FR3094751A1 - Dispositif de traitement des gaz d’échappement et procédé de fabrication correspondant - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif de traitement des gaz d’échappement d’un véhicule comportant un boîtier (1) qui s’étend selon un axe principal (A1), qui comporte une entrée (11, 11’) des gaz (3) et une sortie (12) des gaz (3) opposées axialement, et qui délimite une cavité (10) entre l’entrée et la sortie des gaz ; et un substrat (2) qui est logé dans la cavité (10), qui présente des propriétés catalytiques pour le traitement des gaz (3) traversant axialement le boîtier (1), et qui comporte une face amont (21) agencée en regard de l’entrée (11, 11’) du boîtier (1) et une face avale (22) agencée en regard de la sortie (12) du boîtier (1), la face amont (21) du substrat (2) étant concave et la face avale (22) du substrat (2) étant convexe. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Dispositif de traitement des gaz d’échappement et procédé de fabrication correspondant
L’invention concerne le domaine du traitement des gaz d’échappement par catalyse dans un véhicule à moteur thermique.
L’invention concerne en particulier un dispositif de traitement des gaz d’échappement et un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
Art antérieur
Les moteurs thermiques émettent des molécules nocives issues de leur fonctionnement à combustion. Afin de limiter le rejet dans l’atmosphère de telles molécules, un véhicule automobile à moteur thermique comporte une ligne d’échappement comprenant au moins un dispositif de traitement des gaz d’échappement par catalyse couramment appelé dispositif de dépollution catalytique ou catalyseur.
De manière connue en soi, un tel dispositif comporte un boîtier généralement métallique s’étendant selon un axe principal et délimitant une cavité entre une entrée et une sortie des gaz ; et un substrat logé dans la cavité et présentant des propriétés catalytiques pour le traitement des gaz traversant le boîtier.
Le substrat se présente classiquement sous forme d’un cylindre, par exemple en céramique ou en métal, comportant une pluralité de canaux s’étendant parallèlement à l’axe principal, le substrat étant imprégné de différents métaux précieux comme le platine, le palladium ou le rhodium.
Les gaz d’échappement issus du moteur traversent les canaux du substrat de sorte que des molécules nocives sont transformées par catalyse en molécules plus inoffensives pour l’environnement et la santé.
Ainsi, les catalyseurs peuvent traiter les molécules suivantes contenues dans les gaz d’échappement : les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote. Les moteurs à essence sont associés à des catalyseurs à trois voies permettant de traiter l’ensemble de ces molécules.
Les moteurs diesel sont plutôt associés à des catalyseurs à deux voies permettant de traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone.
Afin d’optimiser le traitement des gaz d’échappement et la dépollution, le substrat est conçu pour garantir d’une part le traitement de l’intégralité des gaz et d’autre part un traitement homogène des gaz.
Le traitement de l’intégralité des gaz est obtenu grâce à une surface de contact suffisante entre les surfaces actives du substrat et les gaz ainsi qu’un temps de séjour des gaz suffisant dans le substrat.
Le traitement homogène des gaz est obtenu grâce à une homogénéité du champ de vitesses des gaz circulant à travers le substrat. Ces deux exigences sont satisfaites notamment avec un substrat de forme cylindrique et de volume suffisant, le substrat comportant deux faces planes parallèles d’extrémité dont une face amont agencée en regard de l’entrée du boîtier et une face avale agencée en regard de la sortie du boîtier.
Cependant, les dispositifs de traitement des gaz d’échappement de l’art antérieur sont le siège d’importantes pertes de charge qui dégradent les performances du moteur. Ces pertes de charge sont imputables principalement à la présence du substrat dans le boîtier qui tend à s’opposer au passage des gaz de l’entrée vers la sortie.
Présentation de l'invention
L’invention vise à pallier les inconvénients précités. Un objectif de l’invention est ainsi de proposer un dispositif de traitement des gaz d’échappement présentant une perte de charge réduite par rapport à l’art antérieur tout en conservant des performances équivalentes de dépollution, c’est-à-dire une surface active de traitement, un temps de séjour et une homogénéité du champ de vitesses des gaz à travers le substrat qui soient sensiblement identiques à ceux de l’art antérieur.
Pour cela, un premier aspect de l’invention concerne un dispositif de traitement des gaz d’échappement d’un véhicule comportant :
un boîtier qui :
- s’étend selon un axe principal,
- comporte une entrée des gaz et une sortie des gaz opposées axialement, et
- délimite une cavité entre l’entrée et la sortie des gaz ; et
un substrat qui :
- est logé dans la cavité,
- présente des propriétés catalytiques pour le traitement des gaz traversant axialement le boîtier, et
- comporte une face amont agencée en regard de l’entrée du boîtier et une face aval agencée en regard de la sortie du boîtier,
la face amont du substrat étant concave et la face aval du substrat étant convexe.
Selon l’invention, la face amont du substrat peut être une calotte sphérique concave.
Selon l’invention, l’entrée du boîtier peut présenter une section d’entrée des gaz, et elle est reliée à la face amont par un tronçon du boîtier de section croissante ; et, la calotte sphérique formée par la face amont peut avoir un centre situé dans la section d’entrée des gaz.
Selon l’invention, la face aval du substrat peut être une calotte sphérique convexe.
Selon l’invention, la face amont et la face aval peuvent être des calottes sphériques de rayons égaux.
Selon l’invention, le substrat peut être un élément cylindrique présentant un axe central.
Selon l’invention, la calotte sphérique formée par la face amont peut avoir un centre situé sur l’axe central du substrat.
Selon l’invention, la calotte sphérique formée par la face aval peut avoir un centre situé sur l’axe central du substrat.
Selon l’invention, l’entrée du boîtier peut présenter une section qui s’étend dans un plan orthogonal à l’axe central du substrat.
Selon l’invention, l’entrée du boîtier peut présenter une section qui s’étend dans un plan qui forme un angle aigu par rapport à l’axe central du substrat.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif selon l’invention, le procédé comportant :
- une étape d’extrusion d’un tronçon de substrat ; et
- une étape d’usinage du tronçon de substrat extrudé pour former une face amont concave et une face avale convexe.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de deux modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 est une vue schématique en coupe par un plan axial d’un dispositif de traitement des gaz d’échappement selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et
la figure 2 est une vue schématique en coupe par un plan axial d’un dispositif de traitement des gaz d’échappement selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée
La figure 1 représente un dispositif de traitement des gaz 3 d’échappement d’un véhicule automobile à moteur thermique selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le dispositif 4 de traitement des gaz est un élément de la ligne d’échappement des gaz qui recueille les gaz 3 d’échappement provenant du moteur thermique.
Le dispositif 4 de traitement des gaz comporte un boîtier 1 et un substrat 2.
Le boîtier 1 est de forme tubulaire et s’étend selon un axe principal A1 définissant une direction longitudinale.
A une première extrémité, le boîtier 1 comporte une entrée 11 des gaz et, à une deuxième extrémité, il comporte une sortie 12 des gaz. Ainsi, l’entrée 11 et la sortie 12 sont opposées axialement.
Le boîtier comporte un tronçon central principal 100, situé entre la première extrémité et la deuxième extrémité. Le tronçon central principal 100 a une forme de cylindre creux.
L’entrée 11 se présente sous la forme d’un premier court tronçon tubulaire cylindrique 110 d’orientation axiale. Ce tronçon 110 se prolonge par un tronçon divergent 111 tronconique, de section croissante dans le sens prévu pour l’écoulement des gaz, d’orientation axiale qui est lui-même relié au tronçon central principal 100 du boîtier 1.
De manière analogue, la sortie 12 se présente sous la forme d’un deuxième court tronçon tubulaire cylindrique 120 d’orientation axiale. Ce tronçon 120 se prolonge par un tronçon convergent 122 tronconique, de section décroissante dans le sens prévu pour l’écoulement des gaz, d’orientation axiale qui est lui-même relié au tronçon central principal 100 du boîtier 1.
Le tronçon central 100 du boîtier 1 délimite une cavité interne 10 agencée axialement entre l’entrée 11 et la sortie 12 des gaz.
Le substrat 2 est un bloc ou monolithe creux qui peut être notamment en matière céramique ou métallique, comportant une pluralité de canaux non représentés qui s’étendent axialement entre ses faces d’extrémité amont et aval.
Le substrat 2 est logé dans la cavité 10. Le substrat 2 comporte une face amont 21 en regard de l’entrée 11 du boîtier 1 et une face aval 22 en regard de la sortie 12 du boîtier 1. Le substrat 2 s’étend longitudinalement entre la face amont 21 et la face aval 22 et comporte une surface externe reliant le pourtour de la face amont 21 au pourtour de la face aval 22. La surface externe du substrat épouse la surface interne du boîtier.
Dans l’exemple, le substrat 2 est un élément cylindrique. L’élément cylindrique présente une base de forme circulaire ou carrée.
La face amont 21 du substrat 2 est concave. La face amont 21 est en creux, c’est-à-dire arrondie vers l’intérieur du substrat 2.
La face aval 22 du substrat 2 est convexe. La face aval 22 est bombée, c’est-à-dire arrondie vers l’extérieur du substrat 2.
A titre d’exemple, la face amont concave 21 du substrat 2 est en forme de calotte sphérique. Cette calotte sphérique est une portion de sphère limitée par un plan coupant cette dernière selon une section extrémale d’entrée des gaz dans le substrat 2 au niveau de la face amont 21. La calotte sphérique formée par la face amont 21 a un centre C1 et un rayon R1.
Le rétrécissement formé par l’entrée 11 du boîtier est centré sur le centre C1 de la calotte sphérique formée par la face amont 21.
La face aval 22 du substrat 2 est également en forme de calotte sphérique. Cette calotte sphérique est une portion de sphère limitée par un plan coupant cette dernière selon une section extrémale de sortie des gaz du substrat 2 au niveau de la face aval 22. La calotte sphérique formée par la face aval 22 a un centre C2 et un rayon R2, le rayon étant la distance entre le centre C2 et la face aval 22. Le centre C2 de la face aval est positionné entre le centre C1 de la face amont 21 et la sortie 12 du boîtier 1.
La face amont 21 et la face aval 22 sont des calottes sphériques de rayons R1 et R2 égaux.
Le substrat 2 comporte une portion cylindrique 20 située entre la face amont 21 et la face aval 22 et présentant un axe central A2. La portion cylindrique 20 remplie un tronçon du cylindre creux formé par la partie intermédiaire du boîtier 1.
L’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat 2 est confondu avec l’axe principal A1 du boîtier 1.
Le centre C1 de la calotte sphérique formée par la face amont 21 est situé sur l’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat 2.
De manière analogue, le centre C2 de la calotte sphérique formée par la face aval 22 est situé sur l’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat 2.
Dans l’exemple de la figure 1, l’entrée 11 du boîtier 1 présente une section qui s’étend dans un plan P orthogonal à l’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat 2. Ceci favorise l’uniformité du champ de vitesses des gaz sur la face amont dans la mesure où le flux de gaz 3 à l’entrée 11 est centré par rapport à la face amont 21 plutôt qu’orienté vers un point en périphérie de la face amont 21.
La figure 2 représente un dispositif de traitement des gaz d’échappement d’un véhicule automobile selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Dans l’exemple de la figure 2, l’entrée 11’ du boîtier 1 présente une section qui s’étend dans un plan P’ qui forme un angle aigu α par rapport à l’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat 2. A titre illustratif et nullement limitatif, ledit angle α vaut environ π/3 radians dans l’exemple. Cette configuration peut être imposée par certaines géométries de lignes d’échappement dans lesquelles les gaz 3 sont acheminés jusqu’à l’entrée 11’ par un tuyau s’étendant selon une direction formant avec l’axe principal A1 du boîtier un angle d’une valeur sensiblement égale à la valeur de l’angle α.
Le dispositif de traitement des gaz d’échappement de l’invention est obtenu par un procédé comprenant les étapes suivantes :
- une étape d’extrusion du substrat 2, conforme à ce qui est réalisé pour un substrat de l’art antérieur ; et
- une étape d’usinage du substrat 2, propre aux dispositifs selon l’invention, pour former la face amont 21 concave et la face aval 22 convexe. Le substrat est ensuite imprégné de différents métaux précieux comme le platine, le palladium ou le rhodium.
Une face amont concave permet de réduire la perte de charge imputable au substrat par rapport à une configuration avec une face amont plane.
Une face aval convexe permet de pallier la réduction du volume du substrat due au remplacement d’une face amont plane par une face amont concave. Ainsi, le substrat de l’invention conserve un volume équivalent à celui d’un substrat à faces planes de mêmes dimensions, ce qui permet de conserver une surface de contact des gaz avec les surfaces actives, ainsi qu’un temps de séjour des gaz dans le substrat qui soient sensiblement identiques à ceux de l’art antérieur et donc de garantir des performances de dépollution équivalentes à celles obtenues avec un substrat de l’art antérieur.
L’invention permet de conserver une forme globale du substrat proche de l’existant de manière à pouvoir remplacer un ancien modèle par un nouveau modèle de substrat sans modifier le boîtier du dispositif de traitement des gaz d’échappement, et sans modifier la conception de son implantation dans la ligne d’échappement d’un véhicule donné.
Le flux de gaz entre dans la cavité par l’entrée avant de se répartir sur la face amont. Dans où l’entrée présente une section réduite par rapport au tronçon central et où la section d’entrée des gaz est centrée sur le centre de la calotte sphérique, en tout point, le flux des gaz pénétrant dans le substrat est globalement orthogonal à la face amont en forme de calotte sphérique.
Plus précisément, en tout point de la face amont, le flux des gaz pénétrant dans le substrat est orthogonal à la tangente à la face amont. Cette orthogonalité entre les flux de gaz et la face amont favorise la pénétration des gaz dans le substrat et permet donc de réduire la perte de charge imputable au substrat.
Lorsque les centres des calottes sphériques formées respectivement par la face amont 21 et la face aval 22 du substrat 2 sont situés sur l’axe central A2 de la portion cylindrique 20 du substrat et lorsque la face amont 21 et la face aval 22 sont des calottes sphériques de rayons R1 et R2 égaux, alors la face amont 21 et la face aval 22 sont parallèles.
Ceci permet, notamment lorsque la face aval est parallèle à la face amont, d’obtenir un substrat avec un volume globalement identique à celui d’un substrat selon l’art antérieur de mêmes dimensions mais à faces planes. En outre, le caractère « parallèle » de la face aval convexe et de la face amont concave permet d’obtenir un champ de vitesses uniforme dans le substrat et ainsi une uniformité de traitement des gaz.
En particulier, le nombre des canaux et leur longueur sont égaux à ceux de l’art antérieur.
On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l’invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.

Claims (11)

  1. Dispositif de traitement des gaz d’échappement d’un véhicule comportant :
    un boîtier (1) qui :
    - s’étend selon un axe principal (A1),
    - comporte une entrée (11, 11’) des gaz (3) et une sortie (12) des gaz (3) opposées axialement, et
    - délimite une cavité (10) entre l’entrée et la sortie des gaz ; et
    un substrat (2) qui :
    - est logé dans la cavité (10),
    - présente des propriétés catalytiques pour le traitement des gaz (3) traversant axialement le boîtier (1), et
    - comporte une face amont (21) agencée en regard de l’entrée (11, 11’) du boîtier (1) et une face aval (22) agencée en regard de la sortie (12) du boîtier (1),
    caractérisé en ce que la face amont (21) du substrat (2) est concave et en ce que la face aval (22) du substrat (2) est convexe.
  2. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face amont (21) du substrat (2) est une calotte sphérique concave.
  3. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’entrée (11, 11’) du boîtier (1) présente une section d’entrée des gaz et est reliée à la face amont (21) par un tronçon divergent (110) du boîtier de section croissante et en ce que la calotte sphérique formée par la face amont (21) a un centre (C1) situé dans la section d’entrée des gaz.
  4. Dispositif de traitement des gaz selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face aval (22) du substrat (2) est une calotte sphérique convexe.
  5. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 4 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que la face amont (21) et la face aval (22) sont des calottes sphériques de rayons (R1, R2) égaux.
  6. Dispositif de traitement des gaz selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (2) est un élément cylindrique présentant un axe central (A2).
  7. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que la calotte sphérique formée par la face amont (21) a un centre (C1) situé sur l’axe central (A2) du substrat (2).
  8. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la calotte sphérique formée par la face aval (22) a un centre (C2) situé sur l’axe central (A2) du substrat (2).
  9. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 6 caractérisé en ce que l’entrée (11, 11’) du boîtier (1) présente une section qui s’étend dans un plan (P) orthogonal à l’axe central (A2) du substrat (2).
  10. Dispositif de traitement des gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’entrée (11, 11’) du boîtier (1) présente une section qui s’étend dans un plan (P’) qui forme un angle aigu (α) par rapport à l’axe central (A2) du substrat (2).
  11. Procédé de fabrication d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu’il comporte :
    - une étape d’extrusion d’un tronçon de substrat ; et
    - une étape d’usinage du tronçon de substrat extrudé (2) pour former une face amont concave (21) et une face avale convexe (22).
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