Brevet FR2589194A1 — publié le 19870430

"Filtre pour la séparation de particules solides contenues dans les gaz d'échappement de moteurs diesel ". La présente invention concerne un filtre pour séparer des particules solides contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, filtre composé d'un élément de filtre qui retient les particules contenues dans la veine de gaz qui traverse cet élément de filtre, cet élément étant logé dans un boîtier. On connalt de nombreuses réalisations de tels filtres (DE-A- 953 753). Ces filtres se composent en général d'un boîtier muni d'une entrée de gaz d'échappe- ment et d'une sortie de gaz d'échappement et entre ceux-ci un ou plusieurs corps de filtre, poreux reliés solidaire- ment au bottier. Il faut que de tels filtres soient net- toyés ou régénérés pour conserver leur pouvoir séparateur. La présente invention a pour but de développer un filtre du type cidessus qui présente un pouvoir séparateur aussi élevé que possible et qui puisse être régénéré ou nettoyé en continu. A cet effet, l'invention concerne un filtre du type ci-dessus caractérisé en ce que l'élément de filtre est monté mobile dans le bottier. Grâce à l'élément de filtre mobile, on dispose de nombreuses possibilités d'application d'ins- tallations de régénération qui peuvent assurer la régénéra- tion de l'élément de filtre de manière continue ou inter- mittente pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne. Ainsi, l'élément de filtre possède toujours son pouvoir séparateur optimum tout en engendrant que de fai- bles pertes de charge dans le système de conduites de gaz d'échappement. L'élément de filtre peut être réalisé sous la forme d'un tube rotatif. Ce mode de réalisation offre l'avantage de pouvoir réaliser l'élément de filtre sous une forme quelconque en céramique expansée, sous la forme d'un filtre de fibres, sous la forme d'un filet métallique ou analogue. Un mode de réalisation préférentiel de l'élément de filtre consiste à réaliser une bande sans fin rotative. Un tel élément de filtre en forme de bande peut être par exemple réalisé sous la forme d'un tricot métallique qui est tendu sur deux galets de renvoi et qui peut être entrainé en continu de manière intermittente. Pour combiner la résistance et le pouvoir séparateur opti- mum, l'élément de filtre peut être réalisé en un filet métallique mince et souple qui est fritté sur une toison de fibres métalliques réfractaire. Le filet métallique souple est réalisé pour résister aux contraintes prévues alors que les propriétés de filtre sont assurées par la toison. Le filet métallique sert en même temps de support à la toison, de sorte que celle-ci conserve ses propriétés de filtre, en permanence, malgré son mouvement de rotation. L'élément de filtre selon l'invention peut être associé à un bottier réalisé sous la forme d'un amortisseur de bruit à plusieurs chambres, l'élément de filtre entourant au moins partiellement l'une des chambres. Cela permet d'intégrer la fonction de filtre et l'amortis- sement de bruit dans un seul ensemble. L'élément de filtre entoure les parois de la chambre correspondante traversées par les gaz d'échappement pour éviter que ne passent des gaz non nettoyés. 8 9 194 Un mode de réalisation simple sur le plan de la construction et peu encombrant se compose d'un bottier simple qui comporte une entrée pour les gaz d'échap- pement. Ce boitier peut être de forme cylindrique à section circulaire, rectangulaire ou de façon générale polygonale ou encore ovale. Dans le plan du plus grand diamètre du boîtier principal, on a une seconde chambre qui est entourée par l'élément de filtre et dont la forme dépend de la réali- sation de l'élément de filtre. Pour l'élément de filtre à bande sans fin, la seconde chambre a de préférence la forme d'un carré aplati. La cloison entre le bottier principal et la seconde chambre peut être constituée directement par l'élément de filtre ou encore par une tôle formant tamis sur laquelle s'appuie l'élément de filtre. Enfin, on peut prévoir une troisième chambre réalisée sous la forme d'un collecteur de gaz d'échappement et qui est munie de la sortie de gaz d'échap- pement en étant reliée à la seconde chambre par un élément résonnant d'étranglement. Le collecteur de gaz d'échappement peut être prévu à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier principal. La forme d'une telle structure peut être adaptée au volume disponible. On peut ainsi avoir un boitier de fil- tre à grande surface mais à faible hauteur, ce qui permet une arrivée de gaz d'échappement sur une grande surface tout en présentant une faible hauteur constructive pour le montage du filtre. Le mouvement d'avancée du filtre peut se faire de manière continue mais également intermittente, de façon réglée ou non réglée suivant le système de régéné- ration utilisé pour le filtre. Pour un entraînement réglé, qu'il soit continu ou discontinu, il est intéressant d'avoir un moteur électrique. Dans le cas d'un mouvement discontinu non réglé, on peut-de préférence utiliser un mécanisme à cliquet et pendule. Un tel système s'applique de préférence à des véhicules, car grâce au montage approprié du pendule la masse de celui-ci est soumise au mouvement d'accéléra- tion du véhicule et entraîne le mécanisme à cliquet en provoquant ainsi à chaque fois une certaine avancée de l'élément de filtre. Ce système convient bien dans la mesure ou il ne consomme pas d'énergie extérieure et que le mouvement pendulaire est assuré par le fonctionnement du véhicule qui exécute à des intervalles relativement courts des accélérations et des freinages. La régénération de l'élément de fil- tre peut être réalisée de manière optimale par son mouve- ment en respectant plusieurs points de vue. C'est ainsi que l'on peut d'abord choisir librement la disposition de l'installation de régénération, dans l'espace puisque cette installation n'agit que sur une partie de l'élément de fil- tre rotatif. Lorsqu'on utilise des brûleurs pour régénérer, il faut introduire une séparation entre les chambres traversées par les gaz d'échappement dans le bol- tier principal et la chambre de combustion de façon que le brûleur puisse fonctionner sans être soumis à une contre- pression importante. Comme une partie seulement de l'élé- ment de filtre n'est soumise à chaque fois à l'opération de régénération, on peut utiliser de petits brûleurs. Même si l'apport de chaleur du brûleur vers l'élément de filtre se fait par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, les moyens mis en oeuvre sont plus réduits que dans le cas de filtres fixes. A la place d'un brûleur à gaz ou à mazout, on peut également utiliser un barreau chauffant électrique qui, pour fournir de manière optimale sa puis- sance de chauffage est placé au foyer d'un miroir concave de forme parabolique. Une installation de régénération fonc- tionnant de manière électrique se compose de préférence d'une électrode ionisant les particules contenues dans les gaz d'échappement et d'une électrode de séparation qui prend les particules ionisées en tournant lentement et les évacue dans un collecteur par l'intermédiaire d'une raclette mécanique; ces particules peuvent de nouveau être introduites dans le moteur à combustion interne. Grace à l'élement de filtre rotatif, il est également possible d'aspirer les particules sur l'élément de filtre. Une buse utilisée à cet effet peut être reliée au système d'aspiration de l'air comburant du moteur. Il est également possible de nettoyer l'élément de filtre chargé de particules à I'aide de buses à air comprimé. Dans le cas d'un élément de filtre en forme de bande tournante, il est possible de prévoir une installation de régénération au niveau de l'un des galets de renvoi. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide de différents exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés, dans les- quels: - les figures 1, 2 et 3 représentent respectivement une coupe longitudinale, une vue de-dessus et une coupe transversale d'un premier exemple de réalisa- tion et, - les figures 4 à 6 représentent res- pectivement un autre exemple de réalisation. Les figures 1 à 3 montrent un boîtier de filtre comprenant trois chambres de volumes différents. Un boitier principal 10 qui est muni de la bride d'entrée 11 pour le flux de gaz d'échappement 12 entoure une pre- mière chambre 13. Cette chambre 13 loge un second boîtier 14 muni de passages 15 formant une seconde chambre 16. La seconde chambre 16 est reliée à une troisième chambre 23 d'un collecteur de gaz d'échappement 24 par l'intermédiaire d'un élément résonnant 20 et d'un point d'étranglement 21; le collecteur qui reçoit les gaz d'échappement 25, nettoyés, débouche à 1 'atmosphère. Le bottier de filtre ainsi réalisé constitué en même temps un résonateur en série ou amortis- seur de bruit. Les chambres 13, 16 et 23 sont conçues de façon que leur volume diminue dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. Le volume des chambres 13, 16 et 23 peut par exemple correspondre aux rapports 1,6/1,2/1,0. Le bottier 14 de la seconde chambre 16 est logé à l'intérieur de la première chambre 13 de façon qu'un élément filtrant 32 en forme de bande sans fin puisse tourner autour du second bottier 14 en passant sur des galets de renvoi 30, 31. L'élément de filtre 32 peut être constitué par un filet mince et souple fritté sur une toile de fibres métalliques 34 réfractaire. L'élément fil- trant 32 est déplacé dans la direction de la flèche 37 par l'entraînement de l'un des galets de renvoi 31. Selon la figure 1, le moyen d'entratnement est constitué par un pendule avec une masse 38 qui, en combinaison avec un mécanisme à cliquet non représenté en détail déplace le galet de renvoi 31 et ainsi l'élément filtrant 32. Le moyen d'entratnement à pendule convient pour un système de filtre appliqué à des véhicules. Lorsque le plan du pendule correspond à l'axe longitudinal du véhicule, la masselotte du pendule effectue des mouve- ments pendulaires lors des accélérations et des freinages du véhicule sous l'effet de l'inertie. Le mécanisme à cli- quet permet ainsi au pendule, suivant l'application du système, de ne déclencher un mouvement d'avancée du galet de renvoi 31 ou de l'élément de filtre 32 seulement pour une accélération ou seulement pour un freinage du véhicule. Ainsi dans le cas d'un moyen d'entraînement à pendule, l'élément de filtre 32 est déplacé de manière intermittente. Il est toutefois possible d'utiliser r nimporte quelmoyen--entratnihement. Selon la figure 2, le moyen d'entraînement est constitué par un moteur élec- trique 39 qui permet de faire avancer l'élément de filtre 32 de manière réglée, intermittente ou continue. A la place d'un élément de filtre réalisé sous la forme d'une bande, on peut également envi- sager tout autre mode de réalisation comme par exemple un tube tournant ou un moyen analogue. Indépendamment de la réalisation de l'élément de filtre, cette mobilité présente l'avantage décisif que le procédé de régénération ne s'applique pas à l'ensemble du volume ou à l'ensemble de la surface de l'élément filtrant. Bien plus suivant la réalisation, on peut utiliser de petits cotés ou analogues pour y prévoir une installation de régénération peu encombrante et con- sommant peut d'énergie. Selon la figure 1, le point de renvoi sur le galet de renvoi 30 est prévu pour la régénération du filtre. A cette extrémité, le boitier principal 10 est muni d'une couche isolante 41 qui délimite en même temps une chambre de régénération 42 à l'intérieur du boitier principal 10. Un brûleur 43 est prévu pour la régénération; ce brûleur fournit des gaz chauds 44 à la chambre de régéné- ration 42 ainsi séparée et ces gaz chauds arrivent par une ouverture 45 dans le collecteur de gaz d'échappement 24 dans lequel règne la pression atmosphérique. Ainsi, la chambre de régénération 42 n'est pas influencée par la pression antagoniste de la première chambre, de sorte que le brûleur 43 peut fonctionner même pendant que fonctionne le moteur à combustion interne. D'autres procédés de régénération peuvent s'appliquer aux principes décrits ci-dessus et se réaliser avec des moyens techniques réduits. La figure 4 montre une régénération par voie électrostatique selon laquelle les particules retenues par l'élément de filtre 32 sont ionisées à l'aide d'une électrode 50 et sont prises par l'électrode de sépa- ration 51 qui tourne lentement. Une raclette 52 racle les particules 53 de l'électrode 51, particules qui sont re- cueillies dans un récipient-collecteur 54. Selon la figure 5, un autre exemple comporte un barreau chauffant électrique 60 qui est disposé parallèlement à l'électrode de renvoi 30 et qui pour assu- rer l'utilisation optimale de sa puissance de chauffage, est placé au foyer d'un miroir concave 61 de forme parabo- lique. Enfin, la figure 6 montre un mode de réalisation comportant un système aspirant-65 qui peut par exemple être relié au système d'aspiration d'air comburant du moteur à combustion interne. L'invention telle que décrite ci-des- sus présente l'avantage très important que la chambre de régénération 42 peut être réalisée avec le volume le plus faible possible dans le cas du procédé de régénération thermique selon les figures 1 et 5, ce qui réduit au mini- mum l'apport de chaleur pour chauffer les masses correspon- dantes à la température d'allumage des particules ou de la suie. La veine de gaz d'échappement 12 passe par la bride 11 pour arriver dans la première chambre 13 du bottier principal 10. Le gaz d'échappement nettoyé ayant traversé l'élément de filtre 32 et les passages 16 du bot- tier 14 arrive dans la seconde chambre 16; le gaz d'échap- pement 25, nettoyé peut passer de cette chambre 16 soit à travers un ou plusieurs points d'étranglement 21 et/ou soit par un élément résonnant 20 dans le collecteur de gaz d'échappement 24 pour s'échapper à l'atmosphère. Pendant ce temps, l'élément de filtre 32 est déplacé en continu ou de manière intermittente dans la direction de la flèche 37 et la zone de l'élément de filtre 32 qui arrive chaque fois dans la zone de renvoi 40 est alors nettoyée de manière électrostatique, mécanique ou par combustion. Grâce aux chambres d'expansion 13, 16, 23 et aux points d'étrangle- ment intermédiaires, on arrive simultanément à un amor- tissement efficace des ondes sonores du gaz d'échappement 12. L'installation de régénération est commandée avantageusement de manière intermittente en cadence avec le mouvement d' avancée du filtre. Il est également possible d'envisager une installation de régéné- ration à fonctionnement continu, par exemple pour un fil- tre tournant en continu. R E V E ND I C A T IO NS 1 ) Filtre pour séparer des particules solides contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, filtre composé d'un élément de filtre qui retient les particules contenues dans la veine de gaz qui traverse cet élément de filtre, cet élément étant logé dans un bol- tier, filtre caractérisé en ce que l'élément de filtre (32) est monté mobile dans le bottier (10). 2 ) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de filtre est un tube rota- tif. 3 ) Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de filtre est en céramique poreuse ou en fibres de céramique ou en fibres métalliques. 4 ) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de filtre (32) est réalisé sous la forme d'une bande sans fin rotative. ) Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de filtre (32) est consti- tué d'une toison métallique (34). 6 ) Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la toison métallique (34) est frittée sur une bande sans fin (33) réfractaire. 7 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bottier de filtre est constitué par un amortisseur de bruit à plusieurs chambres, l'élément de filtre (32) entourant au moins par- tiellement une chambre (16). 8 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par un moyen d'entraîne- ment électrique (39) pour l'élément de filtre. 9 ) Filtre destiné à des véhicules, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracté- risé par un mécanisme à cliquet et pendule (38) pour l'entraînement de l'élément de filtre (32) et qui est com- 1.1 mandé par le mouvement d'accélération ou de freinage du véhicule, ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément de filtre (32) comporte une installation de régénération ther- mique (43, 60). 11 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 7 et 10, caractérisé en ce que la chambre (42) de l'installation de régénération (43) communique avec une chambre du bottier de filtre, et est prévue en aval de l'élément de filtre (32) dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement. 12 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par une installation de régénération électrostatique (50, 51, 52). 13 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'installation de régénération est constituée par un dispositif aspirant (65). 14 ) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 1' installation de régénération est constituée par une ou plusieurs buses d'air comprimé.