Brevet FR2807788A3 — publié le 20011019

FR 2807788 A3 20011019 FR 0004748 A 20000413 Réacteur à cyclone économique La présente invention concerne un réacteur à cyclone tout particulièrement adapté à un moteur de cylindrée inférieure à 1500 cm3 et qui peut être monté dans un tuyau d'échappement d'un petit mo teur utilisé sur une motocyclette, une automobile, une tondeuse, un banc de sciage, un groupe électrogène ou un scooter des mers. De ce fait, la surface de contact avec les gaz de combustion et le taux d'épu ration du réacteur à cyclone sont entre les valeurs d'un substrat classi que de type à tube chaud et un substrat classique de type nid d'abeilles utilisé comme catalyseur. Le réacteur à cyclone peut avoir une durée de vie allongée ou une meilleure durabilité. outre, l'opération com pliquée de soudage sous vide d'un substrat catalytique de type nid d'abeilles peut être éliminée, pour réduire de ce fait les coûts de pro duction. Un dispositif classique d'échappement de gaz de combustion dans un moteur purifié par pot catalytique utilise principalement un substrat revêtu d'un catalyseur pour former un réacteur catalytique. Comme montré en figure 1, le réacteur catalytique 12 peut être monté dans l'embouchure d'un tuyau diffuseur 11 d'un tube d'échappement 1 pour rendre adéquat le contact du catalyseur dans le réacteur catalyti que 12 avec les gaz de combustion dans le tube d'échappement. Par conséquent, le substrat utilisé pour le revêtement catalyseur doit avoir une plus grande surface de contact avec les gaz de combustion afin d'accroître le taux d'épuration des gaz de combustion; et le matériau de celui-ci doit être capable de bien se combiner avec le catalyseur, sa résistance structurelle doit être adéquate pour résister à la contrainte thermique et à la corrosion thermique. En outre, il est nécessaire de rendre le substrat plus résistant à la pression d'échappement afin d'ac croître le rendement du moteur à combustion interne; et réduire la quantité de matériau consommée, et de simplifier la structure du réac teur pour accroître la valeur d'utilisation industrielle du substrat cata lytique. Il existe divers types de substrats catalytiques le marché; ils comprennent principalement le type à tube chaud et le type à nid d'abeilles. Les substrats catalytiques de type à tube chaud sont des cy lindres comprenant des plaques métalliques pleines ou à trous, tandis les substrats catalytiques de type à nid d'abeilles sont munis d'une pluralité de passages concentrés sous forme de nid d'abeilles. De ce fait, lorsqu'un gaz de combustion passe par les substrats catalytiques de type à tube chaud ou de type à nid d'abeilles, il peut être purifier au contact des substrats catalytiques. Toutefois, les surfaces de contact avec le gaz de combustion des substrats catalytiques de type à tube chaud sont limitées, et nécessitent d'accroître les surfaces de contact en accroissant la longueur des cylindres. Les substrats catalytiques de à nid d'abeilles ont des surfaces de contact relativement plus im portantes, et sont donc bien adaptés à l'épuration de grandes quantités de gaz de combustion; toutefois, leur fabrication est compliquée et dif ficile, leur coût de production est donc élevé, ils sont trop complexes pour être utilisés pour l'épuration de gaz de combustion provenant d'un moteur à combustion interne d'une cylindrée inférieure à 1500 cm3 et peuvent entraîner un gaspillage inutile de ressources. La présente invention propose une solution au dilemme posé par la protection de l'environnement et la réduction des coûts de pro duction dans la production de moteurs de faible cylindrée au vu des faits établis ci-dessus dans lesquels le substrat catalytique de type à tube chaud a du mal à effectuer une épuration parfaite des gaz de com bustion pour un moteur à combustion interne et le substrat catalytique type nid d'abeilles est trop coûteux par rapport à la quantité de gaz de combustion purifiée dans un moteur à combustion interne de faible cylindrée. Par conséquent, le principal objet de la présente invention est proposer un réacteur catalytique à cyclone pour moteur de cylindrée inférieure à 1500 cm3, et dont la surface de contact avec les gaz de combustion et le taux d'épuration sont compris entre ceux d'un substrat catalytique classique de type à tube chaud et ceux d'un substrat cataly tique classique de type à nid d'abeilles. Par conséquent, ce réacteur ca talytique à cyclone peut être utilisé dans le tube d'échappement d'un moteur de faible cylindrée, et le coût de production du réacteur cataly tique peut être réduit. Pour atteindre l'objet évoqué, on roule une plaque lui donner une forme de volute, afin de former un réacteur à cyclone. La présente invention propose un réacteur à cyclone économi que qui comprend une plaque enroulée sous forme d'une volute pour former d'un seul tenant une paroi externe cylindrique et une pluralité couches internes de spirale; une partie de connexion, située à une extrémité de la périphérie externe de la plaque en volute, et soudée à l'extrémité à la paroi externe de ladite plaque. Le réacteur à cyclone est revêtu d'un catalyseur et présente une section en spirale, ce qui lui confère le fonctionnement d'un ressort, et lui permet de diffuser la dilatation thermique et de la contrainte de déformation sur la plaque, induites par des températures élevées. L'espacement entre la paroi externe cylindrique et lesdites couches internes de spirale peut être unifié ou ne pas être unifié. La paroi externe cylindrique peut être munie d'une multitude de trous. Les couches internes de spirale peuvent être munies d'une multitude de trous. La plaque peut être enroulée sous forme de cône. Le réacteur à cyclone de la présente invention a une surface de contact avec les gaz de combustion plus grande que celle d'un sub strat catalytique conventionnel de type à tube chaud, mais plus petite que celle d'un substrat catalytique conventionnel de type nid d'abeilles. La perte de pression des gaz de combustion du réacteur à cyclone est bien moindre que celle d'un substrat catalytique de type nid d'abeilles, par conséquent, le réacteur à cyclone peut être utilisé économiquement et de manière efficace dans un tube d'échappement d'un moteur de faible cylindrée. Le réacteur à cyclone a une section en spirale; il a donc le fonctionnement d'un ressort. Lorsque le reacteur à cyclone se trouve dans un environnement à température et à pression élevées, il peut dif fuser de la dilatation thermique et de la contrainte de déformation sur la plaque, induites par la température élevée. Par conséquent, le réac teur à cyclone a une longue durée de vie. Le coefficient de dilatation de la plaque est proche de celui du matériau du tube d'échappement, la plaque est faite d'un acier in oxydable présentant une meilleure résistance à la contrainte thermique et à l'érosion thermique. La plaque peut donc être utilisée dans un en vironnement à température et à pression élevées sur une longue pério de. Par ailleurs, la plaque peut être munie d'une multitude de trous pour générer une multitude de passages pour les gaz de combustion passant à travers le réacteur à cyclone afin de canaliser les gaz d'échappement passant à travers le réacteur à cyclone; et l'effet d'épu ration des gaz d'échappement peut être accru, et le réacteur à cyclone peut bénéficier d'une fonction d'insonorisation. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante d'un mode réalisation préféré, faite en référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels la figure 1 est une vue schématique montrant l'agencement d'un réacteur catalytique classique; la figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisa tion de la présente invention; la figure 3 est une vue de face d'un mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue de face montrant un mode de réalisa tion de la plaque en volute de la présente invention avec un petit espa cement; la figure 5 est une vue de face montrant un mode de réalisa tion de la plaque en volute de la présente invention avec un grand es pacement; la figure 6 est une vue de face montrant un autre mode de ré alisation de la plaque en volute de la présente invention avec un petit espacement central; la figure 7 est une vue de face montrant un mode de réalisa tion de la plaque en volute de 1a présente invention avec un grand es pacement central; la figure 8 est une vue en coupe montrant un mode de réalisa tion de la plaque en volute de la présente invention avec un grand nombre de trous; la figure 9 est une vue en coupe montrant un mode de réalisa tion de la plaque en volute de la présente invention avec des trous sur les parties internes de la plaque; la figure 10 est une vue en coupe montrant un mode de réali sation de la plaque en volute de la presente invention comprenant par tiellement des trous; la figure 11 est une vue en perspective d'un autre mode de ré alisation de la présente invention. En référence à la figure 2, réacteur à cyclone de la présen te invention comprend principalement une plaque 5 et une partie de connexion 6. La plaque 5 est enroulée sous forme de volute avec un espa cement h entre deux couches de spirale, et forme d'un seul tenant une paroi externe cylindrique 50 et une pluralité de couches internes 501 de spirale. Le coefficient de dilatation de la plaque 5 est proche de ce lui du matériau du tube d'échappement, la plaque 5 est en acier inoxy dable présentant une meilleure résistance à la contrainte thermique et à l'érosion thermique, tel que le SUS309S, le SUS-444, le SUS-436, le NAS-430A, etc. La plaque 5 peut donc être utilisée en environnement hostile avec température et pression élevées pendant une longue pério de, et présente donc l'avantage de permettre une longue durée de vie. La partie de connexion 6 est située à l'extrémité de la péri phérie extérieure de la plaque en volute 5, et est soudée à la paroi ex terne 50 de la plaque 5 par un soudage à l'arc en atmosphère inerte (TIG), de sorte que l'on évite le procédé complexe de soudage sous vi de utilisé pour le substrat classique de type nid d'abeilles, ce qui per met de réduire de manière significative les coûts de production et d'ac croître fortement la vitesse de production. Le réacteur 4 à cyclone de la présente invention a donc une valeur industrielle améliorée. Après avoir enroulé la plaque 5 en forme de volute, on soude son extrémité à la paroi externe 50 au niveau de la partie de connexion 6, et le réacteur 4 à cyclone est ainsi réalisé. Le réacteur 4 à cyclone a une section en spirale (voir figure 3); il a de ce fait le fonctionnement d'un ressort. Lorsque le réacteur 4 à cyclone se trouve dans un envi ronnement à température et pression élevées, la contrainte de déforma tion exercée sur la plaque 5 par la température élevée peut être trans férée dans la partie centrale du réacteur 4 à cyclone et diffuser la contrainte thermique sur la plaque 5. Par conséquent, le réacteur 4 à cyclone est solide et a une longue durée de vie. Le catalyseur utilisé dans la présente invention est appliqué sur la plaque 5 du réacteur 4 à cyclone, et un réacteur catalytique à cy clone est terminé et peut etre monté dans la chambre d'insonorisation d'un tube d'échappement ordinaire ou sur la paroi intérieure de l'étran glement du tube d'échappement (en référence à la figure 1). La surface de contact avec les gaz de combustion de la plaque 5 du réacteur 4 à cyclone supérieure à celle d'un substrat catalyti que classique de type à chaud de même diamètre, le taux d'épura tion de la plaque 5 est bien meilleur que celui d'un substrat catalytique classique de type à tube chaud; et les passages 7 dans le réacteur 4 à cyclone sont bien plus larges que ceux d'un substrat catalytique classi que de type à nid d'abeilles. Par conséquent, la perte de pression des gaz d'échappement du réacteur 4 à cyclone est bien inférieure à celle d'un substrat catalytique classique de type à nid d'abeilles, par consé quent, le réacteur 4 à cyclone peut remplacer un substrat catalytique classique de type à tube chaud ou de type à nid d'abeilles. Et le réac teur 4 à cyclone peut être utilisé de manière économique et efficace dans l'épuration de gaz de combustion dans un moteur à combustion interne de faible cylindrée, ainsi le rendement d'un moteur à combus tion interne peut être accru. L'espacement h la plaque 5 enroulée sous forme de volute peut être modifié en fonction de la cylindrée des moteurs à combustion interne, afin que le réacteur 4 à cyclone puisse s'adapter à des moteurs à combustion interne ayant des caractéristiques diverses. Par exemple, lorsqu'un réacteur 41 à cyclone est utilisé dans un moteur à combus tion interne de cylindrée légèrement supérieure, sa plaque en volute 5 a un plus petit espacement hl entre les couches de spirale (en référen ce à la figure 4), de sorte que la surface de contact avec les gaz de combustion de la plaque 5 peut être accrue et répond aux normes d'épuration des gaz de combustion pour la protection de l'environne ment. A l'inverse, lorsqu'un réacteur 42 à cyclone est utilisé dans un moteur à combustion interne de cylindrée légèrement inférieure, sa plaque en volute 5 a un plus grand espacement h2 (en référence à la fi gure 5) pour obtenir le même rendement d'épuration des gaz de com bustion. Le rendement économique du réacteur 42 à cyclone en utilisa tion industrielle est donc accru. De même, l'espacement h de la plaque 5 enroulée sous forme d'une volute peut également etre modifié en fonction de la situation de l'émission de gaz, afin de pouvoir monter le réacteur 4 à cyclone en n'importe quelle position souhaitée dans un tube d'échappement. Si un réacteur 43 à cyclone doit être monté dans un tuyau diffuseur d'un tu be d'échappement, et lorsque concentration en gaz de combustion au centre du tuyau diffuseur est supérieure à celle des gaz de combustion ambiants, la plaque en volute 5 de celui-ci a un espacement h3 infé rieur entre les couches de spirale (en référence à la figure 6) afin que les gaz de combustion plus denses au centre du tube d'échappement puissent entrer au contact d'une plus grande surface de la plaque en volute 5 et que le rendement de l'épuration des gaz de combustion puisse être accru. A l'inverse, lorsqu'un réacteur 44 à cyclone est utili sé dans l'orifice d'échappement d'un moteur à combustion interne, afin d'éviter une perte de pression des gaz d'échappement qui peut avoir une influence sur le rendement du moteur à combustion interne, la pla que en volute 5 de celui-ci a un plus grand espacement h4 (en référen ce à la figure 7) afin que le réacteur 44 à cyclone puisse voir sa perte de pression de gaz d'échappement largement réduite et accroître de ce fait le rendement du moteur à combustion interne et également achever l'épuration des gaz de combustion. De plus, la plaque 5 de la présente invention peut être enroulée sous forme de volute de diverses autres manières; par exemple, l'enroulement de la plaque 5 en une volute à une seule couche tombe également dans la portée de la présente inven tion. La paroi externe 50 et les couches internes 501 de spirale de la présente invention peuvent être munies d'une multitude de trous, dont la quantité et la répartition peuvent être modifiées selon la situa tion de l'émission de gaz, afin que de nombreux passages puissent être pratiqués dans le réacteur 4 à cyclone pour les gaz de combustion, et le temps de passage des gaz d'échappement à travers le réacteur 4 à cyclone peut être contrôlé et l'effet d'épuration des gaz d'échappement peut être accru, le réacteur 4 à cyclone peut être doté d'une fonction d'insonorisation. Si on utilise un réacteur 45 à cyclone dans un moteur à combustion interne de plus grande cylindrée, la plaque 51 de celui-ci est munie d'une multitude de trous 8 dans ses couches externes et in ternes (en référence à la figure 8), de sorte que les gaz d'échappement passant à travers le réacteur 45 à cyclone peuvent générer un grand nombre d'entrecroisements ainsi que des passages compliqués 71. De ce fait, il faut plus de temps aux gaz d'échappement pour traverser le réacteur 45 à cyclone, le débit des gaz de combustion passant à travers le réacteur 45 à cyclone est réduit afin d'obtenir un effet d'insonorisa tion. Autrement la paroi externe 521 d'une plaque 52 peut ne pas être munie de trous, et ses couches internes 522 de spirale peuvent être munies d'une multitude de trous 81, de sorte que les gaz d'échappe ment passant à travers le réacteur 46 à cyclone formé à partir de cel les-ci peuvent générer un grand nombre d'entrecroisements ainsi que des passages compliqués 72 et en outre renforcer la paroi externe 521 (en référence à la figure 9). De ce fait, le réacteur 46 à cyclone peut avoir une excellente tenue aux vibrations lorsqu'il est monté dans un tube d'échappement. De même, pour éviter de plus grandes pertes de pression des gaz d'échappement avec la plaque 51 ou 52 susmentionnée, on peut utiliser une plaque 53 comportant des trous 82 dans sa paroi externe 531 et ses couches internes 532 de spirale agencées alternativement (en référence à figure 10) afin de générer un entrecroisement partiel ainsi que des passages compliqués 73. De cette manière, une partie des gaz d'échappement doit prendre plus de temps pour traverser le réac- teur 47 à cyclone, tandis que le reste peut traverser le réacteur 47 à cyclone rapidement. Ceci peut réduire les pertes de pression dans les gaz d'échappement avec le réacteur 47 à cyclone, et d'obtenir aussi un effet d'insonorisation. De fait, un silencieux monté à l'extrémité d'un tube d'échappement peut avoir un trajet plus court d'échappement de gaz, et les pertes de pression dans les gaz d'échappement induites par la présence du silencieux peuvent être réduites. De ce fait, le ren dement du moteur à combustion interne peut être accru de manière ef ficace. En outre, la plaque 5 de la présente invention peut être munie d'une multitude trous de diverses autres manières; toutes ces manières tombent également dans la portée de l'invention. Le réacteur à cyclone de la présente invention peut aussi avoir la forme d'un cône se référant à la figure 11), ce réacteur 48 à cyclone monté dans l'étranglement d'un tube de diffusion est solide ment attaché à la paroi intérieure du tube de diffusion, si bien que le réacteur 48 à cyclone monté dans le tube de diffusion peut avoir une excellente tenue aux vibrations. La plaque 54 et son espacement h5 du réacteur 48 à cyclone peut être réalisée suivant les manières citées plus haut afin que le réacteur 48 à cyclone s'adapte à un moteur à com bustion interne de faible cylindrée pour l'épuration des gaz de combus tion. REVENDICATIONS 1. Réacteur à cyclone économique, caractérisé en ce comprend plaque (5) enroulée sous forme d'une volute pour former d'un seul tenant une paroi externe cylindrique (50) et une pluralité couches internes (501) de spirale; partie de connexion (6), située à une extrémité de la péri phérie externe de ladite plaque en volute (5), et soudée à ladite extre- mité à la paroi externe (50) de ladite plaque (5); ledit réacteur à cyclone étant revêtu d'un catalyseur et pré sentant une section en spirale, ce qui lui confère le fonctionnement d'un ressort, et lui permet de diffuser de la dilatation thermique et de la contrainte de déformation sur la plaque, induites par des tempéra tures élevées. 2. Réacteur à cyclone économique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement entre ladite paroi externe cylindri que (50) et lesdites couches internes de spirale est unifié ou n'est pas unifié. Réacteur à cyclone économique selon la revendication caractérisé en ce que ladite paroi externe cylindrique est munie d'une multitude de trous. Réacteur à cyclone économique selon la revendication caractérisé en ce que lesdites couches internes de spirale sont munies d'une multitude de trous. Réacteur à cyclone économique selon la revendication caractérisé en ce que ladite plaque est enroulée sous forme de cône.