Brevet FR2840235A1 — publié le 20031205

vre (10). La presente invention concerne de facon generale le domaine des filtres a particules et de fagon plus particuliere, un dispositif de filtration de gaz d'echappement pour moteur diesel. De facon plus particuliere, la presente invention concerhe la mise en ceuvre S et la construction du media filtrant qui sera integre au dispositif de filtration des gaz d'echappement d'un moteur diesel. I a reduction des emissions polluantes produites par les moteurs a explosion et en particulier les moteurs diesels, est l'objectif que se vent fixes les pouvoirs publics. A cette fin, l'instauration de normes touJours plus draconiennes impose aux constructeurs automobiles de developper des moteurs presentant des consommations de plus en plus reduites et surtout optimisees afin de limiter la liberation de particules imbrulees; mais egalement des dispositifs de filtration de gaz d'echappement permeitant de retenir tes particules polluantes. Ainsi, afin de reduire ltemission de gaz polluants imbrules et de particules solides, les constructeurs automobiles ont mis au point les pots catalytiques ou catalyseurs, gereralement constitues d'une enveloppe en acier inoxydable, d'un isolant thermique et d'un support en nid d'abeille impregne de metaux precieux tels que le platine ou le rhodium. Ces pots catalytiques comportent desormais un filtre a particules qui a pour fonction de retenir ies particules de carbone, constituent les particules imbrulees emises par le moteur. Toutefois, la difficulte consiste a trouver des solutions pour que ces particules de carbone piegees sur le filtre puissent bruler ou s'oxyder au fur et a mesure qu'elles se deposent afin d'eviter le colmatage de ce dernier. Toutes les techniques de filtres a particules pour moteur diesel, utilisees aujourd'hui ou en cours de developpement, vent toutes confrontees au probleme majeur de la combustion incomplte et intempestive des particules retenues sur le media filtrant. En effet pour des conditions d'utilisations utbaines, la temperature des gaz d'echappement atteinte est insuff'sante pour provoquer cette combustion et limiter signifiGativement le colmatage du filtre. Sans assistance chimique, les particules de carbone issues de la combustion du gazole ne commencent a s'oxyder significativement qutaudessus de 500 C. Ces temperatures n'etant pratiquement jamais atteintes dans les conditions de roulage urbain, il est done ndcessaire de faire appel a un procede chimique pour [es eliminer. A defaut d'assistance chimique, il s'ensuit un colmatage du filtre qui, outre le fait qu'il entratne une perte de charge au niveau du moteur et done un mauvais fonctionnement de celui-ci, provoque des reactions violentes lorsque ces particules de carbone piegees en concentration excessive s'enflarnment brutalement sur le media filtrant. Cette reaction de combustion, tres rapide et tres exothermique d'une grande masse de particules, entratne des temperatures localement tres elevees et conduit generalement a une destruction du filtre par choc therrnique. Aujourd'hui, la majorite des filtres vent constituds d'un media filtrant en cordierite sous forme de nids d'abeille, ceramique qui presente une faIble conductivite thermique associe des proprietes mecaniques moyennes et qui est done tres sensible aux variations brutales de temperature qui accompagnent les regenerations incontrolees. En effet, lorsque le phenomene se produit, cette combustion n'est pas du tout homogene et on peut trbs bien observer une partie relativernent froide du filtre et une partie sur laquelle la combustion se declare, les differences de temperatures observees entre ces pefties chaudes et le reste du ffltre du fait de la faible conduc;ibilite de la cordierite vont generer des variations de dilation telle qu'il y aura fissuration et destruction du media filtrant. Actuellement, I'utilisation de media filtrant en carbure de silicium, ceramique qui presente une bien meilleure conductibilite associee a des proprietes mecaniques bien superieures, permet de mieux fesister ce phenomene de combustion incontrolee sans pouvoir toutefois eliminer tous les incidents. Pour obtenir l'oxydation de ces particules, plusieurs systemes soht deja utilises. Ainsi, certains systemes proposent de disposer en amont du filtre a particules, un moyen de catalyse d'oxydation permettant la transformation du monoxide d'azote NO, contenu dans les gaz dgehappement, en dioxyde d'azote NO2 a partit de 250 C. Cette technique, appelee ''Continuous Regenerating Trap" (C.R.T.), allie les effets du fiItre a particules et du catalyseur d'oxydation du NO. Ge moyen est constitue par un support catalytique sur lequel est fixe le catalyseur, qui est generalement un metal precieux tels que le platine ou le rhodium. Le NO2 produit par 1'action de ce dernier possde la propriete d'oxyder les -particules de carbone a partir de 250 C. Toutefoi$, le bon fonctionnement du filtre depend de la temperature moyenne atteinte et du rapport de particules emises par rapport au NO2 forme. 11 existe un rnoyen similaire constituent une vafiante de ce dernier, dans lequel le catalyseur est fixe directement sur le filtre a particules. D'autres techniques de regeneration font appei a l'utilisation d'additifs organometalliques rajoutes au gazole tel que le cbrium, fer, strontium, calcium ou autres de maniere a enrober les particules de carbone formees de l'oxyde metallique du catalyseur et a obtenir ainsi une oxydation de celle-ci a plus basse temperature. Ces techniques permettent d'obtenir un effet similaire a celui obtenu avec le NO2 en catalysant la combustion des matieres charbor..neuses a des temperatures voisines de 300, 350 C D'autres techniques ont consiste experimenter des dispositifs bases sur des moyens de chauffage complementaires du type bruleurs, resistances electriques ou autres. Ces moyens de chauffage complementaire vent mis en aeuvre uniquement lorsque la eartouche presente un debut de colmatage, se traduisant par une augmentation de la perte de charge. Un tel dispositif de regeneration est mis en ceyvre avec le moteur en marche7 c'est a dire en presence d'un debit de gaz d'echappement important. Un tel dispositif hecessite done une puissance de chauffage importante pour simultanement porter a la bonne temperature les gaz d'echappement et la masse de la cartouche filtrante. Dans un tel eontexte technique, I'objectif de la presente invention independamment des procedes de regeneration utilises, est de fournir une technique de lS fabrication et d'assemblage originale du media filtrant, qui permette de reduire de maniere tres sensible les contraintes thermiques et mecaniques lors des combustions brutales des particules de carbone deposees (sans aucun inconvenient), de maniere a eliminer les fissurations qui en decoulent. Un autre objectif de ['invention est de fournir un mode d'assemblage autorisant des regenerations brutales et done des variations impo.tantes des temperatures sans effet destructif sur le filtre, aussi bien avec des medias fi.Rrants en carbure de silicium, qu'en cordierite ou autres ceramiques utilisables pour cette fonction. Ces objectifs, parrni d'autres, vent atteints par la presente invention qui conceme tout d'abor:d un dispositif de filtration de gaz d'echappement, qui comporte un ensemble de plusieurs unites filtrantes et. iou plusieurs ensembles d'une ou plusieurs u.hites filtrantes' ces unites filtrantes btant de dimension reduite et chacune desdites unites fi. 'trantes etant montes independamment sur un support rigide, metalJique, ceramique ou autre, de maniere ce qu'elles soient thermiquement et su.tout mdcaniquement independante de sa voisine. Selon un mode de realisation prefere de ['invention, les unites filtrantes se presentent sous forrne de parallelpipde avec une structure en nid d'abeille et de section cubique dont la dimension est comprise entre 20 et 120 millimetres de cote; Selon une caracteristique remarquable de ['invention, lesdites unites filtrantes de section cu bique vent montees dans d es cavites rig ides, metalliques o u en d'autres materiaux, dans une section sensiblement plus grande de rnanier!e a pouvoir incQrporer un joint isolant afin de pouvoir ainsi separer therrniquement et.mecaniquement ['unite filtrante de son support. Selon encore une variante de ['invention, le dispositif comporte dgalement un moyen de chauffage des unites filtrantes, ce moyen de chauffage etant constitue par au moins une resistance electrique. Avantageusement, les unites filtrantes baignent dans la chambre de reception des gaz d'echappement, lesdits g.az d'echappement venant chauffer toutes lesdites unites filtrantes. La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit, faite en rference aux dessins qui representent, de fagon nullement limitative, un exemple de realisation du dispositif de filtration selon ['invention et dans lesquels: La figure 1 represente une vue gnerale schernatique du systeme cornprenant le dispositif de filtration selon un mode prfere de realisaffon de ['invention. La figure 2 represente une vue en coupe du dispositif de filtration selon ['invention selon l'axe 11-ll d'un ensemble d'units filtrantes de la figure 1 La figure 3 represente une vue de dbtail de ['assemblage des unites filtrantes avec un suppott rigide metallique. Les figure 4 represente une variante de ['invention dans laquelle les unites filtrantes vent fixees a leurs deux extremites. La figure 5 a, 5 b et 5 c representent en coupe quelques variantes d'assemblages et montrent les possibilites de forme que ['invention permet. La figure 6 represente une variante qui integre une resistance electrique de chauffage sur chaque unite filtrante. Un mode d'assemblage du media filtrant selon linvention est represente de fagon schematique a la figure 1. Ce systeme est dispose sur le collecteur d'dchappement en sortie du moteur. Ainsi, les gaz d'echappement vent introduit clang l'enceinte de filtration 4, par I'orifice 1, puis vent classiquement diriges vers le óatalyseur 2, puis introduits sur le media filtrant constitue de plusieurs unites hitrantes 3 pour ressortir filtre en 8. Ces unites filtrantes de forme paratlelepipedique 3, et preferentiellement de section carree, vent asserhblees dans un support rigide de preference mtallique 5, par I'intermediaire de joints 6 qui devront presenter une resistance thermique importante et une bonne compressibilite, autorisant la dilatation des unites filtrantes lors des regenerations. Avantageusement, ces joints seront constitues d'un tissu de,quartz enroule en plusieurs epaisseurs et impregne d'une colle cdramique a base de carbure de silicium ou de zircone lars de ['assemblage. Ces joints ainsi constitues pourront presenter une epaisseur de 1 a 6 mm et une hauteur de 5 a 50 mm en rapport avec la longueur libre de ['unite filtrante. Par exemple pour des unites filtrantes prdsentant une section carree de 35 mm et une longueur de 200 mm, le tissu de quark pourra etre une bande !]- s de 35 mm de largeur et presentant une densite comprise entre 100 et 1000 g/m2. et enroule autour de ['unite pour presenter une epaisseur voisine de 2 mm. Avantageusement le support metallique 5 sera constitue par une tole de 1 mm d'epaisseur assemblee et soudee pour presenter des cavites carrees de 39 mm de cote permettant de loger le pint d'environ 2 mm d'epaisseur et ['unite filtrante de section carree de 35 mm comme reprdsentd figure 2. Le support metallique etant assemble par soudage ou un autre moyen a la bride 7 pour en assurer son montage a l'interieur du systeme de filtration 4. Ce support metallique pourrait aussi etre constitue d'un assemblage de tube metallique, carre, de 1 mm d'epaisseur et soude les uns aux autres sur une face. De maniere preferentielle, ces joints seront constitues de fibres ceramiques sous forme de mat, tissue au autres forrnes de maniere a assurer une isolation thermique et mecanique avec le support rigide de ['unite filtrante. Les unites filtrantes vent avantageusement en carbure de silicium et se ptesentent sous forme de barreaux, preferentiellement parallelepipediques, mais du fait de la reduction des contraintes thermiques et mecaniques, ces unites filtrantes pourront aussi etre de fagon plu$ conventionnelle en cordierite, alumine, silice ou d'autres materiaux, ma is en g ardant une forme preferentielle ment pa rallele p iped ique et de faible dimension dont la section carree pourrait etre comprise entre 10 et 150 mm de cote. De maniere preferentielle, les joints separateurs de ces unites filtrantes seront constitues de fibres ceramiques sous forme de mat tissue ou autres formes de maniere a assurer une isolation thermique et mecanique avec le support rigide de ['unite filtrante. La figure 2 qui est une coupe suivant l'axe 11-ll de la ffgure 1, montre parfaitement la disposition de chaque unite filtrante 3 avec son joint de montage 6 dans le support metallique 5, le tout etant assemble sur une bride 7 a l'interieur du systeme de filtration. La figure 3 montre le detail d'assemblage de chaque unite filtrante dans le support metallique 5. Comme on le volt, le support metallique pourra avoir une forme legerement conique de maniere a creer une pression naturelle du joint 6 au niveau de I'assemblage et assurer une meilleure etancheiK de ['ensemble. Le support metallique peut presenter sur sa partie inferieure une restriction telle que representee pour empecher tout deplacernent de ['unite filtrante vers le teas. La figure 4 represente un mode d'assemblage d'unites filtrantes dont la longueur necessite une fixation de l'extremite libre pour eliminer une rigidite insuffisante de ['ensemble et qui pourrait conduire a une degradation par vibration de lassemblage. De fagon simple des joints separateurs 9 seront montes entre chaque barreau, et ['ensemble maintenu en contact par un assemblage metallique 10 dispose a la peripherie. Avantageusement, ces joints peuvent etre constitues par une feuille de cdramique, preferentiellernent du type mica. De tels joints permettent de solidariser les unites filtrantes sur une falble longueur, tout en assurant une bonne liaison de ['ensemble. L'assemblage metallique 10 sera pourvu de perforations 11 sur 1'ensemble de sa surFace pour laisser passer les gaz d'echappement autour de chaque barreau, de la meme maniere les joints de ceramiques separant chaque barreau seront ajourds, comme cela est represente, ou disposes que sur une partie de maniere a laisser les gaz d'echappement circuler librement autour. Figure 5: vent representees quelques formes possibles que la technique d'assemblage de la presente invention permet. Figure 5a: I'assemblage cote a cote d'unites filtrantes sous une faible epaisseur permet de realiser des filtres extra peats ce qui dans le contexte des vehióules actuels presente un avantage majeur en locallsant par exemple ce filtre directement en sortie du moteur contre le collecteur d'echappement.; Figure 5b et 5c; illus$rent d'autres types d'assemblages plus conventionnels que ['invention permet, cylindrique, cubique ou parallelepipedique. Dans la figure 6 est illustre la facilite d'adjonction d'une resistance electrique 12 que le mode d'assemblage rend possible. Cette resistance electrique 12 constituee d'un filament rdsistant de falble diametre 0.2 a 1 mm sera enroulee autour de chaque unite filtrante la ionction electrique de ces resistances etant effectuee tres simplement sur le support metallique d'assemblage 13 sur la partie inferieure et sur le support d'immobilisation 10 sur la partie superieure en 14, celle-ci devant etre isolee avec le corps du filtre 4 de maniere a pouvoir contr61er 1'alimentation electrique des unites filtrantes. L'utilisation de rdsistance blectrique sur toutes les unites filtrantes, comme represente sur la figure 6, pourra permettre de monter la temperature de ces unites filtrahtes chaque fois que des colmatages $eront dbtectes, et pour eviter d'utiliser des puissances electriques importantes un systeme de gestion electronique ne connectera que quelques unites les unes apres les autres et dans des phases moteur ou deja la temperature est elevee pour par exemple atteindre les 550 C ou la combustion des particules de carbone est spontanee et totale. La figure 7, illustre 1'utilisation de tubes metalliques carres de 1 mm d'epaisseur, assembles les uns aux autres par soudage pour constituer ce support mtallique. Ce mode d'assemblage permettant de realiser tout type de forme et pas nbcessairement geometrique. REVENDICATIQNS 1. Dispositif de filtration de gaz d'echappement comprenant un ensemble d'unites filtrantes separees les unes des autres, chacune etant fixee sur son support metallique par l'intermediaire d'un joint de maniere a l'isoler thermiquement et a la rendre mecaniquement independante de ses voisines. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que chaque unite filtrante est solidarisee a son support metallique et isolee de celui-ci par un joint constitue de tissue de quartz enroule autour de ['unite filtrante. 3. Dispositif selon l'une des revendications prcedentes, caracterise en ce que chacune des unites filtrantes est solidarisee au support metallique et isolee de celui-ci par ['interposition de plaques en ceramique fibreuse tel que le mica associe a une colle ceramique de mame nature pour assurer en plus une bonne etancheite. 4. Dispositif selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le support metallique est realise a partir de tube de meme section carree solidarisee les uns aux autres par soudage. 5. Dispostif selon i'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le support metallique est realise par assemblage par soudage de bandes de tole decoupees pour former la dimenston des cavites en relation avec la section des unites filtrantes retenues. 6. Dispositif selon l'une des revendications precedentes, caracterise en que chaque unite filtrante presente une sectioh rectangulaire et de preference carree. 7. Dispositif selon les revendications precedentes, earacterise en ce que chaque unite filtrante comporte une resistance electrique 12, enroulee sur la partie libre de ['unite filtrante et alimente au moment opportun pour en assurer le chauffage. 8. Dispositif selon les revendications precedentes, caracterise en ce que le 3$ support des unites filtrantes est realise a partir d'une ceramique tel que l'alumine, le