Brevet FR2956329A1 — publié le 20110819

Filtre à particules comprenant une phase catalytique. Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des filtres à particules utilisés dans une ligne d'échappement d'un moteur pour l'élimination des particules. Arrière-plan technologique Les polluants issus de la combustion d'un moteur Diesel ou essence sont majoritairement les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), les oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone CO2), et dans le cas des moteur Diesel et des moteurs à injection directe essence, des particules carbonées, qu'on désignera dans la suite de la description sous l'expression de « suies ». Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et de particules est nécessaire et des technologies de post-traitement des gaz d'échappement sont indispensables. On cherche depuis longtemps des techniques qui permettent de réduire l'émission de ces particules de suies. Le post-traitement des particules de suies peut être réalisé par l'introduction d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur à combustion interne. Les filtres à particules employés dans le domaine automobile comportent le plus souvent des matrices en céramique poreuse intégrant de nombreux canaux. Durant le fonctionnement du moteur à combustion interne, le filtre à particules est soumis à une succession de phase de filtration, pendant laquelle les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement se déposent et s'accumulent dans le filtre à particules, et de phase de régénération pour éliminer les suies par auto-inflammation et conserver ainsi sa pleine efficacité. Pour cela, il est connu de faire appel à un additif du carburant permettant d'abaisser de façon significative la température d'auto-inflammation des suies à une valeur suffisamment basse pour être fréquemment atteinte pendant une marche normale du moteur. Cependant cette technologie nécessite d'embarquer sur le véhicule une quantité suffisante d'additif pour une autonomie de l'ordre de 120 000 kilomètres pour satisfaire les normes environnementales internationales EURO 5 et d'équiper le véhicule d'une pompe d'injection supplémentaire de cet additif dans le réservoir de carburant, cette injection étant effectuée à chaque fois qu'un complément de carburant est réalisé. Cette solution présente donc un surcoût non négligeable lié aux deux équipements majeurs : réservoir et pompe d'injection qui sont indispensables pour cette technologie. Une autre solution consiste à mettre en oeuvre un dispositif connu sous l'appellation de Filtre à Particules Catalysé. Un tel dispositif est composé d'un filtre à particule et d'une phase catalytique déposée dans la porosité des parois filtrantes du filtre. Ces phases catalytiques sont soit à base de platine déposé sur des supports comme l'alumine ou les oxydes cérium-zirconium, soit à base d'oxydes mixtes comme par exemple les oxydes ternaires cérium-zirconium-praséodyme. Les principaux inconvénients de ces filtres catalysés sont d'une part, le surcoût lié à l'utilisation de métaux nobles, et d'autre part pour les oxydes Ce-Zr-Pr par une faible efficacité à basse température, ce qui impose des temps de régénération relativement longs et ce qui se traduit par des surconsommations non négligeables en carburants. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un nouveau filtre à particules économique, efficace à basse température, et permettant de s'affranchir de problème d'intégration sur véhicule d'organes mécaniques supplémentaires. L'invention concerne donc un filtre à particules pour l'épuration des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne comprenant un substrat filtrant en céramique poreuse et une phase catalytique, caractérisé en ce que la phase catalytique est à base de zircone yttriée. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 30 De préférence, la phase catalytique à base de zircone yttriée comprend un pourcentage molaire d'yttrine dans la zircone compris entre 3 et 12% molaire, pour une meilleure conductivité ionique et de préférence encore le pourcentage molaire d'yttrine dans la zircone est de 8 % molaire, pour une bonne efficacité de filtre à particules dès les basses 35 températures, comme le montre le présent mémoire. Le filtre à particule de l'invention peut comprendre une quantité de phase catalytique à base de zircone yttriée comprise entre 50 g/litre et 500 g/litre de filtre à particules et de préférence entre 80 g/litre et 250 g/litre. De préférence, le substrat céramique est choisi parmi le carbure de silicium, l'alumine, le titanate d'aluminium, la cordiérite, par soucis d'économie. Dans une variante, au moins une partie de la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée dans la porosité du substrat filtrant en céramique. Selon une autre variante, le filtre à particules comprenant des canaux d'entrée des gaz d'échappement, au moins une partie de la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée en surface des canaux d'entrée dudit filtre. 15 Le filtre à particules de l'invention est apte à se régénérer par combustion des particules contenues dans ledit filtre dès que celui-ci atteint sensiblement en entrée une température de 300°C, afin de pouvoir être opérationnel rapidement après le démarrage du moteur. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet une ligne d'échappement, caractérisée en ce 20 qu'elle comprend un filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes. Brève description des dessins 25 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est un schéma de la structure interne d'un filtre à particules. 30 - La figure 2 est un graphique présentant l'évolution de la perte de charge d'un filtre à particule selon l'art antérieur lors d'une phase de régénération. - La figure 3 est un graphique présentant l'évolution de la perte de charge d'un filtre à particule de l'invention. 35 Description détaillée10 La figure 1 rappelle schématiquement la structure interne connue en soi d'un filtre 1 à particules. Un filtre à particules comprend généralement un substrat ou support céramique poreux comportant des canaux 2 parallèles. Ces derniers sont obstrués en alternance par des bouchons 3 céramiques de manière à forcer les gaz d'échappement dont le sens de circulation est illustré par les flèches 4 à entrer par des canaux 2a d'entrée, puis traverser les parois séparatrices 5 poreuses pour ressortir par des canaux 2b de sortie des gaz d'échappement. Nous comparons dans ce document les performances d'un filtre à particules B de l'invention par rapport à un filtre à particules A de l'art antérieur. Le filtre à particules A est un filtre à particule connu de l'art antérieur et décrit notamment dans le document WO2009118814. Le filtre à particules A comprend un support céramique en carbure de silicium, SiC, de 400 cpsi (désignant le nombre de canaux par pouce carré, soit 62 canaux par cm2). Le filtre à particule A ne comprend pas de phase catalytique déposée dans la porosité du support céramique. Dans un mode de réalisation préféré et conformément à l'invention, le filtre à particules B de l'invention comprend un support céramique en carbure de silicium et une phase catalytique à base de zircone yttriée, c'est-à-dire de zircone ZrO2 contenant de l'yttrium sous forme d'yttrine de formule chimique Y2O3. La zircone yttriée peut contenir à l'état de traces des composés tel que le chlore, présent dans notre mode de réalisation à hauteur de 600 ppm. De préférence, la phase catalytique est déposée dans la porosité des parois séparatrices poreuses par le procédé d'enduction par forçage encore dénommé selon l'expression anglaise de « slurry forcing method ». Après séchage et calcination, le filtre à particules B de l'invention peut contenir une masse de phase active par unité de volume de filtre à particules comprise entre 50 g/ litre et 500 g/litre de filtre à particules. De préférence, la quantité de phase catalytique déposée dans le filtre à particules de l'invention est comprise entre 80 g/ litre et 250 g/litre de filtre à particules.35 De préférence encore, comme dans ce mode de réalisation, dont la performance est évaluée plus loin, la quantité de phase catalytique déposée dans le filtre à particules B de l'invention est fixée à 180 g de zircone yttriée par litre de filtre à particules. Le pourcentage molaire d'yttrine Y2O3 dans la zircone ZrO2 peut varier de 1 à 25%. Par pourcentage molaire d'yttrine Y2O3 dans la zircone ZrO2, on entend ici le ratio, exprimé en pourcent du nombre de mole de d'yttrine Y2O3, par rapport au nombre de mole de zircone ZrO2 dans la phase catalytique. De préférence, la phase catalytique du filtre à particule B est une zircone yttriée composée d'un pourcentage molaire d'yttrine Y2O3 dans la zircone ZrO2 compris entre 3 et 10% molaire, afin d'obtenir les meilleures conductivités ioniques. De préférence encore, comme dans ce mode de réalisation dont la performance est évaluée plus loin, la phase catalytique du filtre à particule B est une zircone yttriée composée d'un pourcentage molaire d'yttrine Y2O3 dans la zircone de 8 %. Les performances des filtres à particules A et B sont évaluées en suivant un protocole d'évaluation constitué de deux phases : - une phase de chargement du filtre à particules en suies. - une phase de régénération du filtre à particules par combustion des suies. On entend par le terme de régénération le fait que les particules carbonées contenues 25 dans le filtre se consument par combustion dès que la température d'entrée des gaz dans le filtre atteint un seuil critique. Une diminution de la perte de charge dans le filtre est observée dès lors que le filtre se régénère par combustion des particules carbonées. Pour la phase de chargement, une carotte de filtre à particules d'environ 2,5 cm par 7,5 30 cm (1 pouce par 3 pouces) comprenant une face d'entrée des gaz et une face de sortie des gaz est installée en aval d'un brûleur de marque commerciale CAST. Le CAST est un brûleur dont on coupe la flamme afin de générer des particules de carbone. La flamme est générée à partir de la combustion du propane. La taille des particules peut être ajustée en faisant varier le mélange comburant/combustible, ce qui a pour effet de modifier la 35 hauteur de la flamme. Celle-ci est coupée par un gaz inerte comme de l'azote à une hauteur variable. L'ensemble des expériences a été réalisé avec les réglages suivants :20 - débit de propane = 0,06 litres/min, - débit d'air pour la flamme = 1,55 litres/min, - débit d'azote = 7,5 litres/min, - débit d'air de dilution = 6 litres/min, Une partie du flux généré par le CAST chargé en particules, soit environ 15 litres/min, est envoyée dans le filtre à particules associée à 5 litres / min de gaz additionnels composés d'un mélange de NO, CO, 002, C3H6 et C3H8. 10 Dans la phase de régénération les conditions expérimentales sont les suivantes : - Un flux d'air de 10 litres/min traverse les carottes des filtres A et B. A l'état initial la température des gaz mesurée sur la face d'entrée des filtres à particules A et B est de 240°C. - La température des gaz entrant dans les carottes de filtre à particules A et B est ensuite portée de 240 à 450°C en programmations linéaires de température de 20°C/min entre 240 et 360°C et de 5 °C/min de 360 à 450°C. 20 - La perte de charge AP dans le filtre à particules est mesurée en continu, à l'aide de capteurs de pression placés en amont et en aval de la carotte de filtre à particules, pendant toute la durée du chargement et de la régénération. La figure 2 présente sous forme d'un diagramme l'évolution de la perte de charge AP en 25 fonction du temps de programmation de la température des gaz entrant dans la carotte de filtre à particules A de l'art antérieur. La référence 6 désigne la courbe d'évolution de la perte de charge AP, la référence 7 désigne la courbe d'évolution de la température T;nA au niveau de la face d'entrée du filtre à particules A et la référence 8 désigne la courbe d'évolution de la température du four. 30 Comme le montre la figure 2, on observe un début de diminution de la perte de charge AP qui résulte de la combustion des particules carbonées à partir d'une température Tm d'entrée du filtre à particules A d'environ 440°C, cette température étant mesurée au moment de la rupture de pente de la courbe 8 observée environ vers 2,25 heures sur la 35 figure 2 et indiqué par le trait vertical référencé 13 sur la figure 2. 15 La figure 3 présente sous forme d'un diagramme l'évolution de la perte de charge AP en fonction du temps de programmation de la température des gaz entrant dans la carotte de filtre à particules B de l'invention. La référence 9 désigne la courbe d'évolution de la perte de charge AP, la référence 10 désigne la courbe d'évolution de la température T;fB au niveau de la face d'entrée du filtre à particules B et la référence 11 désigne la courbe d'évolution de la température ToutB au niveau de la face de sortie du filtre à particules B de l'invention. Comme le montre la figure 3, on observe un début de diminution de la perte de charge AP qui résulte de la combustion des particules carbonées à partir d'une température de filtre T;nB prise en entrée du filtre à particules B sensiblement de 300°C, cette température étant mesurée au moment de la rupture de pente de la courbe 9 indiqué par le trait vertical référencé 12 sur la figure 3. Dans ce mémoire, le critère de température choisi pour la comparaison des performances des filtres à particules est la température du filtre à particules prise en entrée de celui-ci car c'est l'endroit comme le montre les figures 2 et 3 où la température du filtre est minimum. Le mode de réalisation du filtre à particules B de l'invention n'est pas limitatif. Selon une variante le substrat céramique peut être choisi parmi des céramiques courantes donc économiques comme de préférence l'alumine, le titanate d'aluminium, la cordiérite. Selon une autre variante, la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée en surface des canaux d'entrée des gaz du filtre à particules. La phase catalytique peut alors être déposée par un procédé de trempage (deep-coating) dans une barbotine. Selon une autre variante la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée à la fois dans la porosité du support céramique et à la surface des canaux 2 d'entrée des gaz du filtre 1 à particules. L'invention a pour avantage de proposer un filtre à particules catalytique ne contenant pas de métaux nobles comme le platine, le palladium ou le rhodium et qui présente la particularité de se régénérer par combustion des suies dès que le filtre atteint sensiblement une température T;nB d'entrée de filtre de l'ordre de 300°C. Revendications1. Filtre à particules pour l'épuration des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne comprenant un substrat filtrant en céramique poreuse et une phase catalytique, caractérisé en ce que la phase catalytique est à base de zircone yttriée. 2. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase catalytique à base de zircone yttriée comprend un pourcentage molaire d'yttrine dans la zircone compris entre 3 et 12% molaire. 3. Filtre à particules selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pourcentage molaire d'yttrine dans la zircone est de 8 % molaire. 4. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une quantité de phase catalytique à base de zircone yttriée comprise entre 50 g/litre et 500 g/litre de filtre à particules et de préférence entre 80 g/litre et 250 g/litre. 5. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat céramique est choisi parmi le carbure de silicium, l'alumine, le titanate d'aluminium, la cordiérite. 6. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée dans la porosité du substrat filtrant en céramique. 7. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, le filtre à particules comprenant des canaux (2a) d'entrée des gaz d'échappement, au moins une partie de la phase catalytique à base de zircone yttriée est déposée en surface des canaux (2a) d'entrée dudit filtre. 8. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est apte à se régénérer par combustion des particules contenues dans ledit filtre dès que celui-ci atteint sensiblement en entrée une température (T;fB) de 300 °C. 9. Ligne d'échappement, caractérisée en ce qu'elle comprend un filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes.