FR2777040A1 - Structure catalytiquement active - Google Patents

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Abstract

Structure destinée à la réduction de composés nocifs de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant une couche de tôle (2) comportant une surface (6) catalytiquement active. La surface (6) de la couche de tôle (2) étant revêtue, au moins partiellement, d'une couche d'oxyde métallique (7) catalytiquement actif, notamment d'oxyde de titane.

Description

I L'invention concerne une structure catalytiquement active pouvant être
traversée par des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment une structure alvéolaire constituée d'au moins une couche de tôle comportant une surface catalytiquement active. Des structures, notamment des structures alvéolaires comportant une surface catalytiquement active, sont utilisées pour réduire des composés nocifs, tels que par exemple des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone et des oxydes d'azote. La structure peut être constituée d'un corps alvéolaire monolithique en céramique. Des structures constituées de couches de tôles15 enroulées et/ou empilées sont également connues. Les structures métalliques sont revêtues d'une mince couche
d'oxyde d'aluminium (washcoat). L'oxyde d'aluminium agrandit la surface de la structure. Un matériau catalytiquement actif est réparti sur la couche d'oxyde20 d'aluminium. Le matériau contient du platine, du rhodium et du palladium.
Un contrôle précis du mélange carburant-air dans les gaz d'échappement est nécessaire pour obtenir un fonctionnement optimal du catalyseur de gaz25 d'échappement. A cet effet, une sonde lambda est disposée dans un tronçon de gaz d'échappement en amont du catalyseur de gaz d'échappement, vu dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. La sonde lambda est reliée à une commande du moteur à combustion interne par30 laquelle peut être commandée une formation de mélange du moteur à combustion interne. De tels systèmes destinés à
une réduction des composés nocifs de gaz d'échappement sont également connus sous la forme de ce que l'on appelle des catalyseurs à trois voies pour véhicules35 automobiles.
Nonnenmann rapporte dans son article "Supports métalliques de catalyseurs de gaz d'échappement dans des véhicules automobiles", revue MTZ de la technique des moteurs, 45ème année, n 12/1984, qu'il existait5 également des catalyseurs métalliques qui étaient fabriqués en tôles métalliques catalytiquement actives, par exemple en Monel, qui ne se sont cependant pas imposés. Dans le domaine de moteurs de faible puissance, tels que par exemple de tondeuses à gazon, de tronçonneuses à chaîne, de cyclomoteurs ou analogues, on s'efforce également de réduire des composés de gaz d'échappement de tels moteurs à combustion interne au moyen de structures catalytiquement actives. De tels moteurs à combustion15 interne ne comportent cependant ni commande de moteur ni sonde lambda dans le tronçon des gaz d'échappement, ce
qui ne permet pas de commander la formation du mélange dans le but d'une formation aussi faible que possible de substances nocives.20 Les moteurs de faible puissance fonctionnent avec un mélange gras, à savoir avec un excédent en combustible.
Le problème de tels moteurs à combustion interne réside dans le fait qu'une grande quantité d'hydrocarbures imbrûlés arrive dans une structure catalytiquement25 active, et est brûlée dans cette dernière. Cela engendre un risque de formation d'un dit "hot spot", qui peut conduire à une destruction de la surface catalytiquement active. En utilisant une structure catalytiquement active comportant un washcoat, il existe notamment un risque de30 vitrification du washcoat, de sorte que la structure catalytiquement active ne peut atteindre qu'une faible durée de vie. En partant de cela, l'objectif de la présente invention consiste à proposer une structure catalytiquement active qui est également appropriée pour 3 un moteur à combustion interne ne comportant pas de commande pour la formation du mélange. Cet objectif est atteint selon l'invention par une structure catalytiquement active, notamment une structure alvéolaire, pouvant être traversée par des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, constituée d'au moins une couche de tôle, la couche de tôle comportant une surface catalytiquement active, caractérisée en ce que la surface de la couche de tôle10 est revêtue, au moins partiellement, d'une couche d'oxyde métallique catalytiquement actif. D'autres particularités
et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. La structure selon l'invention, qui est de
préférence réalisée avec une forme alvéolaire, est constituée d'au moins une couche de tôle comportant au moins une surface catalytiquement active. La surface de la couche de tôle est revêtue, au moins partiellement, d'une couche d'oxyde métallique catalytiquement actif.20 L'activité spécifique de la couche d'oxyde métallique est en l'occurrence plus faible que l'activité spécifique des métaux catalytiquement actifs, qui sont choisis dans le groupe des métaux précieux utilisés pour des catalyseurs à trois voies. Une telle structure catalytiquement active est en particulier appropriée pour des moteurs à combustion interne qui ne comportent pas de commande pour
la formation du mélange, car une partie seulement de l'excédent en combustible est convertie à la surface de la couche d'oxyde métallique, ce qui permet par30 conséquent d'éviter une formation de dits "hot spots".
La couche d'oxyde métallique est appliquée directement sur la couche de tôle, ce qui permet de
renoncer à l'application d'une couche de support sous la forme d'un "washcoat", et simplifie la fabrication d'une35 telle structure.
Selon un perfectionnement avantageux de la structure selon l'invention, on propose que le métal de la couche d'oxyde métallique soit un composé du matériau de la couche de tôle. Cet agencement offre l'avantage que le5 métal de la couche d'oxyde métallique est intégré dans le matériau de la couche de tôle, ce qui assure par
conséquent une adhérence élevée de la couche d'oxyde métallique sur la couche de tôle. La réalisation de la couche d'oxyde métallique peut être effectuée par un10 traitement thermique en atmosphère oxydante de la couche de tôle.
Dans le cadre d'une autre réalisation avantageuse de la structure, on propose que la couche d'oxyde métallique soit formée par oxydation d'une couche métallique15 appliquée sur la couche de tôle. La couche métallique peut par exemple être appliquée sur la couche de tôle au moyen d'un plaquage par laminage. La couche métallique peut être appliquée sur la couche de tôle par immersion du matériau de base dans un métal liquide. En variante,20 la couche métallique peut être appliquée par pulvérisation sur la couche de tôle. Le métal constituant la couche métallique peut en l'occurrence être pulvérisé à l'état liquide ou pulvérulent. En fonction du métal constituant la couche métallique, la couche métallique
peut également être formée par dépôt électrolytique.
Il n'est pas impérativement nécessaire que la couche métallique soit appliquée sur toute la surface de la
couche de tôle. La couche métallique peut également être appliquée par zones sur la couche de tôle. La couche30 d'oxyde métallique est formée par oxydation de la couche métallique appliquée sur la couche de tôle.
La couche d'oxyde métallique peut également être appliquée directement sur la couche de tôle, de sorte qu'une activité catalytique de la couche de tôle existe35 déjà après l'application de la couche d'oxyde métallique sur la couche de tôle. Selon un autre agencement avantageux de la structure, on propose que le métal de la couche d'oxyde métallique ait un potentiel d'oxydation plus élevé que5 des composés du matériau de la couche de tôle. On obtient de ce fait qu'en premier lieu une couche d'oxyde
métallique catalytiquement active est formée. Le métal ne forme de préférence pas de couche de passivation stable aux températures régnant pendant l'utilisation de la10 structure catalytique.
Selon un autre agencement avantageux de la structure, on propose que le métal de l'oxyde métallique ou l'oxyde métallique ait au plus une faible aptitude à se diffuser dans la couche de tôle. On évite de ce fait15 que le métal ou l'oxyde métallique se diffuse dans la couche de tôle avant la formation de l'oxyde métallique,
et ne constitue pas de couche d'oxyde métallique catalytiquement active sur la couche de tôle. La faible diffusion doit en particulier également être assurée à20 des températures plus élevées.
Afin d'éviter que l'efficacité de la couche d'oxyde métallique catalytique ne soit non plus pas influencée négativement, ou à un faible degré seulement, par la diffusion de composés du matériau de la couche de tôle25 dans la couche d'oxyde métallique, on propose que la structure soit réalisée de telle sorte que la diffusion de chacun des composés du matériau de la couche de tôle dans le métal de la couche d'oxyde métallique ou dans la couche d'oxyde métallique soit extrêmement faible. On30 évite de ce fait un enrichissement de la couche d'oxyde métallique avec des composés du matériau de la couche de tôle. Par un agencement avantageux de la structure selon l'invention, on propose que l'oxyde métallique soit un oxyde d'un métal de la quatrième période. L'oxyde
6 métallique est notamment un oxyde d'un métal transitoire.
L'oxyde métallique est de préférence un oxyde d'un métal choisi dans le groupe du Ti, V, Zn, Fe, Cr, Mn, Ni, Cu, Co. On propose de préférence que l'oxyde métallique soit5 un oxyde de titane qui présente une activité catalytique relativement élevée par rapport aux autres oxydes du groupe des métaux proposé. La couche de tôle en tant que telle est de préférence constituée d'un matériau contenant du titane en tant que composé d'alliage. Le10 matériau de la couche de tôle peut en outre contenir du fer, du chrome et du nickel en tant que composés d'alliage. L'oxyde métallique est de préférence constitué d'un oxyde de zinc qui est appliqué sur un matériau de base résistant à la corrosion. L'activité catalytique d'oxyde de zinc est relativement élevée lors de réactions d'oxydation. Elle est plus élevée que celle de l'oxyde de fer ou de l'oxyde de chrome. La couche de zinc en tant que couche métallique peut être appliquée par immersion20 de la couche de tôle dans une couche de zinc liquide, ou par pulvérisation de zinc (à l'état liquide ou pulvérulent), ou également par dépôt électrolytique d'une solution de zinc et de sel. D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins
annexés, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'une structure 1, la figure 2 est une représentation schématique d'une couche de tôle avec une couche d'oxyde métallique, la figure 3 représente un premier exemple de réalisation d'un dispositif destiné à réaliser une couche de tôle avec une couche d'oxyde métallique, la figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif destiné à réaliser une couche de tôle avec une couche d'oxyde métallique, et la figure 5 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif destiné à réaliser une couche de tôle avec une
couche d'oxyde métallique.
La figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de structure 1. La structure 1 est pour l'essentiel alvéolaire. Elle est constituée de couches de15 tôles ondulées 2 et de couches de tôles lisses 3. Les couches de tôles ondulées 2 et les couches de tôles lisses 3 sont empilées et enroulées en forme de S. Les couches de tôles ondulées 2, ainsi que les couches de tôles lisses 3, délimitent des canaux pouvant être20 traversés par des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Les couches de tôles ondulées 2 et les couches de tôles lisses 3 sont disposées dans un tube d'enveloppe 4. La structure 1, telle qu'elle est représentée à titre d'exemple à la figure 1, est réalisée de façon à être catalytiquement active. Lorsque des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne traversent la structure 1, une réduction et/ou une oxydation des composés des gaz d'échappement d'un moteur à combustion30 interne a lieu. La figure 2 est une représentation schématique à échelle agrandie d'une couche de tôle 2 qui
est constituée d'une feuille métallique. La couche de tôle 2 comporte une surface 6 catalytiquement active. La surface 6 catalytiquement active de la couche de tôle 235 est constituée d'une couche d'oxyde métallique 7.
g L'ensemble de la surface de la couche de tôle peut être revêtu d'une couche d'oxyde métallique 7. Aussi bien des couches de tôles ondulées 2 que des couches de tôles lisses 3 peuvent être revêtues d'une couche d'oxyde5 métallique. En ce qui concerne la couche d'oxyde métallique 7, il s'agit d'une couche d'oxyde qui est réalisée par l'oxydation d'un métal non précieux. Pour fabriquer une couche de tôle 2 avec une couche d'oxyde métallique 7, on propose selon la figure 3 de faire passer en continu une couche de tôle 2' non oxydée dans un dispositif d'oxydation 8. Le dispositif d'oxydation 8 comporte une chambre 12 dans laquelle règne une atmosphère appropriée pour la réalisation d'une couche d'oxyde métallique. Le dispositif d'oxydation 815 comporte en outre un dispositif de chauffage, non représenté, par l'intermédiaire duquel une température appropriée pour la formation de la couche d'oxyde métallique 7 est réglée dans la chambre 12. Dans le dispositif d'oxydation 8, la couche de tôle 2' est de20 préférence portée à une température d'au moins 350 OC et maintenue à la température d'oxydation pendant une durée prédéterminée. La température d'oxydation et la durée d'oxydation dépendent sensiblement du matériau de la couche de tôle 2' et de l'atmosphère oxydante dans la25 chambre 12. En fonction de la formation souhaitée de la couche d'oxyde métallique 7, différents paramètres
peuvent être réglés de telle sorte que la couche d'oxyde métallique 7 souhaitée soit formée sur la couche de tôle 2.
Dans le cas de la couche de tôle 2 selon la figure 3, la couche d'oxyde métallique 7 a été engendrée par l'oxydation d'un métal qui est un composé du matériau de la couche de tôle 2'. Le métal de la couche d'oxyde métallique a de préférence un potentiel d'oxydation plus35 élevé que d'autres composés du matériau de la couche de 9 tôle 2. L'oxydation de la couche de tôle 2' est de
préférence effectuée de telle sorte que la couche de tôle 2' ne soit pas entièrement appauvrie en métal constituant la couche d'oxyde métallique.
L'alliage métallique de la couche de tôle 2' devrait également être choisi de telle sorte que la diffusion dans la couche de tôle du métal de la couche d'oxyde métallique ou de l'oxyde métallique soit extrêmement faible. On est de ce fait certain qu'une couche d'oxyde10 métallique 7 est effectivement formée. Afin d'obtenir un effet aussi élevé que possible de la couche d'oxyde métallique 7, il est également avantageux que les autres composés du matériau de la couche de tôle 2' se diffusent à une vitesse extrêmement faible dans la couche d'oxyde métallique. Le processus d'oxydation se déroule de ce fait plus rapidement que le processus de diffusion d'un composé de matériau dans la couche d'oxyde métallique, ce qui empêche une formation d'oxyde mixte. En ce qui concerne la couche d'oxyde métallique, il s'agit de20 préférence d'une couche d'oxyde qui est constituée d'oxydes métalliques, notamment de TiO2, de V205, de ZnO, de Fe203, de Cr203, de MnO2, de NiO, de CuO et/ou de Co304. La formation d'une couche d'oxyde métallique en oxyde de titane est cependant préférée.25 Au lieu d'un processus d'oxydation continu de la couche de tôle 2', il est également possible d'effectuer
une oxydation discontinue d'au moins une couche de tôle 2'. Un processus de fabrication continu est cependant approprié pour des raisons économiques.
La figure 4 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif destiné à réaliser une couche de tôle 2 avec une couche d'oxyde métallique 7. Le dispositif comporte une unité de revêtement 9. Un métal 10, qui peut être une feuille35 métallique, est appliqué sur la couche de tôle 2 par l'unité de revêtement 9. Le métal 10 forme une couche métallique 11 sur la couche de tôle 2'. La couche de tôle 2' ainsi préparée est amenée vers un dispositif d'oxydation 8. Une oxydation de la couche métallique 11 a lieu dans le dispositif d'oxydation 8, qui comporte une chambre 12. La couche métallique 11 oxydée forme une couche d'oxyde métallique 7 dans l'esprit de l'invention. Une atmosphère oxydante règne dans la chambre 12. Le dispositif d'oxydation 8 comporte en outre des10 dispositifs de chauffage, non représentés, au moyen desquels la couche de tôle est chauffée avec la couche métallique 11. Outre l'oxydation de la couche métallique 11, une liaison a également lieu entre le métal ou les oxydes métalliques de la couche d'oxyde métallique 7 et
la couche de tôle 2.
Le métal 10 peut être appliqué par voie physique ou chimique sur la couche de tôle 2'. En fonction de la conduite du procédé de revêtement de la couche de tôle 2', il peut être renoncé à une oxydation supplémentaire dans un dispositif d'oxydation 8 particulier, dès lors que le métal 10 est appliqué dans une atmosphère oxydante sur la couche de tôle 2'. L'application du métal peut par exemple être effectuée par pulvérisation d'un métal liquide dans une atmosphère oxydante.25 La couche de tôle 2' peut être munie d'un métal dans des zones choisies par l'unité de revêtement 9. Il est également possible de réaliser une couche de tôle 2 avec une couche d'oxyde métallique 7, la couche d'oxyde
métallique 7 comportant différents oxydes métalliques ou30 des zones contenant différents oxydes métalliques.
La figure 5 est une représentation schématique d'un autre exemple d'une possibilité de réalisation d'une couche de tôle 2 avec une couche d'oxyde métallique 7. La couche de tôle 2 avec une couche d'oxyde métallique 7 est35 réalisée au moyen d'un plaquage par laminage d'une couche 1l de tôle 2' avec une feuille 13 d'oxyde métallique. La couche de tôle 2 ainsi réalisée avec une couche d'oxyde métallique 7 peut, le cas échéant, être soumise à d'autres phases de traitement, notamment à un traitement5 thermique, par lequel une liaison durable est réalisée entre la couche d'oxyde métallique 7 et la couche de tôle 2. La couche de tôle 2 ou 2' est de préférence constituée d'une feuille métallique d'une épaisseur de l'ordre de 8 m. La feuille métallique est notamment une feuille de titane avec des additifs de stabilisation en
fer, chrome et vanadium. Une telle feuille de titane présente une très bonne aptitude à la déformation, de sorte qu'elle peut notamment être utilisée pour la15 réalisation de couches de tôles structurées.
En variante, il est également possible de réaliser une couche de tôle avec une couche d'oxyde métallique par
le fait qu'une feuille métallique résistant à la corrosion, ne contenant pas d'aluminium, est galvanisée20 et oxydée dans une atmosphère oxydante.
Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que25 des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du
domaine de l'invention.
Liste des références numériques 1 Structure 2 Tôle ondulée 3 Tôle lisse 4 Tube d'enveloppe Canal 6 Surface 7 Couche d'oxyde métallique 8 Dispositif d'oxydation 9 Unité de revêtement Métal 11 Couche métallique 12 Chambre 13 Feuille d'oxyde métallique

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Structure (1) catalytiquement active, notamment structure alvéolaire, pouvant être traversée par des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, constituée d'au moins une couche de tôle (2, 3), la couche de tôle (2, 3) comportant une surface (6) catalytiquement active, caractérisée en ce que la surface (6) de la couche de tôle (2, 3) est revêtue, au moins
partiellement, d'une couche d'oxyde métallique (7) catalytiquement actif.
2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal de la couche d'oxyde
métallique (7) est un composé du matériau de la couche de15 tôle (2, 3).
3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche d'oxyde métallique (7) est formée par oxydation d'une couche métallique (10) appliquée sur une couche de tôle (2').20
4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un oxyde métallique (13) est appliqué sur la couche de tôle (2').
5. Structure selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que le métal de la couche d'oxyde
métallique (7) a un potentiel d'oxydation plus élevé que des composés du matériau de la couche de tôle (2').
6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par au moins une
faible diffusion du métal de l'oxyde métallique ou de30 l'oxyde métallique dans la couche de tôle (2'), ainsi que par au moins une faible diffusion de chaque composé du matériau de la couche de tôle (2') dans une couche métallique (11) ou dans la couche d'oxyde métallique (7) de la couche de tôle (2').35
7. Structure selon l'une quelconque des
14 revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'oxyde
métallique est un oxyde d'un métal de la quatrième période.
8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'oxyde métallique est un oxyde d'un métal choisi dans le groupe du Ti, V, Zn, Fe, Cr,
Mn, Ni, Cu, Co.
9. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la couche de
tôle (2, 3) est constituée d'un alliage métallique contenant au moins du Fe, du Cr et du Ni.
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