Brevet FR2514413A1 — publié le 19830415

i 4415 La présente invention concerne un nouveau pot d'échappement utilisable, en particulier, pour l'épuration catalytique des gaz pro- duits par un moteur à combustion interne. Il est connu d'effectuer l'élimination des produits polluants, tels que hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote et de carbone, etc contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en mettant ces gaz en contact avec un catalyseur utilisé sous forme particulaire (billes ou extrudés par exemple) qui favorise les réac- tions de réduction ou d'oxydation des produits polluants, à des tem- pératures inférieures à celles nécessaires pour réaliser, en l'absence de catalyseur, l'élimination complète de ces produits polluants. L'un des problèmes rencontrés dans ces pots d'échappement, est celui de l'apparition de vides dans le lit catalytique au bout d'un temps plus ou moins long. On ne peut, en effet, éviter que le volume du catalyseur qu'on met dans un pot ne décroisse en fonction du temps: les causes principales sont le tassement du catalyseur, le retrait thermique des particules qui le constituent, la casse de certains grains plus fra- giles que d'autres, etc Dans les pots catalytiques à lit plat, à circulation des gaz descendante (développéspar General Motors aux U S A. par exemple) cette diminuation de volume n'est pas très grave,car le catalyseur est appuyé par son propre poids et la vitesse des gaz sur la grille inférieure du pot catalytique Cependant, toutes les fois o la place n'est pas suffisante pour loger un pot catalytique à lit plat, on est conduit à utiliser des pots cylindriques dits "àcirculation radiale", tels que par exemple celui décrit dans le brevet français NI 74 06395. Dans ces pots à circulation radiale, le vide se crée à la partie supérieure du pot o le passage des gaz est ascendant Les billes ou grains de catalyseur sont alors soulevés par le passage du gaz et leur mouvement provoque une usure de ces particules qui peut être très rapide. L'objet essentiel de l'invention est de résoudre ce problème dans les pots catalytiques à circulation radiale. Le pot selon l'invention se caractérise en ce que l'une au moins des parois latérales perforées délimitant l'espace catalytique est mobile par coulissement axial à l'intérieur du pot Un ressort placé en dehors du pot (ce qui évite les températures élevées) appuie sur la partie mobile par l'intermédiaire d'un noyau en matière céramique réfrac- taire, telle que l'alumine frittée ou l'oxyde de titane fritté. L'avantage de ce type de pot est de maintenir le catalyseur en compression et d'éviter l'apparition d'un vide dans le lit de cata- lyseur. Dans un pot selon l'invention, la diminution de volume de catalyseur peut atteindre 10 à 15 % sans qu'il y ait création d'un vide. Ce type de pot est particulièrement bien adapté pour la mise en oeuvre des catalyseurs résistant au plomb de type particulaire qui doivent fonctionner à température élevée Le pot catalytique est, en effet, généralement placé très près du moteur en sortie du collecteur d'échappement Pour donner satisfaction, le pot catalytique doit alors être compact et assurer un bon maintien du catalyseur qui est soumis à des vibrations très fortes. L'invention pourra être biencomprise et ses avantages appa- raîtront à la lecture de la description d'un mode particulier, mais non limitatif, de réalisation, illustrée par la figure annexée qui représente schématiquement, vu en coupe axiale, un exemple de réali- sation d'un pot d'échappement selon l'invention. Le pot d'échappement illustré comporte une enveloppe ou corps tubulaire allongé 1 dont une première extrémité est pourvue d'un orifice 2 coaxial au corps tubulaire par lequel les gaz sont introduits à travers une canalisation d'admission 4 fixée sur le corps 1 A l'autre extrémité du corps l est également prévu un orifice 3 écarté de l'axe du corps l, 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 cir- cuit d'écoulement d'un gaz à traiter En particulier, le pot d'échap- pement peut être relié aux canalisations d'échappement d'un moteur à 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 tronconique Cette grille est fixée, par exemple par une soudure, à l'extrémité de la canalisation 4 correspondant à l'orifice 2. Le dispositif comporte une seconde grille, ou grille externe 8, formée de métal déployé Cette seconde grille 8, de surface supé- rieure 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 direc- tion d'introduction des gaz dans le pot d'échappement, diminue lors- qu'on s'éloigne de l'orifice 2. Le tronc de cône déterminé par la grille externe 8 a sensiblement même hauteur que celui défini par la grille interne 6. La grille 8 est placée autour de la grille 6 de telle sorte que les génératrices des surfaces des grilles soient sensiblement parallèles Autrement dit, les grilles 6 et 8 déterminent entre elles un espace annulaire 9 d'épaisseur sensiblement constante. Cet espace annulaire est fermé à l'une de ses extrémités par une coupelle transversale 11, non perforée, qui entoure la grille interne 6 au niveau de l'orifice 2 et qui est fixée à l'extrémité de la grille interne 6 correspondant à la section ayant le plus grand diamètre de cette grille Une autre coupelle transversale 12 dont le fond 12 a est fermé, obture à son autre extrémité l'espace annulaire 9 en étant fixée à la grille externe 8 au niveau de sa section de plus petit diamètre. A l'extrémité de la grille externe 8 correspondant à la section de plus grand diamètre de cette grille, celle-ci est fixée à une bague 8 a montée coulissante sur une bague correspondante lla qui connecte la coupelle 11 à l'enveloppe ou corps 1. Le fond de la coupelle 12 fixée à l'extrémité de la grille externe 8 correspondant à la section de plus petit diamètre de cette grille est montée coulissant sur une bague 6 a fixée à l'extrémité de la grille interne 6 correspondant à la section de plus petit dia- mètre de cette grille Ce fond 12 a coulisse également dans un manchon la traversant l'enveloppe ou corps 1 La partie de ce manchon la située à l'extérieur du pot contient des moyens de compression tels qu'un ressort 13 qui est retenu par un bouchon étanche 14 et exerce une pression contre le fond 12 a de la coupelle 12, par l'intermédiaire d'un noyau cylindrique 15 en un matériau isolant thermique, tel qu'une céramique comme l'alumine frittée, ou de l'oxyde de titane fritté. Un bouchon 17, fixé sur la plaque transversale 11, permet d'introduire, dans l'espace annulaire 9, le produit catalyseur sous forme de grains ou billes de dimensions supérieures à celles des perforations des grilles 6 et 8. 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, croît lorsqu'on s'éloigne de l'orifice d'admission 2. De préférence, des moyens d'isolation thermique de la plaque Il sont prévus Ces moyens sont, par exemple, constitués par une chambre annulaire étanche 16 formée par une prolongation du corps 1, an 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: les gaz (dont l'écoulement est indiqué par des flèches sur le dessin) sont introduits 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 o ils sont en contact avec le catalyseur Enfin, ils atteignent la zone*collectrice 10 et sont évacués par la canali- sation 5. Au fur et à mesure de la diminution de volume du lit cata- lytique, le ressort 13, prenant appui sur le bouchon 14 et le fond 12 a de la coupelle 12,par l'intermédiaire du noyau céramique 15, repousse la grille 8 qui coulisse suivant l'axe de la grille 6 vers l'amont du pot si l'on considère le sens d'écoulement des gaz. Le volume de la chambre 9 sera de préférence tel que la vitesse spatiale 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 cette chambre 9, soit inférieur à 400 000 (Heure),et de préférence à 300 000 (Heure), ce qui correspond, pour un véhicule à moteur, à un volume au moins égal à 0,5 litre par litre de cylindrée du moteur. Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention En particulier, la section droite du pot d'échappement ne sera pas nécessairement circulaire, mais pourra aussi être polygonale, elliptique ou ovale, de sorte que le pot d'échappement soit plus facilement logeable sur 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 exté- rieure 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 démar- rage du moteur, une mise en température plus rapide du lit catalytique. De plus, les génératrices des grilles 6 et 8 pourront ne pas être parallèles entre elles et la grille externe pourra être cylindrique au lieu d'avoir la forme tronconique représentée qui présente cependant l'avantage de réduire les dimensions du corps tubulaire 1. 1 44 13 R E V E N D I C A T I 0 N S- 1 Pot d'échappement pour l'épuration catalytique des gaz produits par un moteur à combustion interne, comportant un corps allongé muni d'un orifice d'admission et d'ln orifice de sortie des gaz, ces ori- fices étant situés sensiblement aux deux extrémités du pot respecti- vement, un espace annulaire allongé destiné à contenir un catalyseur d'épuration de type particulaire agencé à l'intérieur dudit corps allongé entre lesdits orifices d'admission et de sortie des gaz, cet espace étant délimité par des parois qui comprennent deux parois laté- rales munies de perforations, une première de ces parois latérales constituant la paroi interne dudit espace annulaire, ayant sensible- ment la forme d'un tronc de cône d'axe disposé sensiblement suivant la direction d'allongement du pot, caractérisé en ce que l'une au moins des parois ( 8) délimitant ledit espace ( 9) est montée coulis- sante le long de l'axe de ladite paroi interne ( 6) et en ce que des moyens de compression ( 13) du catalyseur agissent sur ladite paroi ( 8) en tendant à réduire le volume dudit espace ( 9) destiné à contenir le catalyseur. 2 Pot d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi interne tronconique ( 6) comporte à son extrémité de plus petit diamètre un embout tubulaire ( 6 a) sur lequel un fond ( 12, 12 a) de la seconde paroi latérale ( 8) est monté coulissant. 3 Pot d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à son extrémité ( 8 a) opposée audit fond( 12 a) la seconde paroi latérale ( 8) est montée coulissante sur une coupelle ( 11) entourant ladite paroi interne ( 6). 4 Pot d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fond de la seconde paroi latérale ( 12 a) est également monté coulissante à l'intérieur d'un manchon (la) dans lequel sont logés lesdits moyens de compression ( 13) du catalyseur. 25144 13 Pot d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit manchon (la) traverse la paroi dudit corps tubulaire ( 1) et en ce que lesdits moyens de compression ( 13) sont disposés à l'extérieur de ce corps, des moyens d'isolation thermique ( 15) étant interposés entre lesdits moyens de compression ( 13) et le fond ( 12 a) de ladite seconde paroi ( 8).