"STRUCTURE EN NID D'ABEILLE "
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte à une structure en nid d'abeille, constituée de cordiérite, qui peut être utilisée comme support de catalyseur dans un dispositif d'épuration de gaz d'échappement de moteurs à explosion et, en particulier, à une structure en nid d'abeille à haute densité d'alvéoles.
2. Description de la technique connexe Les supports de catalyseur pour les systèmes d'épuration des gaz d'échappement utilisent conventionnellement une structure en nid d'abeille 9 telle que celles représentées aux Fig. 6 et 7, où des parois de séparation 90 en cordiérite ou en un matériau similaire sont agencées en nid d'abeille de manière à former une multiplicité d'alvéoles 99.
Une fonction d'épuration des gaz d'échappement est réalisée par le dépôt d'un catalyseur d'épuration des gaz d'échappement 8 sur la surface des parois d'alvéole 90 de la structure en nid d'abeille 9.
II se fait qu'au cours des dernières années, on a constaté des demandes croissantes d'appareillages d'épuration de gaz d'échappement possédant des fonctions d'épuration encore améliorées et de plus petits calibres.
Pour répondre aux deux demandes d'une fonction d'épuration améliorée et d'un plus petit calibre, il est efficace d'augmenter la densité des alvéoles (c'est-à-dire d'augmenter le nombre d'alvéoles/cm<2>) de la structure en nid d'abeille, donc d'augmenter le nombre d'alvéoles par unité de surface.
Ceci augmente la surface totale des alvéoles ainsi que la surface de contact entre le gaz d'échappement et le catalyseur.
Pour exploiter l'effet d'une augmentation du nombre d'alvéoles/cm<2>ou in<2>de la structure en nid d'abeille, il est indispensable de maintenir entièrement le canal des gaz d'échappement de manière qu'il ne se produise pas de perte de charge. II est dès lors essentiel d'éviter toute obstruction des alvéoles lors du chargement du catalyseur.
Toutefois, dans des structures en nid d'abeille à haute densité d'alvéoles, de 600 alvéoles/in<2>ou plus, il tend à se produire lors du chargement du catalyseur une obstruction des alvéoles plus rapide que dans le cas de structures en nid d'abeille conventionnelles à faible densité d'alvéoles (400 alvéoles/in<2>ou moins).
Le chargement du catalyseur est effectué par enduction des parois d'alvéoles de la structure en nid d'abeille au moyen d'une boue de catalyseur, préparée à partir des constituants du catalyseur, puis séchage. L'obstruction susmentionnée tend à se produire plus facilement avec une boue de catalyseur présentant une haute teneur en solides (ci-après désignée comme "concentration de la boue"). On s'est donc attaché à réduire la concentration de la boue afin de prévenir l'obstruction.
Toutefois, lorsque l'on s'efforce simplement de réaliser une faible concentration de la boue de catalyseur, la quantité de catalyseur chargée lors d'une unique application de boue de catalyseur est insuffisante. II devient dès lors nécessaire d'augmenter sensiblement le nombre d'applications de la boue de catalyseur, et ceci résulte en une augmentation du coût de la production.
L'invention, réalisée à la lumière de ces considérations, a pour but de procurer une structure en nid d'abeille présentant une haute densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus, et dotées d'excellentes propriétés de chargement du catalyseur.
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RESUME DE L'INVENTION
L'invention se rapporte à une structure en nid d'abeille comportant une multiplicité d'alvéoles formées par des parois de séparation ou parois d'alvéoles principalement constituées de cordiérite, qui présente la composition chimique suivante: SiO2: 45-55% en poids,
AI2O3: 33-42% en poids, MgO: 12-18% en poids, agencées en nid d'abeille, la structure en nid d'abeille étant caractérisée en ce que la densité des alvéoles est d'au moins 600 alvéoles/6, 45 cm<2>(=1 in<2>), en ce que le volume porique des parois d'alvéole est d'au moins 30%, et en ce que la rugosité moyenne Rz de la surface desdites parois d'alvéole est de 1 à 5 [mu]m.
La structure en nid d'abeille selon l'invention présente un grand nombre d'alvéoles/in<2>, avec une densité d'alvéoles d'au moins 600 alvéoles/in<2>, comme mentionné ci-avant.
Si la densité d'alvéoles est inférieure à 600 alvéoles/in<2>, les performances d'épuration ne sont pas sensiblement améliorées lorsque l'on charge le catalyseur pour réaliser l'appareillage d'épuration des gaz. Une densité d'alvéoles supérieure est préférable, mais il existe certaines limitations liées à la technologie de production, etc.
Pour réaliser un plus grand nombre d'alvéoles/in<2>, il est essentiel de réduire l'épaisseur des parois d'alvéole. Spécifiquement, l'épaisseur de paroi d'alvéole n'est de préférence pas supérieure à
150 [mu]m. Si elle dépasse 150 [mu]m, il existe un risque d'augmentation de la résistance à l'écoulement (perte de charge) du gaz.
Plus préférentiellement, l'épaisseur ne dépasse pas 100 [mu]m.
Le volume porique des parois d'alvéole, c'est-à-dire la proportion en volume représentée par les fins pores par unité de volume des parois d'alvéole, est de 30% ou plus. Si le volume porique est inférieur à 30%, on n'obtient pas d'amélioration des propriétés de chargement du catalyseur, et il faudra procéder à de multiples répétitions de l'application de la boue de catalyseur contenant les composants du catalyseur. D'autre part, si le volume porique est trop important, ceci réduira la résistance des parois d'alvéole.
Dès lors, le volume porique est de préférence de 35 à 80%; une limite supérieure de 50% étant préférentielle.
Le fonctionnement de l'invention est explicité ci-après.
Comme mentionné plus haut, la structure en nid d'abeille selon l'invention présente une haute densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus, et un volume porique des parois d'alvéole d'au moins 30%. En conséquence, lorsque le catalyseur est chargé sur les parois d'alvéole, il est possible de prévenir l'obstruction des alvéoles tout en assurant la quantité correcte de chargement du catalyseur.
Spécifiquement, lorsque l'on augmente le volume porique des parois d'alvéole de la valeur conventionnelle de 25% à au moins 30%, la quantité de catalyseur chargée est supérieure à celle chargée selon la technique antérieure, pour une même concentration de la boue de catalyseur appliquée.
II est donc possible d'abaisser la concentration de la boue et de charger la même quantité de catalyseur que dans la technique antérieure.
Une plus faible concentration de boue peut réduire l'occurrence des obstructions des alvéoles.
En conséquence, même lorsque l'on réalise une haute densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus, si le volume porique des parois de séparation est de 30% ou plus comme exposé ci-avant, il est possible de prévenir l'obstruction des alvéoles tout en assurant la même quantité de chargement de catalyseur que dans la technique antérieure.
II est donc possible, selon l'invention, de procurer une structure en nid d'abeille présentant une haute densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus et dotées d'une excellente aptitude au chargement du catalyseur.
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L'épaisseur des parois d'alvéole n'est de préférence pas supérieure à 80 [mu]m. Ceci permet une réduction sensible de la perte de charge dans le fluide circulant entre les parois d'alvéole.
La rugosité moyenne Rz de la surface des parois d'alvéole est de 1 à 5 [mu]m. Une rugosité moyenne Rz extérieure à la plage de 1-5 [mu]m peut poser le risque d'une adhérence médiocre du catalyseur aux parois d'alvéole. On pense que ceci est dû au fait que la granulométrie de la poudre d'alumine utilisée en tant que composant du catalyseur présente une large distribution dans la plage de 1 à 5 [mu]m. Le calibre moyen des fins pores formés dans les parois d'alvéole est de préférence de 1 à 10 [mu]m.
Si le calibre moyen des fins pores est inférieur à 1 [mu]m, le problème est que la poudre d'alumine ne peut pénétrer dans les fins pores et que l'adhérence est réduite en conséquence, tandis que si elle excède 10 [mu]m, le problème est une diminution de la résistance des parois d'alvéole.
La structure en nid d'abeille peut être un support de catalyseur où le catalyseur est chargé à la surface des parois d'alvéole. Le catalyseur peut être un catalyseur ternaire pour l'épuration des NOx, CO, HC etc. Des composants spécifiques comprennent de la poudre d'alumine et des mélanges de platine, palladium etc.
Dans ce cas, la structure en nid d'abeille peut être utilisée comme support de catalyseur dans un convertisseur catalytique pour l'épuration, par exemple, des gaz d'échappement d'automobiles.
Pour le chargement du catalyseur, les conditions de concentration de la boue de catalyseur varieront selon les composants du catalyseur chargé mais, par exemple, le chargement est de préférence effectué par enduction des parois d'alvéole au moyen d'une boue de catalyseur présentant une teneur en solides non supérieure à 45%. Si la teneur en solides (concentration de la boue) est supérieure à 45%, on rencontre le problème d'un plus grand risque d'obstruction d'alvéoles à 600 alvéoles/in<2>ou plus.
D'autre part, si la concentration de la boue est trop faible, la quantité de catalyseur chargée est insuffisante, et c'est pourquoi la limite inférieure de la concentration de la boue est de préférence de 40%. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Fig. 1 est une vue en perspective qui montre la construction d'une structure en nid d'abeille selon la réalisation 1.
La Fig. 2 est un graphique qui montre la relation entre la densité des alvéoles et le nombre d'obstructions d'alvéoles pour la réalisation 1.
La Fig. 3 est un graphique qui montre la relation entre la concentration de la boue et la proportion quantitative de chargement de catalyseur pour la réalisation 2.
La Fig. 4 est un graphique qui montre la relation entre l'épaisseur des parois de séparation et le rapport de performance d'épuration pour la réalisation 3.
La Fig.
5 est un graphique qui montre la relation entre l'épaisseur des parois de séparation et la perte de charge pour la réalisation 3. La Fig. 6 est une vue en perspective montrant la construction d'une structure en nid d'abeille selon un exemple de la technique antérieure.
La Fig. 7 est une vue agrandie montrant l'état du catalyseur chargé sur les parois d'alvéole dans l'exemple selon la technique antérieure.
DESCRIPTION DES REALISATIONS PREFERENTIELLES
L'invention est explicitée ci-après à l'aide des réalisations qui suivent, étant entendu que les réalisations ne sont présentées qu'aux fins de meilleure compréhension de l'invention et n'impliquent aucune limitation de celle-ci.
Réalisation 1
Des structures en nid d'abeille selon une réalisation de l'invention sont explicitées ci-dessous avec référence aux Fig. 1 et 2.
Pour cette réalisation, on a réalisé cinq structures différentes en nid d'abeille, et l'on a comparé leurs propriétés de chargement du catalyseur etc. Quatre des cinq structures étaient des produits selon l'invention (spécimens E1 -E4) et une était un produit comparatif à faible densité d'alvéoles (spécimen C1).
Chacun des spécimens selon l'invention E1-E4 est, comme illustré à la Fig. 1 , une structure en nid d'abeille 1 comportant une multiplicité d'alvéoles 15 formées par l'agencement de parois d'alvéole 10 principalement constituées de cordiérite, qui présente la composition chimique suivante: SiO2: 45-55% en poids, AI2O3: 33-42% en poids, MgO: 12-18% en poids, et agencées en nid d'abeille.
La densité des alvéoles 15 est de 600 à 1200 alvéoles/in<2>, et le volume porique des parois d'alvéole 10 est de 35%. Les alvéoles 15 de cette réalisation sont de forme carrée.
Un procédé de production de la structure en nid d'abeille selon cette réalisation (spécimens E1-E4, C1) est exposé ci-après. On a d'abord préparé un matériau de départ de cordiérite pour la structure en nid d'abeille 1. Le matériau de départ de cordiérite utilisé contenait du kaolin, de l'hydroxyde d'aluminium, de l'alumine, du talc, des particules de carbone etc.
Le volume porique a été ajusté par modification de la teneur en particules de carbone, kaolin, talc, hydroxyde d'aluminium etc.
Les particules de carbone sont brûlées lors de la cuisson, le kaolin et le talc favorisent la formation de pores par migration lors du processus réactionnel de cuisson, et l'hydroxyde d'aluminium provoque la vaporisation de l'eau de cristallisation au sein du matériau, ce qui permet une formation accélérée de fins pores. Après avoir ensuite malaxé une quantité prescrite du matériau de départ de cordiérite avec de l'eau en tant que liant, le mélange a été moulé par extrusion, en forme de nid d'abeille, au moyen d'un moule pour structure en nid d'abeille. Le matériau intermédiaire moulé par extrusion en forme de nid d'abeille a alors été séché, coupé aux dimensions prescrites et cuit.
La cuisson a été effectuée par chauffage à 1400[deg.]C avec un gradient d'élévation de température d'environ 1[deg.]C/min., et maintien de cette température pendant 5 heures, après quoi il a été graduellement refroidi jusqu'à la température ambiante. La cuisson a parachevé la structure en nid d'abeille 1.
Les spécimens résultants E1-E4, C1 présentaient un diamètre de 103 mm et une longueur de 108 mm, ainsi qu'une épaisseur de parois d'alvéole de 100 [mu]m et un volume porique de 35%. On a également eu recours à une structure périphérique de renfort, présentant un haut volume porique et une épaisseur supérieure de paroi d'alvéole, sur le périmètre, afin d'obtenir la résistance nécessaire. La plage de renfort couvrait 3 alvéoles à partir du périmètre extérieur, afin de minimaliser la résistance aux gaz.
L'épaisseur des parois d'alvéole renforcées était de 150 [mu]m. Les densités d'alvéole des spécimens étaient de 400 alvéoles/in<2>pour C1 , 600 alvéoles/in<2>pour E1 , 800 alvéoles/in<2>pour E2, 1000 alvéoles/in<2>pour E3 et 1200 alvéoles/in<2>pour E4.
La rugosité moyenne Rz des surfaces des parois d'alvéole 10 a été ajustée à 1-5 [mu]m pour toutes les structures. Le calibre moyen des fins pores formés dans les parois d'alvéole 10 était ajusté à 1-10 [mu]m pour toutes les structures.
Pour cette réalisation, chaque spécimen a alors été enduit d'une boue de catalyseur, chacun avec une concentration différente de la boue, et l'on a mesuré le nombre de bouchages par alvéole.
Le catalyseur chargé était un catalyseur ternaire contenant du platine et du palladium, et a été chargé sur les parois d'alvéole 10 via de l'alumine.
La boue de catalyseur a été préparée par addition d'eau aux composants du catalyseur de manière à former une boue. Dans la boue de catalyseur, la proportion de composants de catalyseur (teneur en solides) a été ajustée de manière à préparer quatre concentrations différentes de 40, 45, 50 et 55%.
Chaque spécimen a été immergé dans une boue de catalyseur d'une concentration différente placée dans un récipient, de manière à recouvrir la surface des parois d'alvéole par enduction d'immersion. Les spécimens ont ensuite été séchés et l'on a compté pour chacun d'eux le nombre de bouchages par alvéole.
Les résultats des mesures sont représentés à la Fig. 2.
Ce graphique donne en abscisse la densité des alvéoles (alvéoles/in<2>) et en ordonnée le nombre de blocages d'alvéoles.
Comme il ressort clairement de ce graphique, le nombre de blocages d'alvéoles augmente avec la densité des alvéoles pour toutes les concentrations de boue. Toutefois, lorsque la concentration de la boue était de 45% ou moins, aucun bouchage ne se produisait jusqu'à au moins 600 alvéoles/in<2>, et il ne s'est pas produit plus de 4 blocages, même à des densités supérieures d'alvéoles.
Ces résultant montrent que pour un volume porique de 35% comme dans cette réalisation, le bouchage des alvéoles peut presque complètement être évité lorsqu'on limite la concentration de la boue à 45%.
Réalisation 2
Pour cette réalisation,
on a utilisé un spécimen E1 de la réalisation 1 en tant que standard pour réaliser les spécimens C2 et E5 présentant différents volumes poriques, et on a déterminé pour chacun les proportions quantitatives de catalyseur chargé. Le spécimen C2 était un produit comparatif dans lequel la teneur en particules de carbone etc. dans le matériau de départ de cordiérite avait été modifiée pour porter le volume porique à 25%. Le spécimen E5 était un produit selon l'invention, où la teneur en particules de carbone etc. dans le matériau de départ de cordiérite avait également été modifiée pour porter le volume porique à 50%.
Les autres conditions pour les spécimens C2 et E5 étaient les mêmes que pour le spécimen E1 de la réalisation 1.
Les spécimens E1 , E5 et C2 ont été chacun enduit une fois d'une boue de catalyseur d'une concentration de boue de 40-55%, et l'on a déterminé pour chacun la proportion de la quantité de catalyseur chargé (proportion quantitative de catalyseur chargé). La proportion quantitative de catalyseur chargé a été calculée en adoptant 100 comme étant la valeur de chargement d'une boue de catalyseur d'une concentration de 50% sur le spécimen E1.
Les résultats de mesure sont représentés à la Fig. 3.
Ce graphique donne en abscisse la concentration de la boue (%) et en ordonnée la proportion quantitative de chargement de catalyseur.
Comme il ressort clairement de ce graphique, la quantité de catalyseur chargé augmente avec la concentration de catalyseur pour tous les volumes poriques.
On voit également que, pour une même concentration de catalyseur, la quantité de catalyseur chargé augmente avec le volume porique. Lorsque l'on compare sur ce graphique le produit conventionnel du spécimen C2 (volume porique: 25%) et le produit selon l'invention du spécimen E1 (volume porique: 35%), on constate que la quantité de chargement est la même lorsque l'on enduit le premier avec une boue de catalyseur d'une concentration de 55% et le second avec une boue de catalyseur d'une concentration de 40%.
Ces résultats montrent qu'une augmentation du volume porique de 25% à 35% permet de réduire la concentration de la boue de 15% pour charger la même quantité de catalyseur.
En d'autres termes, dans une structure en nid d'abeille d'une haute densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus, on peut utiliser une concentration moindre de la boue de catalyseur sans augmenter le nombre des opérations d'enduction, en augmentant le volume porique des parois d'alvéole jusqu'à 35% au moins. La plus faible concentration de la boue de catalyseur peut prévenir l'obstruction des alvéoles, comme le montre la réalisation 1.
Réalisation 3.
Pour cette réalisation, on a préparé des structures en nid d'abeille chargées de catalyseur présentant des spécifications équivalentes à celles du produit selon l'invention de la réalisation 1 , où l'on a fait varier la densité des alvéoles dans une plage de 400-1200 alvéoles/in<2>, et l'épaisseur des parois d'alvéole dans une plage de 0,50,175 mm, et l'on a évalué les performances d'épuration des gaz d'échappement et la perte de charge en fonction de la densité d'alvéoles et de l'épaisseur des parois d'alvéole.
Les structures en nid d'abeille préparées présentaient 5 densités d'alvéoles différentes: 400, 600, 700, 800 et 1200 alvéoles/in<2>, et 6 épaisseurs différentes de parois d'alvéole: 0,05, 0,075, 0,1 , 0,125, 0,15 et 0,175 mm, pour un total de 30 spécimens.
Les volumes poriques étaient tous de 35% et tous les catalyseurs chargés étaient des catalyseurs ternaires.
Les performances d'épuration de ces structures en nid d'abeille ont été évaluées de la manière ci-après au moyen d'un moteur à essence de 2000 CC. La structure en nid d'abeille chargée de catalyseur (ci-après simplement désignée comme le catalyseur) a d'abord été installée en une position prescrite dans un tuyau d'échappement, et l'on a examiné avant et après l'émission totale de HC, de CO et de NOx.
Le taux d'épuration a été déterminé comme étant la valeur de l'émission totale après passage dans le catalyseur, divisée par l'émission totale avant le passage, et le rapport de performance d'épuration a été évalué en tant que la proportion vis-à-vis du taux d'épuration pour 400 alvéoles/in<2>et 0,175 mm d'épaisseur de paroi d'alvéole, définie comme 100.
Les résultats de l'évaluation sont reproduits à la Fig. 4 Ce graphique donne en abscisse l'épaisseur (mm) des parois d'alvéole et le rapport de performance d'épuration en ordonnée.
Comme il ressort clairement de ce graphique, une densité d'alvéoles supérieure et des parois d'alvéoles plus minces améliorent les performances d'épuration.
En particulier, on voit qu'une densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>ou plus peut présenter des performances d'épuration supérieures à celles obtenues avec 400 alvéoles/in<2>, quelle que soit l'épaisseur des parois de séparation.
La perte de charge dans la structure en nid d'abeille a alors été évaluée par mesure de la pression différentielle des deux côtés du catalyseur placé dans le tuyau d'échappement, et détermination du rapport de perte de charge par rapport à 100, pris comme pression différentielle pour 400 alvéoles/in<2>et 0,175 mm.
Les résultats de l'évaluation sont reproduits à la Fig. 5. Ce graphique donne l'épaisseur (mm) de paroi d'alvéole en abscisse et le rapport de perte de charge en ordonnée.
Comme le montre clairement ce graphique, une densité d'alvéoles supérieure et une moindre épaisseur de paroi d'alvéole diminuent la perte de charge. En particulier, on voit que pour la densité d'alvéoles de 600 alvéoles/in<2>, on obtient de meilleures propriétés de perte de charge que pour 400 alvéoles/in<2>et une épaisseur de paroi d'alvéole de 175 [mu]m, lorsque l'épaisseur des parois d'alvéole n'est au moins pas supérieure à 85 [mu]m.
Toutes les réalisations décrites ci-avant présentent des alvéoles en quadrilatères (alvéoles carrées), mais on obtient des résultats similaires avec des formes hexagonales.
LEGENDES DES DESSINS Fig. 2
NOMBRE DE BMPCAGES DENSITE D'ALVEOLES SLURRY = BOUE
Fig. 3
PROPORTION QUANTITATIVE DE CATALYSEUR CHARGE BOUE A 40%o 55%
VOLUME PORIQUE 55/35/25%
Fig.
4
RAPPORT DE PERFORMANCES D'EPURATION EPAISSEUR DE PAROI D'ALVEOLS (mm)
1200... ALVEOLES/IN<2>
Fig. 5
RAPPORT DE PERTE DE CHARGE EPAISSEUR DE PAROI D'ALVEOLE (mm)
1200... ALVEOLES/IN<2>