Brevet FR2731745A1 — publié le 19960920

Montage de filtre à noir de carbone pour moteurs Diesel. La présente invention concerne un montage de filtre à noir de carbone pour moteurs Diesel, comportant un filtre à particules disposé dans le courant des gaz d'échappement, et un brûleur, actionné pour une charge prédéfinie du filtre en particules (noir de carbone), et provoquant la régénération du filtre à particules, par une hausse de température de ce dernier, les particules de noir de carbone, fixées dans le filtre, étant alors brûlées. Un tel dispositif est connu par le brevet US 4 651 524, par exemple. Le brûleur est exploité avec du combustible et de l'air comburant supplémentaire, et se situe en amont de l'élément filtrant, dans le courant des gaz d'échappement. Cela signifie que le brûleur doit fonctionner contre la contre-pression établie des gaz d'échappement, en amont du filtre à gaz d'échappement. Il est indispensable à cet effet de comprimer l'air combu- rant à un point tel que la contre-pression des gaz d'échappement soit maîtrisée. Un tel compresseur d'air est coûteux et onéreux. Pour éviter cet inconvénient, une solution connue consiste à monter un second élément filtrant, en parallèle du premier, dans la section d'échappement, et à guider le courant des gaz d'échappement par l'intermédiaire du second élément filtrant, en cas de régénération de l'un de ces éLéments, de sorte que le premier éLément filtrant ne puisse établir aucune contre-pression des gaz. Mais un tel montage est également coûteux et onéreux. L'invention vise à indiquer un montage de filtre à noir de carbone du type cité en introduction, en vue d'éviter de telles dépenses supplémentaires, que ce soit pour le com- presseur d'air ou pour un autre montage de filtre à noir de carbone. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le brûleur fonctionne contre le côté atmosphère situé en aval du filtre à noir de carbone dans le sens d'écoulement et indépendant de la contre-pression des gaz, et est traversé totalement dans le sens longitudinal par au moins un passage d'échange thermique partant du brûleur, d'une surface éle- vée. Le passage d'échange thermique présente alors une section transversale à peu près rectangulaire, le filtre à parti- cules étant traversé par deux passages d'échange thermique, parallèles entre eux et disposés à distance l'un de l'autre. Dans une autre configuration de l'invention, le filtre lui- même a une structure stratifiée, composée d'éléments indivi- duels en forme de plaques. IL est avantageux que le filtre se compose de deux blocs de filtration de particules, disposés à une certaine distance mutuelle axiale avec une sollicitation d'un dégagement. Dans une autre forme de construction judicieuse, les élé- ments sont disposés entre les passages d'échange thermique et sur les côtés de ces derniers, mutuellement opposés. Il est utile que les éléments présentent une surface, située dans le sens longitudinal du filtre à noir de carbone et autorisant un passage de l'écoulement, par la réalisation de canaux. Dans une autre configuration judicieuse, les éléments pré- sentent une surface optimisée pour le transfert thermique, par une configuration sinusoldale. Il est en outre avantageux que des canaux soient prévus entre des traverses, dans le premier bloc de filtration des particules, entre le passage d'échange thermique et le fil- tre à particules, pour le passage des gaz d'échappement du moteur. Les canaux sont judicieusement réalisés entre les traverses, servant de ponts d'échange, des passages de transfert thermique. Dans une autre solution avantageuse, une partie au moins des surfaces internes des passages d'échange thermique présente une configuration superficielle, optimisée pour le transfert de chaleur, par des nervures augmentant la section transver- sale, dans la zone du second bloc de filtration des parti- cules. IL est par ailleurs utile que les surfaces des passages d'échange thermique soient en liaison conductrice de chaleur directe, sans intercalation d'une trajectoire d'écoulement des gaz, avec les surfaces adjacentes des éléments filtrants du second bloc de filtration des particules. Dans une autre configuration judicieuse, le flux de gaz d'échappement, provenant du moteur, est guidé d'une manière annulaire autour du brûleur pour le préchauffage des gaz, ces derniers affluant à partir d'un tuyau central. Dans une forme de construction préférentielle, le transfert de chaleur entre les surfaces des passages d'échange thermi- que et/ou les éléments est optimisé au moyen d'inserts. Il est avantageux qu'un capteur de pression différentielle, en enregistrant les pressions en amont et en aval du filtre à particules pour déterminer l'état de charge du filtre, déclenche le fonctionnement du brûleur en association avec un traitement électronique des informations de régime du moteur. Dans une dernière configuration de l'invention, la puissance calorifique requise est contrôlée/régulée par une adaptation modulante, progressive ou continue, en fonction du signal d'un capteur de température, au moyen d'une unité de dosage de combustible et d'un régulateur d'air comburant. L'invention est schématisée sur les dessins annexés, qui correspondent à: Figure 1: le montage du filtre à noir de carbone, conforme à l'invention, sous forme de découpe d'une section de circuit des gaz d'échappement, Figure 2: la coupe A - A au travers de l'élément filtrant de la figure 1, Figure 3: une coupe B - B au travers de l'élément filtrant de la figure 1, Figure 4: le détail D de la figure 3, en vue agrandie. La figure 1 représente le montage d'ensemble d'un filtre à noir de carbone. A partir d'un moteur Diesel non représenté, un tuyau central 1 guide les gaz d'échappement dans le sens de la flèche 2, avec une circulation annulaire autour d'un brûleur 3, les gaz étant alors préchauffés par les parois externes chaudes du brûleur jusqu'au côté afflux 4 d'un filtre à noir de carbone 5, qui peut se composer de deux blocs 5 et 6, un dégagement 7 se situant entre ces deux blocs. Les branchements d'un capteur de pression différentielle 10 sont disposés à l'intérieur de la section de circuit des gaz d'échappement, en amont et en aval du filtre à noir de carbone, un capteur de température 11 se situant en outre en aval du filtre à noir de carbone. Les signaux des capteurs sont traités, avec d'autres informations de régime, dans une unité de calcul centrale 12. Le brûleur 3 est alimenté par des conduites 13, 14 en air comburant et de diffusion com- primé, un ou deux compresseurs 15 pouvant être utilisés. Le brûleur 3 est par ailleurs alimenté en combustible par une conduite 19, par le biais d'une pompe à combustible 16, d'un échangeur de chaleur 17, et d'une unité de dosage de combus- tible 18. Les trois conduites citées sont respectivement munies de soupapes d'arrêt. La conduite d'air de combustion 14 est reliée à un régula- teur d'air comburant 20, pour la modulation de l'air combu- rant. A sa sortie, le brûleur 3 présente deux passages d'échange thermique 21, qui traversent intégralement le filtre à gaz 5 dans le sens longitudinal et/ou, en cas de subdivision du filtre en deux blocs, les deux blocs précités, et présentent respectivement une surface de sortie libre 22 en aval du filtre. Les passages d'échange thermique 21 sont parcourus par les fumées chaudes du brûleur, et cèdent leur chaleur par conduction et rayonnement thermique aux filtres 5, 6. Il apparaît que le brûleur ne fonctionne pas contre la contre-pression des gaz, établie an amont du filtre 5, mais contre la pression atmosphérique, régnant dans la zone des surfaces de sortie 22, en aval du filtre 5/6. Il ressort de la coupe A - A de la figure 2 que des canaux 22 sont pratiqués dans la zone du bloc de filtration de particules 5, dans la surface du passage d'échange thermique 21. Ces canaux 22 permettent le passage, libre et rapide, d'une partie du flux des gaz d'échappement le long de la surface du passage d'échange thermique 21, en direction du dégage- ment 7. La quantité principale des gaz d'échappement est guidée au travers des éléments filtrants 5. Il ressort de la figure 2 que les passages d'échange thermi- que 21 présentent une section transversale rectangulaire, et sont disposés à une certaine distance axiale mutuelle. Un élément filtrant se situe également entre les passages d'échange thermique. Les gaz d'échappement peuvent également affluer dans cet élément central, car la paroi de fermeture du brûleur 3 est disposée à une distance suffisante du plan d'entrée dans l'élément fiLtrant. Sur la surface des passages d'échange thermique 21, les canaux 22 sont mutuellement délimités par des traverses 23, et ont été créés, par exemple, par fraisage dans la zone superficielle des passages d'échange 21. Ces traverses 23 sont en contact conducteur de chaleur avec les éléments filtrants 5. L'agencement des canaux 22 et leur parcours par les gaz d'échappement relativement froids du moteur évitent une surchauffe de l'élément filtrant 5, situé à proximité du brûleur 3. Par ses surfaces tournées vers les passages d'échange thermique 21, le bloc de filtration des particules 6, disposé en aval du dégagement 7, se situe directement en contact conducteur de chaleur avec les passages précités, et ne laisse aucune trajectoire d'écoulement libre entre les surfaces, de sorte qu'un transfert de chaleur intensif est permis dans cette zone. Dans ces zones, les fumées du brûleur se sont déjà refroi- dies à l'intérieur des passages d'échange thermique 21 à un point tel qu'il peut être judicieux de prévoir des nervures supplémentaires 24 à l'intérieur des passages 21, voir le détail D de la figure 4, pour optimiser encore le transfert de chaleur. IL ressort de la figure 4 que les blocs de filtration de particules 5 et 6 se composent d'éléments individuels 25, qui présentent une configuration sinusoldale et dont les coudes sont au contact les uns des autres, en formant alors entre eux des conduits d'écoulement des gaz 26. Les blocs de filtration des particules 5, 6, formés des éléments indivi- duels 25 en forme de plaques, ont donc une structure strati- fiée et le transfert thermique est assuré, à partir des passages d'échange 21, par contact superficiel, le transfert de chaleur étant réduit par l'appui des éléments 25 sur les traverses 23, dans la zone du bloc de filtration des parti- cules 5, afin d'éviter une surchauffe. La régénération du montage de filtre à noir de carbone à l'intérieur des blocs de filtration des particules 5, 6 est assurée par le fait que la pression en amont et en aval des bLocs est enregistrée par le capteur de pression différen- tielle 10, que le fonctionnement du brûleur est déclenché par le processeur central 12, compte tenu d'un signal du capteur de température 11 et suivant l'état de charge actuel du filtre à particules, et que la puissance calorifique requise est contrôlée et/ou régulée par une adaptation modu- lante, progressive ou continue, en fonction du signal du capteur de température, au moyen de l'unité de dosage de combustible 18 et du régulateur d'air comburant 20. 8 2731745 Revendications 1. Montage de filtre à noir de carbone pour moteurs Diesel, comportant un filtre à particules disposé dans le courant des gaz d'échappement, et un brûleur, actionné pour une charge prédéfinie du filtre en particules (noir de carbone), et provoquant la régénération du filtre à particules, par une hausse de température de ce dernier, les particules de noir de carbone, fixées dans le filtre, étant alors brûlées, caractérisé en ce que le brûleur (3) fonctionne contre le côté atmosphère situé en aval du filtre à noir de carbone (5, 6) dans le sens d'écoulement et indépendant de la contre- pression des gaz, et est traversé totalement dans le sens longitudinal par au moins un passage d'échange thermique (21) partant du brûleur (3), d'une surface élevée. 2. Montage de filtre à noir de carbone suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le passage d'échange thermi- que (21) présente une section transversale à peu près rectangulaire. 3. Montage de filtre à noir de carbone suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que le filtre à particules (5, 6) est traversé par deux passages d'échange thermique (21), parallèles entre eux et disposés à distance l'un de l'autre. 4. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre lui-même (5, 6) a une structure stratifiée, composée d'élé- ments individuels (25) en forme de plaques. 5. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre se compose de deux blocs de filtration de particules (5, 6), disposés à une certaine distance mutuelle axiale avec une sollicitation d'un dégagement (7). 6. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments (25) sont disposés entre les passage d'échange thermique (21) et sur les côtés de ces derniers mutuellement opposés. 7. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments (25) présentent une surface, située dans le sens longitudinal du filtre à noir de carbone et autorisant un passage de l'écoulement, par la réalisation de canaux (26). 8. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments (25) présentent une surface optimisée pour le transfert thermique, par une configuration sinusoïdale. 9. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des canaux (22) sont prévus entre des traverses (23), dans le premier bloc de filtration des particules (5), entre le passage d'échange thermique (21) et le filtre à particules (5), pour le passage des gaz d'échappement du moteur. 10. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (22) sont réalisés entre les traverses (23), servant de ponts d'échange, des passages d'échange thermique (21). 11. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins des surfaces internes des passages d'échange thermique (21) présente une configuration superficielle, optimisée pour le transfert de chaleur, par des nervures (24) augmentant la section transversale, dans la zone du second bloc de filtration des particules (6). 12. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces des passages d'échange thermique (21) sont en liaison conductrice de chaleur directe, sans intercalation d'une trajectoire d'écoulement des gaz, avec les surfaces adjacentes des éléments filtrants (25) du second bloc de filtration des particules (6). 13. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz d'échappement, provenant du moteur, est guidé d'une manière annulaire autour du brûleur (3) pour le préchauffage des gaz, ces derniers affluant à partir d'un tuyau central (1). 14. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le trans- fert de chaleur entre les surfaces des passages d'échange thermique (21) et/ou les éléments (25) est optimisé au moyen d'inserts. 15. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un capteur de pression différentielle (10), en enregistrant les pres- sions en amont et en aval du filtre à particules (5, 6) pour déterminer l'état de charge du filtre, déclenche le fonction- nement du brûleur en association avec un traitement électro- nique (12) des informations de régime du moteur. 16. Montage de filtre à noir de carbone suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puis- sance calorifique requise est contrôlée/régulée par une adaptation modulante, progressive ou continue, en fonction du signal d'un capteur de température (11), au moyen d'une unité de dosage de combustible (18) et d'un régulateur d'air comburant (20).