Brevet FR2751559A1 — publié le 19980130

FILTRE POUR LA RETENTION DE PARTICULES SOLIDES CONTENUES DANS LES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR DIESEL ET TAMPON DE FILTRATION L'invention est relative à un filtre destiné à la rétention des particules solides contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel ainsi qu'à un tampon métallique de filtration. Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne diesels contiennent des particules solides de suie très polluantes qu'il est souhaitable d'éliminer. Afin d'éliminer ces particules il a été proposé d'incorporer des filtres aux dispositifs d'échappement des moteurs diesels, les filtres étants réalisés selon diverses technologies, toutes devant résister à des températures très élevées (au moins 700"C) et aux vibrations engendrées par le fonctionnement du moteur. La résistance aux températures élevées est nécessaire non seulement du fait de la température des gaz d'échappement, mais aussi pour permettre une régénération du filtre par combustion des particules piégées, lorsque le filtre est trop encrassé pour fonctionner de façon satisfaisante. On a, par exemple, proposé d'utiliser des filtres en céramique à structure en nid d'abeille ou en carbure de silicium, mais ces filtres ont une résistance aux chocs thermiques insuffisante et se fissurent notamment lors des phases de régénération. On a, également, proposé d'utiliser des filtres comportant des tampons métalliques constitués d'un mélange de fils fins tricotés et de fibres frittées qui résistent bien aux températures élevées, mais qui s'usent très rapidement. Aucune de ces technologies ne donne satisfaction, soit par ce qu'elles sont trop coûteuses pour être économiquement viables, soit par ce qu'elles conduisent à des filtres dont la durée de vie est trop faible. Le but de la présente invention est de proposer un filtre pour la rétention de particules solides contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur diesel qui ait une bonne résistance aux chocs thermiques et aux vibrations et qui puisse être régénérés facilement. A cet effet, I'invention a pour objet un filtre pour la rétention de particules solides contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur diesel du type comprenant un tube d'arrivée des gaz d'échappement, une enceinte de filtration, un moyen de filtration disposé à l'intérieur de l'enceinte de filtration et un tube d'évacuation des gaz après filtration, dans lequel le moyen de filtration comporte au moins un premier tampon métallique constitué d'au moins une couche d'un tricot d'au moins un fil métallique en acier inoxydable ou en alliage base nickel. L'au moins une couche de tricot est compactée et les mailles du tricot sont rendues solidaires les unes des autres aux points de contact du ou des fils métalliques après compactage. De préférence, les mailles du tricot sont rendues solidaires par soudage et la densité apparente du tampon est comprise entre 160 grammes/dm3 et 1,5 kg/dm3. Le tricot peut être constitué d'au moins un fil métallique en alliage conducteur d'électricité relié en deux points distincts à un moyen d'alimentation en électricité et de commande. L'au moins un fil métallique en alliage conducteur d'électricité est, de préférence, en acier de type Class II B pour éléments chauffants suivant la norme américaine ASTM B 603 dopé au cérium (20% Cr - 5% Al dopé au cérium). De préférence, le premier tampon métallique a une forme de manchon tubulaire généralement cylindrique comporte une partie axiale creuse, le tube d'arrivée des gaz d'échappement débouche dans la partie axiale creuse et l'enceinte de filtration a un volume suffisant pour ménager un espace libre à la périphérie externe du tampon métallique, de telle sorte que les gaz d'échappement chargés en particules solides pénètrent dans la partie axiale creuse du tampon en forme de manchon, s'écoulent radialement à travers le tampon, de l'intérieur vers l'extérieur, puis débouchent dans l'espace libre à la périphérie du tampon métallique. Le filtre peut comporter une pluralité de tampons métalliques tubulaires de densité apparente différente. L'invention concerne également un tampon pour filtre de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel constitué d'au moins une couche d'un tricot d'au moins un fil métallique en acier inoxydable ou en alliage base nickel. L'au moins une couche de tricot est compactée et les mailles du tricot sont rendues solidaires les unes des autres aux points de contact du ou des fils métalliques après compactage. De préférence, les mailles du tricot sont rendues solidaires par soudage et la densité apparente du tampon est comprise entre 160 grammes/dm3 et 1,5 kg/dm3. Le tampon peut comporter au moins un fil en alliage conducteur d'électricité et des moyens de connexion de l'au moins un fil en alliage conducteur d'électricité à un moyen d'alimentation en électricité. De préférence, I'au moins un fil métallique en alliage conducteur d'électricité est en acier de type Class II B pour éléments chauffants suivant la norme américaine ASTM B 603 dopé au cérium (20% Cr - 5% Al dopé au cérium). L'invention va maintenant être décrite plus en détails, mais de façon non limitative en regard de la figure 1 qui représente un coupe un filtre pour gaz d'échappement d'un moteur diesel. Le filtre pour rétention de particules solides contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur diesel comporte un tube 1 d'arrivée des gaz d'échappement, une enceinte de filtration 2, un moyen de filtration 24, et un tube 3 d'évacuation des gaz après filtration. L'enceinte de filtration 2 comporte une paroi externe 4 de forme généralement cylindrique fermée à l'une de ses extrémités par un flasque 5 muni d'un trou axial 6 dans lequel débouche le tube 1 d'arrivée des gaz d'échappement. A l'autre extrémité, la paroi externe 4 est prolongée par une partie 7 tronconique qui débouche par un trou 8 dans le tube 3 d'évacuation des gaz. Dans l'axe de l'enceinte de filtration 2, et dans le prolongement du tube 1 d'arrivée des gaz, est disposé un tube distributeur 9 dont la paroi est percée d'une pluralité de trous 10. Le tube distributeur 9 est obturé environ au tiers de sa longueur par un bouchon 11 afin de former une chambre 12 d'arrivée des gaz. Le tube distributeur 9 est également obturé à son extrémité libre 13 par un flasque 14 de diamètre supérieur au diamètre du tube distributeur 9. Le bouchon 11 et le flasque 14 délimitent à l'intérieur du tube distributeur 9 une chambre de circulation des gaz 15. Un tampon métallique 16 en forme de manchon, qui constitue le moyen de filtration 24, est emmanché sur le tube distributeur 9 et s'étend sur toute sa longueur entre le flasque 5 de fermeture de l'enceinte de filtration 2 et le flasque 14 d'obturation du tube distributeur 9. Le diamètre extérieur du tampon métallique 16 est sensiblement plus faible que le diamètre intérieur de l'enceinte de filtration 2 de façon à laisser à la périphérie externe du tampon 16 un espace libre 17 permettant la circulation des gaz. L'espace libre 17 est divisé selon sa longueur par une paroi 18 en une première chambre 19 de réception des gaz et une deuxième chambre 20 d'évacuation des gaz. La paroi 18 est placée environ à mi longueur de la chambre 15 de circulation des gaz, de telle sorte que les gaz qui arrivent par le tube 1 d'arrivée des gaz et pénètrent dans la chambre 12 d'arrivée des gaz, s'écoulent radialement de l'intérieur vers l'extérieur du tampon 16 pour être reçus dans la chambre 19 de réception des gaz, puis s'écoulent radialement de l'extérieur vers l'intérieur du tampon 16 pour pénétrer dans la chambre 15 de circulation des gaz et, enfin, s'écoulent radialement de l'intérieur vers l'extérieur du tampon 16 pour être reçus dans la chambre 20 d'évacuation des gaz, avant d'être évacués par le tube 3 d'évacuation des gaz. La présence de l'espace libre 17, et en particulier de la chambre 19 de réception des gaz, à la périphérie du tampon 16, ainsi que l'alimentation du filtre par la partie axiale centrale du tampon 16 permet d'obtenir à la fois une bonne filtration des gaz et de minimiser la perte de charge engendrée par le filtre. Le tampon 16 est constitué d'un tricot de fils métalliques en acier inoxydable ou en alliage base nickel, de préférence en acier de type Class II B pour les éléments chauffants, suivant la norme américaine ASTM B 603 dopé au cérium (20% Cr - 5% Al dopé au cérium) mais, des aciers du type suivant, désignés selon les normes américaines ASTM A276-94B et A580/A580M-94 : UNS type 309, 310, 314 et 446, ainsi que AISI type 330, 439 et 442. De préférence, le diamètre des fils est compris entre 80 pm pour être suffisamment résistant, et 400 pm pour ne pas être trop rigide. Le tricot est réalisé directement sous forme de manchon, soit sous forme de bande en enroulé sur un mandrin pour former un manchon généralement cylindrique comportant une partie axiale creuse (25). Le manchon est compacté axialement puis les mailles du tricot sont solidarisées en leurs points de contact par soudage, le soudage étant engendré par une ou plusieurs décharges électriques intenses. On obtient ainsi un tampon en forme de manchon dont la densité apparente est comprise entre 2% et 20% de la densité du métal dont est constitué le tricot. Le tricot peut être constitué d'un ou plusieurs fils tricotés ensemble, et de préférence de 2 à 4 fils. A dimensions identiques, l'efficacité du tampon pour retenir les particules de suie et la perte de charge qu'engendre son utilisation sont fonction du nombre de fils, du diamètre des fils et de la densité apparente. A densité apparente égale, il est préférable que le nombre de fils soit faible (deux ou trois plutôt que six) et que le diamètre des fils soit relativement important (200 pm plutôt que 40 ou 80 pm). Afin de favoriser la régénération du filtre par combustion des particules de suie piégées, le tampon 16 peut comporter au moins un fil en alliage conducteur de l'électricité et résistant à la chaleur, par exemple en acier de type Class II B (norme américaine ASTM B 603) dopé au cérium, ou, plus généralement en alliage destiné à la fabrication de résistances électriques (par exemple, les nuances pour éléments chauffants citées dans les normes américaines ASTM B344 et B603, ou les nuances du type W Nr 1.4860, 1.4767, 2.4867 et 2.4869 suivant la norme allemande DIN 17470. Ce fil qui peut être entrelacé avec les autres fils, par exemple par ce qu'il est tricoté avec les autres fils, ou disposé en nappe à la périphérie du tampon, comporte en chacune de ses extrémités, ou plus généralement en deux points distincts, des moyens 21 de connexion connectés à un moyen 22 d'alimentation électrique et de commande relié, par exemple, à une sonde de température 23 disposée à proximité du tampon 16. Lorsque la température du tampon 16, mesurée par la sonde de température 23, est insuffisant, le moyen 22 d'alimentation électrique et de commande envoie un courant électrique dans le fil conducteur d'électricité qui s'échauffe et crée des points chauds dans le tampon 16. Au contact de ces points chauds, les particules de suie s'enflamment, ce qui initie une réaction de combustion des particules de suie qui encrassent le tampon. Cette combustion, en éliminant les particules de suie accumulées, régénère le tampon. Lorsque la température mesurée par la sonde 23 est trop importante, c'est à dire dépasse une valeur fixée à l'avance, I'alimentation électrique est coupée afin d'éviter une surchauffe du tampon et, surtout, un emballement de la réaction de combustion. Le filtre peut comporter un ou plusieurs tampons, disposés de façon diverse. Le ou les tampons peuvent être de densité apparente uniforme ou comporter plusieurs couches de densités apparentes différentes. Mais, il est très souhaitable que le filtre comporte au moins un premier tampon entouré par un espace libre et alimenté en gaz d'échappement par sa partie axiale centrale de façon à ce que les gaz s 'écoulent à travers ce premier tampon radialement, de l'intérieur vers l'extérieur, et débouchent dans un espace libre. Enfin, un tampon peut comporter une pluralité de couches de densités apparentes différentes, de telle sorte que, par exemple, la partie la plus externe du tampon soit plus dense que sa partie la plus interne. Une telle disposition permet d'optimiser simultanément l'efficacité de la filtration et la perte de charge engendrée par le tampon. Pour réaliser un tampon comportant au moins deux couches de densités apparentes différentes, on peut, par exemple, enrouler une première bande de tricot ayant une maille déterminée, de façon à former un premier manchon, puis enrouler sur ce premier manchon une deuxième bande de tricot ayant une maille différente. Le manchon ainsi obtenu est alors compacté et soudé par décharge électrique. La différence de densité apparente peut également être obtenue en utilisant deux bandes de tricot réalisées avec des fils de diamètre différent, ou avec un nombre différent de fils. REVENDICATIONS 1 - Filtre pour la rétention de particules solides contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur diesel du type comprenant un tube (1) d'arrivée des gaz d'échappement, une enceinte de filtration (2), un moyen de filtration (24) disposé à l'intérieur de l'enceinte de filtration (2) et un tube (3) d'évacuation des gaz après filtration, caractérisé en ce que le moyen de filtration (24) comporte au moins un premier tampon métallique (16) constitué d'au moins une couche d'un tricot d'au moins un fil métallique en acier inoxydable ou en alliage base nickel, en ce que l'au moins une couche de tricot est compactée, et en ce que les mailles du tricot sont rendues solidaires les unes des autres aux points de contact du ou des fils métalliques après compactage. 2 - Filtre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les mailles du tricot sont rendues solidaires par soudage. 3 - Filtre selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la densité apparente de l'au moins premier tampon métallique (16) est comprise entre 160 grammes/dm3 et 1,5 kg/dm3. 4 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le tricot est constitué d'au moins un fil métallique en alliage conducteur électricité relié en deux points distincts à un moyen d'alimentation en électricité et de commande. 5 - Filtre selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'au moins un fil métallique est en acier de type Class II B pour éléments chauffants suivant la norme américaine ASTM B 603 dopé au cérium (20% Cr - 5% Al dopé au cérium). 6 - Filtre selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le premier tampon métallique (16) a une forme de manchon tubulaire généralement cylindrique comportant une partie axiale creuse (25), en ce que le tube (1) d'arrivée des gaz d'échappement débouche dans la partie axiale creuse (25) du premier tampon métallique (16) et en ce que l'enceinte de filtration (2) a un volume suffisant pour ménager un espace libre (17,19) à la périphérie externe du tampon métallique (16), de telle sorte que les gaz d'échappement chargés en particules solides pénètrent dans la partie axiale creuse (25) du tampon (16) en forme de manchon, s'écoulent radialement à travers le tampon (16), de l'intérieur vers l'extérieur, puis débouchent dans l'espace libre (17,19) à la périphérie du tampon métallique (16). 7 - Filtre selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de tampons métalliques tubulaires et en ce que les densité apparentes des différents tampons sont différentes. 8 - Tampon pour filtre de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une couche d'un tricot d'au moins un fil métallique en acier inoxydable ou en alliage base nickel, en ce que l'au moins une couche de tricot est compactée, et en ce que les mailles du tricot sont rendues solidaires les unes des autres aux points de contact du ou des fils métalliques après compactage. 9 - Tampon selon la revendication 8 caractérisé en ce que les mailles du tricot sont rendues solidaires par soudage. 10 - Tampon selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce que la densité apparente du tampon est comprise entre 160 grammes/dm3 et 1,5 kg/dm3. 11 - Tampon selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de couches d'au moins un tricot métalliques, et en ce que au mois deux couches ont des densités apparentes différentes. 12 - Tampon selon lune quelconque des revendications 8 à 11 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un fil en alliage conducteur d'électricité et des moyens de connexion de l'au moins un fil en alliage conducteur d'électricité à un moyen d'alimentation en électricité. 13 - Tampon selon la revendication 12 caractérisé en ce que au moins un fil métallique en alliage conducteur d'électricité est en acier inoxydable du type 20% Cr - 5% Al dopé au cérium.