Brevet FR3081730A1 — publié le 20191206

- 1 - FILTRE A PARTICULES POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE DE MOTEUR AUTOMOBILE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un filtre à particules monté à l'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, et apte à filtrer les particules de suies émises par ledit moteur. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas des moteurs diesel équipant les véhicules automobiles. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour limiter les émissions polluantes des véhicules automobiles, les constructeurs automobiles équipent souvent les moteurs à combustion interne de ces véhicules, notamment les moteurs du type diesel, d'un filtre à particules à l'échappement. De manière connue en soi, un tel filtre fonctionne de manière séquentielle. Pendant une phase de fonctionnement habituel du moteur en mélange pauvre, le filtre retient en son sein la plus grande partie des particules de suies émises dans les gaz de combustion du moteur, sans les transformer. Puis, lorsque la masse de particules atteint un seuil, détectable par exemple grâce à la mesure d'un écart de pression aux bornes du filtre sous un débit de gaz donné, un basculement du mode de fonctionnement du moteur dans un mode plus riche permet, grâce à une élévation de la température à l'échappement et à l'apport de carburant en amont du filtre, de déclencher une phase de régénération (ou de « purge ») du filtre pendant laquelle les suies stockées pendant la phase précédente sont brûlées. La figure 1 est une vue en perspective cavalière qui représente schématiquement un exemple de structure d'un tel filtre à particules. Le filtre 1 comprend un bloc en céramique structuré en nid d'abeille 2, ou substrat 2, dans lequel une pluralité de corps en céramique cuits en nid d'abeille 3, ou segments 3 (au nombre de 36 sur la figure 1), en forme de pilier, sont combinés les uns aux autres avec une couche d'adhésif 4, ou ciment 4, interposée entre eux. De manière non limitative, les segments 3 les moins centraux du substrat 2 peuvent être taillés, de telle sorte que le substrat 2 présente par exemple une forme de cylindre de révolution. Un matériau étanche 5, ou peau externe 5, recouvre le substrat 2 ainsi délimité sur toute - 2 - sa surface latérale cylindrique. Le filtre à particules 1 ainsi constitué est généralement logé dans une enveloppe métallique (« canning », non représenté) montée dans le circuit d'échappement de la figure. Les gaz de combustion émis par le moteur circulent dans le filtre à particules 1 dans le sens de la flèche G indiquée sur la figure 1. 5 La figure 2 est une vue en perspective cavalière qui représente schématiquement un des segments 3 qui composent le substrat 2. Le segment 3 se présente ici sous la forme d'un pilier, plus précisément d'un parallélépipède de longueur L (dans le sens de circulation des gaz figuré par la flèche G) et de base carrée de côté C. Sa structure se compose d'un grand nombre de cellules 6 placées 10 longitudinalement (i.e. dans le sens de circulation des gaz) et parallèlement les unes aux autres, avec une paroi de cellule 7 interposée entre elles. Ici, les cellules ont de manière non limitative une section carrée (dans un plan perpendiculaire au sens de circulation des gaz). Toutes les cellules ont la même taille et sont séparées deux à deux par des parois d'épaisseur identique. L'une ou l'autre des extrémités ce chaque 15 cellule est obturée par un bouchon étanche. La figure 3 est une coupe selon le plan A-A de la figure 2, qui illustre la circulation des gaz de combustion en provenance du moteur à travers un segment 3 du filtre 1. Les gaz arrivent à l'entrée du segment 3 dans le sens de la flèche G. Les gaz pénètrent dans les cellules 6 dont l'extrémité amont n'est pas obturée par un 20 bouchon 8, et ressortent du segment par les cellules 6 adjacentes dont l'extrémité aval n'est pas obturée par un bouchon 8, après avoir traversé la paroi 7 en céramique qui sépare les deux cellules adjacentes. Ainsi, ladite paroi a une capacité de filtration (ou plus précisément de retenue) des suies contenues dans les gaz. Pour éviter de procéder à des régénérations trop fréquentes d'un tel filtre, ces 25 régénérations étant très consommatrices de carburant, il importe que le filtre dispose d'une capacité de stockage des suies qui soit assez élevée. Une telle capacité dépend de la température maximale que pourra supporter le filtre pendant la régénération, et plus particulièrement de la température atteinte après le déclenchement de la régénération pendant un retour au ralenti lors d'un trajet du véhicule, ce cas de figure 30 apparaissant comme le plus critique. Pour pouvoir augmenter la capacité de stockage du filtre, il convient que la température ne dépasse pas un seuil, de façon à garantir la tenue thermique du substrat en céramique 2 et, le cas échéant, de la couche d'imprégnation (« coating ») qui peut être appliquée sur la céramique. On connaît de l'état de la technique des structures de filtre à particules qui 35 visent à améliorer leur tenue thermique. Par exemple, la publication EP-A1-2062636 - 3 - divulgue un substrat en céramique composé d'une pluralité de segments reliés les uns aux autres avec une couche adhésive interposée entre eux. La couche adhésive comprend au moins deux types de couche, dont chacune lie des segments sur les deux côtés de la couche adhésive avec une résistance adhésive différente l'une de 5 l'autre. Des segments de la partie centrale du substrat sont liés les uns aux autres avec une couche adhésive dont la résistance adhésive est plus élevée que celle de la couche adhésive qui lie les autres segments entre eux. Selon ce document, on augmente la tenue thermique du filtre à particules pendant la régénération du filtre, en évitant de fissurer la couche adhésive liant les 10 segments de la partie centrale du filtre, évitant ainsi à ces segments centraux de glisser en dehors de la structure du substrat. Toutefois, cela ne permet pas de limiter l'augmentation de température du substrat proprement dit, mais plutôt de renforcer la résistance de la couche adhésive. 15 RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de remédier aux défauts de tenue thermique des filtres à particules connus. Elle propose pour cela un substrat en céramique structuré en nid d'abeille, 20 dans lequel une pluralité de segments en céramique cuits en nid d'abeille, en forme de pilier parallélépipédique, sont combinés les uns aux autres avec une couche adhésive interposée entre eux, lesdits segments présentant un grand nombre de cellules de forme polygonale qui sont placées longitudinalement parallèlement les unes aux autres avec une paroi de cellule interposée entre elles. 25 La principale caractéristique du substrat selon l'invention est que, dans les segments d'une partie centrale du substrat, l'épaisseur des parois interposées entre les cellules est supérieure à l'épaisseur des parois entre les cellules des segments qui sont situés en dehors de ladite partie centrale du substrat, à la périphérie du substrat. 30 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : 35 La figure 1 est une vue en perspective cavalière d'un filtre à -4 particules ; La figure 2 est une vue en perspective cavalière d'un segment ; La figure 3 est une coupe longitudinale d'un segment de la figure 2 ; La figure 4 est une coupe transversale d'un empilement de segments 5 d'un substrat selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 5 est une coupe transversale d'un empilement de segments d'un substrat selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; La figure 6 est une coupe transversale d'un empilement de segments d'un substrat selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; 10 La figure 7 est une vue de face agrandie du segment de la figure 2 ; La figure 8 est une coupe transversale d'un empilement de segments d'un substrat selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; La figure 9 est une coupe transversale d'un empilement de segments d'un substrat selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; 15 La figure 10 est une coupe transversale d'un empilement de segments d'un substrat selon un dixième mode de réalisation de l'invention ; et, La figure 11 est une vue de face d'une variante de segment. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites plus haut et n'appellent pas de commentaire supplémentaire. Lors d'une phase de régénération d'un filtre à particules 1, et plus 25 particulièrement lors d'un retour au ralenti du moteur, la température maximale est observée radialement au centre du filtre et axialement vers sa face de sortie. Comme les segments situés au centre sont plus chauds que les segments situés à la périphérie du filtre, ce dernier est soumis à des gradients de température qui peuvent conduire à sa fissuration. 30 L'invention vise à augmenter l'inertie thermique du filtre en utilisant une combinaison de segments qui permette d'abaisser la température maximale à laquelle le filtre est soumis. Elle propose pour cela d'augmenter la densité massique dans sa partie centrale, en augmentant l'épaisseur des parois des segments de la partie centrale du substrat. On précisera plus en détails à l'appui des figures 6 et 11 la notion 35 d'épaisseur de paroi. - 5 - Dans un premier mode représenté par la figure 4, le substrat 2 est fabriqué à partir de l'empilement d'un nombre impair de rangées et d'un nombre impair de colonnes de segments 3 qui est égal au nombre de rangées (7 sur la figure). Les segments sont reliés deux à deux par une couche adhésive 4. Pour simplifier la 5 description, on n'a pas représenté les cellules 6 des segments. Le cercle en trait pointillé 9 représente la découpe des segments périphériques du substrat (parallélépipédiques à l'origine) qui est nécessaire à l'obtention d'un substrat dont la forme est un cylindre de révolution (i.e. à base circulaire). Le centre Q du substrat 2 est représenté par un cercle en trait plein. Dans ce mode représenté par la figure 4, la 10 partie centrale du substrat est définie comme l'unique segment 10 qui est situé au plus près du centre Q et qui contient ledit centre. Ce segment le plus central est repéré par les traits hachurés sur la figure. Selon l'invention, les parois 7 qui séparent les cellules 6 de ce segment central 10 présentent une épaisseur plus élevée que celle des autres segments (non hachurés). 15 Le deuxième mode de réalisation représenté par la figure 5 diffère du premier en ce que la partie centrale du filtre comprend non seulement le segment le plus central 10, mais aussi les quatre segments adjacents 11 au segment le plus central. Par « adjacent », on entend que chacun de ces segments 11 est lié au segment le plus central 10 par une couche adhésive. 20 Dans un troisième mode de réalisation représenté par la figure 6, le substrat 2 est encore en forme de cylindre de révolution, mais il est fabriqué à partir de l'empilement d'un nombre pair de rangées et d'un nombre pair de colonnes de segments 3, qui est égal au nombre de rangées (6 sur la figure 4). Le centre Q du filtre est situé à la croisée de couches adhésives reliant les quatre segments 10 les plus 25 centraux du filtre. La partie centrale du filtre est définie comme l'ensemble de ces quatre segments les plus centraux 10, c'est-à-dire les segments qui sont les plus proches du centre Q. Dans les configurations présentées sur les figures 4 à 6, le ou les segments de la partie centrale présentent une épaisseur de paroi plus importante que l'épaisseur de 30 paroi des autres segments. Plus précisément, en référence à la figure 7, chaque segment 3 comprend un grand nombre de cellules 6, par exemple ayant une densité de 350 cellules par pouce carré de section (ou CPSI pour : « celle per square inch ») du segment. Ces carrés sont de taille identique, et ils sont disposés régulièrement en ligne et en colonne et séparées deux à deux par une paroi 7 qui est en matériau 35 céramique (par exemple : carbure de silicium SiC). Celle-ci présente partout une - 6 - épaisseur e identique, aux tolérances de fabrication près. On peut donc mesurer indifféremment l'épaisseur e entre deux quelconques cellules adjacentes, comme indiqué sur la figure 7. Avantageusement, l'épaisseur des parois sur le ou les segments de la partie 5 centrale est supérieure de 10 à 25% par rapport à l'épaisseur des parois sur les segments périphériques, et de préférence elle lui est supérieure d'environ 18%. Par exemple, l'épaisseur des parois sur les segments périphériques est égale à 0,28 mm, à une tolérance de +/-0,05 mm près, et l'épaisseur des parois sur la partie centrale est égale à 0,33 mm, à une tolérance de +/-0,05 mm près. 10 En contrepartie de l'augmentation de l'épaisseur des parois, la taille des cellules (c'est-à-dire leur section carrée) est diminuée, de manière identique sur chaque cellule, pour tenir compte cette augmentation de l'épaisseur, de sorte que le ou les segments de la partie centrale conservent exactement la même taille que les segments de la périphérie (notamment : le même côté C) tout en conservant la même 15 densité de cellules. La position des différents centres G des cellules individuelles est conservée. Les autres caractéristiques de la matière céramique composant les parois sont conservées également : nature du matériau, porosité, et taille des pores. En résumé, un segment de la partie centrale du substrat peut s'obtenir géométriquement à partir d'un segment de la périphérie du filtre en conservant toutes 20 les caractéristiques des cellules (nombre, forme, position du centre de chaque cellule) à l'exception de leur taille qui est diminuée. La même modification d'épaisseur de paroi peut encore s'appliquer dans les modes de réalisation suivants du filtre illustrés par les figures 8 à 10. Le quatrième mode de réalisation représenté par la figure 8 diffère du 25 deuxième mode de la figure 5 en ce que la partie centrale du filtre comprend non seulement le segment le plus central 10 et les quatre segments adjacents 11 au segment le plus central, mais aussi les quatre autres segments 12 les plus proches du segment le plus central. Dans un cinquième et un sixième mode représentés respectivement par les 30 figures 9 et 10, le substrat 2 est à section ovale et non plus circulaire comme dans les modes précédents. Il est fabriqué à partir de l'empilement d'un nombre pair de rangées (6 sur la figure) et d'un nombre impair de colonnes de segments 3 (7 sur la figure) et la découpe des segments périphériques qui est figurée par le trait ovale en pointillé 9 permet de donner au substrat 2 sa forme de cylindre à base ovale. 35 Sur la figure 9, la partie centrale du filtre est définie comme l'ensemble des - 7 - deux segments 10 qui sont situés au plus près du centre Q du filtre, de part et d'autre du centre. Sur la figure 10, la partie centrale est définie comme l'ensemble des deux segments 10 précédents, auxquels on adjoint quatre segments supplémentaires 11 parmi les six segments qui sont adjacents aux segments 10 de la figure 9, c'est-à-dire 5 reliés par une couche adhésive. Ces quatre segments sont ceux desdits six segments adjacents qui sont les plus proches du centre. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. Par exemple, des variantes de forme des cellules 8 sont possibles. On peut envisager notamment de manière générale que les cellules présentent une forme polygonale. 10 La figure 11 illustre une variante possible, non limitative, d'un segment 3 dans lequel les cellules présentent des sections polygonales carrées et octogonales. On se référera à la publication US-A1-2015018290 qui divulgue un tel segment, dans lequel des cellules octogonales d'évacuation 23 des gaz, obturées par un bouchon 8 à l'entrée du filtre, sont entièrement entourées de cellules d'introduction 21,22 des gaz 15 qui sont alternativement carrées ou octogonales. Contrairement au segment de la figure 7 pour lequel les parois sont rectilignes et d'épaisseur constante du fait de la présence de cellules carrées identiques, il est possible, selon la taille des différents types de cellules, que les parois entre deux cellules adjacentes présentent des épaisseurs différentes. 20 Par exemple on définira une première épaisseur el de paroi entre une cellule d'introduction octogonale 21 et une cellule d'évacuation octogonale 23 adjacentes de la façon suivante : dans une section du segment perpendiculaire au sens de circulation des gaz, on fait passer une droite par le centre de gravité (ou barycentre) G1 de la section de la cellule d'introduction octogonale 21 et par le centre de gravité G2 25 de la section de la cellule d'évacuation octogonale 23. Cette droite traverse la paroi 7 entre les deux cellules, et on définit l'épaisseur el de la paroi comme la longueur de la paroi qui est recouverte par cette droite. On définit mutatis mutandis une deuxième épaisseur e2 de paroi (figure 11) entre une cellule d'introduction carrée 22 et une cellule d'évacuation octogonale 23 30 adjacentes comme la longueur interceptée sur la paroi qui sépare les deux cellules par une droite reliant le centre de gravité G2 de ladite cellule d'introduction carrée 22 et du centre de gravité G3 de ladite cellule d'évacuation octogonale 23. On définit encore une troisième épaisseur e3 de paroi (non représentée sur la figure 11) entre une cellule d'introduction carrée 21 et une cellule d'introduction 35 octogonale adjacentes 22 comme la longueur interceptée sur la paroi qui sépare les - 8 - deux cellules par une droite reliant les centres de gravité respectifs G1,G2 des deux cellules. D'une manière générale, une telle construction permet de définir une épaisseur de paroi locale entre deux segments adjacents de formes polygonales quelconques. 5 De tels segments comprenant des cellules polygonales, par exemple des cellules carrées et des cellules octogonales comme ceux de la figure 11, peuvent être utilisés dans tous les modes de réalisation des figures 4 à 6 et 8 à 10, dès lors que les épaisseurs des parois entre cellules adjacentes du ou des segments de la partie centrale sont supérieures aux épaisseurs correspondantes des parois entre cellules 10 adjacentes des segments périphériques. D'une manière similaire aux segments à cellules carrées, en contrepartie de l'augmentation de l'épaisseur des parois, la taille des cellules (c'est-à-dire leur section) est diminuée, de manière identique sur chaque cellule, pour tenir compte cette augmentation des épaisseurs, de sorte que le ou les segments de la partie centrale conservent exactement la même taille que les 15 segments de la périphérie (notamment : le même côté C) tout en conservant la même densité de cellules. La position des différents centres de gravité G1,G2,G3 des cellules individuelles est conservée. Les autres caractéristiques de la matière céramique composant les parois sont conservées également : nature du matériau, porosité, et taille des pores. 20 En résumé, selon l'invention, un segment de la partie centrale du substrat peut s'obtenir géométriquement à partir d'un segment de la périphérie du filtre en conservant toutes les caractéristiques des cellules (nombre, forme polygonale, position du centre de chaque cellule) à l'exception REVENDICATIONS1. Substrat (2) en céramique structuré en nid d'abeille, dans lequel une pluralité de segments (3) en céramique cuits en nid d'abeille, en forme de pilier parallélépipédique, sont combinés les uns aux autres avec une couche adhésive (4) interposée entre eux, lesdits segments (3) présentant un grand nombre de cellules (6) de forme polygonale qui sont placées longitudinalement parallèlement les unes aux autres avec une paroi de cellule (7) interposée entre elles, CARACTERISE EN CE QUE dans les segments (10,11,12) d'une partie centrale du substrat (2), l'épaisseur (e,ei,e2,e3) des parois (7) interposées entre les cellules (6,21,22,23 ) est supérieure à l'épaisseur (e,ei,e2,e3) des parois (7) interposées entre les cellules (6,21,22,23) des segments qui sont situés en dehors de ladite partie centrale du substrat, à la périphérie du substrat. 2. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans les segments de la partie centrale (10,11,12) du substrat (2), l'augmentation d'épaisseur des parois (7) par rapport à l'épaisseur des parois (7) en dehors de ladite partie centrale est comprise entre 10 et 25%, et de préférence sensiblement égale à 18%. 3. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans les segments de la partie centrale (10,11,12), l'épaisseur des parois entre cellules est sensiblement égale à 0,33 mm, et en ce que dans les segments en dehors de ladite partie centrale, l'épaisseur des parois entre cellules est sensiblement égale à 0,28 mm. 4. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans les segments de la partie centrale du substrat, les parois entre cellules sont constituées du même matériau, et ont la même porosité et une même taille de pores que les parois entre cellules dans les segments situés en dehors de la partie centrale du substrat. 5. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans les segments de la partie centrale du substrat, la densité de cellules, le nombre et la position des centres de gravité des cellules, sont identiques à ceux des segments situés en dehors de la partie centrale, la taille - 10 - des cellules étant plus faible. 6. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules sont carrées, et de taille identique sur un même segment. 7. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que l'épaisseur (e1,e2,e3) d'une paroi entre deux cellules de section polygonale est égale à la longueur interceptée sur ladite paroi par une droite reliant les centres de gravité respectifs (Gi,G2,G3) desdites deux cellules. 8. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, si sur un même segment, il existe plusieurs types de parois 10 d'épaisseurs différentes (ei,e2,e3), les épaisseurs des parois entre cellules adjacentes sont, dans les segments de la partie centrale, supérieures aux épaisseurs correspondantes des parois entre cellules adjacentes dans les segments situés hors de ladite partie centrale.