Brevet FR2906484A1 — publié le 20080404

Monolithe catalytique pour gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne. La présente invention concerne un monolithe catalytique pour gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne, du type comprenant plusieurs briques monolithiques en céramique, les briques étant disposées longitudinalement et étant liées les unes aux autres par un ciment pour for-mer le monolithe, chaque brique monolithique comprenant au moins un canal traversant la brique d'une face transversale à l'autre. Dans l'industrie automobile, l'utilisation de briques monolithiques, le plus souvent céramiques, pour former des monolithes catalytiques est courante. Ces briques comprennent de nombreux canaux, le plus généralement rectilignes et parallèles, traversant les briques d'une face transversale à l'autre. En condition normale, les gaz d'échappement s'écoulant dans les ca- naux ont un flux laminaire qui est parallèle à l'axe des canaux. En effet, les gaz entrent dans la brique monolithique avec un flux turbulent mais, du fait d'un faible diamètre des canaux, un flux laminaire s'établit rapidement après environ 1 centimètre de cheminement des gaz dans les canaux. En conséquence, le transfert massique des polluants du flux lami- naire de gaz vers la surface catalytique des canaux se fait par diffusion massique radiale. Or, l'efficacité d'une diffusion massique radiale est moindre comparée à celle des transferts massiques résultant d'un flux de gaz turbulent. L'utilisation de quantités importantes de matériaux de revêtement tels que des Métaux du Groupe Platine (MGP), est alors nécessaire. Il existe des monolithes à structure métallique permettant de créer un flux turbulent. Ces monolithes comprennent par exemple un empilement de feuilles de métal alternativement lisses et ondulées. Les ondulations des feuilles ondulées sont par exemple formées de plusieurs segments reliés et disposés les uns derrière les autres dans la direction de flux des gaz, les segments étant décalés transversalement à la direction de flux, comme dé- crit dans le document US-A-4,665,051. 2906484 2 Cependant, ces monolithes métalliques ont un coût élevé et supportent mal l'adjonction d'un matériau de revêtement du fait de leur fort coefficient de dilatation thermique. A ce jour, on ne peut reproduire les configurations de ces structures 5 métalliques sur une brique monolithique en céramique car les briques mono- lithiques qui en résulteraient seraient trop fragiles. L'invention a pour but de réduire la quantité de matériaux de revête-ment appliqués sur une brique monolithique en céramique, tout en préservant les qualités mécaniques de cette brique. 10 A cet effet, l'invention a pour objet un monolithe catalytique du type précité, caractérisé en ce que ledit canal a un axe non uniformément rectiligne. Suivant des modes particuliers de réalisation, le monolithe peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 15 ù ledit canal comprend au moins une portion dont l'axe est incliné, par rapport à un axe longitudinal de la brique, d'un angle supérieur ou égal à 20 ; ù ledit canal décrit un motif en bosses et en creux ; ù l'amplitude du motif est comprise entre 1 pm et 4 cm ; 20 ù le motif est régulier et a une longueur périodique comprise entre 1 pmet10cm; ù le motif a une amplitude comprise entre 0,05 cm et 0,2 cm et une longueur périodique comprise entre 0,5 cm et 1,5 cm ; ù la brique a une longueur comprise entre 5 cm et 100 cm et un dia- 25 mètre moyen compris entre 1 cm et 4 cm, la brique ayant entre 55 et 70 canaux par centimètre carré ; ù les briques ont un profil en carré ou portion de carré ; ù les briques sont torsadées avec un angle compris entre 1 et 360 . L'invention a également pour objet un véhicule automobile, caractéri- 30 sé en ce qu'il comprend un monolithe catalytique tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 2906484 3 - la figure 1 est une vue de face en perspective d'un monolithe catalytique selon l'invention et comprenant une vue agrandie de face d'une des briques monolithiques le composant ; - la figure 2 est une vue schématique en section longitudinale de des- 5 sus d'un canal de la brique de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'une machine d'extrusion, illustrant un procédé de fabrication de brique monolithique. La figure 1 illustre un monolithe catalytique 2 pour gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne, notamment de vé- 10 hicule automobile. Le monolithe 2 est destiné à être inséré dans une ligne d'échappement afin de réduire les émissions polluantes vers l'atmosphère. Le monolithe 2 est formé par une pluralité de briques 4 monolithiques en céramique. Les briques 4 sont disposées longitudinalement en lignes et en colonnes et sont liées les unes aux autres par un ciment 6. Chaque brique 4 comprend une pluralité de canaux 8 traversant la brique 4 d'une face 10 transversale à l'autre, comme illustré sur le détail de la figure 1. Les faces transversales 10 des différentes briques 4 sont coplanaires et forment les faces transversales du monolithe 2. Comme illustré sur la figure 1, le monolithe 2 a par exemple un 20 contour sensiblement cylindrique. Cependant, cette forme n'est pas limitative et le monolithe 2 peut avoir toute forme appropriée à son insertion dans la ligne d'échappement et aisée à fabriquer, notamment parallélépipédique. La longueur du monolithe 2 est sensiblement égale à la longueur de chaque brique 4 monolithique. Le diamètre moyen du monolithe 2 est par 25 exemple compris entre 1 cm et 1 m, de préférence environ 0,1 m. Ainsi, le monolithe 2 comprend par exemple entre 8 et 12 briques 4 monolithiques. Les briques 4 à la périphérie du monolithe 2 ont, dans l'exemple représenté sur la figure 1, une forme adaptée pour former un contour continu et sensiblement lisse du monolithe 2. Les briques 4 qui ne sont pas à la pé- 30 riphérie du monolithe 2 ont une forme sensiblement parallélépipédique. Elles comprennent ainsi quatre faces longitudinales et deux faces transversales 10. 2906484 4 Le détail de la figure 1 illustre une face transversale 10 de brique monolithique 4. Le contour de cette face transversale 10 est avantageusement sensiblement carré. En effet, la forme carrée améliore les propriétés mécaniques de la brique 4. 5 La brique 4 a avantageusement une longueur comprise entre 5 cm et 100 cm. Une section transversale de la brique 4 a un diamètre moyen compris entre 1 cm et 4 cm. Avantageusement, la brique 4 est torsadée autour de son axe longitudinal, avec un angle de torsion compris entre 1 et 360 , de préférence 10 environ 180 . Cet arrangement a pour but d'augmenter la turbulence des gaz, et par conséquence les échanges entre les gaz et la paroi catalytique. Avantageusement, la brique 4 possède entre 55 et 70 canaux 8 par centimètre carré (350 à 450 canaux 8 par pouce carré). La figure 2 illustre une section horizontale du canal 8 d'une brique 15 monolithique 4 selon l'invention, dans le cas où la brique 4 n'est pas torsa- dée. Chaque canal a une section transversale sensiblement carrée. Ainsi, chaque canal comprend deux parois que l'on peut qualifier d' horizontales et deux parois 11 que l'on peut qualifier de verticales . 20 Le canal 8 suivant l'invention est ondulé dans un plan longitudinal. En effet, les parois verticales 11 du canal ont une forme régulière en bosses 12 et en creux 14, de façon à favoriser un écoulement turbulent des gaz d'échappement dans le canal 8. L'amplitude entre les bosses 12 et les creux 14 est définie par la distance a entre la droite longitudinale tangente à la 25 bosse 12 et la droite longitudinale tangente au creux 14. Une longueur périodique est définie par la distance b entre la droite transversale passant par le sommet d'une bosse 12 et la droite transversale passant par le sommet d'une bosse adjacente 12. L'amplitude a d'un canal 8 selon l'invention est avantageusement 30 comprise entre 1 micromètre et 4 centimètres, de préférence entre 50 micromètres et 200 micromètres. La longueur périodique b est avantageusement comprise entre 1 micromètre et 10 centimètres, de préférence entre 0,5 cm et 1,5 cm. 2906484 5 Ainsi, l'axe du canal 8 est non uniformément rectiligne. En effet, selon l'invention, sur au moins une portion (et de préférence sur plusieurs portions, comme dans l'exemple représenté) l'axe du canal 8 est incliné, par rapport à un axe longitudinal et horizontal de la brique 4, d'un angle supérieur ou égal 5 à 20 La figure 3 illustre une machine 20 d'extrusion de type connu. Ces machines sont couramment utilisées pour former les canaux 8 de briques monolithiques 4. La machine 20 comprend un réservoir 22 pour stocker une pâte 24 adaptée à la fabrication d'une céramique. Le réservoir 22 comprend, 10 à une première extrémité, une face de sortie 26 dans laquelle sont ménagés des trous de sortie 28 de la pâte 24. A une deuxième extrémité, un piston 30 coulissant est monté dans le réservoir 22 pour presser la pâte 24 à travers les trous de sortie 28. Pour obtenir des canaux ondulés 8 selon l'invention, la machine 15 d'extrusion 20 balaye avec un mouvement périodique latéral le support sur lequel doit être disposé la pâte 24 extrudée. La machine 20 peut également être fixe tandis que le support a un mouvement périodique latéral. La brique 4 ainsi formée subit ensuite un traitement thermique pour lui conférer ses propriétés sensiblement définitives, la transformant en une brique céramique 20 monolithique 4 rigide. De plus, la brique 4 peut être torsadée par rotation de la machine d'extrusion 20 et/ou par rotation du support, autour de leurs axes longitudinaux respectifs. On peut aussi conférer au support la forme torsadée souhaitée pour la brique 4. 25 Lorsque les briques monolithiques 4 ont subit le traitement thermique et qu'elles sont sensiblement rigides, elles sont assemblées pour former le monolithe 2 au moyen du ciment 6. Ensuite, le monolithe 2 entier subit un traitement thermique jusqu'à un état final. Le contour du monolithe 2 peut ensuite être usiné pour l'obtention de la forme définitive du contour du mo- 30 nolithe 2. Le ciment 6 utilisé est de type connu, tel que décrit dans le document E P-A-1 491 248. 2906484 6 Le matériau céramique formant les briques 4 comprend par exemple les composés suivants ou leurs mélanges : - Cordiérite, SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, AI2O3, ZrO2, Y2O3, CeO2, titanate d'aluminium, ZrB2, Mullite et Sialon . 5 Le ciment 6 comprend par exemple les composés suivants ou leurs mélanges : - Cordiérite, SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, AI2O3, ZrO2, Mullite, titanate d'aluminium, ZrB2 et Sialon . Le procédé selon l'invention confère au matériau céramique la très 10 grande surface catalytique active qui est nécessaire. Cette surface active est obtenue par agrégation de particules non poreuses de différentes tailles. La taille de ces particules est comprise entre 1 nanomètre et 100 micromètres. Ainsi, la surface active du matériau est comprise entre 1 m2/g et 600 m2lg. Avantageusement, la surface catalytique active est comprise entre 150 m2/g 15 et 500 m2lg. Le matériau céramique comprend également de la matière poreuse, parmi laquelle on distingue des micropores (52x10-9 mètres), des mésopores (>_2x10-9 mètres et s50x106 mètres) des macropores (>_50x10-6 mètres). Les matériaux peuvent avoir entre 1 et 99% de micropores, de mésopores ou de 20 macropores. Avantageusement, le matériau céramique comprend entre 5 et 10% de micropores, entre 80 et 90% de mésopores et entre 1 et 5% de macropores. Après obtention de la structure du monolithe 2, le monolithe 2 est enduit d'un matériau catalytique de revêtement. 25 Le matériau de revêtement peut par exemple comprendre les compo- sés suivants ou leurs mélanges : pour une réduction catalytique sélective (SCR) destinée à traiter NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, SiO2, ainsi que des éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag, U, 30 Np, Pu, Am), des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn), des perovskites ou des zeolites dopées en Cu, Fe, ou Mn ; - pour un piège à NOx destiné à traiter les NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, dopés en B ou Mn, avec des éléments catalytiques typiques 2906484 7 tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au , Ag, U, Np, Pu, Am) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) ; - pour des catalyseurs à trois voies destinés à traiter les hydrocarbures, le CO et les NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3 avec des éléments 5 catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au , Ag, U, Np, Pu, Am) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) ; - pour des catalyseurs à oxydation totale destinés à traiter le CO et les hydrocarbures et former du NO2 : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3 avec 10 des éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au , Ag, U, Np, Pu, Am) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn). Ainsi, avec l'invention, l'efficacité catalytique est augmentée par la turbulence du flux de gaz d'échappement traversant les canaux 8. 15 L'augmentation de la turbulence du flux est obtenue par la structure ondulée des canaux 8. Cette structure ne nuit pas à l'écoulement général des gaz à travers le monolithe 2. De plus, la forme carrée des briques 4 ainsi que leur assemblage les unes aux autres par ciment 6 assure une tenue mécanique du monolithe 2 20 selon l'invention supérieure à celle que posséderait un monolithe 2 mono-bloc de mêmes dimensions extérieures et dont les carreaux auraient la même configuration. Du fait de l'amélioration des performances du monolithe catalytique 2 selon l'invention, il est possible de réduire sa longueur et donc la quantité de 25 matériau catalytique de revêtement utilisée par rapport aux monolithes catalytiques de l'art antérieur. L'application de l'invention ne se limite pas aux véhicules automobiles et l'invention peut être utilisée pour traiter les gaz d'échappement de tout moteur à combustion interne, même en station fixe. REVENDICATIONS 1.- Monolithe (2) catalytique pour gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne, du type comprenant plusieurs briques (4) monolithiques en céramique, les briques (4) étant disposées longitudinalement et étant liées les unes aux autres par un ciment (6) pour former le monolithe (2), chaque brique monolithique (4) comprenant au moins un canal (8) traversant la brique (4) d'une face transversale (10) à l'autre, caractérisé en ce que ledit canal (8) a un axe non uniformément rectiligne. 2. ù Monolithe (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit canal (8) comprend au moins une portion dont l'axe est incliné, par rapport à un axe longitudinal de la brique (4), d'un angle supérieur ou égal à 20 . 3. ù Monolithe (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit canal (8) décrit un motif en bosses (12) et en creux (14). 4. ù Monolithe (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amplitude (a) du motif est comprise entre 1 pm et 4 cm. 5. ù Monolithe (2) selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le motif est régulier et a une longueur périodique (b) comprise entre 1 pm et 10 cm. 6. ù Monolithe (2) selon la revendication 4 prise avec la revendication 5, caractérisé en ce que le motif a une amplitude (a) comprise entre 0,05 cm et 0,2 cm et une longueur périodique (b) comprise entre 0,5 cm et 1,5 cm. 7. ù Monolithe (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la brique (4) a une longueur comprise entre 5 cm et 100 cm et un diamètre moyen compris entre 1 cm et 4 cm, la brique (4) ayant entre 55 et 70 canaux (8) par centimètre carré. 8. ù Monolithe (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les briques (4) ont un profil en carré ou portion de carré. 9. ù Monolithe (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les briques (4) sont torsadées avec un angle compris entre 1 et 360 . 2906484 9 10. ù Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un monolithe catalytique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes.