Brevet FR2881469A1 — publié le 20060804

FILTRE D'EPURATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT La présente invention est relative à un filtre d'épuration de gaz d'échappement pouvant servir à recueillir des matières particulaires contenues dans des gaz d'échappement rejetés par un moteur diesel. Pour recueillir des matières particulaires contenues dans des gaz d'échappement rejetés par un moteur à combustion interne, on utilise un filtre d'épuration de gaz d'échappement. Globalement, un tel filtre d'épuration de gaz d'échappement comprend un substrat alvéolaire, éventuellement en nid d'abeilles (ou nida), ayant des alvéoles servant de passages de chargement en gaz pour introduire des gaz d'échappement contenant des matières particulaires, des cloisons poreuses pour intercepter les matières particulaires et des alvéoles servant de passages de refoulement de gaz pour refouler les gaz d'échappement desquels les matières particulaires ont été retirées (par exemple, cf. demande de brevet japonais n 2002-239 322, ouverte à l'inspection publique). Lorsque les gaz d'échappement pénétrant dans les passages de chargement traversent les cloisons poreuses pour pénétrer dans les passages de refoulement, les matières particulaires contenues dans ces gaz sont interceptées par les cloisons poreuses. Les matières particulaires interceptées sont périodiquement éliminées par combustion pour rénover la fonction d'interception de matières particulaires des cloisons poreuses. Il existe divers procédés pour éliminer par combustion les matières particulaires interceptées, dont celui qui utilise l'action d'un catalyseur retenu dans le substrat alvéolaire du filtre d'épuration de gaz d'échappement, celui qui produit régulièrement de la chaleur en amont des passages de refoulement et celui qui résulte d'une combinaison de ces deux procédés. Dans le filtre d'épuration de gaz d'échappement à structure décrite cidessus, si une quantité excessive de matière particulaire est interceptée, les pores du substrat s'obstruent, à la suite de quoi la puissance délivrée par le moteur risque d'être amoindrie en raison de l'augmentation de la contre-pression du moteur. Si la fréquence d'élimination par combustion des matières particulaires interceptées est accrue pour éviter ce phénomène, le rendement énergétique risque d'être amoindri. Il est donc souhaitable qu'un tel filtre d'épuration de gaz d'échappement ait une faible perte de pression, ou perte de charge, afin que l'accroissement de la contre-pression dans le moteur puisse être supprimé et que la fréquence de l'élimination par combustion des matières particulaires interceptées puisse être réduite. Pour réaliser un filtre d'épuration de gaz d'échappement à faible perte de pression, on constitue actuellement une structure alvéolaire en céramique poreuse dans laquelle l'épaisseur des cloisons des alvéoles (cloisons poreuses), l'espacement des alvéoles, la section transversale des alvéoles, la distance intérieure entre les cloisons des alvéoles et la superficie du filtre sont établis chacun à une valeur située dans un intervalle spécifique (cf demande de brevet japonais n 2002-239 322, ouverte à l'inspection publique). Cependant, la structure alvéolaire en céramique poreuse pose un problème en ce que, si une grande quantité des matières particulaires interceptées est éliminée d'un seul coup par combustion, le substrat de la structure risque de se casser dans le cas où le substrat est, par exemple, en cordiérite, car le substrat ne présente dans ce cas aucune résistance aux fortes températures. Pour éviter la rupture du substrat, il convient d'éliminer par combustion les particules interceptées, à intervalles rapprochés afin de supprimer l'élévation de température du substrat. Cependant, l'accroissement de la fréquence de l'élimination par combustion favorise une baisse de rendement énergétique. La présente invention propose un filtre d'épuration de gaz d'échappement, comprenant: un substrat en matière poreuse, conçu sous une forme comportant plusieurs premières alvéoles et secondes alvéoles s'étendant dans une direction longitudinale du substrat, les premières alvéoles servant de passages de chargement en gaz d'échappement, les secondes alvéoles servant de passages de refoulement de gaz d'échappement et étant séparées des premières alvéoles par des cloisons poreuses, et des éléments d'obturation installés aux extrémités aval des premières alvéoles et aux extrémités amont des secondes alvéoles, et qui se caractérise en ce que: l'épaisseur t des cloisons poreuses et l'espacement p des premières et secondes alvéoles satisfont les relations suivantes: 0,35 mm t 0,51 mm, 1,6mm p 1,8 mm, t/p2 0,03. Avec le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention, qui a la structure satisfaisant les relations ci-dessus, il devient possible de recueillir une grande quantité de matières particulaires en comparaison de filtres d'épuration de gaz d'échappement selon la technique antérieure, car ce filtre a une faible perte de pression. De plus, comme le filtre selon l'invention à structure satisfaisant les relations ci-dessus peut disperser rapidement la chaleur, la grande quantité de matières particulaires peut être éliminée d'un seul coup par combustion sans provoquer de rupture du substrat. De la sorte, avec le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention, il est possible de réduire la fréquence de l'élimination par combustion des matières particulaires recueillies, ce qui améliore donc le rendement énergétique d'un moteur diesel. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un 10 mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en bout d'un filtre d'épuration de gaz d'échappement selon une forme de réalisation de l'invention; la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale du filtre d'épuration de gaz 15 d'échappement selon la forme de réalisation de l'invention, prise suivant la ligne de coupe X-X de la Fig. 1; et la Fig. 3 est un diagramme présentant une comparaison de filtres d'épuration de gaz d'échappement ayant différentes épaisseurs de cloisons poreuses et différents espacements d'alvéoles selon la forme de réalisation de l'invention, par rapport à la perte de pression et à la capacité thermique. La Fig. 1 est une vue en bout d'un filtre 1 d'épuration de gaz d'échappement selon une forme de réalisation de l'invention, et la Fig. 2 est une vue en coupe de ce filtre, prise suivant la ligne de coupe X-X de la Fig. 1. Le filtre 1 d'épuration de gaz d'échappement, qui peut servir à épurer des gaz d'échappement 9 contenant des matières particulaires rejetées par un moteur diesel, comprend un substrat 20 en cordiérite conçu sous une forme ayant un certain nombre d'alvéoles 10 s'étendant dans la direction longitudinale et séparées par des cloisons poreuses. Parmi les alvéoles 10, celles qui servent de passage de chargement 11 sont obturées à leur extrémité aval par un élément d'obturation 3 en matériau réfractaire, et celles qui servent de passage de refoulement 12 sont obturées à leur extrémité amont par l'élément d'obturation 3. Comme représenté sur les figures 1 et 2, le substrat 20 a une forme extérieure cylindrique et une structure alvéolaire dans laquelle un certain nombre des alvéoles 10 à section transversale quadrilatérale sont disposées côte à côte. Dans la présente forme de réalisation, le diamètre et la longueur du substrat 20 sont respectivement de 144 mm et 152 mm. Les éléments d'obturation 3 sont installés de façon que l'une des deux alvéoles adjacentes 10 serve de passage de chargement 11, et que l'autre serve de passage de refoulement 12. Ainsi, les éléments d'obturation 3, vus de la surface d'extrémité du filtre, se présentent sous une configuration en damier. On va maintenant expliquer la manière dont a été fabriqué le filtre 1 d'épuration de gaz d'échappement. Pour commencer, une matière première du substrat 20 a été extrudée pour obtenir la structure alvéolaire. On a utilisé comme matière première de la cordiérite à composition comprenant de 45 à 50 % en poids de SiO2, de 33 à 42 % de Al2O3 et de 12 à 18 % en poids de MgO. De la cordiérite ayant une telle composition peut être obtenue en pétrissant un mélange de matière céramique contenant du talc, de la silice fondue et de l'hydroxyde d'aluminium, un agent d'expansion servant de matière organique combustible, de l'eau et du carbone. L'extrusion a été réalisée à l'aide d'une filière comportant des fentes disposées sous la forme d'un réseau quadrilatéral. En découpant à une longueur prédéterminée la structure alvéolaire résultant de l'extrusion, puis en séchant et en cuisant celle-ci, on a obtenu le substrat 20 sans obturations. Parmi les alvéoles 10, celles qui doivent servir de passage de chargement 11 ont été obturées à leur extrémité aval à l'aide de l'élément d'obturation 3, et celles qui doivent servir de passage de refoulement 12 ont été obturées à leur extrémité amont à l'aide de l'élément d'obturation 3. Après cette opération, le substrat 20 obturé à l'aide des éléments d'obturation 3 a été cuit une nouvelle fois. De la sorte, on a obtenu le substrat 20 ayant des cloisons poreuses d'une épaisseur t de 0, 203 mm et un espacement p des alvéoles de 2,54 mm. Ensuite, un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur de réduction de NOx a été installé dans le substrat 20 à l'aide d'alumine pour ainsi achever le filtre 1 d'épuration de gaz d'échappement. Bien que les éléments d'obturation 3 aient été installés dans le substrat 20 après la première cuisson du substrat 20 dans la présente forme de réalisation, il est possible de les installer avant la première cuisson afin de réduire le nombre de cuissons. En utilisant différentes filières dans le procédé de fabrication décrit ci-dessus, on a fabriqué plusieurs filtres d'épuration de gaz d'échappement différents de par l'épaisseur t des cloisons poreuses et l'espacement p des alvéoles. La perte de pression, la capacité thermique et le degré de dissipation d'énergie ont été mesurés pour chacun de ces filtres d'épuration de gaz d'échappement, chacun d'eux ayant une capacité de filtration de 2,0 1 et une surface de filtre de 130 cm2. Pour commencer, on a déterminé la perte de pression d'un filtre d'épuration de gaz d'échappement de référence (le filtre d'épuration de gaz d'échappement à cloisons poreuses d'une épaisseur de 0,27 mm et à espacement des alvéoles de 1,46 mm (ce qui équivaut à une maille d'alvéole de 300)) en mesurant la pression différentielle entre l'amont et l'aval de ce filtre employé pour épurer des gaz d'échappement rejetés par un moteur diesel de 2000 cm3. La mesure a été effectuée dans des conditions de vitesse de moteur de 1850 tours/min, couple moteur de 50 Nm, débit des gaz d'échappement de 350 m3/h et quantité de matières particulaires recueillies de 10 g/l. Ensuite, les pertes de pression ont été déterminées de la même manière que ci-dessus pour les autres filtres d'épuration de gaz d'échappement. On a ensuite mesuré le poids de ces filtres d'épuration de gaz d'échappement pour connaître leur capacité thermique. La Fig. 3 illustre une comparaison de ces filtres sous l'angle de la perte de pression et de la capacité thermique. Sur la Fig. 3, l'axe vertical à gauche représente le rapport de perte de pression à la perte de pression du filtre d'épuration de gaz d'échappement de référence, l'axe horizontal représente la capacité thermique (poids: grammes), et l'axe vertical à droite représente la maille des alvéoles (le nombre d'alvéoles par pouce carré). Le degré de dispersion d'énergie (cal/s/mm2), qui représente une quantité de chaleur dispersée depuis le filtre d'épuration de gaz d'échappement dans sa direction longitudinale par seconde et par mm2, peut être déterminé en mesurant la conductivité thermique (W/mK) du filtre d'épuration de gaz d'échappement, et en procédant à une conversion d'unité sur la conductivité thermique mesurée. Le tableau ci-après indique les degrés de dispersion d'énergie ainsi obtenus avec les filtres d'épuration de gaz d'échappement fabriqués. Tableau T(mm) P(mm) t/p2 Degré de dispersion d'énergie (cal/s/mm2) 0,203 2, 540 0, 031 0,0116 0,203 1,796 0,063 0,0165 0,203 1,466 0,094 0,0202 0,203 1,270 0,126 0,0233 0,203 1,136 0,157 0,0260 0,254 2,540 0,039 0,0141 0, 254 1, 796 0,079 0,0200 0,254 1,466 0,118 0,0245 0,254 1,270 0,157 0,0283 0,254 1,136 0,197 0,0316 0,305 2,540 0,047 0,0153 0,305 1,796 0,094 0, 0217 0, 305 1,466 0,142 0,0266 0,305 1,270 0,189 0,0307 0,305 1,136 0,236 0,0343 0,356 2,540 0,055 0,0158 0,356 1,796 0,110 0,0224 0,356 1,466 0, 165 0, 0274 0,356 1,270 0,220 0,0317 0,356 1,136 0,276 0,0354 0,406 2,540 0,063 0,0170 0,406 1,796 0,126 0,0240 0,406 1,466 0,189 0,0294 0,406 1, 270 0, 252 0,0340 0,406 1,136 0,315 0,0380 Comme on le voit d'après la Fig. 3, pour réduire la perte de pression et la capacité thermique, il est efficace de réduire l'épaisseur t des cloisons poreuses et 5 d'accroître l'espacement p des alvéoles (ou de réduire la maille des alvéoles). D'autre part, comme on le voit d'après le tableau ci-dessus, pour accroître le degré de dispersion d'énergie (conductivité thermique), il est efficace d'accroître l'épaisseur t des cloisons poreuses et de réduire l'espacement p des alvéoles. Ainsi, la Fig. 3 et le tableau montrent qu'en réduisant l'épaisseur t des cloisons poreuses, il devient possible de réduire la perte de pression et la capacité thermique, ce qui a l'inconvénient de réduire le degré de dispersion d'énergie, et que, en accroissant l'épaisseur t des cloisons poreuses, il devient possible d'accroître le degré de dispersion d'énergie, ce qui a l'inconvénient d'accroître les pertes de pression et la capacité thermique. La Fig. 3 et le tableau montrent également qu'en réduisant l'espacement p des alvéoles, il devient possible d'accroître le degré de dispersion d'énergie, avec l'inconvénient d'accroître la perte de pression et la capacité thermique, et qu'en accroissant l'espacement p des alvéoles, il devient possible de réduire la perte de pression et la capacité thermique avec l'inconvénient de réduire le degré de dispersion d'énergie. Comme expliqué plus haut, l'épaisseur t des cloisons poreuses et l'espacement p des alvéoles ont tous deux une incidence sur la perte de pression, la capacité thermique et le degré de dispersion d'énergie et, si l'épaisseur t des cloisons poreuses et l'espacement p des alvéoles sont établis à des valeurs permettant d'améliorer la perte de pression ou le degré de dispersion d'énergie, l'autre se dégrade. Cependant, l'inventeur a constaté que la perte de pression, la capacité thermique et le degré de dispersion d'énergie du filtre à structure décrite ci-dessus peuvent se situer chacun dans des limites adéquates pour épurer des gaz d'échappement d'un moteur diesel si l'épaisseur t des cloisons poreuses et l'espacement p des alvéoles satisfont les relations suivantes: 0,35 mm t Si on établit l'épaisseur t des cloisons poreuses à moins de 0,35 mm, la perte de pression est réduite, cependant la résistance du filtre à la chaleur risque d'être amoindrie à un niveau non admissible. Si on établit l'épaisseur t des cloisons poreuses à plus de 0,51 mm, la perte de pression risque d'augmenter jusqu'à un niveau non admissible. Si on établit un espacement p des alvéoles de moins de 1,6 mm, il y a un risque d'augmentation de la perte de pression jusqu'à un niveau non admissible. Si on établit un espacement p des alvéoles supérieur à 1, 8 mm, le substrat risque de se casser au moment de l'élimination par combustion des matières particulaires, car le degré de dispersion de chaleur diminue. Si on réduit t/p2 à moins de 0,03, le substrat risque de se casser au moment de l'élimination des matières particulaires par combustion, car le degré de dispersion de chaleur diminue. De préférence, t/p2 est établi à une valeur non inférieure à 0,14. Il est courant d'utiliser SiC, qui a une excellente résistance à la chaleur, comme matière du substrat d'un filtre d'épuration de gaz d'échappement. Cependant, dans le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention, la cordiérite, dont la résistance à la chaleur est inférieure à celle de SiC, peut être employée comme matière du substrat, car le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention a le grand degré de dispersion d'énergie permettant de supprimer la montée de la température dans le substrat de celui-ci. Il est donc préférable d'utiliser de la cordiérite comme matière du substrat afin de réaliser à un faible coût la fabrication du filtre d'épuration de gaz d'échappement. Pour non seulement intercepter les matières particulaires mais encore épurer les gaz d'échappement chargés dans le filtre d'épuration de gaz d'échappement, il est préférable d'installer dans le substrat un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur de réduction des NOx. La présence du catalyseur d'oxydation facilite aussi la combustion des matières particulaires. Le catalyseur d'oxydation peut contenir Pt ou Pd. Le catalyseur de réduction des NOx peut contenir Pt, Rh, Ba ou K. Il est préférable encore qu'au moins un catalyseur d'oxydation et au moins un catalyseur de réduction de NOx soient disposés dans le substrat. Le degré de dispersion d'énergie dans la direction longitudinale du substrat ne doit pas être inférieur à 0,01 cal par seconde et par mm2 pour éviter que le substrat ne se casse au moment de l'élimination par combustion des matières particulaires recueillies. Avec le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention à structure satisfaisant les relations précitées, il devient possible de recueillir une grande quantité de matières particulaires en comparaison des filtres d'épuration de gaz d'échappement selon la technique antérieure, en raison de la faible perte de pression de ce filtre. De plus, comme ce filtre à structure satisfaisant les relations précitées est apte à disperser la chaleur à grande vitesse, la grande quantité de matières particulaires peut être éliminée par combustion d'un seul coup, sans provoquer la rupture du substrat 20. De ce fait, avec le filtre d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention, il est possible de réduire la fréquence de l'élimination par combustion des matières particulaires recueillies, ce qui améliore donc le rendement énergétique d'un moteur diesel. S 1S 2 5 -9 REVENDICATIONS 1. Filtre (1) d'épuration de gaz d'échappement, comprenant: un substrat (20) en matière poreuse et conçu sous une forme ayant plusieurs premières alvéoles et secondes alvéoles (10) s'étendant dans une direction longitudinale dudit substrat (20), lesdites premières alvéoles servant de passages (11) de chargement de gaz d'échappement, lesdites secondes alvéoles servant de passages (12) de refoulement de gaz d'échappement et étant séparées desdites premières alvéoles par des cloisons poreuses (2), et des éléments d'obturation (3) installés aux extrémités aval desdites premières alvéoles et aux extrémités amont desdites secondes alvéoles, caractérisé en ce que l'épaisseur t desdites cloisons poreuses (2) et l'espacement p desdites premières et secondes alvéoles (10) satisfont les relations suivantes: 0,35 mm t 0,51 mm, 1,6mm p 1,8 mm, t/p2 ? 0,03. 2. Filtre (1) d'épuration de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite épaisseur t desdites cloisons poreuses (2) et ledit espacement p desdites premières et secondes alvéoles (10) satisfont la relation t/p2 0,14. 3. Filtre (1) d'épuration de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (20) est en cordiérite. 4. Filtre (1) d'épuration de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un catalyseur d'oxydation et/ou au moins un catalyseur de réduction des NOx est installé dans ledit substrat (20). 5. Filtre (1) d'épuration de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (20) a un degré de dispersion d'énergie non inférieur à 0,01 cal/s/mm2.