Brevet FR2637940A1 — publié le 19900420

O L'invention concerne un procédé pour éliminer le noir de carbone des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur Diesel, selon lequel les gaz d'échappement sont conduits à travers la matière filtrante d'un filtre de noir de carbone pour en séparer ce dernier et le noir de carbone déposé est brûlté par l'application d'énergie électrique qui est fournie au. moyen d'une configuration appropriée d'électrodes, pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne; l'in- vention concerne aussi un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. Un procédé connu se sert de la conductibilité électrique du noir de carbone déposé (DE-OS 36 22 623). Dans ce cas, à l'aide d'une paire d'électrodes ayant une forme appropriée, qui sont en contact électrique avec la couche de noir de carbone, une tension électrique est ap- pliquée dont il résulte le passage d'un courant qui assure le chauffage du noir de carbone jusqu'à sa température d'inflammation. En raison du coefficient de température négatif de la résistance électrique specifique du noir de carbone, la puissance électrique dégagée est localement non homogène, ce qui veut dire que la combustion se déroule dans une zone linéaire chaude migrant lentement. Pour par- venir à une surface de combustion active plus grande, afin d'atteindre une vitesse de combustion plus élevée, il faut ici plusieurs paires d'électrodes avec un réglage simultané de limitation des courants individuels ou une commutation rapide du courant de chauffage aux systèmes individuels d'électrodes. L'invention a pour but principal de parvenir à un flux de courant plus homogène et, par suite, à une combus- tion du noir de carbone plus importante (plus rapide) sans dépense technique importante. Ce but est atteint, selon l'invention, du fait que le chauffage thermique du noir de carbone dans les chambres conduisant les gaz d'échappement et dans la matière filtrante résulte d'un champ électrostatique alternatif provoqué entre Les électrodes, qui produit des courants de décharge radiaux homogénéisés en sens axial (courants dits "baladeurs") entre les électrodes. La forme de décharge à obtenir à cette fin du courant électrique à répartition localement homogène produit, en plus de micro-arcs électriques chauffant les particules à l'intérieur de la matière filtrante, de façon avantageuse, une transformation partielle de l'oxygène restant dans les gaz d'échappement en ozone qui sert de son côté à l'oxy- dation spontanée, en particulier des petites particules de noir de carbone. L'indépendance du procédé selon l'invention vis-à-vis de la température entraîne, comme avantage sup- plémentaire, une mise en place à volonté du filtre en aval du parcours du tube collecteur des gaz d'échappement. Une possibilité de déplacement jusqu'au voisinage de l'extré- mité des tubulures du courant de gaz d'échappement (ou à l'extérieur du compartiment du moteur) signifie, du fait d'une obligation moins critique d'un logement économisant l'espace, une réalisation de plus grande taille de l'unité d'élimination en fonction de son objectif technique. Le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention est réalisé de telle façon qu'un boîtier tubu- laire métallique de filtration ayant des raccords d'entrée et de sortie du courant des gaz d'échappement est utilisé avec une matière filtrante résistante aux hautes tempéra- tures placée dans ce boitier de filtration et réalisée sous forme d'une cartouche filtrante tubulaire séparant l'une de l'autre deux chambres d'évacuation des gaz (passa- ges annulaires), --------- le noir de fumée re- cueilli dans le filtre étant (comme déjà mentionné) brûlé par l'emploi d'énergie électrique qui est conduite à l'aide d'une configuration d'électrodes correspondante prévue à l'intérieur et à l'extérieur de la cartouche filtrante tu- bulaire. De cette façon, l'électrode prévue à l'extérieur du tube filtrant et constituée par une couche élastiquement flexible en non-tissé de fibres métalliques est conformée en électrode de masse et sert de couche intermédiaire pour le maintien avec le boîtier de filtration d'un corps isolant (tube isolant) à constante diélectrique relativement élevée, choisie par exemple à une valeur de 10 environ. L'électrode conformée en corps tubulaire, prévue à l'intérieur du tube filtrant, sert par contre d'électrode haute tension. La constante diélectrique élevée du tube isolant est utile, avec une résistance au claquage également élevée, dans la mesure o les intensités du champ dans les couches diélectriques du tube filtrant, ou des passages annulaires conduisant les gaz d'échappement, sont inversement propor- tionnelles à leurs constantes diélectriques. Il s'établit dans le diélectrique composé des gaz d'échappement ainsi que du tube filtrant, une intensité de champ d'autant plus - éLevée que la constante diélectrique de la matière du tube isolant est choisie à une valeur élevée. La majeure partie de la tension appliquée est donc, comme souhaité, transformée en "intensité de champ de travail" dans les passages annu- laires conduisant les gaz d'échappement, ainsi que dans le tube filtrant. La densité du courant déphasé, et donc aussi le courant total consommé par l'unité d'élimination-à consi- dérer comme un condensateur électrique - dépend essentiellement de l'impédance capacitive du tube isolant (déterminée par l'épaisseur choisie de la paroi du tube et la constante diélectrique de sa matière). Comme celle-ci se comporte, pour la décharge, la fois dans tes passages annulaires conduisant les gaz d'échappement ainsi que dans le tube filtrant, comme une -réactance limitant l'intensité, une transformation de la "décharge tranquille" régnante en une décharge indésirable linéaire par étincelles rassemblant tout le courant électrique appelée, est exclue à coup sûr. Un autre effet souhaité du tube isolant consiste en l'homogénéité en sens axial de la densité du courant dé- phasé, cette dernière déterminant l'énergie locale, ainsi que la production d'ozone et la formation de micro-arcs élec- triques entre les particules dans la zone du passage annu- Ltaire conduisant Les gaz d'échappement ou du tube filtrant. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront plus loin. On donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, une description détaillée d'un mode de réalisa- tion de l'invention; on se reportera aux dessins annexes dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe Longitudinale d'un filtre à noir de fumée conforme à l'invention: - La figure 2 est une vue partielle, agrandie, en coupe du tube filtrant de la figure 1 recevant le courant de gaz d'échappement, pour l'explication des phénomènes électriques dans un trajet capillaire du filtre. La figure I représente une couche intermédiaire 2 flexible élastiquement en non-tissé de fibres métalLiques servant en même temps d'électrode de masse, placée dans un boîtier de filtration 1 ayant un raccord d'entrée la et de sortie lb. A l'aide de cette couche intermédiaire 2, un cylindre creux 3 subséquent, en matière isolante (vitrocé- rame) est tenu assemblé en sens axial et en sens radial dans le boîtier de filtre 1. Le cylindre creux 3 est suivi du filtre de sépa- ration de noir de fumée proprement dit qui est conformé en tube filtrant 4. Le tube isolant 3 et le tube filtrant 4 mutuellement coaxiaux limitent un premier passage annulaire 5. Le tube filtrant est fixé en sens axial et en sens radial à l'aide de pièces d'écartement élastiques 6 et 7 (pour compenser les dilatations thermiques inégales entre le boîtier de filtre 1 et le filtre de séparation de noir de fumée 4). La pièce d'écartement 6 est réalisée de telLe' façon qu'elle gêne seulement le moins possible te flux des gaz d'échappement (voir Les flèches 8) dans le passage annu- taire 5 (elle se compose de trois éléments en ruban étroit à ressort se terminant par une rondelle annulaire, décalés périphériquement de 120 ). En revanche, la pièce d'écartement 7 est conformé de telle façon qu'il en résulte une fermeture presque étanche aux gaz du passage annulaire 5, de sorte que le courant de gaz d'échappement est obligé de traverser la paroi poreuse, recueillant le noir de fumée, du tube filtrant 4. Il faut veiller, lors du choix de ta matière du tube filtrant 4, à utiliser une matière à fort pouvoir isolant (pas de conductibilité électrique) et à constante diélec- trique aussi faible que possible. Dans la zone centrale du boîtier du filtre cy- lindrique 1 est placée une électrode haute tension 9 qui est réalisée aussi sousforme d'un corps tubulaire. Entre le tLbe filtrant 4 et l'électrode tubulaire 9, il existe donc un second passage annulaire 11. Les extrémités de l'électrode annulaire 9 sont fermées pas des couvercles (couvercles 9a et 9b). L'élec- trode 9 est fixée au moyen d'un système de tirants souples en sens longitudinal, se composant de deux boulons 12 et 12a et d'un soufflet élastique tubulaire 13. Les boulons 12, 12a passent par leurs extrémités dans des trous centraux des deux couvercles 9a,9b de l'électrode tubulaire (l'un des cou- vercles doit être mobile en sens axial - couvercle 9a dans l'exemple de réalisation - pour la compensation des dilata- tions différentielles d'origine thermique entre l'électrode 9 et le tube filtrant 4) et ils servent en même temps à ap- pliquer des forces de tension axiales à un disque d'écarte- ment antérieur 14 et un disque d'écartement postérieur 15 (tous deux en une matière à constante diélectrique aussi faible que possible). Le disque d'écartement 14 a non seu- Z637940 seulement un rôle de centrage mécanique de l'électrode à haute tension 9, mais il aFsure également l'étanchéité du second passage annulaire 11. Il n'a donc pas d'ouvertures comme en a la pièce d'écartement 15 qui doit (d'une façon comparable à celle de la pièce d'écartement élastique 6) ne réduire la section de sortie du passage annulaire 11 que le moins possible. Le potentiel à haute tension (tension alter- native à basse fréquence, fréquence d'environ 20 kHz, ten- sion 20 kV et plus) est appliqué à l'éLectrode 9 par l'in- médiaire d'une borne haute tension 16 et à l'aide d'une traversée isolante 10, par l'intermédiaire d'un conducteur d'arrivée 9c. Le dispositif d'élimination du noir de fumée fonctionne comme décrit ci-dessous. Par l'intermédiaire du conducteur d'arrivée 9c dimensionné pour éviter les effluves (moindres pertes par effet corona), qui est isolé électriquement au moyen de la traversée 10, vis à vis du boîtier de filtre 1, est appliquée une tension alternative par rapport à la masse (fréquence environ 20 kHz, tension 20 kV et plus) à l'élec- trode cylindrique à haute tension 9. Entre celle-ci et l'é- lectrode de masse 2 en non-tissé de fibres métalliques, il se crée en sens radial un champ électrique. En raison de la forte constante diélectrique du tube isolant 3 (son épais- seur doit être tenue à une valeur minimale, donc doit, en correspondance avec la répartition radiale de l'intensité de champ, s'opposer juste à une décharge électrique), ainsi que de la faible constante diélectrique du corps filtrant tubulaire 4, il s'établit (abstraction faite des épaisseurs différentes du tube de verre 3, de l'intervalle annulaire 5 conduisant les gaz, du tube filtrant 4 et de l'intervalle annulaire 11 conduisant les gaz d'échappementen première approximation), par suite du rapport inverse entre les in- tensités du champ électrique apparaissant et les constantes diélectriques des volumes du champ, une intensité de champ de travail avantageusement élevée, dans les passages annulaires et 11 conduisant les gaz d'échappement comme dans le tube filtrant 4 lui-même collectant te noir de fumée.- Dans la mesure ou, en tenant compte de ce qui précède, on choisit une conformation géométrique des couches individuelles tetLle que, pour une tension d'alimen- tation suffisamment élevée, l'intensité de champ de claquage des gaz d'échappement dans le tube de séparation de noir de fumée 4 et dans les deux passages annulaires 5 et 11 condui- sant les gaz d'échappement, est Largement dépassée, il se produit ce qui suit: dans les passages annulaires 5 et 11, mais aussi dans le tube filtrant 4, il règne une forme de décharge électrique qui transforme en ozone des fractions de l'oxygène résiduel des gaz d'échappement du moteur qui pénètrent, en provenance du moteur, dans le passage annu- laire 5 (voir aussi les flèches 8). Cet ozone oxyde avan- tageusement principalement les particules de noir de fumée de diamètre extrêmement petit qui n'ont pas été séparées par le filtre (donc n'ont pas été totalement retenues dans La structure poreuse du filtre). Les particules de noir de fumée 17 restantes (de plus grand diamètre), se déposent par suite du courant radial traversant le corps filtrant 4, sur les parois intérieures 4a des trajets capillaires de la mousse de verre (de la mousse de céramique). Ceci est mieux visible, par exemple, sur la représentation à une autre échelle de la figure 2. Du fait de la très forte intensité de champ dans la paroi de séparation, il se produit peu avant la formation de ponts de conductibilité entre les particules (contact des particules de carbone elles-mêmes électriquement conductrices) une telle concentration de lignes de champ au voisinage des rassemblements de particules, mais en parti- culier entre les particules elles-mêmes, que la densité du courant déphasé (capacitif) recherché atteint des ordres de grandeur qui entraînent finalement des micro-arcs élec- triques entre les particules individuelles (qui jouent te rôle d'électrodes, en raison de leur conductibilité). Les extrémités des arcs électriques - se terminant chaque fois sur une particule de carbone assurent un chauffage local limité à la particule elle-même, ce qui entraîne en présence d'oxygène et en particulier d'ozone, une transformation spontanée en CO'2. Avantageusement, les hydrocarbures déposés sous forme d'un film sur les particules de noir de fumée s'oxydent également. La condition pour une élimination sûre par lb filtre 4 est un dimensionnement électrique qui assure une valeur de base très élevée de la densité de courant déphasé à l'intérieur de la paroi concernée (non chargée de noir de fumée) du filtre 4. En même temps, l'intensité mesurée du champs doit être supérieure à l'intensité de champ de cla- quage des gaz d'échappement du moteur. Influencer l'intensité du champ dans la paroi de filtre 4 est dans ce cas facile à réaliser avec la valeur de La tension alternative appliquée au corps tubulaire de l'électrode à haute tension 9; en revanche, la densité de courant déphasé résulte du choix correspondant d'une fréquence suffisamment élevée de la tension électrique d'alimentation. Il est possible, en observant la consommation en courant efficace de l'unité d'élimination (avec une faite fréquence de la tension d'alimentation et, par suite, une moindre consommation d'énergie), d'identifier le degré de séparation de noir de fumée, pour n'effectuer qu'après la séparation d'une quantité finale de particules l'alimen- tation en puissance électrique par l'élévation de la fré- quencejet éventuellement la montée de la tension d'ali- mentation à leurs valeurs nominales. Enfin, il y a lieu de mentionner qu'en ce qui concerne la conformation de la chambre d'élimination de noir de fumée, il serait possible aussi d'utiliser une géométrie de l'unité d'élimination s'écartant de la forme du passage annulaire (par exempLe, au moyen d'éléments plats rassem- bLés en pile, qui assurent une bonne utilisation du volume au point de vue de La section droite traversée par Le cou- rant). REVENDICATIONS 1. Procédé pour éliminer le noir de carbone des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en par- ticulier d'un moteur Diesel, selon lequel les gaz d'échap- pement sont conduits à travers la matière filtrante d'un filtre de noir de carbone pour en séparer ce dernier et le noir de carbone déposé est brûlé par L'application d'éner- gie électrique qui est fournie au moyen d'une configuration appropriée d'électrodes, pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que le chauffage thermique du noir de fumée dans les chambres (5 et 11) conduisant les gaz d'échappement et dans la matière filtrante (4), résulte d'un champ alternatif électrostatique provoqué entre les électrodes (2,9), qui produit des courants de décharge radiaux homogénéisés en sens axial entre les élec- trodes (2,9). 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un boîtier tubulaire métallique de filtration ayant des raccords d'entrée et de sortie du courant des gaz d'échappement et une matière filtrante résistante aux hautes températures placés dans le boîtier de filtration et réalisée sous forme d'une cartouche filtrante tubulaire séparant l'une de l'autre deux chambres conduisant les gaz d'échappement, le noir de fumée recueilli dans le filtre étant brûlé par l'emploi d'énergie électrique qui est conduite à l'aide d'une configuration d'électrodes correspondante prévue à l'intérieur et à l'extérieur de la cartouche filtrante tubulaire, caractérisé en ce que l'élec- trode (2) prévue à l'extérieur du tube filtrant (4) et constituée par une couche élastiquement flexible en non- tissé de fibres métalliques (2), est conformée en électrode de masse et sert de couche intermédiaire, pour le maintien avec le boîtier de filtration (1) d'un corps isolant (3) à constante diélectrique relativement élevée, et l'électrode (9) prévue à l'intérieur du tube filtrant (4) étant un corps tubulaire qui sert d'électrode à haute tension. I1 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le tube filtrant (4) est fixé dans le boîtier de filtration (1) à l'aide de pièces d'écartement élastiques extérieures (6, 7) et de disques d'écartement intérieurs (14, 15). 4. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la pièce d'écartement (6) située du côté de l'entrée des gaz d'échappement comprend seulement trois éléments en ruban étroit à ressort se terminant par une ron- dette annulaire, décalés périphériquement de 120 . 5. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le disque d'écartement (15) situé du côté de la sortie des gaz d'échappement a des ouvertures de passage des gaz d'échappement. 6. Dispositif selon les revendications 2,3 et , caractérisé en ce que l'électrode intérieure (9) est centrée à l'aide d'un système de tirants souples en sens lon- gitudinal (12,12a,13) qui s'applique aux disques d'écarte- ment (14,15). 7. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les chambres conduisant les gaz d'échap- pement sont des intervalles annulaires (5,11) et en ce que les épaisseurs du tube isolant (3) et du tube filtrant (4), ainsi que des intervalles annulaires (5,11) sont déterminés en correspondance, et en ce que le tube isolant (3) présente une constante diélectrique dont la valeur est de 10 environ.