Brevet FR2472081A1 — publié le 19810626

La présente invention se rapPorte à des pièges à particules, pour circuits d'échappement de moteurs diesel, et elle concerne plus particulièrement des éléments filtrants céramiques poreux monolithiques résistant aux hautes tempé- ratures. La question de savoir comment réduire de la fa- çon optimale les quantités de matières en particules rejetées dans l'atmosphère dans les gaz d'échappement des moteurs diesel pour automobiles présente actuellement un intérêt considérable. Dans ce domaine, on cherche à mettre au Point des dispositifs et procédés efficaces et pratiques permet- tant d'éliminer des proportions notables de particules des gaz d'échappement des circuits d'échappement des moteurs diesel avant de laisser les gaz d'échappement s'échapper dans l'atmosphère. Il est reconnu que, pour remplir sa fonction avec succès, un piège à particules pour circuit d'échappezment de moteurs diesel doit présenter certaines caractéristiques dont certaines sont: (1) une bonne stabilité chimique aux températures de fonctionnement maximales rencontrées dans le circuit d'échappement du moteur; (2) une résistance adéquate aux chocs thermiques, pour résister aux variations de températures fréquentes et irrégulières qui se produi- sent répétitivement dans les circuits d'échappement pendant le fonctionnement du véhicule; et (3) l'aptitude à être monté dans une enveloppe d'une façon appropriée pour éviter les ruptures dues aux vibrations et autres contraintes qu'il subit pendant le fonctionnement du véhicule. Certaines matières céramiques sesont révélées ca- pables de répondre convenablement aux critères énumérés ci- dessus, ce qui est démontré par l'utilisation de ces matières dans les convertisseurs catalytiques utilisés pour la limi- tation des émissions de substances nocives, dans les gaz d'échappement des moteurs à véhicules à essence. C'est ainsi qu'il a été proposé d'utiliser des éléments céramiques à pa- rois poreuses du type déjà utilisé dans le cas des disposi- tifs catalyseurs monolithiques de circuits d'échappement de moteurs pour la fabrication des éléments filtrants des- tinés à arrêter les particules des gaz d'échappement des moteurs diesel. La présente invention a pour objet divers dessins et procédés de construction d'éléments filtrants céramiques à parois poreuses comprenant des matières et une structure appropriées pour atteindre les buts visés. Une caractéristique de l'invention consiste en ce 1p que les éléments filtrants sont construits à partir de ma- tériaux céramiques résistant aux hautes températures comme la cordiérite, qui sont capables de résister aux contraintes et aux températures qu'ils peuvent avoir à subir pen- dant des périodes prolongées dans les circuits d'échappement des moteurs diesel. Suivant une autre caractéristique de l'invention, des fibres céramiques résistant aux hautes températures sont prévues dans les passages ou pores du matériau céra- mique constituant le substrat et forment des surfaces ad- ditionnelles destinées à arrêter et à retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement. Une caractéristique d'une forme de réalisation de l'invention consiste en ce que le substrat est constitué par une mousse céramique monolithique présentant des pores inter- communicants qui définissent des passages dans lesquels s'é- tendent des fibres céramiques, lesquelles sont encastrées dans le substrat céramique formant les parois des passages. Suivant une autre forme de réalisation-de l'in- vention, le substrat céramique forme un monolithe à parois poreuses présentant des passages formés par extrusion qui sont délimités par des parois perméables aux gaz et dans les pores desquelles des fibres céramiques encastrées s'éten- dent en travers des passages d'écoulement gazeux. Les diverses formes de réalisation de l'invention comportent l'utilisation de matériaux de substrats cérami- que résistants aux hautes températures qui se sont avérés appropriés pour être utilisés dans les circuits d'échappe- ment des moteurs et qui peuvent être mis en forme par des procédés couramment appliqués dans le domaine de la céra- mique pour former des éléments filtrants pour particules de gaz d'échappement des moteurs diesel qui possèdent un haut rendement et un grand volume de retenue. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va sui- vre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exem- ple, la Fig. 1 est une vue en perspective d'un élément filtrant du type mousse céramique réalisé conformément à l'invention; la Fig. 2 est une vue à grande échelle d'une par- tie de l'élément filtrant céramique de la Fig.1, qui montre par une vue très agrandie une représentation de la structure poreuse et des filaments incorporés du corps de cet élément; la Fig. 3 est une vue en perspective et en partie en coupe d'une autre forme de réalisation d'un élément fil- trant suivant l'invention comprenant des passages parallèles extrudés dont une extrémité sur deux est fermée et qui sont délimités par des parois perméables aux gaz; la Fig. 4 est une vue à plus grande échelle et en coupe d'une partie d'une structure monolithique analo- gue à celle de la Fig.3, qui montre les dimensions relati- ves-des canaux et parois extrudés dansune forme de réalisa- tion de l'invention; la Fig. 5 est une vue à plus grande échelle de la surface de l'une des parties de parois extrudées du mo- nolithe dela Fig.3 qui montre les pores perméables aux gaz, formant des passages, avec leurs fibres; la Fig. 6 est une vue à plus grande échelle et en coupe d'une partie de l'une des parois du monolithe de la Fig. 3, qui montre la forme des pores perméables aux gaz et des fibres encastrées dans ces parois. Les Fig. l et 2 montrent une forme préférée de 2472081- réalisation de l'invention dans laquelle un piège à particu- les 10 pour gaz d'échappement de moteur diesel comprend un élément filtrant ou de retenue 12 de configuration générale cylindrique. L'élément 12 comprend un corps rigide ou subs- trat d'une céramique résistant aux hautes températures du type mousse-, qui possède une résistance mécanique et une résistance aux chocs thermiques relativement élevées. Cet élément possède des parois céramiques 14 reliées entre elles qui définissent un réseau ouvert de pores 16 intercommuni- cants, d'une dimension de l'ordre du micron (représentés sous une forme très agrandie), qui se rejoignent pour dé- limiter des passages irréguliers qui traversent l'élément d'une extrémité 18 à l'autre extrémité 20. Les parois interconnectées 14 sont réalisées avec une solidité suffisante pour conférer à l'élément monolithique une solidité appropriée pour résister à la rupture de cet élément lorsqu'il est utilisé comme élément filtrant ou élément de retenue dans un circuit d'échappe- ment de moteur diesel. Les pores formés par la structure des parois sont suffisamment grands et nombreux pour laisser les-gaz d'échappement s'écouler librement à travers l'élé- ment entre l'extrémité 18 et l'extrémité 20 de cet élément. Pour former des surfaces capables d'arrêter les particules dans les passages formés par les pores intercom- municants 16, ces passages s'enchevêtrent avec un grand nombre de fibres ou filaments céramiques 22 très fins, res- semblant à des cheveux, dont certaines parties sont fixées dans les parois interconnectées 14 et qui s'étendent dans les pores 16 pour former des fibres entrelacées qui font saillie au hasard dans les passages sur le trajet d'écoule- ment des gaz d'échappement. Ces fibres forment-une base qui s'ajoute à celle constituée par les parois entrelacées 14 et sur laquelle les particules contenues dans le gaz d'échap- pement du moteur diesel qui traversent le filtre s'arrêtent sans que ceci n'accroisse notablement la résistance à l'é- coulement des gaz à travers le filtre._ En utilisation, l'élément filtrant 12 est logé dans un bottier approprié dans le circuit d'échappement d'un moteur diesel de telle manière que les gaz d'échappement de ce moteur traversent cet élément. Pendant le fonctionnement du moteur, les particu- les contenues dans les gaz d'échappement heurtent les parois interconnectées et les fibres 22 qui font saillie dans les passages formés par les pores communicants 16. Les particu- les sont ainsi recueillies et arrêtées ou éliminées par fil- tration des gaz d'échappement qui traversent le filtre pour atteindre la sortie du circuit d'échappement. Lorsque la masse de particules recueillies dans le filtre atteint un niveau suffisamment élevé, les particules qui sont formées en grande partie de matières carbonées com- bustibles et de matières solubles peuvent être éliminées en chauffant l'élément filtrant céramique à la température;des particules en présence d'une quantité d'oxygène suffisante pour les brûler, ce qui régénère le filtre et lui permet de continuer à exercersa fonction.de filtration dans le cir- cuit de gaz d'échappement du moteur. Naturellement, on peut également utiliser d'autres procédés de nettoyage. L'élément filtrant peut être construit de n'impor- te quelle manière appropriée, conformément à des procédés connus et en utilisant des matériaux appropriés qui permet- tent d'atteindre les buts visés et qui sont bien connus dans la technique de la céramique. Par exemple, le substrat céramique comprenant une structure de parois poreuses du type mousse peut être fait de cordiérite, qui est un mélange d'oxyde de magnésium, d'aluminium et de silicium dans le rapport approximatif de 2MgO + 2A 203 + 5SiO2, tandis que les fibres céramiques peuvent être faites d'alumine, de silicate d'aluminium ou d'un autre matériau équivalent résistant à haute tempéra- ture et à haute résistance mécanique. L'élément peut être fabriqué par exemple en mé- langeant les fibres céramiques à haute résistance à la tem- pérature avec une matière du type uréthane qui est ensuite transformée par un procédé classique en une mousse du type éponge présentant des passages ouverts en travers desquels les fibres céramiques sont disposées au hasard. Après la polymérisation, on sature la mousse d'une suspension de ma- tière céramique telle que la cordiérite qui forme finalement- la structure du substrat de base. Ensuite, on sèche la mous- se saturée-de cordiérite et on cuit la matière à haute tem- pérature de manière à briler le matériau à base d'uréthane et à laisser subsister la structure rigide composée du subs- trat de cordiérite avec les fibres à haute résistance à la température retenues dans les parois entrelacées et faisant saillie dans les pores laissés par la combustion de l'urétha- ne. Les Fig. 3 à 6 illustrent une autre forme préfé- rée de réalisation de l'invention dans laquelle un substrat céramique à haute résistance mécanique est combiné à des fibres résistantes à haute température dans une forme de réalisation nettement différente de celle qui a été décrite en premier lieu. Dans cette forme de réalisation, le piège à particules, désigpé dans son ensemble par la référence 30, comprend un élément de retenue ou filtrant céramique monoli- thique 32 de forme générale cylindrique qui présente une ex- trémité d'entrée 34 et une extrémité de sortie 36. Dans ce cas, le monolithe présente un grand nombre de petits pas- sages parrallèles de section carrée ou d'une forme équiva- lente, qui comprennent des passages d'entrée 38 qui alternent avec des passages de sortie 40 dans la direction verticale et dans la direction horizontale. Les passages de sortie- sont fermés à l'extrémi- té d'entrée de l'élément filtrant parune paroi 42, tandis que les passages d'entrée sont fermés de façon analogue à l'extrémité de sortie de l'élément par une paroi 44. Les passages'd'entrée et de sortie sont définis à l'intérieur de l'élément 32 par une série de parois po- reuses 46 qui sont perméables à l'écoulement des gaz et forment des surfaces capables de retenir les particules contenues dans lesgaz d'échappement du moteur qui traver- sent cet élément. Les épaisseurs des parois et les dimen- sions des passages d'entrée et de sortie 38, 40 peuvent être choisies suivant le besoin pour conférer une résis- tance mécanique appropriée à la structure céramique et pour ménager une dimension de passages appropriée pour favoriser l'écoulement libre des gaz d'échappement à travers l'élément. La vue en coupe de la Fig. 4 montre une forme possible d'ar- rangement dans laquelle les côtés des passages 38, 40 et les épaisseurs des parois 44 sont de mêmes dimensions, par exem- ple de 1,270 mm. Cet arrangement semble être le plus effi- cace pour former la surface de filtration maximale le long des côtés des passages d'entrée dans une structure de filtre de n'importe quelle dimension appropriée. Toutefois, il est possible de choisir pour les passages et pour leurs parois porteuses n'importe quelles autres dimensions appropriées permettant d'atteindre les buts visés. Les Fig. 5 et 6 montrent par une vue très agran- die le caractère poreux des parois 44. Ces parois présentent un grand nombre de pores irréguliers d'une dimension de l'or- dre du micron qui traversent ces parois pour laisser les gaz traverser ces dernières. Dans la matière des parois sont retenues un grand nombre de fibres 50 résistantes à haute température qui s'étendent dans les passages d'écoulement gazeux et qui forment une base support pour recueillir les particules pratiquement de la même façon que dans la pre- mière forme de réalisation décrite. L'utilisation de ces fibres permet de donner une plus grande dimension aux po- res 48 des parois de manière à réduire la résistance à l'écoulement des gaz tout en conservant une caractéristique de retenue des particules plus efficaces que celle qui se- rait possible d'obtenir sans l'addition des fibres cérami- ques. L'élément de retenue de particules ou élément fil- trant représenté sur les Fig. 3 à 6 peut être fait de n'im- porte quel matériau approprié, et il est de préférence cons- truit à partir des mêmes matériaux de base que ceux qui ont été décrits plus haut et qui sont destinés à être utilisés dans la forme de réalisation des Fig, 1 et 2. La construc- tion d'un élément suivant les Fig. 3 et 6 peut s'effectuer en préparant un mélange approprié d'une matière céramique telle que la cordiérite avec des ingrédients porophores appropriés et avec des fibres céramiques d'une matière ap- propriée telle que l'alumine dispersées au hasard. On trans- forme ensuite ce mélange en un monolithe ouvert à ses ex- trémités, par exemple par extrusion suivant des procédés connus. Après le séchage et la cuisson du monolithe, on bouche les extrémités opposées des passages d'entrée et de sortie pour former les parois 42, 44, et on durcit la ma- tière de bouchage des extrémités suivant des probédés con- nus. Dans l'opération de cuisson du corps monolithique, la combustion des matériaux porophores contenus dans la struc- ture céramique laisse subsister les parois poreuses et les fibres céramiques qui s'étendent en travers de ces parois de la façon représentée, pour ménager des passages ouverts appropriés Pour être utilisés pour arrêter les particules sur les parois des passages d'entrée pendant que les gaz d'échappement circulent dans ces passages. Naturellement, cette description d'un procédé de construction spécifique est un exemple et ne doit pas être considérée comme limi- tative de la façon dont les éléments de retenue ou éléments pièges suivant l'invention peuvent être confectionnés. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Elément de retenue de particules pour épuration des gaz d'échappement des moteurs diesel et analogues, caractérisé en ce que ledit élément (10, 30) comprend un corps monolithique (12, 32) fait d'une ma- tière céramique poreuse résistante à haute température et présentant un grand nombre de pores (16, 48) de l'ordre du micron formant des passages de section irrégulière qui traversent le corps et sont suffisamment perméables pour laisser passer un grand débit de gaz, et une masse répartie de fines fibres céramiques (22, 50)retenues dans le corps céramique et qui s'étendent dans les passages pour favoriser la séparation des particules des gaz qui traversent ledit élément et retenir ces particules. 2. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau céramique est un matériau du type mousse comprenant des parois enchevêtrées (14) qui délimitent lesdits pores (16), les fibres céra- miques étant réparties au hasard. 3. Elén&ent suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit corps monolithique com- prend des parois intérieures (46) interconnectées qui délimitent un grand nombre de petits canaux d'entrée (38) parallèles entre eux, ouverts à une extrémité de l'élément et qui sont adjacents à une série de petits canaux de sortie (40) parallèles entre eux et qui sont ouverts à l'autre extrémité de l'élément.