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"CATALYSEUR D'EPURATION POUR GAZ D'ECHAPPEMENT DE
MOTEURS A EXPLOSION"
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte à un catalyseur d'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à explosion ou à combustion interne pour véhicules automobiles etc.
2. Description de la technique connexe
Des systèmes de conversion catalytiques sont utilisés en tant que systèmes d'épuration des gaz d'échappement émis par des moteurs d'automobiles et autres moteurs à explosion. Ces systèmes de conversion catalytiques sont équipés d'un support, sur lequel est chargé un métal précieux tel que le platine ou le rhodium, sous la forme d'un catalyseur, dans le tuyau d'échappement, et qui élimine les hydrocarbures (HC), le CO, les oxydes d'azote (NOx) etc présents dans les gaz d'échappement par une réaction d'oxydation ou d'oxydoréduction.
Ce système de convertisseur catalytique utilise un support dit monolithe, qui comporte généralement un support céramique en nid d'abeille présentant une multiplicité d'alvéoles (trous), en tant que matériau de base, et un revêtement catalytique contenant des composants catalytiques est chargé sur l'intérieur des alvéoles du support monolithe.
Outre cela, dans les supports monolithes selon la technique antérieure, les alvéoles étaient généralement de forme carrée Dans les
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supports monolithes possédant ce type d'alvéoles en quadrilatère (alvéoles carrées), diverses technologies ont été proposées pour améliorer les performances d'épuration des gaz d'échappement.
Dans le processus de chargement du catalyseur par exemple, s'il est courant d'utiliser une boue aqueuse contenant les composants du catalyseur, il est préférable d'augmenter l'absorption d'humidité des parois d'alvéole.
En conséquence, l'utilisation d'un support monolithe présentant une porosité accrue de paroi d'alvéole et une meilleure absorption d'humidité est en cours d'étude.
En outre, de nombreuses recherches ont également été effectuées sur l'épaisseur de la couche de catalyseur et les performances du catalyseur. Par exemple, la demande de brevet japonais examinée (Kokoku) na 53 149886 expose que l'utilisation d'une épaisseur moyenne de couche de catalyseur de 50 à 300 um produit un catalyseur à grande longévité et actif aux basses températures.
En outre, la publication de brevet japonais non examiné (Kokai) n 62-74453 propose, lors de la formation de couches de revêtement réactives, une épaisseur totale de film de 30 à 70 um améliorant les performances d'épuration et présentant une activité rapide aux VS (vitesses spatiales) élevées.
Toutefois, toutes les techniques antérieures susmentionnées impliquent le cas du chargement de catalyseurs sur un support monolithe à alvéoles carrées.
D'autre part, des alvéoles triangulaires, hexagonales et d'autres formes ont été proposées au lieu des alvéoles carrées. Etant donné que les alvéoles en forme d'hexagone (alvéoles hexagonales), en particulier, se rapprochent plus étroitement du cercle que les alvéoles rectangulaires au point de vue géométrique, le chargement de la couche
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de catalyseur peut être opéré de manière plus uniforme que dans le cas d'alvéoles carrées.
En conséquence, l'utilisation de supports monolithes comportant les alvéoles hexagonales prémentionnées a attiré l'attention quant à son application pour un catalyseur d'épuration susceptible de répondre aux réglementations en matière d'émissions, de plus en plus sévères depuis ces dernières années.
Toutefois, dans le cas de l'utilisation d'un support monolithe comportant les alvéoles hexagonales susmentionnées, des propositions sont encore à avancer en ce qui concerne l'état optimal de chargement de la couche de catalyseur.
Au vu des problèmes susmentionnés de la technique antérieure, l'invention a pour but de procurer un catalyseur d'épuration de gaz d'échappement, utilisant un support monolithe à alvéoles hexagonales capable d'offrir des performances d'épuration supérieures à celles obtenues dans le cas où l'on utilise un support monolithe à alvéoles carrées.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention consiste en un catalyseur d'épuration pour gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comprenant : un support monolithe muni d'alvéoles hexagonales à raison de 200 alvéoles/in2 ou davantage, où la porosité des parois d'alvéole formant lesdites alvéoles est de 25% ou plus ; et une couche de catalyseur appliquée sur la surface des dites parois d'alvéole dudit support monolithe, contenant un composant catalyseur pour l'épuration des gaz d'échappement ;
où l'épaisseur de ladite couche de catalyseur est de 10 à 70 pm à sa partie mince, et sa partie épaisse présente une épaisseur maximale de 20 fois celle de ladite partie mince
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
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La Fig. 1 est un dessin explicatif qui montre la structure d'un convertisseur catalytique dans une première réalisation de l'invention.
La Fig. 2 est un dessin explicatif qui montre l'état chargé de la couche de catalyseur du catalyseur catalytique pour gaz d'échappement selon l'invention, dans une première réalisation de l'invention.
La Fig. 3 est un dessin explicatif qui montre l'état chargé d'une couche de catalyseur d'un catalyseur d'épuration pour gaz d'échappement d'un produit comparatif dans une première réalisation de l'invention.
La Fig. 4 est un graphique montrant la relation entre l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur et la perte de charge, dans une première réalisation de l'invention.
La Fig. 5 est un graphique qui montre la relation entre l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur et le temps d'épuration à 50% de HC dans une deuxième réalisation de l'invention.
La Fig. 6 est un graphique qui montre la relation entre l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur et la valeur
THC en mode froid dans une troisième réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DES REALISATIONS PREFERENTIELLES
L'invention se distingue par le fait que l'on utilise un support monolithe en forme de nid d'abeille hexagonal, présentant la densité d'alvéoleslin2 et la porosité susmentionnées, et que l'on charge sur ce support une couche de catalyseur présentant l'épaisseur spécifique susmentionnée.
Comme décrit ci-avant, un support comportant des alvéoles de forme hexagonale (alvéoles hexagonales) à raison de 200 alvéoles/in2 ou davantage est utilisé pour le support monolithe susmentionné Dans le cas où les alvéoles hexagonales susmentionnées ont une densité
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2 inférieure à 200 alvéoles/in2, le problème est que les performances d'épuration ne sont pas améliorées par suite de la surface réduite de chargement du catalyseur. En conséquence, une densité de 400 alvéoles/in2 ou plus est préférable.
En outre, pour obtenir la haute densité ci-dessus d'alvéoles/in2, il est préférable de réduire l'épaisseur des parois d'alvéoles susmentionnées. L'épaisseur des parois d'alvéole est dans ce cas, par exemple, d'environ 150-170 um (6 mil.), et l'épaisseur des parois d'alvéole peut même être encore réduite à1, 5-4 mil.
En outre, dans le support monolithe susmentionné, la porosité des parois d'alvéole qui forment les alvéoles hexagonales est de 25% ou plus. Dans le cas où la porosité est inférieure à 25%, l'absorption d'humidité des parois d'alvéoles diminue, et ceci augmente le coût de l'opération de chargement du catalyseur.
En effet, pour le chargement du catalyseur, on applique généralement un procédé selon lequel une boue contenant les composants du catalyseur est chargée sur les parois d'alvéole, puis séchée pour former la couche de catalyseur susmentionnée. Dans ce cas, si la porosité est inférieure à 25%, on ne peut obtenir une absorption d'humidité suffisante des parois d'alvéole, la quantité de la boue susmentionnée chargée par application diminue et plusieurs étapes d'enduction sont requises. D'autre part, la limite supérieure de porosité est de préférence de 60%, de manière à conserver la résistance des parois d'alvéole.
En outre, la couche de catalyseur susmentionnée est chargée de manière que sa partie mince présente une épaisseur dans la plage de 10 à 70 um. La partie mince de la couche de catalyseur désigne ici une partie où l'épaisseur est la plus faible, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche de catalyseur chargée au centre de chacun des
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côtés, le plus loin des sommets de l'hexagone dans les alvéoles hexagonales.
Dans le cas où l'épaisseur de cette partie mince est inférieure à 10 um, on se heurte au problème d'une longévité réduite du catalyseur d'épuration pour gaz d'échappement. D'autre part, si l'épaisseur de la partie mince est supérieure à 70 pm, outre le supplément de composant catalyseur qu'il faut nécessairement charger, l'espace par lequel passent les gaz d'échappement est réduit et ceci pose le problème d'une perte de charge supéneure.
En outre, la couche de catalyseur susmentionnée est chargée de manière que l'épaisseur de la partie épaisse ne soit pas supérieure à 12 fois l'épaisseur de la partie mince susmentionnée. Ici, la partie épaisse de la couche de catalyseur susmentionnée désigne la partie où l'épaisseur est la plus grande, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche de catalyseur chargé dans les zones des sommets de l'hexagone dans les alvéoles hexagonales.
L'épaisseur de cette partie épaisse augmente lorsque l'épaisseur de la partie mince susmentionnée augmente. D'autre part, le rapport de la partie épaisse à la partie mince augmente lorsque l'épaisseur de la partie mince diminue. Dans le cas où l'épaisseur de la partie épaisse excède 12 fois l'épaisseur de la partie mince susmentionnée, on se heurte au problème de la difficulté de maintenir l'épaisseur de la partie mince susmentionnée à 10 um ou plus.
Des exemples de composant catalytique de la couche de catalyseur susmentionnée comprennent des métaux précieux comme le platine et le rhodium. En outre, la couche de catalyseur susmentionnée peut être composée d'un mélange, par exemple, ces composants de catalyseur et de poudre d'alumine.
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Des exemples de matériaux qui peuvent être utilisés pour le matériau monolithe susmentionné comprennent la cordiérite et d'autres céramiques.
Comme précédemment décrit, le catalyseur d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention utilise un support monolithe comportant des alvéoles hexagonales à une densité de 200 alvéoles/in2 ou plus et présentant une porosité de ses parois d'alvéole de 25% ou plus, où une couche de catalyseur est chargée sur ledit support monolithe, les parties minces de ses parois d'alvéole présentant une épaisseur de 10 à 70 um tandis que l'épaisseur de ses parties épaisses n'excède pas 12 fois l'épaisseur de ses parties minces.
En conséquence, et comme décrit en détail dans les réalisations exposées plus loin, le catalyseur d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention est à même d'améliorer les performances d'épuration tout en réduisant la perte de charge, de manière plus efficace que lorsque l'on utilise un support monolithe à alvéoles carrées, qui est la principale tendance de la technique antérieure. En outre, les performances qui suivent la détérioration initiale du catalyseur après la première utilisation du catalyseur d'épuration peuvent être maintenues à un niveau plus élevé que dans le cas de catalyseurs utilisant des supports monolithes à alvéoles carrées selon la technique antérieure.
L'invention permet donc de procurer un catalyseur d'épuration de gaz d'échappement utilisant un support monolithe à alvéoles hexagonales capable de réaliser des performances d'épuration supérieures à celles obtenues dans le cas de l'utilisation d'un support monolithe à alvéoles carrées.
Il est préférable que la porosité des parois d'alvéole susmentionnées soit de 30% ou plus Ceci permet d'améliorer encore
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l'absorption d'humidité des parois d'alvéole, ce qui facilite sensiblement l'opération de chargement du catalyseur et réduit les coûts.
Il est préférable que l'épaisseur de la couche de catalyseur susmentionnée soit telle que la partie mince susmentionnée présente une épaisseur de 20 à 50 um et que la partie épaisse susmentionnée présente une épaisseur non supérieure à 6 fois, de préférence de 2 à 6 fois celle de la partie mince susmentionnée. En effet, Lorsque l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur susmentionnée est de 20 à 50 um, ceci permet à la fois de maintenir de manière plus fiable la durée de vie du catalyseur d'épuration de gaz d'échappement tout en supprimant la perte de charge.
En outre, lorsque l'épaisseur de la partie épaisse de la couche de catalyseur susmentionnée est plus grande, et n'est pas supérieure de plus de 6 fois, de préférence de 2 à 6 fois celle de la partie mince susmentionnée, il est plus aisé de maintenir l'épaisseur susmentionnée de la partie mince dans la plage optimale, tout en permettant de supprimer une épaisseur excessive de la partie épaisse.
Réalisation 1
On trouvera ci-après une explication d'un catalyseur d'épuration de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne selon une réalisation de l'invention, avec référence aux Fig. 1 à 4.
Dans cette réalisation, un catalyseur d'épuration 1 pour gaz d'échappement utilisé dans le convertisseur catalytique 5 comportant des alvéoles hexagonales (spécimens E1 à E4) et celui comportant des alvéoles carrées (spécimen C1) ont été préparés comme illustré à la Fig.
1, et l'on a comparé leurs caractéristiques de perte de charge.
Tout d'abord, comme illustré aux Fig. 1 et 2, le catalyseur d'épuration de gaz d'échappement des spécimens E1 à E4 relevant de l'invention est composé d'un support monolithe 10, comportant des alvéoles hexagonales 15 à raison de 200 alvéoleslln2 ou plus et où la
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porosité des parois d'alvéole 11 formant les alvéoles 15 susmentionnées est de 25% ou plus, et d'une couche de catalyseur 2 appliquée sur la surface des parois d'alvéole 11 susmentionnées dudit support monolithe et contenant le catalyseur d'épuration des gaz d'échappement. Comme le montre la Fig. 2, l'épaisseur de ladite couche de catalyseur 2 est telle que l'épaisseur A de la partie mince 21 soit de 10 à 70 um, et que l'épaisseur B de la partie épaisse 22 ne soit pas supérieure à 12 fois l'épaisseur A de la partie mince 21.
En outre, la forme hexagonale réelle des alvéoles n'est pas représentée à la Fig. 1 afin de faciliter la préparation des dessins.
On trouvera ci-après une explication plus détaillée.
Comme le montrent les Fig. 1 et 2, le support monolithe 10 selon la présente réalisation comporte des parois d'alvéole 11 présentant une épaisseur de 6 mil (environ 150 à 170 um) en forme de treillis hexagonal, et des alvéoles en forme d'hexagone (alvéoles hexagonales)
15 ont une densité de 400 alvéoles/inz. En outre, ce support monolithe
10 est composé de céramique principalement constituée de cordiérite, et la porosité des parois d'alvéole est de 35%.
En outre, le support monolithe 10 est en forme de colonne cylindrique dont les dimensions sont un diamètre extérieur de 93 mm et une longueur de 147 mm.
En outre, le chargement du catalyseur sur le support monolithe 10 a été effectué au moyen d'une boue préparée par addition de poudre d'alumine et d'eau aux composants de catalyseurs sous la forme de platine et de rhodium. A savoir, la boue susmentionnée a été chargée sur les parois d'alvéole 11 du support monolithe 10, puis séchée afin de former la couche de catalyseur 2 susmentionnée sur la surface des parois d'alvéole 11
Dans la présente réalisation, on a fabnqué quatre types de catalyseurs d'épuration de gaz d'échappement (spécimens E1 à E4), où
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l'on a fait varier l'épaisseur A de la partie mince 21 de la couche de catalyseur 2 de 26,5 à 67, 5 um.
Plus spécifiquement, l'épaisseur A de la
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partie mince 21 de la couche de catalyseur 2 était de 26, 5 um dans le spécimen E1, 41, 5 um dans le spécimen E2, 57, 0 um dans le spécimen E3 et 67, 5 um dans le spécimen E4.
En outre, l'épaisseur B de la partie épaisse 22 de la couche de catalyseur 2 a été maintenue dans une plage n'excédant par 6 fois l'épaisseur A de la partie mince pour tous les spécimens, et était de 120
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um pour le spécimen E1, 135 um pour le spécimen E2, 150 um pour le spécimen E3 et 160 um pour le spécimen E4.
Ensuite, comme le montre la Fig. 3, on a fabriqué un catalyseur d'épuration de gaz d'échappement sous la forme du spécimen C1, utilisant le support monolithe 90 comportant des alvéoles en quadrilatère (alvéoles carrées) 95, à titre d'exemple comparatif pour cette réalisation.
Comme le montre la Fig. 3, le support monolithe 90 du spécimen C1 comporte des parois d'alvéole 91 d'une épaisseur de 6 mil (environ 150 à 170 um), et les alvéoles carrées ont une densité de 400 a) véotes/in. En outre, le support monolithe 90 est composé de céramique principalement constituée de cordiérite, et la porosité des parois d'alvéole 11 est de 35%, tout comme pour les spécimens E1 à E4.
En outre, la forme extérieure du support monolithe 90 du spécimen C1 a été configurée de manière similaire à celle du support monolithe 10 des spécimens E 1 à E4.
En outre, le spécimen C1 a été muni d'une couche de catalyseur 3 où l'épaisseur a d'une partie mince 31 était de 30 um et l'épaisseur b de la partie épaisse était de 260 pm, par chargement du catalyseur au moyen d'une boue similaire à celle utilisée pour les spécimens E1 à E4. Les autres conditions sont identiques à celles des spécimens E 1 à E4.
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On a ensuite mesuré la perte de charge de chaque spécimen selon cette réalisation.
La perte de charge a été déterminée par mesure de la différence entre la pression d'entrée et la pression de sortie des gaz d'échappement lorsque les gaz d'échappement passent dans le convertisseur catalytique à un débit de 1500 litres/minute.
Les résultats des mesures sont repris à la Fig. 4. Sur ce graphique, l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur (par n de spécimen) est indiquée en abscisse et la perte de charge en kPa est indiquée en ordonnée.
Comme il ressort de ce graphique, si la perte de charge augmentait avec l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur dans les spécimens E1 à E4 relevant de l'invention, les résultats étaient favorables en ce que cette perte de charge était moindre que celle du spécimen comparatif C1. Sur base de ces résultats, les articles selon l'invention présentant des alvéoles hexagonales peuvent être considérés comme aptes à améliorer les caractéristiques de perte de charge vis-à-vis des articles à alvéoles carrées selon la technique antérieure.
Réalisation 2
Dans cette réalisation, on a mesuré le temps d'épuration à 50% des HC en utilisant les spécimens E 1 à E4 et le spécimen C 1 utilisés dans la réalisation 1, comme illustré à la Fig 5
Les conditions de mesure étaient conformes aux conditions stipulées dans la Loi #4 de 75 FTP des États-Unis d'Amérique. Le temps a été mesuré à partir du moment où l'on a démarré le moteur jusqu'au moment où la concentration de HC à la sortie du convertisseur catalytique atteignait 50% de celle à l'entrée
En outre, cette mesure a été respectivement effectuée pour le cas A où chacun des spécimens était neuf, et pour le cas B où chacun
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des spécimens avait subi une détérioration équivalente à un kilométrage de 80.000 km.
En outre, la grandeur du support monolithe a été modifiée pour une forme de colonne cylindrique présentant comme dimensions un diamètre extérieur de 93 mm et une longueur de 37 mm.
Les résultats de mesure sont reproduits à la Fig. 5. Sur ce graphique, l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur (spécimen n ) est représentée en abscisse, et le temps de demi- épuration (50%) des HC (en secondes) est représenté en ordonnée ; les valeurs de mesure sont indiquées pour l'état neuf A et pour l'état détérioré B.
Comme il ressort du graphique, les temps d'épuration à 50% des HC pour les spécimens E1 à E4 selon l'invention étaient inférieurs à celui du spécimen comparatif C1, tant pour l'état neuf A que pour l'état détérioré B. Sur base de ces résultats, les articles selon l'invention peuvent être considérés comme également avantageux en ce qui concerne la vitesse d'atteinte des performances d'épuration.
Réalisation 3
Dans cette réalisation, la valeur à froid (valeur THC) a été mesurée sur les spécimens E 1 à E4 et le spécimen C 1 utilisés dans la réalisation 1, comme illustré à la Fig. 6.
Les conditions de mesure étaient également conformes à LA #4 de 75 FTP des États-Unis d'Amérique. A savoir, on a mesuré la valeur à froid (g/mile) du mode LA #4, et les données n'ont pas été multipliées par un facteur de pondération. Ici, bien qu'il existe des facteurs de pondération pour trois valeurs de mesure (froid = 0,43 x
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3, 6/7, 5, chaud 1 = 3, 9/7, 5 et chaud 2 = 0, 57 x 3, 6/7, 5), Il a été décidé pour cette réalisation d'omettre de multiplier les données par ces facteurs de pondération. En outre, la grandeur du support monolithe a été modifiée pour une forme de colonne cylindrique présentant comme dimensions un diamètre extérieur de 93 mm et une longueur de 147 mm.
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Les résultats de mesure sont reproduis à la Fig. 6. Sur ce graphique, l'épaisseur de la partie mince de la couche de catalyseur (spécimen n ) est représentée en abscisse, et la valeur THC susmentionnée (g/mile) est représentée en ordonnée.
Comme il ressort de ce graphique, les spécimens E1 à E4 selon l'invention ont présenté des valeurs THC égales ou meilleures que celle de l'article comparatif C1. Ces valeurs de mesure de 0,10 ou moins peuvent être considérées comme d'excellentes valeurs THC.
Comme il ressort de chacune des réalisations susmentionnées, les articles selon l'invention, à alvéoles hexagonales (spécimens E1 à E4), ont révélé des performances égales ou supérieures à celles de l'article comparatif à alvéoles carrées (spécimen Cl) pour tous les paramètres mesurés.
Sur base de ces résultats, l'utilisation d'un support monolithe pourvu d'alvéoles hexagonales à raison de 200 atvéo) es/in ou plus (par exemple 400 alvéoles/in2, l'adoption d'une porosité de 25% ou plus (par exemple 35%) pour ses parois d'alvéole, et d'une épaisseur de couche de catalyseur telle que l'épaisseur de la partie mince soit de 17 à 70 um et que l'épaisseur de la partie épaisse n'excède pas 12 fois celle de la partie mince, permet de réaliser des performances d'épuration supérieures à celles des alvéoles carrées selon la technique antérieure.
Nombre de modifications et de vanantes de l'invention apparaîtront aux spécialistes à la lumière de la discussion ci-avant. Qu'il soit dès lors entendu que, dans le cadre des revendications en annexe, l'invention peut être mise en pratique autrement qu'it est spécifiquement exposé et décrit.
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Figures
Fig. 4 PERTE DE CHARGE (kPa) EPAISSEUR DE LA PARTIE MINCE DE LA COUCHE DE CATALYSEUR (, um)
Fig. 5 TEMPS D'EPURATION 50% HC (s) EPAISSEUR DE LA PARTIE MINCE DE LA COUCHE DE CATALYSEUR ( m)
Fig. 6 VALEUR THC A FROID (g/mile) EPAISSEUR DE LA PARTIE MINCE DE LA COUCHE DE CATALYSEUR ( m)