WO2004005680A1 - Generateur de puissance mecanique comportant un moteur diesel et un convertisseur catalytique - Google Patents

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WO2004005680A1
WO2004005680A1 PCT/FR2003/002125 FR0302125W WO2004005680A1 WO 2004005680 A1 WO2004005680 A1 WO 2004005680A1 FR 0302125 W FR0302125 W FR 0302125W WO 2004005680 A1 WO2004005680 A1 WO 2004005680A1
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Alain Ristori
Sophie Salasc
Christian Sarda
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Faurecia Systemes D'echappement
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    • F01N3/035—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters in combination with other devices with catalytic reactors, e.g. catalysed diesel particulate filters

Definitions

  • Mechanical power generator comprising a diesel engine and a catalytic converter
  • the present invention relates to a mechanical power generator, of the type comprising a diesel engine and an exhaust line comprising a catalytic converter, which catalytic converter comprises a substrate defining adjacent channels.
  • This converter comprises a substrate consisting of a structure on the surface of which is deposited a catalytic material designated in English by the term "washcoat". Examples of substrates are given in documents EP-0.036.052, EP-0.360.591 and EP-0.446.046.
  • the substrate defines a set of channels extending over its entire length. These channels are adjacent and extend parallel to each other.
  • the channel section is chosen square.
  • the object of the invention is to propose a mechanical power generator comprising a diesel engine and a catalytic converter for pollution of diesel engine exhaust, the catalytic converter having high efficiency, without risk of clogging.
  • the invention relates to a mechanical power generator, of the aforementioned type, characterized in that each channel has a hexagonal section, and in that the hydraulic diameter of each channel is greater than 900 ⁇ m.
  • the mechanical power generator comprises one or more of the following characteristics: - the density of channels in the cross section of the substrate per unit area expressed in inches 2 is between 400 and 900;
  • the density of channels in the cross section of the substrate per unit area expressed in inches 2 is between 500 and 800;
  • the density of channels in the cross section of the substrate per unit area expressed in inches 2 is substantially equal to 600;
  • the thickness of the porous walls is between 2 and 5 (50.8 ⁇ m and 127 ⁇ m);
  • the thickness of the porous walls, expressed in millipouce, is substantially equal to 3 (76.2 ⁇ m); - each channel has the section of a regular hexagon;
  • the substrate has a homogeneous and continuous structure defining channels whose surfaces are covered with a coating of catalytic material.
  • the invention further relates to the use, in an exhaust line of a diesel engine, of a catalytic converter arranged in an exhaust line, this converter comprising a substrate defining adjacent channels, characterized in that each channel has a hexagonal section and the hydraulic diameter of each channel is greater than 900 ⁇ m.
  • - Figure 2 is a schematic view in longitudinal section of a catalytic converter used in the invention
  • - Figure 3 is a cross-sectional view of the catalytic converter used in the invention.
  • Figure 1 is shown a mechanical power generator according to the invention.
  • This is for example used for the propulsion of a motor vehicle.
  • This generator comprises a motor 12 connected, for its fuel supply, to a diesel storage tank 14.
  • the exhaust outlet of the engine 12 is connected to an exhaust line 16 equipped with a catalytic converter 18.
  • a particle filter can advantageously be arranged upstream or downstream of the catalytic converter 18.
  • the engine 12 is a diesel engine.
  • diesel engine is understood to mean an internal combustion engine with high compression causing the self-ignition of the fuel consisting of diesel or heavy oil. This type of engine is distinguished from petrol engines by the absence of an ignition system proper.
  • the diesel engine is a type engine operating at a temperature generally above 200 ° C. This temperature is measured at the outlet of the exhaust manifold, that is to say at the outlet of the engine. This temperature is generally between 200 ° C and 900 ° C.
  • this engine produces a relatively large amount of fine carbonaceous particles at the outlet, consisting of soot resulting from combustion in the diesel engine.
  • This amount of soot is greater than that produced by an engine operating at low temperature, that is to say at a temperature below 200 ° C.
  • the catalytic converter 18 comprises a porous substrate 20 contained in an envelope 21 connected to the exhaust line.
  • This substrate 20 defines, as illustrated in FIG. 2, adjacent and parallel channels 22 extending along the entire length of the substrate, from one end to the other thereof in the general direction F of exhaust gas flow.
  • All channels have an identical section. According to the invention and as illustrated in FIG. 3, the section of the channels is hexagonal, each channel defining a regular hexagon.
  • the channels are separated from each other by plane longitudinal walls 24 each forming one side of a hexagon. These walls have a total thickness e which is the same for all the walls.
  • the substrate 20 is formed of a structure 26 covered with a coating 28 of catalytic material known under the English term "washcoat".
  • the structure consists of a homogeneous and continuous block in which the channels 22 are defined.
  • the thickness of the walls of the structure is between 50 and 150 ⁇ m. This thickness is designated by ei in the following description.
  • the structure 26 is advantageously formed of a porous honeycomb structure, for example made of ceramic.
  • each channel is covered with a catalytic material forming the washcoat.
  • a catalytic material forming the washcoat.
  • different thicknesses of "washcoat” are observed. In particular, the thickness is greater in the "corners".
  • the average thickness denoted e 2 of the coating 28 made of catalytic material is between 5 ⁇ m and 200 ⁇ m and is preferably of the order of 50 ⁇ m. Examples of catalytic material are given in documents EP-0.601.314, EP-0.244.127 and EP-1.044.058.
  • the total thickness e of a wall of the substrate is equal to ei + 2 e 2 .
  • the dimensioning of the channels 22 delimited in the substrate; that is to say the structure covered with the catalytic material is such that the hydraulic diameter HD of each channel 22 is greater than 900 ⁇ m.
  • the hydraulic diameter HD of a channel is defined as being the diameter of the circle inscribed in the hexagon delimiting the section of the channel formed in the substrate covered with "washcoat".
  • the structure 26 covered with the catalytic material 28 and the substrate are characterized by their number of channels per inch 2 , one inch being equal to 2.54 cm.
  • the substrate 20 is characterized by the thickness of the walls expressed in millipouce with a millipouce equal to 25.4 ⁇ m.
  • the structure of a catalytic converter can be defined by the couple X / Y where X is the number of channels per unit area of its section expressed in inch 2 and Y is the thickness ei of the walls of the structure expressed in mils.
  • the number X is actually equal to the "cpsi”.
  • the number X of channels per inch 2 is between 400 and 900, preferably between 500 and 800 and at best substantially equal to 600.
  • each wall of the structure is advantageously between 2 and 5 millipers (50.8 ⁇ m to 127 ⁇ m). It is preferably equal to 3 millipers (76.2 ⁇ m).
  • a 600/3 catalytic converter whose channel density (cpsi) is equal to 600 channels per inch 2 , with a wall thickness equal to 3 millipers (76.2 ⁇ m) and a minimum washcoat thickness of 50 ⁇ m , has, for each channel, a hydraulic diameter HD equal to 940 ⁇ m.
  • the channels have a section which is sufficient to prevent clogging due to the soot carried by the exhaust gases.
  • hexagonal sections allows the catalytic converter to have better compatibility with the presence of soot in the exhaust gases.
  • cpsi 400/6 substrate By taking as a reference a cpsi 400/6 substrate, we see that it is possible to obtain a gain of 12% to 14% in the treatment of carbon monoxide emissions by using cpsi 600/3 substrates. However, among the substrates of cpsi 600/3, those with square section canals clog quickly and are even completely blocked after only 20 hours of use. On the other hand, the substrates of cpsi 600/3 with channels of hexagonal section are still functional after 38 hours of use. It is therefore found that the latter have an efficiency at least equal to that of the 600/3 square substrates, while having an increased longevity (at least equal to the 400/6 square substrates).
  • the catalytic converter according to the invention therefore makes it possible to obtain both good efficiency for reducing the emission of carbon oxides (14%) and delayed clogging (38 hours).

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Abstract

Le générateur de puissance mécanique comporte un moteur Diesel (12) et une ligne d'échappement (16) comportant un convertisseur catalytique (18). Le convertisseur catalytique (18) comprend un substrat (20) définissant des canaux adjacents (22). Chaque canal (20) a une section hexagonale. Le diamètre hydraulique (HD) de chaque canal (20) est supérieur à 900 µm.

Description

Générateur de puissance mécanique comportant un moteur Diesel et un convertisseur catalytique
La présente invention concerne un générateur de puissance mécanique, du type comportant un moteur Diesel et une ligne d'échappement comportant un convertisseur catalytique, lequel convertisseur catalytique com- prend un substrat définissant des canaux adjacents.
Il est connu, pour procéder à la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, et notamment d'un moteur de véhicule automobile, d'équiper la ligne d'échappement avec un convertisseur catalytique. Ce convertisseur comporte un substrat constitué d'une structure à la surface de laquelle est déposé un matériau catalytique désigné en anglais par le terme "washcoat". Des exemples de substrats sont donnés dans les documents EP-0.036.052, EP-0.360.591 et EP-0.446.046.
Le substrat délimite un ensemble de canaux s'étendant sur toute sa longueur. Ces canaux sont adjacents et s'étendent parallèlement les uns aux autres.
Pour la dépollution des moteurs Diesel, la section des canaux est choisie carrée.
Afin d'améliorer l'efficacité du convertisseur catalytique pour un volume total de substrat considéré, il est connu d'augmenter la densité de ca- naux par unité de surface suivant une section du substrat. Cette densité de canaux est désignée par "cpsi" dans le domaine technique considéré.
L'augmentation de la densité de canaux permet d'augmenter la superficie totale des canaux par unité de volume de substrat. Cette superficie totale des canaux est désignée par "GSA". Toutefois, l'augmentation de la densité de canaux (cpsi) entraîne une diminution de la section offerte au passage des gaz dans chaque canal. Ainsi, avec une densité de canaux élevée, on constate que la présence de suies dans les gaz d'échappement produits par le moteur Diesel conduit à un colmatage du substrat rendant le convertisseur catalytique inopérant. L'invention a pour but de proposer un générateur de puissance mécanique comportant un moteur Diesel et un convertisseur catalytique de dé- pollution des gaz d'échappement du moteur Diesel, le convertisseur catalytique ayant une grande efficacité, sans risque de colmatage.
A cet effet, l'invention a pour objet un générateur de puissance mécanique, du type précité, caractérisé en ce que chaque canal a une section hexagonale, et en ce que le diamètre hydraulique de chaque canal est supérieur à 900 μm.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le générateur de puissance mécanique comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est comprise entre 400 et 900 ;
- la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est comprise entre 500 et 800 ;
- la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est sensiblement égale à 600 ;
- l'épaisseur des parois poreuses, exprimée en millipouce, est comprise entre 2 et 5 (50,8 μm et 127 μm) ;
- l'épaisseur des parois poreuses, exprimée en millipouce, est sensiblement égale à 3 (76,2 μm) ; - chaque canal a la section d'un hexagone régulier ; et
- le substrat comporte une structure homogène et continue définissant des canaux dont les surfaces sont recouvertes d'un revêtement en matériau catalytique.
L'invention a en outre pour objet l'utilisation, dans une ligne d'échap- pement d'un moteur Diesel, d'un convertisseur catalytique disposé dans une ligne d'échappement, ce convertisseur comprenant un substrat définissant des canaux adjacents, caractérisée en ce que chaque canal a une section hexagonale et le diamètre hydraulique de chaque canal est supérieur à 900 μm. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un générateur de puissance mécanique selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un convertisseur catalytique utilisé dans l'invention ; et - la figure 3 est une vue en section transversale du convertisseur catalytique utilisé dans l'invention.
Sur la figure 1 est représenté un générateur de puissance mécanique selon l'invention.
Celui-ci est par exemple utilisé pour la propulsion d'un véhicule auto- mobile.
Ce générateur comporte un moteur 12 relié, pour son alimentation en carburant, à un réservoir 14 de stockage de gazole. La sortie d'échappement du moteur 12 est reliée à une ligne d'échappement 16 équipée d'un convertisseur catalytique 18. Un filtre à particules peut avantageusement être disposé en amont ou en aval du convertisseur catalytique 18.
Le moteur 12 est un moteur Diesel. Au sens de l'invention, on entend par moteur Diesel un moteur à combustion interne à haute compression provoquant l'auto-allumage du combustible constitué de gazole ou d'huile lourde. Ce type de moteur se distingue des moteurs à essence par l'absence de système d'allumage proprement dit.
Le moteur Diesel est un moteur de type fonctionnant à une température généralement supérieure à 200°C. Cette température est mesurée à la sortie du collecteur d'échappement, c'est-à-dire à la sortie du moteur. Cette température est généralement comprise entre 200°C et 900°C.
Ainsi, ce moteur produit en sortie une quantité relativement importante de fines particules carbonées constituées de suies résultant de la combustion dans le moteur Diesel. Cette quantité de suies est supérieure à celle produite par un moteur fonctionnant à basse température, c'est-à-dire à une température inférieure à 200°C.
Le convertisseur catalytique 18 comporte un substrat poreux 20 contenu dans une enveloppe 21 reliée à la ligne d'échappement. Ce substrat 20 définit, comme illustré sur la figure 2, des canaux adjacents et parallèles 22 s'étendant suivant toute la longueur du substrat, d'une extrémité à l'autre de celui-ci suivant le sens général F d'écoulement des gaz d'échappement.
Tous les canaux ont une section identique. Selon l'invention et comme illustré sur la figure 3, la section des canaux est hexagonale, chaque canal définissant un hexagone régulier.
Les canaux sont séparés les uns des autres par des parois longitudinales planes 24 formant chacune un côté d'un hexagone. Ces parois ont une épaisseur totale e qui est la même pour toutes les parois.
Le substrat 20 est formé d'une structure 26 recouverte d'un revête- ment 28 en matériau catalytique connu sous le terme anglais "washcoat". La structure est constituée d'un bloc homogène et continu dans lequel sont définis les canaux 22. L'épaisseur des parois de la structure est comprise entre 50 et 150 μm. Cette épaisseur est désignée par ei dans la suite de la description. La structure 26 est avantageusement formée d'une structure en nid d'abeille poreuse, faite par exemple de céramique.
La surface de chaque canal est recouverte d'un matériau catalytique formant le washcoat. Sur une section de canal donnée, on observe différentes épaisseurs de "washcoat". En particulier, l'épaisseur est plus importante dans les "coins". L'épaisseur moyenne notée e2 du revêtement 28 en maté- riau catalytique est comprise entre 5 μm et 200 μm et est de préférence de l'ordre de 50 μm. Des exemples de matériau catalytique sont donnés dans les documents EP-0.601.314, EP-0.244.127 et EP-1.044.058.
Ainsi, l'épaisseur totale e d'une paroi du substrat est égale à e-i + 2 e2.
Selon l'invention, le dimensionnement des canaux 22 délimités dans le substrat; c'est-à-dire la structure recouverte du matériau catalytique est tel que le diamètre hydraulique HD de chaque canal 22 est supérieur à 900 μm.
Le diamètre hydraulique HD d'un canal est défini comme étant le diamètre du cercle inscrit dans l'hexagone délimitant la section du canal formé dans le substrat recouvert de "washcoat". La structure 26 recouverte du matériau catalytique 28 et le substrat sont caractérisés par leur nombre de canaux par pouce2, un pouce étant égal à 2,54 cm. En outre, le substrat 20 est caractérisé par l'épaisseur des parois exprimée en millipouce avec un millipouce égale à 25,4 μm. Ainsi, la structure d'un convertisseur catalytique peut être définie par le couple X/Y où X est le nombre de canaux par unité de surface de sa section exprimée en pouce2 et Y est l'épaisseur ei des parois de la structure exprimée en millipouce. Le nombre X est en fait égale à la "cpsi". Avantageusement, le nombre X de canaux par pouce2 est compris entre 400 et 900, de préférence entre 500 et 800 et au mieux sensiblement égal à 600.
L'épaisseur Y de chaque paroi de la structure est avantageusement comprise entre 2 et 5 millipouces (50,8 μm à 127 μm). Elle est de préférence égale à 3 millipouces (76,2 μm).
Par exemple, un convertisseur catalytique 600/3 dont la densité de canaux (cpsi) est égale à 600 canaux par pouce2, ayant une épaisseur de paroi égale à 3 millipouces (76,2 μm) et une épaisseur minimale de washcoat de 50 μm, présente, pour chaque canal, un diamètre hydraulique HD égal à 940 μm.
On constate qu'avec un tel convertisseur catalytique, les canaux ont une section suffisante pour éviter un colmatage du fait des suies véhiculées par les gaz d'échappement. Le recours à des sections hexagonales permet que le convertisseur catalytique présente une meilleure compatibilité à la présence de suies dans les gaz d'échappement.
Les tableaux qui suivent montrent les résultats obtenus avec des convertisseurs catalytiques dont les canaux sont hexagonaux ou carrés, avec des densités de canaux différentes.
Les résultats qui suivent ont été obtenus avec une épaisseur de revê- tement en matériau catalytique (washcoat, désigné par WC dans les tableaux) de 20 microns. La charge en métaux précieux, à savoir du platine, du convertisseur catalytique est de 40g/pied3 .
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0002
Figure imgf000007_0003
En prenant comme référence un substrat de cpsi 400/6, on constate qu'il est possible d'obtenir un gain de 12 % à 14 % en traitement des émissions d'oxyde de carbone en utilisant des substrats de cpsi 600/3. Toutefois, parmi les substrats de cpsi 600/3, ceux présentant des canaux de section carrée se colmatent rapidement et se trouvent même complètement bouchés après seulement 20 heures d'utilisation. Par contre, les substrats de cpsi 600/3 avec canaux de section hexagonale sont encore fonctionnels après 38 heures d'utilisation. On constate donc que ces derniers présentent une efficacité au moins égale à celle des substrats 600/3 carré, tout en ayant une longévité accrue (au moins égale aux substrats 400/6 carré).
Le convertisseur catalytique selon l'invention permet donc d'obtenir à la fois une bonne efficacité pour la réduction de l'émission des oxydes de carbone (14 %) et un colmatage retardé (38 heures).

Claims

REVENDICATIONS 1.- Générateur de puissance mécanique comportant un moteur Diesel (12) et une ligne d'échappement (16) comportant un convertisseur catalytique (18), lequel convertisseur catalytique (18) comprend un substrat (20) définissant des canaux adjacents (22), caractérisé en ce que chaque canal (20) a une section hexagonale, le diamètre hydraulique (HD) de chaque canal (20) est supérieur à 900 μm, et la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est comprise entre 400 et 900.
2.- Générateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est comprise entre 500 et 800.
3.- Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité de canaux dans la section transversale du substrat par unité de surface exprimée en pouce2 est sensiblement égale à 600.
4.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) des parois poreuses (24), exprimée en millipouce, est comprise entre 2 et 5 (50,8 μm et 127 μm).
5.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que l'épaisseur des parois poreuses (24), exprimée en millipouce, est sensiblement égale à 3 (76,2 μm).
6.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque canal (20) a la section d'un hexagone régulier.
7.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (20) comporte une structure (26) homogène et continue définissant des canaux dont les surfaces sont recouvertes d'un revêtement (28) en matériau catalytique.
8.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le substrat (20) comporte une structure (26) en céramique.
9.- Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur Diesel a une température de fonctionnement supérieure à 200°C.
10.- Utilisation, pour la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur Diesel (12), d'un convertisseur catalytique (18) disposé dans une ligne d'échappement (16), ce convertisseur (18) comprenant un substrat (20) définissant des canaux adjacents (22), caractérisée en ce que chaque canal (22) a une section hexagonale et le diamètre hydraulique (HD) de chaque canal (20) est supérieur à 900 μm.
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