Brevet FR3082556A1 — publié le 20191220

DISPOSITIF DE PURIFICATION DE GAZ DE COMBUSTION COMPORTANT UNE ENTRETOISE THERMIQUEMENT DECOMPOSABLE [1] Le domaine de l'invention concerne les dispositifs de purification de gaz de combustion, notamment les dispositifs de purification disposés dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. [2] Dans le domaine de l'industrie automobile, les normes de dépollution de plus en plus exigeantes ont poussé les constructeurs à équiper les lignes d'échappement des véhicules de dispositifs de purification sophistiqués afin de traiter chimiquement et mécaniquement les particules polluantes. Conventionnellement, les dispositifs de purification comprennent une enveloppe tubulaire (couramment appelée par le terme anglais « canning ») dans laquelle circule le flux des gaz de combustion regroupant plusieurs substrats de dépollution, notamment des catalyseurs, montés en série dans la direction de circulation du flux des gaz de manière que ces derniers traversent successivement les substrats. Entre deux substrats de dépollution il est généralement nécessaire de maintenir un espace d'écartement pour permettre par exemple l'introduction d'une sonde ou pour éviter un contact entre les deux substrats. [3] On connait de l'état de la technique le document US20040105792A1 décrivant un dispositif de purification comprenant deux catalyseurs montés en série dans une enveloppe métallique, lesquels sont séparés par des entretoises d'écartement, en forme de T ou d'arcs, disposées en périphérie de l'enveloppe pour maintenir de façon permanente un espace entre les deux catalyseurs. Selon cette technologie, les entretoises sont réalisées en toile métallique, matière suffisamment résistante aux températures de résistance thermique des substrats, jusqu'à des pics de 1000°C environ. [4] D'autres technologies de purification prévoient l'installation l'un à côté de l'autre d'un catalyseur et d'un filtre à particule. Or, le substrat d'un filtre à particules est réalisé en structure de nid d'abeille particulièrement vulnérable aux vibrations ou au contact d'éléments montés à proximité. Lors du montage dans l'enveloppe, il est alors nécessaire de prévoir un espace entre les deux substrats pour éviter tout contact entre eux. A la différence des catalyseurs qui possèdent des conduits de passage ouverts en entrée et en sortie pour permettre la circulation du flux de gaz d'un bout à l'autre du conduit, les conduits d'un filtre à particules sont alternativement obstrués en entrée ou en sortie pour créer un chemin de filtration en forçant les gaz à traverser les parois poreuses des conduits. La moindre fissure ou perforation dans les parois empêcherait donc l'action filtrante du filtre à particule. 2 [005] De plus, en situation de roulage, la présence d'une entretoise métallique à proximité du substrat d'un filtre à particules peut provoquer une érosion du substrat du fait des vibrations du véhicule et de la propre ligne d'échappement sous l'action du flux d'échappement. Il n'est donc pas recommandable de poser de façon permanente une telle entretoise à proximité du filtre à particule. 5 [006] Il existe donc un besoin de trouver une solution permettant d'assurer un écartement entre les deux substrats lors du montage dans l'enveloppe tout en évitant d'exposer le filtre à particules à un risque d'endommagement lors du roulage du véhicule. [7] Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de purification de gaz de combustion comprenant une enveloppe tubulaire destinée à la circulation d'un flux de gaz de combustion, des 10 premier et deuxième substrats de dépollution montés en série l'un à côté de l'autre à l'intérieur de l'enveloppe dans la direction de circulation du flux des gaz de combustion et une entretoise séparant les premier et deuxième substrats pour maintenir un espace d'écartement lors de leur montage dans l'enveloppe. Selon l'invention, l'entretoise est constituée d'une matière thermiquement décomposable sous l'action de la température du flux des gaz de combustion destiné à circuler à 15 travers les premier et deuxième substrats. [8] Selon une variante, l'entretoise a la forme d'une bague et est disposée en périphérie des premier et deuxième substrats. [9] Selon une variante, l'entretoise comporte en outre des moyens de maintien en appui contre une surface interne de l'enveloppe. 20 [010] Selon une variante, le dispositif de purification est remarquable en ce que la matière de l'entretoise est inflammable et en ce que le point d'auto-inflammation de ladite matière est inférieur à 700°C. [011] Selon une variante, le point d'auto-inflammation de la matière de l'entretoise est supérieur à 300°C, et de préférence supérieur à 450°C. 25 [012] Selon une variante, l'entretoise comporte un retardateur de combustion. [13] Selon une variante, le point de fusion de la matière de l'entretoise est supérieur à 500°C. [14] Selon une variante du dispositif dans lequel au moins l'un des premier et deuxième substrats comporte une nappe de maintien thermiquement expansible à partir d'un seuil de température d'expansion de manière à figer ledit substrat dans une position de montage dans l'enveloppe sous 3 l'action du flux des gaz de combustion, le point d'auto-inflammation de la matière de l'entretoise est supérieur au seuil de température d'expansion de la nappe de maintien. [015] Selon une variante, le premier substrat est un catalyseur et le deuxième substrat est un filtre à particules. 5 [016] L'invention concerne également une ligne d'échappement des gaz de combustion pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile comportant un dispositif de purification selon l'une quelconque des modes de réalisation précédents. [17] L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne, dans lequel le moteur est relié à une ligne d'échappement comportant un dispositif de 10 purification selon l'une quelconque des modes de réalisation précédents. [18] L'invention permet de faciliter le montage du dispositif de purification lors de la mise en place des substrats dans l'enveloppe. L'utilisation d'une entretoise pouvant être thermiquement décomposée sous l'action du flux des gaz de combustion permet de réduire le risque d'un endommagement prématuré d'un filtre à particules lors du roulage du véhicule. 15 [019] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un dispositif de purification de gaz de combustion selon l'invention ; 20 . la figure 2 représente une section du dispositif de purification selon l'invention et un premier agencement géométrique de l'entretoise; la figure 3 représente une section du dispositif de purification selon l'invention et un deuxième agencement géométrique de l'entretoise ; la figure 4 représente une section du dispositif de purification selon l'invention et un troisième 25 agencement géométrique de l'entretoise. [020] L'invention concerne les dispositifs de purification de gaz de combustion comprenant au moins deux substrats de dépollution montés l'un à côté de l'autre, notamment ceux émis par un moteur thermique de véhicule automobile. L'invention s'applique à l'industrie automobile ainsi qu'à tout type d'installation de purification de gaz de combustion. 4 [21] La figure 1 représente un dispositif de purification de gaz de combustion selon l'invention destinée à équiper une ligne d'échappement de véhicule automobile. Le dispositif de purification comprend une enveloppe tubulaire 1 dans laquelle sont disposés successivement dans la direction de circulation FP du flux de gaz de combustion tout d'abord un catalyseur 2 puis un filtre à particules 3. 5 L'enveloppe 1 a une section de forme sensiblement cylindrique et est réalisée en matière métallique. Le catalyseur 2, de technologie connue par exemple de type à réduction catalytique sélective (SCR, « Sélective Catalytic Reduction » en anglais), est constitué d'un substrat en structure de nid d'abeille formant des conduits ouverts en entrée et en sortie s'étendant parallèlement à la direction de circulation FP du flux de gaz de combustion. Les parois des conduits du catalyseur 2 contiennent une 10 imprégnation catalytique à base de métal précieux qui transforme les gaz polluants en gaz inoffensifs. Le filtre à particules 3, de technologie connue par exemple de type filtre à réduction catalytique sélective (SCRF, « Selective Catalytic Reduction Filter » en anglais), est constitué d'un substrat en nid d'abeille formant des conduits obstrués alternativement en entrée ou en sortie s'étendant parallèlement à la direction de circulation FP du flux de gaz de combustion pour créer un chemin de 15 filtration des suies en forçant les gaz à traverser les parois poreuses des conduits. [22] Par ailleurs, lors de la fabrication du dispositif de purification, une entretoise 4 est montée entre le catalyseur 2 et le filtre à particules 3 pour assurer un espace d'écartement entre les deux substrats 2, 3 lors de l'opération de montage dans l'enveloppe 1. Pour éviter un endommagement prématuré du filtre à particules 3 lors du fonctionnement du dispositif de purification, endommagement pouvant 20 être provoqué par des chocs avec l'entretoise, cette dernière est conçue de manière à se décomposer sous l'action thermique du flux de gaz de combustion lors du roulage du véhicule, de préférence lors des premiers kilomètres, voire dès la sortie d'usine. A cet effet, selon l'invention l'entretoise 4 est constituée d'une matière décomposable thermiquement sous l'action de la température du flux des gaz de combustion destiné à circuler dans l'enveloppe lors du roulage du véhicule. La matière est 25 choisie pour atteindre une décomposition thermique totale et de préférence de manière à être inflammable dans la plage de température attendue du flux de gaz de combustion. [23] Plus précisément, l'entretoise 4 est constituée d'une matière inflammable et est judicieusement choisie de manière que les propriétés physiques de la matière présentent un point d'auto-inflammation inférieur à 700°C pour garantir sa décomposition ou sa combustion lors d'un cycle de 30 roulage. De plus, le volume de l'entretoise est dimensionné pour permettre sa combustion sous l'action du flux des gaz de combustion. Le point d'auto-inflammation de la matière est défini et connu par exemple à partir des spécifications communiquées de la fiche technique. 5 [24] A titre d'exemple non limitatif, la matière de l'entretoise peut être choisie parmi les matières suivantes : Polyéthylène (PE), Polystyrène (PS), Polypropylène (PP), tout polymère de synthèse dont les propriétés physiques permettent sa décomposition thermique totale sous l'action du flux des gaz d'échappement pour des températures inférieures à 700°C, ainsi que le papier, le carton, le bois ou 5 matière dérivée du bois. [25] Les dimensions de l'entretoise sont choisies de manière à permettre un espace entre les substrats d'environ 2mm à 20mm A cet effet, l'épaisseur de la section de l'entretoise est comprise entre 2mm et 20mm. [26] Pour information, dans le cas d'une application automobile, on rappelle que dans un cycle de 10 roulage urbain la température des gaz de combustion circulant dans l'enveloppe 1 peut être comprise entre 200°C et 300°C avec un gradient de température entre le centre de l'enveloppe 1 et sa périphérie pouvant être de 50°C à 150°C selon que le cycle de roulage présente une dynamique importante ou ait atteint un régime stabilisé. Dans un cycle de roulage chargé, de type roulage sur autoroute, la température des gaz de combustion circulant dans l'enveloppe 1 peut être compris entre 300°C et 15 550°C environ avec un gradient de température entre le centre de l'enveloppe 1 et sa périphérie pouvant être de 50°C à 100°C. [27] Dans une variante de réalisation, l'entretoise 4 est réalisée en matière de type papier, carton ou dérivé du bois dont les propriétés physiques présentent un point d'auto-inflammation inférieur à 300°C pour permettre la combustion de l'entretoise dès le premier cycle de roulage du véhicule. 20 L'entretoise peut être positionnée dans la zone centrique de l'enveloppe 1 ou en périphérie de l'enveloppe. [28] Dans une autre variante de réalisation du dispositif de purification, le catalyseur 2 comporte une nappe de maintien (non représentée en figure 1) thermiquement expansible à partir d'un seuil de température d'expansion de manière à figer le substrat dans sa position de montage dans l'enveloppe 25 sous l'action du flux des gaz de combustion. Suite à l'expansion de la nappe, le substrat reste immobile dans l'enveloppe de manière à éviter tout contact avec l'autre substrat. Conventionnellement, le seuil de température d'expansion est compris dans une plage de 300 °C à 500°C. Il est donc nécessaire que l'entretoise assure l'écartement au moins jusqu'à l'expansion des nappes de maintien. A cet effet, le point d'auto-inflammation de la matière de l'entretoise 4 est supérieur à 300°C et de préférence, le 30 point d'auto-inflammation est supérieur au seuil de température d'expansion de la nappe de maintien. A titre d'exemple, la matière peut être le Polyéthylène (PE), Polystyrène (PS), Polypropylène (PP). 6 [29] Dans une autre variante, la matière de l'entretoise a un point d'inflammation supérieur à 450°C et inférieur à 700°C. Ainsi, la combustion de l'entretoise est provoquée uniquement lors d'une phase de régénération du filtre à particules conventionnelle pilotée lors du roulage du véhicule pour bruler les suies se déposant dans le filtre à particule. Une phase de régénération du filtre à particules apporte 5 les conditions (en durée et température) de combustion de l'entretoise sans que des résidus de matière interfèrent avec le filtre à particules. A cet effet, l'entretoise comporte de préférence un retardateur de combustion pour que l'entretoise se dégrade après l'expansion des nappes de maintien. Par exemple, la matière peut être un polymère thermoplastique, de type Polychlorure de vinyle ou de type Polyéthylène, et laquelle matière comporte un additif retardateur de combustion. 10 Tout autre moyen pour retarder la combustion de l'entretoise peut être utilisé. [30] Par ailleurs, selon une variante, la matière de l'entretoise est choisie de manière que le point de fusion soit supérieur à 500°C. Ainsi, en conditions de roulage de cycle urbain, l'entretoise n'est pas affectée thermiquement par le flux de gaz de combustion. La décomposition thermique, en particulier le début de ramollissement de la matière se déclenchera seulement lors d'une phase pilotée de 15 régénération du filtre à particule ou lors d'une phase chargée stabilisée (cycle autoroute) de manière à éviter une situation thermique non stabilisée pouvant provoquer un écoulement de matière lors du roulage. Cette situation est susceptible d'entrainer le dépôt de résidus pouvant dégrader le substrat du filtre à particules. [31] Préférentiellement, l'entretoise 4 a la forme d'une bague et est disposée en périphérie des 20 substrats 2, 3 du catalyseur et du filtre à particules. Au niveau de la zone périphérique de l'enveloppe 1 les températures du flux des gaz de combustion atteignent des valeurs suffisamment élevées pour permettre la décomposition thermique de l'entretoise une fois que le cycle de roulage est stabilisé, que ce soit en cycle urbain, en cycle chargé ou seulement lors d'une phase de régénération du filtre à particules. Ainsi, la combustion complète de l'entretoise est alors assurée du fait que les températures 25 des gaz seront maintenues stabilisées durant une durée suffisante pour assurer la combustion complète sans laisser de résidus partiellement ramollis pouvant endommager le substrat du filtre à particules 3. En effet, la zone centrique de l'enveloppe 1 est susceptible d'être sujette à des écarts de température plus important pouvant provoquer un changement d'état de la matière de l'entretoise indésirable sans atteindre l'inflammation complète. Le positionnement de l'entretoise en périphérie 30 évite cette situation à risque pour le filtre à particules. De plus, en cas de ramollissement de la matière de l'entretoise, du fait du positionnement en périphérie, les résidus de matière pénètrent la zone centrique, qui est plus chaude que la zone périphérique, assurant alors leur combustion totale. 7 [32] Comme on le voit en figure 2, la bague entretoise 4 est de forme polygonale afin que les côtés de celle-ci soient tous positionnés dans la zone périphérique de l'enveloppe 1. La bague peut présenter une pluralité de côtés ayant un nombre égal ou supérieur à trois, de préférence supérieur à huit. [33] Comme on le voit en figure 3, dans une variante de réalisation la bague entretoise 4 est de forme 5 annulaire judicieusement positionnée dans la zone périphérique de l'enveloppe 1. [34] En figure 4, l'entretoise 4 comporte dans un mode de réalisation des moyens de maintien 5, par exemple des ergots, permettant d'assurer le maintien de l'entretoise 4 dans la position de montage en périphérie de l'enveloppe 1. [35] L'invention concerne également les dispositifs de purification comprenant deux catalyseurs 10 séparés par une entretoise ou un filtre à particules monté en amont d'un catalyseur. En référence à la figure 1, le premier substrat 2 est un catalyseur de type à réduction catalytique sélective et le deuxième substrat est un filtre à réduction catalytique sélective. Dans une variante, le premier substrat 2 est par exemple un catalyseur trois-voies et le deuxième substrat 3 un autre catalyseur trois-voies ou un filtre à particules. Dans une autre variante, le premier substrat 2 est un catalyseur d'oxydation et le 15 deuxième substrat 3 est un filtre à particules. Dans une autre variante, le premier substrat est un absorbeur de Nox (Oxyde d'azote) passif (PNA pour « Passive Nox Absorber » en anglais) ou un piège à Nox (LNT « Lean Nox Trap » en anglais), et le deuxième substrat est un filtre à particules. [36] Le dispositif de purification selon l'invention est monté avantageusement dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, à moteur diesel ou moteur essence. Toutefois, il est 20 envisageable d'utiliser un dispositif de purification de gaz de combustion selon l'invention pour tout type d'installation de dépollution ayant un système d'échappement des gaz de combustion, par exemple de type cheminée, ou tube d'évacuation d'appareils de combustion (par exemple chaudière, radiateurs ou poêles). La matière de l'entretoise est adaptée en fonction de la température du flux des gaz de combustion traversant les substrats de dépollution pour être thermiquement décomposable 25 sous l'action REVENDICATIONS1. Dispositif de purification de gaz de combustion comprenant une enveloppe tubulaire (1) destinée à la circulation d'un flux de gaz de combustion, des premier et deuxième substrats de dépollution (2,3) montés en série l'un à côté de l'autre à l'intérieur de l'enveloppe dans la direction de circulation (FP) du flux des gaz de combustion et une entretoise (4) séparant les premier et deuxième substrats (2,3) pour maintenir un espace d'écartement lors de leur montage dans l'enveloppe (1), caractérisé en ce que l'entretoise (4) est constituée d'une matière décomposable thermiquement sous l'action de la température du flux des gaz de combustion destiné à circuler à travers les premier et deuxième substrats (2, 3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entretoise (4) a la forme d'une bague et est disposée en périphérie des premier et deuxième substrats. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entretoise comporte en outre des moyens de maintien (5) en appui contre une surface interne de l'enveloppe (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière de l'entretoise (4) est inflammable et en ce que le point d'auto-inflammation de ladite matière est inférieur à 700°C. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le point d'auto-inflammation de la matière de l'entretoise (4) est supérieur à 300°C, et de préférence supérieur à 450°C. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'entretoise (4) comporte un retardateur de combustion. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le point de fusion de la matière de l'entretoise (4) est supérieur à 500°C. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel au moins l'un des premier et deuxième substrats comporte une nappe de maintien thermiquement expansible à partir d'un seuil de température d'expansion de manière à figer ledit substrat dans une position de montage dans l'enveloppe sous l'action du flux des gaz de combustion, caractérisé en ce que le point d'auto-inflammation de la matière de l'entretoise (4) est supérieur au seuil de température d'expansion de la nappe de maintien. 9 9. Ligne d'échappement des gaz de combustion pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne, caractérisé en ce 5 que le moteur est relié à une ligne d'échappement selon la revendication 9.