Brevet FR2943387A1 — publié le 20100924

CIRCUIT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR COMPORTANT UNE BRANCHE DE RECYCLAGE DES GAZ A BASSE PRESSION ET FILTRE ASSOCIE [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs à combustion, et plus précisément sur le domaine du recyclage des gaz d'un moteur à l'admission (EGR) dans un circuit dit basse pression, et au traitement des gaz recyclés. [0002] Dans un moteur à combustion, il est connu de réintroduire une partie des gaz d'échappement à l'admission du moteur. Cette fonction, de recyclage ou recirculation des gaz d'échappement à l'admission, est communément appelée � EGR �, selon l'acronyme pour l'expression anglophone � Exhaust Gas Recirculation �. La fonction EGR permet, notamment sur des moteur Diesel, de réduire les émissions dans l'atmosphère d'oxydes d'azote (NOx), polluants dont les émissions sont réglementées. [0003] Pour les moteurs suralimentés par un turbocompresseur, il existe deux grandes catégories d'architectures permettant de réaliser la fonction EGR : les architectures dites � haute pression � et les architectures dites � basse pression �. Dans les systèmes EGR à haute pression, les gaz d'échappement destinés à être recyclés sont prélevés en amont de la turbine (les notions d'amont et d'aval étant considérées selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans le circuit d'échappement du moteur) et sont réinjectés en aval du compresseur. C'est actuellement l'architecture la plus communément employée. Dans les systèmes EGR à basse pression, les gaz d'échappement destinés à être recyclés sont prélevés en aval de la turbine et du système de dépollution (en général à la sortie du filtre à particule) et sont réinjectés en amont du compresseur. [0004] La recirculation des gaz d'échappement à basse pression permet une meilleure récupération d'énergie par le turbocompresseur, qui est traversé par l'ensemble du flux des gaz d'échappement, et garantit un meilleur remplissage des cylindres du moteur, car les gaz d'échappement réintroduit à l'admission sont naturellement plus froid que dans le cadre de l'EGR à haute pression. [0005] Cependant, dans une architecture EGR à basse pression, il est nécessaire de disposer un filtre à particules en amont du piquage de prélèvement des gaz destinés à être recyclés ou sur la boucle EGR basse pression, dans la mesure ou des particules pourraient endommager ou dégrader le fonctionnement de la turbine en amont de laquelle elles seraient réintroduites. Si les particules sont ainsi supprimées des gaz recyclés lors d'un fonctionnement normal du moteur et de ses moyens de dépollution, une défaillance du filtre à particule pourrait entrainer des défaillances en chaine, notamment au niveau du turbocompresseur. En particulier, si le filtre à particule se fissure, des particules de suies peuvent s'en échapper et passer dans le circuit EGR. En outre, avec le vieillissement du filtre, notamment du fait des importantes contraintes thermiques qu'il subit, un certain nombre de débris, et notamment des particules de silicium, peuvent s'en détacher. [0006] C'est pourquoi, il est connu, notamment au travers de la demande de brevet DE102006038706, d'équiper la branche du circuit EGR d'un moyen pour piéger les débris pouvant s'échapper du filtre principal. Cependant, un filtre additionnel tel que divulgué par cette demande de brevet présente une porosité telle qu'il piège les débris issus du filtre mais laisse passer les éventuelles suies. S'il améliore la protection du turbocompresseur, un tel dispositif est inefficace dans le cas ou le filtre principal serait fissuré et laisserai s'échapper de la suie, même en faible quantité, suie qui pourrait dégrader prématurément le bon fonctionnement de la turbine du turbocompresseur. [0007] L'application d'un filtre de porosité moindre, tel qu'il puisse filtrer efficacement les particules de suie, serait également problématique. Dans l'architecture connue, un tel filtre serait nécessairement de petite taille pour s'adapter au circuit EGR, et serait donc rapidement colmaté par les suies. [0008] D'une façon générale, la présence d'un tel piège pour les particules de suie et/ou pour les particules issues du vieillissement du filtre est problématique, car, d'une part le piège peut se colmater, ce qui empêche la réalisation de la fonction de recyclage des gaz d'échappement, ou, avant colmatage, le piège peut générer une perte de charge telle qu'elle empêche le bon fonctionnement du système. [0009] Par ailleurs, l'intégration d'un filtre dans le circuit EGR est problématique quant à son implantation, notamment dans le cadre d'une application automobile dans laquelle les volumes fonctionnels disponibles pour l'intégration d'un tel dispositif sont difficiles à dégager. [0010] L'invention tend à résoudre ces problèmes en proposant une architecture de filtre pour circuit EGR et un filtre adapté, permettant de limiter le risque de colmatage que ce soit par des suies ou des débris issus du filtre à particule de la ligne d'échappement et de limiter la perte de charge générée dans le circuit EGR. [0011] Plus précisément, l'invention porte sur un circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion suralimenté, comportant une branche principale présentant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, une turbine d'un turbocompresseur et un filtre à particules de suie, et une branche secondaire de recyclage de gaz d'échappement, entre l'aval du filtre à particules et le circuit d'admission du moteur en amont du compresseur du turbocompresseur, caractérisé en ce que ladite branche secondaire est raccordée à la branche principale par un raccord annulaire, dans lequel est positionné un filtre de type annulaire pour la filtration des gaz recyclés. [0012] L'inventeur a constaté que l'emploi d'un filtre annulaire permet, par rapport à un filtre classique, de gagner tant en capacité de stockage que sur la perte de charge générée. Typiquement, sur une application automobile Diesel, en prenant en compte les contraintes d'implantation du système, on pourrait passer d'un filtre classique dans la ligne EGR présentant une capacité de stockage de 2,5 cm3 pour une perte de charge de 35 mbar quand le filtre est colmaté à un filtre annulaire présentant une capacité de stockage de 5 cm3 pour une perte de charge de 20 mbar quand le filtre est colmaté. L'invention permet notamment d'obtenir une architecture comportant un filtre dans la branche EGR présentant une capacité de stockage de 4 à 6 cm3, tout en générant une faible perte de charge, même lorsque le filtre est colmaté. Bien évidemment, le raccord annulaire dans lequel est disposé le filtre annulaire est tel qu'il ménage un espace tout autour de la surface périphérique du filtre, permettant à ce dernier d'être traversé radialement par le flux des gaz. [0013] De préférence, le filtre à particules et le filtre annulaire sont contenus dans une enveloppe unique formant le raccord annulaire. Notons que l'on utilise généralement le terme anglophone � canning � pour désigner une enveloppe contenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement, tel un catalyseur ou un filtre à particule. Par l'emploi d'un canning ù ou enveloppe ù unique, on peut optimiser l'implantation du filtre annulaire, dans un espace autour de la branche principale du circuit déjà dédié à l'accueil de moyen de traitement des gaz, et par ailleurs, positionner l'entrée de la branche EGR le plus proche possible de la sortie du filtre à particules de la branche principale, ou , le plus près du moteur. [0014] De préférence, l'enveloppe unique contient en outre un catalyseur d'oxydation. Ceci permet d'obtenir un ensemble unique permettant un traitement poussé des gaz d'échappement, pour de nombreux polluants, et notamment les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone, les particules, etc. [0015] Dans une variante, le filtre annulaire présente une forme extérieure d'un cylindre tronqué selon un plan parallèle à l'axe de révolution du cylindre. Cette forme particulière permet de peu limiter la capacité totale de stockage du filtre, tout en abaissant significativement la perte de charge générée par le filtre lorsqu'il n'est pas colmaté par de la suie ou des débris. [0016] De préférence, le plan de troncature du cylindre est positionné face à l'entrée d'un conduit de la branche secondaire dans raccord annulaire contenant le filtre annulaire. Ainsi, les gaz d'échappement vont relativement librement traverser le filtre annulaire à l'endroit où sa paroi est la moins épaisse afin de se diriger directement vers la sortie du raccord annulaire, c'est-à-dire l'entrée du conduit de la branche secondaire. Avec un filtre neuf, ou non colmaté, la perte de charge est faible. Si des particules ou des débris sont piégés par le filtre dans la zone de faible épaisseur du filtre, la perte de charge générée dans cette zone va augmenter et le flux des gaz se répartira plus régulièrement dans le filtre annulaire. On perd alors en partie le bénéfice de la faible perte de charge, mais on obtient au pire la perte de charge générée par un filtre annulaire classique, et la capacité globale de stockage du filtre n'est que peu impactée. [0017] De préférence, le filtre annulaire et le filtre à particules présentent des porosités sensiblement égales. Une telle porosité permet d'assurer la filtration des débris issus du filtre à particules de la branche principale, mais aussi des éventuelles particules s'échappant d'un filtre défaillant sur la branche principale. [0018] L'invention porte également sur un filtre annulaire pour circuit selon l'invention, présentant la forme extérieure d'un cylindre tronqué selon un plan parallèle à l'axe de révolution du cylindre. Cette forme particulière permet de peut limiter la capacité totale de stockage du filtre, tout en abaissant significativement la perte de charge générée par le filtre lorsqu'il n'est pas colmaté par de la suie ou des débris. [0019] De préférence, le filtre annulaire présente une capacité de stockage comprise entre 4cm3 et 6cm3. Ce volume permet de répondre aux besoins d'une application automobile diesel classique. [0020] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0021] La figure 1 présente schématiquement l'architecture générale d'un circuit d'échappement conforme à l'invention. [0022] La figure 2 présente schématiquement une coupe d'une enveloppe unique, élément d'un circuit conforme à l'invention. [0023] La figure 3 présente schématiquement une coupe d'une enveloppe unique formant un raccord annulaire selon l'invention, selon le plan A-A représenté en figure 2. [0024] La figure 4 présente schématiquement une coupe analogue à celle de la figure 3, dans le cadre d'un raccord annulaire contenant un filtre selon son mode de réalisation préférentiel. [0025] Sur la figure 1, un moteur à combustion interne 1 est équipé d'un circuit de traitement et d'évacuation présentant une branche principale 2 et est équipé d'une ligne d'admission 3. Le moteur est équipé d'un turbocompresseur 4 présentant une turbine 41 et un compresseur 42. Le circuit d'échappement ici représenté comporte un catalyseur d'oxydation 5, et un filtre à particules 6. En aval du filtre à particule 6 (la notion d'aval étant considérée selon le sens du flux des gaz d'échappement), est disposée une branche secondaire 7, permettant de recycler une partie des gaz d'échappement à l'admission du moteur 1, en amont du compresseur 42 du turbocompresseur 4. Cette branche secondaire 7 constitue donc un circuit EGR, et plus précisément un circuit EGR à basse pression. Le flux des gaz dans le circuit EGR est régulé à l'aide d'une vanne EGR 8. Dans l'invention la branche secondaire 7 est raccordée à la branche principale 2 par un raccord annulaire, et un filtre de type annulaire 9 pour la filtration des gaz recyclés est positionné à l'entrée de la branche secondaire 7 dans le raccord annulaire. [0026] De manière préférentielle, les différents moyens de traitement des gaz d'échappement peuvent être réunis dans un canning ou enveloppe unique, c'est-à-dire dans une même enveloppe généralement métallique. Ce cas de figure est présenté en figure 2. La branche principale 2 du circuit débouche dans l'enveloppe unique 10. Dans la variante ici représentée, un catalyseur d'oxydation 5 est positionné dans l'enveloppe 10, suivi d'un filtre à particules 6. Le filtre annulaire pour la filtration des gaz EGR est positionné dans la même enveloppe 10, en aval du filtre à particule, à l'entrée de la branche secondaire 7. Dans la mesure ou la filtration par le filtre annulaire se fait selon les directions radiales du filtre, une paroi 101 est ménagée dans l'enveloppe unique 10 afin de maintenir le filtre annulaire et de définir un espace annulaire 71 autour du filtre. [0027] La figure 3 présente une vue en coupe de l'enveloppe unique 10, selon le plan AA représenté sur la figure 2, c'est-à-dire au niveau du filtre annulaire 9 et de l'entrée de la branche secondaire 7. Dans cette zone, c'est l'espace intérieur 91 du filtre annulaire 9 qui sert de passage au flux principal des gaz d'échappement, et forme en cela la branche principale 2 du circuit en ce point. La filtration d'une partie des gaz d'échappement est réalisée lors de leur passage radial de l'espace intérieur 91 à l'espace annulaire 71 ménagé par l'enveloppe 10 autour du filtre annulaire 9. Une fois filtrés, les gaz passés dans l'espace annulaire 71 sont recyclés vers l'admission du moteur via un conduit de la branche secondaire 7. [0028] La figure 4 présente une vue en coupe analogue à celle présentée en figure 3, mais mettant en jeu un filtre annulaire de forme particulière, optimisée dans l'invention. Le filtre annulaire 9 présente une forme extérieure d'un cylindre tronqué selon un plan 92 parallèle à l'axe du cylindre. On oriente préférentiellement ce plan vers l'entrée de la conduite secondaire 7. Ce faisant, au prix d'une faible perte en capacité de stockage, du fait d'un volume moindre du filtre, on réduit fortement la perte de charge engendrée par le filtre annulaire 9. En effet, les gaz vont préférentiellement traverser le filtre selon la direction D, de sorte à rejoindre le plus directement possible l'entrée de la branche secondaire 7. En disposant le filtre annulaire 9 de sorte que le plan 92 soit en regard de l'entrée de la branche secondaire 7, les gaz traverseront le filtre préférentiellement dans la zone où son épaisseur est la plus faible, ce qui entraine une perte de charge moindre. [0029] Puisqu'en l'absence de défaillance du filtre à particule 6 présent dans la branche principale 2, les gaz passant au travers du filtre annulaire ont déjà été filtrés et sont donc quasiment exempts de particules (aux particules issues du vieillissement du filtre à particules près), le filtre annulaire n'est normalement pas soumis à un colmatage rapide, et on bénéficie d'une faible perte de charge lors du fonctionnement normal du dispositif. Si, par contre, les gaz traversant le filtre annulaire sont fortement chargés en particules, suite par exemple à une défaillance du filtre à particules 6 présent dans la branche principale, le filtre annulaire va bien évidemment se colmater en premier dans la zone en regard de l'entrée de la branche secondaire 7, et l'on perdra le bénéfice de la très faible perte de charge lorsque le filtre était vide, mais la perte de charge restera néanmoins acceptable et le filtre se comportera comme un filtre annulaire classique (non tronqué), et son volume de stockage restant se remplira progressivement. [0030] L'invention permet ainsi la mise en place d'un dispositif de filtration des gaz de la branche EGR à basse pression d'un circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, afin de protéger le moteur et ses périphériques, et notamment le compresseur d'un turbocompresseur, d'éventuelles particules ou débris issus d'un filtre à particules. En proposant l'utilisation d'un filtre de type annulaire, l'invention présente une solution offrant à la fois une faible génération de perte de charge dans le circuit EGR et une capacité de stockage largement supérieure à celle que pourrait offrir un filtre standard positionné dans la branche EGR. En outre, en positionnant le filtre annulaire dans un raccord annulaire positionné sur la branche principale du circuit, à l'entrée de la branche secondaire (branche EGR), l'invention présente une solution d'implantation simple et présentant en outre une synergie avec les architectures de circuit d'échappement existantes. En positionnant le filtre annulaire dans la même enveloppe que le filtre à particules de la branche principale du circuit, la synergie des moyens mis en jeu est d'autant plus importante. Enfin, par le développement d'un filtre annulaire à la géométrie adaptée d'une part, et par son positionnement adéquat dans le circuit d'autre part, l'invention permet de réduire très significativement les pertes de charges, néfastes au bon retour des gaz vers l'admission. Revendications: 1. Circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1) suralimenté, comportant une branche principale (2) présentant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, une turbine (41) d'un turbocompresseur (4) et un filtre à particules de suie (6), et une branche secondaire (7) de recyclage de gaz d'échappement, entre l'aval du filtre à particules (6) et le circuit d'admission (3) du moteur (1) en amont du compresseur (42) du turbocompresseur (4), caractérisé en ce que ladite branche secondaire (7) est raccordée à la branche principale (2) par un raccord annulaire, dans lequel est positionné un filtre de type annulaire (9) pour la filtration des gaz recyclés. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre à particules (6) et le filtre annulaire (9) sont contenus dans une enveloppe unique (10) formant le raccord annulaire. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe unique (10) contient en outre un catalyseur d'oxydation (5). 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre annulaire (9) présente une forme extérieure d'un cylindre tronqué selon un plan parallèle à l'axe de révolution du cylindre. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plan de troncature du cylindre est positionné face à l'entrée d'un conduit de la branche secondaire (7) dans le raccord annulaire contenant le filtre annulaire (9). 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre annulaire (9) et le filtre à particules (6) présentent des porosités sensiblement égales. 7. Filtre annulaire (9) pour circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente la forme extérieure d'un cylindre tronqué selon un plan parallèle à l'axe de révolution du cylindre. 8. Filtre annulaire (9) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il présente une capacité de stockage comprise entre 4cm3 et 6cm3.