Brevet FR2701514A1 — publié le 19940819

PROCEDE n' EPURATION PAR MICRO-ONDES DES GAZ D'ECHAPPEMENT DE MOTEURS A COMBUSTION INTERNE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE La présente invention se rapporte à un procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne et à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'élimination des particules carbonées contenues notamment dans les gaz d'échappement des moteurs diesels, ce dispositif comprenant une source d'émission d'ondes électromagnétiques du type micro-ondes coopérant avec des moyens résonateurs montés sur la ligne d'échappement du moteur. I1 est connu par le document EP-A-221.805 déposé par la Demanderesse d'opérer la combustion des particules carbonées présentes dans le flux des gaz d'échappement soit en les faisant passer, soit en les faisant séjourner, dans un résonateur couplé à une source d'ondes électromagnétiques. Le document EP-A-327.439 divulgue l'utilisation d'un mode d'excitation d'une cavité cylindrique constitutive du résonateur adapté à l'emploi de filtres à particules en céramique disponibles dans l'industrie. Le dispositif décrit a plus particulièrement pour objet un dispositif d'élimination des particules carbonées et le nettoyage par micro-ondes d'un filtre placé dans un résonateur cylindrique accordé et excité suivant un mode prédéterminé générant un champ électromagnétique transversal adapté à la matière constitutive du filtre. Le document EP-A-412.019 décrit l'utilisation de deux éléments de filtration en parallèle régénérés sélectivement à partir d'une même source de micro-ondes à partir d'un organe de couplage dont la forme est celle d'un T se composant d'un guide principal et de guides dérivés raccordés aux enveloppes des éléments de filtration dans des cavités ménagées en amont des filtres. La présente invention a pour but d'améliorer les systèmes dépuration des gaz d'échappement par micro-ondes connus selon l'art antérieur cité en proposant un procédé d'épuration et un dispositif de mise en oeuvre particulièrement efficace quant à ltelimination des particules carbonées, n'affectant pas les performances du moteur, et peu consommateur d'énergie. Le procédé d'épuration par micro-ondes selon l'invention, des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne utilise deux éléments de filtration coopérant avec des moyens obturateurs aptes à diriger sélectivement les gaz d'échappement vers l'un ou l'autre des éléments de filtration coopérant avec des moyens d'alimentation en micro ondes, chacun de ces éléments de filtration étant constitués par une enveloppe canalisant les gaz d'échappement et contenant un filtre, le filtre étant positionné à l'intérieur de l'enveloppe de façon à définir deux cavités s'étendant respectivement en amont et en aval de ce dernier dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Selon l'invention le procédé d'épuration est caractérisé en ce que'il comprend les étapes suivantes repérage du filtre présentant la perte de charge la plus grande déviation des gaz à travers ce filtre contrôle de la valeur de la perte de charge de ce filtre et comparaison avec une valeur de seuil prédéfinie déviation des gaz d'échappement à travers l'autre filtre dès que la valeur de la perte de charge du filtre devient supérieure à la valeur de seuil prédéfinie envoi de micro-ondes et de gaz comburants dans le filtre alors isolé des gaz d'échappement et reprise du processus à l'étape de contrôle pour le nouveau filtre actif ; le cycle définit par les trois dernières étapes se poursuit ainsi pendant toute la durée de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, la première étape du procédé est opérée sitôt le démarrage du moteur. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, la valeur de seuil prédéfinie est fonction du régime moteur et de la pression de suralimentation et est calculée pour une valeur d'encrassement donnée du filtre. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'envoi des micro-ondes sur un filtre pour procéder à l'oxydation des particules carbonées piégées est opéré pendant une durée prédéterminée, fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'envoi de gaz comburant tel que de l'air à travers le filtre en régénération est opéré seulement après une période de temporisation donnée permettant la mise en température du filtre, cette période pouvant être fixe ou bien fonction de la température en amont du filtre. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'épuration. Selon l'invention le dispositif est caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en micro-ondes des éléments de filtration comprennent un générateur de micro-ondes associé à un organe de couplage de forme générale en T alimentant en micro-ondes les cavités aval des enveloppes. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, ce dernier comprend une pompe à air électrique pilotée pour insuffler sélectivement de l'air dans deux conduites débouchant respectivement dans les enveloppes au niveau des cavités amont. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, un ordinateur pilote le fonctionnement du clapet sélecteur de trajet, du générateur de micro-ondes et de la pompe à air en fonction d'informations relatives au fonctionnement du moteur et d'informations relatives à l'état des filtres. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, les informations relatives à l'état du moteur sont : l'information démarrage, l'information régime de rotation du moteur donnée par un capteur de régime et l'information pression de suralimentation du moteur donnée par un capteur de pression disposé dans le collecteur d'admission du moteur. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, les informations relatives à l1état des filtres concernent la perte de charge de ces derniers, elles sont fournies par des couples de capteurs de pression disposés respectivement dans les cavités amont et aval des enveloppes. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, ce mode de réalisation étant donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d'épuration pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit un moteur 1 dont la ligne d'échappement est formé par un conduit 21 qui se divise en deux branches 22 et 23 sur lesquelles sont montées deux éléments de filtration 3 et 4 fonctionnant en parallèle destinés à épurer les gaz d'échappement les traversant. Les gaz sortant des éléments 3 et 4 sont ensuite canalisés par des conduits 52 et -53 qui se raccordent à un conduit commun non figuré. Le sens de circulation des gaz d'échappement est figuré par des flèches. L'élément de filtration 3 se compose d'une enveloppe 31 canalisant les gaz. Elle est raccordée en amont au conduit 22 et en aval au conduit 52 et elle contient un filtre monolithe 34. L'élément de filtration 4 se compose de manière similaire à l'élément de filtration 3, d'une enveloppe 41 canalisant les gaz. Elle est raccordée en amont au conduit 23 et en aval au conduit 53 et elle contient un filtre monolithe 44. Les filtres 34 et 44 sont des filtres connus en soi, en céramique, à structure en nid d'abeille et supportant éventuellement des catalyseurs. On peut par exemple prendre deux filtres cylindriques identiques, en cordiérite, de 1700 cm3 de volume (diamètre 120 mm, longueur 150 mm), et présentant une structure d'environ 15 alvéoles/cm2 avec une épaisseur de paroi de 20pm de et un diamètre moyen de pores de 13 4m. Chaque enveloppe 31 et 41 est de section cylindrique, elliptique, etc..., adaptée à la forme du filtre devant y être logé. Le filtre monolithe 34 ou 44 est isolé thermiquement à sa périphérie par interposition d'un revêtement réfractaire respectivement 30 ou 40. Son diamètre peut être sensiblement égal à celui de l'enveloppe correspondante et sa longueur adaptée pour former à l'intérieur de cette dernière deux cavités, l'une 35 ou 45 vers l'amont, l'autre 36 ou 46 vers l'aval, dans le sens de l'écoulement des gaz d ' échappement. Chaque enveloppe 31 et 41 communique par ailleurs avec une source de micro-ondes destinée à provoquer l'oxydation des particules piégées dans leur filtre respectif 34,44 quand la température des gaz d'échappement est insuffisante pour provoquer une telle oxydation. Les micro-ondes penétrent à l'intérieur des enveloppes 31,41 au droit des cavités aval respectivement 36,46. Le dispositif générateur de micro-ondes comprend un générateur de micro-ondes 6 associé à un organe de couplage 7 de forme générale en T alimentant en micro-ondes les cavités aval 36 et 46. Le générateur de micro-ondes ou magnétron génère des ondes électromagnétiques de fréquence 2,45 giga-hertz à partir d'une alimentation alternative d'environ 4000 V pour une intensité égale à 200 mA. L'alimentation électrique du générateur de micro-ondes 6 est assurée depuis la batterie de démarrage 61 par l'intermédiaire d'un convertisseur 62 transformant le 12 V continu de la batterie en 4000 V alternatif. Le fonctionnement du convertisseur 62 et donc du générateur 6 étant piloté par des moyens de commande tel qu'un calculateur électronique 9. L'organe de couplage 7 se compose d'un guide principal 71 et de guides dérivés 73 et 74 ayant une forme tubulaire et une section rectangulaire, les guides dérivés 73 et 74. Cet organe de couplage permet notamment la propagation du mode fondamental à 2,45 GHz noté TEo1. Les dimensions de la section du guide principal sont à titre indicatif de 86 x 43 mm. L'axe de ce guide principal est parallèle aux axes de circulation des gaz dans les filtres. On saurait réaliser aisément un montage équivalent avec le guide principal perpendiculaire aux axes de circulation des gaz. On se trouverait alors avec un coude dit "Plan H alors que l'exemple choisi met en oeuvre un coude dit "Plan E". Le guide principal 71 peut être associé à un, deux ou trois pistons d'accord non figurés qui peuvent s'enfoncer plus ou moins dans le guide 71 perpendiculairement à l'axe de celui-ci. Ces pistons procurent des susceptances variables, ce qui permet d'affiner le réglage de la résonance des ondes électromagnétiques dirigées vers les enveloppes 31,41. Ce réglage est effectué au moyen d'un cristal détecteur non figuré mesurant la valeur du champ électromagnétique à l'endroit ou il est placé. A titre indicatif, la distance entre les pistons est avantageusement choisie au voisinage de L/4 ou de L/8 ou L est la longueur d'onde guidée. Le guide principal 71 est raccordé à deux guides dérivés 72 et 73 de forme tubulaire et de section rectangulaire. Ces deux guides sont coaxiaux et s'étendent perpendiculairement aux axes de circulation des gaz dans les éléments 3 et 4. Le petit côté de la section des guides latéraux 72, 73 est approximativement égal à la moitié du petit côté du guide principal 71, les grands côtés étant eux égaux. La paroi au niveau de la jonction du guide principal et des guides dérivés présente une forme divergente 76. La jonction des guides dérivés avec le guide principal peut être également réalisée à partir de guides d'onde coudés si l'on prend soin de maintenir les formes et les dimensions de la section droite pendant la courbure, la valeur du rayon de courbure étant, par ailleurs, moins critique pour l'obtention de bonnes performances. Les guides latéraux 73 et 74 débouchent respectivement dans les enveloppes 31 et 41 au niveau des cavités 36 et 46 (délimitées par les filtres céramiques) par des iris non figurés. Ces iris sont des orifices de section plus faible que celle des guides dérivés. La forme et les dimensions de ces iris sont choisies de manière à transférer le plus d'énergie de micro-ondes dans le résonateur chargé par le filtre. Les iris de couplage présentent des éléments d'isolement 38 et 48 qui permettent la propagation sans atténuation des micro-ondes, mais empêchent le passage des particules carbonées vers les guides dtondes. Ces éléments d'isolement sont par exemple réalisés par des couronnes en quartz logées dans les enveloppes 31,41 au droit des iris. Un clapet de commutation 24 à deux positions commandé par le calculateur 9, dirige les gaz d'échappement vers l'un ou l'autre des conduits 22 ou 23 et donc vers l'un ou l'autre des filtres 34 et 44 soumis aux micro-ondes. Le clapet 24 est actionné à partir d'une tige de commande et d'un moteur électrique non figurés. Un clapet guide d'ondes 75 dont le mouvement est synchronisé avec le clapet de by-pass 24, est également disposé dans l'organe de couplage 7 de façon à diriger les micro-ondes vers le guide latéral alimentant 11 enveloppe qui n'est plus traversée par les gaz d'échappement. Grâce à cette disposition, il est possible de procéder à l'épuration des gaz d'échappement par l'un des filtres tandis que l'autre filtre est en phase de régénération par combustion des particules piégées au moyen des micro-ondes. Cette disposition constructive n'est pas limitative du fait que l'on pourra dériver temporairement les gaz d'échappement au travers d'un conduit de by-pass sans filtre en procédant au nettoyage d'un filtre principal unique tel que décrit précédemment. Cette disposition constructive n'est pas non plus limitative du fait que l1on pourra utiliser des éléments filtrant différents notamment quant à la structure ou encore quant aux dimensions des filtres. Chaque enveloppe 31 et 41 est de plus, apte a être alimentée en gaz comburant tel que de lrair. Pour ce faire une pompe à air électrique 8 pilotée par le calculateur 9 peut insuffler sélectivement de l'air dans deux conduites 83 et 84 débouchant respectivement dans les enveloppes 31 et 41 au niveau des cavités amont 35 et 45. Ces conduites 83 et 84 sont munies de clapets anti-retour non figurés empêchant le refoulement des gaz d'échappement vers la pompe à air. Pour opérer le contrôle du fonctionnement du dispositif d'épuration, le calculateur 9, qui peut être un calculateur spécifique ou bien le calculateur de pilotage de la pompe à injection du moteur, utilise les informations relatives au fonctionnement du moteur et des informations relatives à l'état des filtres. Les informations relatives à l'état du moteur sont : l'information démarrage générée par des moyens non figurés, l'information régime de rotation du moteur par un capteur de régime 2 et l'information pression de suralimentation du moteur par un capteur de pression 5 disposé dans le collecteur d'admission du moteur. Les informations sur l'état des filtres 34,44 concernent la perte de charge de ces derniers et elles sont fournies par des couples de capteurs de pression 32,33 et 42,43 disposés respectivement dans les cavités amont et aval 35,36 et 45,46 des enveloppes 31 et 41. Conformément à la description qui précède, le procédé d'épuration des gaz d'échappement selon l'invention mise en oeuvre par le calculateur 9 est alors le suivant. Sitôt le démarrage du moteur 1, on procède au repérage du filtre le plus encrassé, clest-à- dire le plus chargé en particules carbonées. Pour ce faire on mesure tout d'abord la perte de charge des filtres 34 et 44 à partir des informations transmises par les capteurs de pression respectivement 32,33 et 42,43. Pour opérer ces mesures, il est nécessaire d'actionner le clapet 24 pour diriger successivement les gaz d'échappement à travers les deux filtres 34 et 44. Les valeurs P34 et P44 des pertes de charge respectives des filtres 34 et 44 ayant été déterminées, on procède alors à leur comparaison ce qui permet de repérer alors le filtre le plus encrassé, ce dernier étant associé à la valeur de perte de charge la plus élevée. On peut supposer par exemple que le filtre le plus encrassé soit le filtre 34. Le clapet 24 est alors actionné pour isoler l'élément de filtration 4 correspondant au filtre le moins encrassé, de façon à faire passer les gaz d'échappement au travers du filtre le plus encrasse. La valeur P34 de la perte de charge la plus élevée est parallèlement comparée à une valeur de seuil prédéterminée Plim fonction du régime moteur et de la pression de suralimentation atteints à cet instant par le moteur, cette valeur de seuil se trouve stockée sous forme d'une cartographie dans une mémoire du calculateur 9. Les valeurs de seuil Plim sont mesurées expérimentalement au banc d'essai pour les différentes conditions de fonctionnement du moteur et pour une valeur d'encrassement donnée du filtre par exemple correspondant à 15 g de particules carbonées déposées. Cette valeur d'encrassement donnée correspond à la valeur maximale acceptée pour le filtre, est déterminée suivant la structure du filtre pour optimiser ltépuration des gaz d'échappement et le fonctionnement du dispositif de régénération. Si la valeur P34 de la perte de charge la plus élevée est inférieure à la valeur de seuil prédéterminée Plim, on considère alors que le filtre 34 est encore parfaitement apte à piéger les particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement sans nuire à la circulation de ces derniers, et on laisse les gaz d'échappement traversés le filtre 34. On réitère alors régulièrement le processus opératoire précédent, à savoir comparaison de la valeur P34 de la perte de charge du filtre 34, qui est recalculée en permanence et qui croît au fur et à mesure du fonctionnement du moteur, à la valeur Plim. Dès que la valeur P34 devient supérieure à la valeur Plim, le clapet 24 est actionné pour isoler l'élément de filtration 3 en vue de procéder à la régénération de ce dernier, en déviant les gaz d'échappement vers l'élément de filtration 4. L'élément de filtration 4 devenant actif, on opère alors la surveillance de la valeur P44 de la perte de charge du filtre 44 et sa comparaison avec la valeur Plim conformément au processus précédent. L'élément de filtration 3 demeure alors isolé tant que la valeur P44 demeure inférieure à Plim. Sitôt l'élément 3 isolé après que la valeur P34 est dépassée la valeur Plim, on active alors pendant une durée prédéterminée, fonction des conditions de fonctionnement du moteur le convertisseur 62 et donc le générateur de microondes 6 pour procéder à la régénération du filtre 34 par oxydation des particules piégées. Parallèlement à l'activation du générateur de micro-ondes 6, la pompe à air est activée à son tour après une période de temporisation donnée permettant la mise en température du filtre. Cette période peut être fixe ou bien fonction de la température en amont du filtre 34, dans ce dernier cas le dispositif comprend des capteurs de température non figurés disposés au droit des cavités amont 35 et 45. L'injection d'air accélère alors l'oxydation des suies et donc le nettoyage du filtre 34. La durée prédéterminée de fonctionnement du générateur de micro-ondes 6 étant terminée, on procède alors à la désactivation du générateur 6 en coupant l'alimentation du convertisseur 62, et on arrête la pompe à air 83. Lorsque la valeur P44 de la perte de charge du filtre 44 a atteint la valeur de seuil Plim, on active alors le clapet 24, pour isoler à son tour l'élément de filtration 4 et procéder à sa régénération en envoyant les gaz d'échappement à travers l'élément de filtration 3 qui vient d'être régénéré. Si la valeur P44 de la perte de charge .du filtre 44 a atteint la valeur de seuil Plim avant que la durée de fonctionnement du générateur 6 ne soit terminée pour traiter le filtre 34, le générateur 6 demeure activé, le basculement du clapet 24 entrainant celui du clapet 75 et donc l'envoi des micro-ondes vers le filtre 44, la durée de fonctionnement étant toutefois recalculée. On réitère alors le processus précédent à savoir régénération du filtre isolé et surveillance du filtre active, pendant toute la durée du fonctionnement du moteur. Le procédé d'épuration des gaz d'échappement qui vient d'être décrit possède les avantages suivants - il est simple, donc peu onéreux à fabriquer. Il peut être réalisé en matériaux simples sans tolérance particulière sur les cotes des différents pièces - l'optimisation du transfert d'énergie vers les résonateurs peut se faire simplement par réglage de l'enfoncement des pistons d'accord. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustre qui nta été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi, la pression de suralimentation utilisée pour connaître le point de fonctionnement du moteur et élaborée la cartographie des valeurs de seuil quant aux pertes de charge des filtres 34 et 33, peut être remplacée par la position du papillon des gaz et/ou tout autre paramètre représentatif du fonctionnement du moteur. Ainsi il est possible de prévoir des filtres de caractéristiques différents et donc d'utiliser des valeurs de seuil adaptées pour chacun des filtres. REVENDICATIONS (lJ Procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) utilisant deux éléments de filtration (3;4) coopérant d'une part avec des moyens obturateurs (24) aptes à diriger sélectivement les gaz d'échappement vers l'un ou l'autre desdits éléments de filtration (3;4) et d'autre part avec des moyens d'alimentation en micro-ondes (6,7), chacun de ces éléments de filtration étant constitués par une enveloppe (31;41) canalisant les gaz d'échappement et contenant un filtre (34;44), le filtre (34;44) étant positionné à l'intérieur de l'enveloppe de façon à définir deux cavités (35,36;45,46) s'étendant respectivement en amont et en aval de ce dernier dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (a) repérage du filtre (34) présentant la perte de charge la plus grande (P34) (b) déviation des gaz à travers ledit filtre (34); (c) contrôle de la valeur (P34) de la perte de charge dudit filtre (34) et comparaison avec une valeur de seuil prédéfinie (Plim) (d) déviation des gaz d'échappement à travers l'autre filtre (44) dès que la valeur (P34) de la perte de charge dudit filtre (34) devient supérieure à ladite valeur de seuil prédéfinie (Plim) (e) envoi de micro-ondes et de gaz comburants dans le filtre (34) alors isolé des gaz d'échappement et reprise du processus à l'étape c) pour le nouveau filtre actif (44) le cycle définit par les étapes c) à e) se poursuivant pendant toute la durée de fonctionnement du moteur (1). (2] Procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape a) est opérée sitôt le démarrage du moteur (1). (3] Procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil prédéfinie (Plim) est fonction du régime moteur et de la pression de suralimentation et est calculée pour une valeur d'encrassement donnée du filtre (34;44). (4] Procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'envoi des micro-ondes sur un filtre (34;44) pour procéder à l'oxydation des particules carbonées piégées, est opéré pendant une durée prédéterminée, fonction des conditions de fonctionnement du moteur (1). [5] Procédé d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que 11 envoi de gaz comburant à travers le filtre en régénération (34;44) est opéré après une période de temporisation donnée permettant la mise en température du filtre, cette période pouvant être fixe ou bien fonction de la température en amont du filtre. (6] Dispositif d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement pour la mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation en micro-ondes comprennent un générateur de microondes (6) associé à un organe de couplage (7) de -forme générale en T alimentant en micro-ondes lesdites cavités aval (36;46) desdites enveloppes (31;41). (7] Dispositif d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à air électrique (8) pilotée pour insuffler sélectivement de l'air dans deux conduites (83;84) débouchant respectivement dans lesdites enveloppes (31;41) au niveau des cavités amont (35;45). (8] Dispositif d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un ordinateur (9) pilote le fonctionnement du clapet (24) sélecteur de trajet, du générateur de micro-ondes (6) et de la pompe à air (8) en fonction d'informations relatives au fonctionnement du moteur (1) et d'informations relatives à l'état des filtres (34;44). [9] Dispositif d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites informations relatives à l'état du moteur (1) sont : l'information démarrage, l'information régime de rotation du moteur donnée par un capteur de régime (2) et l'information pression de suralimentation du moteur donnée par un capteur de pression (5) disposé dans le collecteur d'admission du moteur (1). (10] Dispositif d'épuration par micro-ondes des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que lesdites informations relatives à l'état des filtres (34;44) concernent la perte de charge de ces derniers et en ce qu'elles sont fournies par des couples de capteurs de pression (32,33;42,43) disposés respectivement dans lesdites cavités amont et aval (35,36.45,46) desdites enveloppes (31;41).