Brevet FR2947001A1 — publié le 20101224

PROTECTION THERMIQUE D'UN FILTRE A PARTICULES [0001] L'invention concerne les filtres à particules, et en particulier les procédés de régénération d'un filtre à particules par injection de gazole à l'échappement ou par toute autre disposition permettant notamment d'augmenter la température des gaz d'échappement lors de la régénération du filtre. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules et du dioxyde de carbone). Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. [0003] Une grande partie des polluants générés par un moteur à combustion interne est due à une combustion incomplète du carburant. Une première stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réduire la quantité des polluants pénétrant dans la ligne d'échappement. Une deuxième stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réaliser un post-traitement des gaz traversant la ligne d'échappement. [0004] Pour réaliser un post-traitement, la plupart des véhicules sont désormais équipés d'un convertisseur catalytique comprenant un catalyseur d'oxydation (pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) et un catalyseur de réduction (pour réduire les oxydes d'azote). [0005] Le catalyseur d'oxydation est constitué par un boîtier monté dans la ligne d'échappement. Le boîtier renferme un support ou substrat revêtu d'un matériau actif. Le substrat est généralement constitué d'un corps monolithique en céramique en forme de nid d'abeille formant des canaux destinés à être traversés par les gaz d'échappement. Les principaux composants du corps sont généralement de l'alumine ou des alumino-silicates dopés par de la zircone (cordiérite, mullite, mullite-zircone). Le revêtement en matériaux actifs peut être composé de métaux précieux combinés tels que le platine, le palladium ou le rhodium. [0006] Du fait que les moteurs diesel produisent une plus grande quantité de particules, les lignes d'échappement incluent le plus souvent un filtre à particules destiné à piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies ou de gouttelettes d'huile. Pour éviter l'encrassement du filtre à particules, celui- ci doit être régénéré épisodiquement par brûlage des particules piégées. Le brûlage est réalisé par augmentation de la température des gaz d'échappement au-delà de 550°C. [0007] Afin de mettre en oeuvre ce brûlage de façon optimale, une première approche comprend l'ajout d'un additif tel que du sel de Cérium dans le carburant 10 pour abaisser la température de combustion des suies à 450°C. [0008] Selon une seconde approche, on élève la température des gaz d'échappement par différents moyens, dont un consiste à injecter directement du gazole dans les gaz d'échappement. La combustion de ce gazole au sein d'un catalyseur d'oxydation en amont du filtre permet de chauffer les gaz d'échappement 15 et de porter transitoirement le filtre à 600°C. Cette température doit être régulée pour maintenir une température la plus stable possible, afin d'assurer une régénération rapide et efficace. [0009] Pour déclencher une régénération du filtre à particules, on mesure généralement la perte de charge à l'intérieur du filtre à particules en mesurant la 20 pression en amont et en aval. Lorsque la perte de charge dépasse un seuil, on considère que le filtre à particules a accumulé une quantité de suies suffisante et la régénération du filtre à particules est initiée. [0010] La composition et les propriétés des carburants à combustion interne sont variables. La composition d'hydrocarbures d'origine fossile distribués au public n'est 25 jamais connue très précisément. Cette composition peut ainsi influer sur le fonctionnement du moteur. Le pouvoir calorifique des suies et leur vitesse de combustion (liés à leur densité ou à leur imprégnation en éléments autres que des résidus de combustion du carburant) peuvent varier de façon imprévisible. De plus, durant une phase de régénération, les conditions de roulage du véhicule 30 (déplacement dans un embouteillage ou sur autoroute par exemple) peuvent induire des variations importantes de la température et de la composition des suies à l'intérieur du filtre. Des fuites d'huile au niveau du turbocompresseur, des anomalies de fonctionnement des injecteurs de carburant ou des variations de paramètres de combustion du moteur ont également une incidence sur la composition et la quantité des suies. Par conséquent, la température à l'intérieur du filtre à particules durant la combustion des suies ne peut pas être anticipée très précisément. [0011] En pratique, le gradient de température doit être limité durant la phase de régénération afin d'éviter d'endommager le filtre à particules. Le coeur et l'enveloppe du filtre à particules sont sensiblement à la même température et peuvent tous deux être endommagés par une température ou un gradient excessifs. hors d'une accumulation localisée et incontrôlée de suie, la perte de charge peut être telle que la combustion est maintenue jusqu'à un phénomène d'emballement. Durant un emballement, les suies se consument avec une très grande vitesse et peuvent induire une très forte hausse de température à l'origine de la destruction de la céramique du filtre à particule ou de l'enveloppe métallique la contenant. [0012] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif adapté pour être disposé dans le prolongement d'un support alvéolaire du filtre à particules, ce dispositif comprenant un conduit dans lequel un siège est ménagé, un obturateur, et une liaison fusible maintenant l'obturateur écarté du siège, l'obturateur étant apte à venir en butée avec le siège pour accroître la perte de charge dans le conduit lors de la fusion de la liaison fusible. [0013] Selon une variante, l'obturateur est maintenu en vis-à-vis du siège par la liaison fusible et est apte à coulisser par rapport au conduit suite à la fusion de la liaison fusible. [0014] Selon encore une variante, la température de fusion de la liaison fusible 25 est inférieure à la température de fusion de l'obturateur. [0015] Selon une autre variante, l'obturateur est dimensionné pour bloquer l'écoulement dans le conduit lorsqu'il vient en butée contre le siège. [0016] Selon encore une autre variante, l'obturateur est dimensionné pour permettre un écoulement de fuite dans le conduit lorsqu'il vient en butée contre le 30 siège. [0017] Selon une variante, le dispositif comprend une pluralité de conduits adjacents dans lesquels un siège respectif est ménagé et dans lesquels un obturateur est maintenu écarté d'un siège associé par l'intermédiaire d'une liaison fusible respective. [0018] L'invention porte également sur un circuit d'échappement comprenant un dispositif de protection tel que décrit ci-dessus et un filtre à particules muni d'un support alvéolaire en céramique, le dispositif de protection étant disposé dans le prolongement de ce support alvéolaire. [0019] Selon une variante, la température de fusion de la liaison fusible est inférieure à une température induisant une destruction du support alvéolaire. [0020] Selon encore une variante, le dispositif de protection est disposé en aval du support relativement à l'écoulement de gaz d'échappement. [0021] Selon encore une autre variante, le circuit d'échappement comprend une enveloppe métallique à l'intérieur de laquelle le filtre à particules et le dispositif de protection sont logés, l'inertie thermique de la liaison fusible étant très inférieure à l'inertie thermique d'une partie de l'enveloppe entourant le dispositif de protection. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur et d'une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules ; • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un filtre à particules muni d'un dispositif de protection selon un mode de réalisation de l'invention ; • les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversales du filtre à particules de 25 la figure 2 ; • la figure 5 est une vue en coupe d'un filtre à particules muni d'une variante du dispositif de protection. [0023] L'invention propose de placer un dispositif de protection d'un filtre à particules dans le prolongement du support alvéolaire de ce filtre. Une liaison fusible 30 maintient un obturateur écarté d'un siège à l'intérieur d'un conduit d'écoulement de gaz d'échappement. Lors de la fusion de la liaison fusible, l'obturateur vient en butée contre le siège pour accroître la perte de charge dans l'écoulement de gaz à travers le conduit. [0024] Ainsi, on peut d'une part générer une perte de charge dans l'écoulement perturbant suffisamment les performances du moteur pour être détectée par l'utilisateur. Celui-ci sera donc incité à conduire son véhicule chez un garagiste pour remédier à l'origine de la panne avant de provoquer une aggravation de l'état du véhicule. D'autre part, le support céramique du filtre à particules ainsi que l'enveloppe métallique de ce filtre seront mécaniquement protégés contre les risques d'emballement. [0025] La figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion 1 accolé à une ligne d'échappement 2. La ligne d'échappement 2 comprend un collecteur d'échappement 3 communiquant avec un convertisseur catalytique 4. La ligne d'échappement 2 comprend également un filtre à particules raccordé en aval du convertisseur catalytique 4. Le convertisseur catalytique 4 comprend un catalyseur d'oxydation pouvant être sélectivement alimenté en carburant par les gaz d'échappement pour procéder à la régénération du filtre à particules 5. [0026] La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un filtre à particules 5 muni d'un dispositif de protection 6. Le filtre à particules 5 comprend un support alvéolaire 51 en céramique. Ce support alvéolaire en céramique 51 est logé à l'intérieur d'une enveloppe métallique 52. L'enveloppe 52 présente une section sensiblement cylindrique entourant la majeure partie du support 51 et du dispositif 6. Au niveau de son extrémité aval, l'enveloppe 52 présente un rétrécissement jusqu'à une section dans laquelle un orifice de sortie 53 est ménagé. [0027] Le dispositif de protection 6 comprend un conduit 64 destiné à conduire l'écoulement des gaz d'échappement entre le support 51 et l'orifice 53. Ce conduit 64 est disposé-en aval du support 51. Afin d'éviter un écoulement de gaz entre le conduit 64 et l'enveloppe 52, un joint périphérique 67 est interposé entre le support 51 et le conduit 64. Le conduit 64 présente trois ailettes 63 faisant saillie radialement vers l'intérieur. Le dispositif de protection 6 comprend un obturateur 61 ajusté par rapport aux ailettes 63 pour pouvoir coulisser dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement. Les ailettes présentent une face de guidage inclinée facilitant l'insertion de l'obturateur 61 entre elles. Les ailettes présentent également une face de guidage parallèle à la direction d'écoulement afin de guider l'obturateur 61 en coulissement. [0028] Le conduit 64 présente un rétrécissement 65 au niveau de son extrémité aval. Le rétrécissement 65 est en appui contre l'enveloppe métallique 52 pour permettre le calage axial du dispositif 6. L'extrémité aval 66 du conduit 64 forme un alésage. Cet alésage présente un diamètre légèrement supérieur au diamètre de l'orifice de sortie 53. Cet alésage présente une section apte à retenir l'obturateur 61 lorsque celui-ci vient en contact. L'extrémité 66 forme ainsi un siège pour l'obturateur 61. [0029] Le dispositif de protection 6 comprend également une liaison fusible 62. La liaison fusible 62 maintient l'obturateur 61 écarté du siège formé par l'extrémité 66. L'obturateur 61 est alors maintenu en vis-à-vis du siège. Dans cette position, la perte de charge générée par l'obturateur 61 est minimale et ne perturbe donc pas le fonctionnement du moteur 1. Au niveau de sa partie aval, la liaison fusible 62 présente un épaulement venant en butée contre le siège formé par l'extrémité 66. La liaison fusible 62 présente une extrémité aval traversant l'alésage de l'extrémité 66 et venant se loger dans l'orifice de sortie 53 pour assurer son maintien en position. La liaison fusible 62 peut être soudée à l'obturateur 61 afin de maintenir celui-ci en place entre les ailettes 63. [0030] Lorsque la température des gaz d'échappement dépasse une température prédéfinie, la liaison fusible 62 fond. Après la fusion de la liaison 62, l'obturateur 61 peut coulisser axialement en direction du siège formé par l'extrémité 66. Lorsque l'obturateur 61 vient en contact avec ce siège, il génère une forte perte de charge pour l'écoulement des gaz d'échappement. Une éventuelle réaction d'emballement est sensiblement réduite du fait d'une baisse du débit d'écoulement et donc de la quantité d'oxygène disponible. Les différents composants du filtre à particules 5 sont donc protégés. De plus, le fonctionnement du moteur 1 est alors altéré, ce qui incite le conducteur à amener le véhicule chez un garagiste avant de risquer une grave détérioration du filtre à particules. On pourra soit prévoir que l'obturateur 61 en butée contre le siège induise une forte perte de charge en permettant un écoulement de fuite, soit qu'il induise un blocage de l'écoulement. [0031] L'obturateur 61 présente de préférence une forme profilée pour présenter une faible perte de charge à l'écoulement des gaz d'échappement en fonctionnement normal. L'obturateur 61 de l'exemple a une forme sphérique limitant la perte de charge lorsqu'il est maintenu écarté du siège 66. L'obturateur 61 a une forme creuse afin de limiter son poids. L'obturateur 61 est avantageusement réalisé en acier inoxydable afin d'accroître sa résistance mécanique, sa résistance thermique et sa résistance à l'oxydation. [0032] La liaison fusible 62 présente plusieurs fines ailettes placées dans le conduit 64. Ainsi, son inertie thermique est très faible et sa surface de contact avec les gaz d'échappement est très importante. Ainsi, l'élément de liaison 62 suit très rapidement la température des gaz d'échappement. La température de fusion de la liaison fusible 62 est avantageusement inférieure à la température de fusion de l'obturateur 61 ou de l'enveloppe 52. Si la température de fusion de la liaison 62 est proche de celle de l'obturateur 61 ou de l'enveloppe 52, son inertie thermique est avantageusement dimensionnée pour garantir sa fusion avant celle de l'obturateur 61 ou de l'enveloppe 52. On prévoira notamment que l'inertie thermique de la partie de l'enveloppe entourant le dispositif de protection 6 présente une inertie thermique très supérieure à celle de la liaison 62. La température de fusion de la liaison 62 est avantageusement inférieure à la température de destruction du support 51, afin de protéger de façon optimale le filtre à particules 5. La liaison fusible 62 pourra être calibrée, par exemple par l'intermédiaire de l'écartement qu'elle définit entre le siège et l'obturateur 61, pour présenter un temps de fusion connu à l'avance à une température donnée des gaz d'échappement. Ainsi, pendant cette durée connue, la perte de charge sera croissante durant la fusion de la liaison 62, pour éviter une dégradation trop brusque des performances du moteur 1. La liaison 62 pourra ainsi à l'origine écarter l'obturateur 61 du siège d'une longueur comprise entre 10 et 30mm et avantageusement comprise entre 15 et 25mm. La liaison 62 pourra par exemple être réalisée en cuivre. [0033] Le dispositif de protection 6 est avantageusement disposé en aval du support 51. Ainsi, le support 51 n'est pas déterioré par les résidus de fusion de la liaison 62. De plus, un obturateur 61 d'une dimension réduite permet lors de la fusion de la liaison 62. de générer une forte perte de charge au niveau d'un rétrécissement se trouvant par construction au niveau de l'orifice de sortie 53 L'obturateur 61 ne génèrera par contre qu'une perte de charge réduite en fonctionnement normal. Le dispositif de protection 6 pourra être démonté et changé si besoin par ouverture de l'enveloppe 52 comme cela serait réalisé pour changer le support en céramique 51. [0034] La figure 5 représente une variante d'un dispositif de protection. Dans cette variante, on utilise une pluralité d'obturateurs 61. Le dispositif comprend également une pluralité de conduits 68. En l'occurrence, les conduits sont formés dans une structure en nid d'abeille. L'extrémité amont des conduits 68 est accolée au support 51. Ainsi, les écoulements de gaz d'échappement sortant du support 51 ne communiquent pas avant d'atteindre l'extrémité aval des conduits 68. La plupart des conduits 68 présentent un siège (non illustré) au niveau de leur extrémité aval. Chaque obturateur 61 est maintenu écarté en vis-à-vis d'un siège à l'intérieur d'un conduit. Chaque obturateur est maintenu fixé à la paroi de son conduit 68 par l'intermédiaire de liaisons fusibles 69.15 REVENDICATIONS1. Dispositif de protection (6) d'un filtre à particules (5), caractérisé en ce que le dispositif est adapté pour être disposé dans le prolongement d'un support alvéolaire (51) du filtre à particules et comprend un conduit (64) dans lequel un siège (66) est ménagé, un obturateur (61), et une liaison fusible (62) maintenant l'obturateur écarté du siège, l'obturateur étant apte à venir en butée avec le siège pour accroître la perte de charge dans le conduit (64) lors de la fusion de la liaison fusible. 2. Dispositif de protection (6) d'un filtre à particules selon la revendication 1, dans lequel l'obturateur (61) est maintenu en vis-à-vis du siège (66) par la liaison fusible (62) et est apte à coulisser par rapport au conduit (64) suite à la fusion de la liaison fusible. 3. Dispositif de protection d'un filtre à particules selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température de fusion de la liaison fusible (62) est inférieure à la température de fusion de l'obturateur (61). 20 4. Dispositif de protection d'un filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'obturateur (61) est dimensionné pour bloquer l'écoulement dans le conduit (64) lorsqu'il vient en butée contre le siège. 5. Dispositif de protection d'un filtre à particules selon la revendication 1 ou 2, 25 dans lequel l'obturateur (61) est dimensionné pour permettre un écoulement de fuite dans le conduit (64) lorsqu'il vient en butée contre le siège (66). 6. Dispositif de protection d'un filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de conduits (68) adjacents 30 dans lesquels un siège respectif est ménagé et dans lesquels un obturateur est15maintenu écarté d'un siège associé par l'intermédiaire d'une liaison fusible respective. 7. Circuit d'échappement comprenant un dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes et un filtre à particules (5) muni d'un support alvéolaire en céramique (51), le dispositif de protection (6) étant disposé dans le prolongement de ce support alvéolaire. 8. Circuit d'échappement selon la revendication 7, dans lequel la température de fusion de la liaison fusible (62) est inférieure à une température induisant une destruction du support alvéolaire (51). 9. Circuit d'échappement selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le dispositif de protection (6) est disposé en aval du support (51) relativement à l'écoulement 15 de gaz d'échappement. 10. Circuit d'échappement selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, le circuit d'échappement comprenant une enveloppe métallique (52) à l'intérieur de laquelle le filtre à particules (5) et le dispositif de protection (6) sont logés, 20 l'inertie thermique de la liaison fusible étant très inférieure à l'inertie thermique d'une partie de l'enveloppe (52) entourant le dispositif de protection.