ( 10 ) au travers d'une bride La gaine (2) s'appuie sur les éléments d'appui ( 97 10). L'appui peut être fixe sur l'un des éléments d'appui, alors que sur le côté opposé la gaine ( 2 ) forme un ajustement glissant avec 11 élément d'appui (9). Ainsi, il devient possible que la gaine, qui accuse une température sensiblement plus élevée que écarter ( 7 ), puisse se dilater dans le sens longitudinal sans pour autant provoquer un relachement de la fixation de l'élément catalyseur. Ainsi, l'ajustement glissant ( 13) se trouve, pour les besoins de la cause, en amont du catalyseur, alors que l'assemblage fixe ( 14 ) est prévu sur le côté " sortie ", Pour absorber les extensions longitudinales non com pensables - qui peuvent toujours se produire du fait que les températures ne sont jamais réglables au niveau voulu - sans provoquer un relachtment de la fixation de l'élément catalyseur ( 1 ), des anneaux élastiques ( 4 ) sont intercalés entre les éléments -d'appui (9, 10 ) et l'élément catalyseur ( 1 ) Ces bagues élastiques, qui peuvent être en filures métalliques, sont enrobées, dans l'exemple cité, d'un joint en forme d'U ( 5 resp. 6 ). Ce joint t 5 resp. 6 ) s'appuie contre l'extrémité de l'élément catalyseur ( 1 ) et empeche ainsi le gaz d'échappement non purifié de se frayer un passage évitant le catalyseur et traversant le matériau élastique ou suivant l'espace limite entre le catalyseur ( 1 ) et le matériau élastique ( 21 ) pour aboutir à l'état non purifié dans le tuyau d'évacuation ( 17 ) de gaz d1éc ppement. La Figure 2 représente une variante de l'inve on avec un élément d'appui ( 9 ) en deux parties,dont l'une en forme de Z. C'est cette dernière qui offre l'appui à l'élément catalyseur ( 1 ) et à son enrobage élastique @@21) et qui porte la gaine ( 2 ) et son ajustement glissant ( 13 ). Un autre élement d'appui circulaire ( 11 ) à profil angulaire est relié par la soudure ( 12 ) au carter ( 7 ). Entre l'élément d'appui circulaire ( 11) et l'élément d'appui (13) se trouve la bague élastique (4) également enrobée d'une bague en forme d'U ( 5 ). Selon cette variante, un éventuel changement de longueur résiduel est absorbé par l'élasticité de la bague (4 ). La configuration de la Figure 1, tout comme celle de la Figure Z, révêle des manchons d'entrée ( 19, 20 ) auxquels il incombe tout spécialement de protéger l'installation d'appui, comportant l'éément d'appui et en particulier la bague élastique et le joint en forme d'U de la Figure 2, contre les effets directs des gaz d'échappement à haute température. Ces manchons ( I9, 20 ) sont donc des boucliers protecteurs qui en même temps contribuent à la régulation flezgaz d'échappement à haute température pénètrant dans l'élé- ment catalyseur ( 1 ). REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la purification catalytique des gaz d'échappement des moteursecombustion interne dans lequel l'élément catalyseur monolithe est logé dans un carter, caractérisé en ce que l'élément catalyseur ( 1 ) est enrobé d'une gaine métallique ( 2 ), qu'un matériau élastique ( 21 ) est aménagé entre cette gaine ( 2 ) et l'élément catalyseur ( 1 ) et que cette gaine ( 2 repose sur des éléments d'appui tronqués (9, 10 ) fixés au carter. 2. Dispositif selon la. revendication 1, caractérisé en ce que un élément d'appui tronqué au moins se compose de deux parties et qu'un élément élastique se trouve intercalé entre ces deux parties. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément d'appui au moins ( 9, 10 ) est lui-meme élastique. 4. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que le carter ( 7 ) comporte lui-même une partie élastique pour l'absorption des changements de longueur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espace circulaire entre la gaine ( 2 ) et le carter ( 7 ) contient un matériau isolant ( 8 ). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une bague élastique { 4 ) est prévue entre chaque élément d'appui ( 9 > 10 ) et le catalyseur ( 1 ). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bagues (4) sont disposées dans une bague d'étanchéité ( 5 ) à profil en U. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 7, caractérisé en ce qu'un élément d'appui ( 9, 10 ) au moins est relié fixement au carter (7 ). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un manchon à élargissement conique ( 19 ) équipe l'entrée de l'élément catalyseur ( 1 ), alors qu'un manchon à rétrécissement conique (20) est prévu en aval de cet élément catalyseur ( 1 ). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les éléments d'appui ( 9, 10 ) comportent deux parties dont l'une est reliée au carter ( 7 ),alors que l'autre sert d'appui à la gaine ( 2 ) du catalyseur ( 1 ) et qu'une bague élastique est montée entre les deux par ties des éléments d'appui. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la gaine ( 2 ) se compose d'un corps à rainure longitudinale. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la gaine ( 2 ) comporte des extrémités qui se recouvrent. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la gaine ( 2 ) comporte des estampages s'étendant sur toute sa longueur.