Brevet FR3020091A1 — publié le 20151023

FILTRE A PARTICULES pool L'invention concerne les filtres à particules, notamment ceux équipant les lignes d'échappement de moteurs thermiques, et plus particulièrement les lignes 5 d'échappement de moteurs thermiques de véhicules du type véhicule automobile. [0002] Les moteurs thermiques de type essence ou diesel produisent des particules. De fait, les lignes d'échappement de moteurs thermiques incluent le plus souvent un filtre à particules destiné à piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies ou de gouttelettes d'huile. 10 [0003] 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 15 brevet EP - 2 426 326. [0004] 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 et dans les parois des canaux, un ou plusieurs revêtements catalytiques, généralement par imprégnation avec une solution liquide contenant les 20 agents actifs catalytiques ou des précurseurs de ceux-ci, solution qu'on vient ensuite sécher puis calciner. 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 (HC), 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 25 injection dans la ligne d'échappement en amont du filtre d'un réducteur du type ammoniac gazeuse ou urée liquide. On parle alors couramment de revêtement SCR pour l'acronyme anglais « Selective Catalytic Reduction » ou revêtement de catalyse de réduction sélective. [0005] On peut aussi citer les revêtements de type piège à NOx, qui deviennent 30 actifs vis-à-vis de la réduction des NOx quand le moteur de type diesel passe temporairement en régime riche. [0006] Munir ainsi le filtre à particules de revêtements catalytiques vis-à-vis de gaz jugés polluants est très avantageux en termes de compacité de l'ensemble des éléments de dépollution de la ligne d'échappement. Et c'est d'autant plus avantageux pour amorcer thermiquement plus rapidement et garder actifs les revêtements catalytiques plus longtemps quand on démarre le moteur, quand le filtre est près de la sortie moteur, donc qu'il est traversé par des gaz d'échappement encore très chauds. [0007] Cependant, la solution consistant à imprégner les parois du filtre d'un ou plusieurs revêtements sur toute sa longueur n'est pas dénuée d'inconvénients. En effet, le filtre à particules est destiné à piéger à la surface des canaux les suies, qu'il faut ensuite, périodiquement, détruire par combustion. C'est ce qu'on appelle la régénération du filtre, qui peut être commandée par le suivi de son taux de chargement en suie (par exemple par suivi de la différence de pression des gaz d'échappement en amont et en aval du filtre), puis, au-delà d'un certain seuil de chargement, par modification des paramètres de fonctionnement du moteur pour avoir, pendant un laps de temps donné, des gaz d'échappement à une température plus élevée apte à déclencher la combustion des suies en question. Or, la présence de revêtement catalytique sur les parois des canaux du filtre tend à catalyser la réaction de combustion des suies qui se déposent à la surface des canaux (par oxydation exothermique du CO issu de la combustion incomplète des suies), ce qui, lors des régénérations du filtre notamment, mais pas seulement, peut provoquer une forte élévation de la température dans le filtre. Cette forte élévation de température est non contrôlée, plus forte vers l'aval du filtre, et peut finir par entraîner la détérioration voire la destruction du filtre. mos] On comprend dans l'ensemble du présent texte les termes « amont » et 25 «aval » en référence au sens général d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, depuis l'amont correspondant à la sortie moteur jusqu'à l'aval correspondant à la sortie des gaz d'échappement en bout de ligne, vers l'extérieur. [0009] Le but de l'invention est alors de remédier à cet inconvénient. Il s'agit notamment d'améliorer la conception des filtres à particules munis de revêtements 30 catalytiques pour éviter ou limiter les risques de détérioration de nature thermique des filtres et, subsidiairement, à augmenter l'efficacité de traitement des NOx. [001 0] L'invention a tout d'abord pour objet un filtre à particules pour une ligne d'échappement d'un moteur thermique, le filtre comportant une matrice minérale délimitant des canaux par des parois poreuses. Ce filtre comprend : - une partie dite amont qui est munie d'un revêtement catalytique déposé au moins à la surface desdites parois, et - une partie dite aval qui est munie du même revêtement ou d'un autre revêtement catalytique uniquement dans la porosité desdites parois. pou ] L'invention propose ainsi de différencier le mode de dépôt du revêtement catalytique sur la longueur du filtre. En amont, le revêtement est déposé en surface des canaux et éventuellement également dans l'épaisseur des parois qui les 10 délimitent, alors qu'en aval le revêtement n'est présent que dans la porosité des parois du filtre. [0012] Ainsi, la partie amont du filtre est la plus active sur le plan catalytique, avec une forte quantité de revêtement catalytique sur et éventuellement aussi dans les parois du filtre. On parle alors couramment de lit catalytique « léché », car les gaz 15 sont au contact du revêtement en longeant les parois du filtre, ce qui permet d'augmenter le temps de contact revêtement/gaz, donc d'augmenter le traitement des polluants contenus dans le flux de gaz d'échappement (réduction pour les NOx par exemple). [0013] Par contre, dans la partie aval du filtre, le revêtement n'est présent que dans 20 l'épaisseur des parois poreuses. On parle alors couramment de lit catalytique « traversé », dans la mesure où les gaz d'échappement n'entrent en contact du revêtement qu'en traversant les canaux, en passant d'un canal à l'autre (passage contraint par le fait que les canaux du filtre, de façon connue en soi, sont alternativement bouchés au niveau de la face amont et de la face aval du filtre). Cette 25 configuration en lit traversé est un peu moins efficace sur le plan catalytique qu'en lit léché, mais évidemment meilleure qu'en l'absence de revêtement dans cette zone. Par contre, il s'est avéré que cette imprégnation diminuait significativement le risque d'exotherme non contrôlé dans le filtre, dans la mesure où les particules de suie accumulées dans le filtre ne « voient » pas, dans la zone aval du filtre, la plus critique 30 thermiquement, le revêtement qui reste dans la porosité du filtre, alors que les particules, elles, s'accumulent à la surface des canaux seulement. Le filtre selon l'invention offre donc une solution qui permet à la fois une très bonne efficacité catalytique du revêtement dont il est muni et un risque très diminué de l'apparition d'un exotherme excessif lié à la présence dudit revêtement dans le filtre. [0014] Selon un mode de réalisation, la partie amont et la partie avale du filtre sont contiguës. [0015] Selon un autre mode de réalisation, la partie amont et la partie aval sont réunies par une partie dite intermédiaire où le revêtement catalytique imprègne au moins partiellement la porosité des parois et est également au moins partiellement déposé à leur surface. Cette partie intermédiaire est donc, vis-à-vis du revêtement catalytique, une zone de transition entre la partie amont et la partie aval du filtre. [0016] De préférence, le revêtement catalytique ou au moins un des revêtements catalytiques est un revêtement de réduction catalytique sélective des NOx. Avantageusement, soit il y a une seule formulation de revêtement catalytique pour la partie amont (enduction) et pour la partie aval (imprégnation dans la porosité) du filtre, soit on utilise deux formulations différentes, mais pouvant remplir la même fonction de traitement des NOx. Il est également possible de choisir des revêtements catalytiques de formulations différentes et de fonctions différentes, par exemple un revêtement SCR et un revêtement visant à traiter d'autres effluents gazeux que les NOx. [0017] Avantageusement, la partie amont du filtre s'étend sur au moins 20% et au plus 60% de la longueur du filtre (depuis la face amont du filtre). [0018] Avantageusement, la partie aval du filtre s'étend sur au moins 40% et au plus 80% de la longueur du filtre (depuis la face aval du filtre). [0019] II existe plusieurs procédés permettant d'obtenir le filtre selon l'invention. Un de ces procédés consiste dans une première étape à déposer le revêtement catalytique dans la porosité de la totalité du filtre. Ceci peut être fait en déposant le revêtement catalytique à l'une des extrémités du substrat et à exercer une pression sur ledit revêtement catalytique pour le forcer à pénétrer dans le substrat. Le même résultat peut être obtenu en aspirant ledit revêtement catalytique à l'autre extrémité du substrat. On constitue donc ainsi le revêtement catalytique de la partie avale du filtre dans la porosité des parois des canaux (et accessoirement sur la porosité de l'ensemble du filtre, notamment pour simplifier l'opération de dépôt). Ces techniques de dépôt sont connues en soi. [0020] La seconde étape consiste à faire le dépôt du revêtement catalytique sur la partie amont du filtre, de façon à obtenir un revêtement sur les parois des canaux, par 5 enduction desdites parois. Le revêtement catalytique peut être de nature identique au premier ou être de nature différente de celui-ci. La quantité du revêtement déposée dans cette partie amont est ajustée afin d'éviter que les gaz d'échappement puissent traverser la paroi du substrat dans cette zone (qui correspond à la zone amont une fois le filtre monté sur la ligne d'échappement) tout en maintenant une section de 10 passage suffisante. On limite ainsi la contrepression générée par la présence du ou des revêtements catalytiques dans le filtre à particules dans la ligne d'échappement. [0021] De préférence, la concentration en revêtement catalytique est plus élevée dans la partie amont que dans la partie aval, par exemple d'au moins 20% et d'au plus 500% en poids de revêtement par unité de volume du filtre, avantageusement 15 entre 40 et 200% en plus dans la partie amont que dans la partie aval. La partie amont du filtre est ainsi plus efficace sur le plan catalytique, la partie aval étant plus efficace en termes de protection thermique du filtre. [0022] L'invention a également pour objet la ligne d'échappement d'un moteur thermique comprenant un tel filtre. 20 [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement la disposition d'un filtre à particules de conforme à l'invention dans une ligne d'échappement ; 25 - la figure 2 représente schématiquement la structure interne d'un filtre à particules conforme à l'invention ; - la figure 3 est une représentation vue de l'extérieur du filtre à particules de la figure 2. [0024] Comme représenté en figure 1, le filtre à particules 1 muni d'un revêtement 30 SCR est disposé dans une ligne d'échappement 2 d'un moteur diesel 3. A ce filtre à particules 1 est associé un injecteur de réducteur 4 qui débouche dans la ligne d'échappement 2 en amont du filtre 1, et qui est alimenté en réducteur par un réservoir 5. Le réducteur peut être par exemple de l'ammoniac (sous forme gazeuse, stockée dans une cartouche par adsorption réversible thermiquement dans un sel métallique du type SrCl2), de l'urée (sous forme d'une solution aqueuse décomposant 5 en ammoniac quand elle est injectée dans la ligne d'échappement). De plus, dans le présent exemple, deux détecteurs d'oxydes d'azote 6, 7 sont disposés dans la ligne d'échappement, l'un 6 en amont du filtre à particules 1 (et ici, en amont de l'injecteur de réducteur 4), l'autre 7 en aval du filtre à particules 1. Un système de contrôle 8 est relié au moteur 3, à l'injecteur de réducteur 4 et aux deux détecteurs d'oxydes d'azote 10 6, 7 afin d'optimiser la quantité de réducteur à introduire dans la ligne d'échappement. [0025] Comme représenté aux figures 2 et 3, le filtre à particules 1 présente une enveloppe externe sensiblement cylindrique et comporte une face d'extrémité amont 9 et une face d'extrémité aval 10. Il est traversé par les gaz d'échappement depuis la face amont 9 jusqu'à la face aval 10. Le filtre 1 comporte des canaux 11a, 11 b qui 15 s'étendent longitudinalement de l'amont vers l'aval et qui sont délimités par des parois poreuses 12. Ces canaux 11a, 11b sont obturés soit au niveau de leur extrémité aval 13a, soit au niveau de leur extrémité amont 13b, afin de contraindre les gaz d'échappement à traverser les parois poreuses 12. [0026] Le matériau poreux formant les parois poreuses du filtre peut comprendre, de 20 façon connue, au moins un composé céramique et/ou au moins un composé métallique. Parmi les composés céramiques, peuvent être utilisés (seul ou en combinaison) la cordierite (AI3Mg2AISi5O18), le carbure de silicium (SiC), le carbure de bore (B4C), le nitrure de silicium (Si3N4), le nitrure de bore (BN), le nitrure d'aluminium (AIN), l'alumine (A1203), le zircone (ZrO2), la mullite (A16Si2O13), le titanate d'aluminium 25 (AI2TiO5), le borure de zirconium (ZrB2) et un oxynitrure de silicium et d'aluminium (appelé aussi « sialon »). Parmi les composés métalliques, peuvent être utilisés (seul ou en combinaison) le fer et le magnésium. [0027] Dans le cadre de la présente invention, le matériau poreux est fait d'un seul bloc monolithique. 30 [0028] Alternativement, il peut être fait de l'assemblage par une colle minérale de barreaux disposés tous selon l'axe longitudinal du filtre 1. [0029] Comme représenté en figure 3, le filtre 1 présente une partie amont 90 et une partie aval 100. Ici, les deux parties sont approximativement de la même longueur, mesurée selon l'axe longitudinal X du filtre 1. [0030] Dans la partie aval 100, les parois 12 du filtre sont imprégnées d'un même revêtement SCR 122 (représenté à la figure 2 avec des petits ronds), sans que les parois ne soient recouvertes du revêtement en question. De fait, c'est l'ensemble des parois qui se trouve imprégnée du revêtement, donc également dans la partie amont 90 du filtre, pour simplifier le procédé de dépôt. Alternativement, l'imprégnation dans la porosité des parois peut aussi se faire sélectivement que dans la partie aval du filtre 100. [0031] Dans la partie amont 90, les parois 12 du filtre sont ensuite enduites, à leur surface, d'un revêtement catalytique SCR 121, de même formulation chimique que le revêtement 122 précédent, par une technique de dépôt connue en soi. [0032] La formulation des revêtements 121 et 122 est à base zéolithe échangée au cuivre ou au fer. D'autres formulations connues de revêtement SCR sont également utilisables, et peuvent comprendre notamment l'un des composants suivants : l'alumine (A1203), le dioxyde de titane (TiO2), l'oxyde de zirconium (ZrO2), l'oxyde de cérium IV (Ce02), l'oxyde d'yttrium (Y203), la silice (SiO2) et supporte au moins un premier catalyseur comprenant un métal de transition (tel que le scandium (Sc), le titane (Ti), le vanadium (V), le chrome (Cr), le manganèse (Mn), le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le cuivre (Cu) ou le zinc (Zn)) et/ou des perovskites et/ou d'autres zéolites dopées par des métaux [0033] La concentration en revêtement SCR est choisie plus importante dans la partie amont 90 que dans la partie aval 100 du filtre 1, par exemple d'au moins 20, 30 25 ou 60% ou même 200 à 300% (en poids). Ainsi, la concentration de revêtement en partie amont 90 est ici d'environ 160 grammes par litre de filtre, et elle est en partie aval 100 d'environ 100 grammes par litre de filtre. [0034] Ainsi, avec le temps, l'accumulation de résidus ou cendres 16 à l'extrémité aval du filtre a une influence moindre sur l'efficacité des réactions catalytiques, la 30 majeure partie du revêtement catalytique restant accessible en amont. De plus, lors des phases de régénération, la température dans la partie amont 90 du filtre 1 est plus faible que dans la partie aval 100, ce qui, dans cette portion amont, évite une réduction de la proportion de catalyseur désactivé pour cause de surchauffe. Dans la partie aval, la régénération se fait sans que les suies accumulée ne « voient » le revêtement qui est dans les parois et non à leur surface : on limite le risque de détérioration de la matrice céramique du filtre elle-même par accentuation du phénomène de surchauffe dans cette zone par interaction entre les particules de suie (ou des réactifs issus de la combustion incomplète des suies) et le catalyseur. [0035] Ainsi, avec une répartition du catalyseur conforme à la présente invention, l'efficacité du filtre à particules 1 selon la présente invention est plus importante que celle d'un filtre classique, à quantité de catalyseur globale dans le filtre identique. Et 10 on augmente la durée de vie du filtre en limitant les risques de dégradation de la céramique poreuse. [0036] Le filtre à particules selon l'invention peut être utilisé pour des moteurs de type essence ou diesel. Pour une application visant les moteurs essence, le substrat poreux du filtre substrat est de préférence du type carbure de silicium, cordiérite, et le 15 revêtement catalytique est de préférence du type du catalyseur 3 voies (réduction de NOx et oxydation des HC et du CO) ou quatre voies. REVENDICATIONS1. Filtre à particules (1) pour une ligne d'échappement d'un moteur thermique, le filtre comportant une matrice minérale délimitant des canaux (12) par des parois poreuses, caractérisé en ce qu'il comprend : - une partie dite amont (90) qui est munie d'un revêtement catalytique (121) déposé au moins à la surface desdites parois, et - une partie dite aval (100) qui est munie du même revêtement catalytique ou d'un autre revêtement catalytique (122) uniquement dans la porosité desdites parois. 2. Filtre (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'ensemble des parois du filtre est imprégné dans leur porosité par le revêtement catalytique (122). 3. Filtre (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie amont (90) et la partie avale sont contiguës (100). 4. Filtre (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie amont (90) et la partie aval (100) sont réunies par une partie dite intermédiaire où le revêtement catalytique imprègne au moins partiellement la porosité des parois et est également au moins partiellement déposé à leur surface. 5. Filtre (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement catalytique ou au moins un des revêtements catalytiques est un revêtement de réduction catalytique sélective des NOx. 6. Filtre (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie amont (90) s'étend sur au moins 20% et au plus 60% de la longueur du filtre. 7. Filtre (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie aval (100) s'étend sur au moins 40% et au plus 80% de la longueur du filtre. 8. Filtre (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration en revêtement catalytique est plus élevée dans la partie amont (90) que dans la partie aval (100).- 10 9. Filtre (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la concentration en revêtement catalytique est plus élevée dans la partie amont (90) d'au moins 20% que dans la partie aval (100), notamment entre 40 et 200% en plus que dans la partie aval (100). 10.Ligne d'échappement d'un moteur thermique, caractérisée en ce qu'elle comprend un filtre (1) selon l'une des revendications précédentes.