Brevet FR2903918A1 — publié le 20080125

FILTRE COMPRENANT UNE PLURALITE D'ELEMENTS EN NID D'ABEILLE REUNIS DANS UN ASSEMBLAGE DECENTRE L'invention se rapporte au domaine des structures filtrantes du type assemblées comprenant éventuellement une composante catalytique, par exemple utilisées dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne du type diesel. Les filtres permettant le traitement des gaz et l'élimination des suies typiquement issues d'un moteur diesel sont bien connus de l'art antérieur. Ces structures présentent toutes le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à traiter et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement traités. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses. Les conduits sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s'ouvrant suivant la face d'admission et des chambres de sortie s'ouvrant suivant la face d'évacuation. Les canaux sont alternativement obturés dans un ordre tel que les gaz d'échappement, au cours de la traversée du corps en nid d'abeille, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux d'entrée pour rejoindre les canaux de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent et s'accumulent sur les parois poreuses du corps filtrant. 2903918 2 A l'heure actuelle, on utilise pour la filtration des gaz des filtres en matière céramique poreuse, par exemple en cordiérite, en alumine, en mullite, en nitrure de silicium, en un mélange silicium/carbure de silicium ou en carbure de 5 silicium. Les filtres ou structures de filtration poreuses des suies sont utilisés à grande échelle dans les dispositifs de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique diesel voire plus rarement essence. Bien qu'elle n'y soit 10 pas limitée, la présente invention se rapporte tout particulièrement à de tels dispositifs. De façon connue, durant sa mise en oeuvre dans une ligne d'échappement automobile, le filtre à particules est soumis à une succession de phases de filtration (accumulation des 15 suies) et de régénération (élimination des suies). Lors des phases de filtration, les particules de suies émises par le moteur sont retenues et se déposent à l'intérieur du filtre. Lors des phases de régénération, les particules de suie sont brûlées à l'intérieur du filtre, afin de lui restituer ses 20 propriétés de filtration. La structure poreuse est alors soumise à des contraintes thermiques et mécaniques intenses, qui peuvent entraîner des micro-fissurations susceptibles sur la durée d'entraîner une perte sévère des capacités de filtration de l'unité, voire sa désactivation complète. Ce 25 phénomène est particulièrement observé sur des filtres monolithiques de grand diamètre. Pour résoudre ces problèmes et augmenter la durée de vie des filtres, il a été proposé plus récemment des structures de filtration plus complexes, associant en un bloc filtrant 30 plusieurs éléments monolithiques en nid d'abeille. Les éléments sont le plus souvent assemblés entre eux par 2903918 3 collage au moyen d'un ciment de nature céramique, appelé dans la suite de la description ciment de joint ou joint. Des exemples de telles structures filtrantes sont par exemple donnés dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 5 142 619, EP 1 455 923 ou encore WO 2004/090294. Il est connu par ailleurs que l'introduction d'un filtre à particules tel que précédemment décrit dans la ligne d'échappement du moteur entraîne une perte de charge susceptible d'altérer les performances de celui-ci. Le 10 filtre assemblé doit en conséquence être configuré de manière à éviter ou au moins réduire au minimum une telle altération. La fabrication des filtres à particules selon l'invention est réalisée par assemblage d'éléments 15 parallélépipédiques, le plus souvent carrés, au moyen d'un ciment de joint. L'épaisseur du joint, entre deux éléments contigus, est de l'ordre de 1 à 3 mm. Après solidification et prise du ciment, on obtient une forme brute, suffisamment résistante mécaniquement pour être usinée, de manière à 20 obtenir une forme du filtre adaptée à son logement dans la ligne d'échappement. En général, le filtre est achevé par une étape de recouvrement par un ciment de revêtement qui isole le filtre assemblé. Une contrainte supplémentaire nécessaire à la bonne tenue du filtre en fonctionnement est 25 lié au procédé de fabrication de la structure elle-même et plus particulièrement à la question de l'usinage des différents éléments. Ainsi, après usinage, il est apparu que si la partie résiduelle des éléments les plus externes de la structure est trop petite, un risque d'arrachement excessif 30 de matière existe, avec pour corollaire une fragilité mécanique de la structure finalement obtenue, et même, dans les cas extrêmes, un arrachement complet de l'élément de son 2903918 4 joint de ciment. Il a été déterminé par la demanderesse que le volume résiduel des éléments les plus externes, après usinage, devait typiquement rester inférieur à environ un seizième et de préférence à un huitième du volume initial 5 avant usinage, afin de minimiser les risques d'apparition de tels phénomènes et rendre ainsi compatible le procédé avec une production industrielle. Les filtres assemblés décrits dans les publications antérieures et actuellement commercialisées possèdent toutes 10 au moins un axe de symétrie. Les formes les plus caractéristiques sont circulaires, tel que décrit dans les demandes EP 1 455 923 ou WO 2004/090294 ou ovoïde tel que décrit dans les demandes EP 816 065 ou encore EP 1 626 037. Bien que les deux formes précédentes soient les plus 15 utilisées, d'autres formes très diverses ont également été décrites. Les éléments unitaires présentent par exemple typiquement une largeur de section comprise entre 30 mm et 50 mm. A titre d'exemple, 14 éléments unitaires de section carrée et 20 de largeur 36 mm sont nécessaires pour la synthèse d'un filtre rond d'environ 14 cm de diamètre. Dans tous ces assemblages, le centre géométrique du filtre, dans un plan de coupe sectionnel, coïncide soit avec le centre d'un des éléments, soit avec une position occupée 25 par le ciment de joint faisant la jonction entre 2 éléments, soit encore avec une position du ciment de joint faisant la jonction entre quatre éléments du filtre, tel qu'illustré respectivement par les figures la, lb et 1c. La demande de brevet EP 1 371 406 décrit une structure 30 assemblée dans laquelle la plus courte distance séparant le centre de gravité d'une section de ladite structure de la 2903918 5 surface de joint est inférieur à 1/10 de la plus grande distance entre ledit centre et la circonférence du filtre. Le but de la présente invention est ainsi de fournir une structure en nid d'abeille d'un type nouveau, permettant de 5 répondre à l'ensemble des problèmes précédemment exposés. Plus précisément, l'invention concerne une structure filtrante comprenant l'assemblage de plusieurs éléments monolithiques en nid d'abeille tels que précédemment décrits 10 et combinant, pour une efficacité maximale de filtration et une utilisation de longue durée, les propriétés suivantes : - une perte de charge minimale en fonctionnement, typiquement sur une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, 15 - une résistance thermomécanique suffisante pour résister aux contraintes de fonctionnement du filtre, - un volume minimal des éléments externes dans l'assemblage final, c'est-à-dire après usinage, au moins égal à un seizième et de préférence au moins égal à un huitième du 20 volume d'un élément en position central. La structure filtrante selon l'invention se caractérise par un assemblage non centré ou décentré des éléments, c'est-à-dire que le centre géométrique de ladite structure ne correspond pas au centre d'un élément ou ne coïncide pas 25 avec un élément de symétrie existant entre plusieurs desdits éléments, par exemple tel qu'illustré par les figures la, lb ou 1c. Dans sa forme la plus générale, la présente invention se rapporte à une structure de filtration de gaz chargés en 30 particules, comprenant un assemblage d'éléments du type en nid d'abeilles liés par un joint, chaque élément incorporant un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes 2903918 6 parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits sont obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s'ouvrant suivant une face d'admission des gaz et 5 des chambres de sortie s'ouvrant sur une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz à filtrer traverse les parois poreuses, ladite structure se caractérisant en ce que son centre géométrique, selon une section de la structure perpendiculaire à son axe principal, ne correspond pas à un 10 élément de symétrie d'un élément ou d'un groupe d'élément dans l'assemblage et en ce qu'elle répond aux caractéristiques géométriques suivantes, dans ledit plan de section : si 0 REVENDICATIONS 1. Structure de filtration de gaz chargés en particules, comprenant un assemblage d'éléments du type en nid d'abeilles liés par un joint, chaque élément incorporant un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits sont obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s'ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des chambres de sortie s'ouvrant sur une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz à filtrer traverse les parois poreuses, ladite structure se caractérisant en ce que son centre géométrique, selon une section de la structure perpendiculaire à son axe principal, ne correspond pas à un élément de symétrie d'un élément ou d'un groupe d'élément dans l'assemblage et en ce qu'elle répond aux caractéristiques géométriques suivantes dans ledit plan de section : si 0 2. Structure filtrante selon la revendication 1, dans laquelle le segment D passe en outre par le centre géométrique du filtre, voire par l'axe de symétrie principal du filtre. 5 3. Structure filtrante selon la revendication 1 ou 2 comprenant une pluralité d'éléments filtrants à base de SiC reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est au moins de 0,3 W/m.K entre 20 10 et 800 C. 4. Structure selon la revendication 1 à 3 dans laquelle la section d'un élément est parallélépipédique et de préférence carrée et dans laquelle la largeur de l'élément 15 est comprise entre 30 mm et 50 mm. 5. Structure selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'épaisseur moyenne du joint est comprise entre 0,5 et 4 mm. 6. Structure selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur des parois est comprise entre 200 et 500 m. 25 7. Structure selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un revêtement catalytique pour le traitement des gaz polluants du type CO ou HC et NOx. 8. Structure selon l'une des revendications précédentes dans 30 laquelle une pluralité d'éléments en nid d'abeille sont reliés entre eux par un ciment de joint, le nombre de canaux dans les éléments filtrants étant compris entre 20 2903918 17 environ 7,75 et environ 62 par cm2, lesdits canaux ayant une section d'environ 0,5 à 9 mm2. 9. Utilisation d'une structure selon l'une des revendications 5 précédentes comme filtre à particules dans une ligne d'échappement d'un moteur diesel ou essence, de préférence diesel.