EP0592258B1 - Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne - Google Patents

Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne Download PDF

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EP0592258B1
EP0592258B1 EP19930402138 EP93402138A EP0592258B1 EP 0592258 B1 EP0592258 B1 EP 0592258B1 EP 19930402138 EP19930402138 EP 19930402138 EP 93402138 A EP93402138 A EP 93402138A EP 0592258 B1 EP0592258 B1 EP 0592258B1
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monolith
diffuser
treatment
internal combustion
exhaust device
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EP19930402138
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Renault SA
Original Assignee
Renault SA
Regie Nationale des Usines Renault
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—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
    • 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
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2892—Exhaust flow directors or the like, e.g. upstream of catalytic device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • 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 one or more gas treatment structures is formed, formed by a metallic ceramic reactor, also called a monolith, comprising a plurality of axial channels arranged in honeycomb and coated with catalytic substances, and an outlet end of frustoconical shape.
  • Document DE-A-2 428 964 describes an improved catalytic converter comprising a monolith of suitable shape (longer in the center than on the edges) to promote the distribution of the exhaust gases over the entire inlet section of the monolith.
  • this monolith is obtained by assembling a plurality of cylindrical monoliths of evolving axial and radial dimensions.
  • these solutions have the drawback of being difficult to produce and therefore of high cost.
  • the object of the present invention is therefore to provide a simple and economical system which overcomes the drawbacks of the prior art by ensuring excellent distribution of the exhaust gases over the entire cross section of the monoliths used for catalytic purification. exhaust gases.
  • This object is achieved according to the invention with an exhaust device according to claim 1.
  • two treatment monoliths are arranged downstream of the diffusing means.
  • the axial dimension of the diffuser 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 ends tapered inlet 3 and outlet 4 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 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 disposed at the inlet of the body 2, in the direction of 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 .
  • Monolith 8 is arranged behind monolith 7 at a distance 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 active catalytic 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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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.
  • Conformément au document US-A-4 072 471 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 oval, où est positionné une ou plusieurs structures de traitement des gaz formée par un réacteur métallique 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.
  • 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 qu'une partie seulement 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.
  • Le document DE-A-2 428 964 décrit un pot catalytique perfectionné comportant un monolithe de forme adaptée (plus long au centre que sur les bords) pour favoriser la répartition des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe. En variante réalisation ce monolithe est obtenu par l'assemblage d'une pluralité de monolithes cylindriques de dimensions axiale et radiale évolutives. Ces solutions présentent toutefois l'inconvénient d'être difficiles à réaliser et donc d'un coût élevé.
  • L'objet de la présente invention est donc de proposer un système simple et économique qui permet de remédier 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. Cet objet est atteint selon l'invention avec un dispositif d'échappement selon la revendication 1.
  • Selon une caractéristique préférentielle du dispositif d'échappement selon l'invention, deux monolithes de traitement sont disposés en aval des moyens diffuseurs.
  • Selon une autre caractéristique préférentielle du dispositif d'échappement selon l'invention, la dimension axiale du monolithe diffuseur est comprise entre 10 et 50 mm.
  • Selon une autre caractéristique préférentielle 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 disposé 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 ¼ 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.
  • Le dispositif d'échappement suivant l'invention concerne aussi bien les monolithes céramiques que les monolithes métalliques.
  • 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 (4)

  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 logé à l'intérieur du corps cylindrique (2) pour le traitement des gaz (8,9) comportant de multiples canaux disposés axialement et revêtus de substances catalytiques, des moyens diffuseurs (7,10) étant 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), caractérisé en ce que lesdits moyens diffuseurs sont constitués par au moins un monolithe diffuseur (7) logé à l'intérieur du corps cylindrique (2) à une distance prédéterminée du monolithe de traitement (8, 9), ledit monolithe diffuseur (7) ayant une dimension axiale inférieure au ¼ de la dimension axiale totale des monolithes (7,8,9) présents dans ladite enveloppe.
  2. Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux monolithes de traitement (8 et 9) sont disposés en aval desdits moyens diffuseurs (7,10).
  3. Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la dimension axiale du monolithe diffuseur (7) est comprise entre 10 et 50 mm.
  4. Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le monolithe diffuseur (7) est revêtu de substances catalytiques et participe au traitement des gaz.
EP19930402138 1992-09-04 1993-09-02 Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne Revoked EP0592258B1 (fr)

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EP0592258A1 (fr) 1994-04-13
FR2695431A1 (fr) 1994-03-11
ES2108841T3 (es) 1998-01-01
DE69315034T2 (de) 1998-04-23
FR2695431B1 (fr) 1994-10-14

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