Brevet FR2808839A1 — publié le 20011116

L'invention concerne un filtre à particules pour un système d'épuration de gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, ainsi qu'un procédé pour la régénération d'un tel filtre à particules. Pour épurer un gaz d'échappement de machines à combustion interne, notamment de moteurs à allumage spontané, on sait installer des systèmes dits d'épuration de gaz d'échappement dans un tronçon de gaz d'échappement. De tels systèmes d'épuration de gaz d'échappement peuvent comprendre aussi bien des systèmes à catalyseurs que des filtres à particules. Ces derniers ont une grande importance notamment dans les moteurs diesel car des émissions de fumée relativement grandes apparaissent dans ce cas. Les filtres à particules sont normalement intégrés, avec un carter qui les comprend, dans le tronçon de gaz d'échappement de la machine à combustion interne. Ils sont constitués d'un élément de filtrage monolithique ou segmenté qui est traversé par le gaz d'échappement à filtrer. La porosité du filtre à particules est alors choisie en fonction des propriétés des composants à séparer et des conditions imposées par la technique des fluides. Le filtre à particules est bloqué dans le tronçon de gaz d'échappement de la machine à combustion interne, par exemple en utilisant des éléments dits nattes de source. Avec une porosité appropriée, les particules de fumée au-dessus d'une certaine dimension sont retenues dans le filtre à particules en fonctionnement normal. La fumée accumulée dans le filtre à particules doit être éliminée à intervalles réguliers, pour empêcher un encrassement du filtre. Une telle régénération s'effectue normalement au moyen d'une oxydation avec l'oxygène de l'air mais elle demande une température d'inflammation d'au moins 550 OC. Cependant, la température d'inflammation peut être diminuée par l'ajout d'additifs mais une telle mesure demande un dispositif d'ajout particulier ainsi que des procédés de commande pour celui-ci. Si la régénération doit s'effectuer sans ajout d'additifs, il est au moins nécessaire de construire le filtre à particules en un matériau réfractaire et stable à haute température. On peut utiliser de manière connue du carbure de silicium (carborundum) qui a une grande stabilité chimique et une grande stabilité à l'oxydation pour des températures de plus de 1 000 C. Souvent, même lorsque le filtre à particules est monté près du moteur, les températures d'inflammation nécessaires ne peuvent pas être atteintes en fonctionnement normal. Pour pouvoir effectuer quand même la régénération du filtre à particules, on connaît des procédés et des dispositifs avec lesquels la température de gaz d'échappement est augmentée. D'une part, on impose une augmentation de la température en intervenant directement dans la gestion du moteur, ce qui s'obtient la plupart du temps au prix d'une modification non souhaitée du couple et d'une augmentation de la consommation de carburant. D'autre part, le gaz d'échappement peut aussi être chauffé directement par un chauffage électrique à convection, ce qui ne peut toutefois être fait efficacement qu'avec une puissance de chauffage électrique considérable en raison de la grande vitesse d'écoulement du gaz d'échappement et de sa mauvaise conductibilité thermique. Une utilisation d'éléments dits brûleurs ne conduit non plus qu'à un chauffage indirect du filtre à particules et la consommation de carburant augmente donc ici aussi forcément de manière sensible. La présente invention a pour objet de proposer un filtre à particules ainsi qu'un procédé pour la régénération de celui-ci avec lesquels les températures d'inflammation nécessaires peuvent être atteintes le plus efficacement possible. Ce problème est résolu selon l'invention par le filtre à particules pour le système d'épuration de gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, caractérisé en ce qu'un élément de chauffage électrique, construit notamment dans la même céramique conductrice d'électricité, est associé à l'élément de filtrage; ainsi que par le procédé pour la régénération d'un tel filtre à particules caractérisé en ce qu'une régénération du filtre à particules est déclenchée par l'application d'une tension sur un élément de chauffage électrique qui est construit notamment dans la même céramique conductrice d'électricité et qui est associé à l'élément de filtrage. Du fait qu'un élément de chauffage électrique en carbure de silicium est associé à l'élément de filtrage, celui-ci peut être chauffé directement. En raison du très petit coefficient de dilatation thermique du carbure de silicium, l'élément de chauffage peut être associé directement à l'élément de filtrage car seules de petites contraintes de matériaux apparaissent même pour des gradients de température élevés. Le carbure de silicium convient en plus très bien comme matériau de résistance de chauffage en raison de ses propriétés électriques. Selon le procédé, la régénération du filtre à particules est déclenchée par l'application d'une tension à l'élément de chauffage électrique. Ce faisant, la tension est comprise de préférence entre 8 et 12 V. De préférence, on peut utiliser ici aussi la tension de 12 V mise à disposition par un système de bord, qui est notamment comprise dans une plage de 8 à 14V, notamment de 12 à 14V. De préférence, la prescription de la tension est commandée en fonction d'un encrassement de filtre à particules, d'une température de filtre, d'une température de gaz d'échappement, d'une température d'inflammation souhaitée et/ou d'un flux massique de gaz d'échappement. De cette manière, il est possible d'adapter la tension individuellement aux données réelles dans la zone du filtre à particules. Par ailleurs, la régénération est effectuée périodiquement et/ou en fonction de l'encrassement du filtre. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'élément de chauffage s'étend sur un axe longitudinal du filtre à particules ou de manière coaxiale à celui-ci. L'élément de chauffage peut être en forme de tube ou de barre et avoir notamment une surface de section transversale de 1 à 3 cm2. De plus, l'élément de chauffage est monté de préférence dans une zone de l'élément de filtre dans laquelle règne une vitesse spatiale du gaz d'échappement très grande, notamment la plus grande. Lorsque l'élément de filtrage est constitué de segments individuels qui sont collés ensemble, il s'est avéré avantageux d'agencer l'élément de chauffage dans l'angle de segments adjacents. De cette manière, un transfert de chaleur entre la section transversale de chauffage parcourue par le courant et les segments adjacents peut être optimisé. L'élément de chauffage est conçu de préférence de telle sorte que des températures d'élément de chauffage T > 500 C peuvent déjà être atteintes pour une puissance de chauffage électrique P descence de l'élément de chauffage peut ne pas s'étendre sur toute la longueur de filtre. On obtient déjà souvent avec de tels petits éléments de chauffage des températures de surface sur l'élément de chauffage supérieures à 1000 C, le matériau de filtre adjacent étant chauffé à des températures nettement supérieures à 700 C. La température d'inflammation de la fumée accumulée sur le filtre à particules est ainsi dépassée localement. S'il y a sur le filtre à particules une quantité minimale de fumée qui est comprise entre 10 et 20 g selon le volume du filtre, la chaleur de réaction libérée lors de la combustion de fumée locale conduit à une propagation de la combustion de fumée sur tout le volume du filtre et donc à une régénération complète. Suivant deux autres dispositions préférées: * l'élément de chauffage est monté dans une zone de l'élément de filtrage dans laquelle régnerait une vitesse spatiale d'un gaz d'échappement grande, notamment la plus grande, pour une répartition régulière des canaux d'écoulement; et * l'élément de chauffage est fabriqué au moins partiellement d'un seul tenant avec l'élément de filtrage. D'autres formes avantageuses de réalisation de l'invention peuvent se déduire de la description ci-après de l'invention. On détaille ci-après l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un filtre à particules dans un tronçon de gaz d'échappement d'une machine à combustion interne; la figure 2 est une coupe le long d'un axe longitudinal du filtre à particules; et la figure 3 est une coupe transversalement à l'axe longitudinal du filtre à particules. La figure 1 montre une vue en perspective d'un filtre à particules 10 tel qu'il est utilisé par exemple pour l'épuration d'un gaz d'échappement d'un moteur diesel. Le filtre à particules 10 est monté dans le tronçon de gaz d'échappement 12 d'une machine à combustion interne et il doit filtrer les particules de fumée formées pendant la combustion d'un mélange air et carburant. La porosité, la forme et le volume de stockage de tels filtres à particules peuvent être adaptés aux nécessités de la technique des fluides respective. Le filtre à particules 10 est monté à l'aide d'une natte de source 14 dans le tronçon de gaz d'échappement 12 de manière à ne pas glisser. Ce faisant, le filtre 10 peut être constitué de plusieurs segments de filtre collés ensemble ou, comme on l'a représenté ici, d'un élément de filtrage monolithique 16. L'élément 16 lui-même est en carbure de silicium car ce matériau est particulièrement réfractaire et a une forme très stable en raison de son petit coefficient de dilatation thermique. En outre, ce matériau se caractérise par sa très grande stabilité thermique par rapport aux constituants gazeux, liquides et solides présents dans le gaz d'échappement. Un élément de chauffage 18 en forme de barre s'étend sur un axe longitudinal de l'élément de filtrage 16. L'élément de chauffage 18 est relié à la masse par l'intermédiaire de son extrémité avant 20 à l'aide d'un élément de contact 22 et à une source de tension par l'intermédiaire de son extrémité arrière 24 à l'aide d'un autre élément de contact 26. La figure 2 montre une coupe le long de l'axe longitudinal à travers le filtre à particules 10. A la place du matériau plein en carbure de silicium utilisé ici, on peut aussi utiliser un élément de chauffage 18 en forme de tube. Il s'est avéré avantageux de limiter la dimension de la surface de section transversale de l'élément de chauffage 18 à une surface de 1 à 3 cm2. L'élément de chauffage 18 est aussi en carbure de silicium, comme on l'a déjà mentionné. Le cas échéant, on peut effectuer un dopage avec d'autres éléments appropriés pour améliorer les propriétés électriques. Pour garantir un bon contact électrique des extrémités de la barre de chauffage, les extrémités de barre sont munies d'une petite résistance électrique. En raison des propriétés des matériaux globalement identiques entre l'élément de chauffage 18 et l'élément de filtrage 16, on peut aussi s'attendre seulement à de petites contraintes mécaniques en cas de gradients de température élevés. Une conception de l'élément de chauffage peut alors être telle que des températures d'élément de chauffage T > 500 OC peuvent déjà être atteintes pour une puissance de chauffage électrique P La figure 3 montre une coupe transversale du filtre à particules 10. L'élément de chauffage 18 est monté au centre de l'élément de filtrage 16 et se trouve donc sur l'axe longitudinal de celui-ci. Mais on peut aussi envisager d'agencer l'élément de chauffage 18 dans d'autres zones de l'élément de filtrage 16. En raison de considérations ayant trait à la technique des fluides, l'élément de chauffage 18 devrait s'étendre au moins dans la plupart des cas de manière coaxiale par rapport à l'axe longitudinal. Naturellement, on peut aussi envisager des agencements multiples d'éléments de chauffage 18. De plus, une sélection du point de montage peut aussi s'effectuer de telle sorte que l'élément de chauffage 18 est monté dans une zone de l'élément de filtrage 16 dans laquelle on doit s'attendre à une vitesse spatiale du gaz d'échappement particulièrement grande ou même la plus grande. L'élément de filtrage 16 peut être conçu de façon monolithique ou être constitué de différents segments de filtre 28 qui sont collés ensemble. L'élément de chauffage 18 devrait être monté si possible dans l'angle de segments de filtre adjacents 28, de quatre segments au total dans ce cas. De cette manière, on peut avoir la surface de contact la plus grande possible entre l'élément de chauffage 18 et les segments de filtre 28 de telle sorte que le chauffage peut être réalisé de manière particulièrement efficace. Une régénération du filtre à particules 10 s'effectue en appliquant une tension. Ce faisant, des températures de surface de l'élément de chauffage 18 de 1 000 OC environ devraient être atteintes localement si possible. A proximité immédiate de l'élément de chauffage 18, les températures montent alors nettement au-dessus de 700 OC de telle sorte que la température d'inflammation pour la fumée accumulée sur le filtre à particules 10 est dépassée au moins localement. Selon le volume du filtre, il faut en plus une certaine quantité minimale de fumée (normalement entre 10 et 20 g) pour que la chaleur de réaction libérée lors de la combustion locale de fumée conduise à une propagation de la combustion de fumée sur tout le volume du filtre. La prescription de la tension peut s'effectuer à l'aide d'appareils de commande non représentés ici en fonction d'un encrassement de filtre à particules, d'une température de filtre, d'une température de gaz d'échappement, de la température d'inflammation souhaitée et/ou d'un flux massique de gaz d'échappement. Tous ces paramètres permettent une adaptation appropriée de la tension aux conditions réelles. On peut éviter par exemple la prescription d'une tension inutilement haute lorsque la température d'inflammation est déjà atteinte avec une dépense réduite. La régénération s'effectue en général de façon périodique. Des dispositifs et des procédés pour la commande de la régénération sont connus par l'état de la technique et n'ont donc pas à être détaillés ici. Bien que l'invention ait été particulièrement présentée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du cadre de l'invention. LISTE DES REFERENCES Filtre à particules 12 Tronçon de gaz d'échappement 14 Natte de source 16 Elément de filtrage (monolithique ou segmenté) 18 Elément de chauffage Extrémité avant 22 Elément de contact 24 Extrémité arrière 26 Elément de contact 28 Segments de filtre REVENDICATIONS 1. Filtre à particules (10) pour un système d'épuration de gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage (16) en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, caractérisé en ce qu'un élément de chauffage électrique (18), notamment dans la même céramique conductrice d'électricité, est associé à l'élément de filtrage (16). 2. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) s'étend sur un axe longitudinal du filtre à particules (10) ou de manière coaxiale à celui-ci. 3. Filtre à particules selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) est en forme de tube ou de barre. 4. Filtre à particules selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) a une surface de section transversale de 1 à 3 cm2. 5. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) est monté dans une zone de l'élément de filtrage (16) dans laquelle régnerait une vitesse spatiale d'un gaz d'échappement grande, notamment la plus grande, pour une répartition régulière des canaux d'écoulement. 6. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de filtrage (16) est monolithique ou est constitué de différents segments (28) qui sont collés ensemble. 7. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) est monté dans l'angle de segments de filtre adjacents (28) lorsque le filtre (10) est segmenté. 8. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) est conçu de telle sorte que des températures d'élément de chauffage T > 500 oC peuvent déjà être atteintes pour une puissance de chauffage électrique P 9. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (18) est fabriqué au moins partiellement d'un seul tenant avec l'élément de filtrage (16). 10. Procédé pour la régénération d'un filtre à particules (10) pour un système d'épuration de gaz d'échap- pement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage (16) en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, caractérisé en ce qu'une régénération du filtre à particules (10) est déclenchée par l'application d'une tension sur un élément de chauffage électrique (18) qui est construit notamment dans la céramique conductrice d'électricité et qui est associé à l'élément de filtrage (16). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la tension correspond à la tension de bord, notamment dans une plage de 8 à 14 V, notamment de 12 à 14 V. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications et 11, caractérisé en ce que la prescription de la tension s'effectue en fonction d'un encrassement de filtre à particules, d'une température de filtre, d'une température de gaz d'échappement, d'une température d'inflammation souhaitée et/ou d'un flux massique de gaz d'échappement. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 12, caractérisé en ce que la régénération est effec- tuée périodiquement et/ou en fonction de l'encrassement du filtre.