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"STRUCTURE EN NID D'ABEILLE ET SON PROCEDE DE
PRODUCTION"
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 utilisée comme support de catalyseur, dans un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'à un procédé de production de ladite structure.
2. Description de la technique connexe
On a utilisé jusqu'à présent, en tant que support de catalyseur pour des dispositifs d'épuration des gaz d'échappement, une structure en nid d'abeille dans laquelle des parois d'alvéole constituées de cordiérite sont agencées en forme de nids d'abeille. Une fonction d'épuration des gaz d'échappement est réalisée par le chargement d'un catalyseur d'épuration des gaz d'échappement sur les surfaces des parois d'alvéole de ladite structure en nid d'abeille.
La structure en nid d'abeille ci-dessus relevant de la technique antérieure présentait toutefois des problèmes tels que ceux indiqués ci-après.
En effet, et vu le resserrement des contrôles des gaz d'échappement depuis ces dernières années, des études ont été menées en vue de déplacer le site de montage du support de catalyseur et de le rapprocher du moteur vis-à-vis des exécutions précédentes, ceci dans le but d'accélérer l'activation du catalyseur du dispositif d'épuration
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des gaz d'échappement. Le but est d'activer plus rapidement le catalyseur en élevant la température des gaz d'échappement, qui entrent en contact avec le catalyseur à une température supérieure à celle des dispositifs antérieurs (augmentation de 50 à 1000C vis-à-vis des techniques antérieures).
Si cette élévation de la température des gaz d'échappement accélère l'activation du catalyseur, elle augmente par ailleurs également la prédisposition à la séparation de la couche de catalyseur du support du catalyseur. En outre, s'il se produit une séparation de la couche de catalyseur, ceci affecte grandement la longévité du dispositif d'épuration des gaz d'échappement. Il fallait donc mettre au point une structure en nid d'abeille capable de supprimer la séparation de la couche de catalyseur, même aux températures élevées.
Eu égard aux problèmes décrits ci-avant rencontrés dans la technique antérieure, l'invention procure une structure en nid d'abeille capable de supprimer nettement mieux que les dispositifs antérieurs la séparation de la couche de catalyseur déposée, ainsi que son procédé de production.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention consiste en une structure en nid d'abeille réalisée par des parois de séparation (c'est-à-dire des parois d'alvéole) agencées en forme de nids d'abeille et comportant, en tant que principal constituant, de la cordiérite d'une composition chimique contenant 45 à 55% en poids de Si02, 33 à 42% en poids de AtOg et 12 à 18% en poids de MgO ; et dans laquelle cinquante pores ou plus (nombre/1,65 mm2) présentant un diamètre de 1 à 20 um sont ménagés dans les surfaces desdites parois de séparation (ou parois d'alvéole).
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BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Fig. 1 est une micrographie SEM (microscope électronique à balayage de surface) (x 400) qui montre la structure d'une surface d'alvéole d'un échantillon E1 de l'exemple 1.
La Fig. 2 est une micrographie SEM (x 400) qui montre la structure d'une surface d'alvéole d'un échantillon E2 de l'exemple 1.
La Fig. 3 est une micrographie SEM (x 400) qui montre la structure d'une surface d'alvéole d'un échantillon C3 de l'exemple 1.
La Fig. 4 est un graphique qui illustre l'état de la distribution du diamètre porique dans une surface d'alvéole de l'exemple 1.
La Fig. 5 est un graphique qui illustre les résultats d'un test d'évaluation d'adhérence dans l'exemple 1.
La Fig. 6 est une vue en perspective montrant l'aspect d'une structure en nid d'abeille.
La Fig. 7 est une vue en plan agrandie d'une section M de la Fig. 6.
DESCRIPTION DES REALISATIONS PREFERENTIELLES
Le point le plus remarquable de l'invention est la présence de 50 pores ou plus (nombre/1,65 mm2) d'un diamètre moyen de 1 à 20 um dans les surfaces des parois d'alvéole susmentionnées.
Si le diamètre moyen des pores des parois d'alvéole susmentionnées est inférieur à 1 um, il devient difficile aux particules qui composent la couche de catalyseur de pénétrer dans les pores, d'où le problème d'incapacité de former l'ancrage décrit plus loin. D'autre part, si le diamètre moyen des pores excède 20 um, l'ancrage formé est trop grand, ce qui aboutit au problème de médiocres caractéristiques de dilatation thermique des parois. Ici, le diamètre moyen des pores susmentionnés désigne la valeur moyenne du diamètre porique maximum et du diamètre porique minimum par pore. Par exemple, dans le cas où chaque pore présente une forme ovale, la valeur moyenne du
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diamètre maximum et du diamètre minimum est considérée comme le diamètre porique moyen.
En outre, si le nombre des pores susmentionnés dans les surfaces de parois d'alvéole susmentionnées est inférieure à 50 (nombre/1,65 mm2), on se heure au problème de l'impossibilité d'obtenir l'effet d'ancrage décrit plus loin. D'autre part, il est préférable que la limite supérieure des pores susmentionnés (nombre 1,65 mm2) soit de 1000, compte tenu de la nécessité de maintenir la résistance des surfaces d'alvéole.
Comme décrit ci-avant, la structure en nid d'abeille selon l'invention procure uniquement le nombre spécifique susmentionné de pores présentant le diamètre porique spécifique susmentionné dans les surfaces d'alvéole. En conséquence, la séparation d'une couche de catalyseur déposée sur les surfaces d'alvéole de la structure en nid d'abeille peut être supprimée dans une mesure nettement supérieure à celle des réalisations antérieures.
En effet, dans le cas du dépôt d'un catalyseur sur les surfaces des parois d'alvéole susmentionnées, en même temps qu'une couche de catalyseur se forme sur les surfaces d'alvéole, une partie de la couche de catalyseur pénètre dans les pores susmentionnés et y forme un ancrage saillant. Cet ancrage exerce un effet dit "d'ancrage", qui empêche la couche de catalyseur de se séparer des parois.
Dans l'invention, cet ancrage est formé en fonction du diamètre porique et du nombre des pores susmentionnés, et est plus petit et en plus grand nombre que dans les réalisations antérieures. En conséquence, ledit ancrage est à même d'améliorer les effets d'ancrage dans une plus large mesure que dans la technique antérieure, sans préjudice de la durabilité de la structure en nid d'abeille. Même en cas de grande différence de dilatation thermique entre la couche de catalyseur susmentionnée et les parois d'alvéole susmentionnées, en
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particulier aux températures élevées, l'adhérence entre la couche de catalyseur et les parois d'alvéole peut être maintenue par les ancrages nombreux et de faible diamètre.
Dès lors, et selon l'invention, il est possible de réaliser une structure en nid d'abeille capable de réduire la séparation d'un dépôt de catalyseur dans une mesure nettement supérieure à celle des techniques antérieures.
Ensuite, et dans le cadre du procédé de production de l'excellente structure en nid d'abeille susmentionnée, et outre par exemple l'addition de talc à une matière première de cordiérite, le diamètre particulaire moyen est réduit. Plus spécifiquement, il est préférable que le diamètre particulaire moyen (ou la granulométrie) du talc soit au maximum de 7 ! -lm. 1\ en résulte que le nombre des pores susmentionnés de grandeur spécifique et formés dans les parois d'alvéole peut être plus grand.
Un procédé différent est explicité ci-après.
Dans ce procédé, après l'addition de liant et d'eau à la matière première de cordiérite et après malaxage, le mélange est extrudé, séché et cuit pour produire une structure en nid d'abeille dans laquelle les parois sont agencées en forme de nids d'abeille et ont pour principal constituant de la cordiérite d'une composition chimique contenant 45 à 55% en poids de Si02, 33 à 42% en poids de Al203 et 12 à 18% en poids de MgO, où ladite matière première de cordiérite contient de 5 à 15 parties en poids de particules combustibles d'une granulométrie de 1 à 5 um.
Le point le plus remarquable du procédé de production est le fait que la matière première de cordiérite susmentionnée ne contient que ladite quantité desdites particules combustibles présentant ladite granulométrie spécifique.
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Si la granulométrie desdites particules combustibles est inférieure à 1 pm, le problème est que le matériau de revêtement est incapable de pénétrer dans les pores des parois d'alvéoles. D'autre part, si le calibre des particules est supérieur à 5 um, le matériau de revêtement pénètre dans lesdits pores en masse compacte, et le problème est, au contraire, que la séparation de la couche de catalyseur est facilitée.
En outre, si la quantité desdites particules combustibles ajoutées à la matière première de cordiérite est inférieure à 5 parties en poids, on se heurte au problème d'un nombre insuffisant de pores dans les surfaces d'alvéole. Par ailleurs, si la quantité ajoutée excède 5 parties en poids, le problème est inversement que le nombre desdits pores est excessif.
Dans le procédé de production selon l'invention, on utilise une matière première de cordiérite dans laquelle lesdites particules combustibles présentent la granulométrie spécifique susmentionnée et sont ajoutées dans la quantité spécifique susmentionnée. En conséquence, les particules combustibles sont brûlées durant la cuisson qui suit le malaxage, le moulage et le séchage, en même temps que sont formés les pores, lesquels pores sont aisément contrôlés quant à leur diamètre et leur quantité. En effet, les pores obtenus dans les surfaces des parois d'alvéole peuvent être ajustés dans une plage de diamètre porique moyen de 1 à 20 um et une quantité de 50 ou plus (nombre/1,65 mm2).
En conséquence, le procédé de production selon l'invention permet d'obtenir aisément l'excellente structure en nid d'abeille susmentionnée.
On peut en outre utiliser, en tant que particules combustibles, de la sciure, des miettes de pain, des agents moussants et diverses autres substances combustibles. Des particules de carbone
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sont particulièrement préférentielles. Il en résulte que l'on peut obtenir relativement aisément des particules combustibles de la granulométrie spécifique susmentionnée, ce qui permet ainsi de réduire les coûts de production.
Si les pages qui suivent donnent une description d'exemples de l'invention, ces exemples ne doivent pas être interprétés comme étant limitatifs de l'invention de quelque manière que ce soit.
EXEMPLE 1. -
Ce qui suit explicite une structure en nid d'abeille et son procédé de production comme revendiqué dans le premier exemple de l'invention avec référence aux Fig. 1 à 7.
Comme le montrent les Fig. 6 et 7, la structure en nid d'abeille de l'exemple considéré est une structure en nid d'abeille dans laquelle de nombreuses alvéoles 99 sont agencées en forme de nid d'abeille par la disposition de parois 90 comportant, en tant que principal constituant, de la cordiérite d'une composition chimique contenant 45 à 55% en poids de Si02, 33 à 42% en poids de Art203 et 12 à 18% en poids de MgO. Cinquante pores ou plus (nombre/1,65 mm2) d'un diamètre moyen de 1 à 20 um sont réalisés dans les surfaces des parois 90.
Outre la fabrication de deux types de structures en nid d'abeille selon les exemples de l'invention et présentant la constitution susmentionnée (spécimens E1 et E2), on a fabriqué un type de structure en nid d'abeille conventionnel (spécimen C3) et on a évalué les excellentes caractéristiques de l'invention.
Tout d'abord, dans la production du spécimen E1 comme exemple de l'invention, chaque matière première de cordiérite a été préparée comme indiqué aux Tableaux 1 et 2. Comme le montrent ces tableaux, outre la matière première de cordiérite contenant du kaolin, de l'hydroxyde d'aluminium, de l'alumine et du talc dans les quantités indiquées au Tableau 1, la structure en nid d'abeille du spécimen E1 est
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produite avec addition de 15 parties en poids de particules combustibles sous la forme de particules de carbone d'une granulométrie moyenne de 1 um. En outre, la granulométrie moyenne du talc est réduite à 7 um.
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Tableau 1
EMI9.1
<tb>
<tb> Matériaux <SEP> de <SEP> départ <SEP> Spécimen <SEP> E1 <SEP> (invention) <SEP> Spécimen <SEP> E2 <SEP> (invention) <SEP> Spécimen <SEP> C3
<tb> (conventionnel)
<tb> Granulométrie <SEP> Teneur <SEP> Granulométrie <SEP> Teneur <SEP> Granulo <SEP> Teneur
<tb> moyenne <SEP> (um) <SEP> (parties <SEP> en <SEP> moyenne <SEP> (parties <SEP> en <SEP> métrie <SEP> (parties
<tb> poids) <SEP> poids) <SEP> moyenne <SEP> en <SEP> poids)
<tb> Mat. <SEP> prem. <SEP> Kaolin <SEP> 3-8 <SEP> 45 <SEP> 3-8 <SEP> 45 <SEP> 3-8 <SEP> 45
<tb> cordiérite
<tb> Alumine <SEP> 3 <SEP> 20 <SEP> 3 <SEP> 20 <SEP> 3 <SEP> 20
<tb> Talc <SEP> 7 <SEP> 35 <SEP> 7 <SEP> 35 <SEP> 15 <SEP> 35
<tb> Partic.
<SEP> carbone <SEP> 15 <SEP> 0
<tb> Liant <SEP> Méthylcellulose <SEP> - <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 5
<tb> Lubrifiant
<tb> Glycérine <SEP> - <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 3
<tb> Eau <SEP> - <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 25
<tb>
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Tableau 2
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<tb>
<tb> Matériaux <SEP> Composition <SEP> (% <SEP> en <SEP> poids)
<tb> de <SEP> départ <SEP> Si02 <SEP> MgO <SEP> Ab03 <SEP> AI <SEP> (OH) <SEP> Fe203 <SEP> CaO+Na20+K2O
<tb> kaolin <SEP> 45, <SEP> 20 <SEP> 0,07 <SEP> 38, <SEP> 20078050
<tb> alumine <SEP> 0, <SEP> 01-99, <SEP> 50-0, <SEP> 01 <SEP> 0,23
<tb> talc <SEP> 62, <SEP> 75 <SEP> 31, <SEP> 44 <SEP> 0, <SEP> 090, <SEP> 11038
<tb>
Après mélange d'un liant sous forme de méthylcellulose, d'un lubrifiant sous la forme de glycérine, et d'eau dans les quantités prescrites (Tableau 1)
dans la matière première de cordiérite susmentionnée, le mélange a extrudé en forme de nid d'abeille au moyen d'une matrice pour formage de nid d'abeille. Ensuite, et après séchage du matériau intermédiaire extrudé en forme de nid d'abeille, celui-ci a été coupé à un format prédéterminé et cuit.
La cuisson a été effectuée par élévation de la température jusqu'à 1400 C à raison de 1 C par minute, maintien de cette température pendant 1 heure, puis refroidissement progressif jusqu'à température ambiante. Au terme de la cuisson, la structure en nid d'abeille est terminée. Elle est désignée comme spécimen E1.
Ensuite, dans la production du spécimen E2 comme autre exemple de l'invention, à l'exception de l'absence d'addition de particules de carbone comme indiqué au Tableau 1, on a utilisé une matière première de cordiérite d'une composition similaire à celle de l'exemple 1. Donc, le cas est identique à celui de l'exemple 1 mais avec réduction à 7 pm de la granulométrie moyenne du talc. Les autres conditions étaient les mêmes que pour le spécimen E 1.
Ensuite, dans la production du spécimen C3 en tant qu'exemple conventionnel, et à l'exception de l'absence d'addition de particules de carbone mais en utilisant du talc d'une granulométrie moyenne de 15 um comme indiqué au Tableau 1, on a utilisé une
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matière première de cordiérite de la même composition que dans l'exemple 1. Les autres conditions étaient les mêmes que dans le cas du spécimen E 1. On a ensuite mesuré par SEM la distribution porique dans les surfaces d'alvéole des spécimens E1, E2 et C3 obtenus. Les micrographies SEM (agrandissement x 400) sont reproduites aux Fig. 1 à 3. La Fig. 1 est une micrographie des parois d'alvéole du spécimen E12, la Fig. 2 est celle des parois d'alvéole du spécimen E2, et la Fig. 3 est celle des parois d'alvéole du spécimen C3.
Sur base de ces micrographies, on peut voir que les pores s'élargissent dans l'ordre de E1, E2 et C3, alors que le nombre de petits pores diminue.
En outre, et pour opérer une évaluation plus quantitative, on a mesuré en détail la distribution du diamètre porique moyen et le nombre de pores. Plus spécifiquement, des micrographies SEM (x 400) ont été prises en trois endroits des surfaces d'alvéole, et l'on a mesuré le diamètre et le nombre des pores présents sur ces trois micrographies SEM. Ici, la superficie couverte par les trois micrographies SEM est de 1,65 mm2.
Les résultats de mesure sont reproduits au tableau 3 et à la Fig. 4, où les plages de diamètre porique sont indiquées sur l'axe horizontal et la fréquence sur l'axe vertical.
Comme le montrent le Tableau 3 et la Fig. 4, le spécimen E1 présentait un pic pour la plage de distribution de diamètre porique de
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1-2 um, et le diamètre porique moyen était de 5, 5 mm. En outre, le nombre de pores présentant un diamètre porique moyen de 1-20 um était de 307 (nombre/1,65 mm2).
Le spécimen E2 présentait un pic pour la plage de diamètre
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porique de 10-20 um et le diamètre porique moyen était de 12, 5 pm. En outre, le nombre de pores présentant un diamètre porique moyen de 1- 20 um était de 92 (nombre/1,65 mm2).
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Par ailleurs, le spécimen C3 présentait un pic pour la plage de diamètre porique de 10-20 um et le diamètre porique moyen était de 23,0 um. En outre, le nombre de pores présentant un diamètre porique moyen de 1-20 um était de 35 seulement (nombre/1,65 mm2).
Tableau 3
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<tb>
<tb> Plage <SEP> de <SEP> calibre <SEP> porique <SEP> () <SEP> jm) <SEP> Spécimen <SEP> n
<tb> E1 <SEP> E2 <SEP> C3
<tb> 1-2 <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 2-5 <SEP> 75 <SEP> 12 <SEP> 5
<tb> 5-10 <SEP> 27 <SEP> 30 <SEP> 14
<tb> 10-20 <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 16
<tb> 20-50 <SEP> 13 <SEP> 15 <SEP> 15
<tb> 50-100 <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 7
<tb> 100 <SEP> ou <SEP> plus <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> Total <SEP> pour <SEP> 1-20 <SEP> 307 <SEP> 92 <SEP> 35
<tb> Nbre <SEP> total <SEP> de <SEP> pores <SEP> 323 <SEP> 112 <SEP> 57
<tb> Diamètre <SEP> porique <SEP> moyen <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP> 23,0
<tb>
En outre, un catalyseur (numéro de renvoi 8 sur les Fig.
6 et 7) a été chargé sur les surfaces d'alvéole des spécimens E1, E2 et C3 susmentionnés, et l'on a procédé à un test afin d'évaluer la séparation de cette couche de catalyseur. Le catalyseur chargé était de la yalumine. Plus spécifiquement, l'alumine a été formée en une boue et imprégnée dans le nid d'abeille, puis l'ensemble a été cuit à 7000C de manière à charger le catalyseur sur les parois de chaque spécimen à une épaisseur de 20 um.
Ensuite, le test a été effectué par l'installation de chaque spécimen sur le circuit d'échappement d'un moteur à essence d'une cylindrée de 2000 cc, et en faisant passer les gaz d'échappement à une température de 800 C dans le circuit d'échappement pendant 200 heures. Chaque spécimen a alors été soumis à des vibrations ultrasoniques afin de promouvoir la séparation de la couche de catalyseur au terme de l'essai.
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Le degré de séparation a été évalué selon la valeur de : (poids initial de chaque spécimen (g) /poids après l'essai (g) x 100 (%).
Les résultats de l'évaluation sont reproduits à la Fig. 5. Sur ce graphique, le type de spécimen est représenté sur l'axe horizontal et la quantité de séparation (%) est représentée sur l'axe vertical.
Comme le montre le graphique, si la quantité de séparation atteignait 5% pour le spécimen conventionnel C3, les quantités de séparation des spécimens E1 et E2 selon l'invention étaient toutes deux inférieures à 2%, ce qui indique des résultats extrêmement satisfaisants.
Sur base de ces résultats, la réalisation de 50 ou plus de 50 pores (nombre/1,65 mm2) présentant un diamètre porique moyen de 1 à 20 um dans les surfaces d'alvéole est à même de supprimer de manière significative la séparation d'une couche de catalyseur déposée sur une structure en nid d'abeille.