Brevet FR2472080A1 — publié le 19810626

La présente invention se rapporte à un circuit d'échappement de moteur diesel comprenant un piège à parti- cules destiné à retenir les particules des gaz d'échappe- ment. Elle concerne plus particulièrement un dispositif destiné à équilibrer la répartition et l'incinération des particules combustibles retenues dans les éléments fil- trants céramiques monolithiques à parois poreuses inter- calés dans les circuits d'échappement des moteurs diesel. La demande de brevet français N08025425 de la Demanderesse décrit diverses formes d'éléments filtrants monolithiques céra- miques à parois poreuses destinés à être utilisés comme pièges à particules de gaz d'échappement des moteurs diesel dans les circuits d'échappement des moteurs diesel, en particulier des moteurs utilisés dans les véhicules auto- mobiles. Des essais ont montré que ces pièges constituent des moyens très efficaces pour arrêter et retenir les particules carbonées présentes dans les gaz d'échappement des moteurs diesel. Toutefois, on s'est heurté à certaines difficultés lorsqu'on a tenté de régénérer ou de nettoyer ces éléments filtrants par l'incinération des dépôts de particules accumulées in situ par simple chauffage des gaz d'entrée du filtre comme on l'avait proposé précédem- ment. La difficulté que l'on rencontre dans l'incinération des particules contenues dans les éléments filtrants céra- miques monolithiques semble consister dans le fait que la répartition des températures des gaz d'échappement chauds envoyés à l'élément varie considérablement dans les passages d'entrée pendant le processus d'incinération. Ceci a pour effet de nettoyer une zone avant les autres, ce qui court- circuite les gaz d'échappement à travers la zone nettoyée et rend difficile de porter la partie restante des parti- cules recueillies à la température d'incinération. Le problème est encore compliqué par les propriétés d'isolation thermique du matériau céramique filtrant, qui ne favorisent pas la conduction de la chaleur d'une zone de l'élément à une autre zone. Il est donc souhaitable de créer des moyens et procédés perfectionnés pour assurer l'incinération des particules contenues dans les pièges à particules céramiques monolithiques pour gaz d'échap- pement des moteurs diesel et analogues. La présente invention a pour objet un nouvel agen- cement pour piège à particules monolithique céramique pour gaz d'échappement de moteur diesel et pour le réseau associé de distribution des gaz d'échappement qui apporte certains des avantages recherchés. La disposition propo- sée consiste à acheminer les gaz du moteur diesel par une paire de conduits aux deux extrémités de-passages d'entrée d'un filtre céramique monolithique qui sont ouverts à leurs deux extrémités. Des moyens sont également prévus pour faire varier le débit pénétrant dans les extrémités ouvertes opposées des passages d'entrée de manière à maîtriser (1) la répartition des particules recueillies sur les parois des passages d'entrée et, suite, (2) le débit des gaz d'échappement chauffés et la distribution consécutive de la température dans les passages d'entrée pendant l'incinération des particules, en apportant ainsi une capacité nettement améliorée de nettoyage de l'élément filtrant céramique monolithique. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue de dessus, en partie en coupe, d'un piège à particules pour gaz d'échappement de moteur diesel et d'un réseau de distribution des gaz d'échappement suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue en perspective d'un élé- ment filtrant céramique monolithique à flux croisés destiné à être utilisé dans les pièges à particules des Fig. 1 et 3; - la Fig. 3 est une vue de dessus et en partie en coupe d'une autre forme de réalisation d'un piège à particules de gaz d'échappement et d'un réseau de dis- tribution conforme à l'invention; et - la Fig. 4 est une représentation graphique de conditions déterminées empiriquement et qui sont apparem- ment présentes pendant l'incinération des particules dans une autre forme de filtre monolithique céramique pour parti- cules de gaz d'échappement. La Fig. 1 représente une forme de réalisation pro- posée pour un ensemble 10 comprenant un piège à particules de gaz d'échappement de moteur diesel et son réseau de distribution de gaz suivant l'invention, cet ensemble comprenant un piège 12 pour particules de gaz d'échappe- ment comportant des collecteurs d'entrée des gaz d'échappe- ment 14 et 16 situés à ses deux extrémités et un collecteur 18 de sortie des gaz d'échappement situé le long d'un côté de ce piège. Le côté 20 qui est à l'opposé du collecteur de sortie est fermé, de même que la face supérieure et la face inférieure du piège. Le piège 12 est relié à un réseau de distribution qui comprend un tube d'entrée unique 22, lequel peut être constitué par le tuyau d'échappement d'un moteur diesel de véhicule. Le tube 22 mène à un distributeur ou répar- titeur 24 qui est lui-même relié à des tubes d'arrivée de gauche et de droite 26 et 28 respectivement. Ces tubes d'arrivée sont à leur tour reliés respectivement aux collecteurs d'entrée 14 et 16 du piège. Un volet de dis- tribution ou de répartition 30 logé dans le distributeur 24 peut se déplacer sous l'action de moyens quelconques appropriés, non représentés, en pivotant autour d'un point d'articulation 32, pour faire varier le débit de gaz d'en- trée envoyés aux tubes d'arrivée de droite et de gauche 26, 28, cette variation pouvant éventuellement aller jusqu'à l'interruption complète de la transmission des gaz à l'un ou l'autre de ces tubes. Un tuyau d'échappement 34 est relié au collecteur de sortie 18 pour recevoir les gaz d'échap- pement épurés sortant du piège à particules et les débiter par le circuit d'échappement du véhicule, non représenté. La Fig. 2 représente un élément filtrant monolithi- que céramique 36 à flux croisés du type utilisé dans le piège à particules 12 de la Fig. 1. L'élément filtrant 36 peut être réalisé sous n'importe quelle configuration -47200 appropriée et de n'importe quelle façon appropriée, mais il présente de préférence la forme de l'élément filtrant représenté à la Fig. 4 de la demande de brevet français précitée. Dans cette forme, l'élément 36 comprend un corps céramique à parois poreuses qui comprend une paroi avant 38, une paroi arrière 40, des parois terminales 42 et 44, une paroi supérieure 46 et une paroi inférieure 48. A l'intérieur de ces parois enveloppes, l'élément filtrant comprend une série de couches alternées composées chacune de passages délimités par des parois poreuses minces. Ces passages comprennent des couches alternative- ment composées de passages d'entrée 50 qui s'étendent transversalement dans l'élément et sont ouvertes à leurs deux extrémités à travers les parois terminales 42 et 44. Entre ces couches de passages d'entrée sont situées des couches de passages de sortie 52 qui s'étendent transversa- lement aux passages d'entrée des ouvertures de la paroi avant 38 à l'arrière de l'élément mais sont fermées à leur extrémité arrière par la paroi arrière 40. Les extrémités ouvertes des passages d'entrée 50 sont reliées aux col- lecteurs d'entrée 14, 16 du piège à particules 12, tandis que les extrémités ouvertes des passages de sortie 52 sont reliées au collecteur de sortie 18. Les passages d'entrée et de sortie 50, 52 sont séparés les uns des autres par des parois intérieures poreuses 54 qui sont perméables aux gaz mais présentent des pores suffisamment petits pour former des surfaces collectrices capables de retenir une proportion importante des particules contenues dans les gaz d'échappement du moteur diesel. L'élément céramique 36 présente donc une grande étendue de surface filtrante entre les passages d'entrée,50 et les passages de sortie 52, sous la forme des parois intérieures poreuses 54. La Fig. 3 montre une variante possible de réalisa- tion d'un ensemble composé d'un piège à particules de gaz d'échappement de moteur diesel et de son réseau de distribu- tion, cet ensemble étant désigné par la référence 56 et étant du type qui peut avantageusement être utilisé en remplacement du piège à particules représenté sur la Fig.3 de la demande de brevet français précitée. L'ensemble 56 comprend un piège à particules 58 renfermant un élément filtrant du type représenté sur la Fig. 2. Ce piège 58 comporte à ses extrémités opposées deux collecteurs d'en- trée 60, 62 qui sont reliés aux extrémités ouvertes op- posées des passages d'entrée 50 de l'élément filtrant. Ces collecteurs reçoivent respectivement les gaz d'échap- pement à travers deux tubes d'entrée 64, 66 respectivement. Le piège 58 est également muni de deux col- lecteurs de sortie 68, 70 qui sont reliés aux passages de sortie 52 situés respectivement sur le côté de gauche et le côté de droite de la paroi avant 38 de l'élément fil- trant intérieur. Les collecteurs 68 et 70 sont également reliés aux côtés opposés d'un distributeur ou répartiteur 72 qui renferme un volet pivotant intérieur 74 que l'on peut déplacer pour faire varier l'un par rapport à l'autre les débits s'écoulant des collecteurs jusqu'à un tuyau d'échappement unique 76 qui peut être relié au circuit d'échappement du véhicule. Fonctionnement des constructions de l'art antérieur Dans le fonctionnement du piège à particules représenté sur les Fig. 1 et 2 de la demande précitée, les gaz d'échappement sont envoyés dans les passages d'entrée de l'élément filtrant, d'o ils passent, à travers les parois poreuses, dans les passages de sortie adjacents, qu'ils quittent ensuite à travers les extrémités ouvertes de ces passages. Pendant ce fonctionnement, les particules contenues dans les gaz d'échappement sont en grande partie recueillies sur les surfaces des parois poreuses des pas- sages d'entrée pour former un mince gâteau sur ces parois. Pour éviter que ce gâteau ne se développe à un point tel qu'il se manifeste une résistance excessive au passage des gaz d'échappement à travers le filtre, il est nécessaire de nettoyer périodiquement l'élément filtrant. Ceci peut s'effectuer en chauffant les dépôts de parti- cules pour les porter à leur température de combustion en présence d'une quantité d'oxygène suffisante pour brûler ces particules et les éliminer des surfaces des parois cé- ramiques. On peut obtenir ce résultat en retirant l'élément filtrant et en le chauffant dans un four. Toutefois, il est préférable d'effectuer une opération de nettoyage en lais- sant l'élément filtrant en place dans le véhicule, dans son piège à particules. La Fig. 4 représente graphiquement un exemple de profil déterminé empiriquement, qui est représentatif des conditions qui semblent être présentes pendant l'incinéra- tion des particules réalisée en faisant passer des gaz d'échappement chauffés à travers un élément filtrant du type représenté à la Fig. 2 de la demande de brevet préci- tée. La ligne supérieure A représente la température des particules chauffées dans l'élément, tandis que la deuxième ligne B (en traits interrompus) représente la température des gaz. La troisième ligne C indique l'épaisseur restante du gâteau de particules déposé sur les parois de l'élément, et la quatrième ligne D représente la concentration de l'oxygène dans les gaz d'échappement que l'on fait passer à travers cet élément. L'axe longitudinal du graphique re- présente la longueur du filtre, de l'extrémité d'entrée avant F, à gauche, à l'extrémité de sortie arrière R, à droite. On peut voir que la réaction entre les gaz chauds et les particules retenues se traduit par un accroissement de la température des gaz et des particules lorsque les gaz s'écoulent de l'entrée à peu près jusqu'à la moitié de l'élément. Au- delà de ce point, l'abaissement du niveau de concentration de l'oxygène dans le gaz, qui résulte de la combustion des particules dans la moitié avant de l'élément, fait décroître l'intensité de la réaction de la combustion, ce qui se traduit par une plus faible élévation de la température. En même temps, l'écoulement d'une partie des gaz chauds à travers les parois poreuses, par lesquelles ils gagnent les passages de sortie, évacue la chaleur au-delà de la dernière partie du gâteau de particules sans favoriser sa combustion. Il en résulte que le gâteau de particules com- mence par diminuer d'épaisseur dans la région du centre de l'élément, à peu près au point o se place le pic de température de combustion pendant l'incinération, comme indiqué par la ligne C. Ensuite, une grande partie des gaz chauds qui traversent l'élément est court-circuitée à travers la partie nettoyée du filtre. Il devient ensuite plus difficile d'éliminer le gâteau de particules des parties des passages d'entrée du filtre qui sont situées dans la région de l'extrémité arrière ou de sortie de ce filtre. Fonctionnement de la forme de réalisation représentée sur la Fig.l. Le dispositif suivant l'invention est agencé pour travailler d'une façon qui contribue à surmonter cette difficulté de l'incinération et également à promouvoir une répartition plus régulière du gâteau de particules pen- dant le fonctionnement normal du filtre. Dans le fonc- tionnement de la forme de réalisation de la Fig. 1, les gaz d'échappement pénètrent dans l'ensemble du dispositif par le tube d'entrée 22 et sont répartis par les tubes 26 et 28 et par les collecteurs 14 et 16 entre les deux extré- mités opposées des passages d'entrée 50 de l'élément fil- trant. Après leur entrée dans les passages 50, les gaz traversent les parois poreuses 54 pour pénétrer dans les passages de sortie 52 adjacents. Ensuite, ils traversent les extrémités ouvertes des passages de sortie pour pénétrer dans le collecteur de sortie 18 et s'échapper par le tuyau d'échappement 34. Le passage des gaz d'échappement à travers les parois poreuses 54 se traduit par un effet de filtration qui accumule un gâteau de particules retenues sur les surfaces des flancs des parois poreuses des passages d'entrée, comme on l'a décrit plus haut. Il est possible d'obtenir une répartition relativement uniforme de ce gâteau si le distributeur 24 présente son volet 30 en position centrée comme représenté sur la Fig. 1, de manière à envoyer des débits gazeux égaux aux deux extrémités de l'élément filtrant. Toutefois, on peut éventuellement pla- cer le volet 30 de façon permanente dans une autre position désirée ou encore déplacer périodiquement ce-volet pour faire varier à différents instants le débit envoyé à l'une ou à l'autre extrémité du filtre, de manière à faire varier le profil des débits gazeux envoyés aux passages d'entrée et, de cette façon, à répartir plus uniformément les particules recueillies sur les parois des passages lorsque les gaz traversent ces parois. L'accumulation de particules sur les parois des passages d'entrée de l'élément filtrant atteindra périodi- quement le point o il est nécessaire d'éliminer le gâteau de particules des parois-afin de régénérer l'élément et de pouvoir ainsi continuer à l'utiliser avant qu'il ne se crée un étranglement excessif du flux de gaz d'échappement. Ceci peut s'effectuer in situ en chauffant tout d'abord les gaz d'échappement de n'importe quelle façon appropriée, par exemple de la façon qui a été proposée dans la demande de brevet européen n0 79302114 de la Demanderesse. Les gaz d'échappement chauffés sont alors introduits dans le dispositif par le tuyau d'entrée 22 et les tuyaux d'arrivée 26 et 28, les gaz pénétrant par les extrémités opposées des passages d'entrée de l'élément filtrant et chauffant les particules contenues dans ces passages. Si l'on se base sur les résultats dés essais précédents et sur les conditions déterminées empiriquement qui sont représentées sur la Fig. 4, on peut présumer qu'en envoyant la totalité des gaz d'échappement chauffés dans l'une ou l'autre des extrémités de l'élément filtrant, on obtiendrait des conditions dans les passages d'entrée à peu près équivalentes à celles qui sont indiquées sur la Fig. 4. Toutefois, lorsque le volet de répartition est centré comme indiqué sur la Fig. 1, on peut s'attendre à ce que le schéma d'écoulement résultant donne deux zones de températures de pointe espacées l'une de l'autre et situées entre le centre de l'élément et les parties extrêmes des extrémités d'entrée. Par ailleurs, il doit être possible de déplacer les positions de ces zones de pointe de tempé- rature en modifiant la position du volet 30 dans le distri- buteur. C'est ainsi que l'on s'attend à ce qu'il soit possible d'obtenir une combustion plus complète des parti- cules retenues en faisant varier de façon continue ou périodique la position du volet 30 pendant la phase d'in- cinération, de manière que les pointes de température soient périodiquement atteintes en des points différents de l'élément filtrant, sur une gamme de positions qui s'étendent sur une grande partie de la longueur des pas- sages d'entrée. De cette façon, presque toutes les parti- cules recueillies peuvent être brûlées pendant le proces- sus d'incinération. Si nécessaire, on peut utiliser des capteurs appropriés ou autres dispositifs indicateurs appropriés logés dans l'élément pour déterminer l'état des passages et contribuer à commander le distributeur de manière à obtenir l'effet désiré d'incinération pratique- ment complète des résidus en particules. Fonctionnement de la forme de réalisation de la Fig.3. On se reportera maintenant au fonctionnement de la forme de réalisation de la Fig. 3. Les gaz d'échappement sont envoyés par les deux tubes d'entrée 64, 66, à des débits approximativement égaux, dans les extrémités op- posées de l'élément filtrant contenu dans le piège 58. Toutefois, on peut faire varier les débits d'écoulement dans les passages d'entrée de l'élément en modifiant la position du volet 74 du distributeur 72 qui commande le débit gazeux passant par les collecteurs de sortie 68 et 70. Si, par exemple, le volet 74 arrête l'écoulement par le collecteur 70, les gaz d'échappement sont contraints de s'échapper en totalité par les passages de sortie du côté gauche pour atteindre le collecteur 68 et, de ce fait, les gaz contenus dans les passages d'entrée doivent fran- chir le milieu de l'élément filtrant avant de pouvoir pénétrer dans les passages de sortie actifs en traversant les parois poreuses. Si le volet 74 ferme le collecteur 68 du côté gauche, on obtient le résultat opposé. De cette façon, pendant le fonctionnement normal ou pendant l'in- cinération, on peut utiliser le déplacement du volet 74 à l'intérieur du distributeur pour faire varier l'écoule- ment dans les passages d'entrée de l'élément filtrant, ce qui permet d'obtenir un résultat analogue à celui qui est obtenu par l'utilisation du distributeur d'entrée de la première forme de réalisation. Il va de soi que, bien que l'utilisation d'un élément filtrant à flux croisés semble actuellement préférable pour la mise en oeuvre pratique de ce principe, il est également dans le domaine des possibilités de modifier un élément à flux parallèles tel que celui de la Fig. 2 de la demande de brevet européen n0 79302114 précitée de manière à faire pénétrer les gaz d'échappement par les deux extrémités des passages d'entrée afin de pouvoir régler le débit en diverses parties de ces passages de la façon proposée dans le présent mémoire. Cet arrangement nécessiterait une structure de collecteur relativement compliquée qui n'est pas.considérée comme réalisable actuellement mais qui reste dans le domaine des possibilités. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Circuit d'échappement pour moteur diesel du type équipé de moyens de retenue et d'incinération de Particules, caractérisé en ce qu'il comprend un piège (12) à particules de gaz d'échappement comprenant une série de passage d'entrée (50) à peu près parallèles, ou- verts à leurs deux extrémités (42, 44), et une série de passages de sortie (52) à peu près parallèles, ouverts à au moins l'une de leurs extrémités, les passages d'entrée étant adjacents aux passages de sortie et étant séparés de ces derniers par des parois poreuses (54) à travers lesquelles les gaz d'échappement peuvent passer des pas- sages d'entrée aux passages de sortie et par lesquels les particules combustibles sont éliminées des gaz d'échap- pement par filtration au cours du passage de ces gaz à travers lesdites parois; un réseau d'entrée comprenant plusieurs conduits d'entrée (26, 28; 64, 66) branchés de manière à envoyer auxdits passages d'entrée des gaz d'é- chappement qui peuvent être chauffés pour provoquer l'in- cinération des particules filtrées, les extrémités opposées (42, 44) de chaque passage d'entrée étant alimentées par des conduits d'entrée séparés; un réseau de conduits de sortie comprenant au moins un conduit de sortie (34; 76) relié aux extrémités ouvertes desdits passages de sortie pour recevoir les gaz d'échappement filtrés en provenance de ces passages; et un distributeur (24; 72) intercalé dans l'un desdits réseaux et agencé de manière qu'on puisse l'actionner pour faire varier le débit des gaz d'échappement envoyé à une certaine partie des passages d'entrée par rapport à celui envoyé au reste des passages d'entrée. 2. Circuit d'échappement de moteur diesel suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piège à particules est un élément filtrant céramique monolithique (36). 3. Circuit d'échappement de moteur diesel sui- vant l'une des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que ledit distributeur (24) est intercalé dans ledit réseau d'entrée.