Brevet FR2880062A1 — publié le 20060630

Dispositif et procédé de capture et d'élimination de particules agglomérées issues d'un filtre à particules de véhicule automobile L'invention concerne le traitement de composants polluants contenus dans un milieu gazeux et, en particulier, le domaine des dispositifs de filtrage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées par un dispositif de filtrage électrostatique des particules contenues dans des gaz d'échappement. En effet, les dispositifs de filtrage de type électrostatique utilisent généralement un champ électrique pour provoquer une attraction des particules, également chargées électriquement, jusqu'à un substrat sur lequel les particules viennent se fixer. On pourra à cet égard se référer à la demande de brevet WO 00/02549 qui décrit un dispositif de filtrage électrostatique de particules comprenant un filtre électrostatique à effet couronne comprenant une cage cylindrique à l'intérieur de laquelle pénètre les gaz d'échappement en vue de leur filtrage. On pourra également se référer au brevet US 4 478 613 qui décrit un autre type de dispositif de filtrage de particules comprenant un filtre électrostatique et un séparateur mécanique de particules. Le filtre électrostatique comprend un élément tubulaire ayant une de ses extrémités fermée et à l'intérieur duquel se trouve un empilement de disques concentriques par rapport à l'axe du tube. Le tube est maintenu à un potentiel nul alors que les disques sont reliés à un potentiel négatif. Les gaz d'échappement pénètrent dans le tube par une ouverture et circulent axialement pour ressortir par une ouverture opposée située sur le côté. Les disques portés à un potentiel négatif constituent une structure émissive permettant de générer un champ électrique entre la surface intérieure du tube et les disques. Les gaz d'échappement traversent ce champ, les particules contenues dans les gaz d'échappement étant chargées électriquement. Les particules ainsi chargées se déplacent radialement sous l'effet du champ électrique créé pour aller se déposer sur la face interne du tube où elles s'amassent par couches. Il est alors nécessaire d'éliminer les particules piégées. Ceci est généralement réalisé en utilisant un dispositif de capture et d'élimination des particules agglomérées qui récupère les amas de particules créés qui se détachent dès qu'ils atteignent une taille suffisante pour que les forces de frottement exercées par les gaz d'échappement les arrachent. Ainsi, l'invention se propose d'améliorer l'efficacité des dispositifs existants de capture et d'élimination des particules agglomérées. L'invention a donc pour objet un dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées issues d'un filtre à particules de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant une enceinte comportant une paroi délimitant intérieurement un conduit pour les gaz d'échappement raccordé en amont à un agglomérateur de particules et en aval à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement, une électrode axiale interne adaptée pour créer un champ électrique radial dans le conduit et un ensemble de plaques annulaires disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules agglomérées déviées par le champ électrique. Selon ce dispositif, le bord périphérique radialement externe des plaques annulaires est espacé de la paroi de l'enceinte de manière à former un espace constituant un passage pour les particules agglomérées stoppées ou un volume de stockage. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les plaques annulaires sont disposées dans un cylindre ajouré délimitant, avec la paroi du dispositif de capture et d'élimination, ledit espace. Par exemple, le cylindre ajouré forme une grille. Dans un autre mode de réalisation, ladite paroi comporte à l'endroit des plaques annulaires une zone de diamètre interne élargi pour délimiter ledit espace. Selon un autre mode de réalisation avantageux, les plaques annulaires sont pourvues d'un passage central coaxial à la paroi, de dimensions aptes à éviter l'apparition de pertes de charge dans le flux du gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte en outre une résistance électrique chauffante adaptée pour brûler les particules arrêtées entre les plaques. L'invention a également pour objet un procédé de capture et d'élimination des particules agglomérées issues d'un filtre à particules de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile au moyen d'un dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - récupération des particules agglomérées en sortie du filtre à particules par relargage naturel des amas; - mise en circulation des particules agglomérées récupérées dans le conduit du dispositif de capture et d'élimination; - déviation des particules agglomérées vers les plaques annulaires sous l'effet du champ électrique engendré par l'électrode axiale interne; et piégeage des particules entre les plaques annulaires. On procède alors à une élimination des particules piégées sur les plaques par chauffage ou aspiration vers un dispositif d'élimination. Dans un mode de mise en oeuvre de ce procédé, on prévoit en effet une étape de transfert des particules arrêtées vers un espace formé entre les plaques et la paroi du conduit, puis d'aspiration de ces particules vers un système d'élimination de particules. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un système de filtrage de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne incorporant un filtre à particules et un dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées selon l'invention; - la figure 2 est une vue de détail du dispositif de capture et d'élimination des particules du système de la figure 1; - la figure 3 est une courbe illustrant l'influence du dispositif selon l'invention sur l'efficacité de filtration du système; la figure 4 illustre un autre mode de réalisation du dispositif de capture et d'élimination selon l'invention; et - la figure 5 illustre un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, on va tout d'abord décrire un système de filtrage de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Ce système de filtrage comprend essentiellement un filtre à particules 10 constitué par une cellule de filtrage électrostatique assurant un piégeage et une agglomération des particules véhiculées par les gaz d'échappement, et un dispositif 12 de capture et d'élimination des particules agglomérées extraites de la cellule de filtrage 10 qui débouche dans une conduite C d'évacuation des gaz. Comme on le voit sur la figure 1, la cellule de filtrage électrostatique comprend une conduite d'admission 2, un collecteur 4 et une unité de filtrage 3 située entre la conduite d'admission 2 et le collecteur 4. L'unité de filtrage 3 comprend une électrode externe 5 de forme générale cylindrique. Cette électrode 5 délimite intérieurement un passage axial 6 pour les gaz qui communique par l'une de ses extrémités avec la conduite 2. L'électrode externe 5 comprend des surfaces d'extrémités mutuellement opposées 7 et 8. La surface d'extrémité frontale 7 est en contact axial avec une couronne 9 de fixation de l'électrode externe 5 sur la conduite d'admission 2. La couronne 9 est reliée à la masse. L'électrode externe 5 est ouverte du côté de sa surface d'extrémité frontale 7, de sorte que le passage central 6 communique avec la conduite d'admission 2. La conduite d'admission 2 comprend un orifice d'entrée 13 du côté opposé à l'électrode externe 5. Un disque 14 vient en appui axial par une surface radiale 15 contre la surface d'extrémité 8 de l'électrode externe 5 opposée à la conduite d'admission 2. Le disque 14 ferme axialement le passage central 7 du côté opposé à la conduite d'admission 2. L'unité de filtrage 3 comprend une électrode externe 5 de forme générale cylindrique. L'électrode 5 délimite intérieurement un passage axial 6 pour les gaz qui communique par l'une de ses extrémités avec la conduite 2. L'unité de filtrage 3 comprend également une électrode centrale 16 sous la forme d'une tige 17 coaxiale à l'électrode externe 5 et dont une extrémité 18 est enfichée dans une portion isolante du disque 14. L'électrode interne 16 s'étend axialement depuis son extrémité 18 au-delà de la couronne de fixation 9 en étant coudée pour former une portion radiale 19 sortant radialement de la conduite d'admission 2 par une ouverture 20. Un isolateur 21 est disposé dans l'ouverture 20 pour isoler électriquement la paroi de la conduite d'admission 2 de l'électrode interne 16. La portion radiale 19 est reliée électriquement à une source de tension 22. Le collecteur 4 est disposé dans une enveloppe cylindrique 23 qui entoure l'électrode externe 5. L'enveloppe cylindrique 23 s'étend axialement au-delà du disque 14. Elle comprend un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de l'électrode externe 5, de sorte qu'il existe un espace annulaire vide 24 entre l'enveloppe cylindrique 23 et l'électrode externe 5. Elle communique enfin du côté opposé à la conduite d'admission 2 avec une canalisation 28 débouchant dans le dispositif 12 de capture et d'élimination des particules agglomérées. En effet, en fonctionnement, les gaz d'échappement chargés de particules pénètrent dans la conduite d'admission 2 par l'orifice d'entrée 13. Ils s'écoulent dans le passage central 6 de l'électrode externe 5, qui communique avec la conduite d'admission 2, dans lesquels ils sont ionisés et les particules chargées électriquement. Comme on le conçoit, le disque 14 d'extrémité empêche le passage axial des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sont alors déviés radialement et traversent les électrodes externes 5 qui est perméable au gaz. L'électrode externe 5 est maintenue à un potentiel nul, l'électrode interne 16 étant portée à un potentiel positif ou négatif. La différence de potentiel créée entre l'électrode externe 5 et interne 16 induit la présence d'un champ électrique dans le passage axial 6. Si ce champ électrique possède une intensité suffisante, en particulier au très proche voisinage de l'électrode interne 16, il se produit une ionisation partielle ou totale des gaz, ou milieu, compris entre les électrodes interne 16 et externe 5. Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel négatif, les particules présentes dans les gaz d'échappement se chargent principalement par collision et combinaison avec des électrons libres. Compte tenu de la faible concentration de particules dans les gaz d'échappement, la probabilité qu'un électron se déplaçant rapidement de l'électrode interne 16 vers l'électrode externe 5 heurte une particule et se combine avec cette dernière est faible. Afin de charger les particules de façon convenable en vue de leur filtrage électrostatique, il est nécessaire de provoquer une avalanche électronique suffisante. L'électrode interne 16 doit donc être portée à un potentiel élevé, par exemple compris entre 50 et 150 kV. L'augmentation du potentiel auquel est portée l'électrode interne 16 a également pour effet l'ionisation d'un milieu gazeux dans un volume plus étendu. Cependant, l'ionisation de tout le volume compris entre les électrodes interne 18 et externe 5 nécessite une énergie considérable. Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel positif, les particules présentes dans les gaz d'échappement traversent un milieu ionisé. Il existe une plus grande probabilité, dans ce cas, qu'une particule rencontre une molécule ionisée et se combine pour former une particule chargée positivement. Une électrode interne 16 positive permet une ionisation du volume compris entre l'électrode interne 16 et l'électrode externe 5 avec une énergie apportée faible, en étant portée à un potentiel positif moindre, par exemple compris entre 1 kV et 50 kV. Le champ électrique quasiment homogène dans l'espace inter- électrodes dévie les particules chargées qui migrent vers l'électrode poreuse. Le champ électrique est hétérogène uniquement à proximité des deux électrodes. Lorsque les particules se trouvent à proximité de l'électrode poreuse, de l'ordre de 1 mm, les lignes de champ électriques convergent vers les fibres de l'électrode poreuse. Les particules sont alors précipitées contre les fibres par les fortes augmentations locales de champ électrique. Etant donné que le champ électrique est nul à l'intérieur de l'électrode poreuse et que sa surface développée est faible, la majorité des particules atteint l'électrode dès la première rangée de fibres et quasiment aucune captation en profondeur ne s'effectue. Les particules chargées et déposées sur la face interne de l'électrode s'agglomèrent par interactions électrostatiques et par forces de Van der Waals. Les amas de particules grossissent alors jusqu'à atteindre une taille suffisante pour que les forces de frottement exercées par les gaz d'échappement les arrachent. Les amas de particules grossissent jusqu'à leur éjection hors de l'électrode poreuse sous la forme d'agglomérats. A titre d'exemple, le rapport de taille, entre les particules des gaz d'échappement émises par le moteur et les amas de particules ainsi récupérés, est de 10 à 100 m. En se référant plus particulièrement à la figure 2, qui illustre à plus grande échelle le dispositif 12 de capture et d'élimination des particules agglomérées délivrées par le filtre à particules 10, ce dispositif 12 comprend essentiellement une enceinte 29 qui délimite intérieurement un conduit 30 qui reçoit les gaz d'échappement en provenance de l'agglomérateur de particules 10. L'enceinte 29 comporte une paroi externe sensiblement cylindrique. Elle comporte intérieurement un ensemble de plaques annulaires telles que 31 s'étendant transversalement dans le conduit 30 et régulièrement réparties le long de ce conduit 30. En outre, le dispositif 12 de capture comporte une électrode axiale interne 32 qui s'étend coaxialement aux plaques annulaires 31. Cette électrode 32 est destinée à être raccordée à une source de tension, par exemple la même source de tension que celle utilisée pour le filtre à particules 10. On voit en effet sur la figure 2 que l'électrode axiale 32 comporte, au niveau de ses extrémités mutuellement opposées, des portions radiales 33 et 34 qui traversent la paroi de l'enceinte 29, avec interposition d'isolateurs 35 et 36 pour être raccordées à la source de tension. Le dispositif 12 peut être complété par une résistance chauffante annulaire (non représentée) qui est par exemple fixée contre la face externe de la plaque annulaire d'extrémité amont, en considérant la circulation des gaz d'échappement. Cette résistance chauffante est raccordée à une source de tension, basse tension. Ainsi, grâce à cet agencement, les particules agglomérées véhiculées par les gaz d'échappement, et qui sont chargées électriquement, sont déviées par l'électrode centrale 32 vers les plaques annulaires 31 pour y être stoppées. En effet, ces plaques constituent alors, pour les amas de particules, des butées qu'elles viennent heurter au cours de leur déplacement. Elles sont alors piégées par l'espace délimité par les plaques adjacentes. La résistance chauffante annulaire lorsqu'elle est activée provoque alors une élévation de température des particules suffisante pour provoquer leur combustion. Cette combustion peut alors se propager le long de l'enceinte 29 grâce à la présence d'orifices axiaux et coaxiaux qui sont pratiqués dans les plaques 31. On notera que les plaques sont espacées de la paroi de l'enceinte 29. En effet, à l'endroit des plaques 31, la paroi de l'enceinte 29 comporte une zone 40 de diamètre accrue. L'espace entre le bord périphérique externe des plaques et la paroi de l'enceinte 29 forme un volume 41 de stockage des particules. Ainsi, le bord périphérique externe des plaques annulaires 31 et espacées de la face interne de la paroi périphérique de l'enceinte 29 de sorte que les particules stoppées par les plaques 31 soient transférées vers le volume 41 par aspiration. Un tel volume peut également constituer un passage pour l'évacuation des amas de particules vers un dispositif de post-traitement. On choisira soit d'aspirer les particules contenues dans le volume 41 pour les entraîner vers un dispositif de destruction, soit de les détruire in situ sur les plaques de collecte par chauffage résistif. On voit en effet sur la figure 2 que la paroi de l'enceinte 29 débouche dans un passage 43 qui permet de mettre en communication le dispositif 10 vers un dispositif externe de destruction des suies. On notera que l'on dispose avantageusement les plaques 31 dans un cylindre ajouré 42 généralement cylindrique et s'étendant coaxialement dans l'enceinte 29 contre lesquelles les plaques 31 s'appuient. De préférence, le cylindre ajouré 42 est réalisé sous la forme d'une grille cylindrique dont les mailles ont une taille suffisante pour laisser passer les particules agglomérées. En se référant maintenant à la figure 3, sur laquelle on a représenté l'évolution de l'efficacité de filtration du filtre à particules en fonction du courant d'alimentation I de l'électrode centrale 16, respectivement en utilisant un dispositif de capture et d'élimination des particules agglomérées (courbe A) et en l'absence d'un tel dispositif (courbe B), on constate que la présence du dispositif 12 permet d'améliorer considérablement l'efficacité du filtre à particules 10. On notera néanmoins que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. En effet, comme visible sur la figure 4, le cylindre ajouré 42 est optionnel de sorte que les passages délimités entre deux plaques 31 adjacentes peut directement déboucher dans le volume 41. En outre, comme visible sur la figure 5, selon un autre mode de réalisation, les plaques annulaires 31 présentent un passage central 44 de diamètre élargi jusqu'à correspondre sensiblement au diamètre des zones d'extrémité 45 et 46 de l'enceinte 29 de sorte que les plaques soient déportées par rapport à l'écoulement afin de ne pas provoquer de perte de charge dans celui-ci. On notera enfin, que dans les divers modes de réalisation, les plaques annulaires 31 sont montées sur une tige filetée 47 afin de permettre un positionnement précis des plaques dans l'enceinte 29. L'électrode 16 et l'électrode 31 peuvent avantageusement être reliées au même potentiel et alimentées par le même dispositif haute tension. REVENDICATIONS 1. Dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées issues d'un filtre à particules de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une enceinte (29) comportant une paroi délimitant intérieurement un conduit (30) pour les gaz d'échappement raccordé en amont à un agglomérateur de particules et en aval à une conduite (C) d'évacuation des gaz d'échappement, une électrode axiale interne (32) adaptée pour créer un champ électrique radial dans le conduit et un ensemble de plaques annulaires (31) disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules agglomérées déviées par le champ électrique, caractérisé en ce que le bord périphérique radialement externe des plaques annulaires est espacé de la paroi de l'enceinte de manière à former un espace (41) constituant un passage pour les particules agglomérées stoppées ou un volume de stockage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques annulaires sont disposées dans un cylindre ajouré (12) délimitant, avec la paroi du dispositif de capture et d'élimination, ledit espace. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre ajouré (42) forme une grille. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de l'enceinte comporte à l'endroit des plaques annulaires une zone (40) de diamètre interne élargi pour délimiter ledit espace. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les plaques annulaires sont pourvues d'un passage (30) central coaxial à la paroi, de dimensions aptes à éviter l'apparition de pertes de charge dans le flux du gaz d'échappement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une résistance électrique chauffante adaptée pour brûler les particules arrêtées entre les plaques. 7. Procédé de capture et d'élimination de particules agglomérées issues d'un filtre à particules de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile au moyen d'un dispositif de capture et d'élimination de particules agglomérées selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes: - récupérer des particules agglomérées en sortie du filtre à particules (10) ; - mettre en circulation des particules agglomérées récupérées dans le conduit (30) du dispositif de capture et d'élimination; - dévier des particules agglomérées vers les plaques annulaires (31) sous l'effet du champ électrique engendré par l'électrode axiale interne; et - piéger des particules entre les plaques annulaires. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de transfert des particules arrêtées vers un espace formé entre les plaques et la paroi du conduit, puis d'aspiration de ces particules vers un système d'élimination de particules.