Brevet FR2270444A1 — publié le 19751205

La présente invention concerne un pot d'échappement perfectionné utilisable, en particulier, pour la conversion des gaz produits par un moteur å combustion interne. I1 est connu d'effectuer la conversion des produits polluants, tels que hydrocarbures imbrnlés, oxydes d'azote et due carbone, etc... contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur combustion interne, en mettant ces gaz en contact avec un catalyseur qui favorise les réactions de réduction ou d'oxydation des produits polluants, à des températures inférieures à celles nécessaires pour réaliser, en l'absence de catalyseur, l'élimination complète de ces produits polluants. Les catalyseurs utilisables étant généralement coûteux, llun des principaux problèmes à résoudre est d'obtenir une efficacité maximale de la totalité du catalyseur contenu dans les pots d'échappement à conversion catalytique. Dans ce but, on a déjà proposé des pots d'échappement à conversion catalytique, dans lesquels les gaz d'échappement traversent une zone remplie de par ticules de produit catalytique, en suivant un trajet d'écoulement ayant une composante radiale. Généralement, ces pots dits "catalytiques" comportent un corps tubulaire ayant un orifice d'entrée et un orifice de sortie, un lit catalytique -placé à l'intérieur de ce corps tubulaire et délimité par une grille interne et une grille externe, la première définissant, dans le corps tubulaire, une chambre qui est en communication directe avec l'orifice d'admission, la section droite de cette chambre, par rapport à la direction dtintroduction des gaz, diminuant progressivement lorsqu'on s'éloigne de l'orifice d'admission des gaz. Ces pots d'échappement ont donné d'excellents résultats mais s'avèrent encore très croûteux. L'un des objets essentiels de la présente invention est donc de proposer un pot d'échappement à conversion catalytique du type indiqué ci-dessus ayant des performances et une efficacité notablement supérieures à celles des pots d'échappement antérieurs. Plus précisément, la présente invention concerne un pot d'échappement pour la conversion catalytique des gaz dont, en particulier, la forme simplifiée et perfectionnée permet de réduire la quantité de catalyseur nécessaire et, en conséquence, le prix de revient du pot d'échappement, tout en favorisant une mise en condition de fonctiongement plus rapide du pot d'échàppement. L'invention pourra être bien comprise et ses avantages apparattront à la lecture de la description d'un mode particulier, mais non limitatif, de réalistation, illustrée par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente schématiquement, vu en coupe axiale, le pot d'échappe ment selon l'invention, et - la figure 2 est une représentation de la section de ce pot d'échappement sui vant la ligne II-II de la figure 1. Le pot d'échappement comporte un corps tubulaire allongé 1 dont une première extrémité est pourvue d'un orifice 2 par lequel les gaz sont introduits à travers une canalisation d'admission 4 fixée sur le corps 1. A-l'autre extrémité du corps 1 est également prévu un orifice 3 par lequel les gaz quittent le pot d'échappement en traversant une canalisation d'évacuation 5 solidaire du corps 1. La fixation des canalisations 4 et 5 sur le corps 1 peut être réalisée par tout moyen approprié et notamment par soudure. Les extrémités des canalisations 4 et 5 extérieures au corps 1 permettent le raccordement en série du pot d'échappement dans un circuit d'écoulement d'un gaz à traiter. En particulier, le pot d'échappement peut être relié aux canalisations d'échappement d'un moteur a combustion- interne. A l'intérieur du corps tubulaire 1 est placée une grille interne 6 perforée, délimitant une chambre 7 d'admission des gaz. Cette dernière communique directement avec l'orifice 2 et a une forme telle que sa section par un plan perpendiculaire à la direction d'introduction des gaz dans le pot d'échappement, diminue progressivement lorsqu'on s'éloigne de l'orifice d'admission 2. Dans le cas illustré par la figure 1, la grille 6, constituée par une plaque de métal déployé, délimite une chambre 7 ayant une forme conique de hauteur H et d'angle au sommet 2ci6. Cette grille est fixée, par exemple par une soudure, à l'extrémité de la canalisation 4. Le dispositif comporte une seconde grille, ou grille externe 8, formée de métal déployé. Cette seconde grille 8, de surface supérieure à celle de la grille 6, a la forme de la surface latérale d'un tronc de cône dont la section par un plan perpendiculaire à la direction d'introduction des gaz dans le pot d'échappement, diminue lorsqu'on s'éloigne de l'orifice 2. Le tronc de cône déterminé par la grille 8 a même hauteur H que le-cone défini par la grille 6, et meme angle au sommet 2 d. La grille 8 est placée autour de la grille 6 de telle sorte que les génératrices des surfaces des grilles soient parallèles. Autrement dit, les grilles 6 et 8 déterminent entre elles un espace annulaire 9 d'épaisseur e constante. Cet espace annulaire est fermé à I'une de ses extrémités par une plaque transversale 11, non perforée, reliant les extrémités des grilles 6 et 8 au n- veau de leur section de plus grand diamètre. Une autre plaque transversale 12, qui dans le cas représenté est parallèle à la première, obture à son autre extrémité ltespace annulaire 9 en reliant les grilles 6 et 8 au niveau de leur section de plus petit diamètre. Un bouchon 13, fixé sur la plaque transversale 11, permet d'introduire, dans l'espace annulaire 9, le produit catalyseur sous forme de grains de dimensions supérieures à celles des perforations des grilles 6 et 3. La grille 8 définit avec la paroi interne du corps 1 un espace collecteur ou chambre d'échappement 10 ayant de préférence une section qui, mesurée perpendiculairement à la direction d'introduction des gaz dans le pot d'échappement, croit lorsqu'an s'éloigne de orifice d'admission 2. Comme le montre la figure 1, la grille 8 est solidaire du corps I à chacune de ses extrémités. Pour obtenir une dimension extérieure aussi réduite que possible du pot d'échappement selon l'invention, la grille 8 est directement reliée au corps 1 au niveau de son plus grand diamètre, tandis qutau niveau de son plus petit diamètre cette liaison est assurée par une plaque 14. Cette der filière est pourvue (figure 2) d'orifices 15, de grande section, mettant en communication l'espace collecteur ou chambre d'échappement 10 et la canalisation d'évacuation 5. De préférence, des moyens d'isolation thermique de la plaque 11 sont prévus Ces moyens sont, par exemple, constitués par une chambre annulaire étanche 16 formée par une prolongation du corps 1, en amont de la plaque 11 si l'on considère le sens d'écoulement des gaz dans le pot d'échappement. Le fonctionnement du dispositif est le suivant elles les gaz sont intro- duits par la canalisation 4 dans le pot d'échappement et plus particulièrement dans la chambre d'admission 7. Ils traversent alors l'espace annulaire 9 où ils sont en contact avec le catalyseur. Enfin, ils atteignent la zone collectrice 10et sont évacués par la canalisation 5. Pour obtenir un écoulement des gaz à travers l'espace annulaire 9 tel que ltefficacité du catalyseur soit maximale, ce qui en conséquence permet d'utiliser un volume de catalyseur minimal, on a trouvé que les plaques transversales 11 et 12 doivent avoir une forme s'évasant lorsqu'on s'éloigne de l'orifice 2 et que les génératrices de ces plaques doivent avoir, par rapport à la direction d'introduction des gaz, un angle d'inclinaison compris entre 150 et 750, et de préférence entre 300 et 600. De plus, dans le cas de pots d'échappement équipant des véhicules munis de moteurs à combustion interne, il apparait préférable de donner aux génératrices des grilles 6 et 8 un angle d'inclinaison, par rapport à la direction d'introduction des gaz, dont la valeur est comprise entre 40 et 300, et de préférence entre 70 et 15". L'expérimentation a montré que le volume de catalyseur nécessaire devait être tel que la vitesse spaciale de l'écoulement gazeux, définie comme le rapport du débit horaire des gaz pénétrant dans le pot d'échappement au volume du catalyseur contenu dans l'espace annulaire 9, doit être inférieure à 400.000 (Heure) 1, et de préférence à 300.000 (Heure) , ce qui correspond, pour un véhicule à moteur de puissance moyenne, à un volume de catalyseur au moins égal à 0,5 litre par litre de cylindrée du moteur. Comme on le voit de ce qui précède, les dispositions particulières du pot d'échappement selon l'invention permettent de réduire la quantité de catalyseur nécessaire. Il en résulte une diminution notable du prix de revient. Il y a également lieu de noter que la diminution du volume de catalyseur entraîne une mise en température plus rapide du catalyseur, ce qui se traduit par une meilleure efficacité du pot d'échappement. Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. En particulier, la section droite du pot d'échappement, qui a été représentée de forme circulaire pour les commodités du dessin, pourra être polygonale, elliptique ou ovale, de sorte que le pot d'échappement soit plus facilement logeable sous les véhicules à moteur. La chambre étanche 16 est prévue pour isoler thermiquement la plaque transversale 11, de sorte qu'au voisinage de cette plaque la température du lit catalytique soit suffisante pour que les réactions d'oxydation des gaz s'amorcent. Elle pourra être remplacée par tout autre dispositif, tel qu'une couche de recouvrement de la face extérieure de cette plaque en un matériau d'isolation thermique. Il est également possible de prévoir une protection thermique de la surface extérieure du pot d'échappement pour obtenir, au démarrage du moteur une mise en température plus rapide du lit catalytique. De plus, les génératrices des grilles 6 et 8 pourront ne pas être pa rallèles entre elles, pourvu que la valeur de l'inclinaison de ces génératrices, par rapport- à la direction d'introduction des gaz, soit choisie parmi les valeurs indiquées précédemment. De la même façon, les génératrices des plaques transversales 11 et 12 pourront ne pas être parallèles entre elles, pourvu que la valeur de l'inclinaison de ces génératrices, par- rapport à la direction d'introduction des gaz, soit choisie parmi les valeurs indiquées précédemment. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. - Pot d'échappement pour le traitement par conversion catalytique des produits polluants contenus dans les gaz produits par un moteur à combustion interne, comportant un corps tubulaire allongé (1) pourvu à une de ses extrémités d'un orifice (2) d'admission des gaz et à l'autre de ses extrémités d'un orifice (3) d'échappement des gaz, une première paroi (6), dont une partie au moins est pourvue de perforations, et qui est placée à l'intérieur du corps (1) dans lequel elle délimite une chambre (7) d'admission des gaz, en communication directe avec l'orifice d'admission (2), la section de cette chambre d'admission (7) par un plan perpendiculaire à la direction d'introduction des gaz dans le pot d'échappement diminuant lorsqu'on s'éloigne de l'orifice d'admission (2), une seconde paroi (8), dont une partie au moins est pourvue de perforations, et qui est placée à l'intérieur du corps (1) autour de a chambre d'admission (7), cette seconde paroi (8) délimitant avec le corps (1) une chambre (lO) d'échappement des gaz en communication directe avec l'orifice d'échappement (3) > deux plaques transversales (11 et 12), non perforées, coopérant avec les deux parois perforées (6 et 8), dont elles'relient les extrémités, pour délimiter un espace annulaire (9) destiné à être rempli d'un produit catalyseur, ces deux plaques transversales (11 et 12) ayant une forme qui s'évase lorsqu'on s'éloigne de l'orifice d'admission (2) ce pot d'échappement étant caractérisé en ce que les génératrices desdites plaques transversales (11 et 12) font avec ladite direction d'introduction des gaz un angle compris entre 150 et 750. 2. - Pot d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les génératrices desdites plaques transversales (11 et 12) font avec ladite direction d'introductibn des gaz un angle compris entre 300 et 600. 3. - Pot d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les génératrices de ladite première paroi (6) font avec laite direction d'introduction des gaz un angle compris entre 40 et 300. 4. - Pot d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les génératrices de ladite première paroi (6) font avec ladite direction d'introduction des gaz un angle compris entre 7 et.15 . 5. - Pot d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre d'échappement (10) a une section perpendiculaire à ladite direction d'introduction des gaz dont la valeur augmente lorsqu'on s'éloigne dudit orifice d'admission (2). 6. - Pot d'échappement selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les génératrices de ladite seconde paroi (8) sont parallèles à celles de ladite première paroi (6). 7. - Pot d'échappement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les génératrices des dites plaques transversales sont parallèles entre elles. 8. - Pot d'échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit espace annulaire (9) a volume tel que la vitesse spaciale de l'écoulement des gaz dans le pot d'échappement, définie comme le rapport du débit horaire de l'écoulement des gaz au volume dudit espace annulaire, est au plus égal à U)0.000 (Heure)-l, 9. - Pot d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens qui isolent thermiquement, du milieu extérieur, la- plaque transversale (11) reliant lesdites parois (6 et 8) au niveau de leurs plus grandes sections. 10. - Pot d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'isolation thermique comprennent une chambre étanche (16) formée par un prolongement dudit corps et interposée entre ladite plaque transversale et le milieu extérieur. 11. - Pot d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'isolation thermique comprennent une couche d'un matériau d'isolation thermique recouvrant ladite plaque transversale (li). 12. - Pot d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première paroi (6) est solidaire dudit corps (I) au voisinage immédiat dudit orifice d'admission (2) et en ce que ladite seconde paroi (8) est reliée audit corps (1) à chacune de ses extrémités. 13. - Pot d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois perforées (6 et 8) sont constituées par des plaques de métal déployé.