Brevet FR2792217A1 — publié le 20001020

B452 "Dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, et procédé pour la fabrication d'un tel dispositif de traitement des gaz" L'invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, et un procédé pour la fabrication d'un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, du type qui comporte un tube d'arrivée des gaz io d'échappement et un tube d'évacuation des gaz d'échappement entre lesquels est interposée une enceinte de traitement des gaz qui comporte un moyen de traitement des gaz réalisé en fibres. L'invention a notamment pour objet un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile qui permet la diminution des émissions polluantes par un traitement catalytique. On connaît de nombreux exemples de dispositifs de traitement des gaz du type décrit précédemment. Il s'agit généralement de dispositifs dans lesquels les moyen de traitement des gaz sont formés par un bloc poreux en matériau présentant des propriétés catalytiques, plus communément connu sous le nom de "monolithe". Ces dispositifs peuvent conventionnellement être réalisés sous la forme de dispositifs dans lesquels une partie cylindrique du tube d'arrivée, qui est agencée à l'intérieur de l'enceinte de traitement des gaz et qui comporte des perçages radiaux sur sa périphérie est recouverte d'un bloc tubulaire de traitement des gaz en fibres métalliques. Les gaz d'échappement sont acheminés dans l'enceinte de traitement des gaz par l'intermédiaire du tube d'arrivée, B452 2 2792217 traversent le bloc tubulaire de traitement et sont évacués hors de l'enceinte de traitement des gaz par le tube d'évacuation. Les dispositifs de traitement des gaz d'échappement sont couramment employés dans tous les types d'automobiles pour respecter les normes de dépollution en vigueur. Ces dispositifs comportent généralement des blocs de traitement qui sont composés de substrats céramiques alvéolés dits "en nids d'abeille", dont les canaux internes sont recouverts d'une couche de matériau catalytique qui permet la io conversion des polluants. D'autres blocs de traitement sont réalisés à partir de fibres qui présentent l'avantage, par rapport aux substrats alvéolés en nid d'abeilles d'entraîner un écoulement turbulent des gaz d'échappement dans l'enceinte de traitement des gaz, i5 ce qui a pour conséquence d'accroître le brassage des gaz et la conversion des polluants. Les documents FR-A1-2.703.104 et FR-A1-2.751.559 décrivent de tels blocs de traitement dont les fibres sont réalisées à partir de fils tréfilés. L'inconvénient de telles fibres est que le procédé de tréfilage qui permet leur obtention limite considérablement les possibilités de choix des compositions des alliages de ces fibres. D'autre part leur coût de fabrication est élevé. En particulier, les alliages qui sont traditionnellement utilisés dans la fabrication de ces fibres comportent du fer, de l'aluminium et du chrome, et éventuellement de faibles concentrations d'yttrium ou de terres rares, ou encore de mélanges de terres rares, couramment appelés "mischmetall". La résistance des fibres à l'oxydation par les gaz d'échappement est ainsi assurée en surface des fibres par une mince couche d'alumine de composition chimique AI203 formée à la surface des fibres. Au fur et à mesure de l'usure du B452 dispositif de traitement des gaz, cette couche d'alumine s'épuise en consommant l'aluminium de l'alliage. Lorsque l'aluminium est épuisé, la corrosion du bloc de traitement s'accélère rapidement. La longévité d'un bloc de traitement des gaz est donc d'autant plus grande que l'alliage comporte un pourcentage d'aluminium élevé. Or, on a constaté que les procédés de tréfilage ne permettaient pas d'utiliser des alliages comportant plus de 5% io en poids d'aluminium pour la fabrication des fibres. Au delà de cette valeur, les fils formant les fibres ne sont plus suffisamment ductiles pour pouvoir être obtenus par tréfilage. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé de réaliser les fibres par un procédé de fonderie en coulée i5 directe, connu d'après le document FR-A-2.704.260. Dans un tel procédé, les fibres sont obtenues par solidification sur un tambour rotatif d'un alliage à base de fer, de chrome et à d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%, I'alliage étant fondu dans un creuset et étalé par un bec du creuset qui comporte des trous et qui lèche la surface cylindrique du tambour rotatif dont des rainures sont agencées au droit des trous. Des fibres obtenues de cette façon sont particulièrement avantageuses car elles peuvent comporter une teneur en poids d'aluminium supérieure ou égale à 5%, ce qui permet d'accroître leur longévité. Toutefois, le procédé de fonderie par coulée directe, aussi appelé procédé "planar flow", qui est actuellement utilisé est un procédé qui ne permet d'obtenir que des fibres longitudinales de section rectangulaire mince. Or, on a constaté que des fibres en fils métalliques obtenues par ce procédé permettent de proposer un bloc de traitement des gaz qui, quoique permettant d'obtenir un écoulement turbulent des gaz d'échappement à l'intérieur de l'enceinte de traitement des gaz favorable à la conversion des polluants, a pour inconvénient d'opposer une contre-pression élevée à l'écoulement des gaz d'échappement, ce qui nuit au bon fonctionnement du moteur du véhicule. Pour remédier à cet inconvénient, I'invention propose d'utiliser des fibres ne perturbant que très peu l'écoulement des gaz d'échappement. io Dans ce but, I'invention propose un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, du type décrit précédemment, caractérisé en ce que les fibres du moyen de traitement des gaz sont des fibres allongées qui présentent une section transversale en forme de lunule, notamment lenticulaire convexe. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les fibres sont métalliques et comportent un matériau catalytique de traitement des gaz, la section transversale des fibres lenticulaires est d'une hauteur comprise entre 30pim et 350.m, d'une épaisseur comprise entre 20pm et 200pm, et d'une largeur comprise entre 100pm et 1000m, - les fibres sont réalisées en un alliage à base de fer, de chrome, de terres rares, et d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%, - le moyen de traitement des gaz comporte un bloc, notamment tubulaire, qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte de traitement des gaz, qui est constitué d'un réseau de fibres, et qui est traversé par les gaz d'échappement cheminant du tube d'arrivée des gaz vers le tube d'évacuation des gaz. B452 L'invention propose aussi, pour la fabrication du bloc, un procédé faisant intervenir un procédé, connu du document US-A-4.930.565 sous le nom de procédé "melt overflow". L'invention propose notamment un procédé pour la fabrication d'un bloc en fibres métalliques pour un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de fabrication des fibres du bloc selon le procédé "melt overflow" dans lequel les fibres sont obtenues par o0 solidification, sur un tambour rotatif, muni de dents sur sa périphérie, d'un alliage à base de fer, de chrome, de terres rares et d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%, qui est fondu dans un creuset et étalé par un bec du creuset qui lèche la surface cylindrique du tambour i5 rotatif. Selon d'autres caractéristiques du procédé: - le procédé met en oeuvre un tambour rotatif qui comporte des gorges circulaires perpendiculaires à l'axe du cylindre qui sont dimensionnées pour que les fibres présentent une section lenticulaire, notamment convexe, d'une hauteur comprise entre 30p.m et 350pm, d'une épaisseur comprise entre 20! m et 200pm, et d'une largeur comprise entre 100im et 1000plm, - le procédé comporte une deuxième étape de mise en forme du bloc lors de laquelle les fibres sont amassées selon des orientations aléatoires dans un moule, notamment tubulaire, ouvert à ses deux extrémités et une troisième étape de soudage au cours de laquelle deux électrodes reliées à un générateur de courant sont introduites dans l'amas de fibres, et en ce qu'une décharge de courant est délivrée par le générateur de courant pour souder les fibres entre elles, et B452 -le procédé comporte une quatrième étape au cours de laquelle le bloc en fibres est enduit d'un composé catalytique qui recouvre chaque fibre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'une fibre allongée utilisée pour la fabrication d'un bloc de traitement des gaz selon l'invention; et - la figure 3 est une vue en perspective des éléments mis en oeuvre dans un procédé "melt overflow" utilisé dans la réalisation des moyens de traitement selon l'invention. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. On a représenté à la figure 1 un dispositif 10 pour le traitement des gaz G d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. De manière connue, le dispositif 10 comporte une enceinte 12 de traitement des gaz sensiblement cylindrique aux extrémités axiales opposées de laquelle sont agencés un tube 14 d'arrivée des gaz G d'échappement et un tube 16 d'évacuation des gaz G d'échappement. Il sera compris que cette disposition n'est pas limitative de l'invention et que l'enceinte de traitement des gaz 12, le tube 14 et le tube 16 ne sont pas nécessairement des éléments cylindriques, mais peuvent présenter toute forme B452 utile à l'implantation d'un tel dispositif 10 sous une caisse d'un véhicule automobile. De manière connue, un moyen de traitement des gaz est interposé sur le trajet des gaz G d'échappement, entre le tube 14 d'arrivée des gaz G d'échappement et le tube 16 d'évacuation des gaz G d'échappement. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le tube 14 d'arrivée des gaz G d'échappement est percé de multiples orifices 20 et est fermé à son extrémité par io une plaque 18 d'un diamètre correspondant au diamètre d'un bloc 22 tubulaire de traitement des gaz qui constitue le moyen de traitement. Lors du montage, le bloc tubulaire est enfilé sur le tube d'arrivée 14, puis le tube 14 est monté de façon à traverser un trou 24 d'un couvercle 26 qui ferme l'enceinte 12 de traitement des gaz et de façon que le bloc 22 tubulaire soit reçu dans une collerette intérieure 29 du couvercle 26. De la sorte, les gaz G d'échappement arrivent dans l'enceinte 12 de traitement des gaz par le tube d'arrivée 14, sortent du tube d'arrivée 14 par les trous 20, traversent le bloc 22 de traitement des gaz, et ils sortent de l'enceinte 12 de traitement des gaz par le tube 16 d'évacuation des gaz G d'échappement suivant les flèches de la figure 1. Le bloc 22 est, de manière connue, un bloc tubulaire dont le diamètre intérieur correspond au diamètre extérieur du tube 14 d'arrivée des gaz G d'échappement et dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre intérieur de l'enceinte 12 cylindrique. En variante (non représentée) le tube d'arrivée 14 peut déboucher à une première extrémité du bloc de traitement 14 sans le traverser, et le bloc peut être reçu à l'intérieur d'un tube de renfort externe, notamment cylindrique, qui est muni B452 de multiples perçages sur sa périphérie et fermé à sa seconde extrémité par une plaque analogue à la plaque 18 décrite précédemment. Il sera bien compris que tout mode de réalisation visant à interposer un moyen de traitement des gaz sur le trajet des gaz G d'échappement, entre le tube 14 d'arrivée des gaz G d'échappement et le tube 16 d'évacuation des gaz G d'échappement peut convenir à la réalisation de l'invention. A ce titre, le bloc pourrait être un bloc plein, communément Io appelé "monolithe", traversé axialement par les gaz d'échappements (G). De manière connue, le bloc 12 est constitué de fibres 28 métalliques réalisés sous la forme de fils métalliques qui sont obtenus par un procédé de fonderie par coulée directe. Conformément à l'invention, le procédé utilisé pour la réalisation des fibres 28 est un procédé de fonderie connu sous le nom de procédé "melt overflow", qui est décrit en référence à la figure 3. Dans un tel procédé, les fibres ou fils 28 sont obtenus par solidification sur un tambour rotatif 30, muni sur sa périphérie de dents 31, d'un alliage 32 à base de fer, de chrome, et d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%, qui est fondu dans un creuset 34 et étalé par un bec 36 du creuset 34 qui lèche la surface cylindrique 38 du tambour rotatif 30. L'alliage 32 peut aussi contenir éventuellement de faibles concentrations d'yttrium ou de terres rares, ou encore de mélanges de terres rares, couramment appelés "mischmetall". Une proportion de plus de 5% en poids d'aluminium dans l'alliage permet notamment d'obtenir des fils qui sont susceptibles de résister plus longtemps à la corrosion que des fils conventionnels. B452 Le tambour rotatif comporte entre ses dents 31 des gorges circulaires 40 perpendiculaires à l'axe (A) du cylindre qui sont dimensionnées et/ou profilées pour que les fils présentent des dimensions particulières déterminées, chaque gorge débitant en continu un fil 28. Un tel procédé permet la fabrication simultanée de plusieurs fils 28. Conformément à l'invention, les fils 28 obtenus lors d'une première étape l'intermédiaire du procédé "melt overflow" sont des fils allongés dont la section transversale io présente une forme en "haricot" ou lunule, notamment lenticulaire convexe, qui est représentée à la figure 2. Ainsi les fils 28 présentent une section lenticulaire, notamment convexe, d'une hauteur (H) comprise entre 30pm et 350gm, d'une épaisseur (E) comprise entre 20pm et 200pim, et d'une largeur (L) comprise entre 100pm et 1000ptm. Ces dimensions de fils permettent, lorsque ceux-ci sont tronçonnés, d'obtenir des fibres qui permettent, comme on le verra ultérieurement, un bon écoulement des gaz G d'échappement à travers le bloc 22, notamment un écoulement n'opposant qu'une contre-pression minimale aux gaz G d'échappement, la perte de charge globale dans la ligne d'échappement étant ainsi réduite. Dans la suite de la description, on désignera les fibres issues des fils 28 sous la même référence 28. Conformément à l'invention, le procédé selon l'invention comporte une deuxième étape de mise en forme du bloc tubulaire 22 lors de laquelle les fibres 28, continues ou tronçonnés, sont amassés selon des orientations aléatoires dans un moule tubulaire (non représenté) ouvert à ses deux extrémités. Cette configuration n'est pas limitative, et dans le cas o l'on souhaiterait réaliser un bloc qui ne soit pas un bloc B452 tubulaire, la même deuxième étape de mise en forme peut être mise en oeuvre en utilisant un moule de forme appropriée. Puis le procédé selon l'invention comporte une troisième étape de soudage au cours de laquelle deux électrodes (non représentées) reliées à un générateur de courant sont introduites dans l'amas de fibres 28, et au cours de laquelle une décharge de courant est délivrée par le générateur de courant pour souder les fibres 28 entre elles. Avantageusement, la décharge de courant est une i0 décharge très courte et de très forte intensité qui réalise un soudage quasi-instantané des fibres 28 entre eux. On obtient ainsi un bloc 22 particulièrement résistant et homogène. En outre, I'avantage des fibres 28 obtenues par le is procédé "melt overflow" est que leur section, contrairement à la section de fils obtenus par un procédé "planar flow" conventionnel, n'est pas rectangulaire. Les fibres 28 ne peuvent s'empiler les unes sur les autres dans le moule tubulaire et elles prennent spontanément des directions aléatoires. Le résultat en est un bloc 22 "aéré", n'opposant que peu de contrepression à l'échappement. A titre d'exemple, pour un bloc de 24 mm de diamètre et de 71 mm de longueur, compacté de manière à obtenir une porosité de 97% et soumis à un débit de gaz G de 1020 litres à l'heure, la perte de charge, ou contre pression mesurée en mm d'eau, est de 4 mm d'eau pour le bloc de fibres 28 obtenues avec le procédé "melt overflow", contre 20 mm d'eau pour un bloc conventionnel de fibres 28 obtenues avec le procédé "planar flow" connu de l'art antérieur. B452 Il Enfin, lors d'une quatrième étape du procédé selon l'invention, le bloc 22 en fibres 28 est enduit d'un composé catalytique. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les fibres 28 présentent une structure dentelée ou dendritique qui favorise l'accrochage du composé catalytique. Toutefois, en variante, I'adhérence du composé catalytique sur les fibres 28 peut, de façon non limitative de l'invention, être assurée en enduisant préalablement le bloc o0 d'un liant poreux qui forme, à la surface des fibres, des zones d'accrochage pour le composé catalytique, I'adhérence de ce liant étant quand à elle assurée par la couche d'alumine initialement présente en surface des fibres. L'invention permet donc de disposer d'un moyen de traitement des gaz ayant une grande longévité et n'opposant qu'une faible contre pression aux gaz G d'échappement. B452 REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) de traitement des gaz (G) d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, du type qui comporte un tube (14) d'arrivée des gaz (G) d'échappement et un tube (16) d'évacuation des gaz (G) d'échappement entre lesquels est interposée une enceinte (12) de traitement des gaz qui comporte un moyen de traitement (28) des gaz réalisé en fibres, o0 caractérisé en ce que les fibres (28) du moyen de traitement des gaz sont des fibres (28) allongées qui présentent une section transversale en forme de lunule, notamment lenticulaire convexe. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont métalliques et comportent un matériau catalytique de traitement des gaz (G). 3. Dispositif (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section transversale des fibres (28) lenticulaires est d'une hauteur (H) comprise entre 30pm et 350pLm, d'une épaisseur (E) comprise entre 20pim et pm, et d'une largeur (L) comprise entre 100pm et 1000p.m. 4. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les fibres (28) sont réalisées en un alliage à base de fer, de chrome, de terres rares, et d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%. 5. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen traitement des gaz comporte un bloc (22), notamment tubulaire, qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte (12) de traitement des gaz, qui est constitué d'un réseau de fibres (28), et qui est traversé par les gaz (G) d'échappement B452 cheminant du tube d'arrivée (14) vers le tube (16) d'évacuation des gaz. 6. Procédé pour la fabrication d'un bloc (22) tubulaire en fibres (28) métalliques pour un dispositif (10) de traitement des gaz (G) d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un première étape de fabrication des fibres (28) du bloc (22) selon le procédé "melt overflow" dans lequel les fibres (28) sont obtenues par solidification sur un tambour rotatif (30), muni de dents (31) îo sur sa périphérie, d'un alliage (32) à base de fer, de chrome, de terres rares, et d'aluminium dans une proportion en poids supérieure ou égale à 5%, qui est fondu dans un creuset (34) et étalé par un bec (36) du creuset (34) qui lèche la surface cylindrique (38) du tambour rotatif (30). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tambour rotatif (30) comporte des gorges circulaires (40) perpendiculaires à l'axe (A) du cylindre qui sont dimensionnées pour que les fibres (28) présentent une section lenticulaire, notamment convexe, d'une hauteur (H) comprise entre 30lm et 350tm, d'une épaisseur (E) comprise entre pm et 200im, et d'une largeur (L) comprise entre 100prm et 1000p.m. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape de mise en forme du bloc (22), lors de laquelle les fibres (28) sont amassées selon des orientations aléatoires dans un moule, notamment tubulaire, ouvert à ses deux extrémités et une troisième étape de soudage au cours de laquelle deux électrodes reliées à un générateur de courant sont introduites dans l'amas de fibres (28), et en ce qu'une décharge de courant est délivrée par le générateur de courant pour souder les fibres (28) entre elles. B452 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une quatrième étape au cours de laquelle le bloc (22) en fibres (28) est enduit d'un composé catalytique qui recouvre chaque fibre.