Brevet FR2907158A1 — publié le 20080418

Monolithe céramique pour filtre à particules de gaz d'échappement de véhicule automobile. La présente invention concerne un monolithe céramique pour filtre à particules de gaz d'échappement de véhicule automobile, du type comprenant une pluralité de canaux traversant le monolithe entre une face d'entrée des gaz et une face de sortie des gaz, ces canaux comprenant des canaux d'entrée des gaz comportant un bouchon aval à leur extrémité aval et des canaux immédiatement voisins desdits canaux d'entrée comportant un bouchon amont à leur extrémité amont. Pour constituer des filtres à particules pour émissions gazeuses de moteur à explosion, on connaît déjà des monolithes céramiques à struc- tore en nids d'abeille comportant une série de canaux longitudinaux, et dans lesquels chaque canal comporte alternativement soit un bouchon aval à son extrémité aval qui en fait un canal d'entrée pour les gaz, soit un bouchon amont à son extrémité amont qui en fait un canal de sortie pour les gaz. Un canal d'entrée, s'il est de section carrée ou rectangulaire, comprend généralement quatre parois communes avec des canaux immédiatement voisins, les canaux immédiatement voisins étant des canaux de sortie. Les parois des canaux sont poreuses pour que les gaz puissent les traverser. Les gaz entrant dans un canal d'entrée sont forcés, du fait de la présence du bouchon aval, de traverser les parois du canal d'entrée pour sortir par les canaux de sortie immédiatement voisins. Les particules de suie des gaz d'échappement sont piégées et retenues par les parois poreuses. Puis, les suies sont traitées par combustion avec 02 à environ 550 ou avec NO2 à environ 250 . La combustion des suies est classiquement obtenue par une stratégie de post-injection pour augmenter la température dans le filtre et/ou par l'utilisation de matériaux catalytiques d'oxydation pour former du NO2 et réduire la température de combustion des suies. Les matériaux catalytiques d'oxydation sont présents dans un catalyseur d'oxydation disposé en amont du filtre à particules et/ou imprègnent les parois du filtre. 2907158 2 Cependant, la stratégie de post-injection augmente la consommation de carburant et peut provoquer par une dilution du lubrifiant un transfert de carburant vers le lubrifiant. Quant aux matériaux catalytiques d'oxydation, ils ont un coût important. 5 L'invention a pour but de diminuer ou de supprimer la post-injection. L'invention a également pour but de réduire la quantité de matériaux catalytiques d'oxydation nécessaire. A cet effet, l'invention a pour objet un monolithe du type précité, caractérisé en ce qu'au moins un desdits canaux immédiatement voisins est 10 un canal à au moins deux bouchons comportant au moins un deuxième bouchon pour former au moins une chambre fermée. Suivant des modes particuliers de réalisation, le monolithe céramique peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : 15 - au moins un canal à au moins deux bouchons comporte un bouchon à son extrémité aval ; - au moins un canal à au moins deux bouchons comporte un bouchon à l'intérieur du canal, de manière à diviser le canal à au moins deux bouchons entre d'une part, au moins une chambre fermée, et d'autre part, une 20 portion de canal formant canal de sortie des gaz ; - chacune desdites chambres fermées a une longueur comprise entre l cm et 50cm, de préférence entre 10cm et 30cm ; - lesdites chambres fermées comprennent de grandes chambres fermées chacune de même longueur et de petites chambres fermées chacune 25 de même longueur, les grandes et petites chambres fermées étant agencées suivant un motif régulier ; - le motif comprend au moins une unité de motif, chaque unité de motif définissant un carré de trois canaux par trois canaux dans lequel deux grandes chambres sont alignées suivant un axe médian du carré et deux 30 petites chambres sont alignées suivant l'autre axe médian du carré ; -- ladite chambre fermée comporte un matériau de revêtement cataly- tique ; 2907158 3 - le monolithe est formé par assemblage d'une pluralité de briques céramiques monolithiques liées entre elles par un ciment céramique. L'invention a également pour objet un système de traitement des particules de gaz d'échappement de moteur à combustion interne, caractéri- 5 sé en ce qu'il comprend un monolithe tel que défini ci-dessus. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système de traitement peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - le système comprend un catalyseur d'oxydation disposé en amont 10 du monolithe ; - le système comprend un système de post-injection. L'invention a encore pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un système de traitement tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui 15 va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une portion de ligne d'échappement comportant un monolithe céramique selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique latérale en coupe, partielle 20 et agrandie, du monolithe selon un premier mode de réalisation selon l'invention; - la figure 3 est une vue schématique de face de la face de sortie du monolithe de la figure 2 suivant un mode de réalisation préféré; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 du monolithe sui- 25 vant un autre mode de réalisation préféré ; - la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 du monolithe suivant un deuxième mode de réalisation. La figure 1 illustre une portion de ligne d'échappement 2 de gaz issus par exemple d'un moteur diesel de véhicule automobile. 30 La ligne d'échappement 2 comporte un filtre 4 à particules disposé longitudinalement et parallèlement au flux des gaz de façon à ce que les gaz d'échappement le traverse. Le filtre 4 comprend un monolithe 6 cérami- 2907158 4 que destiné à traiter ces gaz et un élément 8 de support du monolithe 6, de type connu. Le monolithe 6 comprend une pluralité de canaux 10, 12, 14 le traversant entre une face d'entrée 18 des gaz et une face de sortie 20 des 5 gaz. Les canaux comprennent des canaux d'entrée 10 des gaz comportant un bouchon aval 22 à leur extrémité aval et des canaux immédiatement voisins 12, 14 desdits canaux d'entrée 10 comportant un bouchon amont 24 à leur extrémité amont. Les canaux immédiatement voisins 12, 14 comprennent des ca- 10 naux à un bouchon 12 formant des canaux de sortie pour les gaz et des canaux à deux bouchons 14 comportant, en plus du bouchon amont 24, un deuxième bouchon 26 pour former une chambre fermée 28. Le monolithe 6 a, par exemple, un contour sensiblement cylindrique. Cependant, cette forme n'est pas limitative et le monolithe 6 peut avoir 15 toute forme appropriée à son insertion dans la ligne d'échappement 2 et aisée à fabriquer, notamment parallélépipédique. La longueur du monolithe 6 est par exemple comprise entre 20cm et 100cm. Le diamètre moyen d'une section transversale du monolithe 6 est par exemple compris entre 4cm et 50cm. 20 Le matériau céramique formant le monolithe 6 comprend par exemple les composés suivants ou leurs mélanges : cordiérite, SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, AL2O3, ZrO2, mullite, titanate d'aluminium, ZrB2, et Sialon . Chaque canal 10, 12, 14 a par exemple une forme sensiblement parallélépipédique et comprend ainsi quatre parois 30. Les canaux 10, 12, 14 25 ont chacun une section transversale par exemple comprise entre 1 mm et 2mm. Les parois 30 sont poreuses de façon à ce que les gaz d'échappement puissent les traverser. Néanmoins, les parois 30 sont suffisamment denses pour piéger la plus grande partie des particules de suie 30 des gaz d'échappement les traversant. Les parois 30 peuvent être avantageusement imprégnées d'un matériau de revêtement catalytique 32 pour le traitement des divers composants 2907158 5 des gaz d'échappement. Dans l'exemple non limitatif représenté sur les figures 2 et 5, cette imprégnation n'a lieu que dans les chambres fermées 28. Le matériau de revêtement 32 peut par exemple comprendre les composés suivants ou leurs mélanges : 5 - pour une réduction catalytique sélective (SCR) destinée à traiter NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, SiO2, ainsi que des éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag), des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn), des perovskites ou des zeolites dopées en Cu, Fe, ou Mn ; 10 - pour un piège à NOx destiné à traiter les NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, dopés en B ou Mn, avec des éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) ; - pour une catalyse à trois voies destinées à traiter les hydrocarbures, 15 le CO et les NOx : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, avec des éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) ; - pour une catalyse à oxydation totale destinée à traiter le CO et les hydrocarbures et former du NO2 : AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3 avec des 20 éléments catalytiques typiques tels que des métaux précieux (Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag) ou des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn). Les canaux 10, 12, 14 sont par exemple disposés longitudinalement en lignes et en colonnes, suivant une structure en nid d'abeilles de type 25 connu. Ainsi, chacune des quatre parois 30 d'un canal d'entrée 10 est une paroi 30 d'un canal immédiatement voisin 12, 14. Ledit deuxième bouchon 26 d'un canal à deux bouchons 14 est sensiblement non poreux. II a par exemple une longueur comprise entre 0,5cm et 5cm, de préférence entre 0,5cm et 1,0cm. II est avantageusement réalisé 30 dans le même matériau céramique que le monolithe 6 de façon à être venu de matière avec celui-ci. Il peut par exemple être obtenu par injection d'une pâte adaptée à la fabrication d'une céramique. 2907158 6 Suivant un premier mode de réalisation, ledit deuxième bouchon 26 est placé à l'intérieur du canal à deux bouchons 14, comme illustré sur la figure 2. Le canal à deux bouchons 14 est ainsi divisé entre, d'une part, la chambre fermée 28 et, d'autre part, une portion de canal 34 formant canal 5 de sortie. La chambre fermée 28 peut avoir toute longueur comprise entre 1 cm et la quasi-totalité de la longueur du canal 14, de préférence entre 1cm et 50cm, de préférence encore entre 10cm et 30cm. La chambre fermée 28 a avantageusement une longueur supérieure ou égale à la moitié de la Ion- 10 gueur du canal 14. Suivant deux modes de réalisation préférés illustrés sur les figures 3 et 4, le monolithe 6 comprend des canaux à deux bouchons 14 comprenant soit une grande chambre fermée 28A, soit une petite chambre fermée 28B. Les grandes chambres 28A sont chacune de même longueur, de même que 15 les petites chambres 28B. Les grandes chambres 28A, modélisées par un grand rond sur les figures 3 et 4, ont une longueur supérieure à celle des petites chambres 28B modélisées par un petit rond sur les mêmes figures. Les grandes chambres 28A ont par exemple une longueur comprise entre 1cm et 50cm, de préférence entre 60% et 80% de la longueur du canal 14 20 tandis que les petites chambres 28B ont une longueur comprise entre 1cm et 40cm, de préférence entre 40% et 60% de la longueur du canal 14. Les grandes chambres 28A et les petites chambres 28B sont agencées suivant un motif 36 régulier. Le motif 36 comprend une unité 38 de motif définissant un carré de trois canaux par trois canaux, le canal au centre 25 du carré étant, dans l'exemple illustré, un canal d'entrée 10. Deux grandes chambres 28A sont alignées suivant un axe médian du carré que l'on peut qualifier d'horizontal . Deux petites chambres 28B sont quant à elles alignées suivant l'autre axe médian du carré que l'on peut qualifier de vertical . 30 Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, l'unité de motif 38 est reproduite régulièrement sur des tranches horizontales 44 de trois canaux. Sur chaque tranche horizontale 44, les unités de motif 38 peuvent être par exemple espacées horizontalement de cinq canaux 10, 12, 14. Les tran- 2907158 7 ches 44 sont par exemple espacées verticalement de un canal 10, 12, 14. De plus, les tranches 44 adjacentes sont avantageusement décalées horizontalement, comme illustré à la figure 3, par exemple de quatre canaux 10, 12, 14. 5 Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, les unités de motif 38 sont également reproduites sur des tranches horizontales 44 de trois canaux. La reproduction des unités de motif 38 est la même que sur la figure 3 hormis une différence : sur une tranche horizontale 44, une unité de motif est obtenue non seulement par translation mais aussi par rotation de 90 10 d'une unité de motif 38 adjacente. II est à noter que les motifs 36 illustrés sur les figures 3 et 4 ne sont en rien limitatifs, notamment en ce qui concerne l'unité de motif 38 elle-même ou son espacement par rapport aux autres unités de motif 38. On pourra par exemple prévoir des unités de motifs plus grandes. On pourra 15 également utiliser un motif 36 non régulier. Suivant un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 5, ledit deuxième bouchon 28 d'un canal à deux bouchons 14 est à l'extrémité aval du canal 14. Le canal 14 forme ainsi une chambre fermée 28C de longueur sensi- 20 blement égale à la longueur du canal 14 et ne forme pas de canal de sortie. Les modes de réalisation préférés du premier mode de réalisation, il-lustrés sur les figures 3 et 4, peuvent aussi s'appliquer à ce deuxième mode de réalisation, les grandes chambres étant les chambres 28C de longueur sensiblement égale à la longueur du canal 14. 25 Concernant le monolithe 6, il est à noter qu'il peut être formé par assemblage de plusieurs briques monolithiques céramiques assemblées longitudinalement et liées entre elles par un ciment céramique. On pourra également noter que le nombre de bouchons n'est pas limitatif. Un canal à deux bouchons 14 peut par exemple comporter plus de 30 deux bouchons. Le ciment comprend par exemple les composés suivants ou leurs mélanges : 2907158 8 - Cordiérite, SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, AI2O3, ZrO2, Mullite, titanate d'aluminium, ZrB2 et Sialon . En fonctionnement, les gaz d'échappement arrivent par la face d'entrée 18 (figure 2) et rentrent par les canaux d'entrée 10. Une partie des 5 gaz est forcée, du fait de la disposition des bouchons 22, 24, 26, de traverser trois parois 30 de canal 10, 12, 14 avant de sortir du monolithe par la face de sortie 20. En effet, les bouchons aval 22 des canaux d'entrée 10 génèrent une zone de pression importante à proximité de ces bouchons 22. Les gaz sont donc conduits à se diriger vers des zones de pression moindre. 10 Ces zones de pression moindre sont localisées dans les canaux immédiatement voisins 12, 14 des canaux d'entrée 10. Pour un canal d'entrée 10 dont les canaux immédiatement voisins 12, 14 sont des canaux à deux bouchons 14, les zones de pression moindre sont localisées dans la portion de canal formant canal de sortie 34 et/ou 15 dans la chambre fermée 28. Une partie des gaz est ainsi conduite à entrer dans une chambre fermée puis à sortir dans un canal d'entrée 10 ayant pour voisin immédiat un canal à un bouchon 12 formant canal de sortie. En effet, la pression régnant dans le canal à un bouchon 12 étant faible, les gaz sont conduits à suivre un gradient de pression négatif de la chambre fermée 28 20 vers le canal à un bouchon 12 et à traverser ainsi un total de trois parois 30. L'efficacité catalytique du filtre est ainsi renforcée. Dans le cas où un matériau catalytique à oxydation totale imprègne les parois 30 d'une chambre fermée 28, du NO2 est formé dans les gaz traversant la chambre 28 et les particules de suie sont traitées en continu. En 25 effet, puisqu'une part importante des gaz traverse trois parois 30, une part importante de NO2 est formée dans des chambres fermées 28 et est réinjectée dans des canaux d'entrée 10. L'invention permet donc de se dispenser éventuellement d'un catalyseur d'oxydation en amont du monolithe 6 et/ou d'une stratégie de postinjection, ou au moins de réduire très sensiblement les quantités de carburant et /ou de matériaux catalytiques nécessaires. REVENDICATIONS 1. Monolithe (6) céramique pour filtre (4) à particules de gaz d'échappement de véhicule automobile, du type comprenant une pluralité de canaux (10, 12, 14) traversant le monolithe (6) entre une face d'entrée (18) des gaz et une face de sortie (20) des gaz, ces canaux (10, 12, 14) comprenant des canaux d'entrée (10) des gaz comportant un bouchon aval (22) à leur extrémité aval et des canaux immédiatement voisins (12, 14) desdits canaux d'entrée (10) comportant un bouchon amont (24) à leur extrémité amont, caractérisé en ce qu'au moins un desdits canaux immédiatement voisins (12, 14) est un canal à au moins deux bouchons (14) comportant au moins un deuxième bouchon (26) pour former au moins une chambre fermée (28). 2. Monolithe (6) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un canal à au moins deux bouchons (14) comporte un bouchon (26) à son extrémité aval. 3. Monolithe (6) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins un canal à au moins deux bouchons (14) comporte un bouchon (26) à l'intérieur du canal (14), de manière à diviser le canal à au moins deux bouchons (14) entre d'une part, au moins une chambre fer- mée (28), et d'autre part, une portion (34) de canal formant canal de sortie des gaz. 4. Monolithe 6 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune desdites chambres fermées (28) a une longueur comprise entre 1cm et 50cm, de préférence entre 10cm et 30cm. 5. Monolithe (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites chambres fermées (28) comprennent de grandes chambres fermées (28A) chacune de même longueur et de petites chambres fermées (28B) chacune de même longueur, les grandes et petites chambres fermées (28A, 28B) étant agencées suivant un motif régulier (36). 6. Monolithe (6) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le motif (36) comprend au moins une unité de motif (38), chaque unité de motif (38) définissant un carré de trois canaux par trois canaux dans lequel deux grandes chambres (28A) sont alignées suivant un axe médian du carré et 2907158 10 deux petites chambres (28B) sont alignées suivant l'autre axe médian du carré. 7. Monolithe (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite chambre fermée (28) comporte un matériau 5 de revêtement catalytique (32). 8. Monolithe (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est formé par assemblage d'une pluralité de briques céramiques monolithiques liées entre elles par un ciment céramique. 9. Système de traitement des particules de gaz d'échappement de 10 véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un monolithe (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il com- prend un catalyseur d'oxydation disposé en amont du monolithe (6). 11. Système selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un système de post-injection. 12. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un système de traitement selon l'une quelconque des revendications 9 à 11.