Brevet FR2951958A1 — publié le 20110506

DEMANDE DE BREVET B09/0292FR / GBO 9766/BR Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Filtre à particules, et dispositif comprenant un tel filtre, pour le traitement des gaz d'échappement Invention de : MATOS Patrick MORAL-MOUADDIB Najat Filtre à particules, et dispositif comprenant un tel filtre, pour le traitement des gaz d'échappement La présente invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement, et en particulier un filtre à particules capable de filtrer les particules émises par un moteur à combustion interne, et de limiter les coûts de régénération. Les moteurs à combustion interne, notamment de type diesel, produisent des suies, ou particules, en raison de leur mode de combustion par auto-inflammation du mélange carburant-air dans la chambre de combustion. Le traitement des suies, ou particules, dans les gaz d'échappement d'un moteur, par exemple diesel, est important pour répondre aux normes anti-pollution Une solution possible au traitement des particules est l'utilisation de filtres à particules. En présence d'oxygène et à une température par exemple de l'ordre de 400°C, les particules retenues par le filtre à particules sont brûlées, notamment par oxydation, dans celui-ci et on obtient ainsi une régénération du filtre à particules. Les matériaux utilisés pour les filtres à particules sont nombreux. Le matériau principalement utilisé est la céramique en nid d'abeille qui peut être en carbure de silicium, en cordiérite, en titanate d'aluminium, etc. Il existe également des filtres à particules métalliques, dont l'efficacité de filtration est plus faible, mais qui présentent une perte de charge plus faible que les filtres en céramique. Les filtres à particules fonctionnement généralement de manière périodique. Durant une première phase, dite de filtration, le filtre piège les particules jusqu'à un niveau de contre-pression donnée ou de masse de suie donnée de manière à maintenir les performances du moteur à sa puissance nominale sans risque d'endommager le filtre. Durant la deuxième phase, dite de régénération, le filtre brûle les particules ainsi accumulées en apportant l'énergie thermique requise pour leur oxydation. Ces deux phases sont mises en oeuvre successivement durant la durée de vie du filtre à particules. Cependant, les filtres à particules actuels présentent généralement un coût élevé. Cela est dû, d'une part, en raison des matériaux les constituant qui ont été mentionnés précédemment (carbure de silicium, cordiérite, etc). D'autre part, afin de diminuer la température d'oxydation des particules piégées, les filtres à particules sont mis en contact avec des additifs. Ces additifs peuvent être des catalyseurs, en général des métaux précieux, compris dans le filtre à particules lui-même, ou bien peuvent être du cérium contenu dans le carburant alimentant le moteur. Dans ce dernier cas, le coût est aussi augmenté par la présence d'un réservoir d'additifs (à base de cérium, fer,...) et de tous les accessoires nécessaires à l'injection de cet additif en quantité voulue dans le carburant. De plus, cet additif conduit également à des résidus qui sont piégés dans le filtre et qui diminuent la performance du moteur en augmentant la contre-pression du filtre à particules. Par ailleurs, les phases de régénération des filtres à particules actuels entraînent également un fonctionnement inapproprié du moteur. Ainsi, pour débuter une phase de régénération, le système de commande du moteur passe d'une injection normale à une injection retardée, dite post-injection, afin de générer des réducteurs en sortie du moteur à combustion. Ces réducteurs vont notamment être brûlés au niveau d'un catalyseur d'oxydation, monté en amont du filtre à particules ou directement dans le filtre à particules, et vont permettre l'obtention d'une augmentation de la température, et donc favoriser la combustion des suies. Cependant, la post-injection provoque une augmentation de la température et une dilution de l'huile par le carburant, qui peuvent entraîner une baisse de la fiabilité du turbocompresseur et d'autres organes mécaniques. De plus, la dilution de l'huile implique que celle-ci devient moins efficace et qu'il est nécessaire de la changer plus souvent. La régénération du filtre à particules peut donc conduire à réduire l'intervalle de vidange. Pour cette raison, la fréquence de régénération du filtre à particules doit être maintenue basse. Enfin, la post-injection implique également une surconsommation de carburant, puisque celui-ci est également utilisé pour augmenter la température du filtre à particules. I1 existe d'autres types de filtres à particules, notamment ceux décrits dans les documents US 5 431 706, US 2004/226274 et US 4 264 344. Cependant, les matériaux décrits dans ces documents, notamment le papier, ne sont pas toujours adaptés aux filtres à particules. Par ailleurs, leur efficacité et leur durée de vie ne sont pas non plus adaptées pour répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles. Un but de l'invention est d'améliorer le traitement des gaz d'échappement. En particulier, un but de l'invention est d'améliorer le traitement des particules émises par le véhicule. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un filtre à particules, notamment pour traiter des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.51um, des fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 201um. Les fibres de verre permettent d'une part d'être compatibles avec les contraintes, notamment de température et de pression, qui règnent dans les gaz d'échappement, et d'autre part, de piéger les différentes granulométries de particules contenues dans lesdits gaz d'échappement grâce à leurs tailles variées spécifiques. Les fibres de verre présentent également un coût faible. Préférentiellement, les fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um comprennent des fibres de diamètre compris entre 0.5 et 1.51um, des fibres de diamètre compris entre 1.51um et 2.51um, et des fibres de diamètre compris entre 4.51um et 5.51um. Les fibres de verre sont capables de résister à des températures comprises entre 450°C et 500°C. Selon un mode de réalisation, le filtre à particules comprend également un liant, de préférence acrylique. Selon un autre mode de réalisation, le filtre à particules comprend également un renfort capable de maintenir les fibres de verre sous forme de feuilles plissées. La densité du filtre peut être comprise entre 50g/m2 et 200g/m2, de préférence entre 75g/m2 et 150g/m2. L'invention concerne également un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant un tel filtre à particules. En particulier, le dispositif de traitement des gaz d'échappement peut comprendre un tel filtre à particules dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance comprise entre 25 000 et 35 000 km. De plus, le dispositif peut être exempt de système de régénération du filtre à particules. Préférentiellement, le filtre à particules est monté de façon amovible dans le dispositif de traitement. En particulier, le dispositif de traitement peut comprendre un dispositif de fixation du filtre à particules, qui permet le retrait et de changement dudit filtre à particules. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et de la figure annexée sur laquelle est illustré, en coupe, un exemple de dispositif de traitement de gaz d'échappement. Sur la figure annexée, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 1 et d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend, par exemple, au moins un cylindre 3, un collecteur d'admission 4, un collecteur d'échappement 5, un circuit de re-circulation des gaz d'échappement 6 muni d'une vanne de re- circulation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 comprend, par exemple, une ligne d'échappement, un filtre à particules 9 et un catalyseur de réduction (en anglais : Selective Catalytic Reduction SCR) 10 monté en aval du filtre à particules 9. Le filtre à particules 9 est monté amovible dans le dispositif de traitement 2. Le filtre à particules 9 peut ainsi être retiré et remplacé facilement, notamment lorsque la quantité de particules piégées entraîne une surpression en amont du filtre à particules, supérieure à une valeur déterminée. Le filtre à particules 9 est choisi d'une part pour piéger les particules émises par le moteur avec une efficacité permettant de respecter les normes d'émission de particules en masse mais également en nombre de particules. D'autre part, le filtre à particules 9 est choisi de manière à limiter les opérations d'entretien à effectuer sur le véhicule. Ainsi, le filtre à particules 9 comprend des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.51um, des fibres de diamètre compris entre 0.5 et 1.51um, des fibres de diamètre compris entre 1.51um et 2.51um, des fibres de diamètre compris entre 4.51um et 5.51um, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 201um. Les fibres de verre résistent de préférence, à une température comprise entre 450°C et 500°C. De telles fibres de verre peuvent être fabriquées de manière classique, selon des procédés connus de l'homme du métier. La densité du filtre à particules 9 est choisie comprise entre 50g/m2 et 200g/m2, de préférence entre 75g/m2 et 150g/m2. Les fibres de verre peuvent être maintenues, par exemple, par un liant chimique. I1 peut s'agir d'un liant de type acrylique choisi de manière à pouvoir résister à une température de 200°C à 250°C par exemple. Un tel liant sera utilisé notamment avec des filtres à particules positionnés en bout de ligne d'échappement, avec des moteurs de petite puissance pour lesquels la température des gaz d'échappement, en bout de ligne d'échappement, est inférieure à 200°C. Dans le cas contraire, si les gaz d'échappement présentent une température supérieure à 200°C, le filtre à particules 9 sera choisi sans liant chimique, mais avec des renforts. Les renforts peuvent être par exemple sous la forme de structure micro-métallique. Les renforts peuvent notamment être capables de maintenir les fibres de verre sous forme de feuilles plissées. Ainsi, le choix des matériaux et la position du filtre à particules 9 seront faits en fonction de la température des gaz d'échappement du véhicule, en fonctionnement. Le filtre à particules 9 est également dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance correspondant à celle de révision ou de maintenance du véhicule. Ainsi, le filtre à particules pourra être dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance comprise, par exemple, entre 25 000 et 35 000 km, ce qui correspond à la distance classique parcourue par un véhicule entre deux vidanges d'huile. Le filtre à particules peut alors être remplacé en même temps que l'huile moteur du véhicule, afin de conserver la même fréquence d'entretien du véhicule et de ne pas engendrer une intervention supplémentaire. Ainsi, en fonctionnement, le filtre à particules 9 se charge des particules émises par le moteur qui est maintenu dans un état de fonctionnement classique. Puis, au bout d'une durée ou d'une distance déterminée, ou lorsque le niveau de particules piégées atteint un seuil déterminé en fonction du filtre 9 (volume du filtre, surface de filtration, perte de charge) et du moteur (émissions de particules, perte de charge admissible), le filtre à particules est remplacé. Ce remplacement intervient notamment lors d'une opération de maintenance du véhicule. Par rapport aux filtres classiques de l'art antérieur qui, entre deux maintenances de véhicule, peuvent mettre en oeuvre fréquemment une procédure de régénération du filtre, avec les conséquences que cela implique au niveau du fonctionnement du moteur et des émissions de gaz, le filtre selon l'invention ne nécessite pas de traitement particulier ou de fonctionnement spécifique du moteur. Au contraire, le filtre à particules 9 est choisi de manière à piéger les particules émises par le moteur sur une durée plus importante, avant d'être remplacé. Le seuil de chargement du filtre à particules 9 est donc supérieur à celui des filtres de l'art antérieur. Ainsi, contrairement aux filtres à particules de l'art antérieur, le filtre à particules 9 n'est pas régénéré par un système embarqué dans le véhicule, mais est remplacé ou régénéré par un système extérieur au véhicule. On obtient ainsi une baisse du coût du système de filtration, grâce d'une part à un matériau filtrant moins cher que les filtres à particules classiques qui nécessitent, pour être régénérés, la présence de métaux précieux, et d'autre part grâce à l'absence de système de régénération embarqué. De plus, comme les particules piégées par le filtre ne sont pas brûlées lors de régénération, il n'y a non plus d'émission de monoxyde de carbone (dû à la combustion incomplète des particules). Enfin, la suppression de l'étape de régénération des particules permet de diminuer la consommation de carburant et de diminuer la dilution du lubrifiant. Les filtres tels que décrits précédemment peuvent ainsi présenter une efficacité de piégeage accrue, tout en limitant les impacts négatifs sur le véhicule, tels que la surconsommation de carburant, la dilution de l'huile ou encore l'augmentation de la fréquence d'entretien du véhicule. Un tel filtre présente également un coût plus faible, notamment en raison de l'absence de système de régénération. Par ailleurs, un tel filtre peut être utilisé dans des véhicules de type poids-lourd, ou bien pour des applications stationnaires nécessitant un traitement des gaz émis. REVENDICATIONS1. Filtre à particules (9), notamment pour traiter des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.51um, des fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 201um. 2. Filtre à particules (9) selon la revendication 1 dans lequel les fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um comprennent des fibres de diamètre compris entre 0.5 et 1.51um, des fibres de diamètre compris entre 1.51um et 2.51um, et des fibres de diamètre compris entre 4.51um et 5.51um. 3. Filtre à particules (9) selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel les fibres de verres sont capables de résister à des températures comprises entre 450°C et 500°C. 4. Filtre à particules (9) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le filtre à particules comprend également un liant, de préférence acrylique, ou un renfort capable de maintenir les fibres de verre sous forme de feuilles plissées. 5. Filtre à particules (9) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la densité du filtre est comprise entre 50g/m2 et 200g/m2, de préférence entre 75g/m2 et 150g/m2. 6. Dispositif de traitement (2) des gaz d'échappement comprenant un filtre à particules (9) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Dispositif de traitement (2) des gaz d'échappement selon la revendication 6 dans lequel le filtre à particules (9) est dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance comprise entre 25 000 et 35 000 km. 8. Dispositif de traitement (2) des gaz d'échappement selon l'une des revendications 6 ou 7, exempt de système de régénération du filtre à particules (9). 9. Dispositif de traitement (2) des gaz d'échappement selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le filtre à particules (9) est monté de façon amovible.