Brevet FR2619413A1 — publié le 19890217

La présente invention concerne des convertisseurs catalytiques pour les systèmes d'échappement de moteurs & combustion interne, et plus particulièrement, des convertisseurs catalytiques destinés & être installés dans des véhicules automobiles à titre de premier équipement par le constructeur comme rechange ou pour les ateliers spécialisés dans la transformation des premiers équipements. La présente invention a pour objet de réduire les dimensions et le nombre des parties d'un convertisseur catalytique et en améliorant sa construction et sa fabrication. L'invention atteint l'objet précédent au moyen d'un support de substrat sous forme d'un corps tubulaire de convertisseur de diamètre réduit & une partie centrale de manière & comprimer un matelas de support autour d'un substrat de catalyseur. Dans un mode de réalisation, les extrémités du corps ont un rayon sphérique de manière à produire un support de substrat du convertisseur qui peut 2619 4 13 être expédié "tel quel" ou assemblé pour former un convertisseur. Ce type de convertisseur est achevé en fixant des douilles d'entrée et de sortie aux extrémités du support du substrat et cela peut s'effectuer dans l'usine ou à un certain stade en aval. Dans un autre mode de réalisation, le corps est constitué de deux moitiés, une douille étant formée dans chacune d'elles. L'une des moitiés a un diamètre réduit de manière à supporter le substrat, et l'autre est comprimée sur la première et y est fixée. La présente invention se traduit par un convertisseur d'une longueur assez faible, comportant peu de pièces, asant un rendement maximum car 100 % des faces d'extrémité du substrat peuvent être utilisées,et une meilleure précision du support du substrat. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-Joints dans lesquels: La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale suivant l'axe d'un mode de réalisation préféré de convertisseur selon l'invention; La Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une moitié d'un autre mode de réalisation de l'invention, représentant le matelas et le substrat après le rembourrage; La Figure 3 est une vue en coupe semblable à celle de la Figure 2, mais représentant les pièces après réduction du diamètre; et La Figure 4 est une vue en coupe longitudinale du convertisseur complété des Figures 2 et 3. En liaison avec la Figure 1, un convertisseur catalytique 1 selon la présente invention, destiné & être utilisé dans le système d'échappement des véhicules automobiles, comprend un corps métallique en tôle 3, de préférence rond et symétrique, tubulaire, à extrémité ouverte, dont l'intérieur définit une chambre 5 pour un substrat 7 de catalyseur rond, symétrique, en monolithe de céramique, du type nid d'abeille (qu'on trouve sur le marché) présentant des extrémités plates 9 et un grand nombre de passages longitudinaux 11 revêtus d'un catalyseur, à cellules en nid d'abeille, s'étendant entre une extrémité 9 et l'autre extrémité. La partie centrale du substrat 7 sphériques d'accouplement. Le corps 3 est de préférence constitué d'un tronçon de tube métallique ayant un diamètre et une épaisseur uniformes. Le substrat 7 est, avec la bande annulaire 13 de matelas située & son centre, placé au centre de la chambre et a le même axe que le tube, dont le diamètre est alors réduit uniformément par un moyen approprié connu (par exemple, voir le brevet des Etats-Unis n' 3 382 948, Figures 2 et 2A) pour obtenir une partie centrale en anneau 29, de diamètre réduit, ayant la même longueur que le matelas 13, d'o la compression radialement uniforme du matelas autour de l'extérieur du substrat sur environ la moitié de son épaisseur originelle ou à l'état libre, ce qui permet de supporter fermement quoique quelque peu de façon élastique le substrat dans la position centrale. La partie 29 en anneau maintient la compression radiale du matelas 13 et tous deux appliquent une pression radiale suffisante pour le maintien dans la position centrale et servent de seul moyen de monture anti-chocs et de support du monolithe en céramique. Le corps 3 a des parties intermédiaires 31 de diamètres sensiblement uniformes qui s'étendent entre les extrémités opposées ou extrémités extérieures de la partie centrale 29 et les extrémités intérieures des extrémités sphériques 15, les extrémités sphériques 15 étant formées dans le corps métallique 3 après la propre formation de l'anneau 29 de manière à maintenir le substrat en place. Les parties 31 sont espacées radialement vers l'extérieur du substrat 7 et s'étendent de préférence jusqu'à proximité des extrémités 9 du substrat, là o commence la courbure pour donner les extrémités sphériques 15. Le cas échéant, des douilles telles que 17 et 19 peuvent, après formation des extrémités 15 être soudées en place à l'usine. En variante, le substrat du convertisseur, ou corps 3 avec le substrat 7 et les extrémités formées 15, peuvent être envoyés en aval du constructeur de véhicules, aux entrep6ts, ateliers de réparation, etc, o les douilles peuvent être fixées de manière à satisfaire une application spécifique. Au point de vue du procédé de fabrication du convertisseur 1, le corps 3 a de préférence à l'origine la forme d'un simple tube métallique de diamètre uniforme, ouvert aux deux extrémités. Le matelas 13 est placé autour de la section médiane du substrat 7 et cet ensemble est inséré dans le tube de façon à être -centré longitudi- nalement et radialement dans celui-ci. Tout en maintenant cette relation de centrage, la paroi du tube est comprimée radialement pour donner la section 29 à anneau de diamètre réduit qui, grace à son contact radial avec le matelas 13, le comprime radialement et applique une pression radiale au substrat 7. La déformation radiale de la bague 29 est suffisante pour appliquer au matelas et au substrat une pression radiale suffisante et la maintenir et permettre l'absorbtion des chocs par le matelas tout en conservant le substrat centré dans le tube de sorte que ses angles d'extrémité ne viennent pas en contact avec la surface de la paroi intérieure du tube. Après formation de la bague 29 de façon à maintenir le substrat 7 en place, une pression radiale est appliquée aux extrémités du tube de manière à les déformer vers l'intérieur et obtenir les extrémités sphériques 15 tout en conservant les sections 31 sensiblement cylindriques afin de préserver le jeu entre elles et le substrat 7. Cela complète le substrat du convertisseur et le convertisseur est achevé en soudant les douilles 17 et 19 sur les extrémités 15. En variante, l'une des extrémités sphériques 15 pourrait être formée dans le corps avant l'insertion du substrat dans l'autre extrémité et être maintenue en place par la formation de la bague 29. En utilisation, le convertisseur 1 sera normalement fixé au système d'échappement par soudage ou autre moyen de fixation des parties 21 et 23 aux conduits du système d'échappement. L'une ou l'autre extrémité peut être l'orifice d'admission. Le gaz d'échappement traverse les passages longitudinaux 11 qui sont revêtus de catalyseur de manière à réduire les oxydes d'azote et à oxyder les hydrocarbures et le monoxide de carbone afin d'obtenir des niveaux acceptables des émissions. Si l'on utilise un matelas 13 à base de vermiculite, la chaleur due à la réaction pendant le fonctionnement initial du convertisseur provoquera sa dilatation, d'o l'amélioration de l'étan- chéité de la liaison entre le substrat 7 et le corps 3 simultanément à la résistance de frottement relativement élevée qui permet d'éviter le glissement du substrat par rapport au corps 3. Pour le service aprèsvente, le substrat 7 sera sélectionné, dimensionné, et traité avec le catalyseur afin de produire des niveaux d'émission acceptables pour une vaste gamme de moteurs différents. A titre d'exemple des dimensions approchées pour des applications automobiles, le substrat 7 peut avoir un diamètre extérieur d'environ 10 cm et une longueur d'environ 12 cm, et être espacé uniformément d'environ 1,5 mm de la surface intérieure de la bague 29 et d'environ 0,10 mm de la surface intérieure des parties intermédiaires 31, et la longueur horstout du corps 3 après formation des extrémités sphériques peut avoir 1819 cm. Il s'agit là d'une longueur sensiblement inférieure à celle nécessaire pour supporter le substrat d'une manière classique dans un corps de forme semblable au moyen de bagues de support en forme de L. De plus, 100 % des faces d'extrémités 9 et des passages longitudinaux 11 du substrat peuvent être utilisés pour conversion, d'o l'augmentation de l'efficacité du convertisseur. Une autre comparaison avec le procédé de support avec des bagues en forme de L montre que le nombre des pièces du convertisseur 1 est réduit à seulement 5 et que le procédé de support du substrat par une compression radiale uniforme appliquée par l'intermédiaire de la bague 29 permet d'obtenir une plus grande précision dans la fabrication, d'o la réduction du risque de rebuts. Les extrémités sphériques 15 et les douilles 17 et 19 constituent une caractéristique "d'universalité" qui favorise la réduction des stocks, un service de meilleure qualité et des coûts plus faibles. Le corps 3, sans les douilles 17 et 19, comprend un support de substrat qui peut être expédié avec un risque réduit d'endommagement par les chocs du substrat en céramique fragile grâce à la protection assurée par les extrémités sphériques et par le procédé unique du montage du substrat qui fournit un vaste jeu pour les angles de celui-ci. En liaison avec les Figures 2-4, on illustre la présente invention sous forme d'un convertisseur 101 de ce corps. Comme on le voit en Figure 2, le substrat 107 et son matelas central 113, placé symétriquement, ont un diamètre extérieur qui est à peu près le même que le diamètre intérieur de l'extrémité 123 du demi-corps 119, d'o il résulte que le substrat et le matelas combinés peuvent être introduits dans l'extrémité ouverte ll9a de la moitié 119 et placés avec l'extrémité extérieure du matelas sensiblement dans le même plan que l'extrémité 119a (un Jeu étant de préférence prévu pour la dilatation longitudinale du matelas par suite de la compression radiale). Comme on peut le voir en Figures 3 et 4, l'extrémité de la partie 123 a un diamètre réduit le long de la section 129 selon approximativement l'épaisseur de paroi des moitiés 119 et 121, soit environ 50 % de l'épaisseur d'origine du matelas 113. La section 129 à diamètre réduit a une longueur pratiquement identique à celle du matelas comprimé. Comme on peut le voir en Figure 4, l'extrémité ouverte 121a de la moitié 121 s'emmanche sur la section 129 à diamètre réduit de la moitié 119 de sorte que la partie d'extrémité 125 glisse sur la section 129 sur la longueur souhaitée de chevauchement,lechevauchement illustré en Figure 4 étant la longueur du matelas 113 et de la section 129 dont le chevauchement peut être plus faible. Ensuite, l'extrémité 125 et la moitié 121 peuvent être fixées à l'extrémité 123 et à la moitié 119, comme cela est illustré par la soudure annulaire 131. S'agissant du procédé de fabrication du convertisseur 101, les deux moitiés 119 et 121 se présentent de préférence & l'origine sous forme de simples tubes métalliques de diamètre uniforme et ouverts aux deux extrémités. L'extrémité de chacune des moitiés est déformée par des opérations appropriées d'étirage ou d'estampage, etc, de manière à former les sections 127 et les douilles et 117 avec l'orientation désirée par rapport à l'axe du tube. Le matelas 113 est enroulé autour du substrat, de préférence de façon symétrique par rapport aux extémités comme cela est illustré, et cet ensemble est introduit dans l'une des moitiés (par exemple la moitié 119) de sorte que l'extrémité arrière du matelas se trouve approximativement dans le même plan que l'extrémité de la moitié (par exemple l'extrémité 119a). Ensuite, la paroi de la moitié contenant le substrat est comprimée radialement dans la bague 129, la déformation suivant un rayon étant de préférence pratiquement l'épaisseur de la paroi du tube métallique à partir duquel les moitiés 119 et 121 sont formées. L'ensemble est alors complété en faisant coulisser ou en emboîtant la seconde moitié (par exemple la moitié 121) sur la bague 129 (laquelle a maintenant un diamètre extérieur sensiblement identique au diamètre intérieur de la seconde moitié) suivant la quantité souhaitée pour le chevauchement et par soudage ou autre méthode de fixation aux deux moitiés. Si les deux douilles 115 et 117 sont obliques par rapport à l'axe du convertisseur 101, la seconde moitié sera également positionnée angulairement dans l'emplacement désiré avant son soudage à la première moitié. Alors que les moitiés 119 et 121 sont représentées avec des douilles d'extrémité en une pièce 115 et 117, les douilles 115 et 117 pourraient être omises (de sorte que le corps 103 serait un support de substrat) et les douilles de passage de gaz pourraient être des pièces rapportées comme cela est illustré en 17 et 19 pour le convertisseur 1 de la Figure 1, auquel cas il serait important que les extrémités des moitiés soient sphériques comme cela est illustré en 127. Une autre variante consisterait à avoir les extrémités sphériques 127 sans aucune ouverture (à l'exception d'un évent d'air à des fins d'assemblage, le cas échéant), d'o il résulterait que l'installateur du convertisseur décou- perait des ouvertures pour le passage des gaz aux positions désirées et souderait des douilles du type chapeau d'extré- mité telles que 17 et 19 en Figure 1. Cette variante assure une protection maximum contre les endommagements du substrat pendant l'expédition et le stockage. L'idée de base des extrémités sphériques ouvertes et fermées, pour un convertisseur classique est décrite et revendiquée dans la demande de brevet américain en attente ayant pour numéro de série 846 058. Pour obtenir les résultats les meilleurs, il est important que dans les convertisseurs 1 et 101 on choisisse la longueur appropriée pour le matelas 13 ou 113. Si le matelas est trop long, les fibres peuvent se casser ou être libérées par les pulsations du gaz et pénétrer dans les passages longitudinaux 11 ou 111 et les boucher. De plus, si le matelas est trop long, un phénomène peut se produire dans lequel des gradients de température se développent sur le substrat qui peuvent le placer en tension, entraînant le fendillement du centre. D'autre part, si le matelas est trop court, le substrat peut se balancer ou résonner entrainant l'endommagement s'il heurte le corps métallique 3 ou 103. Pour réduire les risques précédents, il est souhaitable que la longueur du matelas soit égale de 50 & % à celle du substrat, de préférence d'environ 60 %. A ces longueurs, on tire un avantage spécial en ce sens qu'on pense que des conditions statiques se développent dans l'espace entre le diamètre extérieur des extrémités opposées du substrat et les parois des corps 3 et 103, o le gaz est relativement stagnant. On pense que cela protège les extrémités du matelas et a tendance à réduire le risque de séparation des fibres et de leur entrée dans le substrat. 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. Par exemple, alors qu'on préfère des extrémités sphériques 15 pour le convertisseur 1, on obtiendra les mêmes avantages si des douilles il coniques classiques sont fixées aux sections 31 à la place des douilles 17 et 19 représentées. t REVENDICATIONS 1. Support de substrat d'un convertisseur catalytique du type utilisé dans les systèmes d'échappement des véhicules automobiles, caractérisé en ce qu'il comprend un corps tubulaire allongé, un substrat de catalyseur à l'intérieur du corps, un matelas de support entourant une partie centrale du substrat, le corps ayant une partie centrale à diamètre réduit, comprimée radialement contre le matelas et le substrat de manière & maintenir ce dernier en position dans le corps. 2. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le matelas est constitué d'un matériau qui se dilate sensiblement par chauffage et par conséquent augmente la compression radiale entre le substrat et la partie à diamètre réduit. 3. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le corps comporte des parties cylindriques s'étendant longitudinalement en s'éloignant des côtés opposés des parties à diamètre réduit et espacées radialement de la surface extérieure du substrat suivant une quantité sensiblement supérieure à l'épaisseur du matelas. 4. Support de substrat selon la Revendication 3, caractérisé en ce que le matelas et la partie centrale ont sensiblement la même longueur. 5. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le matelas est constitué d'un matériau fibreux et sa longueur est égale à environ 50-90 % de celle du substrat. 6. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le corps est ouvert aux extrémités et comporte des parties d'extrémité destinées & être fixées & des douilles d'extrémité pour le passage des gaz. 7. Support de substrat selon la Revendication 6, dans lequel les parties d'extrémité ont la forme d'une sphère. 8. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le corps est fermé aux extrémités. 9. Support de substrat selon la Revendication 8, caractérisé en ce que le corps a des parties d'extrémité de forme sphérique. 10. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le corps est constitué d'une piece et la partie centrale est formée dans cette pièce. 11. Support de substrat selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le corps comprend deux sections emboitées l'une dans l'autre et la partie centrale à diamètre réduit est formée dans une extrémité de l'une des sections et l'autre section se monte sur la partie centrale à diamètre réduit. 12. Convertisseur catalytique du type utilisé dans les systèmes d'échappement de véhicules automobiles, caractérisé en ce qu'il comprend un corps tubulaire allongé et ouvert à' chaque extrémité, un substrat de catalyseur à l'intérieur du corps, un matelas élastique de support autour de la partie centrale du substrat, le corps ayant une partie centrale i diamètre réduit, comprimée radialement contre le matelas et le substrat et servant de moyen de support pour le substrat, et des douilles pour le passage des gaz aux extrémités opposées du corps. 13. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- risé en ce que les parties d'extrémité du corps ont la forme d'une sphère et les douilles d'extrémités ont des brides de forme sphérique qui sont fixées aux extrémités sphériques. 14. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- risé en ce que le corps est constitué d'une pièce et la partie centrale à diamètre réduit est formée dans cette pièce. 15. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- risé en ce que le corps contient deux sections emboîtées l'une dans l'autre et la partie centrale à diamètre réduit est formée dans l'extrémité de l'une des sections et l'autre section se monte sur la partie centrale à diamètre réduit. 16. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- rise en ce que le matelas et la partie centrale à diamètre réduit servent de seuls moyens de support pour le substrat. 17. Convertisseur selon la Revendication 16, caracté- risé en ce que le matelas et la partie centrale & diamètre réduit ont sensiblement la même longueur et cette longueur est égale à environ 50-90 % de la longueur du substrat. 18. Convertisseur selon la Revendication 17, caracté- risé en ce que la longueur est environ 60 % de celle du substrat. 19. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- risé en ce qu'au moins l'une des douilles d'extrémité pour le passage des gaz est oblique par rapport à l'axe du corps. 20. Convertisseur selon la Revendication 12, caracté- risé en ce que le matelas est constitué d'un matériau fibreux pouvant' se dilater à la chaleur et présente une longueur égale sensiblement à environ 50-90 % de la longueur du substrat, le matelas étant comprimé par la partie centrale à diamètre réduit jusqu'à environ la moitié de son épaisseur à l'état libre. 21. Convertisseur selon la Revendication 20, caracté- risé en ce que le corps comporte des parois cylindriques, espacées radialement des extrémités du substrat en saillie au-delà du matelas sur une distance pratiquement égale à celle des extrémités en saillie du substrat, l'espacement radial étant sensiblement le même que l'épaisseur du matelas à l'état libre. 22. Convertisseur selon la Revendication 21, caracté- risé en ce que le corps a des extrémités s'étendant vers l'extérieur des extrémités extérieures des parois cylindriques et les extrémités sont sphériques. 23. Convertisseur selon la Revendication 22, caracté- risé en ce que les extrémités commencent dans des plans coïncidant sensiblement avec les faces d'extrémité du substrat. 61913 24. Procédé de fabrication d'un substrat de convertisseur destiné à être utilisé dans un convertisseur catalytique du type véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: placer un matelas annulaire de support absorbant les chocs autour de la section intermédiaire seulement d'un substrat de catalyseur, insérer le substrat assemblé dans le corps métallique creux, déformer radialement la paroi du corps métallique pour obtenir une bague annulaire de diamètre réduit en contact annulaire avec le matelas annulaire afin d'appliquer une pression radiale et la maintenir et comprimer radialement le matelas de façon à sensiblement réduire son épaisseur et appliquer une pression radiale suffisante contre le substrat afin de maintenir celui-ci dans le corps. 25. Procédé selon la Revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consistant & appliquer une pression radiale à une extrémité extérieure du corps de manière à le déformer radialement vers l'intérieur pour obtenir une partie extrême de forme prédéterminée. 26. Procédé selon la Revendication 24, caractérisé en ce que le substrat assemblé est inséré dans le corps de façon à être centré longitudinalement et axiallement dans celui-ci et en ce que la partie centrale de la paroi du corps est déformée pour donner la bague annulaie. 27. Procédé selon la Revendication 24, caractérisé en ce que le substrat assemblé est inséré dans le corps de sorte qu'il est centré axiallement dans celui-ci, mais une extrémité au-delà du matelas s'étend hors du corps et en ce qu'une extrémité de la paroi du corps est déformée pour donner la bague annulaire, et comprenant en outre les étapes consistant à emboîter un second corps métallique creux sur la bague annulaire et fixer le second corps au premier corps à l'état emboîté. 28. Procédé de fabrication d'un convertisseur catalytique du type automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à déformer une première extrémité d'un premier corps métallique tubulaire de diamètre uniforme pour obtenir une douille d'extrémité pour le passage des gaz, à déformer une première extrémité d'un second corps métallique tubulaire de diamètre uniforme pour obtenir une douille d'extrémité pour le passage des gaz, à placer un matelas annulaire absorbant les chocs autour d'une section médiane seulement d'un substrat de catalyseur, à insérer le substrat assemblé dans la première extrémité du premier corps de façon que l'extrémité extérieure du matelas soit radiaiement alignée avec l'extrémité du premier corps, à déformer radiallement la paroi au droit de la première extrémité du premier corps pour obtenir une bague annulaire de diamètre réduit en contact radial avec le matelas annulaire afin d'appliquer et maintenir la pression radiale et comprimer radialement le matelas dans le but de réduire sensiblement son épaisseur et pour appliquer une pression radiale suffisante contre le substrat afin de le maintenir dans le premier corps, et à emboîter la première extrémité du second corps sur la bague et fixer ensemble les première et seconde moitiés. 29. Procédé selon la Revendication 28, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à déformer la paroi de la première extrémité du premier corps sur une distance radiale sensiblement identique à l'épaisseur de paroi de la première extrémité du second corps.