Brevet FR2864141A1 — publié le 20050624

Système de filtration électrostatique pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne La présente invention concerne des systèmes de filtration électrostatique des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, en particulier des moteurs diesel, pour véhicules automobiles, du type comprenant au moins une cellule élémentaire de filtration traversée par les gaz d'échappement. On cherche à l'heure actuelle à diminuer au maximum les émissions polluantes des moteurs à combustion interne utilisés dans les véhicules automobiles et, en particulier, à réduire ou éliminer l'émission de particules de suie par les moteurs diesel. La demanderesse a mis au point un système de filtration électrostatique qui a fait l'objet du dépôt d'une demande de brevet.. .... .....DTD: français n 02 06 304 et publiée sous le numéro FR 2 839 903. Cette demande de brevet décrit un dispositif de filtration comprenant un passage pour les gaz d'échappement, une électrode externe entourant le passage, formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fibres métalliques perméables au gaz et apte à retenir mécaniquement des particules. Une électrode interne est disposée selon l'axe du passage et des moyens d'alimentation électrique des électrodes permettent d'établir un champ électrique avec formation de décharges couronne pour une filtration électrostatique des particules. Grâce à l'existence de cette électrode externe jouant le rôle de cathode poreuse par l'enchevêtrement de fils métalliques, en coopération avec l'anode centrale, on obtient simultanément une filtration mécanique et une filtration de type électrostatique. En effet, les particules empruntant le passage dans la cellule de filtration sont amenées à traverser la cathode poreuse externe formée par l'agglomérat ou l'enchevêtrement de fibres métalliques qui constitue une multitude d'obstacles 2864141 2 permettant l'interception des particules par un processus mécanique intensifié par les interactions électrostatiques entre les fibres reliées à la masse et les particules chargées électriquement. Les particules piégées dans l'électrode externe peuvent colmater cette dernière, ou limiter le nombre d'espaces disponibles pour piéger d'autres particules. Il est donc souhaitable d'éliminer les particules piégées, régulièrement ou lors de phases de purge. Il est possible de les éliminer par combustion en chauffant l'électrode externe, mais cela peut s'avérer insuffisant si les gaz d'échappement sont fortement chargés et que la cellule doit être régénérée rapidement. En outre, le chauffage de l'électrode externe nécessite un apport d'énergie important entraînant un surcroît de consommation. Le chauffage nécessite en outre d'isoler de façon satisfaisante l'électrode, ce qui entraîne une augmentation de l'encombrement de la cellule de filtration si on prévoit des isolants thermiques autour de ladite cellule. La présente invention propose un système de filtration visant à améliorer l'élimination des particules de suies piégées dans une cellule élémentaire de filtration électrostatique pour la régénération de la cellule, ainsi que l'élimination des polluants du type monoxyde de carbone (CO), oxydes d'azotes (NOx), ou hydrocarbures imbrûlés (HC). Un tel système de filtration électrostatique des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprend au moins une cellule élémentaire de filtration comportant un passage pour les gaz d'échappement, une électrode externe perméable aux gaz et entourant le passage, et une électrode centrale à haute tension maintenue dans le passage, les gaz pénétrant dans le passage et traversant l'électrode externe. Selon un aspect de l'invention, le système comprend un catalyseur disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement dans la cellule élémentaire de filtration (7), le catalyseur favorisant une oxydation de particules de suie, une oxydation des molécules de monoxyde de carbone (CO), une 2864141 3 oxydation des molécules d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et/ou des molécules oxydes d'azotes (NOx), Un catalyseur disposé sur le chemin des gaz d'échappement permet par exemple d'abaisser une température de combustion des particules de suie. Ainsi, il est possible d'éliminer les particules de suie par une élévation de la température de l'électrode externe en diminuant la température finale atteinte par l'électrode externe, et ainsi l'énergie nécessaire pour la régénération de la cellule. Un catalyseur peut de la même façon être choisi pour une oxydation des molécules de monoxyde de carbone (CO), une oxydation de molécules d'hydrocarbures imbrûlés (HC), et/ou une réduction des molécules d'oxyde d'azote NOx. Dans un mode de réalisation, le système comprend un volume de catalyseur perméable aux gaz d'échappement et disposé en travers de l'entrée du passage de la cellule élémentaire, de sorte que les gaz gaz d'échappement sont traités en entrant dans la cellule. Si le système comprend une pluralité de cellules élémentaires de filtration, on prévoira avantageusement dans ce cas un volume de catalyseur pour chaque cellule élémentaire de filtration. Dans un mode de réalisation, le système comprend une pluralité de cellules élémentaires disposées en parallèle dans un flux de gaz d'échappement, et un volume monobloc de catalyseur disposé en travers d'au moins deux entrées de passage de deux cellules élémentaires de filtration. Un unique volume de catalyseur et plus simple à obtenir et à fixer, et il peut permettre une oxydation des molécules de monoxyde de carbone (CO), une oxydation de molécules d'hydrocarbures imbrûlés (HC), et/ou une réduction des molécules d'oxyde d'azote (NOx) suivant la phase catalytique déposée sur un support et formant le volume de catalyseur. Avantageusement, à une extrémité, l'électrode centrale d'une cellule traverse le volume de catalyseur en étant maintenue par ce 2864141 4 dernier. Ceci est notamment avantageux dans le cas d'une électrode filaire, qui peut ainsi être mieux maintenu dans le passage. Dans un mode de réalisation un volume de catalyseur est un monolithe en nid d'abeille recouvert ou imprégné d'un catalyseur. Dans un mode de réalisation, le catalyseur est enduit sur une surface intérieure de l'électrode externe d'une cellule. Les particules de suie sont en contact avec le catalyseur juste avant de traverser l'électrode externe. Dans un mode de réalisation, l'électrode externe est formée par un agglomérat de fibres métalliques, au moins une partie des fibres étant imprégnées de catalyseur et réparties au sein de l'électrode externe. Les particules de suie sont en contact avec le catalyseur lorsqu'elles sont piégées dans l'électrode. Si l'électrode externe comporte une pluralité de couches d'enchevêtrement de fibres métalliques, les couches présentant des enchevêtrements de densités différentes, la couche la plus dense peut être constituée de fibres imprégnées de catalyseur. Les particules de suie auront une plus grande probabilité d'entrer en contact avec le catalyseur si ce dernier est disposé sur les fibres d'une couche plus dense où les interstices permettant le passage des particules entre les fibres sont moins nombreux ou moins grands. Avantageusement, un support pour le catalyseur est constitué de cordiérite. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système de filtration selon un aspect de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système de filtration selon un second mode de réalisation; 2864141 5 - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système de filtration selon un troisième mode de réalisation; - la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système de filtration selon un quatrième mode de réalisation; et - la figure 5 est une vue en coupe d'une paroi de l'électrode externe d'une cellule élémentaire de filtration comprenant plusieurs couches d'enchevêtrement. Dans toutes la description, et sur les différentes figures, les éléments similaires des différents modes de réalisation portent les mêmes numéros de référence. Sur la figure 1, un système de filtration électrostatique référencé 1 dans son ensemble comprend un cône d'admission 2, une unité de filtration 3, et un cône de sortie 4. L'unité de filtration 3 comprend un premier flasque 5 disposé en travers de la sortie de grand diamètre du cône d'admission 2, et un second flasque 6 disposé en travers de l'entrée de grand diamètre du cône de sortie 4. Des cellules élémentaires- de filtration 7 sont disposées dans l'unité de filtration 3 en s'étendant entre les premier et second flasques 5, 6. Chaque cellule élémentaire de filtration 7 comprend une électrode externe 8 de forme générale cylindrique et formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fibres métalliques. L'électrode externe 8 comprend des croisillons métalliques 9 noyés dans l'épaisseur de l'électrode externe 8 et répartis circonférentiellement et axialement dans l'épaisseur de l'électrode externe 8 pour augmenter sa rigidité et assurer une continuité électrique de l'électrode 8. L'électrode 8 forme un passage axial 10 qu'elle entoure. L'électrode externe 8 présente du côté du premier flasque 5 une face frontale en contact axial avec une couronne isolante 11 de fixation de l'électrode externe 8 sur le premier flasque 5. La couronne 11 est traversée par un conducteur 12 reliant l'électrode externe 8 à une masse de potentiel nul. Le premier flasque 5 présente des ouvertures en regard des passages 10 des cellules élémentaires de 2864141 6 filtration, de sorte que le passage central 10 communique avec le cône d'admission 2. L'électrode externe 8 est fixée du côté opposé sur le second flasque 6 par l'intermédiaire d'un disque isolant 13 en appui axial par une surface radiale contre une surface frontale de l'électrode externe 8 et par une surface radiale opposée contre le second flasque 6. Le disque 13 ferme axialement le passage central 10 du côté opposé au cône d'admission 2. Une cellule élémentaire de filtration 7 comprend également une électrode centrale filaire 14 sous la forme d'une tige 15 coaxiale à l'électrode externe 8 et dont une extrémité 16 est enfichée dans le disque isolant 13. L'électrode interne 14 s'étend axialement depuis son extrémité 16 au-delà de la couronne de fixation 11 en étant coudée pour former une portion 17 sortant du cône d'admission 2 par une ouverture formée dans une paroi du cône d'admission 2. Un isolateur 18 est disposé dans l'ouverture pour isoler électriquement la paroi du cône d'admission 2 de l'électrode interne 14, qui est reliée électriquement à une source de tension 19. Une cellule élémentaire de filtration 7 comprend des moyens de chauffage de l'électrode externe 8 sous la forme de conducteurs 20, isolés ou non de l'électrode externe 8 et disposés axialement dans l'électrode externe 8 en étant noyés dans l'épaisseur de cette dernière. L'unité de filtration 3 comprend une enveloppe collectrice 21 entourant l'ensemble des filtres élémentaires 7. L'enveloppe collectrice 21 est fermée. Le second flasque 6 est muni d'ouvertures 22 en regard des interstices formés entre les surfaces extérieures des électrodes externes 8 des cellules élémentaires de filtration 7. En fonctionnement, les gaz d'échappement chargés de particules entrent dans le cône d'admission 2 par l'entrée de petit diamètre puis ressortent par la sortie de grand diamètre. Les gaz d'échappement rencontrant le premier flasque 5 s'engouffrent dans les passages 10 des cellules élémentaires de filtration 7. Les gaz 2864141 7 d'échappement traversent ensuite les électrodes externes 8 de chacune des cellules élémentaires de filtration 7 et se retrouvent dans les interstices entre les électrodes externes 8 et l'enveloppe collectrice 21. Les gaz d'échappement emprisonnés par 1' enveloppe collectrice 21 se déplacent vers la droite sur la figure 1 pour ressortir par les ouvertures 22 du second flasque 6 vers la sortie du cône de sortie 4. En passant à travers l'électrode externe 8, les gaz d'échappement chargés de particules sont filtrés mécaniquement. En effet, l'électrode externe 8 est formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fils métalliques qui forment de multiples obstacles capables d'intercepter les particules. Ce processus de filtration mécanique est intensifié par une filtration électrostatique résultant des interactions entre l'enchevêtrement de fils métalliques reliés à la masse et les particules chargées électriquement, comme cela sera mieux compris dans la suite de la description Par ailleurs, la cellule élémentaire de filtration 7 a également un effet de filtrage électrostatique directe des gaz chargés de particules. L'électrode externe 8 est en effet maintenue à un potentiel nul, l'électrode centrale 14 étant portée à un potentiel positif ou négatif. La différence de potentiel créée entre les électrodes externe 8 et centrale 14 induit la présence d'un champ électrique dans le passage axial 10. Si ce champ électrique possède une intensité suffisante, en particulier au très proche voisinage de l'électrode centrale 14, il se produit une ionisation partielle ou totale des gaz ou du milieu compris entre les électrodes centrale 14 et externe 8. Un milieu gazeux ionisé comprend des électrons libres, des ions positifs et négatifs. Les particules présentes dans le milieu ionisé se combinent avec des électrons ou des ions en formant des particules chargées. De même une avalanche électronique d'une électrode vers l'autre provoque des collisions entre les électrons et les particules qui se combinent pour former des particules chargées négativement. 2864141 8 La circulation radiale des gaz entraîne les particules chargées vers l'électrode externe 8. Les particules chargées traversant l'électrode externe 8 sont piégées par interception sur l'enchevêtrement de fils métalliques et par des phénomènes d'interaction électrostatique du fait des charges électriques portées par lesdites particules. Les forces de Van der Walls et les forces de capillarité maintiennent les particules fixées sur les fils métalliques même après qu'elles aient cédé leur charge électrique. Pour améliorer l'élimination des particules, on prévoit en outre un catalyseur disposé sur le passage des gaz d'échappement à travers les cellules élémentaires de filtrage. Sur la figure 1, des volumes de catalyseur 23 sont prévus sous la forme de bouchons perméables au gaz d'échappement et disposés en entrée des passages 10 des cellules élémentaires de filtration 7. Un ' bouchon 23 est ici inséré et fixé dans une couronne isolante 11 de fixation de l'électrode externe 8 sur le premier flasque 5. Un trou est ménagé dans le bouchon 23 pour le passage de l'électrode centrale 14 tout en procurant un maintien pour l'électrode centrale 14. L'épaisseur du bouchon 23 peut être adaptée en fonction du débit maximal de gaz d'échappement qui traverseront le bouchon 23. Plus le bouchon sera épais, plus il pourra contenir de catalyseur, permettant ainsi le traitement d'une plus grande quantité de gaz d'échappement. Sur la figure 1, le bouchon est de longueur sensiblement égale à celle de la couronne de fixation 11. On peut parfaitement prévoir un bouchon plus épais venant en saillie de la surface du flasque opposée à l'électrode externe 8, ou en saillie dans le passage 10. Le bouchon se présente par exemple sous la forme d'un disque monolithique en nid d'abeille, par exemple en cordiérite, imprégné de catalyseur. Dans une variante illustrée sur la figure 2, le système de filtration comprend un volume monolithique de catalyseur 24 de forme 2864141 9 correspondante à celle du premier flasque 5 et disposé contre la surface du premier flasque 5 orientée du côté opposé aux électrodes externes 8. Le volume de catalyseur 24 se trouve ainsi en travers des entrée des passages des différentes cellules élémentaires 7, de sorte que les gaz d'échappement pénétrant dans chacune des cellules traversent préalablement le volume de catalyseur 24. Le volume de catalyseur est muni de trous pour le passage des électrodes centrales 14, tout en les maintenant. Le volume de catalyseur peut être imprégné dans son ensemble de catalyseur. En variante, afin d'utiliser moins de catalyseur, on peut prévoir d'imprégner le volume uniquement dans les zones situées en regard des passages 10 des cellules élémentaires, comme illustré sur la figure 2 par des zones 25 délimitées par des pointillés et situées dans le prolongement des passages 10. Le volume monolithique de catalyseur peut être du type nid d'abeille. Dans ce cas, on notera que le volume introduit une perte de charge uniformément répartie sur toute la section de sortie du cône d'admission, permettant ainsi une répartition uniforme des gaz d'échappement en sortie du cône d'admission et dans les différentes cellules élémentaires de filtration 7. Sur la figure 3, un système de filtration 1 est similaire à celui des figures 1 et 2, à ceci près qu'un catalyseur est disposé sur une surface interne de l'électrode externe. Le catalyseur est enduit sur un revêtement 26 recouvrant ladite surface interne, ce revêtement 26 étant perméable aux gaz d'échappement et aux particules. Sur la figure 4, l'électrode externe 8 est formée au moins en partie de fibres 27 enduites de catalyseur. Il en résulte que le catalyseur est présent dans le volume de l'électrode externe. Des particules de suie peuvent être oxydées une fois qu'elle sont piégées dans l'électrode externe. Sur la figure 5, une électrode externe 8 pouvant être utilisée dans une cellule élémentaire de filtration est composée de deux 2864141 10 couches d'enchevêtrement de fibre, une couche 28 étant plus dense que l'autre couche 29. Dans ce cas, on peut prévoir que les fibres de la couche 28 la plus dense sont au moins en partie imprégnées de catalyseur. Ainsi, les particules piégées dans l'électrode externe 8 entreront en contact avec le catalyseur avec une grande probabilité. On a décrit différents modes de réalisation. Bien entendu, ces modes de réalisation peuvent être combinés. On pourra notamment prévoir des bouchons ou un volume monolithique en entrée des passages des cellules élémentaires de filtration, et en plus un revêtement de catalyseur sur une surface interne de l'électrode externe, ou des fibres imprégnées de catalyseur dans l'électrode externe. Grâce à l'invention, on obtient un système de filtration comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires de filtration qui peuvent être facilement régénérées par oxydation catalytique des particules piégées. Le système de filtration peut également réaliser l'oxydation ou la réduction des polluants du type monoxyde de carbone (CO), oxydes d'azotes (NOx), ou hydrocarbures imbrûlés (HC), suivant une phase catalytique employée. 11 REVENDICATIONS 1. Système de filtration électrostatique des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins une cellule élémentaire de filtration (7) comportant un passage (10) pour les gaz d'échappement, une électrode externe (8) perméable aux gaz et entourant le passage, et une électrode centrale (14) à haute tension maintenue dans le passage, les gaz pénétrant dans le passage et traversant l'électrode externe, caractérisé en ce qu'il comprend un catalyseur disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement dans la cellule élémentaire de filtration (7), le catalyseur favorisant une oxydation de particules de suie, une oxydation des molécules de monoxyde de carbone (CO), une oxydation des molécules d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et/ou des molécules oxydes d'azotes (NOx), 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un volume de catalyseur (23) perméable aux gaz d'échappement et disposé en travers de l'entrée du passage de la cellule élémentaire. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cellules élémentaires disposées en parallèle dans un flux de gaz d'échappement, et un volume monobloc de catalyseur (24) disposé en travers d'au moins deux entrées de passage de deux cellules élémentaires de filtration. 4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que, à une extrémité, l'électrode centrale (14) d'une cellule traverse le volume de catalyseur en étant maintenu par ce dernier. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume de catalyseur est un monolithe en nid d'abeille recouvert ou imprégné d'un catalyseur. 2864141 12 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est disposé sur une surface intérieure de l'électrode externe d'une cellule. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode externe est formée par un agglomérat de fibres métalliques enchevêtrées, au moins une partie des fibres étant imprégnées de catalyseur et réparties au sein de l'électrode externe. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode externe comporte une pluralité de couches d'enchevêtrement de fibres métalliques, les couches présentant des enchevêtrements de densité différentes, la couche la plus dense étant constituée de fibres imprégnées de catalyseur. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un support pour le catalyseur est constitué de cordiérite.