Brevet FR2867508A1 — publié le 20050916

La présente invention concerne un filtre à particules pour une ligne d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment de moteurs de type Diesel. Les émissions polluantes des moteurs, notamment des moteurs Diesel, doivent être contrôlées à la source et/ou éliminées avant leur rejet dans l'atmosphère de façon à respecter les réglementations en vigueur et qui deviennent de plus en plus sévères. Pour cela, l'instauration de telles normes imposent aux constructeurs de véhicules automobiles de développer les moteurs ayant des consommations de plus en plus réduites et optimisées afin de diminuer la production de particules imbrûlées et dont la ligne d'échappement est pourvue de dispositif de filtration des gaz d'échappement pour réduire l'émission de ces particules polluantes. De manière générale, trois fonctions au moins doivent être remplies dans le traitement des gaz d'échappement: - une fonction d'oxydation qui agit sur les hydrocarbures et le CO pour les convertir en vapeur d'eau et en 002, - une fonction de filtration et de combustion des particules de suies, et - une fonction de réduction de la concentration en oxydes d'azote NOx. La fonction d'oxydation des hydrocarbures et du CO est généralement assurée par un catalyseur constitué par un milieu poreux sur lequel est disposé un catalyseur d'oxydation, souvent un métal tel que du platine. Ce catalyseur est placé sur la ligne d'échappement en amont d'un filtre à particules en céramique qui assure la fonction de filtration des suies et où périodiquement, on procède à la combustion de ces suies qui s'y sont accumulées. Ce filtre peut comporter une imprégnation par un composé assistant la régénération du filtre à particules. Quant à la réduction des NOx, elle est obtenue essentiellement par une conception du moteur adaptée à cet effet, mais elle peut être renforcée 30 par l'utilisation d'un milieu catalytique supplémentaire piégeant les NOX et les traitant avec assistance du contrôle moteur. Les filtres à particules généralement utilisés sont formés par un bloc poreux en nid d'abeilles comprenant un ensemble de couches de barreaux superposés et formés chacun par une multitude de canaux d'entrée des gaz d'échappement et de canaux de sortie de ces gaz d'échappement, séparés par des parois poreuses. Les canaux d'entrée sont obturés à leur extrémité tournée vers l'aval de la ligne d'échappement et les canaux de sortie sont obturés à leur extrémité tournée vers l'amont de cette ligne d'échappement, de sorte que les gaz sont contraints de traverser les parois poreuses qui retiennent les suies. Les parois sont constituées en un matériau poreux tel qu'une céramique à base de carbure de silicium, de cordiérite, de nitrure de silicium, de mullite....De plus, les parois des canaux formant les barreaux peuvent être revêtues sur leur surface tournée vers les canaux d'entrée et les canaux de sortie par un revêtement catalytique qui permet d'assurer une fonction d'oxydation des hydrocarbures et des CO en vapeur d'eau et CO2 et/ou une fonction de traitement des NO, et/ou une fonction d'aide à la régénération du filtre à particules. En effet, périodiquement afin de remédier au colmatage progressif du filtre, il faut procéder à une opération de régénération. Celle-ci consiste à augmenter temporairement la température des gaz d'échappement par exemple au moyen d'une post-injection de carburant dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules, pour la porter au-dessus de la température de combustion des suies. De préférence, un additif telle que la cérine est ajouté au carburant pour abaisser cette température de combustion des suies. Généralement, le bloc en matériau poreux présente une section circulaire ou ovale et est formé par des barreaux de longueur identique de façon à former des extrémités planes. Ce bloc est placé dans une enveloppe métallique qui présente une section de forme complémentaire à la section dudit bloc. L'enveloppe métallique comporte au moins d'un côté du bloc en matériau poreux, une partie d'extrémité présentant un profil progressivement décroissant, comme par exemple conique, de façon à venir se raccorder à un tuyau de la ligne d'échappement. Le bloc en matériau poreux ménage donc au niveau de cette portion terminale de l'enveloppe, un espace libre. Dans certaines configurations de la ligne d'échappement, cet espace libre se retrouve de chaque côté du bloc à chaque extrémité de l'enveloppe. L'invention a pour but de proposer un filtre à particules qui présente une capacité de stockage améliorée. L'invention a donc pour objet un filtre à particules pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comportant, à l'intérieur d'une enveloppe métallique, un bloc poreux en nid d'abeilles comprenant un ensemble de couches de barreaux superposés et formés chacun par une multitude de canaux d'entrée et de sortie des gaz d'échappement, ledit bloc ménageant au niveau d'au moins une de ses extrémité un espace libre avec l'enveloppe, caractérisé en ce qu'au moins un des barreaux s'étend dans ledit espace libre à l'intérieur de l'enveloppe pour augmenter la longueur des canaux de ce barreau. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - plusieurs barreaux d'une même couche s'étendent dans ledit espace, - plusieurs barreaux de plusieurs couches s'étendent dans ledit espace, - ladite au moins couche est une couche centrale de l'ensemble desdites couches, - les deux extrémités du bloc de barreaux ont un profil symétrique, - les deux extrémités du bloc de barreaux ont un profil asymétrique. L'invention a également pour objet une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne du type comportant un filtre à particules, caractérisé en ce que ledit filtre à particules est du type tel que précédemment mentionné. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement comportant un filtre à particules conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue d'une extrémité du filtre à particules de la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue schématique en coupe d'une portion d'un barreau de géométrie symétrique du filtre à particules, - les Figs. 4 à 7 sont des vues schématiques montrant différents modes de réalisation du filtre à particules conforme à l'invention. Sur la Fig. 1, on a représenté un dispositif de dépollution 1 d'une ligne d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment de moteur de type Diesel. Le dispositif de dépollution 1 comprend une enveloppe métallique 2 généralement cylindrique, présentant, à une extrémité, une entrée 3 et, à son autre extrémité une sortie 4. L'enveloppe extérieure 2 délimite un passage de circulation des gaz d'échappement au travers duquel sont disposés un organe de purification catalytique 5 et un filtre à particules désigné dans son ensemble par la référence 10 et séparé dudit organe de purification 5 par un espace libre de transition des gaz. Le maintien de l'organe 5 et du filtre à particules 10 dans l'enveloppe 2 est assuré par une nappe pouvant être constituée de fibres ou de matériaux thermo- expansibles et assurant une isolation thermique et vibratoire. Dans un but de simplification, cette nappe n'est pas représentée sur la Fig. 1, mais uniquement sur les Figs. 2 et 7 et désignée par la référence 7. De manière classique, l'organe de purification catalytique 5 est, par exemple, constitué par une structure perméable aux gaz recouverte de métaux catalytique favorisant l'oxydation des gaz de combustion et/ou la réduction des oxydes d'azote. Ainsi que représenté sur les Figs. 1 et 2, le filtre à particules 10 est constitué par un bloc poreux 11 en nid d'abeilles qui, dans l'exemple de réalisation représenté sur ces figures, a la forme d'un cylindre. Ce bloc poreux 11 peut également avoir tout autre forme, comme par exemple une forme ovale. Le bloc poreux 11 comprend un ensemble de couches de barreaux 12 superposés qui sont formés, comme représenté à la Fig. 2 chacun par une multitude de canaux 13. Les canaux 13 sont délimités par des parois poreuses 14 et forment, comme montré à la Fig. 3, une série de canaux 13, à savoir: - des canaux d'entrée 13a ouverts en direction du côté amont 3 du filtre à particules et par lesquels les gaz d'échappement à traiter pénètrent dans ledit filtre à particules, et - des canaux de sortie 13b ouverts en direction du côté aval 4 du filtre à particules et par lesquels les gaz d'échappement traités sortent de ce filtre à particules. Les canaux d'entrée 13a peuvent éventuellement avoir une section d'entrée supérieure à celle des canaux de sortie 13b. Par ailleurs, les canaux 13 peuvent avoir une section carrée, orthogonale, circulaire ou tout autre géométrie. Les parois 14 délimitant les canaux 13 sont en un matériau poreux formant filtre, tel qu'une céramique à base de carbure de silicium, de cordiérite, de nitrure de silicium, de mullite.... Ainsi, les gaz d'échappement passent des canaux d'entrée 13a aux canaux de sortie 13b en traversant les parois poreuses 14 et en y déposant au passage les particules qu'ils renferment. Comme il est également connu, les parois poreuses 14 peuvent être revêtues sur leurs faces tournées vers les canaux d'entrée 13a et les canaux de sortie 13b par un revêtement catalytique permettant d'assurer une ou plusieurs des fonctions suivantes: - une fonction d'oxydation des hydrocarbures et du CO en vapeur d'eau et CO2 qui peut être assurée, par exemple, par un métal tel que du platine, une fonction de traitement des NON par un matériaux de stockage des NON, tel que de l'oxyde de baryum, et/ou un métal permettant 2867508 6 l'oxydation des NOX en NO2 tel que du platine et/ou un catalyseur de réduction tel que du rhodium, - une fonction d'aide à la régénération du filtre à particules en assistance ou en remplacement de l'additif abaissant la température de combustion des suies. La porosité, la taille des pores des parois 14 et l'épaisseur de ces parois définissant les canaux 13 sont, comme il est habituel, adaptées pour assurer une bonne efficacité de filtration, sans créer de pertes de charges trop importantes. Comme montré par exemple à la Fig. 1, l'enveloppe métallique 2 comporte, au moins d'un côté du bloc 11 en matériau poreux, une partie d'extrémité 2a présentant un profil progressivement décroissant, comme par exemple conique de façon à venir se raccorder à un tuyau de la ligne d'échappement. De ce fait, le bloc 11 ménage au niveau de cette portion d'extrémité 2a de l'enveloppe 2, un espace libre 6. Selon l'invention, pour augmenter la capacité de traitement du bloc 11 en matériau poreux constituant le filtre à particules, au moins un des barreaux 12 de ce bloc 11 s'étend dans l'espace libre 6 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de l'enveloppe 2 pour augmenter la longueur des canaux 13 de ce barreau 12 et par conséquent la surface des parois poreuses. Selon la forme des parties d'extrémité 2a de l'enveloppe 2 et par conséquent selon la forme de l'espace libre 6 une multitude de configurations du prolongement d'un ou de plusieurs barreaux 12 du bloc 11 peuvent être envisagées. Selon un premier mode de réalisation représenté à la Fig. 1, les barreaux 12 centraux des deux couches centrales du bloc 11 sont prolongés d'un côté de ce bloc 11 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de ladite enveloppe 2. Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la Fig. 4, les barreaux 12 centraux des couches centrales du bloc 11 sont prolongés des deux côtés de ce bloc 11. Selon un troisième mode de réalisation représenté à la Fig. 5, les barreaux 12 centraux de la couche centrale supérieure des deux côtés du bloc 11 sont prolongés. Ces barreaux peuvent être prolongés uniquement d'un côté du bloc 11 ou les barreaux 12 centraux de la couche centrale inférieure peuvent être prolongés, soit des deux côtés du bloc 11, soit d'un seul côté de ce bloc 11. Selon un quatrième mode de réalisation représenté à la Fig. 6, un seul barreau 12 central peut être prolongé d'un côté ou des deux côtés du bloc 11 en matériau poreux. A la Fig. 7, on a représenté un filtre à particules 10 formé par un bloc 11 placé dans une enveloppe 2 située sous un capot moteur, non représenté, d'un véhicule automobile. Dans ce cas, afin de combler l'espace 6 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de l'enveloppe 2, les barreaux 12 présentent une longueur décroissante. D'une manière générale, les deux extrémités du bloc 11 de barreaux 12 du filtre à particules 10 peuvent présenter un profil symétrique ou un profil asymétrique selon la forme de chaque partie d 'extrémité 2a de l'enveloppe 2. Le filtre à particules selon l'invention permet donc d'augmenter les capacités de traitement et d'allonger les périodes de fonctionnement entre lesquelles une régénération du filtre doit être effectuée. Il permet également par l'accroissement du volume de stockage des résidus de combustion des particules (cendres issues de l'additif, de l'huile de lubrification, de l'usure moteur...) d'augmenter la durabilité du système avant nettoyage. Les configurations du filtre à particules selon l'invention qui ont été décrites et représentées ne sont bien entendu que des exemples. Il doit être compris que l'invention est adaptable à un filtre à particules présentant tout autre configuration d'allongement de la longueur d'un ou de plusieurs barreaux du bloc en matériau poreux de ce filtre à particules. Il doit également être entendu que le filtre à particules selon l'invention et la ligne d'échappement qui le comprend peuvent être utilisés non seulement sur un véhicule à moteur Diesel, mais sur tout engin mû par un moteur à combustion interne pour lequel une ligne d'échappement équipée d'un filtre à particules serait utile. REVENDICATIONS 1. Filtre à particules pour une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comportant à l'intérieur d'une enveloppe métallique (2), un bloc poreux (11) en nid d'abeilles comprenant un ensemble de couches de barreaux (12) superposés et formés chacun par une multitude de canaux (13) d'entrée et de sortie des gaz d'échappement, ledit bloc (Il) ménageant au niveau d'au moins une de ses extrémités un espace libre (6) avec l'enveloppe (2), caractérisé en ce qu'au moins un des barreaux (12) s'étend dans ledit espace libre (6) à l'intérieur de l'enveloppe (2) pour augmenter la longueur des canaux (13) de ce barreau (12). 2. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs barreaux (12) d'une même couche s'étendent dans ledit espace (6) . 3. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que plusieurs barreaux (12) de plusieurs couches s'étendent dans ledit espace (6). 4. Filtre à particules selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite au moins couche est une couche centrale de l'ensemble desdites couches. 5. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux extrémités du bloc (11) de barreaux (12) ont un profil symétrique. 6. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux extrémités du bloc (11) de barreaux (12) ont 25 un profil asymétrique. 7. Ligne d'échappement pour moteur à combustion interne du type comportant un filtre à particules (10), caractérisé en ce que ledit filtre à particules (10) est du type selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.