Brevet FR2606293A2 — publié le 19880513

FR 2606293 A2 19880513 FR 8715116 A 19871030 L'invention se rapporte à un dispositif par.l'élimination du noir de fumée des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur diesel, constitué par un corps métallique avec des tubulures d'entrée et de sortie pour le courant de gaz d'échappement et une installation de filtration disposée dans le corps et contenant un moyen filtrant non métallique, résistant aux températures élevées, constitué par une couche enroulée sur un support, cette installation de filtration séparant dans le corps du filtre une chambre à gaz d'échappement bruts et une chambre à ga# d'échappement filtrés ; et par une source de courant électrique utilisée pour la combustion commandée du noir de fumée déposé sur le moyen filtrant ,cette installation de filtration étant prévue à cette fin avec une configuration d'électrodes convenable , conformément au brevet principal. Selon le brevet principal, on utilise des filtres de surface, qui sont fabriqués par l'enroulement sur un corps creux perforé d'un tissu serré en fibres de verre quartzeux ou en fibres de céramique, qui présente une disposition de fibres orthogonales. Dans ce cas, deux électrodes en fil enroulé en spirale servent à la fixation du tissu enroulé et à la conduite de L'énergie électrique auxiliaire dans la couche du noir de fumée entraOné et déposé à la surface de l'enroulement. Le noir de fumée sert dans ce cas lui-m#me de conducteur chauffant électrique. La fabrication d'un filtre de surface de ce type (en particulier la configuration des électrodes) est très coûteuse. En outre, il ne procure pas encore une élimination optimale du noir de fumée. L'invention a donc pour but principal de parvenir avec un filtre de surface du type sus-mentionné, d'une part à une fabrication moins coûteuse de la configuration des électrodes et, d'autre part, un degré bien plus élevé de l'élimination du noir de fumée. Ce but est atteint selon l'invention avec un dispositif du type mentionné plus haut, grâce au fait que le support est constitué comme une cage d'enroulement réalisant la configuration des électrodes et que, pour la formation de la couche enroulée, des fibres stratifiées sans tension sont utilisées dans un enroulement en sens circonférentiel, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe (x) de la cage d'enroulement. Selon L'invention, le support réalise en même temps la configuration des électrodes et la fonction d'une cage d'enroulement. L'effet de filtration proprement dit est obtenu par l'enroulement sur le support de fibres stratifiées sans torsion. Par fibre stratifiée on désigne un fil fait de plusieurs fibres individuelles (par exemple une fibre stratifiée de 4 mm de large et de 0,2 mm d'épaisseur comprend environ 4800 fibres individuelles de diamètre 9 vm). Ces fibres stratifiées (de verre quartzeux) sont enroulées de façon très serrée (spires contre spires). Dans ce cas, il en résulte dans les interstices capillaires alignés parallèles aux fibres individuelles des fibres stratifiées, une très grande séparation de noir de fumée.En outre, la conductivité électrique de la couche de noir de fumée formée a une direction préférentielle, nommément dans la direction de la formation des interstices capillaires, donc dans le sens circonférentiel de l'enroulement. Comme elle se trouve dans la même direction que celle des champs électriques situés entre les électrodes, celà a l'effet souhaité de former de petites quantités de noir de fumée, déjà déposées comme des fibres constituant des chemins conducteurs qui sont chauffés électriquement et, ensuite, sont bru lés.La conséquence pratique est que, avec un branchement permanent des électrodes cela se produit avec seulement une très faible augmentation de la chute de tension dans l'enroulement du filtre par suite du processus de séparation du noir de fumée (le dépôt de noir de fumée est brûlé dès le stade de sa formation.) Un autre avantage de l'enroulement est sa capacité à pouvoir développer une flexibilité élastique entre les fibres distinctes (dans le sens axial de l'enroulement). Cette caractéristique est La bienvenue par exemple quand des petites particules de cendres se rassemblent dans ltenrou- lement du filtre. La perte de charge s 'accroissanttà travers l'enroulement augmente la probabilité d'un élargissement dû à la pression de tels interstices capillaires (remplis de cendres) qui se trouvent dans une région proche des zones locales de plus grande flexibilité élastique axiale en liaison avec une plus grande résistance radiale au courant tra versant.(Micro non-homogénéité statistique répartie localement de la distribution axiale de la "flexibilité" et de la résistance radiale au courant traversant). L'évacuation de particules de cendres hors des interstices élargis est effectuée selon le mode souhaité.Le débit de gaz plus important, à présent, des interstices libérés des cendres, laisse de nouveau s'élever la probabilité du dépôt de plus de particules de cendres en comparaison avec les endroits de non élargissement. C'est une sorte de processus autorégulé qui a tendance à maintenir une homogénéité souhaitée de la répartition de la résistance au courant de passage en sens radial. Pour la configuration constitutive du support d'enroulement, deux possibilités entrent en ligne de compte. D'une part, la cage d'enroulement peut être constituée par plusieurs goujons, ainsi que par des éléments tubulaires métalliques décalés angulairement (formant la périphérie) qui sont reliés avec un élément de fond et un élément d'entrée. Mais on peut utiliser aussi une cage d'enroulement en céramique constituée par un cylindre creux avec un élément de fond qui lui est intégré et une bride qui lui est intégrée aussi constituant une partie de l'élément d'entrée. Dans ce cas, le cylindre creux présente à sa périphérie sur une zone déterminée (zone d'enroulement) des ouvertures s'étendant longitudinalement ; il en résulte entre ces ouvertures, des parois restantes du cylindre creux analogues à des barres. Les surfaces extérieures de ces barres portant l'enroulement sont métallisées et de ce fait sont en mesure d'accomplir la fonction d'électrode. Dans la configuration de la cage d'enroulement décrite en premier, la fonction d'électrode est accomplie par les goujons et par les éléments tubulaires en liaison avec des parties de l'élément de fond et de l'élément d'entrée respectivement. Pour exclure, avec cette réalisation, une déchirure des fibres stratifiées par suite d'une tension trop grande des fibres - en raison d'une différence entre I-e coefficient de dilatation thermique des parties métalliques du fond et de l'élément d'entrée et celui des fibres stratifiées -, les parties extrêmes des éléments tubulaires présentent à la périphérie plusieurs fentes longitudinales de longueurs différentes, d'où il résulte une élasticité en sens radial. Avec la réalisation en céramique, le problème ne se présente pas, puisque la cage et le moyen filtrant ont le même coefficient de dilatation thermique. En outre, la réalisation en céramique est relativement moins coûteuse à la fabrication (moins de pièces). Pour s'assurer qu'il n'y a pas d'interstices pouvant laisser passer le gaz entre les spires de la couche enroulée des fibres stratifiées, il est préférable d'utiliser un enroulement à deux épaisseurs. Mais on pourrait aussi enrouler avec recouvrement. Il est avantageux aussi d'augmenter à chaque partie extrême le nombre des épaisseurs des spires de l'enroulement du filtre pour des raisons d'étanchéité. On donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple et sans intention limitative, une description de deux modes de réalisation de l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention (représenté sans l'enroulement filtrant), - la figure 2 montre en perspective la cage d'enroulement constituée par des goujons et des éléments tubulaires selon la figure 1, avec L'enroulement filtrant, - la figure 3 est une vue partielle montrant une partie extrême des éléments tubulaires selon la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation du dispositif selon L'invention, dans lequel est utilisée une cage d'enroulement en céramique (représentée sans enroulement filtrant). La figure 1 représente un filtre à noir de fumée 1 avec un corps 2 de filtre constitué par une enveloppe cylindrique en tôle. Cette dernière est fermée sur l'une des faces frontales par un disque 2a tandis que l'autre face frontale est munie d'un anneau 2b qui réalise en même temps la fonction de bride de fixation pour ta surface de la bride3a d'une tubulure d'entrée 3. Radialement au corps 2 se trouve une tubulure de sortie 4. A l'intérieur du corps 2 du filtre est logée une installation de filtration 5. Celle-ci divise l'intérieur du corps 2 en une chambre 6 à gaz d'échappement bruts et une chambre 7 à gaz d'éhappement filtrés. L'installation de filtration 5 est composée comme suit : trois goujons disposés à 120C soudés à la surface de la bride3a de la tubulure d'entrée servent de structure porteuse pour un élément de fond 10 et pour un élément d'entrée 11. L'élément de fond 10 comprend deux plaques métalliques circulaires 15 et 16 et une rondelle métallique 17 qui est soudée aussi avec les goujons 8. Entre ces pièces 15, 16, 17 sont disposés des éléments isolants (plaque 18 et une rondelle 19) en céramique ou en mica genre phlogopite ou en structures tissées en céramique ou en verre quartzeux. Diamétralement opposés aux goujons 8 (voir aussi la figure 2) sont prévus dans-oes trous borgnes de la plaque intérieure 16 (de l'élément de fond 10), de même que dans des trous borgnes d'une rondelle de l'élément d'entrée Il, des éléments tubulaires 9 (qui sont aussi répartis circonféren tiellement à 120c). Ces éléments tubulaires présentent à leurs extrémités des fentes longitudinales 9a de différentes longueurs (voir la figure 3). La plaque extérieure 15 et les rondelles 17 (de l'élément de fond 10) remplissent en relation avec les gou jons 8 la fonction d'électrode de masse. La fonction d'élec trode conductrice de tension est réalisée par la plaque inté rieure 16 en relation avec les éléments tubulaires 9 et avec la rondelle 20 de l'élément d'entrée 11. La plaque intérieure 16 est isolée électrique ment des goujons 8 à l'aide de douilles isolantes 22. L'iso lement des éléments tubulaires 9 vis-à-vis de la rondelle 17 est effectué par des douilles isolantes 23 et l'isole ment des goujons 8 vis-à-vis de la rondelle 20 de l'élément d'entrée 11 est effectué par des douilles isolantes 24. Sur le côté de la bride de la tubulure d'entrée 3, une rondelle isolante 21 réalise l'isolement électrique de la rondelle 20 par rapport à la masse. Les douilles isolantes ou les éléments isolants mentionnés ont aussi une fonction d'étan chéité (et une fonction de centrage). La force de fermeture de l'assemblage en sandwich décrit ci-dessus est réalisée à l'aide d'un montage par vis, la butée en appui contre les rondelles 17 soudées sur les goujons étant déjà préparée. L'effet de filtration proprement dit est obtenu grâce à un enroulement réalisé sur la cage composée par les goujons 8 et les éléments tubulaires 9. On utilise, comme il est représenté sur la figure 2, des fibres stratifiées 27 sans torsion qui sont enroulées parallèlement au sens circonférentiel de façon extrêmement serrée, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe X de la cage d'enroulement. Pour être assuré qu'il n'y a pas entre les spires d'intervalles pouvant laisser passer un gaz, un enroulement en deux couches est préférable. Toutes les matières métalliques, en particulier celles qui ont à assurer des fonctions d'électrodes, sont en métal résistant à la chaleur et à l'oxydation à chaud. Ceci est valable aussi pour la ligne 25 conductrice de potentiel, qui s'étend hors de la chambre 6 à gaz d'échappement bruts à travers une isolation 26. Les gaz d'échappement chargés de noir de fumée (voir les flèches 28) entrent par la tubulure d'entrée 3 dans la chambre 6 à gaz d'échappement bruts et circule en sens radial dans l'enroulement de filtration 27 et quittent la chambre 7 à gaz filtrés par la tubulure de sortie 4 à l'état filtré en passant à nouveau par le corps 2 du filtre. La figure 4 représente une réalisation où l'on utilise comme support du moyen de filtration une cage d'enroulement du céramique. Ici les memes pièces désignées avec les mêmes références sont disposées comme sur la figure 1. Le corps en céramique se compose aussi d'un élément de fond 10a. A ce dernier est intégré un cylindre creux 12 que suit à nouveau un élément d'entrée lita. Le cylindre creux 12 présente à sa périphérie dans une zone déterminée (zone d'enroulement) des ouvertures 13 s'étendant longitudinalement. La paroi du cylindre creux existante entre les ouvertures 13 considérées comme des barres 14 portant l'enroulement, sont métallisées superficiellement et de ce fait, sont en mesure de remplir la fonction d'électrodes (les conducteurs nécessaires et les passages isolants sont omis sur la figure). Un axe de centrage 30 assure la fonction de maintien du fond de la cage d'enroulement céramique. Celleci est appuyée par la surface de la bride 12a (partie de l'élément d'entrée lIa) à l'aide d'un ressort 31 en matériau hautement résistant à la chaleur contre un joint souple 29 résistant à la chaleur, qui est conformé de telle sorte qu'il assure en même temps le soutien radial de la surface de la bride 12a contre le corps 2 du filtre. Enfin, il est encore mentionné ce qui suit avec chaque configuration des électrodes, il faut veiller à ce que chaque électrode présente une polarité opposée à celle des deux électrodes immédiatement voisines. De ce fait seule sont possibles des nombres d'électrodes qui sont un nombre multiple de deux. En ce qui concerne l'installation de L'alimentation en courant, il convient de se rapporter au brevet principal et au premier Certificat d'Addition N0 87-14190. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'élimination du noir de fumée des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur diesel, constitué par un corps métallique avec des tubulures d'entrées et de sorties par le courant de gaz d'échappement et une installation de filtration disposée dans le corps et contenant un moyen filtrant non métallique, résistant aux températures élevées constitué par une couche enroulée sur un support, cette installation de filtration séparant dans le corps du filtre une chambre à gaz d'échappement bruts et une chambre à gaz d'échappement filtrés, et par une source de courant électrique utilisée pour la combustion commandée du noir de fumée déposé sur le moyen filtrant, cette installation de filtration étant prévue à cette fin, avec une configuration d'électrodes convenable selon la revendication 2 du brevet principal, caractérisé en ce que le support est constitué par une cage d'enroulement réalisant la configuration des électrodes et en ce que, pour la formation de la couche enroulée, des fibres (27) stratifiées sans torsion sont utilisées dans un enroulement en sens circonférentiel, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe (x) de la cage d'enroulement. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cage d'enroulement est constituée par plusieurs goujons (8) ainsi que par des éléments tubulaires (9) métalliques espacés angulairement et composant la périphérie de ladite cage, ces goujons et éléments notant réunis par un élément de fond (10) et par un élément d' entrée (11). 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cage d'enroulement en céramique est utilisée pour constituer un cylindre creux (12) auquel sont intégrés un élément de fond (10a) et une bride (12a) composant une partie de l'élément d'entrée (11a), ce cylindre creux t12) présentant à sa périphérie dans une zone déterminée (servant de zone d'enroulement), des ouvertures (13) s'étendant longitudinalement, les parois (14) du cylindre subsistantes comme des barres entre Les ouvertures (13) étant métallisées à l'extérieur. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 réunies caractérisé en ce que l'élément de fond (10) est constitué par deux plaques métalliques circulaires (15,16) et par une rondelle métallique t17) , entre lesquelles sont disposés des éléments isolants respectifs (18,19), la plaque extérieure (15) et la rondelle (17) assurant avec les goujons (8) la fonction d'électrode de masse et la plaque intérieure (16) assurant avec les éléments tubulaires (9) et une rondelle métallique (20) de l'élément d'entrée (11) isolée par #rapport à la masse, la fonction d'électrode conductrice de tension. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 3 réunies caractérisé en ce que les parois métallisées périphériques (14) analogues à des barres de la cage d'enroulement en céramique remplissent à tour de rôle la fonction d'électrode de masse et la fonction d'électrode de tension. 6. Dispositif selon les revendications 2 et 4 réunies caractérisé en ce que les parties extrême des éléments tubulaires (9) présentent à leur périphérie plusieurs fentes longitudinales (9a) de longueurs différentes. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche enroulée est constituée par un enroulement sur deux épaisseurs. 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enroulement de filtration est renforcé en sens radial à ses extrémités par plusieurs épaisseurs des spires de la couche enroulée.