Brevet FR2880063A1 — publié le 20060630

"Filtre à particules comportant un corps poreux dont la masse thermique n'est pas homogène selon la direction longitudinale" L'invention concerne un filtre à particules qui est destiné à 5 être agencé dans une conduite d'échappement de moteur à combustion, notamment de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un filtre à particules destiné à être agencé dans une conduite d'échappement de moteur à combustion, notamment de véhicule o automobile, comportant: - une face amont d'entrée des gaz d'échappement comportant des particules en suspension; - une face aval de sortie des gaz d'échappement filtrés; - un corps poreux qui est intercalé longitudinalement entre la face d'entrée et la face de sortie de manière à être traversé par les gaz d'échappement, et qui retient des particules contenues dans les gaz d'échappement, le filtre à particules étant susceptible de passer lors d'une phase de régénération, d'un état encrassé dans lequel des particules sont retenues dans le corps poreux, à un état régénéré dans lequel les particules retenues sont éliminées par combustion, la combustion des particules retenues échauffant le corps poreux selon un gradient longitudinal de températures de régénération. Les moteurs Diesel et essence émettent des substances polluantes telles que des hydrocarbures imbrûlés, des oxydes d'azote, des oxydes de carbone et, dans le cas des moteurs Diesel, des particules. On sait que l'une des préoccupations majeures des équipementiers et des constructeurs de véhicules automobiles est la réduction de la pollution résultant du fonctionnement de ces moteurs. Différentes solutions techniques ont donc été envisagées pour tenter de réduire les niveaux de pollution de ces moteurs. Le traitement des particules émises par les moteurs Diesel actuels est possible grâce à l'introduction dans la ligne d'échappement de ces moteurs d'un filtre à particules comme il a déjà été proposé dans l'état de la technique. Ceux-ci sont souvent adaptés pour piéger les particules ou "suies" qui sont contenues en suspension dans les gaz d'échappement de ces moteurs et pour les brûler lors d'une phase de régénération du filtre. Différentes stratégies de régénération sont disponibles dans la littérature, faisant référence par exemple à la post-injection de carburant pour atteindre la température de combustion des suies, ou encore par exemple à des moyens Io additionnels de chauffage placés en amont du filtre à particules. La phase de régénération débute lorsque le tronçon d'extrémité amont du filtre à particules est chauffé, par les gaz d'échappement, par un système de chauffage, ou par l'oxydation d'éléments réducteurs piégés, au-delà de la température de combustion des suies. La combustion des particules retenues localement dans le tronçon d'extrémité amont produit une chaleur dite de combustion. Cette chaleur de combustion participe a élevé la température locale de la face amont du corps poreux jusqu'à une température locale dite de régénération qui est supérieure ou égale à la température de combustion des suies. La somme de la chaleur de régénération, apportée par les gaz d'échappement, par le système de chauffage ou par l'oxydation d'éléments réducteurs, et de la chaleur de combustion est transmise, par exemple par conduction, vers un premier tronçon intermédiaire directement aval du filtre à particules. La température locale du premier tronçon intermédiaire aval du corps poreux dépasse alors la température de combustion des suies, provoquant la combustion des particules localement retenues. Ce nouveau phénomène de combustion des particules apporte une quantité supplémentaire de chaleur de combustion qui élève la température du premier tronçon intermédiaire aval jusqu'à une température locale de régénération qui est supérieure à la température locale de régénération du tronçon d'extrémité amont du filtre à particules. La somme de la chaleur de régénération, de la chaleur de combustion et de la chaleur supplémentaire de combustion est transmise vers un deuxième tronçon intermédiaire aval du filtre à particules. Le phénomène de combustion des particules se reproduit, élevant la température locale du deuxième tronçon intermédiaire aval jusqu'à une température locale de régénération qui est supérieure à la température locale de régénération du to premier tronçon aval. Le flux de chaleur se propage ainsi longitudinalement en augmentant continuellement, par exemple par conduction, jusqu'au tronçon d'extrémité aval du corps poreux. Ainsi, le corps poreux est chauffé selon un gradient longitudinal de températures de régénération. La température de régénération croît donc graduellement, de manière continue, en se déplaçant le long du corps poreux depuis la face amont jusqu'à la face aval du filtre à particules. Le corps poreux doit être conçu pour résister aux chocs thermiques provoqués par l'élévation de température lors de la régénération. Pour augmenter la résistance aux chocs thermiques du corps poreux, il est notamment connu d'augmenter sa masse thermique. De manière connue, les propriétés physiques du corps poreux, telles que sa masse thermique, aussi appelée capacité calorifique, ou sa porosité, sont homogènes tout le long du filtre à particules. La masse thermique globale du corps poreux est donc ajustée en fonction de la température de régénération maximale qui apparaît dans le filtre à particules, c'est-à-dire la température de régénération du tronçon d'extrémité aval du corps poreux. Pour augmenter la masse thermique du corps poreux, on connaît déjà de nombreuses solutions telles que de diminuer la porosité, d'augmenter la densité du corps poreux, de diminuer la taille des pores. Toutefois, tout autre levier permettant de produire une évolution de la masse thermique du filtre à particule dans sa longueur est envisageable. Cependant, la capacité du corps poreux à accumuler des 5 particules est proportionnelle à sa porosité. En diminuant la porosité tout le long du corps poreux pour ajuster la masse thermique du corps poreux à la température maximale de régénération, on diminue ainsi la capacité d'accumulation. to Afin de résoudre ce problème et d'optimiser la capacité d'accumulation de particules du corps poreux, l'invention propose un filtre à particules du type décrit précédemment, caractérisé en ce que la masse thermique du corps poreux n'est pas homogène selon la direction longitudinale, sa valeur variant selon un gradient longitudinal de masse thermique qui est fonction du gradient longitudinal de températures de régénération. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le gradient longitudinal de masse thermique est proportionnel au gradient longitudinal de températures de 20 régénération; - la masse thermique du corps poreux augmente graduellement depuis la face amont vers la face aval; - la masse thermique du corps poreux augmente de manière continue le long du corps poreux; - la porosité du corps poreux n'est pas homogène selon la direction longitudinale et sa valeur varie selon un gradient longitudinal de porosité qui est inversement proportionnel au gradient de masse thermique; - la porosité du corps poreux décroît graduellement depuis 30 la face avant jusqu'à la face arrière; - la porosité décroît de manière continue le long du corps poreux; - le corps poreux est réalisé en un unique bloc; - le corps poreux est réalisé par un empilement longitudinal de blocs distincts. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la s compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un conduit d'échappement dans lequel est agencé un filtre à particules selon l'invention; to - la figure 2 est un graphique comportant deux courbes qui représentent respectivement la porosité locale et la masse thermique locale d'un tronçon du corps poreux en fonction de la distance longitudinale dudit tronçon par rapport à la face d'entrée du filtre à particules. On adoptera dans la suite de la description une direction d'écoulement des fluides d'amont vers l'aval qui est orientée longitudinalement de la gauche vers la droite en se reportant à la figure 1. On a représenté à la figure 1 un conduit d'échappement 10 d'un moteur à combustion 12, par exemple d'un moteur Diesel de véhicule automobile. Le conduit d'échappement 12 est destiné à conduire les gaz d'échappement "G" produits par le moteur 12 jusqu'à l'atmosphère par l'intermédiaire d'une extrémité d'évacuation 14. Un filtre à particules 16 est agencé dans la conduite d'évacuation 10. II comporte une face amont 18 d'entrée des gaz d'échappement "G" et une face aval 20 de sortie des gaz d'échappement "G". Un corps poreux 22 est intercalé longitudinalement entre la 30 face d'entrée 18 et la face de sortie 24 de manière à être traversé par les gaz d'échappement "G". Le corps poreux 22 peut être réalisé par un empilement longitudinal de plusieurs blocs ou il peut être réalisé en un unique bloc, par exemple en céramique, en métal ou en matériau composite. Le corps poreux 22 est destiné à retenir des particules "P", ou des suies, qui sont contenues en suspension dans les gaz d'échappement "G" à leur sortie du moteur 12. Après leur passage à travers le corps poreux 22, les gaz d'échappement "G" ainsi filtrés sont ensuite rejetés dans l'atmosphère par le conduit d'échappement 10 via l'extrémité d'évacuation 14. Lorsque le corps poreux 22 est dans un état encrassé, io voire obstrué, par l'accumulation de particules "P", l'écoulement des gaz d'échappement "G" dans la conduite d'échappement 10 subit des pertes de charge. Le fonctionnement du moteur 12 risque alors d'en être affecté. II est donc connu de faire subir une phase de régénération au filtre à particules 16 pour éliminer les particules retenues. Lors de cette phase de régénération, le filtre à particules 16 passe de l'état encrassé dans lequel des particules "P" sont retenues dans le corps poreux 22, à un état régénéré dans lequel les particules retenues sont éliminées par combustion. La combustion des particules "P" est par exemple déclenchée spontanément lorsque le corps poreux 22 est échauffé au-delà de la température de combustion des suies Tc, par exemple au-delà de 600 C. Ainsi, les gaz d'échappement "G" peuvent par exemple être chauffés en aval du filtre à particules 16. Le corps poreux 22 est échauffé par conduction lors du contact avec les gaz d'échappement "G". La face d'entrée 18 du filtre à particules 16 étant la première à entrer en contact avec les gaz d'échappement "G", c'est par cette face que la phase de régénération s'amorce. Comme expliqué précédemment, la combustion des particules "P" retenues échauffe le corps poreux 22 selon un gradient "GTR" longitudinal de températures de régénération. La température de régénération croît ici de manière continue depuis la face d'entrée 18 jusqu'à la face de sortie 20. Afin d'améliorer la capacité du filtre à particules 16 à retenir et/ou accumuler les particules "P" sans réduire sa durée de vie, le corps poreux 22 selon l'invention a des propriétés physiques qui ne sont pas homogènes selon la direction longitudinale. Ainsi, la masse thermique du corps poreux 22 n'est pas homogène selon la direction longitudinale. Comme représenté à la figure 2, la valeur de la masse thermique varie selon un gradient "GMT" longitudinal de masse thermique qui est proportionnel au gradient longitudinal de températures de régénération "GTR". Dans l'exemple représenté à la figure 2, le gradient de masse thermique "GMT" est linéaire, l'invention s'applique toutefois à des gradients "GMT" qui ont d'autres formes, tels que des gradients paraboliques. ls Dans le graphique représenté à la figure 2, l'abscisse correspond à la distance longitudinale entre un point quelconque du corps poreux 22 et la face d'entrée 18. L'ordonnée représente la valeur de la masse thermique dudit point. On constate que la masse thermique du corps poreux 22 est ici minimale au niveau de la face d'entrée 18 et elle croît de manière continue jusqu'à une valeur maximale qui est située au niveau de la face de sortie 20. Ce gradient de masse thermique "GMT" permet d'apporter de nombreux avantages au filtre à particules 16. Ainsi, la face d'entrée 18 du corps poreux 22 a une inertie thermique inférieure à celle de la face de sortie 20. La face d'entrée 18 est ainsi susceptible d'atteindre rapidement la température de combustion des suies ou de tout autres éléments piégé dans le filtre à particules. L'amorçage de la phase de régénération est donc aussi rapide. La masse thermique élevée de la face de sortie 20 permet en revanche d'absorber la chaleur provoquée par la phase de régénération sans provoquer de dégradations du corps poreux 22 telles que des fissures ou des fusions. Selon un autre aspect de l'invention, la valeur locale de la masse thermique du corps poreux 22 est déterminée notamment par sa porosité locale. La porosité du corps poreux 22 dépend notamment du diamètre moyen des pores et de la densité de pores. La masse thermique locale du corps poreux est inversement proportionnelle à sa porosité locale. Dans l'exemple représenté à la figure 2, la valeur de la porosité dans le corps poreux 22 varie selon un gradient "GP" longitudinal de porosité qui est inversement proportionnel au to gradient de masse thermique "GMT". En se reportant à la figure 2, on constate que la porosité du corps poreux 22 est ici maximale au niveau de la face d'entrée 18 et elle décroît de manière continue jusqu'à une valeur minimale qui est située au niveau de la face de sortie 20. La quantité de particules "P" que le corps poreux est susceptible de retenir est proportionnelle à la densité de pores de diamètre légèrement inférieur au diamètre moyen des particules "P". Ainsi, en concevant le corps poreux 22 de manière adaptée à la température locale de régénération, la densité moyenne de porosité est améliorée par rapport à un corps poreux qui présente une porosité uniforme sur toute sa longueur selon l'état de la technique. La capacité du filtre à particules 16 à retenir les particules "P" est donc améliorée par rapport à l'état de la technique. A titre d'exemple, le gradient longitudinal de températures de régénération "GTR" a été fixé comme étant croissant le long du corps poreux 22. On comprendra cependant que cet exemple est non limitatif et que le gradient de température de régénération "GTR" peut prendre d'autres formes par exemple en fonction du système de chauffage utilisé. La forme du gradient de masse thermique "GMT" et du gradient de porosité "GP" dépend alors de la forme dudit gradient de température de régénération "GTR", comme décrit précédemment et les gradients de masse thermique "GMT" et de porosité "GP" ne sont donc pas forcément linéaires. Le gradient de masse thermique "GMT" du corps poreux 22 pourra aussi être déterminé en fonction d'un gradient d'une propriété influençant la masse thermique du corps poreux 22 autre que la porosité. REVENDICATIONS 1. Filtre à particules (16) destiné à être agencé dans une conduite d'échappement (10) de moteur à combustion (12), notamment de véhicule automobile, comportant s - une face amont (18) d'entrée des gaz d'échappement (G) comportant des particules (P) en suspension; - une face aval (20) de sortie des gaz d'échappement (G) filtrés; - un corps poreux (22) qui est intercalé longitudinalement entre la face d'entrée (18) et la face de sortie (20) de manière à être traversé par les gaz d'échappement (G), et qui retient des particules (P) contenues dans les gaz d'échappement (G) ; le filtre à particules (16) étant susceptible de passer lors d'une phase de régénération, d'un état encrassé dans lequel des particules (P) sont retenues dans le corps poreux (22), à un état régénéré dans lequel les particules (P) retenues sont éliminées par combustion, la combustion des particules (P) retenues échauffant le corps poreux (22) selon un gradient longitudinal de températures de régénération (GTR), caractérisé en ce que la masse thermique du corps poreux (22) n'est pas homogène selon la direction longitudinale, sa valeur variant selon un gradient longitudinal de masse thermique (GMT) qui est proportionnel au gradient longitudinal de températures de régénération (GTR). 2. Filtre à particules (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le gradient longitudinal de masse thermique (GMT) est proportionnel au gradient longitudinal de températures de régénération (GTR). 3. Filtre à particules (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse thermique du corps poreux (22) augmente graduellement depuis la face amont (18) vers la face aval (20). 4. Filtre à particules (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la masse thermique du corps poreux (22) augmente de manière continue le long du corps poreux (22). 5. Filtre à particules (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la porosité du corps poreux (22) n'est pas homogène selon la direction longitudinale et sa valeur varie selon un gradient longitudinal de porosité (GP) qui est inversement proportionnel au gradient de masse thermique (GMT). 6. Filtre à particules (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la porosité du corps poreux (22) décroît graduellement depuis la face avant jusqu'à la face arrière. 7. Filtre à particules (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la porosité décroît de manière continue le long du corps poreux (22). 8. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps poreux (22) est réalisé en un unique bloc. 9. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps poreux (22) est réalisé par un empilement longitudinal de blocs distincts.