Brevet FR2887922A1 — publié le 20070105

Ensemble d'agglomération et de collection des particules contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'un dispositif d'alimentation électrique haute tension. L'invention concerne le traitement de composants polluants contenus dans un milieu gazeux et, en particulier, le domaine des ensembles de filtrage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un ensemble d'agglomération et de collection de particules contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile qui comprend un module d'agglomération électrostatique et un module de collection de particules agglomérées. Les modules d'agglomération électrostatique utilisent généralement un champ électrique pour provoquer une attraction des particules contenues dans les gaz d'échappement jusqu'à un substrat de traitement. A cet égard, on pourra se référer à la demande de brevet français n 03 12635 qui décrit un ensemble pourvu d'un tel module d'agglomération électrostatique. Dans cet ensemble, l'agglomération est réalisée au moyen d'un enchevêtrement de fibres métalliques perméables aux gaz qui délimitent intérieurement un passage pour la circulation des gaz et qui sont aptes à permettre la formation d'amas de particules agglomérés. Cet enchevêtrement constitue une électrode qui, conjointement avec une électrode filaire disposée selon l'axe du passage, crée un premier champ électrique transversal permettant de dévier les particules véhiculées par les gaz d'échappement vers l'électrode externe au niveau de laquelle les amas sont formés. Les amas de particules se détachent de l'enchevêtrement de fibres métalliques dès qu'ils atteignent une taille suffisante pour que les forces de frottement exercées par les gaz d'échappement les arrachent. Le module d'agglomération électrostatique est associé à un module de collection des amas de particules disposé en aval dudit module d'agglomération, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Le module d'agglomération peut comprendre des électrodes interne et externe permettant de dévier, par l'intermédiaire d'un second champ électrostatique créé, les amas de particules obtenus en direction de l'électrode externe vers des éléments adaptés pour les collecter. Dans un tel ensemble, il est important d'alimenter les modules d'agglomération et de collection en haute tension. En effet, pour obtenir une agglomération électrostatique des particules contenues dans les gaz d'échappement ainsi qu'une récupération des particules agglomérées efficaces, il est nécessaire d'alimenter l'électrode interne de chacun des modules à un potentiel élevé pour obtenir une bonne ionisation du milieu traversé par les gaz d'échappement afin de dévier les particules chargées en direction de l'électrode externe. Une alimentation des modules d'agglomération et de collection en utilisant directement le réseau basse tension du véhicule automobile ne permet pas d'obtenir une agglomération des particules contenues dans les gaz d'échappement ainsi qu'une récupération des amas de particules optimales. On connaît également, par le document WO 96/31939, un dispositif d'alimentation électrique comprenant une pluralité de générateurs haute tension montés en parallèle entre eux, chacun des générateurs étant pourvu d'un transformateur élévateur de tension, de manière à pouvoir délivrer en sortie une haute tension, à partir d'une basse tension. Ce dispositif présente l'inconvénient d'être relativement cher, et ne propose rien pour un ensemble d'agglomération et de collection 5 de particules contenues dans des gaz d'échappement. La présente invention a donc pour but de résoudre ces inconvénients en proposant un ensemble d'agglomération et de collection des particules contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile qui puisse être convenablement alimenté en utilisant le réseau électrique présent à bord du véhicule. A cet effet, l'ensemble d'agglomération et de collection des particules contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile est pourvu d'au moins un module d'agglomération électrostatique comprenant une électrode interne et une électrode externe entre lesquelles est créé un premier champ électrique, l'électrode externe étant réalisée en matériau poreux capable de laisser passer les gaz d'échappement ainsi que des amas de particules agglomérés lors du passage des gaz d'échappement à travers la matière poreuse, et d'un module de collection des amas de particules disposé en aval du module d'agglomération, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. L'ensemble comprend, en outre, un dispositif d'alimentation ou de génération électrique muni d'un unique transformateur élévateur de tension apte à permettre une alimentation en haute tension continue du module d'agglomération et du module de collection. Avec un tel ensemble, il devient ainsi possible de pouvoir alimenter en haute tension les deux modules d'agglomération et de collection, par exemple à partir du réseau électrique basse tension du véhicule automobile, et ce, de manière particulièrement économique en utilisant un seul transformateur élévateur de tension. Avantageusement, le transformateur est connecté en entrée à un convertisseur continu/alternatif alimenté par une source électrique basse tension, et connecté en sortie à au moins un convertisseur alternatif/continu relié aux modules d'agglomération et de collection. De préférence, le dispositif de génération électrique comprend, en outre, des moyens de mesure de la tension et/ou du courant en sortie du convertisseur continu/alternatif, et une unité de contrôle apte à piloter le convertisseur continu/alternatif en fonction des valeurs mesurées. Avantageusement, le transformateur comprend au moins une bobine primaire et au moins deux bobines secondaires, chaque bobine secondaire étant reliée à un convertisseur alternatif/continu connecté à un desdits modules. Le dispositif de génération peut comprendre des moyens de mesure de la tension et/ou de courant en sortie de chaque convertisseur alternatif/continu, et une unité de contrôle apte à piloter le convertisseur continu/alternatif en fonction d'au moins une des valeurs mesurées. Dans une variante de réalisation, au moins un des convertisseurs alternatif/continu est constitué d'une diode. Dans un mode de réalisation, le transformateur comprend deux bobines primaires montées en série. Dans un autre mode de réalisation, le transformateur comprend deux bobines primaires montées en parallèle. De préférence, le module de collection comprend une première électrode et une seconde électrode s'étendant dans un second champ électrique, une desdites électrodes comprenant une surface de réception de particules agglomérées. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un ensemble d'agglomération et de collection conforme à l'invention, - les figures 2 à 6 représentent des variantes de réalisation d'un 10 dispositif d'alimentation de l'ensemble d'agglomération et de collection de la figure 1. Comme illustré schématiquement sur la figure 1, l'ensemble d'agglomération et de collection de particules comprend essentiellement un filtre à particules 10 et un module de collection 12 d'amas de particules collectés. Le filtre à particules 10 est constitué par un module d'agglomération électrostatique assurant un piégeage et une agglomération des particules véhiculées par les gaz d'échappement. Le module de collection 12 est disposé en aval du module d'agglomération 10, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement, et permet une capture des particules agglomérées extraites du module d'agglomération 10. Le module d'agglomération 10 comprend une conduite d'admission 2, un collecteur 4, et une unité d'agglomération 3 située 25 entre la conduite d'admission 2 et le collecteur 4. L'unité d'agglomération 3 comprend une électrode externe 5 de forme générale cylindrique. Cette électrode 5 délimite intérieurement un passage axial 6 pour les gaz d'échappement qui communique par l'une de ses extrémités avec la conduite 2. L'électrode externe 5 comprend des surfaces frontales radiales 7 et 8. La surface 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 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 6 du côté opposé à la conduite d'admission 2. L'unité d'agglomération 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 9 de fixation en étant coudée pour former une portion radiale 19 sortant 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 un dispositif d'alimentation ou de génération électrique 22. Le collecteur 4 comprend une enveloppe cylindrique 23 qui entoure l'électrode externe 5. L'enveloppe cylindrique 23 s'étend axialement audelà du disque 14. Elle comprend un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de l'électrode 5, de sorte qu'il existe un espace annulaire vide 24 entre l'enveloppe cylindrique 23 et l'électrode externe 5. Ladite enveloppe communique enfin, du côté opposé à la conduite d'admission 2, avec une canalisation 28 débouchant à l'intérieur du module de collection 12 des particules agglomérées. 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 ensuite dans le passage central 6 de l'électrode externe 5, qui communique avec la conduite d'admission 2, dans laquelle ils sont ionisés et les particules qu'ils contiennent chargées électriquement. Comme on le conçoit, le disque 14 empêche le passage axial des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sont alors déviés radialement et traversent l'électrode externe 5 qui est perméable aux 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 premier 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 16 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 agglomération électrostatique, il est ainsi nécessaire de provoquer une avalanche électronique suffisante. L'électrode interne 16 doit donc être portée, par l'intermédiaire du dispositif de génération électrique 22, 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 16 et externe 5 nécessite une énergie importante. Dans le cas d'une électrode interne 16 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 rencontrant une molécule ionisée se combine pour former une particule chargée positivement. Une électrode interne 16 permet une ionisation du volume compris entre ladite électrode et l'électrode interne 5 avec une énergie apportée faible, en étant portée à un potentiel moindre, par exemple étant 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 externe 5 poreuse. Le champ électrique est hétérogène uniquement à proximité des deux électrodes 16 et 5. Lorsque les particules se trouvent à proximité de l'électrode externe 16, de l'ordre de 1 mm, les lignes de champ électrique convergent vers les fibres de ladite électrode 16. Les particules sont alors précipitées contre les fibres par les fortes augmentations locales du 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 déposées sur la face interne de l'électrode 16 s'agglomèrent par interactions électrostatiques et par forces de Van der Waals. Les amas de particules grossissent 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 16 sous la forme d'agglomérats qui sont ensuite collectés par le module de collection 12. 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 collectés, est de 100 à 1000. La majorité des particules agglomérées a alors une taille supérieure à 5 rn. Le module de collection 12 comprend essentiellement une 10 électrode 29 interne, pouvant être de type filaire, et une électrode externe 30 de forme générale cylindrique de manière à permettre le passage des gaz d'échappement. L'électrode 29 s'étend axialement à l'intérieur de l'électrode 30 en étant coudée à chacune de ses extrémités pour former deux portions radiales 31 et 32 sortant de la conduite d'amenée 28 par deux ouvertures 33 et 34. Deux isolateurs 35 et 36 sont montés à l'intérieur des ouvertures 33 et 34 pour isoler électriquement l'électrode 29. L'électrode 29 est alimentée, de préférence, par le dispositif 22 utilisé pour polariser l'électrode interne 16 du module d'agglomération 10. L'électrode 30 est reliée à la masse (non représentée). L'électrode 30 comprend une surface 37 de récupération ou de collection des particules agglomérées et des disques 38 s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de ladite surface 37, en étant espacés axialement les uns par rapport aux autres. Un dispositif du type cordon chauffant 39 est disposé au niveau de la surface 37 et relié à un système de commande électrique 40, lui même relié à une source de courant 41 qui permet de générer un échauffement du dépôt d'amas de particules et de provoquer leur combustion. En fonctionnement, un second champ électrique est créé entre l'électrode interne 29 et l'électrode externe 30. Comme on le conçoit, sous l'action de ce champ électrique, les particules sont déviées et attirées vers la surface 37 et arrêtées par les disques 38. Les particules agglomérées sont alors brûlées à l'aide du cordon chauffant 39. La source de courant 41 peut alimenter le cordon chauffant 39 périodiquement en fonction par exemple des kilomètres parcourus, du temps de fonctionnement, ou encore par l'intermédiaire d'une sonde mesurant la quantité d'amas de particules stockés sur le cordon chauffant 39. Les gaz d'échappement ainsi traités sont ensuite évacués par la conduite 42. Bien entendu, il est possible de prévoir d'autres types de modules de collection de particules comprenant par exemple un collecteur mécanique de type cyclone , ou encore un collecteur à hélice. Il est également envisageable de prévoir l'alimentation du cordon chauffant 39 par l'intermédiaire du dispositif 22. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, les principaux éléments du dispositif 22 électrique alimentant en haute tension continue le module d'agglomération 10 et le module de collection 12. Le dispositif 22 de génération ou d'alimentation comprend un transformateur 43 muni de bobines primaire et secondaire 43a, 43b pourvues respectivement d'un nombre de spires N43a et N43b pouvant être différent. La bobine primaire 43a est connectée à un convertisseur continu/alternatif 44, par exemple un onduleur, lui-même relié à une source 45 basse tension continue. Avantageusement, la source 45 est constituée par le réseau électrique du véhicule. La bobine secondaire 43b est raccordée à un premier convertisseur alternatif/continu 46, par exemple un redresseur avec ou sans multiplieur de tension, relié au module d'agglomération 10 et au module de collection 12. Le transformateur 43 permet ainsi une élévation de la tension délivrée par la source 45 de manière à obtenir une haute tension continue d'alimentation désirée pour les modules 10 et 12. Le rapport entre le nombre de spires N43a et N43b est ainsi déterminé en fonction de cette tension. Le dispositif 22 de génération électrique est associé à une unité de contrôle 47 assurant le contrôle de la haute tension délivrée audits 10 modules d'agglomération et de collection 10, 12. A cet effet, le dispositif 22 comprend un premier moyen de mesure 48 de la valeur de la tension en sortie du convertisseur alternatif/continu 46. L'unité de contrôle 47 est apte à piloter le convertisseur continu/alternatif 44 en fonction des mesures détectées par ledit moyen de mesure 48. Avantageusement, le moyen de mesure 48 comprend au moins deux résistances électriques formant un diviseur de tension résistif. Bien entendu, il est également envisageable de prévoir également une mesure de courant en sortie du convertisseur alternatif/continu 46 pour piloter le fonctionnement du convertisseur continu/alternatif 44. Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 3, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, un transformateur 49 est muni d'une bobine primaire 49a et de première et seconde bobines secondaires 49b et 49c. Lesdites bobines primaire et secondaires 49a, 49b, 49c sont respectivement connectées au convertisseur continu/alternatif 44, au premier convertisseur alternatif/continu 46 connecté au module de collection 12, et à un second convertisseur alternatif/continu 50 luimême relié au module d'agglomération 10. Le dispositif de génération 22 permet ainsi d'alimenter les modules 10, 12 soit avec des hautes tensions de valeurs différentes, soit avec des hautes tensions de valeurs égales, suivant le nombre de spires des bobines 49b et 49c. Le dispositif 22 comprend également un second moyen de mesure 51 de tension et/ou de courant en sortie du convertisseur alternatif/continu 50 qui est connecté à l'unité de contrôle 47 pour procéder au contrôle de fonctionnement du dispositif 22 de génération. Le premier moyen de mesure 48 est ici relié à la sortie du convertisseur alternatif/continu 46. Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 4, le convertisseur alternatif/continu 46 est remplacé par une diode 52a pouvant être reliée à un limiteur de tension 52b lui-même connecté au module de collection 12. Le remplacement d'un convertisseur alternatif/continu par une diode permet l'obtention d'un dispositif 22 de génération particulièrement économique. Bien entendu, il peut également être envisageable de remplacer le convertisseur alternatif/continu 50 par une diode. Les modes de réalisation illustrés aux figures 5 et 6 diffèrent du mode de réalisation de la figure 3 en ce qu'un transformateur 53 comprend des premières et secondes bobines primaires et secondaires 53a à 53d. Les première et seconde bobines secondaires 53c, 53d sont respectivement connectées aux convertisseurs alternatif/continu 50, 46. Les premières et seconde bobines primaires sont connectées au convertisseur continu/alternatif 44 et sont soient montées en série (figure 5), soient montées en parallèle (figure 6). L'ensemble selon l'invention permet ainsi d'obtenir une agglomération et une collection des particules contenues dans les gaz d'échappement du moteur à combustion du véhicule automobile de manière particulièrement efficace et économique en utilisant par exemple le réseau électrique présent à bord du véhicule. 14 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'agglomération et de collection des particules contenues dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'au moins un module d'agglomération (10) électrostatique comprenant une électrode interne (16) et une électrode externe (5) entre lesquelles est créé un premier champ électrique, l'électrode externe étant réalisée en matériau poreux capable de laisser passer les gaz d'échappement ainsi que des amas de particules agglomérés lors du passage des gaz d'échappement à travers la matière poreuse, et d'un module de collection (12) des amas de particules disposé en aval du module d'agglomération, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que l'ensemble comprend, en outre, un dispositif de génération (22) électrique muni d'un unique transformateur (43; 49; 53) élévateur de tension apte à permettre une alimentation en haute tension continue du module d'agglomération (10) et du module de collection (12). 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le transformateur est connecté en entrée à un convertisseur continu/alternatif (44) alimenté par une source électrique basse tension, et connecté en sortie à au moins un convertisseur alternatif/continu (46) relié aux modules d'agglomération et de collection. 3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de génération comprend, en outre, des moyens de mesure (48, 51) de la valeur de la tension et/ou de l'amplitude de l'intensité en sortie du convertisseur continu/alternatif, et une unité de contrôle (47) apte à piloter le convertisseur continu/alternatif en fonction des valeurs mesurées. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le transformateur comprend au moins une bobine primaire et au moins deux bobines secondaires, chaque bobine secondaire étant reliée à un convertisseur alternatif/continu connecté à un desdits modules, et dans lequel le dispositif de génération comprend des moyens de mesure de la valeur de la tension et/ou de l'amplitude de l'intensité en sortie de chaque convertisseur alternatif/continu, et une unité de contrôle (47) apte à piloter le convertisseur continu/alternatif en fonction d'au moins une des valeurs mesurées. 5. Ensemble selon la revendication 4, dans lequel au moins un des convertisseurs alternatif/continu est constitué d'une diode. 6. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le transformateur comprend deux bobines primaires montées en série. 7. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, caractérisé dans lequel le transformateur comprend deux bobines primaires montées en parallèle. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de collection comprend une première électrode et une seconde électrode s'étendant dans un second champ électrique, une desdites électrodes comprenant une surface de réception de particules agglomérées.