Brevet FR2473623A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne des ensembles de purification catalytique, ou convertisseurs, des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne d'automobiles et, plus particulièrement, des ensembles où le catalyseur est supporte par un corps monolithique comportant des canaux de passage de gaz à parois de faible épaisseur. On connaît dans l'art antérieur des ensembles de ce type, mais ceux-ci soulèvent certains problèmes. La presque totalité des ensembles de ce type comprennent un logement métallique comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie pouvant être reliés à la conduite d'échappement d'un moteur à combustion interne, et un ou plusieurs supports monolithiques de catalyseur en céramique ou en métal enfermés dans le logement et comportant une pluralité de canaux de passage à paroi de faible épaisseur s'étendant à travers le logement,en communication sensiblement directe avec ses orifices d'entrée et de sortie. Mais les supports monolithiques en céramique sont très cassants et tant les supports en céramique que les supports en métal peuvent être endommagés par écrasement.Etant donné que de tels supports sont normalement soumis à des contraintes considérables pendent la marche,par suite des vibrations et des chocs mécaniques et des pulsations des gaz, non seulement, ils ne doivent pas être en contact avec le métal dur du logement, mais encore être empêchés de se déplacer de façon excessive tant latéralement qu'axialement par rapport aux canaux de passage des gaz,sans être soumis aux forces prejudiciables de compression ou d'écrasement.Le problème se complique encore par le fait que les coefficients de dilatation thermique des supports et du logement sont différents, ce qui se traduit par des dilatations et des contractions différentielles dans la plage usuelle des temperatures rencontrées en utilisation, c'est-à-dire entre la température ambiante et des températures atteignant environ 9500C et éventuellement environ 12500C. C'est le support qui est soumis directement à des températures aussi éle vées, à cause de la chaleur produite dans le processus de purification catalytique. Par conséquent, il est également des plus souhaitables d'isoler thermiquement le support du logement. Le problème est encore plus compliqué par la nécessité de résister aux chocs thermiques, c'est-à-dire aux élévations et abaissements rapides de température rencontrés en fonctionnement, d'avoir une certaine durabilité, et de permettre une fabrication aussi économique que possible. L'existence des problèmes précédents est signalée dans des publications diverses, et diverses tentatives ont été faites pour les résoudre qui se sont avérées sans succès notable. On peut citer parmi les publications et brevets concernant les tentatives de résolution de ces problèmes les documents suivants "Development Of Canistering System for Monolithic Catalysts" - Abthoff, Oblander and Santiago- arti cle SAE, Automobile Engineers Meeting, Dearborn, Michigan, Octobre 1976. "Expandable Inorganics Mount/Protect Catalytic Converter Element" - Hogan - Article dans Design-News, 20 octobre 1975. Brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3.938.232 Noda et autres 17 Février 1976 3.959.865 Close et autres ler Juin 1976 3.978.567 Vroman 7 Septembre 1976 4.020.539 Vroman 3 Mai 1977 4.070.158 Siebels 24 Janvier 1978 4.093.423 Neumann 6 Juin 1978 Demande de brevet allemand publiée 25 15 732 Starker 11 Novembre 1976 D'après ce qui précède on voit que divers types de logements et de moyens de soutien d'un support monolithique de catalyseur en céramique ont été proposés. Dans l'un de ces types, le support-est soutenu dans le logement par un tamis métallique qui est interposé entre le support et le logement. Des exemples d'une telle construction sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3.978.567 et nO 4.020.539 cités ci-dessus. Cependant, ce type d'ensemble n'est pas très satisfaisant, car le tamis, même s'il est réalisé en acier inoxydable, a tendance à se ramollir et à se corroder ou à bruler lorsque les températures de fonctionnement sont élevées. Le problème s'aggrave encore plus car aux températures élevées le logement se dilate davantage que le support, et le tamis ne se dilate pas suffisamment pour maintenir des forces de soutien adéquates sur le support et perd par conséquent son aptitude à maintenir correctement le support dans le logement.Une telle défaillance de montage aboutit à un contact destructif du support avec le logement ou à un mouvement relatif entre eux qui est préjudiciable. Dans un autre type d'ensemble, le matériau minéral se présente sous forme de mousse et durcit dans l'espace séparant le support et le logement. Un exemple de réalisation de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.959.865 cité ci-dessus. Le problème est là encore d'assurer un soutien convenable du support sans exercer des forces de compression préjudiciables. Un tel soutien est des plus difficiles à obtenir avec une certaine constance avec des matériaux pouvant former une mousse. Un agencement comparable est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.938.232 cité ci-dessus. Dans ce cas, un logement du type à enveloppe en forme de palourde, comprenant deux moitiés divisées longitudinalement, est monté librement autour d'un support, un espace périphérique les séparant. Un réfractaire quelque peu élastique pouvant se couler est introduit dans l'espace, solidifié et cuit. Les parties du logement sont alors serrées de façon à obtenir une précontrainte de compression dans le réfractaire de soutien du support. L'obtention régulière d'une pré-contrainte de compression prédéterminée dans le réfractaire est, cependant, très difficile dans ce type d'agencement. Dans un autre type d'ensemble, un voile en fibres de céramique compressible, élastique et résistant aux hautes températures est interposé, avec un certain degré de compression entre le support et le logement. Dans un agencement décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4.093.423 cité ci-dessus, le voile est enroulé autour du support pour donner une surface en coupe globale supérieure à celle de l'intérieur du logement, et l'ensemble est poussé longitudinalement dans le logement en passant par un entonnoir de réduction. Mais, non seulement un tel ensemble longitudinal est quelque peu.difficile à réaliser, mais encore le maintien d'un degré prédéterminé de contrainte de compression dans le voile après assemblage ne peut être réalisé.Le résultat est soit un soutien inadéquat du support, soit des contraintes de compression destructrices. Un autre agencement utilisant un voile le compressible élastique, résistant aux hautes températures, en fibres de céramique comme soutien du support, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.093.423 et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.070.158. Dans cet agencement, l'ensemble est réalisé par enroulement du voile et du support dans une coquille en tôle pré-laminée comportant des extrémités se chevauchant qui sont tirées ensemble de fa çon à exercer la compression désirée du voile. Mais, là encore, l'obtention régulière d'un degré prédéterminé de contrainte d compression dans le voile est difficile. On a également suggéré d'utiliser un matériau intumescent pour le soutien d'un support dans un logement, le matériau étant installé initialement avec une précontrainte de compression de façon à soutenir convenablement le support. Le chauffage du matériau en service a pour effet de le faire gonfler au point qu'il y a davantage qu'une compensation du jeu périphérique entre le logement et le support, et augmente réellement la contrainte de compression de façon à soutenir correctement le support sans provoquer de contraintes préjudiciables. Les deux brevets cités ci-dessus, ainsi que la demande de brevet allemand publiée, suggèrent une telle utilisationd 'un matériau intumescent. Cependant, ils ne suggèrent que l'utilisation d'un logement périphérique en une pièce dans lequel est introduit longitudinalement un support pré-enroulé avec un voile de matériau tumescent. Comme dans le cas du brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.093.423, un tel ensemble longitudinal non seulement est difficile à obtenir sans endommagement soit du voile soit du support, mais encore ne permet pas l'obtention régulière d'un degré prédéterminé de pré-contraintes de compression dans le matériau de soutien. Par conséquent, lors d'un chauffage ultérieur, les contraintes de compression agissant sur le support peuvent être soit inadéquates, soit préjudiciables. Par conséquent, un objet de la présente invention est de prévoir un ensemble de purification catalytique perfectionné pour gaz d'échappement de moteurs à combustion interne d'automobiles qui comprennent un support monolithique de catalyseur enfermé dans un logement métallique. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un ensemble de ce type qui soit durable, soutienne de façon adéquate et non préjudiciable le support à la fois avant son installation et pendant son utilisation dans une automobile, assure un isolement thermique convenable entre le support et son logement, soit d'une réalisation simple et d'une fabrication et d'un montage peu coûteux. Les objets de la présente invention sont atteints en prévoyant un logement du type à enveloppe en forme de palourde, en enroulant un voile de matériau tumescent autour d'un support de catalyseur, de façon que la cote transversale globale du support enroulé soit supérieure à la cote intérieure transversale du logement, et en assemblant les deux moitiés du logement autour du support enroulé, et en fixant les deux moitiés ensemble de façon à comprimer le matériau. L'épaisseur du voile est liée à l'épaisseur de l'espace périphérique entre le support et le logement de façon à obtenir une densité de voile a ssemblée qui est comprise dans une plage permettant de créer des forces de compression suffisantes pour empêcher un mouvement préjudiciable du support par rapport au logement, forces qui augmenteront lors de la dilatation du matériau par chauffage mais pas au point d'endomma- ger le support. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en relation avec les dessins cijoints dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble de purification catalytique selon la présente invention; La figure 2 est une vue en bout de l'ensemble repré senté en figure 1; La figure 3 est une vue correspondant à la figure 1 d'une variante de la présente invention; et La figure 4 est une vue en coupe de l'ensemble représenté dans la figure 3 prise le long de la ligne 4-4. En liaison maintenant avec les figures 1 et 2 des dessins, on a représenté un ensemble de purification catalytique 10 des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne selon la présente invention. L'ensemble 10 comprend un logement métallique 12 en forme de coquille de palourde en deux parties, ayant une partie cylindrique principale de grande dimension 14, des parties extrêmes 16 dont les dimensions vont en se réduisant de façon asymétrique jusqu'aux orifices circulaires d'entrée et de sortie 18, lesquels comportent des flasques 20 permettant le montage de l'ensemble 10 dans la conduite d'échappement (non représentée) et d'un moteur à combustion interne. Bien que la partie principale 14 soit re présentée comme étant cylindrique, on réalisera qu'elle peut avoir une autre forme en coupe classique, et être par exemple, ovale, elliptique, rectangulaire, carrée, etc.En outre,bien que les parties extrêmes 16 soient représentées comme étant asymétriques, on comprendra qu'elles peuvent être symétriques avec la partie principale 14, c'est-à-dire être tronconiques. Comme cela a été indiqué précédemment, le logement 12 comprend deux parties qui peuvent avoir une force semblable lorsqu'il est coupé par un plan de symétrie. Les bords de jonction des deux parties comportent des rebords rabattus vers l'extérieur 22. Après assemblage des parties, comme cela sera décrit ultérieurement, les rebords 22 sont soudés ou bien fixes ensemble de façon à éviter les fuites de gaz et à constituer un logement unitaire 12. Enfermé dans la partie principale 14 du logement 12 se trouve un ou plusieurs supports ou corps monolithiques classiques 24 de catalyseur en céramique . Chaque support 24 est cylindrique et a une structure de nid d'abeille, c'est-àdire comporte une pluralité de canaux étroits et aux parois de fine épaisseur 26 pour le passage des gaz qui s'étendent d'une extrémité à l'autre.Les parois des canaux 26 sont revêtues ou imprégnées d'un catalyseur, comme cela est classique, de façon à transformer les composants nuisibles indésirables des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en substances inoffensives ou moins nuisibles . Les supports 24 sont, comme on peut s'y attendre, assez délicats quant aux contraintes mécaniques, en particulier aux contraintes de compression, bien qu'ils résistent aux hautes températures et aux effets corrosifs des gaz d'échappement. Comme cela est représenté, l'ensemble 10 contient deux supports 24 qui sont disposés bout à bout dans le logement 12, comportant une nervure circonférentielle intérieure 28 entre eux. Les dimensions transversales des supports 24 sont inférieures aux dimensions intérieures correspondantes de la partie principale 14 du logement 12 de façon à former un interstice périphérique ou circonferentiel entre les supports et le logement. Placé dans l'interstice se trouve un matériau intu mescent 30 quelque peu élastique qui est comprimé radialement lors du montage des parties du logement, de façon à pré-contraindre suffisamment le matériau pour maintenir les supports 24 bout à bout ainsi que pour éviter un mouvement radial ou transversal nuisible par rapport au logement 12. Le matériau intumescent a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du logement.Par conséquent, lorsque l'ensemble 10 est chauffé pendant le fonctionnement, la dilatation du ma tériau 30 augmente les contraintes de compression de façon à ce qu'il y ait une résistance encore plus grande au mouvement des supports 24 par rapport au logement 12 sans augmentation des contraintes au point qu'elles exerceraient un effet décra- sement ou provoqueraient des forces préjudiciables sur les supports. De préférence, le matériau intumescent 30 est le matériau dit Interam construit par la société dite 3M Company. Le matériau Interam est une matrice en fibres de céramique dans laquelle sont mélangés de petits morceaux de matériau intumescent, c'est-à-dire de mica. Le matériau se présente sous forme de feuille ou de voile, dont l'épaisseur augmente pour des températures supérieures à environ 400"C. Le matériau Interam a un coefficient de dilatation élevé, résiste à la chaleur jusqu'à des températures d'environ 11000C, a de bonnes propriétés d'isolation thermique, et est élastique même aux hautes températures. Alors que la publication citée ci-dessus ayant pour titre : "Expandable Inorganics Mount/Protect Catalytic Converter Element" suggère l'utilisation du matériau Interam pour soutenir le support en céramique monolithique d'un ensemble de purification catalytique, il ne suggère une telle utilisation quedans un ensemble où le support est enroulé avec le matériau et où le support enroulé est introduit longitudinalement dans l'extrémité ouverte du logement.Comme cela a été indiqué précédemment, un tel ensemble présente quelques problèmes. On a trouvé à l'issue d'essais poussés que la densité du matériau Interam lorsqu'il est assemblé, avant de gonfler par suite d'échauffement, doit être comprise dans une certaine gamme de valeurs pour que les résultats souhaités soient obtenus. Si cette densité est trop basse, on ne pourra empêcher le support de se déplacer par rapport au logement 12, à la fois avant et pendant les hautes températures auxquelles le matériau Interam est normalement exposé pendant son utilisation. Si la densité est trop élevée, la dilatation du matériau Interam par chauffage de l'ensemble jusqu'aux températures de fonctionnement exercera des tensions de compression préjudiciables sur le support.On a trouvé que la gamme souhaitée de densité pour des substrats monolithiques en céramique de 30 à 40 cellules par centimètre carré avec un voile de 0,3 mm d'épaisseur était comprise entre environ 3 0,64 g/cm3 et environ 1,53 g/cm3. Les supports 24 du type décrit précédemment sont fabriqués par les constructeurs suivant des tolérances dimensionnelles acceptables. Par exemple, dans un ensemble de dimensions classiques, chaque support peut avoir un diamètre extérieur de l'ordre de 100 mm, avec une tolérance typiques de +1,5 mm - 1 mm. Etant donné la variation importante de diamètre, il est essentiel de concevoir l'ensemble 10 de façon qu'il y ait un interstice périphérique minimum entre le support 24 et le logement 12 pour une épaisseur et une densité du voile Interam données.Ces facteurs étant présents à l'esprit, l'ensemble 10 doit être également conçu de façon qu'il y ait un interstice périphérique maximum entre le support 24 et le logement 12, pour ces mêmes épaisseur et densité du voile Interam. Par exemple, si l'ensemble 10 est conçu pour avoir un jeu maximum de 4 mm, un voile 30 en Interam de 4,2 mm 2 d'épaisseur et de 0,256 g/cm de poids aurait, lorsqu'il est comprimé dans un tel interstice de 4 mm pendant le montage, 3 une densité d'environ 0,64 g/cm . Un interstice plus petit conduirait à une densité supérieure après assemblage pour le même voile. Ainsi, l'ensemble doit être conçu de façon à avoir un interstice minimum qui ne créera pas une densité, après assemblage, supérieure à environ 1,53 g/cm3. Des recherches ont également montré qu'il y avait une certaine relation entre interstice minimum et interstice maximum. Lorsqu'on est arrivé à une conception correcte de l'interstice,l'épaisseur du voile est alors calculée de façon que, lors de l'assemblage, sa densité se trouve dans la plage citée ci-dessus. Inversement, si le voile est fabriqué avec 2 une épaisseur et un poids par cm donnés, l'ensemble 10 est conçu pour avoir des interstices maximum et minimum qui produiront des densités du produit Interam dans la gamme désirée après assemblage. Pour assembler les parties, les voiles 30 d'épaisseur correcte sont enroulés autour des supports 24, et ces derniers Sont placés dans l'une des parties du logement. L'autre partie est alors assujettie à la première partie par compression des voiles 30 jusqu'à une valeur comprise dans la plage de densité désiré. Les rebords 22 sont alors soudés ou fixés l'un à l'autre suivant une autre technique de façon à former une couture étanche aux gaz et créer un logement unitaire 12. Les voiles 30 se trouveront alors soumis à une contrainte de compression suffisante pour maintenir convenablement les supports 24 dans le logement et empêcher leur mouvement tant latéral que longitudinal ou axial. Pendant son utilisation dans une automobile, l'ensemble 10 est chauffé à une température qui aura pour effet de dilater les voiles 30 suffisamment pour augmenter les forces maintenant les supports 24 en place mais pas au point de produire des forces préjudiciables sur ces supports. Les voiles 30 en matériau intumescent non seulement maintiendront les supports 24 de manière adéquate, mais encore auront un effet de coussin ou amortiront toutes les vibrations mécaniques ou tous les chocs transmis par l'intermédiaire des voiles aux supports par suite de l'élasticité inhérente des voiles. En liaison avec les figures 3 et 4, on a représenté un ensemble 40 selon la présente invention, qui comporte un type de'logement 42 en forme de palourde quelque peu modifié. Le logement 42 est semblable à celui des figures 1 et 2 en ce sens qu'il comporte une partie principale cylindrique 44 contenant seulement un simple support monolithique 46 de catalyseur en céramique des parties extrêmes coniques 48,mu nies de flasques de raccordement 50. Les parties extremes 48 sont, cependant, symétriques par rapport à la partie principale 44. Le logement 42 est là encore constitué de deux parties divisées longitudinalement, mais au lieu que chaque partie comporte des rebords tournés vers l'extérieur, seule une partie comporte des rebords 52 le long de ses bords longitudinaux qui chevauchent des parties latérales longitudinales de l'autre partie. L'ensemble 40 est convenablement proportionné, de la même façon que pour l'ensemble 10, et monté de la même manière que cet ensemble 10,sauf toutefois que les rebords 52 qui recouvrent les parties latérales de l'autre partie du logement présentent l'avantage de minimiser les endommagements éventuels du voile 54 par extrusion entre les bords de rencontre des parties du logement pendant le montage. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de purification catalytique des gaz d'échappement pour moteurs à combustion interne d'automobiles, caractérisé en ce qu'il comprend - un support monolithique de catalyseur comportant des canaux de passage de gaz généralement parallèles, une surface périphérique entourant les canaux, et un agent catalyseur sur les parois des canaux; - un logement métallique entourant, et de même contour général, la surface périphérique et distant de celle-ci d'une valeur généralement uniforme, le logement comprenant deux demi-parties réunies sensiblement dans un plan généralement parallèle aux canaux; et - un matériau intumescent remplissant l'espace entre le logement et la surface périphérique, ce matériau étant comprimé entre le logement et la surface périphérique à une densité comprise dans une plage qui se traduira par des forces de compression permettant d'empêcher un mouvement relatif nuisible du support par rapport au logement et, lorsque l'ensemble est chauffé aux températures normales de fonctionnement, la dilatation du matériau aura pour effet d'augmenter ces forces mais d'une quantité insuffisante pour endommager le support. 2 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est en céramique. 3 - Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau intumescent comprend un voile de fibres céramiques, et en ce que la largeur de l'interstice entre le support et le logement est lié à l'épaisseur du voile de façon à obtenir la plage de densité. 4 - Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau intumescent est une matrice de fibres céramiques dans laquelle sont mélangés de petits morceaux de mica. 5 - Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plage de densité est comprise entre environ 3 3 0,64 g/cm3 et environ 1,53 g/cm3. 6 - Procédé de fabrication d'un ensemble de purification catalytique de gaz d'échappement pour moteurs à combustion interne,caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - la fourniture d'un support monolithique de catalyseur comportant une pluralité de canaux de passage de gaz généralement parallèles qui s'étendent d'une extrémité à l'autre de l'ensemble, une surface priphérique entourant les canaux, et un agent catalytique sur les parois des canaux; - la fourniture d'un logement métallique entourant, et de même contour général, la surface périphérique du support dont il est distant suivant un certain interstice, le logement comprenant deux semi-parties pouvant être réunies dans un plan généralement parallèle aux canaux de passage de gaz;; - la fourniture d'un voile en matériau intumescent portant des fibres céramiques d'épaisseur supérieure à celle de l'interstice entre le logement et le support; - l'enroulement du voile autour du support; - le montage des deux parties du logement autour du voile enroulé et l'assujettissement des pièces de façon à créer des forces de compression dans le voile suffisantes pour empêcher par friction un mouvement sensible du support par rapport au logement; - la jonction des deux parties du logement alors qu'elles sont ainsi assujetties; et - la corrélation de l'épaisseur du voile avec les dimensions de l'interstice de façon à obtenir une densité du voile comprimé située à l'intérieur d'une plage qui se traduira par des forces de compression permettant d'empêcher un mouvement préjudiciable du support par rapport au logement et, lorsque l'ensemble est chauffé à la température normale de fonctionnement avec par conséquent une dilatation du matériau intumescent, l'augmentation des forces ne sera pas suffisante pour endommager le support, 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le voile est une matrice de fibres céramiques dans laquelle sont mélangés de petits morceaux de mica. 8 - Procédé selon la revendication 6,caractérisé en ce que le support est une céramique.