Brevet FR2923532A3 — publié le 20090515

FR 2923532 A3 20090515 FR 0759001 A 20071113 B07-2793FR - EGA/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de filtration de particules émises par un moteur à combustion interne Invention de : FASOLO Bertrand Système de filtration de particules émises par un moteur à combustion interne L'invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne de véhicule automobile, et en particulier des systèmes de filtration des particules émises par ces moteurs. Dans ce domaine, il existe des pièges à particules qui comprennent des canaux pouvant être traversés par les gaz d'échappement. De tels pièges à particules présentent l'avantage de ne pas risquer de se boucher car le flux de gaz d'échappement est seulement dévié. Une partie des particules est piégée. La proportion des particules piégées ne dépasse généralement pas 50%. De tels pièges à particules ne permettent pas d'atteindre le faible niveau d'émission de particules tolérées par les normes applicables aux véhicules de type Diesel. Il existe également des filtres à particules comprenant des canaux bouchés à leur extrémité et des parois poreuses dans lesquelles se déposent les particules contenues dans les gaz d'échappement. Ces filtres permettent de retenir la quasi-totalité des particules. Cependant, les particules colmatent progressivement le filtre à particules. Cela provoque une contrepression s'opposant à l'évacuation des gaz de combustion et diminue les performances du moteur. Pour régénérer le filtre à particules, il est courant d'augmenter temporairement la température interne du filtre à particules vers 500°C ou 600°C. Cela permet de brûler les suies sous forme de CO2 et de vapeur d'eau. La régénération permet au filtre à particules de retrouver son efficacité de filtrage. Ce type de régénération est dite active, car il faut provoquer périodiquement l'élévation de la température au sein du filtre à particules. La demande de brevet EP 1 270 885 décrit un dispositif de purification des gaz d'échappement de moteur de type Diesel. Le dispositif comprend successivement un catalyseur d'oxydation, un filtre à particules, et un catalyseur à NOx. Le catalyseur d'oxydation décrit présente une structure nid d'abeille en cordiérite ou comprenant de l'alumine active. Le catalyseur d'oxydation permet d'oxyder le monoxyde d'azote NO, le monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures HC en, respectivement, NO2, CO2 et H2O. La combinaison du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules permet de régénérer une partie des particules susceptibles d'être oxydées à basse température par des mono- ou dioxydes d'azote NOx traversant le filtre à particules. Cependant, l'inconvénient de ce dispositif est que le filtre à particules doit être de taille suffisante pour arrêter la totalité des suies s'échappant du moteur. Cela impose un volume d'autant plus encombrant que le niveau de filtrage souhaité est sévère. L'évolution des normes réglementant les émissions polluantes des véhicules équipés de moteurs de type Diesel sont de plus en plus sévères. Par ailleurs, les véhicules sont conçus pour laisser un maximum de place à l'habitacle. L'augmentation des niveaux de dépollution requis augmente les problèmes d'implantation des filtres à particules dans le véhicule. L'invention propose un système de filtration et un véhicule équipé d'un tel système qui remédient aux inconvénients précédents. Un but de l'invention est de proposer un système de filtration à implantation facilitée dans le véhicule. Selon un mode de réalisation, le système de filtration de particules émises par un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprend une ligne d'échappement des gaz de combustion équipée d'un dispositif catalyseur d'oxydation et d'un dispositif de filtre à particules destiné à accumuler des particules des gaz d'échappement et à être régénéré de manière commandé. Le dispositif catalyseur d'oxydation comprend des moyens de piégeage d'une partie des particules des gaz d'échappement et de destruction de ladites partie par l'action du catalyseur, le dispositif de filtre à particules étant disposé en aval du dispositif catalyseur d'oxydation pour être traversé par l'autre partie des particules. Le fait que soit implanté, en amont du filtre à particules, non pas un simple catalyseur d'oxydation mais un dispositif muni de moyens de piégeage des particules permet qu'une proportion seulement des particules doivent être filtrées par le filtre à particules. Grâce au catalyseur du piège à particules catalytique, les particules piégées dans lesdits moyens de piegeage, ainsi que dans le filtre à particules peuvent subir une régénération passive à basse température. La quantité de suies devant subir de manière commandée une régénération active est ainsi réduite. Cela permet d'avoir un filtre à particules de dimensions plus réduites. Cela facilite l'implantation du système de traitement des particules dans un véhicule. De plus, il est courant d'utiliser dans les filtres à particules un substrat en carbure de silicium. La plus grosse contribution au coût d'un filtre à particules est souvent celle du volume du substrat nécessaire. Ainsi, en réduisant le volume des particules à filtrer, on réduit fortement le coût global du traitement des particules. Avantageusement, le dispositif catalyseur d'oxydation comprend des moyens de déviation de flux de gaz d'échappement vers des parties en fibre métalliques non tissée imprégnées de matériau catalytique. Les moyens de piégeage peuvent notamment être constituées par les parties en fibre non tissées. Les parties en fibre métalliques permettent une montée en température du catalyseur plus rapide que les supports traditionnels en cordiérite. Cette élévation en température plus rapide permet une régénération passive plus efficace des suies. Elle permet également un meilleur traitement d'oxydation des monoxydes de carbone et d'azote. Avantageusement, le dispositif catalyseur d'oxydation présente en alternance, une série de couches métalliques ondulées avec une série de supports à fibres métalliques non tissées. Avantageusement, le dispositif catalyseur d'oxydation comprend une multitude de canaux présentant des ailettes de liaison aptes à dévier les gaz de combustion d'un canal à l'autre. Cela permet aux gaz d'échappement d'être dispersés et mélangés sur toute la surface susceptible de piéger les particules. Cela augmente l'efficacité du piégeage des particules. Avantageusement, le dispositif catalyseur d'oxydation et le filtre à particules sont assemblés dans une même boîte. Le fait d'introduire dans une même boîte le dispositif de filtre à particule et le dispositif catalyseur d'oxydation permet de baisser les coûts, de densifier le système de traitement des particules et d'en faciliter l'implantation dans le véhicule. Selon un autre aspect, l'invention porte sur un véhicule équipé d'un moteur et d'un système de filtration. Selon un mode de réalisation, le dispositif catalyseur d'oxydation est implanté dans un compartiment moteur. Une telle implantation permet de bénéficier de la proximité du groupe motopropulseur. Cela permet de traiter des gaz d'échappement plus chauds. La régénération passive des suies dans le dispositif catalyseur d'oxydation est plus efficace. Cela réduit d'autant le volume et donc le coût du filtre à particules nécessaire. Cet avantage se retrouve autant dans un mode de réalisation où le filtre à particules est situé également dans le compartiment moteur, que dans un mode d'implantation où le filtre à particules est déporté au loin à l'arrière du véhicule. Selon un mode de réalisation, le moteur est équipé d'un turbo compresseur, le dispositif catalyseur d'oxydation et le dispositif de filtre à particules étant implantés immédiatement en aval du turbo compresseur. Ce premier mode d'implantation du système de filtration ou de traitement des particules peut bénéficier à la fois de l'avantage de la proximité du groupe motopropulseur, et du conditionnement du dispositif de filtre à particule et du dispositif catalyseur d'oxydation dans une même boîte. Selon un mode de réalisation, le filtre à particules est implanté dans une zone sous plancher. Ce deuxième mode d'implantation du système de traitement des particules est possible car le volume de filtre à particules nécessaire est réduit. De plus, ce mode d'implantation permet de réduire l'encombrement dans le compartiment moteur ou d'augmenter l'habitacle. Selon un mode de réalisation, le dispositif catalyseur d'oxydation et le filtre à particules sont implantés dans un tunnel de communication entre un compartiment moteur et une zone sous plancher. Ce troisième mode d'implantation du système de traitement des particules est un compromis entre les deux modes d'implantation précédents. On peut à la fois bénéficier de la proximité du groupe motopropulseur, et donc de la chaleur des gaz d'échappement à traiter, sans trop encombrer le compartiment moteur. De plus, ce mode d'implantation permet de loger les deux dispositifs dans une même boîte et de réduire encore le coût du traitement des particules. Avantageusement, le moteur est équipé d'un turbo compresseur implanté à proximité du tunnel de véhicule, le dispositif catalyseur d'oxydation étant situé à proximité du turbo compresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrée par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une illustration d'un premier mode d'implantation d'un système de filtration des particules dans un véhicule - la figure 2 est une illustration d'un deuxième mode d'implantation d'un système de filtration des particules dans un véhicule - la figure 3 est une illustration d'un troisième mode d'implantation du système de filtration des particules dans un véhicule - la figure 4 est une coupe transversale d'un dispositif catalyseur d'oxydation ; - la figure 5 est une coupe longitudinale selon le plan V-V de la figure 4, du dispositif catalyseur d'oxydation ; et - la figure 6 est une coupe longitudinale selon le plan VI-VI de la figure 4, du dispositif catalyseur d'oxydation. On va à l'aide des figures 1 à 3, décrire trois modes d'implantation du système de filtration de particules émises par un 25 30 moteur à combustion interne 1 dans un véhicule automobile, comprenant notamment un compartiment moteur 2 et un habitacle 3, séparés par une cloison avant 4 et un plancher 5. Le système est également équipé d'une ligne d'échappement des gaz 6, partant du moteur 1 et comprenant successivement un turbocompresseur 7, un dispositif catalyseur d'oxydation 8 et un dispositif de filtre à particules 9. Dans le mode d'implantation illustré en figure 1, le dispositif catalyseur d'oxydation 8 et le filtre à particules 9 sont situés dans une même boîte 10. Le dispositif catalyseur d'oxydation 8 est situé en amont du filtre à particules 9, c'est-à-dire du coté d'un collecteur de raccordement 11 rejoignant la boîte 10 à la turbine 7. Le filtre à particule 9 est situé dans la boîte 10 en aval, c'est-à-dire du côté d'un collecteur de sortie 12. Le dispositif catalyseur d'oxydation comprend des moyens de piégeage non visibles en figures 1 à 3 et détaillés en figures 4 à 6. Avantageusement, la boîte 10 commune est située juste en dessous du turbocompresseur 7 de sorte que le collecteur de raccordement 11 est de faible longueur, ainsi que le raccordement du turbocompresseur 7 au moteur 1. Ainsi, la température des gaz d'échappement parvenant au dispositif catalyseur d'oxydation 8 est élevée en raison de la proximité du moteur 1. Dans une variante, le véhicule ne comprend pas de turbocompresseur 7, et le collecteur de raccordement 11 relie directement le dispositif catalyseur d'oxydation 8 au moteur à combustion interne 1. Lors du démarrage du véhicule, la température des gaz d'échappement est relativement froide, par exemple, entre 200°C et 250°C. A cette température, la proportion des particules susceptibles d'être régénérées de manière passive dans le dispositif catalyseur d'oxydation 8 est faible. Néanmoins, les moyens de piégeage commencent à immobiliser une proportion des particules. Lorsque le moteur 1 s'échauffe progressivement, la température des gaz d'échappement traversant le piège à particules 8 atteint rapidement 300°C en raison de la proximité du dispositif catalyseur d'oxydation 8 par rapport au moteur 1. Le dispositif catalyseur d'oxydation 8 peut présenter deux phases de fonctionnement. Dans une phase de fonctionnement normale, l'essentiel des hydrocarbures a été consommé dans la chambre de combustion du moteur 1, et le catalyseur d'oxydation sert à oxyder les hydrocarbures restants ainsi que les monoxydes de carbone CO et d'azote NO. A la température de 300°C, les monoxydes et dioxydes d'azote NO et NO2 contribuent à oxyder une partie des particules piégées dans le piège à particules 8. Cette régénération à froid est appelée régénération passive . Elle a lieu en permanence. Le catalyseur d'oxydation 8 peut présenter également un deuxième mode de fonctionnement au cours duquel les gaz d'échappement comprennent des hydrocarbures imbrûlés, par exemple des hydrocarbures post-injectés en fin de détente du cycle à combustion du moteur 1. Le catalyseur d'oxydation permet d'oxyder ces hydrocarbures imbrûlés et provoque un élèvement artificiel de la température des gaz d'échappement qui traversent le filtre à particules 9. La température peut atteindre 600°C, et contribue à brûler l'ensemble des particules filtrées dans le filtre à particules 9. Ce deuxième fonctionnement correspond à une phase de régénération active, déclenchée sur commande. Le fait d'avoir le dispositif catalyseur d'oxydation 8 et le dispositif de filtre à particules 9 tous les deux à proximité du moteur 1, permet d'obtenir la température de 300°C plus rapidement et augmente la période de temps au cours de laquelle a lieu la régénération passive. De même, la température de 600°C peut être obtenue avec une consommation d'hydrocarbures post-injectés réduite, ainsi, la régénération active de l'ensemble des particules du filtre à particules 9 peut consommer moins de carburant post-injecté. Dans l'implantation du système de filtration illustré en figure 2, le dispositif catalyseur d'oxydation 8 se situe dans le compartiment moteur 2. Le filtre à particules 9 est déporté le long du collecteur de sortie 12, dans une zone sous le plancher 5. Le filtre à particules 8 est ainsi logé dans une boîte 13 de volume plus faible que la boîte 10 de mode d'implantation précédent. Cela permet de laisser plus de place dans le compartiment moteur 9 pour d'autres organes du véhicule, ou d'augmenter l'habitacle 3 du véhicule. Dans cette implantation, la phase de régénération passive conserve son efficacité en raison de la proximité du dispositif catalyseur d'oxydation 8 par rapport au moteur 1. La régénération active peut être réalisée d'une autre manière que celle décrite dans le mode précédent, par exemple il est possible d'élever artificiellement la température du filtre à particules 9, par exemple, de manière électrique, ou bien en ajoutant un autre catalyseur d'oxydation. Dans le mode d'implantation du système de filtration illustré en figure 3, le dispositif catalyseur d'oxydation 8 et le dispositif de filtre à particules 9 sont disposés dans une même boîte 15 située dans un tunnel 16 du véhicule, par exemple en dessous ou à côté de la boîte de vitesse du groupe motopropulseur 1. Le tunnel 16 assure la transition entre le compartiment moteur 2 et la zone sous plancher 5. Ce mode d'implantation du système de filtration présente l'avantage d'avoir un niveau élevé de régénération passive en raison de la proximité du piège à particules 8 par rapport au moteur 1. De plus, le fait qu'une boîte unique 15 englobe le dispositif catalyseur d'oxydation 8 et le dispositif 9 de filtre à particules, permet de réduire le coût de réalisation et d'assemblage du système de filtration. Enfin, la phase de régénération active utilise le catalyseur d'oxydation présent dans les moyens de piégeage des particules 8. On va maintenant, à l'aide des figures 4 à 6, décrire un mode de réalisation du piège à particules 8, pouvant être logé indifféremment dans les boîtes 10, 13 ou 15 des modes d'implantation décrits précédemment. Le dispositif catalyseur d'oxydation 8 comprend des moyens de piégeage constitués d'une alternance de couches ondulées 17a, 17b, 17c et de supports à fibres métalliques 18a, 18b. Les couches ondulées 17a, 17b, 17c comprennent chacune une feuille métallique 19. Les supports de fibres métalliques 18a, 18b sont en appui sur le sommet des ondulations. Les ondulations sont parallèles les unes aux autres et coïncident par leurs sommets. Les couches ondulées 17a, 17b, 17c forment autant de canaux représentés successivement par 20a, 20b, 20c, parallèles entre eux, alternativement d'un côté ou de l'autre de la feuille métallique 19 et traversés par une portion de fibres métalliques 18a, 18b. Les supports à fibres métalliques 18a, 18b, comprennent chacun un support non tissé imprégné de métaux précieux tels que le platine, le palladium, etc. Les gaz d'échappement s'écoulent, perpendiculairement à la figure 4, le long des canaux 20a, 20b, 20c. Chacun des canaux 20a, 20b, 20c comprennent des moyens de déviation du flux de gaz d'échappement. Les moyens de déviation comprennent une succession d'ailettes 21a, 21b, 21c réparties longitudinalement le long desdits canaux. La figure 5 illustre comment les ailettes 21a, 21b, 21c permettent un mélange du flux de gaz d'échappement traversant les canaux 20a, 20b, 20c. Les ailettes 21a, 21b, 21c sont décalées longitudinalement les unes par rapport aux autres. L'ailette 21b prélève une portion du flux de gaz d'échappement traversant le canal 20b, et le dévie vers, d'une part, le canal 20a, et d'autre part, vers le canal 20c, situé de part et d'autre du canal 20b. I1 en est de même pour les autres ailettes 21a, 21c. L'ailette 21b permet de dévier une partie des gaz s'écoulant dans la partie supérieure du canal 20b, vers le canal 20c. Cette déviation crée une surpression locale dans la partie inférieure du canal 20c et incite les gaz d'échappement chargés en particules à se déposer sur le support de fibres métalliques 18a pour rejoindre la partie supérieure du canal 20c. Comme illustré sur la figure 6, l'ailette 21b dévie une partie des gaz s'écoulant dans le canal 20b pour le mélanger à ceux s'écoulant dans le canal 20c. De même, une ailette 24 dévie une partie de ces gaz pour les mélanger avec ceux d'un canal 22 situé au dessus en déposant des suies sur un support de fibres métalliques 23, parallèle au support 18a. Ainsi, la distribution d'ailettes 21a, 21b, 21c, 24 permet aux gaz d'échappement traversant les canaux 20a, 20b, 20c, 22, d'échanger entre eux une portion du flux gazeux et de forcer celui-ci à déposer les particules sur le support métallique non tissé 18a, 18b, 23 sans pour autant risquer que le piège à particules ne se bouche car aucun des canaux n'est obstrué. Les moyens de piégeage incitent les gaz d'échappement à se décharger d'une partie de leurs particules sans pour autant obstruer le flux d'échappement contrairement au filtre à particules 9. Les particules piégées dans le dispositif catalyseur d'oxydation 8 sont traitées par régénération passive grâce aux métaux précieux imprégnant les fibres métalliques non tissées 18a, 18b, 23. REVENDICATIONS 1. Système de filtration de particules émises par un moteur (1) à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement (6) des gaz de combustion équipée d'un dispositif catalyseur d'oxydation (8) et d'un dispositif de filtre à particules (9) destiné à accumuler des particules des gaz d'échappement et à être régénéré de manière commandé, caractérisé par le fait que le dispositif catalyseur d'oxydation (8) comprend des moyens de piégeage d'une partie des particules des gaz d'échappement et de destruction de ladites partie par l'action du catalyseur, le dispositif de filtre à particules (9) étant disposé en aval du dispositif catalyseur d'oxydation (8) pour être traversé par l'autre partie des particules. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) comprend des moyens de déviation de flux de gaz d'échappement vers des parties en fibre métalliques non tissée imprégnées de matériau catalytique. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) présente en alternance, une série de couches métalliques ondulées (17a, 17b, 17c) avec une série de supports à fibres métalliques non tissées (18a, 18b). 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) comprend une multitude de canaux (20a, 20b, 20c) présentant des ailettes de liaison (21a, 21b, 21c) aptes à dévier les gaz de combustion d'un canal à l'autre. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) et le dispositif de filtre à particules (9) sont assemblés dans une même boîte (10, 15). 6. Véhicule équipé d'un moteur et d'un système de filtration selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) est implanté dans un compartiment moteur (2). 7. Véhicule équipé d'un système de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moteur est équipé d'un turbo compresseur (7), le dispositif catalyseur d'oxydation (8) et le dispositif de filtre à particules (9) étant implantés immédiatement en aval du turbo compresseur (7). 8. Véhicule équipé d'un système de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le filtre à particules (8) est implanté dans une zone sous plancher (5). 9. Véhicule équipé d'un système de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif catalyseur d'oxydation (8) et le filtre à particules (9) sont implantés dans un tunnel (16) de communication entre un compartiment moteur (2) et une zone sous plancher (5). 10. Véhicule selon la revendication 9, dans lequel le moteur est équipé d'un turbo compresseur (7) implanté à proximité du tunnel (16) de véhicule, le dispositif catalyseur d'oxydation (8) étant situé à proximité du turbo compresseur (7).