Brevet FR2625257A1 — publié le 19890630

L'invention concerne un dispositif pour le trai- tement catalytique des gaz de combustion d'un moteur d'auto- mobile, en particulier d'un moteur à combustion interne à cycle à quatre temps, comportant une cartouche de catalyseur disposée dans un canal d'écoulement pour les gaz de combus- tion, dont l'une des faces frontales constitue une entrée de gaz d'échappement et l'autre une sortie de gaz d'échappe- ment, la cartouche de catalyseur comprenant une bande métal- lique enroulée en spirale, avec interposition d'écarteurs et avec formation d'espaces hélicoïdaux. L'invention concerne également un procédé de fabrication pour un tel dispositif. On entend par espaces hélicoidaux, les intervalles entre les différentes spires qui, du point de vue géométrique, forment un espace hélicoïdal continu. Il va de soi que dans un tel dispositif les surfaces qui entrert en contact avec les gaz de combustion à traiter portent un revêtement catalytique- ment efficace qui présente, par exemple, une structure céra- mique et est activé avec des catalyseurs chimiques. Les catalyseurs sont sélectionnés de telle fagon qu'ils encou- ragent des réactions chimiques par lesquelles des produits nocifs entraînés dans les gaz de combustion (monoxyde de carbone, oxydes d'azote, hydrocarbures et éventuellement aussi oxydes de soufre) sont transformés et de ce fait éliminés. La chimie des réactions de transformation est bien connue en soi. Le plus souvent, le revêtement catalytiquement efficace est appliqué d'une manière appropriée, puis "cuit". L'activation avec les catalyseurs chimiquement efficaces se fait par exemple par immersion. Dans le dispositif bien connu de ce genre (FR 2 214 818), les écarteurs sont constitués par des ondu- lations dans une seconde bande métallique. Au cours de la fabrication, les deux bandes métalliques sont réunies et enroulées ensemble en spirale. Le plus souvent, les ondula- tions augmentent de l'intérieur vers l'extérieur en vue de régler la résistance hydraulique. En même temps, les ondula- tions servent à augmenter la surface macroscopique qui reçoit le revêtement catalytiquement efficace, ce qui a pour effet d'agrandir la surface macroscopique catalytiquement efficace. Du point de vue microscopique, la surface catalytiquement efficace se compose aussi des surfaces des pores dans le revêtement catalytiquement efficace lesquelles sont égale- ment catalytiquement activées. Malgré les ondulations, la surface macroscopique catalytiquement efficace est relative- ment petite dans le dispositif bien connu. La présente invention a pour objet de perfection- ner un dispositif du genre précité de telle façon que, pour une faible dépense, il présente une surface macroscopique catalytiquement efficace considérablement agrandie. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les écarteurs sont réalisés sous la forme de matriçages de la bande métallique constituant des canaux de communica- tion, lesquels présentent respectivement une ouverture de passage et une paroi directrice et créent, sur le plan de l'écoulement, des liaisons transversales entre les espaces hélicoïdaux, et qu un voile de fibres de support de cataly- seur est disposé dans les espaces hélicoïdaux. Les fibres de support de catalyseur peuvent être réalisées à partir du même matériau que celui utilisé, dans le cadre des mesures bien connues, pour le revêtement catalytiquement efficace. Mais elles peuvent également être réalisées à partir d'un autre matériau approprié et porter un revêtement catalyti- quement efficace. Un matériau convenable pour les fibres de support de catalyseur et respectivement leur revêtement est, par exemple, une céramique dite Alumina dopée de terres rares ainsi que de lanthane, de métaux du groupe IV ainsi que de zircon ou de mélanges de celui-ci. Pour le dispositif selon l'invention, ce sont principalement les fibres de sup- port de catalyseur qui constituent la surface macroscopique catalytiquement efficace laquelle peut, par conséquent, être réglée très grande par le nombre des fibres de support de catalyseur dans le voile. De plus, il est à constater que le voile conduit à une meilleur adhérence du "WASH-COAT" appliqué postérieurement. Dans le cadre de l'invention, les matriçages assument à la fois la fonction des écarteurs mais aussi une fonction de dynamique des gaz. Ils guident les gaz de com- bustion à traiter transversalement à la direction longitudi- nale de la cartouche de catalyseur d'un espace hélicoïdal à l'autre et peuvent, grâce à la forme géométrique des parois directrices, être agencés de façon à obtenir une réparti- tion très homogène des gaz de combustion à traiter sur toute la section transversale. Pour cela, l'invention enseigne que les matriçages formant des canaux de communication dans la cartouche de catalyseur dévient les gaz de combustion vers l'extérieur dans la région de l'entrée des gaz d'échappement et vers l'intérieur dans la région de la sortie des gaz d'échappement. Les matriçages formant des canaux de communi- cation peuvent s'étendre sur toute la longueur de la cartou- che de catalyseur, ou autrement dit sur toute la largeur de la bande métallique, et ils peuvent être agencés dans l'une des moitiés de la largeur de la bande métallique de telle façon que, dans la cartouche de catalyseur, les gaz de combustion sont déviés vers l'extérieur, tandis qu'ils sont déviés vers l'intérieur dans l'as e moitié. Mais il est également possible de laisser subsister dans la région cen- trale de la cartouche de catalyseur une zone de bande métal- lique dépourvue de matriçage de ce genre. Lorsque, dans la cartouche de catalyseur, les matriçages formant des canaux de communication dirigent les gaz de combustion vers l'exté- rieur dans la région de l'entrée des gaz d'échappement et vers l'intérieur dans la région de la sortie des gaz d'échap- pement, on obtient en même temps un équilibre thermique sur l'ensemble de la section transversale de la cartouche de catalyseur et une amélioration du rendement catalytique. De plus, les matriçages formant des canaux d'écoulement peuvent assumer une troisième fonction, à savoir celle du maintien des fibres de support de catalyseur. Sur ce point, il est également possible d'utiliser un voile de fibres très lâche, par exemple une nappe de fibres répandues de manière lâche. Dans le cadre de l'invention, la forme des matri- çages constituant des canaux de communication peut dans une large mesure être choisie à volonté. Dans un mode de réali- sation préféré de l'invention, les ouvertures de passage sont alors conformées en fentes auxquelles sont rattachées des parois directrices en forme de coupoles. Comme il a déjà été dit, le voile de fibres peut être constitué par des fibres céramiques, en particulier par des fibres céramiques oxydées, par exemple à base d'oxyde d'aluminium. Le dispositif selon l'invention se distingue par une très grande surface macroscopique catalytiquement efficace. Mais il est également caractérisé par une fabrication simple. L'invention concerne également un procédé se rap- portant à la fabrication du dispositif décrit et consistant à dérouler une bande métallique d'une bobine, à former les écarteurs et à enrouler la bande métallique avec interposi- tion des écarteurs ainsi qu'avec formation d'espaceshélicoi- daux (cf. FR 2 214 818). Du point de vue technologique, l'invention est caractérisée par le fait que les écarteurs sont introduits dans la bande métallique sous la forme de matriçages constituant des canaux de communication, que le voile de fibres constitué de fibres de support de catalyseur est ensuite appliqué sur au moins une face de la bande métal- lique laquelle est recouverte par une feuille de matière thermoplastique, et que l'agrégat constitué par la bande métallique avec ses matriçages, le voile de fibres et la feuille de matière plastique est enroulé en spirale et fixé par soudage. Lorsque la cartouche de catalyseur est réalisée de cette manière, la bande métallique maintient le voile de fibres, et cela également avec ses matriçages. La feuille de matière plastique peut être éliminée par cuisson. Il est prévu dans le cadre de l'invention de munir les fibres de support de catalyseur, lors de l'application, d'un liant organique de sorte que, lors de la fabrication, y compris l'opération d'enroulement, le voile de fibres est maintenu ensemble et immobilisé. Il est alors avantageux qu'il faille une quantité de métal considérablement moindre que dans le passé étant donné que les écarteurs sont formés par les matriçages et non pas par une seconde bande de métal ondulée. La description qui va suivre, en regard des des- sins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut ère mise en pratique. La figure 1 représente un schéma pour le procédé de fabrication de la cartouche de catalyseur d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une vue de côté partielle- ment éclatée d'une cartouche de catalyseur pour un dispositif selon l'invention. La figure 3 représente une vue de face de l'objet de la figure 2. L'examen du procédé de fabrication représenté dans la figure 1 fait très nettement ressortir la structure d'une cartouche de catalyseur 1 pour un dispositif selon l'inven- tion. On remarque le déroulement d'une bande métallique 2 à partir d'une bobine 3, la formation des écarteurs 4 et, à droite dans le schéma de la figure 1, l'enroulement de la bande métallique 2 en cartouche de catalyseur 1, avec inter- position des écarteurs 4 ainsi qu'avec formation d'espaces hélicoïdaux 5. Les écarteurs 4 sont introduits dans la bande métallique sous la forme de matrigages formant des canaux de communication. Pour ce faire, on travaille en continu avec des cylindres de matriçage 6 ou avec une presse à estamper 7 à fonctionnement cycli-Fe comme cela est indiqué dans la figure 1 en A. Puis, un voile 8 constitué de fibres de support de catalyseur 9 est appliqué sur la surface de la bande métallique 2, à savoir par épandage. Le voile 8 est ensuite recouvert d'une feuille de matière thermoplastique débitée par une bobine 11. Le tout est tout d'abord main- tenu ensemble par une paire de rouleaux 12, après quoi l'agrégat constitué par la bande métallique 2 avec ses matri- sages 4, le voile 8 et la feuille de matière plastique 10 est enroulé en spirale. Des couches de métal successives sont alors soudées par points en 19 au moyen d'une soudeuse à laser 20 avec dispositif de balayage. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le voile 8 de fibres de support de catalyseur 9 est également appliqué à la face inférieure de la bande métallique 2. A ce propos, on remarque, dans la partie basse du schéma, une bobine supplémentaire 11 qui débite une autre feuille de matière plastique 10 et un dispositif 13 qui sert à répandre les fibres de support de catalyseur 9 pour former un voile 8 lâche sur cette feuille de matière plastique 10. Avec cette feuille de matière plas- tique 10, ce voile inférieur 8 de fibres de support de cata- lyseur 9 est appliqué sur la bande métallique 2. La feuille de matière plastique 10 est constituée, par exemple, de polyéthylène. Un dispositif de coupe 14 est inséré dans le système de fabrication. Il ressort d'un examen comparé des figures 1 à 3 que l'on obtient une cartouche de catalyseur 1 pouvant être montée dans le canal d'écoulement pour les gaz de combustion à traiter, l'une de ses faces frontales constituant une entrée de gaz d'échappement 15 et l'autre la sortie de gaz d'échappement 16. Cette cartouche de catalyseur 1 comprend une bande métallique 2 qui est enroulée en spirale, avec interposition d'écarteurs 4 et avec formation d'espaces hélicoïdaux 5. Les écarteurs 4 sont constitués par des matriçages de la bande métallique 2 formant des canaux de communication. Ils présentent respectivement une ouverture de passage 17 et une paroi directrice 18 et ils créent une liaison transversale entre les espaces hélicoidaux 5. Cette liaison transversale est agencée de telle façon que les gaz de combustion sont dirigés vers l'extérieur dans la région de l'entrée des gaz d'échappement 15 et vers l'intérieur dans la région de la sortie des gaz d'échappement 16, comme cela est indiqué par des flèches dans la figure 2. A cet effet, les parois directrices 18 des matriçages 4 formant des canaux de communication sont agencées de telle façon qu'elles sont ouvertes, dans la bande métallique 2, une fois vers le bas et une fois vers le haut et qu'elles remplissent en conséquence la fonction de guidage indiquée dans la figure 2. Dans l'exemple de réalisation et selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les ouvertures de pas- sage 17 sont conformées en fentes auxquelles font suite des parois directrices 18 en forme de coupoles. Le voile 8 est constitué de fibres céramiques 9, en particulier de fibres céramiques oxydées, par exemple à base d'oxyde d'aluminium. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le traitement catalytique des gaz de combustion d'un moteur d'automobile, comportant une cartouche de catalyseur disposée dans un canal d'écoulement pour les gaz de combustion, dont l'une des faces frontales constitue une entrée de gaz d'échappement et l'autre la sortie de gaz d'échappement, la cartouche de catalyseur comprenant une bande métallique enroulée en spirale, avec interposition d'écarteurs et avec formation d'espaces héli- coidaux, caractérisé par le fait que les écarteurs (4) sont réalisés sous la forme de matriçages de la bande métallique (2) constituant des canaux de communication, lesquels présentent respectivement une ouverture de passage (17) et une paroi directrice (18) et créent, sur le plan de l'écou- lement, des liaisons transversales entre les espaces héli- coidaux (5), et qu'un voile (8) d: fibres de support de catalyseur (9) est disposé dans les espaces hélicoïdaux (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que les matriçages (4) formant des canaux de communication dans la cartouche de catalyseur (1) dévient les gaz de combustion vers l'extérieur dans la région de l'entrée des gaz d'échappement (15) et vers l'intérieur dans la région de la sortie des gaz d'échappement (16). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les ouvertures de passage (17) sont réalisées sous la forme de fentes auxquelles sont rattachées des parois directrices (18) en forme de coupoles. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que le voile (8) est constitué par des fibres céramiques- (9), en particulier par des fibres céramiques oxydées. 5. Procédé pour la fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, consistant à dérouler une bande métallique d'une bobine, à former les écarteurs et à enrouler la bande métallique avec interposi- tion des écarteurs ainsi qu'avec formation d'espaces hélicoïdaux, caractérisé par le fait que les écarteurs sont - introduits dans la bande métallique sous la forme de matri- çages constituant des canaux de communication, que le voile 2625257? de fibres constitué de fibres de support de catalyseur est ensuite appliqué sur au moins une face de la bande métalli- que laquelle est recouverte par une feuille de matière ther- moplastique, et que l'agrégat constitué par la bande métal- lique avec ses matriçages, le voile de fibres et la feuille de matière plastique est enroulé en spirale et fixé par soudage.