Brevet FR2910530A1 — publié le 20080627

Système et procédé de capture et destruction de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion La présente invention concerne la capture et la destruction des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne de véhicule automobile et en particulier des moteurs de type Diesel. On sait que les moteurs à combustion, et notamment les moteurs Diesel émettent des particules de suie qu'il convient de piéger avant leur rejet dans l'atmosphère. A cet effet, on utilise généralement trois méthodes principales de filtration de ces particules de suie au moyen de filtres disposés dans la ligne d'échappement du moteur. On peut procéder à une filtration mécanique qui permet une capture directe des particules de suie au moyen d'une structure poreuse, par exemple en matériau céramique. On peut également procéder à une agglomération des particules de suie fines suivie d'une capture mécanique de ces agglomérats de particules au moyen de filtres poreux ou de cyclone assurant une séparation par l'effet de la force centrifuge. Enfin, on peut procéder à une filtration électrostatique en utilisant une décharge électrique pour charger électriquement les particules de suie puis en capturant les particules ainsi chargées sur des parois métalliques ou diélectriques d'un filtre électrostatique. Dans tous les cas, la matière collectée par le filtre doit ensuite être éliminée et on parle généralement d'une phase de régénération du filtre à particules. Une extraction purement mécanique de la matière collectée n'est pas réellement envisageable dans le domaine automobile. On peut en revanche procéder à une régénération d'un filtre à particules par oxydation des particules de suie collectées au moyen d'une augmentation de température dans le filtre à particules. Toutefois, une telle méthode n'est pas d'une grande efficacité. En effet, la masse de la matière collectée est négligeable par rapport à la masse totale du filtre. Or, pour élever la température à un niveau suffisant pour éliminer les particules collectées, on se trouve dans 2910530 2 l'obligation de chauffer l'intégralité du filtre à particules, ce qui entraîne un rendement global faible et une consommation en énergie élevée. De plus, on constate dans la pratique un risque élevé de relargage des particules de suie collées sur les parois du filtre à 5 particules dans le flux rapide des gaz d'échappement à température élevée lors de la phase de régénération. L'oxydation à température élevée se fait généralement en présence d'un catalyseur. L'élévation de température est obtenue périodiquement par une augmentation de la température des gaz brûlés 10 dans le filtre à particules, par exemple en modifiant le fonctionnement du moteur à combustion pendant les phases de régénération. On peut également utiliser des éléments chauffants intégrés dans le filtre à particules pour élever sa température par effet Joule. Une autre méthode de régénération d'un filtre à particules 15 consiste à utiliser un plasma électrique du type à décharge à barrière diélectrique (DBD) en générant une tension alternative soit sur la surface diélectrique interne du filtre à particules, soit à travers de parois diélectriques poreuses disposées à l'intérieur du filtre. La demande de brevet WO 99/47242 montre un tel dispositif 20 utilisant une décharge à barrière diélectrique associée en outre à un champ magnétique, et ce, dans des dispositifs destinés à éliminer les particules de suie provenant d'une centrale électrique utilisant un carburant hydrocarboné. Les dispositifs décrits dans cette demande de brevet sont volumineux et ne pourraient être adaptés à une utilisation 25 dans un véhicule automobile. Le brevet US 6 938 409 décrit un procédé utilisant une décharge à barrière diélectrique pour accélérer l'oxydation de particules de suie grâce à des radicaux libres générés par une telle décharge. Le dispositif décrit utilise un matériau céramique à cellules 30 ouvertes, les gaz d'échappement à purifier traversant les parois céramiques. Un tel dispositif est complexe et onéreux. Les risques de colmatage empêchant toute traversée des gaz d'échappement à travers les parois céramiques sont élevés. 2910530 3 La demande de brevet US 2001/00 42 370 décrit l'utilisation d'une décharge à barrière diélectrique à l'entrée d'une chambre de combustion d'un moteur dans le but d'ajouter l'ozone ainsi généré au mélange combustible. Aucune indication n'est fournie dans ce 5 document sur une possibilité de filtration de particules de suie. La présente invention a pour objet d'augmenter le rendement global des phases de régénération d'un filtre électrostatique destiné à capturer les particules de suie provenant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et ce, tout en respectant les contraintes 10 des véhicules automobiles en matière d'encombrement, de consommation, et de coût. La présente invention a également pour objet de réduire le risque de relargage des particules qui ont été capturées par un filtre électrostatique lors des phases de régénération de ce filtre. 15 Dans un mode de réalisation, un système de capture et destruction de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile est du type comprenant au moins une plaque en matière diélectrique montée parallèlement à l'écoulement des gaz d'échappement et associée à des 20 électrodes capables, lorsqu'elles sont alimentées en courant électrique, de créer un plasma par décharge électrique à haute tension. Les électrodes comprennent : • une électrode haute tension disposée sur une première face de la plaque diélectrique et reliée à une alimentation électrique alternative à 25 haute tension ; • une électrode de masse reliée à la masse et comportant une partie principale disposée sur un bord de la première face de la plaque diélectrique parallèlement et à distance de l'électrode haute tension et une partie de retour entourant le dit bord et s'étendant sur la deuxième 30 face de la plaque diélectrique, depuis le dit bord jusqu'à proximité de la position de l'électrode haute tension et • plusieurs électrodes auxiliaires solidaires de la plaque diélectrique et disposées parallèlement et entre l'électrode haute tension et l'électrode de masse. 2910530 4 La décharge filamentée générée entre l'électrode haute tension et l'électrode de masse couvre toute la surface de la plaque diélectrique. Les électrodes auxiliaires facilitent l'amorçage de la décharge et réduisent considérablement le seuil d'amorçage. 5 Les électrodes auxiliaires se trouvent à un potentiel flottant c'est à dire intermédiaire entre la haute tension et la masse et la décharge s'amorce ainsi rapidement en passant de l'une à l'autre. Dans un mode de réalisation préféré, la partie de retour de l'électrode de masse s'étend sur la deuxième face de la plaque 10 diélectrique, depuis le dit bord jusqu'à proximité de la position de l'électrode haute tension. Ainsi, la décharge glisse en quelque sorte sur la première face de la plaque diélectrique. Le courant d'alimentation passe librement de l'électrode haute tension vers l'électrode de masse. La décharge 15 surfacique formée diffère donc d'une véritable décharge à barrière diélectrique. La décharge qui se développe à proximité immédiate de la surface de la plaque concentre l'énergie directement et uniquement sur les particules de suie à détruire sans aucune perte parasite qui résulterait 20 d'un échauffement de la structure complète d'un filtre à particules. Les électrodes auxiliaires peuvent avantageusement être disposées en contact avec ou à proximité de la première face de la plaque diélectrique. Elles peuvent comprendre des plaques métalliques fixées sur la 25 plaque diélectrique ou des bandes de métallisation formées sur la surface de la plaque diélectrique. En variante, les électrodes auxiliaires peuvent comprendre des fils métalliques tendus à proximité de la première face de la plaque diélectrique. 30 Dans un autre mode de réalisation, les électrodes auxiliaires sont au moins en partie incrustées dans l'épaisseur de la plaque diélectrique. Elles peuvent alors comprendre des tiges métalliques, filetées ou non. 2910530 5 Dans certaines applications il peut être avantageux que l'électrode haute tension et/ou l'électrode de masse présentent des bords en regard avec un profil dentelé à contours angulaires ou arrondis. Dans encore un autre mode de réalisation, deux plaques 5 diélectriques identiques munies sur leur face externe respective des mêmes électrodes, sont associées l'une à l'autre en enserrant entre elles une partie de retour commune aux deux électrodes de masse. On double ainsi l'efficacité du système. Les plaques diélectriques du système sont de préférence montées 10 de façon que l'électrode haute tension soit placée en aval de l'écoulement des gaz d'échappement. En effet, la décharge surfacique dans une couche limite près de la surface de la plaque diélectrique provoque un flux local de gaz d'une vitesse de l'ordre de quelques m/s ; Lorsque ce flux local est opposé au flux des gaz d'échappement, la 15 vitesse locale des gaz près de la surface peut être annulée ce qui entraîne une diminution sensible du risque d'entraînement ou relargage des particules collectées. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de capture et destruction de particules de suie contenues dans un flux de gaz 20 d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, utilisant un plasma créé par une décharge électrique à haute tension. Selon ce procédé, on produit une décharge entre deux électrodes disposées sur une plaque diélectrique et on maintient cette décharge à 25 proximité de la surface de ladite plaque. De préférence, on provoque une décharge orientée de façon à créer un courant local de gaz à proximité de la surface de ladite plaque, dans un sens contraire au flux des gaz d'échappement. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes 30 de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels -la figure 1 représente schématiquement une vue de dessus d'une plaque en matière diélectrique pouvant 2910530 6 être utilisée dans un système de capture et de destruction de particules de suie dans l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe schématique selon II-II de la figure 1 ; 5 -la figure 3 est une vue en coupe analogue à la figure 2 d'un autre mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue en élévation d'une variante d'électrode, et - la figure 5 est une vue en élévation d'une autre 10 variante d'électrode. Tel qu'il est illustré sur les figures 1 et 2, le système de capture et de destruction de particules de suie conforme à l'invention comprend une plaque en matériau diélectrique 1 qui peut être montée parallèlement à l'écoulement des gaz d'échappement, symbolisé par la 15 flèche 2 sur la figure 2. Différentes électrodes sont disposées sur la plaque 1. Une électrode haute tension 3 est disposée sur une première face la de la plaque diélectrique 1. Dans l'exemple illustré, l'électrode haute tension 3 est disposée sur la face supérieure la de la plaque 1 par rapport à la vue illustrée sur la figure 2. L'électrode haute tension 20 3 se présente sous la forme d'une plaque métallique ayant sensiblement la forme d'un rectangle comme on peut le voir sur la figure 1. La plaque diélectrique 1 est elle-même, dans l'exemple illustré sur les figures 1 et 2, de forme sensiblement rectangulaire, le grand côté de la plaque 1 étant parallèle à l'écoulement des gaz 25 d'échappement 2. La plaque métallique constituant l'électrode haute tension 3 est disposée sur la face la de la plaque 1 au voisinage du bord 4 de cette dernière, bord qui est situé du côté aval de l'écoulement des gaz d'échappement 2. L'électrode haute tension 3 peut être fixée par tout moyen, tel que collage ou analogue sur la 30 surface la. Toujours sur la face supérieure la de la plaque 1, se trouve disposée, en face de l'électrode haute tension 3, une électrode de masse 5 présentant une partie principale 5a disposée sur la face supérieure la de la plaque 1. Cette partie principale 5a est disposée au 2910530 7 voisinage du bord 6 de la plaque 1 qui est le bord opposé au bord 4 et se trouve du côté amont par rapport à l'écoulement 2 des gaz d'échappement. La partie principale 5a de l'électrode de masse 5 présente une forme générale rectangulaire. Elle est disposée 5 parallèlement à l'électrode haute tension 3 en laissant subsister sur la surface la de la plaque 1 une distance entre les deux électrodes 3 et 5. L'électrode de masse 5 comprend également une partie de retour 5b visible sur la figure 2 qui entoure le bord 6 de la plaque 1 et s'étend sur la deuxième face lb de la plaque diélectrique 1 jusqu'au voisinage 10 de la position correspondant sur la face la de la plaque 1 à l'électrode haute tension 3. Dans l'exemple illustré, la partie de retour 5b s'étend juste sous le bord amont de l'électrode haute tension 3. En variante, un écartement pourrait subsister entre le bord extrême de la partie de retour 5b et la position du bord amont de l'électrode 3. La longueur de 15 la partie de retour 5b dans le sens longitudinal est identique à la dimension, dans le sens transversal par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement 2 de la partie principale 5a de l'électrode de masse et de l'électrode haute tension 3. En d'autres termes, la partie de retour 5b occupe tout l'espace situé entre l'électrode haute tension 3 et 20 l'électrode de masse 5 dans sa partie principale 5a mais sur la face inférieure lb de la plaque 1. Sur la face la de la plaque 1, sont en outre disposées plusieurs électrodes auxiliaires 7, qui sont au nombre de six dans l'exemple illustré. Dans l'exemple illustré, les électrodes auxiliaires 7 sont 25 solidaires de la plaque diélectrique 1. Elles sont disposées parallèlement entre elles et parallèles à l'électrode haute tension 3 et à la partie principale 5a de l'électrode de masse 5. Dans l'exemple illustré, les électrodes auxiliaires 7 sont constituées par des plaques métalliques fixées par tout moyen sur la face la de la plaque 30 diélectrique 1. I1 en est de même de l'électrode de masse 5 qui est constituée par une plaque métallique fixée par tout moyen approprié tel que collage ou autre sur la face la, le bord 6 et la face lb de la plaque diélectrique 1. 2910530 8 En variante, les différentes électrodes 3, 5 et 7, pourraient être réalisées sous la forme de bandes de métallisation formées sur les surfaces la et lb de la plaque diélectrique 1. On pourrait également concevoir des modes de réalisation différents dans lesquels les 5 électrodes auxiliaires 7 pourraient être de simples fils métalliques tendus à proximité immédiate ou en contact avec la surface la de la plaque 1. On pourrait également imaginer d'incruster en totalité ou en partie les différentes électrodes 3, 5 et 7 au sein même de l'épaisseur de la plaque diélectrique 1. 10 L'écartement entre les différentes électrodes auxiliaires 7 est constant au même titre que l'écartement entre les deux électrodes auxiliaires 7 d'extrémité, l'électrode haute tension 3 et la partie 5a de l'électrode de masse 5. En fonctionnement, l'électrode haute tension 3 peut être 15 alimentée par un générateur 8 créant un courant électrique alternatif positif à haute tension. A titre d'exemple, comme illustré sur la figure 1, la tension peut être sinusoïdale et de fréquence par exemple 100 kHz. On peut également envisager une tension en créneaux avec un front de montée de l'ordre de 1 microseconde. La tension peut être 20 de quelques kilovolts. La tension de crête dépend de la distance qui est choisie entre les différentes électrodes auxiliaires 7 ainsi qu'entre l'électrode haute tension 3 et l'électrode de masse 5. L'électrode de masse 5 est quant à elle connectée à la masse. Une plaque diélectrique 1 ainsi équipée des différentes 25 électrodes 3, 5 et 7 peut être utilisée dans un filtre à particules destiné à capturer et détruire les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Une pluralité de telles plaques peut être utilisée. Les plaques seront alors disposées parallèlement à l'intérieur d'un bâti, 30 dans l'écoulement des gaz d'échappement. Lorsqu'une telle plaque diélectrique 1 est ainsi intégrée dans un filtre à particules, la plaque 1 constitue un collecteur des particules de suie qui viennent se déposer sur sa surface et notamment sur la face la de la plaque diélectrique 1. Lorsque l'encrassement de la surface de la plaque 1 atteint une limite 2910530 9 détectée par un capteur approprié, il est possible de déclencher une phase de régénération, c'est-à-dire de nettoyage de la plaque 1 avec destruction des particules de suie. L'alimentation de l'électrode haute tension 3 en courant 5 alternatif comme il a été dit plus haut entraîne la formation de décharges en filaments schématisées par les traits 9 sur les figures 1 et 2. Ces décharges en filaments se forment à partir de l'électrode haute tension 3 et viennent couvrir toute la surface la de la plaque diélectrique 1 entre l'électrode haute tension 3 et la partie principale 10 5a de l'électrode de masse 5. Les électrodes auxiliaires 7 facilitent l'amorçage de la décharge et réduisent considérablement le seuil d'amorçage. L'encrassement de la face la de la plaque 1 rend l'amorçage de la décharge encore plus facile et la décharge se développe de préférence sur les zones de la face la les plus 15 encrassées. Grâce à la présence de la partie de retour 5b de l'électrode de masse 5 sur la face inférieure lb de la plaque 1, la décharge filamentée glisse en quelque sorte sur la face la de la plaque 1. En effet, la partie de retour 5b attire la décharge filamentée vers la face la de la plaque 20 1, ce qui augmente la capacité parasite du système et améliore la destruction des particules de suie qui ont été accumulées sur la face la de la plaque 1. Etant donné que le courant électrique d'alimentation passe librement entre les deux électrodes principales que constituent 25 l'électrode haute tension 3 et la partie principale 5a de l'électrode de masse 5, la décharge diffère d'une décharge à barrière diélectrique classique. Les micro-arcs formant des canaux de la décharge 9 sont chauffés à une température suffisamment élevée pour oxyder les particules de suie déposées sur la surface de la plaque 1. Etant donné 30 que les décharges 9 se développent dans une couche fine très proche de la surface la de la plaque 1, l'énergie de l'alimentation électrique 8 se trouve ramenée directement et uniquement sur les particules de suie à détruire sans perte parasite qui serait due à l'échauffement du dispositif dans son entier. 2910530 10 Indépendamment du fonctionnement d'un tel système au cours d'une phase de régénération dans laquelle les particules de suie préalablement collectées sont détruites, on notera que le système peut également être utilisé à la fois pour la capture des particules en 5 favorisant leur dépôt sur la face collectrice la de la plaque diélectrique 1 et pour leur destruction immédiate. Dans ce cas, l'électrode haute tension est alimentée en courant électrique, de façon que les décharges filamentées 9 se présentant sous la forme de micro-arcs soient polarisées positivement. Les particules de suie qui sont en 10 suspension dans le flux des gaz d'échappement 2 sont chargées négativement, par exemple au moyen d'une décharge corona de type négatif générée par des moyens non représentés sur la figure et disposés dans l'écoulement des gaz d'échappement, en amont par rapport à la plaque diélectrique 1. Les particules chargées 15 négativement sont alors attirées directement par les décharges 9 à proximité immédiate de la face la ou directement sur cette face où elles se trouvent immédiatement détruites. Comme précédemment, l'énergie de l'alimentation électrique 8 se trouve concentrée essentiellement sur la capture et la destruction des particules de suie. 20 La décharge surfacique 9 produit également de l'ozone dans la zone d'échauffement locale au voisinage de la face la de la plaque 1. Une telle génération d'ozone accélère encore l'oxydation des particules de suie. Par ailleurs, on sait que dans une couche limite proche de la face la de la plaque diélectrique, la décharge surfacique 9 25 provoque un flux local de gaz schématisé par les flèches 10 sur la figure 2 et d'une vitesse importante, de l'ordre de quelques mètres par seconde. Pour utiliser au mieux ce flux de gaz, on dispose de préférence l'électrode haute tension 3 en aval par rapport à l'écoulement du flux des gaz d'échappement 2 comme représenté sur la 30 figure 2. En effet, dans ce cas, le flux local représenté par les flèches 10 est opposé au flux des gaz d'échappement représenté par la flèche 2. I1 est alors possible de rendre la vitesse locale des gaz à proximité de la face la de la plaque 1 pratiquement nulle, supprimant ainsi tout risque de relargage des particules de suie collectées sur la face la. De 2910530 11 cette manière, il est possible d'augmenter encore l'efficacité de la destruction des particules de suie collectées. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation dans lequel deux plaques diélectriques identiques 1 sont montées l'une en face de 5 l'autre en enserrant à la manière d'un sandwich la partie de retour 5b qui est alors commune aux deux électrodes de masse 5, qui constituent alors en quelque sorte une seule électrode de masse 5. Les deux faces lb respectives des deux plaques diélectriques 1 se font face et enserrent la partie de retour 5b de l'électrode de masse 5. Dans 10 l'exemple de la figure 3 on a représenté les différentes électrodes auxiliaires sous la forme de fils métalliques 11 qui peuvent être tendus ou fixés par tout moyen à proximité de la face la de chacune des plaques 1. Les fils 11 peuvent également être collés ou fixés sur les faces la. 15 Les bords en regard des électrodes principales que constituent l'électrode haute tension 3 et l'électrode de masse 5, peuvent être rectilignes comme illustré sur la figure 1. Ils peuvent également être structurés comme illustré sur les figures 4 et 5 qui représentent deux exemples de formes spécifiques pour une électrode haute tension 3. 20 Dans la variante de la figure 4, l'électrode haute tension 3 présente un bord crénelé avec des dents angulaires 12 dont les sommets font saillie en direction de l'électrode de masse. Dans la variante de la figure 5, le bord de l'électrode haute tension présente un profil dentelé à contours arrondis 13 constituant une succession de bossages arrondis faisant 25 face à l'électrode de masse. Le bord en regard de l'électrode de masse 3 peut avoir la même structure. REVENDICATIONS 1. Système de capture et destruction de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile du type comprenant au moins une plaque (1) en matière diélectrique montée parallèlement à l'écoulement des gaz d'échappement et associée à des électrodes capables, lorsqu'elles sont alimentées en courant électrique, de créer un plasma par décharge électrique à haute tension, caractérisé par le fait que les électrodes comprennent : - une électrode haute tension (3) disposée sur une première face (la) de la plaque diélectrique (1) et reliée à une alimentation électrique alternative à haute tension (2) ; - une électrode de masse (5) reliée à la masse et comportant une partie principale (5a) disposée sur un bord (6) de la première face (la) de la plaque diélectrique (1) parallèlement et à distance de l'électrode haute tension (3) et une partie de retour (5b) entourant ledit bord et s'étendant sur la deuxième face (lb) de la plaque diélectrique, - plusieurs électrodes auxiliaires (7) disposées parallèlement sur la plaque diélectrique (1) et entre l'électrode haute tension (3) et l'électrode de masse (5). 2. Système selon la revendication 1 dans lequel la partie de retour (5b) de l'électrode de masse (5) s'étend sur la deuxième face (lb) de la plaque diélectrique (1), depuis ledit bord (6) jusqu'à proximité de la position de l'électrode haute tension. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les électrodes auxiliaires (7) sont disposées en contact avec ou à proximité de la première face (la) de la plaque diélectrique. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel les électrodes auxiliaires (7) comprennent des plaques métalliques fixées sur la plaque diélectrique ou des bandes de métallisation formées sur la surface de la plaque diélectrique. 2910530 13 5. Système selon la revendication 3, dans lequel les électrodes auxiliaires (7) comprennent des fils métalliques tendus. 6. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les électrodes auxiliaires (7) sont au moins en partie incrustées dans 5 l'épaisseur de la plaque diélectrique. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel les électrodes auxiliaires (7) comprennent des tiges métalliques filetées ou non. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'électrode haute tension (3) et/ou l'électrode de masse (5) 10 présentent des bords en regard présentant un profil dentelé à contours angulaires (12) ou arrondis (13). 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel deux plaques diélectriques identiques (1) munies sur leur face externe respective (la) des mêmes électrodes, sont associées l'une à 15 l'autre en enserrant entre elles une partie de retour (5b) commune aux deux électrodes de masse (5). 10. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les plaques diélectriques sont montées de façon que l'électrode haute tension (3) soit placée en aval de l'écoulement (2) des gaz 20 d'échappement. 11. Procédé de capture et destruction de particules de suie contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, utilisant un plasma créé par une décharge électrique à haute tension, caractérisé par le fait 25 qu'on produit une décharge entre deux électrodes disposées sur une plaque diélectrique et qu'on maintient cette décharge à proximité de la surface de ladite plaque. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on provoque une décharge orientée de façon à créer un courant local de gaz à 30 proximité de la surface de ladite plaque, dans un sens contraire au flux des gaz d'échappement.