Brevet FR2999230A1 — publié le 20140613

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 désormais 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, depuis la sortie moteur jusqu'à 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 gazeux 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 section plus importante que celle 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, la température de la surface extérieure du conduit et des cônes de raccordement, notamment du cône de sortie, peut donc être très élevée. [0009] Dans les cas les plus extrêmes, il y a même 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 créer 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. [0010] Qu'il y ait ou non détérioration du cône de sortie, il reste qu'il est important de s'assurer que la chaleur émise par le filtre ne se propage pas vers des composants fonctionnels du véhicule disposés à son voisinage, à tout le moins pour éviter leur dégradation entraînant leur perte de fonctionnalité lors des régénérations du filtre à particules. [0011] Des solutions ont déjà été proposées pour mieux cantonner la chaleur émise par le filtre. L'une consiste notamment à épaissir ou doubler la paroi des cônes de sortie. Cependant, notamment quand l'implantation du filtre est défavorable, cette modification de conception du cône de sortie peut s'avérer insuffisante. [0012] L'invention a donc pour but d'améliorer la conception des filtres à particules. L'invention cherche notamment à mieux protéger thermiquement leur environnement une fois les filtres implantés dans les véhicules auxquels ils sont destinés. [0013] L'invention a tout d'abord pour objet un filtre à particules comportant : - une matrice en céramique poreuse définissant des canaux, - et un conduit dans lequel est logée ladite matrice, ledit conduit étant équipé d'au moins un cône permettant son raccordement à une ligne d'échappement d'un moteur thermique. Ledit filtre est associé à un déflecteur thermique disposé hors du conduit à l'aplomb dudit cône. [0014] L'invention propose donc de protéger l'environnement du filtre une fois monté par un écran, un déflecteur thermique, qui va permettre de confiner la chaleur émise par les surfaces extérieures chaudes du conduit et de son ou ses cônes de raccordement entre lesdites surfaces et ce déflecteur. Du fait que le filtre est généralement implanté sous la structure de caisse du véhicule, que les composants fonctionnels de son environnement à protéger sont de fait disposés au moins en partie au-dessus du filtre en position de montage, et que le flux d'air chaud créé par le voisinage des surfaces chaudes en question a tendance, par convection naturelle, à monter, ce déflecteur est de préférence conçu pour faire écran au-dessus du filtre au moins, un peu à la manière d'une casquette, faire écran entre le filtre et les composants situés au-dessus de lui, tout particulièrement dans la zone sensible du cône de sortie. [0015] Il est cependant à noter que le filtre comporte généralement un cône d'entrée et un cône de sortie, et que si le déflecteur selon l'invention est préférentiellement au niveau du cône de sortie pour les raisons évoquées plus haut, il est également possible d'équiper le filtre d'un autre déflecteur à l'aplomb du cône d'entrée, ou de n'équiper le filtre du déflecteur que du côté du cône d'entrée : toutes les configurations à un ou deux déflecteurs sont possibles, selon le positionnement relatif, dans le véhicule, et la distance entre le filtre et les composés fonctionnels de son environnement. [0016] Selon un mode de réalisation, le déflecteur thermique est fixé par l'un de ses bords au conduit au voisinage de la jonction entre le conduit et le cône. La fixation peut se faire, par exemple, par soudure. Le déflecteur est donc ici une pièce rapportée sur le conduit. [0017] Selon un autre mode de réalisation, le déflecteur est un prolongement du conduit dont il fait partie intégrante. [0018] De préférence, le déflecteur thermique présente une forme convexe prolongeant la forme convexe du conduit auquel il est fixé. Ainsi, quand le conduit a une forme sensiblement cylindrique, le déflecteur thermique peut prolonger le conduit sous la forme d'une portion de cylindre, avec une ouverture radiale de par exemple 100 à 200°. Il est également possible qu'il prolonge sur 360° le conduit cylindrique, en étant lui-même cylindrique. [0019] Si le conduit présente une section autre, aplatie, ovale par exemple, voire carrée, le déflecteur thermique peut alors s'adapter à cette forme en conséquence de façon analogue. [0020] De préférence, le déflecteur thermique présente un bord arrière fixé au conduit, et un bord avant qui, selon l'axe longitudinal du filtre, surplombe tout le cône et le dépasse. Le bord avant peut présenter un profil droit, contenu dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du filtre, ou être profilé, avec une forme en V ou en U par exemple. [0021] De préférence, le déflecteur thermique est essentiellement métallique, tout comme, généralement, le conduit du filtre et ses cônes de raccordement. [0022] Avantageusement, on peut prévoir que le cône (ou l'un des cônes du filtre, qu'il soit ou non équipé du déflecteur selon l'invention) soit doublé d'un cône additionnel. Ce coiffage est déjà connu dans son principe. Un cône conventionnel présente deux bords, l'un à raccorder au conduit l'autre à la ligne d'échappement de moindre section. Dans le cas d'un cône additionnel, on prévoit préférentiellement de ne le rattacher qu'au conduit, avec un dimensionnement qui laisse une lame d'air entre le cône conventionnel et le cône additionnel, lame d'air qui peut en outre circuler vers l'extérieur par l'espace laissé entre le cône additionnel et la ligne d'échappement, dans la zone où le cône conventionnel est, lui, raccordé à ladite ligne. [0023] L'invention a également pour objet une ligne d'échappement d'un moteur thermique intégrant le filtre à particules tel que décrit plus haut, où le déflecteur thermique surplombe tout le cône et également une zone de la ligne d'échappement au-delà dudit cône. Le déflecteur peut ainsi faire écran entre le filtre et son environnement sur une zone qu'on peut définir en dimensionnant selon les besoins la longueur et la forme du déflecteur. [0024] L'invention a également pour objet une structure de caisse d'un véhicule automobile comprenant un plancher d'habitacle présentant un tunnel, où ledit tunnel loge le filtre décrit plus haut, le déflecteur thermique dudit filtre étant disposé au moins en partie en regard d'une ouverture dudit tunnel. [0025] Selon un mode de réalisation, ladite structure de caisse est telle que le tunnel présente une ouverture dans laquelle est inséré un composant fonctionnel, notamment des moyens de commande de vitesse, le déflecteur thermique du filtre faisant écran entre le filtre et l'ouverture du tunnel. C'est en effet un cas d'implantation du filtre où le déflecteur selon l'invention est particulièrement utile, car le tunnel offre normalement un barrage thermique efficace entre la ligne d'échappement, qui se trouve sous le tunnel, et les composants disposés au-dessus du tunnel (au-dessus et au-dessous étant à comprendre en référence à un montage sur un véhicule disposé sur un plan horizontal). Mais quand on doit pratiquer une ouverture dans le tunnel pour y insérer des composants sensibles thermiquement, notamment contenant des matériaux plastiques, le déflecteur selon l'invention permet d'interposer une surface entre la surface chaude du conduit ou du cône et celle des composants sensibles, en suppléant ainsi à l'absence localisée de tunnel. [0026] L'invention a également pour objet le véhicule, notamment le véhicule automobile, incorporant la ligne d'échappement ou le filtre à particules précédemment décrits. [0027] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un exemple non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe longitudinale, d'une portion de structure de caisse d'un véhicule automobile et la portion de la ligne d'échappement associée, intégrant un filtre à particules selon l'invention; - la figure 2 est une vue cavalière de la portion de structure de caisse selon la figure 1; - la figure 3 est une représentation cavalière du filtre à particules et de son raccordement à la ligne d'échappement. [0028] Toutes ces figures sont schématiques et les éléments représentés ne sont pas nécessairement à l'échelle afin d'en faciliter la lecture. Toutes les figures représentent les éléments dans leur position spatiale une fois montés sur un véhicule de type automobile. Elles indiquent le référentiel X, Y, Z qui reprend les conventions de l'automobile, avec X l'axe longitudinal du véhicule, Y son axe transversal et Z la verticale, le véhicule étant posé sur une surface plane et horizontale. [0029] Les figures 1 et 2 représentent une portion de structure de caisse d'un véhicule automobile et son environnement dans le véhicule selon des vues différentes et seront donc décrites conjointement. La structure de caisse 1 comporte une ou des feuilles de tôle délimitant le bas de caisse, le plancher du véhicule. Elle comprend ici également un tunnel 2, en saillie du plancher, qui est généralement disposé selon l'axe longitudinal X du véhicule et qui permet de loger certains organes sous le véhicule, notamment ici une portion de la ligne d'échappement comprenant le filtre à particule 3 raccordé en amont à une conduite d'échappement amont 4 et en aval à une conduite d'échappement aval 5 (conduites également visibles sur la figure 3). Un écran thermique 1', par exemple une couche de matériau isolant du type laine minérale vient également doubler la structure de caisse du côté de sa face tournée vers l'extérieur du véhicule. La flèche F1 indique le sens général d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement à travers le filtre à particules 3. [0030] Ce tunnel 2, en métal, est ici pourvu d'une ouverture dans laquelle est insérée la commande de la boîte de vitesse 6 équipée du levier de vitesse 7. Cette ouverture se trouve à l'aplomb de la partie aval du filtre à particule 3. [0031] Le filtre à particules 3 comporte un conduit de filtre 8, de forme sensiblement cylindrique équipé en amont d'un cône d'entrée 9 et en aval d'un cône de sortie 10 qui permettent de raccorder le filtre respectivement aux conduites 4 et 5, qui sont également de forme sensiblement cylindrique mais avec un diamètre inférieur à celui du conduit de filtre 8. Toutes les conduites et les cônes sont métalliques. Les cônes d'entrée et de sortie 9,10 sont fixés d'un côté au conduit 8 du filtre 3, et de l'autre côté respectivement aux conduits 4 et 5 par soudure de leurs bords auxdits conduits. Le cône de sortie 10 est coiffé d'un cône additionnel 10', dans la mesure où c'est dans la zone la plus avale du filtre 3, au niveau du cône de sortie 10, que les risques de création de points chauds sont les plus élevés lors de la régénération du filtre à particules 3. Ce cône additionnel est fixé par soudure de l'un de ses bords au conduit 8 du filtre seulement. La soudure peut être réalisée sur ou à côté de la soudure fixant le cône de sortie 10 au même conduit 8. Le dimensionnement du cône additionnel 10' est ajusté de façon à laisser une lame d'air de l'ordre de 1 à quelques millimètres entre ce cône 10' et le cône de sortie 10, et à laisser un espace entre son bord orienté vers le conduit d'échappement aval 5 et ledit conduit 5 auquel il n'est pas fixé. Ce cône additionnel vient donc créer pour l'environnement du filtre 3 un écran thermique supplémentaire, la lame d'air entre les deux cônes offrant une certaine isolation thermique, avec toutefois une possibilité de circulation d'air dans l'espace entre les deux cônes évitant un trop fort confinement de la chaleur dans cet espace. [0032] Le conduit de filtre 8 contient ici un catalyseur d'oxydation 11 vis-à-vis de HO/CO et la matrice céramique à canaux filtrant les particules 12, disposée en aval du catalyseur d'oxydation. La matrice céramique est connue en soi et ne sera donc pas décrite ici, ni dans sa structure ni dans son mode de fonctionnement. Le conduit 8 peut également, alternativement ou cumulativement, comprendre d'autres convertisseurs catalytiques comme un 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 NOx. La matrice poreuse de filtration des particules 12 peut également être munie de revêtements destinés à la conversion catalytique des NOx, CO et HC, afin de gagner en compacité. [0033] Selon l'invention, est prévu d'ajouter un déflecteur thermique 13, que l'on décrit avec l'ensemble des figures. Il est métallique. Il présente la forme d'une casquette, avec un bord arrière 13a fixé, par exemple par soudure, sur le conduit 8 du filtre à particules 3 au voisinage de la zone de soudure des cônes 10 et 10' audit conduit 8. Ici, la soudure du déflecteur 13 est réalisée un peu en amont de la zone de soudure des cônes 10, 10'. Son bord avant 13b est profilé en pointe arrondie vers l'aval de la ligne d'échappement, sa paroi définit une enveloppe de forme partiellement cylindrique, dans le prolongement du conduit 8 et selon le même axe longitudinal. Sa paroi est disposée de façon à surplomber les cônes 10,10', avec une ouverture radiale d'environ 120°: le déflecteur est ainsi positionné pour faire écran entre les cônes 10,10' et l'ouverture du tunnel 2 comblée par la commande de boite de vitesse 6. Il vient donc protéger thermiquement cette commande, qui, localement, n'est donc pas protégée du filtre à particules par la paroi du tunnel. Ici, la longueur L (figure 3) du déflecteur 13 mesurée au point du bord avant 13b le plus éloigné longitudinalement du conduit 8 audit conduit 8 selon son axe longitudinal, est choisie de façon à couvrir les cônes 10,10' et à les dépasser selon l'axe X pour « masquer » toute la portion d'ouverture A du tunnel qui se trouve en regard des cônes 10,10' 2 et aller encore au-delà, d'une longueur supplémentaire L1 (figure 1). Cette longueur supplémentaire, qui peut par exemple être de l'ordre de un à quelques centimètres, garantit que des flux d'air très chauds - voire des flammes - sortant des cônes 10,10' et tendant à s'élever par convection naturelle, restent clairement cantonnés sous le déflecteur et soient rabattus vers le sol par celui-ci, comme symbolisé par la flèche F2 en figures 1 et 3. [0034] Naturellement, ce déflecteur thermique est à adapter en fonction des configurations relatives entre d'une part le filtre, et notamment la localisation de son cône de sortie, et d'autre part les organes voisins à protéger thermiquement lors des régénérations du filtre à particules plus particulièrement. Ainsi, on a vu que dans l'exemple représenté, la longueur du déflecteur est liée au positionnement du cône de sortie du filtre par rapport à l'ouverture du tunnel. On pourra aussi choisir pour le déflecteur une forme plus enveloppante, avec par exemple une ouverture radiale du déflecteur d'au moins 180°, tout particulièrement si les organes à protéger sont situés au-dessus du filtre, mais également latéralement à celui-ci. Il peut même être complètement le prolongement du cylindre du conduit 8, formant une sorte de tunnel cylindrique. [0035] On a choisi ici un bord avant 13b profilé, de façon à limiter le poids du déflecteur. La forme de ce bord peut prendre d'autres formes, notamment être droite, c'est-à-dire présenter un bord avant de même type que son bord arrière 13a. [0036] A noter aussi que, dans cet exemple, le déflecteur présente une symétrie axiale, mais cela peut ne pas être le cas, notamment si l'on doit protéger un organe disposé que d'un côté du filtre. [0037] On peut aussi envisager que ce déflecteur soit fixé non pas au conduit 8 mais au cône de sortie 10 ou à son cône additionnel 10' s'il est présent. Ce déflecteur peut aussi, alternativement, être fixé à une structure du véhicule qui n'est pas le filtre à particules lui-même, comme une structure liée au tunnel 2 ou à la structure de caisse 1 [0038] Ce déflecteur peut aussi équiper le cône d'entrée 9 selon les cas d'espèce ou le degré de sensibilité à la température des organes environnants. Il peut être associé à un cône d'entrée ou de sortie démuni de cône additionnel, ce cône additionnel restant optionnel. REVENDICATIONS1. Filtre à particules (3) comportant - une matrice en céramique poreuse (12) définissant des canaux, - et un conduit (8) dans lequel est logée ladite matrice, ledit conduit étant équipé d'au moins un cône (9,10) permettant son raccordement à une ligne d'échappement (4,5) d'un moteur thermique, caractérisé en ce que ledit filtre est associé à un déflecteur thermique (13) disposé hors du conduit à l'aplomb dudit cône (10). 2. Filtre (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le déflecteur thermique (13) est fixé par l'un de ses bords au conduit (8) au voisinage de la jonction entre le conduit (8) et le cône (10). 3. Filtre (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur thermique (13) est un prolongement du conduit (8) dont il fait partie intégrante. 4. Filtre (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le déflecteur thermique (13) présente une forme convexe prolongeant la forme convexe du conduit (8) auquel il est fixé. 5. Filtre (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit (8) a une forme sensiblement cylindrique et en ce que le déflecteur thermique (13) prolonge le conduit sous la forme d'une portion de cylindre. 6. Filtre (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déflecteur thermique (13) présente un bord arrière (13a) fixé au conduit (8) , et un bord avant (13b) qui, selon l'axe longitudinal du filtre (3), surplombe tout le cône (10) et le dépasse. 7. Filtre (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cône (10) est doublé d'un cône additionnel (10'). 8. Ligne d'échappement d'un moteur thermique intégrant le filtre à particules (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le déflecteur thermique (13) surplombe tout le cône (10) et également une zone de la ligne d'échappement au-delà dudit cône. 9. Structure de caisse d'un véhicule automobile comprenant un plancher d'habitacle (1) présentant un tunnel (2), caractérisée en ce que ledit tunnel (2) loge le filtre (3) selon l'une des revendications 1 à 7, le déflecteur thermique (13) dudit filtre étant disposé au moins en partie en regard d'une ouverture (A) dudit tunnel. 10. Structure de caisse selon la revendication 9, caractérisée en ce que le tunnel (2) présente une ouverture (A) dans laquelle est inséré un composant fonctionnel, notamment des moyens de commande de vitesse (6,7), et en ce que le déflecteur thermique (13) du filtre (3) fait écran entre le filtre (3) et l'ouverture du tunnel (A).5