Brevet FR2990721A1 — publié le 20131122

FILTRE A PARTICULES [0001] L'invention concerne les filtres à particules, notamment ceux équipant les lignes d'échappement de moteurs thermiques, et plus particulièrement les lignes d'échappement de moteurs thermiques de véhicules du type véhicule automobile. [0002] Les moteurs thermiques de type essence ou diesel produisent des particules, l'émission de particules étant généralement plus importante dans le cas des moteurs diesel que dans celui des moteurs essence. De fait, les lignes d'échappement de moteurs thermiques incluent le plus souvent, au moins quand il s'agit de moteurs diesel, 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, notamment en injectant directement du carburant dans les gaz d'échappement, en prévoyant éventuellement, en outre, l'ajout d'un additif tel que du sel de cérium dans le carburant. Dans le cas où un catalyseur d'oxydation (destiné à oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) est disposé sur la ligne d'échappement en amont du filtre à particules, la combustion de ce carburant dans le catalyseur d'oxydation permet d'augmenter considérablement la température des gaz d'échappement au niveau du filtre à particules, température qui peut alors, au moins temporairement, atteindre des températures de plus de 550°C jusqu'à 600°C. [0003] On comprend dans l'ensemble du présent texte les termes « amont » /« entrée » et « aval »/ « sortie » en fonction de la direction générale des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, de la sortie moteur vers l'extrémité de la ligne débouchant hors du véhicule. [0004] 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 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. [0005] De façon connue, les filtres à particules sont, par exemple, constitués d'une matrice minérale, de type céramique, de structure alvéolaire, définissant des canaux disposés sensiblement parallèlement à la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement dans le filtre, et alternativement obturés du côté de la face d'entrée des gaz du filtre et du côté de la face de sortie des gaz du filtre, comme décrit dans le brevet EP - 2 426 326. [0006] De façon connue également, et également décrit dans le brevet précité, on peut aussi conférer des fonctions supplémentaires au filtre à particules, notamment en déposant sur tout ou partie des parois des canaux, un ou plusieurs revêtements catalytiques. Il peut s'agir de revêtements de type catalyseur d'oxydation, apte à diminuer les émissions de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures par oxydation (HO), et/ou encore de revêtements de type catalyseur de réduction des oxydes d'azote du type NOx, notamment ceux catalysant la réduction des NOx avec injection dans la ligne d'échappement en amont du filtre d'un réducteur du type ammoniac gazeuse ou urée liquide. On peut aussi citer les revêtements de type piège à NOx, qui deviennent actifs vis-à-vis des NOx quand le moteur de type diesel passe temporairement en régime riche. [0007] En pratique, la matrice minérale du filtre est logée dans un conduit métallique généralement cylindrique, de diamètre plus important que celui du conduit de la ligne d'échappement, et équipé d'un rétrécissement amont, dit cône d'entrée (ou amont), et d'un rétrécissement aval, dit cône de sortie (ou aval), permettant d'intégrer le filtre au conduit de la ligne d'échappement. [0008] Lors d'une régénération du filtre, notamment en forte surcharge de suies donc très exothermique, il y a un risque que la matrice céramique se fissure, et que des fragments de celle-ci tendent à glisser hors de la matrice dans le sens général d'écoulement des gaz d'échappement qui traversent le filtre de sa face d'entrée (amont) à sa face de sortie (aval). Ces fragments peuvent alors percuter le cône de sortie, avec des conséquences présentant des degrés de gravité divers. Cela peut engendrer des bruits qui peuvent simplement gêner/inquiéter le conducteur. Mais, étant donné la température très élevée atteinte par ces fragments, les points d'impact deviennent des points chauds sur le cône, généralement en métal du type acier, qui, en conjonction avec le ramollissement du métal du cône dû aux gaz chauds et au rayonnement thermique, peuvent provoquer une fusion au moins partielle du cône de sortie, créant une ouverture dans le cône laissant échapper des flammes ou à tout le moins des gaz très chauds pouvant détériorer les pièces environnantes du véhicule. [0009] Des solutions ont déjà été proposées pour limiter ce risque. L'une consiste notamment à épaissir ou doubler la paroi des cônes de sortie. Mais cette solution alourdit le filtre à particules. Une autre solution, décrite dans le brevet FR- 2 951 496 consiste à limiter les risques de propagation de feu vers l'habitable en prévoyant une épaisseur de cône de sortie plus faible dans sa partie inférieure, tournée vers le sol, que dans sa partie supérieure, tournée vers l'intérieur du véhicule, de façon à ce que la paroi inférieure cède à une température seuil inférieure à celle de la paroi supérieure. La paroi inférieure sert ainsi de fusible. On ne supprime donc pas le problème des points chauds, ni la dégradation du filtre à particules, mais on en limite les conséquences en augmentant les chances que les flammes/les gaz chaud soient canalisé(e )s plutôt vers la route que vers le véhicule. [0010] L'invention a donc pour but de remédier à ces différents inconvénients. Elle a notamment pour but de limiter tout risque de détérioration du filtre, notamment lors des régénérations, et ainsi, de limiter toutes les conséquences que pourrait entraîner cette dégradation sur l'intégrité du véhicule. Subsidiairement, elle a pour but de limiter ces risques sans pénalisation en termes de poids. [0011] L'invention a tout d'abord pour objet un filtre à particules comportant - une matrice en céramique poreuse définissant des canaux et comportant une face d'entrée et une face de sortie, - et un conduit substantiellement métallique dans lequel est logée ladite matrice, ledit conduit étant équipé d'un cône de sortie permettant son raccordement à une ligne d'échappement d'un moteur thermique. Le filtre en question comprend un moyen de rétention de la matrice qui est perméable aux gaz et qui est disposé dans le conduit entre la face de sortie de la matrice en céramique et le cône de sortie du conduit. [0012] L'invention propose ainsi de contenir les éventuels fragments qui pourraient se détacher de la matrice, tout particulièrement lors des phases de régénération, de façon à éviter qu'ils ne frappent le cône de sortie, ou tout au moins de ralentir leur glissement, même si le moyen de rétention peut lui aussi offrir une moindre capacité de rétention au-delà d'une certaine température et/ou au-delà d'une certaine durée de vie/ d'un certain nombre de régénérations. Ce moyen est prévu pour laisser passer les gaz d'échappement qui le traversent, sans trop créer de perte de charge dans l'écoulement de ces gaz, tout en retenant de façon suffisamment efficace, mécaniquement, les éventuels fragments. Ce moyen de rétention sert également à contenir dans son ensemble la matrice, au cas où elle tendrait à glisser toute entière vers le cône de sortie. [0013] Selon un mode de réalisation, le moyen de rétention est maintenu dans le conduit à distance de la face de sortie de la matrice. En effet, il est préférable que le moyen de rétention ne soit pas en contact direct avec la face de sortie de la matrice en céramique, et ceci pour différentes raisons : d'une part, la planéité de la face de sortie de la matrice en céramique est rarement parfaite, et plaquer un moyen de rétention présentant une éventuelle rigidité sur une surface non totalement plane est délicat. Ensuite, placer le moyen de rétention à une certaine distance de la matrice en céramique permet de diminuer/limiter les pertes de charges, même faibles, causées par ce moyen de rétention dans l'écoulement des gaz d'échappement. [0014] Selon une variante, le moyen de rétention est une grille disposée substantiellement perpendiculairement à la face de sortie de la matrice. On peut en ajuster le matériau constitutif, le dimensionnement, la taille des mailles etc ... pour l'adapter à toutes les configurations de matrice en céramique, et trouver le meilleur équilibre entre le critère de perméabilité aux gaz, celui de la résistance thermique, et, enfin, celui de la résistance mécanique pour bloquer le glissement de la matrice ou de ses fragments si elle se fissure. [0015] De préférence, cette grille est substantiellement métallique, notamment en acier, ce qui lui confère le comportement thermomécanique voulu. D'autres métaux ou alliages métalliques ou à base de métal peuvent aussi bien être envisagés. [0016] Par exemple, la grille peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, notamment entre 3 et 8 mm. [0017] Par exemple, la grille peut avoir un maillage définissant des mailles de surface individuelle comprise entre 100 mm2 et 2500 mm2, notamment entre 400 mm2 20 et 900 mm2. [0018] Par exemple, il peut s'agir d'une grille dont le maillage est sous forme de mailles de contour carré, rectangulaire, éventuellement tronqués en périphérie. C'est notamment le cas quand elle adopte le contour circulaire (ou substantiellement circulaire) de la matrice en céramique et du conduit dans laquelle la grille est logée. 25 [0019] La grille peut aussi présenter un maillage de type concentrique, avec des mailles délimitant des portions de cône, toujours dans la configuration à contour circulaire. [0020] De préférence, le moyen de rétention est maintenu à distance de la face de sortie de la matrice par un espaceur. Il peut se présenter sous forme d'une bague 30 ou de plots disposée(és) entre la matrice et le moyen de rétention. Cet espaceur peut avantageusement être intégré, sous forme de plots, d'une bague ou d'autres formes de réalisation, audit moyen de rétention. Il peut être monobloc avec le moyen de rétention, ou être rapporté sur ce dernier. Il peut aussi être distinct du moyen de rétention, et se caler entre la face de sortie de la céramique et le moyen de rétention 35 lors de leur montage, ou être solidarisé de manière positive au conduit, à la matrice ou au moyen de rétention par tout moyen mécanique ou de collage avec une colle résistante aux hautes températures. [0021] Selon un mode de réalisation, la matrice est composée de modules unitaires orientés tous substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal du filtre et assemblés les uns aux autres par un moyen de collage, le moyen de rétention étant une grille dont le maillage est tel que chaque module débouche, en face de sortie de la céramique, en regard d'une portion de grille. Dans cette configuration de filtre modulaire, la grille peut ainsi avoir un maillage dont la forme géométrique et le dimensionnement va s'adapter à la section des modules : chaque module, s'il se désolidarise entièrement du reste de la matrice céramique sera assurément retenu par au moins une portion de maille de la grille. [0022] Selon un autre mode de réalisation, la matrice céramique n'a pas de configuration en modules assemblés, et est sous forme d'un monobloc. [0023] L'invention a également pour objet la ligne d'échappement d'un moteur thermique comprenant le filtre à particules décrit plus haut. [0024] L'invention a également pour objet le véhicule, notamment le véhicule automobile, incorporant la ligne d'échappement ou le filtre à particules précédemment décrits. [0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - 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'une portion du filtre à particules selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale du filtre à particules de la figure 2; - la figure 4 est une coupe longitudinale partielle du filtre à particules selon les figures 2 et 3 ; - les figures 5a à 5f sont des représentations du moyen de rétention de la matrice céramique côté face de sortie de celle-ci du filtre à particules selon les figures 2 à 4 précédentes. [0026] Toutes ces figures sont schématiques afin d'en faciliter la lecture, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l'échelle. [0027] La figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion thermique 1 relié à une ligne d'échappement 2 des gaz provenant de la combustion du moteur. La ligne d'échappement comprend un filtre à particules 3 et deux capteurs de pression en amont 4 et en aval 5 du filtre 3, les capteurs étant reliés à une unité de contrôle commande 6 du moteur 1. Optionnellement, la ligne d'échappement peut aussi comprendre un convertisseur catalytique, du type catalyseur d'oxydation vis-à-vis de HO/CO et/ou du type catalyseur de réduction vis-à-vis des NOx (du type Catalyse sélective par réduction, connue sous l'acronyme anglais SCR, pour « Selective Catalysis Reduction ») et/ou un piège à N0x). Ces organes peuvent être disposés en amont ou en aval du filtre à particules 3 et ne sont pas représentés à la figure 1. La flèche 10 indique la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement et à travers le filtre 3. [0028] La figure 2 est une vue en coupe longitudinale du filtre à particules 3 de la figure 1. Le filtre est ainsi, selon l'exemple de l'invention, comme également représenté en figure 3, composé de barreaux 13 , visibles aussi aux figures 3 et 5a-5e, monolithiques assemblés, barreaux dont la structure alvéolaire peut être réalisée par extrusion dans une filière à partir d'une pâte, qui est ensuite, une fois extrudée, séchée par traitement thermique puis cuite à haute température (au moins 2100 °C pour le SiC ou au moins 1700°C pour le Si-SiC), puis les barreaux sont assemblés (par injection d'un ciment 14 entre les barreaux maintenus dans un moule ou par collage par application automatique du ciment entre ceux-ci). Le ciment 14 peut par exemple contenir du nitrure de bore, de silicium ou d'aluminium, de l'oxyde de zirconium ou d'aluminium, une certaine proportion de cordiérite, de titanate d'aluminium, du borure de zirconium, ou encore de la mullite. A noter que ce ciment a un rôle de colle, mais qu'il offre aussi la possibilité d'absorber les tolérances de dimensionnement/de dilatation thermique en fonctionnement normal. Le ciment peut être posé de façon continue aux interfaces entre barreaux adjacents, ou par points de colle discrets. [0029] La vue de la figure 2 est une vue en coupe dans le sens d'extrusion d'une forme à motifs carrés. Le matériau du filtre présente des canaux de section carrée 7,7' alternativement obturés au niveau de la face d'entrée 9 des gaz d'échappement du filtre et de la face de sortie 11 des gaz d'échappement hors du filtre. Selon l'alternance de l'obturation, on obtient des canaux 7 communiquant avec la partie amont du filtre et des canaux 7' communiquant avec la partie aval du filtre. Les canaux 7,7' sont séparés les uns des autres par les parois de la céramique, parois suffisamment poreuses pour laisser passer les gaz (flèches 11) et permettant de piéger dans les canaux les suies solides ou liquides. [0030] La figure 3 représente donc la section circulaire du filtre, comportant les barreaux de céramique 13 assemblés par un ciment 14 (cet assemblage barreaux/ciment sera ci-après désigné indifféremment par le terme « céramique » par soucis de concision) et l'ensemble est logé dans un conduit 12 en acier de diamètre ajusté pour permettre l'insertion de l'ensemble et contraindre le flux de gaz d'échappement à traverser la céramique. Comme ici le filtre présente une section cylindrique ou carrée ou rectangulaire, les modules ont une section carrée ou rectangulaire au centre du filtre, et sont tronqués à sa périphérie afin d'être adaptés à la forme de la section du filtre. [0031] Optionnellement, on peut prévoir d'interposer entre la céramique et le conduit 12 une enveloppe en matériau thermo-expansible (par exemple des nappes en fibres de silicate alcalino-terreux, de mullite ou à base de mica), afin de caler la céramique dans le conduit et d'offrir à la céramique une protection mécanique complémentaire. [0032] Selon l'invention, et comme représenté à la figure 4, le conduit 12 se termine en partie aval par un rétrécissement dit cône de sortie ou cône aval 12a. De même, même si le filtre est représenté de façon tronquée, le conduit présente un rétrécissement symétrique en partie amont, dit cône d'entrée ou cône amont, ces rétrécissements permettant de raccorder le conduit 12 au conduit de la ligne d'échappement 2 de diamètre inférieur. Selon l'invention, on vient insérer dans le conduit 12 entre la face de sortie 15 de la céramique et le cône de sortie 12a une grille 16 en regard de ladite face. La face de sortie 15 de la céramique et la grille sont toutes les deux disposées approximativement dans deux plans parallèles entre eux et perpendiculairement au sens général d'écoulement 10 des gaz d'échappement dans le filtre 3. [0033] La grille 16 est espacée d'une distance calibrée de la face de sortie 15 de la céramique par une bague 17, dont le but est de maintenir la céramique dans le positionnement voulu dans le conduit 12 quand le filtre est en fonctionnement, de façon à ce que la céramique résiste à la poussée des gaz d'échappement. Elle sert aussi à éviter le contact direct entre la céramique 15 et la grille 16 en définissant une distance prédéterminée - la largeur de la bague - entre les deux composants, et ceci pour une double raison : d'une part, la face de sortie 15 et/ou la grille 16 ne sont pas nécessairement absolument planes, leur contact serait donc discontinu, et, d'autre part, un espacement est favorable à une limitation de la création de perte de charge due à la présence de la grille 15 dans l'écoulement 10 de gaz d'échappement, et favorable à une atténuation des éventuels bruits de vibration de celle-ci. [0034] La grille 16 est ici en acier, et est d'une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, par exemple de 3 à 5 mm (le dimensionnement au plus juste de cette épaisseur est à ajuster en prenant en compte sa masse, la perte de charge qu'elle créer et sa résistance thermomécanique pour contrer les déplacements des fragments de céramique du filtre à particules (appelé aussi média filtrant). [0035] La bague 17 est ici rapportée sur la grille. Alternativement, elle peut être monobloc avec elle, ou servir de cale sans solidarisation mécanique ou autre positive avec la grille. Elle peut avoir une épaisseur de l'ordre de 5 à 20 mm. [0036] La grille 16 peut, alternativement, être disposée éventuellement dans le cône de sortie 12a. [0037] Les figures 5a à 5f illustrent quelques variantes de forme de grille 16. La figure 5a illustre la variante la plus simple garantissant que chaque barreau 13 peut rencontrer une portion de grille 16 en cas de glissement de celui-ci vers l'aval hors de la céramique. Cette forme de grille définissant un maillage à quatre portions de cône génère très peu de perte de charge supplémentaire. La figure 5b illustre une variante de grille qui, pour un même diamètre, présente un maillage plus serré, garantissant une rétention plus sûre de chaque barreau 13, avec une maille sensiblement carrée au centre, et des mailles en forme de carrés ou de rectangles tronqués à la périphérie, avec deux axes de symétrie perpendiculaires entre eux, l'un vertical, l'autre horizontal dans la représentation de la figure. La figure Sc est encore une autre variante, avec deux axes de symétrie cette fois obliques, et des mailles de forme triangulaire au centre. La figure 5d est l'association du maillage de la variante de la figure 5a et de la variante de la figure 5b. La figure 5e définit des mailles carrées, tronquées en périphérie. La figure 5f est celle qui propose le maillage le plus serré, faisant office d'un véritable « filet » pour la céramique. [0038] Beaucoup d'autres maillages sont possibles, en termes de dimensionnement et de forme des mailles. On peut considérer généralement que la grille 16 est à concevoir de manière à être capable de retenir des fragments d'au moins 1 à 2 cm dans leur dimension la plus grande : en-dessous de cette taille, on peut effet considérer que ces fragments sont en dessous du seuil de risque important de détérioration du cône de sortie 12a, et un maillage trop serré pourrait avoir un impact trop significatif en termes de perte de charge de l'écoulement gazeux. Naturellement, la forme de la grille et de ses mailles dépend de celle de la céramique. Si la section de la céramique n'est plus circulaire mais ovale ou rectangulaire ou carrée, la grille s'adapte en conséquence. [0039] On peut aussi envisager d'autres moyens de rétention qu'une grille, tant que l'effet mécanique de retenue des fragments est obtenu et qu'il est suffisamment perméable aux gaz, par exemple une membrane. On peut aussi envisager, si le moyen de rétention présente une certaine souplesse, de le solidariser à la face de sortie de la céramique, quitte à la plaquer contre celle-ci s'il peut épouser sa forme. [0040] L'invention peut s'appliquer de façon analogue à des filtres qui ne sont pas constitués d'une pluralité de barreaux : le matériau en céramique définissant les canaux peut être tout aussi bien monobloc. En effet, que la céramique soit l'assemblage de modules ou soit monobloc, il existe dans les deux configurations des risques potentiels que des fragments de céramique - ou, en plus, des barreaux tout entiers dans la configuration modulaire - s'échappent de l'ensemble.15 REVENDICATIONS1. Filtre (3) à particules comportant - une matrice en céramique poreuse définissant des canaux et comportant une face d'entrée et une face de sortie (15), - et un conduit (12) substantiellement métallique dans lequel est logée ladite matrice, ledit conduit étant équipé d'un cône de sortie (12a) permettant son raccordement à une ligne d'échappement (2) d'un moteur thermique, caractérisé en ce que ledit filtre (3) comprend un moyen (16) de rétention de la matrice qui est perméable aux gaz et qui est disposé dans le conduit (12) entre la face de sortie (16) de la matrice en céramique et le cône de sortie (12a) du conduit. 2. Filtres (3) à particules selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen (16) de rétention est maintenu dans le conduit (12) à distance de la face de sortie (16) de la matrice. 3. Filtre (3)à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rétention est une grille (16) disposée substantiellement perpendiculairement à la face de sortie (16) de la matrice. 4. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille (16) est substantiellement métallique, notamment en acier. 5. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille (16) a une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, notamment entre 3 et 8 mm. 6. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rétention est une grille (16) avec un maillage définissant des mailles de surface individuelle comprise entre 100 mm2 et 2500 mm2, notamment entre 400 mm2 et 900 mm2. 7. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rétention est une grille (16) dont le maillage est sous forme de mailles de contour carré, rectangulaire, éventuellement tronqués en périphérie. 8. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de rétention est une grille (16) dont le maillage est de type concentrique, avec des mailles délimitant des portions de cône. 9. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rétention (16) est maintenu à distance de la face de sortie (16) dela matrice par un espaceur, notamment sous forme d'une bague (17) ou de plots disposée(és) entre la matrice et le moyen de rétention (16) ou intégrée(és) audit moyen de rétention. 10. Filtre (3) à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice est composée de modules unitaires (13) orientés tous substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal du filtre et assemblés les uns aux autres par un moyen de collage (14), le moyen de rétention étant une grille (16) dont le maillage est tel que chaque module (13) débouche, en face de sortie de la matrice, en regard d'une portion de grille (16).10