Brevet FR2891006A1 — publié le 20070323

Dispositif pour le filtrage et l'élimination des particules contenues dans des gaz d'échappement améliorant la capture des particules 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 filtrage et d'élimination 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 récupération de particules agglomérées par le dispositif de filtrage électrostatique. Les modules de filtrage électrostatique utilisent généralement 15 un champ électrique pour provoquer une attraction des particules, 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 comportant une cage cylindrique à l'intérieur de laquelle pénètrent 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, 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, et les particules contenues dans les gaz d'échappement se charge par dérive ionique. 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. De même, la demande de brevet français n 2 839 903 décrit également un dispositif de filtrage de gaz d'échappement pourvu d'un tel module d'agglomération électrostatique. Dans ce dispositif, le filtrage est réalisé au moyen d'un enchevêtrement de fibres métalliques perméables au gaz qui délimitent intérieurement un passage pour les gaz et qui sont aptes à retenir mécaniquement des particules. Cet enchevêtrement constitue également une électrode qui, conjointement avec une électrode filaire disposée selon l'axe du passage, crée un champ électrique transversal suffisant pour dévier les particules véhiculées par les gaz d'échappement vers l'électrode externe au niveau de laquelle elles s'agglomèrent. Les particules piégées sur l'électrode externe risquent au fur et à mesure de l'augmentation du dépôt d'être relarguées dans l'écoulement. Pour éviter cela, la fréquence de régénération peut être importante et donc coûteuse en énergie. Mais il est alors nécessaire d'éliminer les particules piégées. Ceci est généralement réalisé en utilisant un module de récupération des amas de particules qui se charge de collecter et stocker les amas de particules qui se détachent dès qu'ils atteignent une taille suffisante pour que les forces de frottement et de pression exercées par les gaz d'échappement les arrachent. A cet égard, la demande de brevet français n 2 861 803 propose d'envoyer les particules vers un bac récupérateur pour les brûler, puis d'envoyer le résidu vers la chambre de combustion du moteur. Pour renvoyer les particules vers la chambre de combustion du moteur, cela suppose de générer un différentiel de pression favorable: en implantant un volet à l'échappement pour augmenter la pression de la ligne d'échappement, d'où un coût énergétique élevé, - en réinjectant un courant de compression avec un risque de dégradation et casse de celui-ci. Au vu de ce qui précède, un but que se propose d'atteindre l'invention est d'améliorer le filtrage des amas de particules agglomérées issus d'un module d'agglomération électrostatique. Un autre but que se propose d'atteindre l'invention est de réaliser un filtrage efficace de particules de forte granulométrie. Le dispositif de filtrage et d'élimination des particules contenues dans un gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprend un module de concentration des particules et un filtre à particules. Le module de concentration comprend une sortie de gaz appauvri en particules et une sortie de gaz enrichi en particules reliées à l'entrée du filtre à particules. On peut prévoir que le débit de la sortie de gaz appauvri en particules soit de l'ordre de 80 à 90 % du débit total de gaz d'échappement. Le débit de gaz enrichi en particules qui traversent le filtre à particules est alors relativement faible. Pour la régénération du filtre à particules, il est possible de prévoir une combustion des particules en chauffant à la température de combustion des suies les gaz entrant dans le filtre. En raison du débit réduit dans le filtre à particules, l'énergie nécessaire au chauffage est très fortement réduite. On entend par filtre à particules, un dispositif capable de retenir les particules et de laisser passer les gaz. Le filtre à particules ayant tendance à se colmater progressivement par l'accumulation de particules, il est souhaitable de le régénérer de temps à autre. Dans un mode de réalisation, le module de concentration comprend un concentrateur centrifuge. On entend par concentrateur centrifuge un élément généralement pourvu d'un corps tubulaire pourvu d'aubes inclinées tendant à mettre en rotation le gaz traversant ledit corps, d'où un effet de centrifugation, les particules plus lourdes que le gaz étant entraînées prioritairement vers les parois du corps 2891006 4 d'où elles peuvent être prélevées tandis que les filets de gaz disposés au centre sont sensiblement dépourvus de particules. Avantageusement, le module de concentration comprend une pluralité de concentrateurs centrifuges. Dans un mode de réalisation, au moins une partie des concentrateurs centrifuges sont disposés en parallèle. On peut ainsi mettre en oeuvre plusieurs concentrateurs centrifuges de faibles dimensions. Dans un mode de réalisation, au moins une partie des concentrateurs centrifuges sont disposés en couronne. Le filtre à particules peut être monté entre les concentrateurs centrifuges, notamment dans une couronne de concentrateurs centrifuges. Chaque concentrateur centrifuge de la couronne peut comprendre une sortie de gaz enrichi en particules dirigée vers l'intérieur en direction du filtre à particules. Dans un mode de réalisation, chaque concentrateur centrifuge comprend une sortie centrale de gaz appauvri en particules et une sortie annulaire de gaz enrichi en particules. La sortie annulaire peut être associée à une bordure dirigeant le flux de gaz enrichi en particules dans une direction privilégiée, par exemple vers l'intérieur d'une couronne de concentrateurs centrifuges en direction d'un filtre à particules. Dans un mode de réalisation, les sorties annulaires se rejoignent au centre de la couronne. Avantageusement, le dispositif comprend un moyen d'agglomération de particules disposé en amont du module de concentration. Le moyen d'agglomération de particules peut comprendre un filtre électrostatique. Grâce à l'invention, on bénéficie d'un dispositif de filtrage et d'élimination de particules capable de concentrer les particules dans un premier flux de gaz et de générer un deuxième flux de gaz appauvri en particules, le premier flux de gaz étant ensuite dirigé vers un filtre à particules capable de retenir les particules en laissant sortir le premier flux de gaz épuré et pouvant alors rejoindre le deuxième flux de gaz. Le filtre à particules peut être régénéré de façon thermique. Un élément de chauffage du filtre à particules de puissance relativement faible peut être prévu. Le chauffage de filtre à particules provoque la mise en combustion des particules qui y sont stockées, la puissance nécessaire au chauffage étant d'autant plus réduite que le premier flux de gaz est faible. Or, l'on peut prévoir que le premier flux de gaz a un débit inférieur à celui du deuxième flux de gaz. Plus précisément, le deuxième flux de gaz peut représenter de l'ordre de 10 à 30 % du débit total de gaz d'échappement d'où une réduction considérable du refroidissement provoqué par le débit de gaz dans le filtre à particules par rapport à un filtre à particules classique voyant passer la totalité des gaz d'échappement. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale du dispositif de filtrage et d'élimination; et la figure 2 est une vue schématique de face correspondant à 20 la figure 1. Comme on peut le voir sur les figures, le dispositif de filtrage et d'élimination de particules référencé 1 dans son ensemble comprend un filtre à particules 2 se présentant sous la forme d'un cylindre axial, et une couronne 3 comprenant une pluralité d'éléments concentrateurs centrifuges 5 circonférentiellement régulièrement répartis autour du filtre à particules 2. Les concentrateurs centrifuges 4 sont disposés parallèlement les uns aux autres et reçoivent en entrée l'ensemble du débit de gaz d'échappement à traiter. Chaque concentrateur centrifuge 3 possède une sortie centrale 5 et une sortie annulaire 6. La sortie centrale 5 voit passer la partie la plus légère des gaz d'échappement tandis que la sortie annulaire 6 voit passer la partie la plus lourde des gaz d'échappement comprenant la presque totalité des particules de suie. La couronne 4 est pourvue d'un collecteur sous la forme d'une plaque 7 pourvue d'un passage central dans lequel est disposé le filtre à particules 2 et assurant la liaison entre la sortie annulaire 6 de chaque concentrateur centrifuge 3 et l'entrée du filtre à particules 2. Le filtre à particules 2 est équipé d'un fil chauffant 8 disposé du côté amont dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement et capable de chauffer jusqu'au point de combustion les particules agglomérées sur la face amont du filtre à particules 2. L'on comprend que la sortie annulaire 6 de chaque concentrateur centrifuge 3 tend à diriger le flux de gaz chargé de particules radialement vers l'extérieur du concentrateur centrifuge et par conséquent à la fois vers l'intérieur et vers l'extérieur du dispositif 1 pris dans son ensemble. Comme on peut le voir sur la figure 2, la plaque 7 se prolonge par une bordure 9 entourant chaque concentrateur centrifuge 3 sur un secteur angulaire de l'ordre de 180 du côté extérieur et empêchant le flux de gaz chargés {le particules de se répandre vers l'extérieur du dispositif 1. Le flux de gaz chargé de particules est ainsi forcé de se diriger vers l'intérieur du dispositif 1 et ensuite de traverser le filtre à particules 2. Un élément concentrateur centrifuge 4 comprend une conduite 10 parallèle aux conduites des autres éléments concentrateurs centrifuges et à l'axe général du dispositif. La conduite 10 comprend une partie amont l0a cylindrique, une partie intermédiaire 10b tronconique convergente vers l'aval et une partie aval 10c sensiblement cylindrique. L'élément concentrateur centrifuge 4 comprend également une pluralité d'ailettes 11 et un moyeu 12 disposé dans la partie amont cylindrique l0a de la conduite 10. Le moyeu 12 est une pièce pleine circulaire coaxiale à la conduite 10 et laissant libre une zone de forme annulaire dans laquelle sont disposées les ailettes 11. Les ailettes 11 sont inclinées circonférentiellement pour appliquer à un filet de gaz entrant axialement dans la conduite 10 par l'amont un mouvement de rotation en plus du mouvement axial, conférant ainsi aux filets de gaz un mouvement hélicoïdal qui permet une centrifugation des particules contenues dans le gaz d'échappement et plus lourdes que le gaz d'échappement lui-même. La plaque 7 comprend une pluralité de trous répartis autour du passage central, chaque trou formant la sortie centrale 5 associée à un élément concentrateur centrifuge 4 correspondant. A proximité de la sortie centrale 5, la plaque 7 est déformée en un rebord tubulaire 7a présentant un diamètre légèrement inférieur à l'alésage de la partie aval 10c de la conduite 10. Le rebord 7a est légèrement en saillie axiale à l'intérieur de la partie aval 10c et offre ainsi un passage annulaire formant la sortie annulaire 6 entre le rebord 7a issu de la plaque 7 et la partie aval 10c de la conduite 10, permettant ainsi aux filets de gaz centrifugés et aux particules de suie ainsi transportées de s'échapper vers l'extérieur de l'élément concentrateur centrifuge 4 tout en étant retenus par la plaque 7 et la bordure 9, et par conséquent dirigés vers le filtre à particules 2. Au contraire, les filets de gaz restés à proximité de l'axe de l'élément concentrateur centrifuge 4 sont très appauvris en particules de suie et s'échappent directement par la sortie centrale 5. Un tel élément concentrateur centrifuge est particulièrement adapté pour traiter un gaz chargé en particules de granulométrie de l'ordre d'un à quelques dizaines de microns. Comme le montrent les aires respectives de la sortie centrale 5 et de la sortie annulaire 6, une très forte proportion de gaz d'échappement passe par la sortie centrale 5, par exemple environ 80 % et seule une faible proportion de gaz d'échappement chargés en particules passe par la sortie 6 et est ensuite épurée par le filtre à particules 2. Lors de l'alimentation du fil chauffant 8 en énergie électrique pour la régénération du filtre à particules, le débit de gaz traversant le filtre à particules a tendance à refroidir les particules ou à tout le moins à ralentir leur montée en température. Le débit de gaz traversant le filtre à particules 2 étant réduit de l'ordre de 80 % par rapport à un filtre à particules classique voyant passer la totalité des gaz d'échappement d'un moteur thermique, la mise en combustion des particules de suie est beaucoup plus rapide en raison de la moindre déperdition d'énergie et l'énergie consommée pour la régénération du filtre à particules 2 est très nettement plus faible. En outre, le fil chauffant 8 peut être plus faiblement dimensionné, ce qui s'avère économique. En outre, lorsque les particules de suie en provenance du moteur thermique présentent une granulométrie trop faible pour être efficacement traitées par un filtre à particules et/ou par des éléments concentrateurs centrifuges, le dispositif de filtrage et d'élimination des particules 1 peut comprendre un filtre électrostatique 13, par exemple du type décrit dans le document FR-A-2 839 903 auquel le lecteur est invité à se référer, assurant une agglomération des particules, par exemple d'une granulométrie de l'ordre de 100 nm vers une granulométrie de l'ordre de 1 à quelques microns. Les éléments concentrateurs centrifuges sont considérablement plus efficaces pour traiter des particules ayant une granulométrie de cet ordre de grandeur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtrage et d'élimination (1) des particules contenues dans un gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé par le fait qu'il comprend un module de concentration (3) des particules et un filtre à particules (2) disposé en aval du module de concentration, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement, le module de concentration (3) comprenant une sortie de gaz appauvri en particules et une sortie de gaz enrichi en particules reliées à l'entrée du filtre à particules (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de concentration comprend un concentrateur centrifuge. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen de concentration (3) comprend une pluralité de concentrateurs centrifuges (4) . 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel au moins une partie des concentrateurs centrifuges (4) sont disposés en parallèle. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel au moins une partie des concentrateurs centrifuges (4) sont disposés en couronne. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le filtre à particules (2) est monté entre les concentrateurs centrifuges (4). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le filtre à particules (2) est monté dans une couronne de concentrateurs centrifuges (4). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel chaque concentrateur centrifuge (4) comprend une sortie centrale (5) de gaz appauvri en particules et une sortie annulaire (6) de gaz enrichi en particules. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les sorties annulaires (6) se rejoignent au centre d'une couronne. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un module d'agglomération des particules monté en amont du module de concentration.