Brevet FR2868360A1 — publié le 20051007

Canister pour réservoir à carburant La présente invention concerne un canister pour réservoir à carburant ainsi qu'un procédé pour la fabrication d'un tel canister. Les réservoirs à carburant liquide ou gazeux actuels doivent satisfaire à un ensemble de normes en raison du caractère très inflammable et souvent toxique du carburant qu'ils contiennent. Les fuites de carburant par défaut d'étanchéité ainsi que les pertes par évaporation ont tout particulièrement fait l'objet de réglementations de plus en plus contraignantes, notamment pour les applications dans les véhicules automobiles. Or, les réservoirs à carburant, en particulier pour véhicules à moteur, comportent le plus souvent un orifice de mise à l'air permettant l'équilibrage de la pression interne et de la pression atmosphérique, par exemple lors de variations du niveau de carburant résultant du remplissage du réservoir ou de la consommation de carburant par le moteur, ou encore lors de variations de température. Donc, pour satisfaire aux normes précitées, cet orifice de mise à l'air est classiquement raccordé à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un conduit et d'une chambre, appelée couramment canister, contenant une substance adsorbant les vapeurs de carburant, usuellement du charbon actif. Le rôle du canister est d'éviter la libération de vapeurs de carburant dans l'atmosphère. Régulièrement, le canister est purgé c.à.d. que les vapeurs sont désorbées généralement au moyen d'un courant d'air et envoyées dans le système d'admission d'air du moteur pour y être brûlées. Le charbon actif usuellement utilisé comme agent adsorbant peut être sous forme d'un lit de particules, de revêtement sur un support ou d'un monolithe alvéolaire dont la forme et la porosité sont contrôlées pour obtenir une bonne adsorption tout en limitant les pertes de charge. Un tel monolithe est généralement fabriqué par mise en forme (extrusion) et pyrolyse d'un mélange liant (céramique par exemple) / noir de carbone, tel que décrit dan le brevet US 5,914,294. Il est également connu d'utiliser une combinaison d'un lit de particules et d'un monolithe, tel que décrit dans le brevet US 6,540,815. De tels canisters mixtes sont effectivement disponibles sur le marché. Ils incluent généralement du côté réservoir, un canister principal comprenant un lit de particules maintenu par une grille perforée, et du côté atmosphère, un canister auxiliaire comprenant un monolithe alvéolaire. Ce dernier est généralement fixé dans un boîtier à l'aide de joint(s). Ce mode de fixation présente un inconvénient majeur: il ne permet pas d'utiliser efficacement la totalité du volume de charbon actif du nid d'abeilles vu l'obturation partielle de certains de ces canaux et la mauvaise exploitation de la surface extérieure de celui-ci. En outre, de par sa nature (matériau élastomérique généralement massif), le joint ne participe en rien à la fonction d'adsorption du canister. La présente invention a dès lors pour objet de fournir un mode de fixation amélioré pour canister monolithique, qui permet de remédier aux inconvénients précités de manière simple. A cet effet, la présente invention concerne un canister pour réservoir à carburant comprenant un boîtier et une structure monolithique alvéolaire à base de charbon actif, la structure monolithique étant fixée dans le boîtier à l'aide d'un système de fixation comprenant au moins une mousse. Le recours à une mousse permet d'utiliser au maximum la surface et les pores de la structure alvéolaire en contact avec celle-ci et ce faisant, de ne pas perturber l'adsorption des vapeurs par la structure monolithique. Le canister selon l'invention est particulièrement destiné à des moteurs thermiques alimentés avec des carburants liquides volatils et en particulier, à des moteurs pour véhicules automobiles (voitures, camions, motocyclettes...). On entend désigner par carburant un hydrocarbure volatil liquide ou gazeux convenant pour l'alimentation des moteurs à combustion interne. Le canister selon l'invention convient particulièrement pour les hydrocarbures liquides volatils. L'expression hydrocarbure liquide volatil désigne un hydrocarbure liquide (qui, dans les conditions normales d'utilisation du moteur, se trouve à l'état liquide dans le réservoir à carburant du système à carburant) qui présente une tension de vapeur saturante supérieure à 1 bar à 293 K (20 C). Des hydrocarbures liquides volatils communément utilisés pour l'alimentation des moteurs thermiques des véhicules automobiles sont ceux vendus dans le commerce sous la dénomination essence et destinés aux moteurs thermiques à allumage initié, dits à explosion . Le canister selon l'invention comprend au moins un boîtier dans lequel est fixé au moins une structure monolithique alvéolaire, qui constitue l'élément actif (adsorbant) du canister. Il est entendu que le canister selon l'invention peut comprendre plusieurs boîtiers et que chacun d'entre eux peut comprendre 2868360 3 plusieurs structures monolithiques et/ou une combinaison de structure(s) monolithique(s) alvéolaires (c.à.d. des structures poreuses d'une seule pièce) et particulaire(s) (c.à.d. des lits de particules). A noter également que le boîtier du canister selon l'invention peut être moulé d'une pièce avec le réservoir auquel il est destiné et/ou avec sa tubulure de remplissage. Il peut également intégrer certains de ses accessoires tel qu'un séparateur liquide/vapeur par exemple. Selon une variante préférée de la présente invention, le canister selon l'invention constitue en fait un canister auxiliaire, adjoint à un canister principal comprenant un lit de particules de charbon actif. Par canisters principal et auxiliaire, on entend respectivement un canister à haute capacité d'adsorption et un canister à plus faible capacité d'adsorption. Tel que décrit dans le brevet US 6,540,815 précité, le canister principal est de préférence situé du côté réservoir (c.à.d. est proche et en communication directe avec lui) et de manière particulièrement préférée, également en contact avec le système d'admission d'air du moteur (pour pouvoir permettre la purge du canister), tandis que le canister auxiliaire est situé du côté de la mise à l'atmosphère (ventilation). A cet effet, structure monolithique et lit particulaire (qui constituent les éléments actifs des canisters) peuvent être fixés dans des boîtiers séparés. Avantageusement, ils sont fixés dans un seul et même boîtier. Celui-ci peut avoir été fabriqué d'une pièce, ou être constitué de plusieurs pièces fabriquées séparément puis assemblées. Dans le canister mixte selon cette variante de l'invention, le lit de particules peut être fixé dans son boîtier de toute manière connue; il peut par exemple reposer sur une grille perforée (étant entendu que la taille des perforations doit être suffisante pour laisser passer les évaporations à adsorber sans trop de pertes de charges, mais pas trop importante pour ne pas laisser passer les particules), être contenu dans un sac (poche) de perméabilité donnée... Une plaque perforée posée sur des ressorts donne de bons résultats. La structure monolithique du canister selon l'invention est une structure alvéolaire (poreuse) à base de charbon actif qui peut être une mousse ou un nid d'abeilles. Par mousse , on entend une structure expansée avec des cellules ouvertes ou fermées de forme substantiellement sphérique. Cette mousse peut consister en un polymère chargé en noir de carbone et expansé. Par nid d'abeilles , on entend désigner une structure comprenant des cellules ouvertes ou fermées ayant une section quelconque, généralement circulaire ou hexagonale, avec des parois essentiellement parallèles d'une cellule à l'autre. Des structures en nid d'abeilles conviennent particulièrement bien dans le cadre de la présente invention et en particulier, celles décrites dans les brevets US susmentionnés. La structure monolithique peut avoir une forme quelconque. De préférence, elle est substantiellement cylindrique (c.à.d. de forme allongée avec une section substantiellement circulaire) ou parallélépipédique (idem, mais avec une section carrée). Lorsqu'il s'agit d'un nid d'abeilles, les cellules de ce dernier sont généralement placées avec leur paroi parallèle au sens d'écoulement des gaz à adsorber. Ces cellules peuvent avoir une section quelconque (circulaire, carrée, triangulaire...). Des nids d'abeilles avec des cellules à section carrée ou triangulaire sont disponibles commercialement et donnent de bons résultats. Le boîtier du canister selon l'invention peut être réalisé en une pièce ou en plusieurs pièces assemblées. Il est de préférence en une matière compatible avec les hydrocarbures que le canister est susceptible de traiter. Cette matière peut être une matière plastique ou un métal. Les matières thermoplastiques donnent de bons résultats dans le cadre de l'invention, notamment en raison des avantages de poids, de résistance mécanique et chimique et de mise en oeuvre facilitée. Par matière thermoplastique, on désigne tout polymère thermoplastique, y compris les élastomères thermoplastiques, ainsi que leurs mélanges. On désigne par le terme "polymère" aussi bien les homopolymères que les copolymères (binaires ou ternaires notamment). Des exemples de tels copolymères sont, de manière non limitative: les copolymères à distribution aléatoire, les copolymères séquencés, les copolymères à blocs et les copolymères greffés. Tout type de polymère ou de copolymère thermoplastique dont la température de fusion est inférieure à la température de décomposition conviennent. Les matières thermoplastiques de synthèse qui présentent une plage de fusion étalée sur au moins 10 degrés Celsius conviennent particulièrement bien. Comme exemple de telles matières, on trouve celles qui présentent une polydispersion de leur masse moléculaire. En particulier, on peut utiliser des polyoléfines, des polyhalogénures de vinyle, des polyesters thermoplastiques, des polycétones, des polyamides et leurs copolymères. Un mélange de polymères ou de copolymères peut aussi être utilisé, de même qu'un mélange de matières polymériques avec des charges inorganiques, organiques et/ou naturelles comme, par exemple, mais non limitativement: le carbone, les sels et autres dérivés inorganiques, les fibres naturelles, les fibres de verre et les fibres polymériques. Il est également possible d'utiliser des structures multicouches constituées de couches empilées et solidaires comprenant au moins un des polymères ou copolymères décrits supra. Les polyhalogénures de vinyle et les polyoléfines sont généralement préférés. Un polymère souvent employé est le polyéthylène. D'excellents résultats ont été obtenus avec du polyéthylène haute densité (HDPE ou High Density Poly-Ethylene). De manière connue, l'imperméabilité de cette matière plastique aux hydrocarbures volatils peut être améliorée par traitement de surface (fluoration, sulfonation...) et/ou par le recours à une couche barrière (par exemple à base de polyamide (PA) ou d'un polymère de l'alcool vinylique [homopolymère (PVOH) ou copolymère éthylène-alcool vinylique (EVOH)]. Selon l'invention, la structure monolithique (élément actif du canister) est fixée dans son boîtier au moyen d'un système de fixation comprenant au moins une mousse (telle que définie précédemment). De préférence, il est majoritairement voire essentiellement constitué d'une ou de plusieurs mousses. On entend par là qu'il est constitué à plus de 50% (en volume) et de préférence, à au moins 90%, voire à 100% de mousse(s) pour ne pas obturer les alvéoles du monolithe. Cette mousse est avantageusement chargée en charbon actif de manière à participer à la fonction d'adsorption du canister. De telles mousses chargées sont disponibles commercialement et bien connues de l'homme du métier. Le choix de la mousse sera fait en fonction de ses propriétés d'adsorption, des pertes de charge qu' elle engendre et de ses propriétés mécaniques. De préférence, il s' agit d'une mousse souple, compressible. De même, la forme de la mousse sera adaptée au mode de fixation choisi, pour empêcher les mouvements du monolithe dans son boîtier. De préférence, le système de fixation comprend aux moins deux mousses situées chacune à une extrémité de la structure monolithique, et de forme appropriée pour en épouser lesdites extrémités. En particulier lorsqu'il s'agit d'un canister cylindrique ou parallélépipédique, on peut utiliser 2 mousses circulaires ou carrées pour caler les extrémités du monolithe et en bloquer les mouvements axiaux. On peut également ou alternativement utiliser une mousse située au moins en partie sur la surface latérale de la structure monolithique, pour en bloquer les mouvements radiaux. Selon une variante, la mousse sur la surface latérale a la forme d'un cylindre creux dans lequel on vient se glisser le monolithe. Selon une autre variante, la mousse sur la surface latérale se présente sous la forme d'une bande enroulée autour du monolithe. La présente invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un canister tel que décrit précédemment. Ce procédé consiste à fixer une structure monolithique alvéolaire à base de charbon actif à l'intérieur d'un boîtier à l'aide d'un système de fixation comprenant au moins une mousse chargée en charbon actif. On peut soit solidariser la mousse et la structure monolithique avant insertion dans le boîtier (solution privilégiée pour les mousses sur la surface latérale (dites latérales ) par exemple), soit d'abord introduire la structure dans le boîtier et venir la caler avec la mousse (solution privilégiée pour les mousses d'extrémité (dites d'extrémité ) par exemple). De préférence, on solidarise d'abord le monolithe avec une mousse latérale , on insère l'ensemble dans au moins une partie du boîtier et on vient le caler avec au moins une mousse d'extrémité . La présente invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 à 5. La figure 1 illustre un canister selon l'art antérieur, tandis que les figures 2 à 5 représentent certaines variantes préférées du canister selon la présente invention. Dans ces figures, des numéros identiques désignent des éléments identiques. La figure 1 représente un canister selon l'art antérieur, de forme substantiellement cylindrique, où un monolithe en nid d'abeilles à base de charbon actif (1) est fixé dans un boîtier (2) à l'aide d'un simple joint circulaire d'étanchéité (3). Ce mode de fixation ne permet pas d'exploiter de manière optimale tout le volume du nid d'abeilles. En effet, non seulement la zone hachurée mais également toute la surface extérieure du nid d'abeilles ne sont pas directement accessibles pour les vapeurs d'hydrocarbures car les entrées des canaux sont bouchées par le joint. Ces zones ne sont atteintes que par diffusion à travers la porosité du charbon, ce qui implique une très mauvaise charge en hydrocarbure ainsi qu'une très mauvaise purge. Dans le canister selon l'invention représenté à la figure 2, le système de fixation du monolithe comprend une lère paire de mousses chargées en charbon actif (4) pour empêcher les mouvements radiaux et une 2de paire de mousses à faible perte de charge (5) pour empêcher les mouvements longitudinaux et assurer une bonne distribution des flux sur toute la section du boîtier (2). Celui-ci est constitué de deux pièces séparées en matière plastique assemblées par un dispositif de fermeture étanche (2'). La zone (6) comprise entre les deux lères zones de mousse chargée en charbon actif (4) est remplie d'air. 2868360 7 L'utilisation des mousses (4) (5) comme système de fixation perméable permet aux vapeurs d'être en contact avec la surface extérieure du monolithe. Par ailleurs, cette mousse est chargée en charbon actif et contribue également à l'adsorption des vapeurs d'hydrocarbures. L'utilisation de mousse à faible perte de charge pour empêcher les mouvements axiaux contribue à l'homogénéisation de la distribution du flux sur toute la section et fait disparaître la zone moins accessible du nid d'abeilles. Dans la variante de la figure 2, les mousses (5) se présentent sous la forme de disques tandis que les mousses (4) peuvent se présenter sous plusieurs formes différentes dont deux variantes préférées sont illustrées aux figures 3 et 4. Sur ces figures 3 et 4, on voit deux coupes (une selon un plan passant par l'axe du canister et une selon un plan perpendiculaire à cet axe) dans un canister selon chacune de ces variantes. Dans la variante de la figure 3, la mousse chargée en charbon actif (4) a la forme d'un cylindre creux dans lequel vient se glisser le monolithe (1) . Dans la variante de la figure 4, la mousse (4) se présente sous la forme d'un enroulement d'une bande autour du monolithe (1). Enfin, le canister de la figure 2 est représenté à la figure 5 comme étant un canister auxiliaire (7) fixé dans le même boîtier (2) qu'un canister principal (8) contenant des particules de charbon actif. Selon cette variante, le canister auxiliaire (7) est relié à l'atmosphère (9), tandis que le canister principal (8) est relié au réservoir d'une part (10), et au système d'admission d'air (pour pouvoir assurer la purge) d'autre part (11). Le boîtier (2) comprend une enceinte externe ainsi qu'une paroi interne (2') délimitant avec la paroi externe, un logement pour la structure monolithique du canister auxiliaire (7).Celle-ci est fixée dans ledit logement selon la variante représentée à la figure 2. REVENDICATIONS 1 - Canister pour réservoir à carburant comprenant un boîtier (2) et une structure monolithique alvéolaire (1) à base de charbon actif, la structure monolithique (1) étant fixée dans le boîtier (2) à l'aide d'un système de fixation comprenant au moins une mousse (4, 5). 2 - Canister selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il constitue un canister auxiliaire (7), adjoint à un canister principal (8) comprenant un lit de particules de charbon actif. 3 - Canister selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le canister principal (8) est situé du côté du réservoir, tandis que le canister auxiliaire (7) est situé du côté de la mise à l'atmosphère. 4 - Canister selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la structure monolithique (1) et le lit de particules sont fixés dans un seul et même boîtier qui leur est commun. 5 - Canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure monolithique (1) est une structure en nid d'abeilles. 6 - Canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (2) est à base de polyéthylène haute densité 20 (HDPE ou High Density Poly-Ethylene). 7 - Canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse (4, 5) est chargée en charbon actif. 8 - Canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de fixation comprend au moins deux mousses (5) situées chacune à une extrémité de la structure monolithique (1). 9 - Canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de fixation comprend au moins une mousse (4) située au moins en partie sur la surface latérale de la structure monolithique (1). 2868360 9 - Procédé pour la fabrication d'un canister selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel on fixe une structure monolithique alvéolaire (1) à base de charbon actif dans un boîtier (2) à l'aide d'un système de fixation comprenant au moins une mousse (4, 5).