Brevet FR2792219A1 — publié le 20001020

PROCEDE POUR EVITER L'ACCUMULATION ET LE COLMATAGE DES FILTRES PAR DES PARTICULES La présente invention concerne un procédé pour éviter l'accumulation et le colmatage des filtres par des particules contenues dans un gaz, et un système de filtration pour la mise en oeuvre dudit procédé. Lors de la combustion du gazole dans les moteurs à combustion interne, notamment les moteurs diesel et moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre, des quantités non négligeables de suies sont produites. On a déjà cherché de différentes façons à extraire la suie par filtration et à régénérer le filtre en brûlant la suie. Cette combustion des suies peut s'effectuer pendant le fonctionnement du moteur diesel, car ces moteurs fonctionnent en présence d'un excès d'oxygène, de sorte qu'il reste toujours de l'oxygène en quantité suffisante dans les gaz d'échappement pour la combustion des suies. Toutefois, la technique de régénération est extrêmement coûteuse à mettre en oeuvre. Il est également connu que dans certaines conditions de fonctionnement, la température des gaz d'échappement peut atteindre un niveau suffisamment élevé pour que la combustion des suies ait lieu avant que le filtre ne soit encrassé. Cette technique présente toutefois de nombreux inconvénients, comme par exemple un risque de choc thermique conduisant à une fracture ou une fissuration du filtre céramique, ou une fusion du filtre métallique. Une autre solution consiste à mettre en contact intime avec les suies des catalyseurs d'oxydation dans le but d'abaisser la température d'inflammation des suies et permettant ainsi une combustion contrôlée des suies pendant une marche normale du moteur. Cette dernière approche qui apparaît aujourd'hui comme la voie la plus efficace pour réduire les émissions de suies ne résout cependant pas le problème dû à l'accumulation des résidus des catalyseurs d'oxydation dans le filtre. De plus, du fait de la bonne efficacité de filtration, d'autres résidus sont également retenus par les filtres. Les principaux résidus proviennent soit de la combustion des huiles tels que des particules de composés de calcium ou de zinc soit de la corrosion et de l'usure du moteur comme par exemple les particules de composés du nickel, du chrome, du fer, du magnésium, du plomb, soit leurs mélanges. L'accumulation progressive des suies et des résidus divers conduit alors au colmatage du filtre et donc à une augmentation de la perte de charge dans le filtre. Cette augmentation de perte de charge entraîne une surconsommation de carburant, induit des désagréments de conduite du véhicule, et enfin dans certains cas peut causer l'arrêt du véhicule. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé efficace pour éviter l'accumulation des résidus divers sur le filtre et ainsi éviter son colmatage, et qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans un souci de simplification, dans la suite de l'exposé, le terme "particules" sera employé pour désigner à la fois les suies résiduelles et les résidus d'origines diverses qui peuvent s'accumuler sur le filtre et le colmater. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé pour éviter l'accumulation et le colmatage des filtres par des particules contenues dans un gaz, dans lequel l'on met en contact le gaz avec un système de filtration comprenant: * une alimentation en gaz (1) à épurer, * une enceinte de filtration (2), * un ou plusieurs éléments filtrants (3) comportant une partie creuse (4) délimitée par une paroi filtrante (5), et disposé(s) à l'intérieur de l'enceinte de filtration (2), et * une évacuation (6) des gaz après filtration, caractérisé en ce que la surface d'entrée des éléments filtrants (3) est disposée de manière que les particules retenues puissent retomber à la périphérie externe desdits éléments, sous l'effet de la gravité. Le procédé selon l'invention est simple, économiquement viable, permet de retarder voire supprimer le nettoyage ou le remplacement des filtres et de diminuer sensiblement la perte de charge dans les filtres. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre, en faisant référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemples illustrant un mode possible de réalisation de l'invention et dans lequel: - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un système de filtration pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon un mode de réalisation particulier de l'invention; - la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un système de filtration pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne classique selon un mode de rélisation de l'art antérieur. Il convient de préciser la nature des matériaux constitutif des éléments filtrants (3) n'est pas critique pour la présente invention. A ce titre on peut citer par exemple la cordiérite, la mullite, les plaques métalliques poreuses, le carbure de silicium, l'alumine, la zircone, la zircone mullite. Comme indiqué plus haut, le système de filtration comprend: C une alimentation en gaz (1) à épurer, ò une enceinte de filtration (2), À un ou plusieurs éléments filtrants (3) comportant une partie creuse (4) délimitée par une paroi filtrante (5), et disposé(s) à l'intérieur de l'enceinte de filtration (2), et * une évacuation (6) des gaz après filtration, avec la surface d'entrée des éléments filtrants (3) disposée de manière que les particules retenues puissent retomber à la périphérie externe desdits éléments, sous l'effet de la gravité. Les éléments filtrants (3) peuvent avoir une structure en nids d'abeille en forme hexagonale, tétragonale, carré, triangulaire ou ondulée. Les gaz peuvent entrer dans la partie creuse (4) desdits éléments, et traverser les parois filtrantes (5). Les particules contenues dans les gaz seront alors retenues et retomberont à la périphérie externe desdites parois, sous l'effet de la gravité. Pour une meilleure efficacité, il est préférable que l'axe longitudinal (xy) correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans l'élément filtrant, ou le plan des éléments filtrants (3) possèdent un angle d'au plus 45 , avantageusement d'au plus 30 par rapport à la verticale. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, cet angle est de 0 par rapport à la verticale. Les particules peuvent retomber à la périphérie externe des éléments (3) à tout moment mais surtout lors de l'arrêt du moteur, lors du changement de régime du moteur (décélération, passage au ralenti etc.), ou sous l'effet des vibrations de la ligne d'échappement. Toute disposition de l'alimentation en gaz (1) qui permettra aux particules retenues de retomber à la périphérie externe desdits éléments, sous l'effet de la gravité, convient. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, I'alimentation en gaz (1) est disposée de telle manière que l'arrivée du gaz avant l'épuration se fait par le bas, dans le sens indiqué par la flèche dans la Figure 1. Les parois filtrantes (5) comportent des pores de diamètres permettant à la fois la rétention des particules et la diffusion des gaz après épuration, tout en restant compatible avec les contraintes de perte de charge liées à l'utilisation. Le système de filtration peut être muni d'un dispositif (7) d'évacuation des particules. Ainsi, après l'épuration des gaz, les particules retombées à la périphérie externe des éléments filtrants (3) peuvent être évacuées. Le dispositif d'évacuation peut être par exemple un orifice, une surface rainurée, une vanne tiroir. Pour extraire les particules retombées, on sera amené à ouvrir le dispositif (7). L'extraction des particules peut s'effectuer de différentes manières, par exemple par une simple aspiration. Le dispositif d'évacuation (7) est particulièrement avantageux, car il permet le nettoyage du filtre à particules sans avoir besoin de le démonter. Un autre objet de l'invention est un système de filtration pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrite précédemment. Bien que le système de filtration présentant les caractéristiques cidessus soit plus particulièrement adapté à des moteurs à combustion interne, notamment les moteurs diesel et les moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre, il n'est pas exclu de l'utiliser dans d'autres domaines o de tels résultats sont recherchés, comme par exemple dans les moteurs à essence fonctionnant en conditions stoechiométriques, les turbines à gaz, les groupes électrogènes, les chaudières. Des exemples concrets mais non limitatifs de l'invention vont maintenant être donnés. EXEMPLES Exemple I (comparatif) Cet exemple est réalisé avec un système de filtration classiquement utilisé dans lequel l'axe longitudinal correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans l'élément filtrant, ou le plan des éléments filtrants possède un angle de 90 par rapport à la verticale. Le banc moteur utilisé pour ces essais est équipé d'un moteur de 1,9 litre muni d'une alimentation par injection directe de gazole et d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement (EGR) et d'un turbocompresseur. Le gazole utilisé pour suivre l'évolution dans le temps du chargement du filtre à particules est conforme à la législation européenne (G04). De plus, ce gazole est additionné par un additif de combustion des suies commercialisé par l'entreprise TM RHODIA TERRES RARES, sous la référence EOLYSTM. La concentration en cérium mise en oeuvre est de 50 ppm de cérium par rapport au gazole. Le système de filtration est composé d'un filtre en carbure de silicium placé en sortie du collecteur d'échappement comme représente dans la Figure 2. La Figure 2 reprend essentiellement les éléments du système de la Figure 1, à la différence que l'axe longitudinal (pz) correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans l'élément filtrant ou le plan des éléments filtrants (3b), possède un angle de 90 par rapport à la verticale. Le système de la Figure 2 comprend ainsi: * une alimentation en gaz (lb) à épurer, * une enceinte de filtration (2b), * plusieurs éléments filtrants (3b) comportant une partie creuse (4b) délimitée par une paroi filtrante (5b), et * une évacuation (6b) des gaz après filtration, avec l'entrée des gaz avant épuration qui se fait dans le sens indiqué par la flèche dans la Figure 2. Les principales caractéristiques de l'enceinte de filtration sont les suivantes - dimension des éléments filtrants (3b) = 33 x 33 x 150 mm - nombre d'éléments filtrants (3b) = 9 + (1/4) x 12 = 12 volume de l'ensemble des éléments filtrants = 1,96 litre - dimension des éléments filtrants = 100 cpsi - résistance thermique du système de filtration = 2200 C L'essai de durabilité sur banc moteur est réalisé en accumulant des cycles successifs NEDC comprenant le cycle Urban Driving Cycle (UDC) et le cycle Extra Urban Driving Cycle (EUDC), qui. correspondent aux cycles définis par les réglementations européennes. Lors de cet essai d'endurance, on note que le système de filtration et de régénération fonctionne de façon tout à fait satisfaisante: les suies accumulées pendant le cycle UDC sont brûlées pendant la phase EUDC en particulier après ou pendant les phases de décélération et/ou de forte charge lorsque la quantité de suie atteint un niveau suffisant pour entretenir la propagation de la combustion. Pendant cette phase de fonctionnement, on observe pendant plus de 1000 heures que la perte de charge qui était initialement mesurée au ralenti de 35.102 Pa, n'excède pas 400.102 à 450.102 Pa. Au-delà de 1000 heures, on observe que la perte de charge déterminée après chaque régénération augmente régulièrement. A partir de 1150 heures, le fonctionnement du moteur est notablement perturbé par la perte de charge dans le filtre à particule, ce qui se traduit par une surconsommation significative de l'ordre de 5 % en gazole. A 1200 heures, I'essai d'endurance est arrêté pour réaliser une expertise du filtre à particule. L'examen visuel du filtre montre que l'ensemble des éléments filtrants (3b) de l'enceinte de filtration est colmaté par un dépôt de particules composées essentiellement de particules d'oxyde de cérium et de sulfate de calcium et de sulfate de zinc. En sectionnant l'enceinte de filtration dans la longueur, on observe des dépôts à différents endroits dans les éléments filtrants: - un dépôt à l'extrémité côté sortie du flux gazeux, - des dépôts caractérisés par des amas de résidus, positionnes à différents endroits dans les éléments filtrants et en particulier sur la face entrée de l'enceinte de filtration. De façon non ambiguë, cette accumulation des résidus dans le filtre a entraîné l'augmentation rédhibitoire de la perte de charge au-delà de 1000 heures d'endurance. Un nettoyage complet du filtre est alors nécessaire pour poursuivre les essais. Ce nettoyage s'effectue en général par une étaape de démontage et d'ouverture de la ligne d'échappement. Exemple 2 (selon l'invention) Cet exemple illustre un mode de réalisation particulier l'invention. L'ensemble du dispositif expérimental décrit à l'exemple 1 est utilisé à l'exception du filtre à particules en carbure de silicium dont la forme géométrique et l'emplacement en sortie du collecteur d'échappement sont du type " galette ", placé horizontalement tel que l'axe longitudinal (xy) correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans I'élément filtrant (3), ou le plan des éléments filtrants (3) possèdent un angle de 0 par rapport à la verticale comme représenté dans la Figure 1. Les principales caractéristiques du filtre sont les suivantes: - dimension des éléments filtrants (3) = 33 x 33 x 75 mm - nombre d'éléments filtrants = 24 - volume de l'ensemble des éléments filtrants = 1,96 litre dimension des éléments filtrants = 100 cpsi - résistance thermique du système de filtration = 2200 C L'essai d'endurance sur banc moteur est réalisé comme à l'exemple 1 en accumulant des cycles successifs UDC et EUDC. Par rapport à l'exemple 1, on observe les différences suivantes: - la perte de charge initiale maximum mesurée au ralenti est de seulement 20. 102 Pa, ce qui s'explique par le fait que la hauteur de filtration n'est que de 75 mm au lieu de mm dans l'exemple 1, - les régénérations sont plus fréquentes que dans l'exemple 1 et la perte de charge n'excède pas 350.102 à 400.102 Pa. Jusqua 1500 heures on n'observe pas d'augmentation significative de la pression résiduelle après régénération. A partir de 1550 heures, on observe que la perte de charge observée après chaque régénération augmente régulièrement. A partir de 1550 heures, on procède à l'évacuation des résidus accumulés dans la partie inférieure de l'enceinte de filtration (2) en procédant à l'aspiration de ces résidus par le dispositif d'évacuation (7) tel que représenté sur la Figure 1. Après aspiration des résidus, le dispositif (7) est refermé et l'essai d'endurance est repris.Après cette opération de nettoyage, on note que la perte de charge mesurée au ralenti est sensiblement identique à celle d'un filtre neuf; elle est égale à 55.102 Pa. Il est important de noter que dans le cadre de l'invention, à aucun moment la ligne d'échappement n'a été déposée ou démontée, ce qui présente un avantage technique et économique indéniable. L'essai d'endurance est poursuivi pendant 800 heures sans que la perte de charge n'excède 400. 102 Pa. Cet essai non limitatif de l'invention met clairement en évidence que par rapport aux systèmes classiques de filtration, le système de filtration selon l'invention présente, entre autres, les avantages suivants: - il permet de fonctionner pendant un temps beaucoup plus long, et - il permet de procéder à une opération de nettoyage - régénération très simple, peu coûteuse, et très rapide. REVENDICATIONS 1. Procédé pour éviter l'accumulation et le colmatage des filtres par des particules contenues dans un gaz, dans lequel l'on met en contact le gaz avec un système de filtration comprenant: * une alimentation en gaz (1) à épurer, * une enceinte de filtration (2), * un ou plusieurs éléments filtrants (3) comportant une partie creuse (4) délimitée par une paroi filtrante (5) et disposé(s) à l'intérieur de l'enceinte de filtration (2), et * une évacuation (6) des gaz après filtration, caractérisé en ce que la surface d'entrée des éléments filtrants (3) est disposée de manière que les particules retenues puissent retomber à la périphérie externe desdits éléments, sous l'effet de la gravité. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe longitudinal (xy) correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans l'élément filtrant, ou le plan des éléments filtrants (3), possède un angle d'au plus 45 , avantageusement d'au plus 30 par rapport à la verticale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe longitudinal (xy) possède un angle de 0 par rapport à la verticale. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alimentation en gaz (1) est disposée de telle manière que l'arrivée du gaz avant I'épuration se fait par le bas. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendicationsl à 4, caractérisé en ce que le système de filtration est muni d'un dispositif (7) d'évacuation des particules retombées à la périphérie externe des éléments filtrants (3). 6. Procédé pour éviter l'accumulation et le colmatage des filtres par des particules contenues dans un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en qu'il est adapté à des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs diesel et des moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre. 7. Système de filtration de particules contenues dans un gaz comprenant: À une alimentation en gaz (1) à épurer, * une enceinte de filtration (2), un ou plusieurs éléments filtrants (3) comportant une partie creuse (4) délimitée par une paroi filtrante (5) et disposé(s) a l'intérieur de l'enceinte de filtration (2), et - une évacuation (6) des gaz après filtration, caractérisé en ce que la surface d'entrée des éléments filtrants (3) est disposée de manière que les particules retenues puissent retomber à la périphérie externe desdits éléments, sous l'effet de la gravité. 8. Système de filtration selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'axe longitudinal (xy) correspondant à la direction d'écoulement du gaz dans l'élément filtrant, ou le plan des éléments filtrants (3), possède un angle d'au plus 45 , avantageusement d'au plus 30 par rapport à la verticale. 9. Système de filtration selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'axe longitudinal (xy) possède un angle égal à 0 par rapport à la verticale. 10. Système de filtration selon l'une des quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'alimentation en gaz (1) est disposée de telle manière que l'arrivée du gaz avant l'épuration se fait par le bas. 11. Système de filtration selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que le système de filtration comprend un dispositif (7) d'évacuation des particules retombées à la périphérie externe des éléments filtrants (3). 12. Utilisation d'un système de filtration selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 dans des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs diesel et des moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre.