WO2006061526A1 - Dispositif de depollution des gaz d'echappement d'un moteur thermique - Google Patents

Dispositif de depollution des gaz d'echappement d'un moteur thermique Download PDF

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Abstract

Le dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique comporte une enveloppe extérieure (23) comprenant des premier et second tronçons tubulaires successifs (38, 40), le premier tronçon (38) contenant un premier organe de dépollution (18) monté dans le passage, le premier tronçon (38) comportant un bout femelle (42) dans lequel est emboîté un bout mâle (44) du second tronçon (40). Le premier organe de dépollution (18) comporte un substrat (19) et au moins une cale (50, 52) interposée entre la surface interne du premier tronçon tubulaire (38) et le substrat (19), la ou chaque cale (50, 52) étant formée d'un treillis métallique associé à un matériau thermoexpansible pour assurer une étanchéité au gaz d'échappement.

Description

Dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique
La présente invention concerne un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique du type comportant une enveloppe extérieure, l'enveloppe comportant des premier et second tronçons tubulai- res successifs contenant, respectivement, un premier et un deuxième orga- nés de dépollution montés successivement dans le passage, le premier tronçon comportant un bout femelle dans lequel est emboîté un bout mâle du second tronçon.
Un tel dispositif est utilisé notamment pour la dépollution de moteurs Diesel de véhicule automobile. Dans ce cas, il comporte couramment, dis- posés dans une même enveloppe, un organe de purification catalytique et un filtre à particules.
L'organe de purification catalytique est adapté pour le traitement des émissions polluantes en phase gazeuse, alors que le filtre à particules est adapté pour retenir les particules de suies émises par le moteur. Dans les dispositifs pour les moteurs à essence, plusieurs organes de purification catalytique sont disposés dans une même enveloppe.
Il est connu de former le dispositif de dépollution en deux parties chacune comportant un tronçon tubulaire à l'intérieur duquel est disposé un organe de dépollution. Les deux tronçons sont emboîtés l'un dans l'autre et sont maintenus solidarisés par une bride ou un cerclage. Un tel dispositif est décrit par exemple dans les demandes de brevets FR-2 821 117 et FR-2 839 533.
La fabrication de tels dispositifs de dépollution est relativement complexe puisqu'elle nécessite la mise en œuvre de moyens permettant un posi- tionnement axial correct des deux tronçons avant la mise en place du dispositif de solidarisation.
L'invention a pour but de proposer un dispositif de dépollution des gaz d'échappement qui puisse être fabriqué facilement et donc avoir un coût réduit. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du type précité, caractérisé en ce que le bout mâle présente, à son extrémité, une surface de butée axiale en appui contre le premier organe de dépollution contenu dans le premier tronçon.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la surface de butée axiale est définie par une collerette interne ménagée à l'extrémité du bout mâle ;
- le diamètre intérieur de la collerette interne est inférieur à la section de la face en regard du premier organe de dépollution ;
- le premier tronçon comporte, à l'opposé du bout femelle par rapport au premier organe de dépollution, un épaulement périphérique sur lequel s'appuie axialement le premier organe de dépollution ;
- le premier organe de dépollution comporte un substrat et une cale interposée entre la surface de butée axiale et le substrat ;
- le second organe de dépollution est en appui axial contre la colle- rette interne ;
- les bouts femelle et mâle emboîtés sont soudés l'un à l'autre par une soudure périphérique ; et
- les bouts femelle et mâle emboîtés sont liés l'un à l'autre par un collier de cerclage enchâssant des profils associés des bouts femelle et mâle. 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 en coupe longitudinale du dispositif de dépollution selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de dépollution avant assemblage des deux tronçons successifs ; et
- la figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale de l'accouplement de deux tronçons successifs suivant un autre mode de réalisation.
Le dispositif de dépollution 10, représenté sur la figure 1 , comporte un pot d'échappement 12 généralement cylindrique présentant, à une extrémité, une entrée 14 et, à son autre extrémité, une sortie 16. Un organe de purification catalytique 18 et un filtre à particules 20 séparés par un espace libre de transition 22 sont disposés successivement depuis l'entrée vers la sortie à l'intérieur du pot 12.
Le pot d'échappement 12 comporte une enveloppe extérieure 23 délimitant un passage de circulation des gaz d'échappement au travers duquel sont disposés l'organe de purification catalytique 18 et le filtre à particules 20.
L'organe de purification catalytique 18 comprend, par exemple, une structure perméable aux gaz 19 recouverte de métaux catalytiques favorisant l'oxydation des gaz de combustion et/ou la réduction des oxydes d'azote.
Le filtre à particules 20 comprend un matériau de filtration constitué d'une structure monolithique 21 en céramique ou en carbure de silicium ayant une porosité suffisante pour permettre le passage des gaz d'échappement. Cependant, comme connu en soi, le diamètre des pores est choisi suffisamment petit pour assurer une retenue des particules, et notamment des particules de suies, sur la face amont du filtre. Le filtre à particules peut également être réalisé à partir d'une mousse de céramique, de cordiérite ou de carbure de silicium. Il peut également être constitué d'un filtre cartouche ou d'un filtre en métal fritte. Le filtre à particules utilisé ici comporte par exemple un ensemble de canaux parallèles répartis en un premier groupe de canaux d'entrée et un second groupe de canaux de sortie. Les canaux d'entrée et de sortie sont disposés en quinconce.
Les canaux d'entrée sont débouchants sur la section amont du filtre à particules et obturés au niveau de la section aval du filtre à particules.
Au contraire, les canaux de sortie sont obturés sur la section amont du filtre à particules et sont débouchants sur sa section aval.
Dans sa partie courante, l'enveloppe extérieure 23 est formée par une paroi cylindrique 24 de section sensiblement constante. A son extrémité d'entrée, le pot comporte un tronçon divergent 26 reliant un tuyau d'entrée 28 à la paroi cylindrique 24. De même, à son extrémité arrière, la paroi cylindrique 24 est prolongée par un tronçon convergent 30 aboutissant dans un tuyau de sortie 32 délimitant la sortie 16. En fonctionnement, les gaz d'échappement circulent d'abord au travers de l'organe de purification catalytique 18 puis au travers du filtre à particules 20.
L'enveloppe 23 est délimitée, dans l'exemple considéré, par deux tronçons tubulaires successifs 38, 40 accouplés l'un à l'autre et contenant, respectivement, l'organe de purification catalytique 18 et le filtre à particules 20. Chaque tronçon est formé d'une virole roulée dont les deux bords longitudinaux sont liés l'un à l'autre suivant une liaison longitudinale formée par soudage ou sertissage. Le tronçon amont 38, en considérant le sens d'écoulement normal du gaz, présente, à son extrémité aval, un bout femelle élargi 42 dans lequel est engagé axialement l'extrémité amont du tronçon 40 formant un bout mâle noté 44.
Le tronçon 38 présente, à son extrémité amont, une collerette ren- trante 46 formant intérieurement un épaulement 48 d'appui de l'organe de purification catalytique 18.
L'organe de purification catalytique 18 comporte, outre la structure perméable aux gaz 19, une cale 50 interposée entre la périphérie de la face amont de la structure 50 et Pépaulement 48. Cette cale se prolonge le long de la paroi latérale de la structure 19.
La cale 50 est formée d'un joint annulaire présentant généralement, en section, la forme d'un L dont une branche s'appuie sur l'épaulement 48 et l'autre branche s'appuie sur la surface latérale de la structure 19.
Une cale 52, identique à la cale 50, est engagée à la périphérie de la face aval de la structure 19 et s'étend elle aussi partiellement suivant la surface latérale de la structure. La branche de la cale recouvrant, à sa périphérie, la surface aval forme un siège d'appui de l'extrémité du bout mâle 44 du second tronçon 40.
Les deux cales 50, 52 définissent un jeu axial entre l'épaulement 48 et la face amont du substrat 19 qui est de l'ordre de 5,5 mm alors que le jeu radial défini entre les surfaces latérales en regard du substrat 19 et du tronçon 38 est de l'ordre de 3,5 mm. Ces deux cales sont formées d'un treillis métallique de type ACS LSP 5600 fourni par la société ACS. Seule la cale amont 50 est associée à un matériau thermoexpansible de type vermiculite qui permet d'assurer une étanchéité aux gaz d'échappement . Au-delà de la cale 52, le tronçon 38 présente un évasement 54 formant le bout femelle 42.
Le second tronçon 40 présente, à l'extrémité du bout mâle 44, une collerette périphérique rentrante 56 délimitant intérieurement un épaulement 58 d'appui du filtre à particules 20. La collerette 56 présente intérieurement une section inférieure à la section périphérique de la face aval de la structure poreuse 19, de manière à prendre appui sur celle-ci par l'intermédiaire de la cale 52 en formant une butée.
Le substrat 21 du filtre à particules s'appuie par sa face amont sur l'épaulement 58 avec interposition d'une cale 60 formée d'un joint annulaire de section en L dont une branche est interposée entre l'épaulement 58 et la périphérie de la face amont du substrat 21 et dont l'autre aile s'étend entre la paroi latérale du substrat et la paroi latérale du second tronçon 40.
La liaison entre les premier et second tronçons 38, 40 est assurée par une soudure périphérique 70 formée à l'extrémité du bout femelle 42 contre la paroi latérale 40 du second tronçon.
Les premier et second tronçons 38, 40 sont reliés par emboîtement respectivement au tronçon divergent 26 et au tronçon convergent 30.
Plus précisément, le tronçon divergent 26 présente à sa périphérie de plus grand diamètre une extrémité élargie dans laquelle est emboîté le bout amont du premier tronçon 38, la collerette 46 s'appuyant sur l'épaulement du tronçon divergent 46 formé par l'extrémité élargie.
L'extrémité élargie du tronçon convergent 30 est emboîtée à l'intérieur du bout aval du second tronçon 40. A cet effet, elle présente un rebord extérieur généralement cylindrique 72 propre à s'appliquer contre la surface inté- rieure de la paroi 40. Le tronçon convergent 30 s'appuie contre le substrat 21 du filtre à particules avec interposition d'une cale 74 formée d'un joint identique à la cale 60. Les cales 60 et 74 définissent un jeu axial de l'ordre de 5 mm et un jeu radial de l'ordre de 3,5 mm.
Les cales sont par exemple de type LSP-5600.45 de la société ACS. Elles se différencient des cales 50 et 52 dans la mesure où elles sont plus denses afin de mieux absorber les sollicitations du filtre à particules 20.
Par ailleurs, le substrat 21 est entouré dans sa partie courante par une nappe de maintien 76 interposée entre le substrat et la surface interne du tronçon 40. Cette nappe est formée par exemple d'ISOMAT AV 3280 g/m2 de la société Unifrax. Pour l'assemblage, et comme illustré sur la figure 2, l'organe de purification catalytique est d'abord engagé à l'intérieur du premier tronçon 48, les cales 50 et 52 étant interposées entre le substrat 19 et le premier tronçon 38.
De même, le substrat 21 du filtre à particules est engagé avec les deux cales 60, 74 dans le second tronçon 40. Le substrat est maintenu en appui contre l'épaulement 58 par le tronçon convergent 30 emmanché dans le second tronçon 40 depuis l'extrémité arrière. Ainsi, le substrat 21 est maintenu enserré entre l'épaulement 58 et le rebord du tronçon convergent
30. Le substrat 21 est maintenu avec une force de compression de 4000 N imposé par le tronçon convergent 30.
Le bout mâle 44 du second tronçon est alors emboîté dans le bout femelle 42 du premier tronçon jusqu'à appui de la collerette 56 formant butée sur la cale 52 afin d'assurer le blocage axial du substrat 19 de l'organe de purification catalytique, ce substrat étant maintenu entre Pépaulement 48 et la butée 56 formée de la collerette intérieure ménagée à l'extrémité du bout mâle 44. La force d'emmanchement assurant la compression de l'organe de purification catalytique 18 entre les deux surfaces d'appui est contrôlée et est ajustée en fonction des sollicitations. Cette force est comprise, de préférence, entre 1500 et 5000 N et est, par exemple, de l'ordre de 2000 N.
On comprend que dans un tel dispositif de dépollution le substrat 19 de l'organe de purification catalytique est maintenu axialement seulement par emmanchement du bout mâle 44 muni de la collerette 56 dans le bout femelle 42. De même, l'appui du bout mâle du second tronçon contre le substrat 19 et par l'intermédiaire de celui-ci contre l'épaulement 48 permet un positionnement axial des premier et second tronçons 38, 40 l'un par rapport à l'autre. Ainsi, avec un tel agencement, Ia collerette 56 permet à la fois un blocage du substrat 19 et un positionnement correct des premier et second tronçons garantissant un coût de fabrication réduit du dispositif de dépollution.
Dans le mode de réalisation envisagé précédemment, la collerette 56 assure également une fonction de butée pour le substrat 21 du filtre à particules.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, les éléments identiques ou analogues à ceux du premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes numéros de référence. Le second tronçon 40 est équipé, à l'extrémité du bout mâle, comme précédemment, d'une collerette intérieure 56. Toutefois, le substrat 21 du filtre à particules n'est pas en appui contre la collerette 56 mais est maintenu axialement à l'intérieur du second tronçon 40 par la nappe intermédiaire 76 interposée entre la surface latérale du substrat 21 et la paroi latérale du se- cond tronçon 40.
De plus, et afin de permettre une solidarisation démontable des premier et second tronçons 38, 40, notamment en vue du nettoyage de la face amont du filtre à particules, les premier et second tronçons sont liés par un collier démontable 80 ceinturant un bord d'extrémité recourbé 82 formé à l'extrémité du bout femelle 44 et un bourrelet 84 solidaire de la surface extérieure du tronçon 40, le bord 82 étant appliqué contre le bourrelet 84 et tous deux retenus à l'intérieur du profil en V du collier 80.
Dans le mode de réalisation envisagé, le bourrelet 84 est formé d'une virole cintrée présentant un tronçon plat 86 prolongé par un tronçon 88 à section en V présentant deux flancs inclinés l'un par rapport à l'autre de 90° et formant le bourrelet proprement dit. La virole est liée par une soudure 90 à la surface externe du second tronçon 40. Dans ce mode de réalisation également, le positionnement axial des premier et second tronçons, ainsi que le blocage en position du substrat 19 est assuré par la collerette intérieure 56. De plus le blocage du collier 80 assure le maintien par compression de l'organe de dépollution 18, dans la mesure où le collier 80 entoure le substrat 19.
Suivant un autre mode de réalisation, plus de deux tronçons sont emmanchés successivement. Chacun d'eux présente un bout femelle à leur extrémité aval en considérant le sens d'écoulement et un bout mâle à leur extrémité amont, le bout mâle d'un tronçon étant emboîté dans le bout fe- melle du tronçon adjacent.
Pour assurer l'étanchéité aux gaz en périphérie de l'organe de purification 18, il est possible de prévoir une nappe thermo expansible entre les cales 50 et 52. Dans le cas où l'organe de dépollution 18 à une longueur inférieure à 40 mm, il n'est plus possible de mettre en place une nappe et il devient nécessaire d'utiliser des cales assurant seules l'étanchéité aux gaz.
Le dispositif de l'invention est particulièrement adapté aux cas dans lesquels une céramique courte est utilisée. Une céramique est dite courte lorsque le rapport Longueur / Diamètre est inférieur à 0,5.
Avantageusement, les cales 50, 52, positionnées à chaque coin de l'organe de dépollution 18, permettent de maintenir ce dernier fixé fermement à l'intérieur du tronçon 38 tout en assurant l'étanchéité entre le corps du tronçon 38 et le substrat 19.
En effet, lorsque l'organe de dépollution 18 présente un rapport longueur / diamètre inférieur à 0,5, une nappe de maintien, à savoir un maté- riau enveloppant le pourtour de l'organe 18, ne peut pas être utilisée pour maintenir l'organe de dépollution dans le tronçon 38 en raison d'une part de la faible surface de contact entre la surface latérale de l'organe de dépollution et Ia surface du tronçon 38 et d'autre part des fortes vibrations auxquelles Ie dispositif est soumis en cours de fonctionnement. La faible surface est liée à la petite longueur de l'organe de dépollution 18.
Avantageusement, la collerette 56 est de faible longueur et s'étend uniquement en direction axiale vers l'intérieur du tronçon 38. Cette collerette est en appui sur une face de la cale 52 pour assurer le maintien en position de celle-ci.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique comportant une enveloppe extérieure (23), l'enveloppe (23) comportant des premier et second tronçons tubulaires successifs (38, 40), le premier tronçon (38) contenant un premier organe de dépollution (18) monté dans le passage, le premier tronçon (38) comportant un bout femelle (42) dans lequel est emboîté un bout mâle (44) du second tronçon (40), caractérisé en ce que le premier organe de dépollution (18) comporte un substrat (19) et au moins une cale (50, 52) interposée entre la surface interne du premier tronçon tubulaire (38) et le substrat (19), la ou chaque cale (50, 52) étant formée d'un treillis métallique associé à un matériau thermoexpansible pour assurer une étanchéité au gaz d'échappement.
2.- Dispositif de dépollution selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la ou chaque cale (50, 52) est propre à maintenir le substrat (19) dans le premier tronçon tubulaire (38).
3.- Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport longueur sur diamètre du premier organe de dépollution (18) est inférieur à 0,5.
4.- Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la ou chaque cale (50, 52) est formée d'un joint annulaire en forme de L.
5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier tronçon (38) comporte, à l'opposé du bout femelle (42) par rapport au premier organe de dépollution (18), un épaulement (46) périphérique sur lequel s'appuie axialement le premier organe de dépollution (18), et en ce qu'une branche de ladite cale (50) en forme de L s'appuie sur l'épaulement (46) et l'autre branche de ladite cale (50) s'appuie sur la surface latérale du substrat (19).
6,- Dispositif de dépollution selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bout mâle (44) présente, à son extrémité, une surface de butée axiale (56) en appui contre une branche de ladite cale (52) pour assurer le maintien en position de la cale (52).
7.- Dispositif de dépollution selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de butée axiale est définie par une collerette interne (56) ménagée à l'extrémité du bout mâle (44), ladite collerette s'étend uniquement en direction axiale vers l'intérieur du premier tronçon (38).
8.- Dispositif de dépollution selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second tronçon (40) contient un second organe de dépollution (20) monté dans le passage, le second organe de dépollution (20) étant en appui axial contre la surface de butée axiale (56).
9.- Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'aucune nappe de maintien autre que la ou chaque cale (50, 52) n'est interposée entre le substrat (19) et la surface interne du premier tronçon tubulaire (38).
10.- Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les bouts femelle et mâle emboîtés (42, 44) sont liés l'un à l'autre par un collier de cerclage (80) enchâssant des profils (82, 84) associés des bouts femelle (42) et mâle (44).
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