Brevet FR2475120A1 — publié le 19810807

La présente invention se rapporte aux filtres à particules pour l'épuration des gaz d'échappement des moteurs et plus particulièrement à des filtres à particules pour l'é- puration des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne montés sur véhicules, tels que les moteurs diesel. On consacre actuellement des efforts considérables à la recherche de moyens pratiques pour limiter les quantités de matières en particules rejetées dans l'atmosphère par le fonctionnement des moteurs diesel des automobiles. On étudie diverses solutions de ce problème, qui comprennent des modifi- cations apportées aux moteurs et le montage de différents ty- pes de dispositifs de traitement des matières particulaires des gaz d'échappement, par exemple des brûleurs et des filtres. Un filtre à particules à double circuit suivant l'in- vention, destiné à 4tre utilisé avec des moteurs à combustion, comprend: un bottier présentant une entrée et une sortie et qui définit un volume fermé entre cette entrée et cette sortie, ce volume étant divisé en un premier et un deuxième circuits d'écoulement de gaz qui s'étendent entre l'entrée et la sortie, un élément filtrant principal à haute efficacité, intercalé dans le premier circuit pour recueillir une grande partie des particules des gaz d'échappement qui le traversent, un élément filtrant secondaire à faible perte de charge intercalé dans le deuxième circuit, pour recueillir un volume important des par- ticules des gaz d'échappement qui passent dans ce deuxième cir- cuit, et un organe obturateur actionné par la pression, qui, normalement, ferme le deuxième circuit et dirige le flux de gaz d'échappement vers le premier circuit pour qu'il soit épuré par l'élément filtrant principal, cet organe obturateur étant actionné en réponse à des conditions prédéterminées de haute pression en ouvrant le deuxième circuit et en laissant le flux excédentaire de gaz passer par ce deuxième circuit pour qu'il soit épuré par l'élément filtrant secondaire. Une forme préférée de réalisation de l'invention com- prend un piège à particule nettoyable ou rechargeable pour l'épuration des gaz d'échappement des moteurs diesel qui com- prend un ensemble filtrant à particules à double circuit pour gaz d'échappement, comprenant un élément filtrant principal interchangeable à grande surface. Une protection contre l'é- tablissement d'une pression excessive est assurée par un or- gane obturateur de dérivation, sensible à la pression, qui s'ouvre sur un passage de dérivation contenant un filtre se- condaire interchangeable du type à mailles ou du type fibreux. Les éléments filtrants sont de préférence disposés concentriquement, et ils comprennent de préférence un élément principal en papier plissé ou en fibre de verre qui entoure un élément secondaire tubulaire garni de mailles. Ces deux é- léments peuvent être remplacés après l'ouverture d'un couver- cle prévu à une extrémité de l'ensemble. Le flux envoyé en dé- rivation à l'élément filtrant secondaire assure le filtrage continu des gaz d'échappement tout en protégeant le filtre principal des pressions excessives qui pourraient l'endommager ou être nuisibles au bon fonctionnement du moteur diesel au- quel le dispositif est combiné. Il peut se manifester des con- tre-pressions excessives, suffisantes pour ouvrir l'organe obturateur de dérivation, pendant le fonctionnement normal à grande puissance du moteur, par exemple pendant les accéléra- tions du véhicule ou la montée des côtes, ainsi que lorsque le volume des particules recueillies par le filtre principal est suffisamment grand pour faire obstacle au passage normal du gaz à travers ce filtre. Un dispositif indicateur peut 9tre combiné à l'organe obturateur de dérivation pour signaler l'ou- verture de cet organe au conducteur du véhicule et constituer ainsi un moyen capable de signaler l'état du filtre de gaz d'é- chappement et la nécessité d'intervenir sur ce filtre pour l'entretien. L'ensemble de filtre à particules peut être com- biné à un pot d'échappement silencieux solidaire de ce filtre pour former avec ce pot un groupe de faible encombrement adap- té pour être monté sur un véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue en perspective d'une partie du chassis d'un véhicule qui montre le montage d'un moteur diesel et de son dispositif d'échappement, qui comprend un filtre à particules et un ensemble de silencieux suivant l'in- vention; - la Fig. 2 est une vue arrière de l'ensemble de filtre à particules et de silencieux de la Fig. 1, avec la partie filtre de cet ensemble représentée en coupe suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue en coupe transversale du filtre, suivant la ligne 3-3 de la Fig. 2; - la Fig. 4 est une vue en coupe transversale de la partie d'entrée du filtre, suivant la ligne 4-4 de la Fig. 2.; En se reportant tout d'abord à la Fig.ljla référence désigne dans son ensemble une partie du châssis 12 d'un vé- hicule et un groupe moteur-botte de vitesses 14 est monté au voisinage de l'extrémité avant de ce châssis. Le groupe 14 comprend un moteur diesel 16 ayant deux rangées de cylindres dont chacune comporte son propre collecteur d'échappement, seul le collecteur 18 de la rangée de droite étant représenté. Un tube transversal 20 amène les gaz d'échappement du collec- teur d'échappement de la rangée de gauche (non représenté) au collecteur 18 de la rangée de droite. Les gaz d'échappement provenant des deux collecteurs sont ainsi dirigés vers un rac- cord de sortie 22 qui mène à un tuyau d'échappement 24, relié à un résonateur 26 monté à mi-longueur du châssis du véhicule. Un tuyau d'échappement 28 relie le résonateur à l'entrée 30 d'un ensemble 32 formant filtre à particules et silencieux qui est monté transversalement dans la partie arrière du châssis du véhicule. Ainsi qu'on l'a représenté en détails sur les Fig. 2 à 4, l'ensemble 32 formant filtre à particules et silencieux comprend un silencieux cylindrique court 34 ayant une chambre intérieure munie de chicanes et agencée pour réduire la trans- mission du son des gaz d'échappement qui passent de l'entrée à une sortie centrale 36, menant à un filtre à particules 38, adjacent, auquel le silencieux 34 est fixé. Le filtre à particules 38 comprend une coquille ex- térieure cylindrique 40 qui supporte, à une extrémité, une pa- roi terminale d'entrée amovible 42 qui forme également une pa- roi terminale du silencieux adjacent 34 à travers laquelle pas- se la sortie 36 de celui-ci. A l'autre extrémité du filtre à particules 38 une paroi terminale de sortie ouvrante 44 est ar- ticulée sur la coquille par une charnière 46 et normalement retenue dans une position de fermeture par une attache à res- sort 48. La coquille extérieure 40 et les parois terminales d'entrée et de sortie 42, 44 délimitent un volume fermé à pro- ximité de l'extrémité d'entrée duquel est située une paroi ou cloison séparatrice circulaire 50 qui est fixée par des vis 51 à une série de ferrures 52 soudées à la paroi terminale d'en- trée 42. Les deux parois 50 et 42 délimitent ensemble une zone 54 d'entrée des gaz qui s'étend radialement vers l'extérieur, de la sortie 36 du silencieux à la coquille extérieure 40. La cloison 50 est traversée en son centre par un pas- sage de dérivation 56 et par un tube court 58. Le passage 56 est normalement fermé par un clapet 60 sollicité par un res- sort, supporté par une charnière 62 et qui est en contact con- tre le tube 58 mais s'ouvre sous la pression des gaz pour lais- ser les gaz s'écouler par le passage de dérivation 56. Autour du tube 58 et du clapet 60, est prévu un support 64 de filtre présentant une forme partiellement cylindrique, qui est monté en saillie sur la cloison 50 et présente une lèvre inférieure 66 reliée à des côtés découpés 68 dirigés vers le haut-et qui est ouvert dans la région supérieure 70 pour former un déga- gement donnant place à la charnière 62 du clapet. Un couver- cle 72 fixé au support 64 du filtre ferme la région qui en- toure le clapet 60 pour empêcher les gaz de s'échapper du pas- sage de dérivation 56. A l'intérieur de la coquille 40 et entre la paroi terminale de sortie 44 et la cloison 50, sont montés de façon amovible un élément filtrant principal 74 et un élément fil- trant secondaire 76. L'élément principal 74 comprend de préfé- rence un récipient métallique 78 qui a des parois tubulaires coaxiales perforées 80, 82, respectivement extérieure et inté- rieure, et des éléments d'extrémités 84 qui, ensemble, enfer- ment un filtre annulaire 86 formé de préférence d'une feuille plissée, de papier ou de fibre de verre, pour former une gran- de surface de filtrage. Des garnitures d'étanchéité 86 sont prévues pour fermer les extrémités de l'élément filtrant prin- cipal 74 qui est supporté espacé de la coquille extérieure 40 du filtre par quatre supports 88 coudés régulièrement espacés qui sont soudés à la coquille extérieure. Ces supports main- tiennent un espace ou une chambre annulaire 90 entre la co- quille extérieure 40 et l'élément principal 74 pour permettre aux gaz d'échappement arrivant de circuler sur la périphérie de l'élément principal 74. L'élément filtrant secondaire 76 comprend un élément de passage tubulaire 92 qui est reçu et supporté à une extré- mité par le support partiellement cylindrique 64 situé à l'ex- trémité d'entrée du filtre. A cette extrémité, une partie 93 de l'élément 92 est découpée pour former un dégagement et don- ner place à la charnière 62 du clapet de dérivation. A son au- tre extrémité, l'élément de passage 92 est supporté par trois supports 94 à profil coudé qui sont soudés à l'élément 92 et maintiennent ce dernier dans une position concentrique à la paroi intérieure 82 de l'élément filtrant principal, et à dis- tance de cette paroi. L'extrémité de sortie de l'élément 92 est maintenue espacée de la paroi d'extrémité de sortie articu- lée 44 par le prolongement des supports 94 qui font saillie au-delà de l'extrémité de l'élément 92 jusqu'à un point ad- jacent à la paroi d'extrémité 44. L'espacement des éléments filtrants principal et secondaire ménage une chambre de sor- tie annulaire 96 entre l'élément de passage 92 et la paroi intérieure 82 de l'élément filtrant principal, espace de sor- tie dans lequel débouchent les gaz qui traversent l'élément filtrant principal. La chambre de sortie annulaire 96 est re- liée à une partie de sortie 98 située à l'extrémité de l'élé- ment de passage 92, en position intérieure par rapport à la paroi d'extrémité 44. A l'intérieur de l'élément de passage 92 qui forme I*> la coquille extérieure de l'élément filtrant secondaire, cet élément comprend une masse comprimée de fibres métalliques retenues par des toiles espacées 102 et 104, la dernière toile 104 étant espacée de l'extrémité d'entrée de l'élément de passage 92 pour laisser un dégagement qui permet au clapet de dérivation 60 de s'ouvrir en s'engageant dans l'élément de passage 92. La partie de sortie 98 est reliée par une ouver- ture 106 ménagée dans la paroi d'extrémité de sortie 44 à un conduit de sortie 108 servant-à rejeter les gaz d'échappement filtrés dans l'atmosphère. En fonctionnement, les gaz d'échappement envoyés du moteur à l'ensemble 32 formant filtre à particules et silen- cieux 34 traversent celui-ci et sortent dans la partie 54 d'en- trée des gaz.. Dans les conditions normales à faible pression lorsque le clapet de dérivation 60 est fermé, les gaz d'échap- pement se dirigent vers l'extérieur pour pénétrer dans la cham- bre annulaire 90 qui entoure l'élément filtrant principal 74, d'o les gaz se dirigent radialement vers l'intérieur pour tra- verser cet élément en laissant des proportions importantes des particules contenues dans les gaz d'échappement déposées sur les surfaces de grande superficie du filtre plissé 86 contenu dans l'élément filtrant principal 74. Les gaz filtrés passent de l'élément filtrant principal dans la chambre de sortie an- nulaire 96 qui entoure l'élément de passage 92 et sont diri- gés par cette chambre vers l'extrémité de sortie de l'ensemble pour atteindre la partie de sortie 98 et sortir du filtre à particules par l'ouverture 106 et le conduit d'échappement 108. A chaque fois que la contre-pression des gaz d'é- chappement contenus dans le filtre devient suffisamment éle- vée, comme cela peut se produire lorsque le filtre 86 est col- maté par des particules ou lorsque le moteur travaille à une grande puissance de sortie, cette pression oblige le clapet de dérivation 60 à s'ouvrir et laisse une certaine proportion des gaz d'échappement passer de la partie d'entrée 54 dans l'é- lément de passage de dérivation 92 et traverser l'élément fil- trant secondaire 76 pour atteindre la partie de sortie 98 du filtre à particules. La matière 100 de l'élément filtrant se- condaire qui est composée de fibres métalliques ménage un pas- sage plus ouvert et présentant par conséquent une plus faible perte de charge, que les pores fins du filtre plissé 86 de l'é- lément filtrant principal. Toutefois, le circuit sinueux formé dans la matière fibreuse métallique 100 de l'élément secondaire assure également un filtrage efficace des particules des gaz d'échappement qui traversent cet élément. En outre, étant don- né que l'élément secondaire 76 n'est utilisé pour assurer le filtrage des gaz d'échappement que dans des conditions spéci- fiées représentant une durée relativement limitée le volume des particules retenues n'est pas susceptible de provoquer un colmatage notable de l'élément secondaire, au moins jusqu'au moment o l'élément filtrant primaire est colmaté et o le filtre demande une intervention d'entretien. Le mode particulier de construction du filtre ainsi que la position de l'ensemble de filtre et de silencieux & l'intérieur du châssis du véhicule présentent des avantages qui ne sont peut-être pas immédiatement visibles. Le montage de l'ensemble de filtre et de silencieux à l'arrière du châssis du véhicule permet d'intercaler une grande longueur de tuyau d'échappement entre cet ensemble et le moteur. Le passage des gaz d'échappement dans cette grande longueur de tuyau exerce un effet de refroidissement qui abaisse la température des gaz à un point o il est possible d'utiliser une matière filtrante à basse température comme le papier filtre plissé précité. On obtient un refroidissement additionnel des gaz d'échappement en faisant passer ces gaz à l'extérieur le long de la coquil- le extérieure 40 du filtre avant de les faire jpasser à tra- vers le filtre principal en papier plissé. On peut si on le désire fixer des ailettes de refroi- dissement à diverses parties des tuyaux d'échappement et à la coquille extérieure de l'ensemble de filtre pour augmenter l'effet de refroidissement désiré. Lorsqu'on doit intervenir sur le filtre à particules pour l'entretien, cette opération peut être effectuée facile- ment en ouvrant l'attache à ressort 48 et en rabattant la pa- roi d'extrémité de sortie 44 vers le bas autour de sa charniè- re 46, ce qui découvre les extrémités extérieures des éléments filtrants. A ce stade, on peut retirer, remplacer ou nettoyer d'une façon quelconque appropriée, soit le seul élément fil- trant principal, soit les éléments filtrants principal et se- condaire. Le filtre peut ensuite être rapidement rééquipé d'é- léments filtrants neufs ou nettoyés et de nouvelles garnitures d'étanchéité. Ensuite, on verrouille la paroi d'extrémité de sortie dans sa position de fermeture et l'unité est de nouveau prête pour le service. 24'75 120 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Filtre (38) à particules à double circuit pour l'épuration des gaz d'échappement pour moteurs à combustion, du type qui comprend: un bottier (40) ayant une entrée (42) et une sortie (106) et qui délimite un volume fermé entre cet- te entrée et cette sortie, ce volume étant divisé en un pre- mier circuit de gaz (54, 90, 86, 96, 98) et un deuxième cir- cuit de gaz (54, 56, 100, 98) qui s'étendent entre l'entrée et la sortie, un élément filtrant principal (86) à grande ef- ficacité, intercalé dans ledit premier circuit pour recueillir une grande partie des particules des gaz d'échappement qui le traversent; et un organe obturateur (60) actionné par la pres- sion, qui ferme normalement le deuxième circuit et dirige le flux de gaz d'échappement vers le premier circuit pour qu'il soit épuré par l'élément filtrant principal, ce filtre étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément filtrant secondai- re (100) à faible perte de charge intercalé dans le deuxième circuit et destiné à recueillir un volume important de parti- cules des gaz d'échappement qui traversent cet élément, ledit organe obturateur fonctionnant en réponse à des conditions pré- déterminées de haute pression en s'ouvrant et en laissant le flux excédentaire de gaz passer par le deuxième circuit pour qu'il soit épuré par ledit élément filtrant secondaire. 2 - Filtre à particules suivant la revendication 1, destiné à être utilisé avec un moteur diesel, caractérisé en ce que le filtre comprend: un bottier (40) de forme allongée, présentant une entrée (42) et une sortie (106) à ses extrémi- tés opposées, l'une desdites extrémités comportant un couver- cle ouvrant (44) qui permet d'accèder à l'intérieur du bottier à travers une ouverture d'accès des moyens qui délimitent un premier circuit de gaz (90) et un deuxième circuit de gaz (98) parallèles entre eux, qui s'étendent dans le bottier entre l'entrée et la sortie, le premier circuit s'étendant le long des parois du boîtier et contenant ledit élément filtrant prin- cipal réalisé sous la forme d'un élément filtrant tubulaire (86) que l'on peut retirer à travers ladite ouverture d'accès et qui est agencé pour laisser le gaz circuler de la périphé- rie vers l'intérieur de l'élément, de sorte que les gaz d'é- chappement qui traversent cet élément circulent tout d'abord en relation d'échange de chaleur avec les parois du bottier, de manière à se refroidir avant d'être filtrés, le deuxième circuit de gaz passant par le centre de l'élément tubulaire et contenant ledit élément filtrant secondaire (100), que l'on peut extraire à travers ladite ouverture d'accès et qui est agencé pour filtrer les gaz qui passent dans le deuxième cir- cuit central; ledit organe obturateur (.60) sensible à la pres- sion empêchant normalement les gaz de passer par le deuxième circuit d&écoulement et fonctionnant en réponse à des condi- tions prédéterminées de haute pression dans l'entrée des gaz en s'ouvrant et en laissant le flux de gaz en excès passer par le deuxième circuit pour qu'il soit filtré par ledit élé- ment filtrant secondaire. - 3 - Filtre à particules suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit élément filtrant princi- pal (86) comprend un filtre plissé qui possède une grande sur- face filtrante et une capacité limitée de résistance à la pres- sion différentielle, et en ce que ledit organe obturateur (60) sensible à la pression est réglé pour s'ouvrir pour une dif- férence de pression suffisamment faible pour protéger l'élé- ment primaire d'une rupture par surpression. 4 - Filtre à particules suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la matiè- re constitutive du filtre plissé est du papier.