Brevet FR2643418A1 — publié le 19900824

La présente invention concerne un dispositif épurateur de gaz d'échappement pour un moteur Diesel et plus particulièrement un dispositif épurateur de gaz d'échappement avec lequel le taux d'épuration des gaz d'échappement est amélioré et qui permet une bonne maintenance. Des catalyseurs sont fréquemment utilisés dans des dispositifs épurateurs de gaz d'échappement connus pour moteurs à combustion interne pour traiter les gaz d'échappement avant qu'ils ne soient rejetés à L'atmosphère. L'un de ces dispositifs connus utiLise des boulettes formant le support pour le catalyseur et contenues dans une enveloppe. La figure 5 des dessins annexés montre, à titre d'exemple, un dispositif épurateur connu pour gaz d'échappement, comprenant une enveloppe 2 à double paroi, un tube interne 3 passant par le centre et raccorde à un tuyau d'échap- pement 1 et des boulettes 4 porteuses de catalyseur, contenues dans l'enveloppe 2 a l'exterieur du tube interne 3. Ce dernier est pe-çé de trous 6 pour permettre aux gaz d'échappement venant du mcteur, a travers Le tuyau 1 et le tube intérieur 3, de pénétrer dans la zone contenant les boulettes 4 dans l'enveloppe 2, ce qui produit l'épuration de constituants toxiques des gaz d'échappement, tels que des hydrocarbures et du formaldéhyde. Pour la maintenance, les boulettes 4 portant le catalyseur sont retirées de l'enveloppe 2 à travers une ouverture de remplissage obturée par un bouchon amcvible 7, puis les boulettes 4 retirées sont chauffées dans un four pour brûler les hydrocarbures déposés et régénérer ainsi les boulettes 4, pouvant ensuite être réintroduites dans l'enveloppe 2. D'autres dispositifs épurateurs de gaz d'échappement connus utilisent une structure en nid d'abeilles pour porter le catalyseur, comme décrit dans la demande de brevet japonais publiée n 61-286 513. La structure en nid d'abeilles est formée par un filtre en céramique poureux et possède un grand nombre de cellules s'étendant dans le sens de la longueur de la structure. Dans cet exemple de l'art antérieur, l'une des deux extrémités opposees d'cne cellu'le est fermée par un bouchon situé en aval par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement, tandis que l'extrémite fermee d'une celLule voisine est située en amont. De cette manière, les gaz d'échappement pénètrent dans une ceLule avec un bouchon situé en aval, traversent la paroi ou cloison p^reuse de seoaration entre les cellules et sortent par la cellule voisine, pendant que la cloison poreuse de séparation est graduellement obstruée par des particules contenues dans les gaz d'échappement. Lorsque Le filtre est colmaté, il est régénéré par un processus de combustion produit à l'aide d'un brûLeur ou d'un appareil de chauffage électrique. Les dispositifs décrits ci-dessus de l'art antérieur posent ceperdant plusieurs problèmes. Dans le cas des dispositifs épeuateurs utilisant des boulettes portant un catalyseur, le taux d'leouration ou d'élimination des constituants toxiques diminue avec le terps en raison du dépôt des particules sur les surfaces des boulettes. Il est préférable d'utiliser une grande quantité de boulettes, mais cela est difficile compte tenu de la place d4sponible sur une automobile. De plus, les particules déposées risquent de provoquer la corrosion du dispositif épurateur et le maintien en bon état de fonctionnement des boulettes est difficile parce qu'elles doivent être régénérées par un traitement thermique à haute temperature, à 700 C par exempLe, produisant souvent le frittage des boulettes, ce qui les rend définitivement inutilisables. Dans Le cas des dispositifs épurateurs utilisant un filtre céramique en nid d'abeilles comme support pour le catalyseur, une grande quantité d'hydrocarbures est souvent déposée près de L'extrémité d'entrée du filtre, de sorte que le traitement de brûlage à travers les cLoisons poreuses devient problématique, ce qui compromet le maintien en bon état de fonc- tionnement. Le but de la présente invention est de procurer un dispositif épurateur de gaz d'échappement, pour un moteur Diesel, avec lequel le taux d'épuration puisse être amélioré et qui puisse facilement être maintenu en bon état de fonctionnement. Conformement à l'invention, un tel dispositif comprend une enveloppe externe avec une entrée des gaz, destinée à être raccordée au tuyau d'échappement du moteur DieseL, de même qu'une sortie des gaz, une structure en nid d'abeilles, de type sans poussière, portant un catalyseur et disDosée dans l'enveloppe, de même ou'un dé!Lecteur en forme de plaque disoosé dans l'envelopDe entre l'entrée des gaz et la structure en nid d'abeilles. Ainsi, les gaz d'échappement, arrivant du moteur Diesel par le tuyau d'échappement, en pénétrant dans le dispositif épurateur, rencontrent l'obstacle constitué par le déflecteur en forme de plaque, lequel disperse les gaz d'échappement de façon uniforme sur toute la surface d'extrémité de la structure en nid d'aDeilles portant le catalyseur. Cette structure, de type sans poussière, comporte un grand nombre de cellules s'étendant dans le sens de la Longueur de la structure en nid d'abeilles et dont les deux extrémités opposées sont ouvertes. Donc, les particules- contenues dans les gaz d'échappement peuvent traverser les celules, avec le résultat que le dépôt de particules sur les parcis internes des cellules est moindre. Lorsque, au bout d'un certain temps de fonctionnement, une grande quantité de particules a été déposée sur les parois internes des cellules, la structure en nid d'abeilles, portant le catalyseur, peut -être nettoyée en soufflant de L'air ou de la vapeur à travers elle, pendant peu de termps, pour chasser les particules déposées et prolonger ainsi la durée de service de la structure. Il est possible aussi de régénérer La structure en nid d'abeilles portant le catalyseur en brulant les particules à une température relativement basse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif épurateur de gaz d'échappement selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention; - la figure 2 est un graphique indiquant le taux d'aldéhyde épuré pendant un essai d'endurance du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une coupe longitudinaLe d'un dispositif épurateur de gaz d'échappement selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention; - la figure 4 est un graphique indiquant le taux d'aldéhyde épuré pendant un essai d'endurance du dispositif de la figure 3; et - la figure 5 est une coupe longitudinale d'un dispositif épurateur de gaz d'échappement de l'art antérieur. Comme représenté sur la figure 1, le dispositif épurateur de gaz d'échappement selon l'invention, désigné globalement par la référence 100, comprend une enveloppe externe 8 sous la forme d'une piece cylindrique, aux extrémités opposées de laquelle sont fixés respectivement un premier couvercle 8a et un second couvercle 8b. IL est à noter qu'au moins le premier couvercle 8a est fixé de façon amovible à la pièce cylindrique 8 par des vis ou des éléments analogues (non représentés). Une entrée des gaz 8c est formée dans le premier couvercle 8a et une sortie des gaz 8d est formée dans le second couvercle 8b. L'entrée 8c du dispositif épurateur 100 es. raccordée au tuyau d'échappement (non représenté) d'un moteur Diesel et des gaz d'échappement traversent le dispositif 100 dans le sens indiqué par la flèche E. Un premier déflecteur 9 sous La forme d'une plaque est attaché au premier couvercle 8a, un deuxième déflecteur 13 sous la forme d'une plaque est attaché au second couvercle 8b et une structure en nid d'abeilles 10, de type sans poussière et portant un catalyseur, est disposée dans l'enveloppe cylindrique externe 8 entre le premier déflecteur 9 et le deuxième déflecteur 13. Le premier déflecteur 9 est un disque plat dont l'aire de section droite est plus petite que celle de la structure en nid d'abeilles 10 et qui est percé de trous 9a uniformément répartis d'un diamètre de 5 mm. Le premier déflecteur 9 est relié par son pourtour au premier couvercle 8a au moyen d'une pièce de fixation annulaire 9b et en alignement avec la structure en nid d'abeilles portant le catalyseur, si bien que les gaz d'échappement arrivant du moteur Diesel par le tuyau d'échappement et pénétrant dans le dispositif épurateur 100 rencontrent l'obstacle formé par Le premier déflecteur 9, traversent Les trous 9a de ce déflecteur et sont ensuite dispersés uniformément sur toute La surface d'extrémité de la structure 10, comme indiqué par les flèches A et B. Les flèches A indiquent la partie des gaz d'échappement s'écoulant vers La région périphérique de La surface d'extrémité de La structure 10, tandis que les flèches B indiquent la partie des gaz d'échappement se dirigeant vers la région centrale de cette surface. Ce fLux de gaz d'échappement est réparti sur toute la surface d'extrémité de La structure en nid d'abeilles 10, à la différence de ce qui se passe dans un dispositif épurateur de gaz d'échappement conventionnel o les extrémités opposées de l'enveloppe externe ont une forme conique et la plus grande partie des gaz d'échappement s'écoule le long de la surface interne du cône d'entrée vers une région périphérique de la surface d'extrémité de la structure en nid d'abeilles portant -le catalyseur. La structure 10 est de type sans poussière et comporte à cet effet un grand nombre de ceLlules 10a s'étendant dans le sens de la longiueur de la structure et ayant chacune deux extrémités opposées ouvertes. Par conséquent, les particules contenues dans les gaz d'échappement peuvent traverser les cellules 10a, avec le résultat que le dépôt de particules sur les parois internes des cellules est moindre. La structure 10 est réalisée typiquement d'une cordiérite poreuse définissant environ quinze cellules 10a par cm2 (100 cellules/pouce carré) dont les surfaces portent un catalyseur tel que le platine. La structure 10 est entourée à sa périphérie par une nappe 11 formée de couches reliées entre elles et consistant, par exemple, de silice et d'alumine, nappe qui est emmanchée à force dans l'enveloppe cylindrique externe 8. Celle-ci est donc espacée de la structure 10 par la nappe 11 et, par conséquent, moins exposée au sel sulfuré généré par le catalyseur, c'est-à-dire moins corrodée par lui. Pendant l'utilisation, la structure 10 est fermement supportéee dans l'enveloppe cylindrique externe 8 oar la nappe 11, laquelle est dilatée par la chaleur et maintenue axialemrrent par une pièce de retenue conique 12 dont l'extrémité divergente est ancrée à l'enveloppe 8. 2643 4 18 Le deuxième déflecteur 13 est un disque plat non poreux dort l'aire de section droite est sensiblement égale à ceLLe de l'extrérité corvergente de la pièce de retenue 12. Le deuxième dé4lecteur 13 est relié au second couvercle 8b par quatre pieds 13a mutuellement espacés et de manière qu'il soit situé sensiblement en regard de l'extrémité convergente de la pièce de retenue 12. Les gaz d'échappement recontrent donc également l'obstacle constitué par le deuxième déflecteur 13 et ils s'écoulent, à la sortie de la pièce de retenue 12, par une fente étroite formée entre l'extrémité co-vergente de cette pièce et le deuxième déflecteur 13, avant de ccntcurrer Le bord du oéflecteur 13, comme indiqué par les flèches C et de passer entre les pieds 13a vers la sortie des gaz 8d. Le deuxième déflecteur 13 crée une contre-pression qui agit sur les gaz traversant la structure en nid d'abeilles 10 portant le catalyseur, avec le résultat que la température des gaz dans cette str-cture augmente et que le catalyseur est rendu plus actif, assurant ainsi une meilleure conversion des constituants toxiques ces 2Zz d'échappement en constituants propres pendant la réaction à l'intérieur de la structure 10. 2" Pour la maintenance de la structure 10, en vue de sa régénération, on la retire de l'enveloppe 8 après avoir détaché au mins le premier couvercle 8a. La structure 10 en nid d'abeilles peut ensuite être nettoyée en soufflant pendant peu de temps de L'air ou de la vapeur à travers elle afin de chasser les particules déposées, puis en la séchant. IL est possible aussi de chauffer la structure en nid d'abeilles 10 portant le catalyseur pour éliminer les particules déposées à une température relativement basse, de 550 à 60S 0C, afin de la régénérer. Comme le dispositif épurateur est moins affecté par la corrosion, l'épaisseur de paroi de son enveloppe cylindrique 8 notamment peut être réduite, de sorte que le poids global du dispositif est moindre. La figure 2 est un graphique indiquant le taux d'épuration ou d'élimination de formaldehyde, représentant un constituant stimulateur dans les gaz d'échappement, pendant un escsi d'endurance du dispositif épurateur de gaz d'échappement 100 de la figure 1. Dans cet exemple, 2 grammes de platine ont été utilisés par litre en tant que catalyseur et la vitesse spatiale SV était de 30, C000 à 100 C. Quatre échantillons de la structure en nid d'abeilles 10 portant Le catalyseur ont été préparés, le premier échantillon ayant 62 celLules 10a par centimètre carré (400 cellules par pouce carré), le deuxième 31 cellules par centimètre carré (200 par pouce carré), le troisième environ 15 cellules par centimètre carré (100 pa- pouce carré) et le quatrième environ 5 cellules par centimètre carré (30 par pouce carré). Pour l'essai d'endurance, le dispositif épurateur de gaz d'échappement 100, garni successivement d'un des échantillons de la structure en nid d'abeilles 10, a été raccordé au tuyau d'échappement d'un moteur Diesel, que l'on a démarré à 0 C pour chaque essai. Les mesures ont été effectuées chaque fois dans un stade initial de fonctionnement du moteur et à la suite d'un essai d'endurance représentant 200 h de marche continue du moteur. L'estimation du taux de formaldéhyde épuré a été effectuée selon la méthode DNDH en utilisant un réactif DNDH. Ainsi qu'il ressort de la figure 2, le taux de fornaldéhyde épuré est élevé pendant le stade initial de fonc- tionnement du moteur, pour tous Les échantillons, parce que moins de particules venant du moteur Diesel sont déposées dans les structures 10 porteuses de catalyseur pendant ce stade initial, et ce taux est moindre, pour chaque échantillon, à la suite de l'essai d'endurance, mais reste cependant à un niveau plus élevé dans les échantillons comportant des cellules 10a plus grandes (ou un plus faible nombre de cellules 10a). Cela provient de ce qu'un important colmatage se produit dans les cellules 10a lorsque leur nombre est supérieur à environ 15 cellules par centimètre carré (100 cellules par pouce carré), ce qui réduit la surface active, et aussi du fait que l'aire de surface géométrique globale devient plus petite à mesure que les cellules sont plus grandes - l'aire de surface géométrique globale avec environ 5 cellules par centimètre carré (30 cellules par pouce carré) est la moitié de l'aire de surface géeoétrique globale avec environ 15 cellules par centimètre carré (100 Par pouce carré) - ce qui a pour conséquence que la quantité de platine portée par unité de surface est accrue. A cet égard, il est préférable que La structure 10 possède des celLuLes 1Da ouvertes en quantité égaLe ou inférieure à environ 15 ceLLuLes par centimt-e carré (100 ceLlules par pouce carré). Par contre, dans le cas d'un moteur à essence, la structure en nid d'abeilles 10 peut avoir des cellules partiellement fermées et dont la quantité déoasse erviron 46 celluLes par centimètre carré (300 par pouce carré). La figure 3 est une coupe Longitudinale d'un dispositif épurateur de gaz d'échappement selon le deuxième mode de réalisation préféré de L'invention. Ce dispositif comporte des élérmerts sembLables à ceux du prerier exemple et portant Les mêmes références. Le dispositif de ce mode de réalisation possède deux structures en nid d'abeilles 14 et 15 porteuses de catalyseur et disposées axialement à distance l'une de L'autre dans L'enveloppe cylindrique 8. Chacune des structures 14 et 15 est de type sans poussière et comporte à cet effet un grand nombre de cellules 14a ou 15a s'étendant dans le sens de la longueur de la structure concernes et présentant chacune deux extrémités opposées ouvertes. IL est d noter que le nombre de cellules 14a n'est pas égal au 22 nombre de cellules 15a. En effet, dans cet exemple, Les cellules 14a de La structure 14 située en amont sont au nombre d'environ 15 par centimètre carré (100 par pouce carré), alors que les cellules a de la structure 15 située en avaL sont au nombre d'environ 5 par centimètre carré (30 par pouce carré). Le dispositif épurateur de gaz d'échappement 100 de ce deuxième mode de réalisation préféré a été soumis à des essais semblables à ceux décrits précédemment et les résultats sont indiqués sur La figure 4, montrant que le taux de formaldéhyde épuré, par les cellules 14a et 15a plus grandes, est éLevé pendant le stade initial de fonctionnement du moteur et que ce taux est maintenu à un niveau relativement-éLevé à la suite de l'essai d'endurance. A ce sujet, il est considéré qu'après l'essai d'endurance, des particules peuvent encore, dans une certaine mesure, être déposées à l'intérieur de la structure 14 située en amont, et que les particules déposées peuvent croître, ce qui maintient les cellules de la structure 15 en aval dans un état relativement propre, de sorte que le taux de formaldéhyde épuré ne diminue pas de façon sensible et que, par conséquent, Le pouvoir d'4Durat4on du d soositif 100QQ peut être maintenu globalement à un niveau élevé. Dans le mode de réalisation préféré, les structures en nid d'abeilles 14 et 15 sont faites d'une cordiérite poreuse, mais elles peuvent être faites également d'autres structures en nid d'abeilles, par exemple dé zéolite, sépiolite, silice-alumine, zircone, oxyde de titane et métal ondulé. Comme expliqué précédemment, selon l'invention, la structure en nid d'abeilles porteuse de catalyseur est de type sans poussière, de sorte au'eIle peut être fabriquée et incorporée facilement dans l'enveloppe externe. La maintenance peut être réalisée simplement par lavage à l'eau et séchage, ce qui permet en même temps d'observer la quantité de particules déposée dans La structure. REVENDICATIONS 1. Dispzsitif épurateur de gaz d'échappement pour un moteur Diesel muni d'un tuyau d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe externe (8) présentant une entrée des gaz (8c) conçue pour être raccordée au tuyau d'échappement (1), ainsi ou'une sortie des gaz (8d), une structure (10) en nid d'abeilles, de type sans poussière, portant un catalyseur, qui est diszcsée dans l'enveloppe externe, ainsi qu'un déflecteur (9) en fcrme de plaque placé dans l'enveloppe externe (8) entre l'entrée des gaz (8c) et la structure (10) en nid d'abeilles. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la structure (10) en nid d'abeilles possède des cellules (10a) ouvertes et dont la quantité est égale ou inférieure à environ 15 cellules par centimètre carré (100 cellules par pouce carré). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'e-velopooe externe (8) est une pièce cylindrique dont une extrémité est fermée par un premier couvercle (8a) traversé par l'entrée des gaz (8c) et dont l'autre extrémité est fermée par un secon couvercle (8b) traversé par la sortie des gaz (8d), le déf[ecteur (9) étant relié au premier couvercle (8a). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel au rc-ns l'un des couvercles d'extrémité (Sa, 8b) est détachable de la eièce cylindrique (8) et la structure (10) en nid d'abeilles, portant le catalyseur, peut être extraite de l'enveloppe externe (8) après l'enLèvement de ce couvercle. 5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le déflecteur est constitué par une plaque plane (9) percée de trous (9a) et reliée au premier couvercle (Sa) par une pièce de fixation annulaire (9b), de manière qu'elle soit alignée avec la structure (10) en nid d'abeilles portant le catalyseur, la plaque formant le déflecteur (10) ayant une aire de section droite plus petite que La structure (10) en nid d'abeilles. 6. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel un deuxième déflecteur (13) en forme de plaque est relié au second couvercle (8b) par des pieds (13a) et est disposé en regard de la structure (10) en nid d'abeilles portant Le catalyseur. 7. Dispos-tif selon la revendication 3, dans lequel plusieurs structures (14, 15) en nid d'abeilles et portant un catalyseur sont disposées dans l'enveloppe externe (8), en étant axialement espacées l'une de l'autre, chacune de ces structures étant de type sans poussière. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel deux structures (14, 15) en nid d'abeilles et portant un catalyseur sont prévues et le nombre de cellules (14a) de la structure (14) située en amont, par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement, est plus grand que Le nombre de cellules (15a) de la structure (15) située en avaL.