Brevet FR2679602A1 — publié le 19930129

Pot catalytique à support de catalyseurs en feuilles L'invention concerne un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour un véhicule automobile, comprenant un support sur lequel est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, communément appelé "pot catalytique". Un tel dispositif a pour fonction d'éliminer au moins en partie les gaz polluants contenus dans les gaz d'échappement, notamment l'oxyde de carbone, les hydrocarbures et les oxydes d'azote, en les transformant par des réactions de réduction ou d'oxydation. Les pots catalytiques existant à l'heure actuelle sont de deux types. Dans l'un de ces types, dit "nid d'abeille", le support est un bloc de céramique muni de canaux traversants destinés à être parcourus par les gaz d'échappement, les parois de ces canaux étant tapissées par le catalyseur. Dans le second type, on part d'un ensemble de bandes de feuillard métallique, notamment en acier inoxydable, ayant la structure du carton ondulé, qu'on recouvre de catalyseur et qu'on enroule sur luimême en spirale, les spires étant liées entre elles par soudage et l'ensemble étant cerclé pour assurer sa rigidité. Le premier type de pot catalytique mentionné ci-dessus est coûteux et fragile en raison de la présence du bloc de céramique. Celui du second type est d'une fabrication complexe. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient. L'invention a pour objet un dispositif du type défini en introduction, comprenant un support sous forme de feuille disposé en plusieurs couches superposées sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, caractérisé en ce que lesdites couches superposées sont des nappes indépendantes sensiblement planes maintenues empilées par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des nappes, traversant des trous ménagés dans celles-ci. La réalisation du dispositif selon l'invention fait appel à une technologie couramment utilisée pour la réalisation d'échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, notamment de radiateurs de refroidissement de moteurs thermiques, et parfaitement maîtrisée par les spécialistes de ce domaine. Dans le dispositif selon l'invention, comme dans les échangeurs de chaleur, les nappes peuvent être fixées sur les éléments allongés par sertissage ou par brasage, et les éléments allongés peuvent être des tubes. Dans ce dernier cas, l'invention prévoit avantageusement que certains au moins des tubes font partie d'un circuit dans lequel peut circuler un fluide pour le refroidissement des gaz d'échappement. Par ailleurs, certains au moins des éléments allongés peuvent contenir une source de chaleur pour le préchauffage du disposés tif. Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif comprend deux blocs disposés en série dans le trajet des gaz d'échappement et comportant chacun un empilement de nappes et un faisceau d'éléments allongés, les nappes des deux empilements étant orientées selon deux directions de plans différentes, toutes deux sensiblement parallèles à la direction générale de circulation des gaz dans le dispositif. Dans ce cas, deux catalyseurs différents peuvent être déposés respectivement sur les nappes des deux empilements, catalysant respectivement des réactions d'oxydation et de réduction des impuretés. Le support du dispositif selon l'invention peut être monté dans un boîtier accolé au moteur, le gaz d'échappement pénétrant dans le boîtier par son côté tourné vers le moteur. Alternativement, le support peut être monté dans un boîtier relié au moteur par une tubulure d'échappement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après de quelques exemples de réalisation, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un dispositif selon l'invention placé en contact avec le moteur thermique d'un véhicule automobile; - la figure 2 est une vue en perspective d'une variante du boîtier du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un autre dispositif selon l'invention; - la figure 4 est un schéma montrant un dispositif selon l'invention placé à distance du moteur thermique; - la figure 5 est une vue en perspective montrant deux empilements de nappes d'un dispositif selon l'invention; et - la figure 6 est une vue schématique en perspective montrant la disposition des empilements de la figure 5 dans un boîtier. La culasse 1 du moteur thermique d'un véhicule automobile, représentée de façon très schématique à la figure 1, présente une portion de surface plane 2 sur laquelle est appliqué un boîtier métallique 3 qui est ouvert du côté de la surface 2, de telle sorte que les orifices d'échappement du moteur, débouchant dans cette dernière, communiquent avec l'intérieur du boîtier 3. Ce boîtier présente par ailleurs une ouverture de sortie 4 des gaz d'échappement, et une ouverture 5 pour l'introduction d'un empilement 6 de feuilles supports de catalyseur. Le boîtier 3 peut être fixé sur la surface 2 par exemple par des vis 27. L'empilement 6 est réalisé selon la technologie bien connue des échangeurs de chaleur à tubes et bloc d'ailettes. I1 comprend une multiplicité de feuilles rectangulaires 7 en acier inoxydable d'une épaisseur de 0,03 à 0,06 mm environ, munies de perforations et enfilées sur des tubes allongés 8 dont chacun traverse des perforations de toutes les feuilles, formant ainsi un bloc sensiblement parallélépipédique dans lequel les feuilles sont espacées de quelques dixièmes de millimètre. Les feuilles 8 présentent également des perforations supplémentaires recevant un élément chauffant allongé 9 courbé en U en 10 à l'une des extrémités de l'empilement, chacune des branches du U traversant le bloc 6 dans la direction de l'empilement des feuilles. L'élément chauffant 9 comprend par exemple une résistance électrique chauffante logée dans une gaine tubulaire et pouvant être reliée à la batterie du véhicule. Les feuilles 7 sont recouvertes, par des moyens connus, d'un ou plusieurs catalyseurs à base de métaux précieux tels que platine, palladium et rhodium ou bien d'oxydes métalliques. Lorsque le bloc 6 est mis en place, de façon interchangeable, dans le boîtier 3, les tranches des feuilles 7 sont tournées vers la surface 2 de la culasse et vers les orifices d'échappement du moteur. Lorsque le moteur fonctionne, les gaz d'échappement sortant par ces orifices pénètrent dans les intervalles entre les feuilles 7 et balaient les faces de celles-ci recouvertes de catalyseurs, provoquant la réaction chimique des gaz polluants. Les réactions de destruction des gaz polluants ne s'effectuent avec un rendement convenable qu'à partir d'un seuil de température de l'ordre de 200 à 250"C. Un pot catalytique est donc inefficace lors du démarrage du moteur à froid, en l'absence de moyens de préchauffage. L'élément chauffant 9 est mis sous tension avant le démarrage du moteur froid de façon à préchauffer le bloc 6 et à permettre par conséquent l'épuration des gaz froids qui arriveront à son contact dans les premières minutes du fonctionnement du moteur. Par ailleurs, les réactions chimiques de transformation des impuretés dégagent elles-mêmes une grande quantité de chaleur, pouvant porter au rouge le pot catalytique. Pour abaisser la température de celui-ci et éviter la dégradation des matériaux du bloc 6 et du boîtier 3, et également pour récupérer la chaleur de réaction, on peut faire circuler un liquide de refroidissement dans les tubes 8, ceux-ci étant reliés à cet effet à un circuit extérieur non représenté, comme connu dans la techique des échangeurs de chaleur. Le boîtier 3a illustré à la figure 2, monté de la même façon que le boîtier 3 de la figure 1 sur la culasse 1 du moteur, diffère de ce boîtier 3 en ce que l'ouverture de sortie unique 4 est remplacée par plusieurs ouvertures de sortie 11 ménagées dans la face 12 du boîtier tournée à l'opposé de la culasse 1, en regard respectivement des orifices de sortie du moteur débouchant dans la face 2 de la culasse, ces ouvertures 11 communiquant avec les branches d'un collecteur d'échappement 13 monté sur la face 12 du boîtier. Le collecteur 13 est analogue à ceux montés de façon classique directement sur la culasse d'un moteur thermique, comme illustré par exemple à la figure 4. Le boîtier 3a peut recevoir un bloc 6 identique à celui illustré à la figure 1. La figure 3 montre une variante du dispositif selon l'invention, dans laquelle les feuilles 15 supports de catalyseurs empilées pour former un bloc 14 sont de forme trapézoïdale et non plus rectangulaire. Ici encore, les feuilles 15 sont traversées par des tubes 16 s'étendant dans la direction de l'empilement. Le bloc 14 se loge dans un boîtier de forme correspondante formé d'un bac 17 et d'un couvercle 18 qui peut se visser sur un rebord 19 du bac. La paroi 20 du bac 17 située du côté de la grande base des feuilles trapézoïdales 15 présente des ouvertures 21 raccordées par des conduites 22 aux orifices d'échappement de la culasse 1 du moteur. A l'opposé de la paroi 20, en regard des petites bases des feuilles trapézoïdales, le bac présente une ouverture de sortie 23 pour les gaz épurés. Dans les exemples des figures 1 à 3, le dispositif selon l'invention est placé à proximité immédiate du moteur thermique, sous le capot moteur du véhicule. Il peut également être situé à distance du moteur, par exemple sous l'habitacle du véhicule, comme illustré à la figure 4. Dans cette figure, l'entrée du boîtier 24 contenant le bloc support de catalyseur est reliée à la sortie du collecteur d'échappement classique 13 par une tubulure d'échappement 25. La distance 1 parcourue par les gaz entre les orifices de sortie de la culasse 1 du moteur et leur arrivée en contact avec le bloc peut être notamment de l'ordre de 1 m. La figure 5 montre deux blocs parallélépipédiques juxtaposés 30 et 31 formés chacun par une multiplicité de feuilles rectangulaires supports de catalyseurs empilées et traversées par des tubes 32 et 33 respectivement s'étendant dans la direction de l'empilement. Les directions d'empilement respectives des deux blocs sont perpendiculaires l'une à l'autre. Les blocs 30 et 31 sont logés dans un boîtier formé de deux demicoquilles ou cuvettes dont l'une est représentée à la figure 6 sous la référence 34. Les gaz d'échappement parcourant le dispositif dans le sens indiqué par les flèches de la figure 6, entre l'ouverture d'entrée 35 et l'ouverture de sortie 36 du boîtier, rencontrent successivement le bloc 30 et le bloc 31. Les plans des feuilles supports de chacun de ces blocs étant sensiblement parallèles à la direction générale d'écoulement des gaz, ceux-ci circulent entre les feuilles de chacun des blocs et viennent en contact avec les catalyseurs qu'elles portent. L'un des blocs comporte un catalyseur d'oxydation et 1' autre un catalyseur de réduction. Le ou les blocs supports du dispositif selon l'invention peuvent être entourés d'une garniture appropriée apportant une isolation thermique et/ou un amortissement des vibrations, comme connu en soi dans la technique des pots catalytiques. I1 n'est pas nécessaire de décrire plus en détail le mode d'assemblage des feuilles supports et des tubes ou autres éléments allongés, qui est, comme indiqué plus haut, bien connu dans la technique des échangeurs de chaleur. Dans une réalisation simplifiée de l'invention, les éléments allongés peuvent servir uniquement à la réalisation de l'empilement, les fonctions de préchauffage et de refroidissement étant supprimées. Revendications 1.- Dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour un véhicule automobile, comprenant un support (6) sous forme de feuille disposé en plusieurs couches superposées sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, caractérisé en ce que lesdites couches superposées sont des nappes indépendantes sensiblement planes (7) maintenues empilées par des éléments allongés (8,9) s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des nappes, traversant des trous ménagés dans celles-ci. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nappes sont fixées sur les éléments allongés par sertissage. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nappes sont fixées sur les éléments allongés par brasage. 4.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains au moins des éléments allongés sont des tubes. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que certains au moins desdits tubes (8) font partie d'un circuit dans lequel peut circuler un fluide pour le refroidissement des gaz d'échappement. 6.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains au moins (9) des éléments allongés contiennent une source de chaleur pour le préchauffage du dispositif. 7.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux blocs (30,31) disposés en série dans le trajet des gaz d'échappement et comportant chacun un empilement de nappes et un faisceau d'éléments allongés (32,33), les nappes des deux empilements (15) étant orientées selon deux directions de plans différentes, toutes deux sensiblement parallèles à la direction générale de circulation des gaz dans le dispositif. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux catalyseurs différents sont déposés respectivement sur les nappes des deux blocs, catalysant respectivement des réactions d'oxydation et de réduction des impuretés. 9.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (6) est monté dans un boîtier (3) accolé au moteur (1), les gaz d'échappement pénétrant dans le boîtier par son côté tourné vers le moteur. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support est monté dans un boîtier (24) relié au moteur par une tubulure d'échappement (25).