EP0592258A1 - Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne - Google Patents

Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne Download PDF

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EP0592258A1 EP93402138A EP93402138A EP0592258A1 EP 0592258 A1 EP0592258 A1 EP 0592258A1 EP 93402138 A EP93402138 A EP 93402138A EP 93402138 A EP93402138 A EP 93402138A EP 0592258 A1 EP0592258 A1 EP 0592258A1
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/009—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having two or more separate purifying devices arranged in series
    • F01N13/0097—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having two or more separate purifying devices arranged in series the purifying devices are arranged in a single housing

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust device for purifying the exhaust gases of an internal combustion engine fitted in particular to a motor vehicle.
  • the invention relates more particularly to a device for purifying exhaust gases by catalytic conversion.
  • a catalytic converter is formed by an envelope delimiting a closed volume inserted in the exhaust line.
  • This envelope has, in the direction of flow of the exhaust gases, an inlet end of divergent frustoconical shape, a cylindrical or oval body, where is positioned a gas treatment structure formed by a metallic or ceramic reactor, again called monolith, comprising a plurality of axial channels arranged in honeycomb and coated with catalytic substances, and an outlet end of frustoconical shape.
  • the object of the present invention is therefore to propose a simple and economical system which overcomes the drawbacks of the prior art by ensuring excellent distribution of the exhaust gases over the entire section. transverse monoliths used for catalytic purification of exhaust gases.
  • the exhaust device for an internal combustion engine comprises a casing intended to be connected to the engine exhaust line and having a cylindrical body, tapered inlet and outlet ends respectively divergent and convergent, said envelope containing at least one monolith for the treatment of gases comprising multiple axially arranged channels coated with catalytic substances,
  • the exhaust device is characterized in that diffusing means are arranged upstream of the treatment monolith in the direction of gas flow to ensure the distribution of exhaust gases over the entire cross section of the monolith, the diffusing means being constituted by a monolith of reduced axial dimension with respect to the axial dimension of the treatment monolith and by an adjacent free cavity extending between the latter and the treatment monolith.
  • the axial length of the diffuser monolith is less than 1/4 of the total axial length of the monoliths present in said envelope.
  • the treatment monolith and the diffusing means are arranged inside the cylindrical body.
  • two treatment monoliths are arranged downstream of the diffusing means.
  • the axial dimension of the monolith is between 10 and 50 mm.
  • the diffuser monolith is coated with catalytic substances and participates in the treatment of gases.
  • Figure 1 is a schematic view in longitudinal section of a catalytic converter according to the invention.
  • the exhaust device 1 comprising means for catalytically purifying the exhaust gases of an internal combustion engine shown in FIG. 1 comprises an envelope conventionally defining a cylindrical body with circular (or oval) section 2 surrounded by tapered inlet 3 and outlet 4 ends respectively divergent and convergent.
  • the inlet duct 5 is an integral part of the frustoconical end 3 and the outlet duct 6 is an integral part of the frustoconical end 4.
  • the ducts 5 and 6 allow the device 1 to be connected to the exhaust line of an internal combustion engine.
  • honeycomb body Inside the body 2 are housed one behind the other three monoliths 7, 8 and 9.
  • monoliths 7, 8 and 9 also known under the name honeycomb body consist of cylindrical blocks, for example of porous ceramic, having a multitude of axially extending flow channels, of square or trapezoidal section, in which the exhaust gases flow.
  • the monolith 7 ⁇ 15Hdisposed at the inlet of the body 2, in the direction of the gas flow, has a limited axial length compared to the monoliths 8 and 9. This length can vary between 10 and 50 mm for a diameter of 100 mm .
  • the monolith 8 is arranged behind the monolith 7 at a distance of between 10 and 50 mm so as to leave a free cavity 10 between them.
  • the monolith 8 extends, for its part, over a length of between 50 and 200 mm.
  • the monolith 9 is placed after the monolith 8 with the interposition of a free cavity 11.
  • the dimensions of the monolith 9 are substantially the same as those of the monolith 8.
  • the axial length of the monolith 7 is preferably chosen, less than 1/4 the total axial length of the different monoliths present inside the body 2.
  • Monoliths 8 and 9 are coated with catalytic active substances which may be of a similar nature, with oxidation or reduction or bifunctional, or even with catalytic substances of different natures, the the first can be for example oxidation and the second reduction.
  • the diffuser monolith 7, for its part, may be coated with a catalyst, with oxidation or reduction or bifunctional, or else may not be.
  • the thin monolith 7 and the adjacent free cavity 10 form diffusing means which make it possible to considerably improve the distribution of the exhaust gases over the entire cross section of the cylindrical body 2 and therefore of the monolith 8, distribution initiated by the divergent tapered inlet end 3.
  • This distribution of the exhaust gases has the effect of causing the latter to penetrate all or almost all of the gas flow channels formed in the monolith 8.
  • the treatment monoliths 8 and 9 are used optimally.
  • the increase in the useful surface of these monoliths makes it possible to improve the treatment of the exhaust gases and to reduce their dimensions with equivalent treatment or even to increase the lifetime of the catalytic converter with equivalent dimensions.
  • the dimensions of the monolith 7 and of the cavity 10 are adjusted to each exhaust line by series of measurements on the test benches so that by operating the gas flow rates flowing through the exhaust device, they have the best possible diffusion.
  • the exhaust device according to the invention relates to both ceramic monoliths and metal monoliths.
  • the exhaust device according to the invention may comprise only a diffuser monolith 7 and a treatment monolith, the latter then playing the role of the two treatment monoliths 8 and 9 previously described.

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Abstract

Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne pour épurer les gaz d'échappement comportant une enveloppe destinée à être raccordée à la ligne d'échappement du moteur et présentant un corps cylindrique (2), des extrémités d'entrée (3) et de sortie (4) tronconiques respectivement divergente et convergente, ladite enveloppe contenant au moins un monolithe pour le traitement des gaz (8,9) comportant de multiples canaux disposés longitudinalement et revêtu de substances catalytiques, caractérisé en ce que des moyens diffuseurs (7,10) sont disposés en amont du monolithe de traitement (8,9) dans le sens de l'écoulement des gaz pour assurer la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du monolithe (8,9), lesdits moyens diffuseurs étant constitués par un monolithe (7) de dimension axiale réduite par rapport à la dimension axiale du monolithe de traitement (8,9) et par une cavité libre adjacente (10) s'étendant entre ce dernier et ledit monolithe (8,9). <IMAGE>

Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne équipant notamment un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif pour purifier les gaz d'échappement par conversion catalytique.
  • D'une façon générale les normes concernant la pollution des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui toute entière mobilisée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces contraintes et ce sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient.
  • Pour lutter contre l'émission des gaz polluants, l'industrie automobile a adopté l'utilisation de dispositifs d'échappement traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz d'échappement. Ces dispositifs encore appelés pots catalytiques permettent en effet l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO et la réduction des oxydes d'azote NOx. Ces réactions sont fortement accélérées par la présence d'un catalyseur de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot.
  • Classiquement un pot catalytique est formé par une enveloppe délimitant un volume clos insérée dans la ligne d'échappement. Cette enveloppe présente, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, une extrémité d'entrée de forme tronconique divergente, un corps cylindrique ou ovale, où est positionné une structure de traitement des gaz formée par un réacteur métallique ou céramique, encore appelé monolithe, comportant une pluralité de canaux axiaux disposés en nid d'abeille et revêtus de substances catalytiques, et une extrémité de sortie de forme tronconique divergente.
  • Il est apparu à la demanderesse que la seule présence d'un simple divergent disposé à l'entrée du monolithe ne permet pas de réaliser une distribution de l'écoulement des gaz d'échappement sur toute la surface transversale d'entrée du monolithe. Il en résulte que seule une partie des canaux est réellement alimentée par l'écoulement des gaz d'échappement du moteur. Cela conduit, pour compenser cette perte en section, à surdimensionner le monolithe en l'allongeant pour pouvoir traiter convenablement la totalité des gaz d'échappement.
  • L'objet de la présente invention est donc de proposer un système simple et économique qui permet de pallier aux inconvénients de l'art antérieur en assurant une excellente distribution des gaz d'échappement sur toute la section transversale des monolithes servant à l'épuration catalytique des gaz d'échappement.
  • Le dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'invention comporte une enveloppe destinée à être raccordée à la ligne d'échappement du moteur et présentant un corps cylindrique, des extrémités d'entrée et de sortie tronconiques respectivement divergente et convergente, ladite enveloppe contenant au moins un monolithe pour le traitement des gaz comportant de multiples canaux disposés axialement et revêtus de substances catalytiques,
  • Selon l'invention le dispositif d'échappement est caractérisé en ce que des moyens diffuseurs sont disposés en amont du monolithe de traitement dans le sens de l'écoulement des gaz pour assurer la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du monolithe les moyens diffuseurs étant constitués par un monolithe de dimension axiale réduite par rapport à la dimension axiale du monolithe de traitement et par une cavité libre adjacente s'étendant entre ce dernier et le monolithe de traitement .
  • Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement selon l'invention, la longueur axiale du monolithe diffuseur est inférieure au 1/4 de la longueur axiale totale des monolithes présents dans ladite enveloppe.
  • Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement selon l'invention, le monolithe de traitement et les moyens diffuseurs sont disposés à l'intérieur du corps cylindrique.
  • Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement selon l'invention, deux monolithes de traitement sont disposés en aval des moyens diffuseurs.
  • Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement selon l'invention, la dimension axiale du monolithe est comprise entre 10 et 50 mm.
  • Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement selon l'invention, le monolithe diffuseur est revêtu de substances catalytiques et participe au traitement des gaz.
  • On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel :
       la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un pot catalytique selon l'invention.
  • Le dispositif d'échappement 1 comportant des moyens d'épuration catalytique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne représenté à la figure 1 comporte une enveloppe définissant classiquement un corps cylindrique à section circulaire (ou ovale) 2 entouré par des extrémités tronconiques d'entrée 3 et de sortie 4 respectivement divergente et convergente. Le conduit d'admission 5 fait partie intégrante de l'extrémité tronconique 3 et le conduit de sortie 6 fait partie intégrante de l'extrémité tronconique 4. Les conduits 5 et 6 permettent le raccordement du dispositif 1 à la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne.
  • A l'intérieur du corps 2 sont logés l'un derrière l'autre trois monolithes 7, 8 et 9. Ces monolithes également connus sous l'appellation corps à nid d'abeilles se composent de blocs cylindriques, par exemple en céramique poreuse, présentant une multitude de canaux d'écoulement s'étendant axialement, de section carrée ou trapézoïdale, dans lesquels s'écoulent les gaz d'échappement.
  • Le monolithe 7 ÿ15Hdisposé à l'entrée du corps 2, dans le sens de l'écoulement des gaz, présente une longueur axiale restreinte par rapport aux monolithes 8 et 9. Cette longueur peut varier entre 10 et 50 mm pour un diamètre de 100 mm. Le monolithe 8 est disposé derrière le monolithe 7 à une distance comprise entre 10 et 50 mm de façon à laisser une cavité libre 10 entre eux. Le monolithe 8 s'étend quant à lui, sur une longueur comprise entre 50 et 200 mm. Le monolithe 9 est disposé à la suite du monolithe 8 avec interposition d'une cavité libre 11. Les dimensions du monolithe 9 sont sensiblement les mêmes que celles du monolithe 8.
  • La longueur axiale du monolithe 7 est choisie de façon préférentielle, inférieure au 1/4 de la longueur totale axiale des différents monolithes présents à l'intérieur du corps 2.
  • Les monolithes 8 et 9, plus particulièrement destinés au traitement des gaz d'échappement, sont revêtus de substances actives catalytiques qui peuvent être de nature similaire, à oxydation ou à réduction ou bifonctionnel, ou bien encore par des substances catalytiques de natures différentes, le premier pouvant être par exemple à oxydation et le second à réduction. Le monolithe diffuseur 7, quant à lui peut être revêtu de catalyseur, à oxydation ou à réduction ou bifonctionnel, ou bien ne pas l'être.
  • Le monolithe 7 de faible épaisseur et la cavité libre adjacente 10 forment des moyens diffuseurs qui permettent d'améliorer considérablement la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du corps cylindrique 2 et donc du monolithe 8, distribution amorcée par l'extrémité tronconique divergente d'entrée 3.
  • Cette distribution des gaz d'échappement a pour effet de faire pénétrer ces derniers la totalité ou la quasi-totalité des canaux d'écoulement des gaz formés dans le monolithe 8. Ainsi les monolithes de traitement 8 et 9 sont utilisés de façon optimale. L'augmentation de la surface utile de ces monolithes permet d'améliorer le traitement des gaz d'échappement et de réduire leurs dimensions à traitement équivalent ou encore d'augmenter la durée de vie du pot catalytique à dimensions équivalentes.
  • De plus, l'utilisation d'un monolithe diffuseur 7 revêtu de catalyseur, permet d'amorcer les réactions catalytiques qui se poursuivent ensuite dans le monolithe de traitement 8 de façon plus rapide, ce qui augmente encore l'efficacité des catalyseurs 8 et 9.
  • Enfin, il est possible de prévoir un montage amovible du monolithe diffuseur 7 dans le corps 2, un tel montage autorisant alors un remplacement facile de ce dernier. En effet la face amont des monolithes s'obstrue au cours du temps par des particules solides issues de l'usure du moteur ou des combustions. Dans le dispositif suivant l'invention ces particules sont piégées par le monolithe diffuseur 7 et n'affectent donc pas le monolithe de traitement 8. Il est ainsi possible de conserver une grande efficacité du dispositif d'échappement pour un coût d'entretien modique puisque seul un élément catalytique de taille modeste est à remplacer.
  • Les dimensions du monolithe 7 et de la cavité 10 sont ajustées à chaque ligne d'échappement par des séries de mesures aux bancs d'essais pour qu'en fonctionnant des débits de gaz circulant à travers le dispositif d'échappement, ils présentent la meilleure diffusion possible.
  • Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.
  • Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit.
  • Ainsi le dispositif d'échappement suivant l'invention concerne aussi bien les monolithes céramiques que les monolithes métalliques.
  • Ainsi le dispositif d'échappement suivant l'invention peut ne comporter qu'un monolithe diffuseur 7 et un monolithe de traitement, ce dernier jouant alors le rôle des deux monolithes de traitement 8 et 9 précédemment décrits.
  • De même, on peut prévoir l'utilisation d'une pluralité de monolithes diffuseurs distincts 7 disposés en amont du ou des monolithes de traitement.8 et 9.

Claims (6)

  1. [1] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne pour épurer les gaz d'échappement comportant une enveloppe destinée à être raccordée à la ligne d'échappement du moteur et présentant un corps cylindrique (2), des extrémités d'entrée (3) et de sortie (4) tronconiques respectivement divergente et convergente, ladite enveloppe contenant au moins un monolithe pour le traitement des gaz (8,9) comportant de multiples canaux disposés axialement et revêtus de substances catalytiques, caractérisé en ce que des moyens diffuseurs (7,10) sont disposés en amont du monolithe de traitement (8,9) dans le sens de l'écoulement des gaz pour assurer la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du monolithe (8,9), lesdits moyens diffuseurs étant constitués par au moins un monolithe (7) de dimension axiale réduite par rapport à la dimension axiale du monolithe de traitement (8,9) et par une cavité libre adjacente (10) s'étendant entre ce dernier et le monolithe de traitement (8,9).
  2. [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur axiale du monolithe diffuseur (7) est inférieure au 1/4 de la longueur axiale totale des monolithes (7,8,9) présents dans ladite enveloppe.
  3. [3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit monolithe de traitement (8,9) est logé à l'intérieur du corps cylindrique (2) et en ce que lesdits moyens diffuseurs (7,10) sont également disposés à l'intérieur du corps cylindrique (2).
  4. [4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux monolithes de traitement (8 et 9) sont disposés en aval desdits moyens diffuseurs (7,10).
  5. [5] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la dimension axiale du monolithe (7) est comprise entre 10 et 50 mm.
  6. [6] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le monolithe diffuseur (7) est revêtu de substances catalytiques et participe au traitement des gaz.
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ES2108841T3 (es) 1998-01-01
DE69315034T2 (de) 1998-04-23
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FR2695431B1 (fr) 1994-10-14

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