Brevet FR2907843A1 — publié le 20080502

Dispositif électrique de capture de particules de suie de gaz d'échappement de moteur à combustion interne. La présente invention concerne le traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, notamment pour véhicules automobiles, permettant en particulier la captation des particules de suie présentes dans les gaz d'échappement des moteurs de type Diesel ou des moteurs à essence à injection directe. On a déjà préconisé l'utilisation de filtres à particules capables de retenir les particules de suie se trouvant dans les gaz d'échappement. Le brevet US 6 938 409 montre un exemple de tels filtres à particules. Ces filtres induisent cependant une perte de charge importante dans la ligne d'échappement qui se traduit par une augmentation significative de la consommation de carburant. De plus, pour éviter une occlusion complète du filtre et donc de la ligne d'échappement qui entraînerait un arrêt du moteur, il est nécessaire de prévoir des dispositifs et procédures de régénération périodiques du filtre à particules par élimination des particules stockées. Cette régénération nécessite de mettre en place des stratégies spécifiques de contrôle du moteur faisant appel généralement à une injection retardée ou une post-injection. Outre leur complexité, ces stratégies présentent des inconvénients, tels que par exemple une augmentation du taux de dilution du carburant dans l'huile de lubrification du moteur, conduisant à la nécessité de procéder plus souvent à des vidanges d'huile de lubrification. On a prévu également d'utiliser des dispositifs de filtration électrostatiques des particules contenues dans les gaz d'échappement. Ces dispositifs se présentent généralement sous la forme de systèmes ouverts, n'induisant donc pas de perte de charge significative dans la 2907843 2 ligne d'échappement et ne risquant pas de conduire à une occlusion de la ligne d'échappement comme c'est le cas pour les filtres à particules. On connaît par exemple, par la demande de brevet WO 01/19 525, un ensemble de filtrage de gaz d'échappement chargés de 5 particules, comprenant un filtre électrostatique à effet couronne. Le filtre comprend une cage cylindrique à l'intérieur de laquelle s'écoulent les gaz d'échappement en vue de leur filtrage. La cage est pourvue intérieurement d'une électrode centrale alimentée en énergie électrique et adaptée pour provoquer une émission d'électrons. En fonctionnement, 10 les particules véhiculées par les gaz d'échappement se trouvent chargées négativement par les électrons émis par l'électrode centrale. Les particules chargées viennent alors se fixer sur un substrat métallique. Toutefois, le mouvement des particules chargées dans la cage cylindrique comporte une composante essentiellement longitudinale, la 15 mobilité des particules chargées dans la direction transversale ou radiale étant relativement faible. Dès lors, la probabilité de fixation des particules sur le substrat externe est relativement faible et l'efficacité de filtrage réduite. Le brevet US 4 478 613 décrit également un ensemble de filtrage 20 de particules contenues dans les gaz d'échappement au moyen d'un filtre électrostatique avec un cyclone jouant le rôle de séparateur mécanique des particules. Le filtre électrostatique comprend un élément tubulaire ayant une extrémité frontale fermée, à l'intérieur duquel est monté un empilement de disques concentriques par rapport à l'axe du tube. Le 25 tube est maintenu à un potentiel nul, tandis 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. Les disques portés à un potentiel négatif constituent une structure émissive permettant de générer un champ électrique entre la 2907843 3 surface intérieure du tube et les disques. Les particules véhiculées par les gaz d'échappement sont alors chargées électriquement et se déplacent radialement sous l'effet du champ électrique pour aller se déposer sur la périphérie interne du tube où elles forment des amas de 5 particules. Ces amas de particules sont détachés par l'écoulement des gaz d'échappement et amenés jusqu'à un séparateur centrifuge. Comme c'était le cas dans le document précédent, le dispositif de filtration électrostatique produit essentiellement un déplacement axial des particules chargées, la composante radiale du mouvement des 10 particules étant relativement faible. Pour pallier cet inconvénient, il est alors nécessaire de fournir une énergie d'alimentation très élevée pour que les particules viennent effectivement se déposer jusqu'à la face interne du tube. Le brevet US 4 871 515 décrit un système de filtration 15 électrostatique comprenant une électrode externe cylindrique et une électrode axiale interne. Les gaz d'échappement s'écoulent axialement à l'intérieur de l'électrode cylindrique et les particules de suie peuvent être déviées sous l'action du champ électrique jusqu'à des zones peu soumises à l'effet de la circulation des gaz d'échappement où les 20 particules chargées peuvent alors se déposer au contact de la face interne de l'électrode cylindrique. En variante, l'électrode cylindrique externe peut être constituée d'un amas de fibres métalliques capables d'être traversées par les gaz. Les particules peuvent alors se déposer au contact des fils métalliques et rester piégées à l'intérieur même de 25 l'électrode externe cylindrique. Dans la demande de brevet français 2 880 062, se trouve décrit un dispositif de capture et d'élimination de particules de suie agglomérées qui comprend un enceinte délimitant intérieurement un conduit pour les gaz d'échappement ayant préalablement traversé un 2907843 4 dispositif d'agglomération de particules. Le dispositif d'agglomération des particules présente une électrode axiale montée à l'intérieur d'une chambre cylindrique ouverte à une extrémité pour l'entrée des gaz d'échappement et fermée à son extrémité opposée. La paroi cylindrique 5 externe de la chambre peut être réalisée sous la forme d'un agglomérat de fibres métalliques capables de laisser passer les gaz d'échappement et d'agglomérer les particules sous la forme d'amas qui sont ensuite véhiculés par les gaz d'échappement jusque dans le dispositif de filtrage électrostatique. Le dispositif de filtrage proprement dit comporte un 10 ensemble de plaques annulaires disposées transversalement afin d'arrêter les particules agglomérées déviées par un champ électrique créé entre une électrode axiale filaire et les plaques transversales. La présente invention a pour objet d'améliorer l'efficacité du filtrage électrostatique sans introduire de perte de charge significative 15 sur la ligne d'échappement. L'invention a également pour objet de faciliter une adaptation de l'écoulement des gaz d'échappement à chaque cas particulier et d'améliorer la stabilité de fonctionnement du filtre électrostatique. Selon un mode de réalisation, un dispositif électrique de capture 20 de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprend une enceinte délimitant intérieurement au moins un passage recevant les gaz d'échappement après qu'ils aient traversé un moyen d'agglomération des particules. Au moins une électrode axiale interne est montée dans 25 l'enceinte pour créer un champ électrique radial dans le passage. Plusieurs plaques radiales sont disposées transversalement dans le passage. Chaque électrode axiale s'étend à travers le moyen d'agglomération de particules et à travers l'ensemble de plaques radiales. 2907843 5 Les passages pour les gaz d'échappement sont de préférence pratiqués dans les plaques radiales, autour des électrodes axiales. Selon un aspect important de l'invention, les bords des plaques radiales sont de section spécifique, arrondie, carrée ou effilée formant 5 un angle aigu. Dans certains modes de réalisation, les bords des plaques radiales peuvent être recourbés en direction amont de l'écoulement des gaz. En choisissant ainsi la forme des bords des passages pratiqués dans les plaques, on peut agir à volonté sur la stabilité de la décharge 10 électrique ou faire varier le profil de vitesse de l'écoulement des gaz traversant les passages des plaques radiales. Avantageusement, la section des bords d'une plaque radiale est de forme différente de la section des bords d'une plaque radiale adjacente. 15 Les passages pratiqués dans les plaques radiales peuvent être de forme générale circulaire, en étoile ou polyédrique ou présenter des dents en saillie. La surface latérale d'une ou de plusieurs plaques radiales peut comporter des excroissances en saillie capables d'attirer les lignes de 20 champ électrique sur le côté des plaques transversales plutôt que sur les bords des passages. Des moyens d'alimentation des électrodes en courant électrique continu, alternatif ou à impulsions sont également prévus. Les électrodes axiales peuvent être alimentées avec une polarité 25 positive ou négative De préférence cependant, les électrodes axiales sont alimentées avec une polarité négative qui permet d'obtenir une meilleure efficacité de chargement en particules et une meilleure stabilité électrique. 2907843 6 Par exemple, le dispositif comprend en outre des moyens d'élimination des particules par effet joule. On peut également supprimer le dispositif d'agglomération. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de quelques 5 modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre un exemple de réalisation schématisé montrant la structure interne du dispositif ; - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un mode de 10 réalisation illustrant plus particulièrement la forme des bords des passages pratiqués dans les plaques transversales ; - la figure 3 montre schématiquement une autre forme pouvant être adoptée pour le bord d'un passage dans une plaque transversale ; et - les figures 4 et 5 illustrent deux exemples de section des 15 passages pratiqués dans les plaques transversales. Tel qu'illustré sur la figure 1, le dispositif représenté schématiquement comprend une enceinte 1 dont les arêtes 2 ont été schématisées, les parois latérales n'étant pas représentées. L'enceinte présente une paroi frontale d'entrée 3 directement raccordée à une 20 conduite d'échappement 4, elle-même raccordée au collecteur d'échappement d'un moteur non représenté. Le moteur pourra par exemple être un moteur à combustion interne du type Diesel. L'écoulement des gaz d'échappement est symbolisé par les flèches 5. A l'opposé de la plaque d'entrée 3, l'enceinte 1 est directement 25 raccordée à une conduite d'évacuation 6 des gaz d'échappement filtrés. A l'intérieur de l'enceinte 1 et directement fixé sur la plaque d'entrée frontale 3, est monté un moyen d'agglomération 7 pour les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement 5. Le moyen d'agglomération 7 comprend, dans l'exemple illustré sur la figure 1, six cellules de 2907843 7 d'agglomération 8 disposées de manière sensiblement parallèle à l'intérieur de l'enceinte 1 et légèrement écartées les unes des autres. Chaque cellule d'agglomération ou de filtration 8 présente une forme générale cylindrique ouverte du côté de la plaque d'entrée 3 et obturée à 5 l'opposé par un bouchon d'obturation 9. La paroi externe cylindrique de chacune des cellules d'agglomération 8 est poreuse et réalisée par exemple sous la forme d'un amas de fibres métalliques enchevêtrées 10 (voir figure 2). Les gaz d'échappement qui pénètrent à l'intérieur de chacune des 10 cellules d'agglomération 8 ressortent de celles-ci par leur paroi cylindrique poreuse 10 et se retrouvent à l'intérieur de l'enceinte 1. Une pluralité de plaques radiales 11 est montée à l'intérieur de l'enceinte 1 en aval du moyen d'agglomération 7. Les différentes plaques radiales 11 sont écartées les unes des autres avec des écartements qui peuvent 15 être égaux ou différents, comme représenté sur la figure 2 où les écartements sont notés dl et d2 à titre d'exemple. Les différentes plaques radiales 11 présentent des passages 12 pour l'écoulement des gaz d'échappement provenant du moyen d'agglomération 7 et se dirigeant vers la conduite d'évacuation 6. 20 Une pluralité d'électrodes axiales 13 s'étend à l'intérieur de l'enceinte 1. Chaque électrode axiale 13 de type filaire s'étend à travers une des cellules d'agglomération 8 du moyen d'agglomération 7 et traverse ensuite les passages 12 des différentes plaques radiales 11, lesdits passages 12 étant alignés axialement. Une même électrode axiale 25 filaire 13 traverse ainsi à la fois une cellule d'agglomération 8 et l'ensemble des plaques radiales 11. Une telle structure simplifie considérablement la fabrication et le fonctionnement du dispositif. 2907843 8 Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif comprend six cellules d'agglomération 8 regroupées par trois dans deux ensembles superposés. Chacune des plaques radiales 11 présente donc six passages 12 disposés également par groupe de trois et tous alignés par rapport à 5 la cellule d'agglomération correspondante 8 Dans l'exemple illustré sur la figure 1, les passages 12 sont de section circulaire, d'un diamètre légèrement supérieur à celui des cellules d'agglomération 8. Entre les électrodes axiales filaires 13, disposées 10 longitudinalement à l'intérieur de l'enceinte 1, les différentes plaques 11, disposées transversalement dans l'enceinte 1 avec les passages circulaires 12 concentriques aux électrodes filaires 13 et les parois cylindriques 10 des cellules d'agglomération 8, il est possible d'appliquer une différence de potentiel ionisant le milieu gazeux et 15 générant un champ électrique entre les différentes électrodes 13 et les plaques 11. Les particules de suie véhiculées par les gaz d'échappement et déjà agglomérées à la suite de leur passage à travers les électrodes cylindriques externes 10 des cellules d'agglomération 8, sont chargées électriquement et séparées du flux gazeux pour venir se plaquer sur les 20 faces radiales des plaques transversales 11 qui jouent le rôle d'éléments collecteurs des particules. Pour obtenir un tel champ électrique, on relie les différentes électrodes 13 à un potentiel positif, négatif ou nul, tandis que les plaques 11 ainsi que les électrodes externes 10 sont reliées à un 25 potentiel différent. L'alimentation des électrodes filaires 13 se fait de préférence à haute tension et peut être réalisée en mode continu avec une régulation en courant ou en tension. Une alimentation avec polarité négative des électrodes 13 est préférée, car elle procure une meilleure 2907843 9 efficacité de chargement des particules et permet l'obtention d'une meilleure stabilité électrique. On peut alimenter les électrodes 13 en courant continu pendant une période de temps relativement longue. Toutefois, au bout d'un 5 certain temps, les particules ayant adhéré sur la surface des plaques transversales 11 perdent leurs charges et récupèrent des charges de signe contraire, ce qui peut les amener à être ré-entraînées dans le flux des gaz d'échappement. Pour éviter cet effet, il est donc préférable d'appliquer le courant ou la tension électrique sous forme alternative, ce 10 qui empêche aux particules ayant adhéré à la surface des plaques 11 de récupérer assez de charges pour vaincre les forces d'adhésion et revenir dans l'écoulement gazeux. On notera cependant qu'une alimentation alternative à la fréquence appropriée est plus difficile à réaliser qu'une alimentation en continu et augmente donc le coût du dispositif. On peut 15 envisager, pour diminuer la consommation électrique, une alimentation en mode impulsionnel consistant à provoquer des impulsions de haute tension négatives et/ou positives sur les électrodes 13 ou les plaques 11. Dans le mode de réalisation illustré à titre d'exemple sur la figure 1, la séparation électrostatique des particules par les plaques 20 transversales 11 est améliorée grâce à l'existence du moyen d'agglomération 7 des particules placé en amont. Les particules véhiculées par les gaz d'échappement 5 sont en effet tout d'abord agglomérées par leur passage à travers les électrodes cylindriques 10 des cellules d'agglomération 8. Les particules ainsi agglomérées sont plus 25 facilement séparées de l'écoulement gazeux lors de leur traversée des passages 12 pratiqués dans les plaques transversales 11 où elles sont soumises à l'action du champ électrique. En effet, les particules agglomérées, de taille supérieure, sont plus facilement chargées 2907843 10 électriquement et deviennent donc plus sensibles aux effets du champ électrique généré. La forme et la configuration spécifiques des passages 12 est importante et permet d'adapter aisément le dispositif à chaque cas de 5 fonctionnement particulier. Sur la figure 2, on a représenté des plaques 11 a présentant des passages à bords arrondis 12a ainsi que des plaques llb présentant des passages à bords de section effilée 12b formant un angle aigu. Le bord arrondi 12a présente l'avantage de minimiser les possibilités de 10 claquage électrique et permet d'augmenter la stabilité électrique du système. On pourrait envisager de remplacer ces bords arrondis par des bords droits en section, les passages 12 étant alors de forme strictement cylindrique. Une telle réalisation est moins onéreuse mais présente l'inconvénient d'une stabilité électrique inférieure. 15 Les bords 12b, de section effilée, formant un angle aigu, permettent d'obtenir une déformation des lignes de champ électrique en direction de la section effilée, c'est-à-dire vers une zone à faible vitesse d'écoulement des gaz d'échappement. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on a prévu d'intercaler une plaque llb présentant un passage à 20 bord effilé 12b entre deux plaques 1 l a présentant un rebord arrondi 12a. De plus, le rayon rl du passage 12a est inférieur au rayon r2 du passage 12b. De cette manière, les plaques 1 la à rebords arrondis 12a définissent le profil de vitesse d'écoulement des gaz d'échappement, 25 tandis que les plaques llb à rebords effilés attirent les lignes de champ électrique, entraînant les particules chargées vers des zones situées entre les plaques respectives 1la et llb où l'écoulement du gaz d'échappement présente une vitesse inférieure. On obtient ainsi une diminution des risques de réentraînement mécanique des particules 2907843 11 après qu'elles soient venues se plaquer sur les surfaces radiales des différentes plaques lia et llb. Pour améliorer encore le dépôt des particules chargées dans les zones de faible vitesse d'écoulement, on peut prévoir avantageusement 5 des excroissances en saillie 14 placées sur les surfaces radiales des plaques transversales respectives Il a, llb. Ces excroissances 14 permettent d'attirer également les lignes de champ électrique vers les faces radiales des plaques transversales Il plutôt que sur le rebord des passages 12. De cette manière, les particules se déposent en plus grande 10 quantité dans les zones situées entre les plaques 11 respectives où la vitesse d'écoulement des gaz d'échappement est la plus faible, c'est-à-dire dans les zones éloignées des passages 12 axiaux. On peut également utiliser en association avec des plaques 11 a et/ou 1 lb, des plaques llc comportant un passage 12c formé par des 15 bords recourbés en direction amont par rapport à l'écoulement 5 des gaz d'échappement au travers du dispositif, comme illustré sur la figure 3. Une telle structure favorise l'écoulement des gaz d'échappement dans l'espace entre les différentes plaques radiales. Le captage des particules les plus petites se trouve facilité. 20 La section des passages 12 peut être circulaire, comme illustré sur la figure 1. On peut également utiliser des profils de passages 12 différents, comme illustré sur les figures 4 et 5 à titre d'exemple, montrant un profil en étoile à cinq branches ou un profil dentelé. Des profils différents, par exemple polyédriques, pourraient également être 25 envisagés. Grâce à de tels profils en section, on obtient un effet analogue à celui obtenu au moyen des passages 12b de forme effilée à angle aigu. Un tel dispositif fonctionne de la manière suivante. L'écoulement des gaz d'échappement 5 chargés en particules de suie 2907843 12 pénètre tout d'abord dans le moyen d'agglomération 7. Les particules électriquement chargées s'agglomèrent en amas de taille plus importante en traversant l'électrode poreuse 10 des différentes cellules d'agglomération 8. Les gaz d'échappement chargés de particules ainsi 5 agglomérées se retrouvent à l'intérieur de l'enceinte 1 en amont de la première plaque 11 faisant face à la plaque d'entrée 3 qui délimite le dispositif. Les gaz d'échappement sont alors amenés à s'écouler, sans perte de charge majeure, au travers des différents passages 12. Grâce au champ électrique à haute tension régnant entre les électrodes filaires 10 axiales 13 et les bords des passages 12 pratiqués dans les plaques transversales 11, les agglomérats de particules se charge électriquement et sont amenés à se déplacer radialement dans les zones se trouvant entre les différentes plaques radiales 11 par effet du champ électrique. Les particules agglomérées viennent alors se plaquer sur les surfaces 15 radiales des différentes plaques transversales 11. Ce plaquage est encore amélioré si les plaques présentent sur leurs surfaces des excroissances, telles que les excroissances en saillie 14. Au fur et à mesure de leur progression à l'intérieur de l'enceinte 1, les gaz d'échappement se séparent des particules qui viennent se plaquer sur les plaques 20 transversales 11. A la sortie du dispositif, les gaz d'échappement sont dénués de particules. L'élimination des particules séparées du flux gazeux peut ensuite être réalisée par effet Joule en faisant monter en température les particules de suie. A cet effet, des résistances chauffantes, non illustrées 25 sur les figures, peuvent être incorporées à la surface ou à proximité de la surface des plaques transversales 11 ou dans l'espace situé entre ces plaques, afin de faire monter la température jusqu'à obtenir la combustion des dépôts de particules. 2907843 13 On peut éventuellement prévoir des agents catalyseurs sur la surface des plaques transversales 11, afin de réduire la température nécessaire pour la combustion des particules. Le dispositif conforme à la présente invention permet ainsi 5 d'obtenir un filtrage efficace des particules contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion de type Diesel ou d'un moteur à combustion homogène ou encore d'un moteur à essence à injection directe. 10 REVENDICATIONS 1-Dispositif électrique de capture de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une enceinte (1) délimitant intérieurement au moins un passage recevant les gaz d'échappement après qu'ils aient traversé un moyen (7) d'agglomération des particules, avec au moins une électrode axiale interne (13) adaptée pour créer un champ électrique radial dans le passage et un ensemble de plaques radiales (11) disposées transversalement dans le passage, caractérisé par le fait que chaque électrode axiale (13) s'étend à travers le moyen (7) d'agglomération de particules et à travers l'ensemble de plaques radiales (11), les passages (12) pour les gaz d'échappement étant pratiqués dans les plaques radiales (11), autour des électrodes axiales (13). 2-Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les bords des plaques radiales sont de section arrondie (12a), carrée ou effilée (12b) formant un angle aigu. 3-Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les bords (12b) des plaques radiales sont recourbés en direction amont de l'écoulement des gaz. 4-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la section des bords d'une plaque radiale est de forme différente de la section des bords d'une plaque radiale adjacente. 5-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel les passages sont de forme générale circulaire, en étoile, polyédrique ou dentelés. 6-Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la surface latérale d'une ou de plusieurs plaques radiales comporte des excroissances en saillie (14). 2907843 15 7-Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens d'alimentation des électrodes en courant électrique continu, alternatif ou à impulsions, avec des polarités positives et/ou négatives. 5 8-Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens d'élimination des particules par effet joule. 9- Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif d'agglomération a été supprimé. 10