EP0412019B1 - Dispositif d'élimination des particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques - Google Patents

Dispositif d'élimination des particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques Download PDF

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EP0412019B1
EP0412019B1 EP19900402232 EP90402232A EP0412019B1 EP 0412019 B1 EP0412019 B1 EP 0412019B1 EP 19900402232 EP19900402232 EP 19900402232 EP 90402232 A EP90402232 A EP 90402232A EP 0412019 B1 EP0412019 B1 EP 0412019B1
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Renault SAS
Regie Nationale des Usines Renault
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    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/70—Feed lines
    • H05B6/705—Feed lines using microwave tuning

Definitions

  • the present invention relates to a device for eliminating carbonaceous particles contained in the exhaust gases of heat engines, consisting of a filtration element constituted by an envelope channeling the gases and containing a filter and providing a cavity which receives micro -waves from a microwave generator.
  • Patent FR-A 2 588 610 proposes two solutions for obtaining the combustion of carbonaceous particles either by passing them, or by making them stay in the areas of the resonator where the electromagnetic field is maximum.
  • Document EP-A-191 437 also describes a device for eliminating carbonaceous particles contained in the exhaust gases of heat engines, consisting of a filtration element constituted by an envelope channeling the gases and containing a filter and providing a cavity (resonator 1) which receives microwaves from a microwave generator and where the generator is coupled to the filter element by a tubular coupling member opening through a coupling iris in the envelope.
  • a filtration element constituted by an envelope channeling the gases and containing a filter and providing a cavity (resonator 1) which receives microwaves from a microwave generator and where the generator is coupled to the filter element by a tubular coupling member opening through a coupling iris in the envelope.
  • document EP-A-0 327 439 belonging to the state of the art as defined in Article 54, paragraph 3 EPC, exclusively describes the use of two coupling irises per filtration element , opening into the envelope on either side of the filter.
  • the object of the present invention is to provide a device for eliminating particles of the type described above and whose waveguiding system allows optimization of the energy transfer.
  • the device according to the invention is characterized in that the filter defines inside the envelope two cavities extending respectively upstream and downstream of the latter, in the direction of flow of the exhaust gases. and in that the coupling iris opens directly into one of these cavities.
  • the device comprises two filtration elements in parallel and the coupling member whose shape is that of a T consists of a main guide and derived guides connected to the casings of the filtration elements, these guides being metallic and of rectangular sections.
  • the microwaves penetrate into the envelopes by coupling irises which have isolation elements.
  • the coupling member has from 1 to 3 matching pistons.
  • the filtration element 3 consists of an external envelope 31 channeling the gases. It is connected upstream to the pipe 22 and downstream to the pipe 52 and it contains a monolith filter 34.
  • the filter element 4 is similarly composed of an outer casing 41 channeling the gases. It is connected upstream to the pipe 23 and downstream to the pipe 53 and it contains a monolith filter 44.
  • Filters 34 and 44 are filters known per se, ceramic, honeycomb structure and optionally supporting catalysts.
  • Each outer casing 31 and 41 is of cylindrical or elliptical section.
  • the monolith filter 34 or 44 is thermally insulated at its periphery. Its diameter can be substantially equal to that of the envelope and its length adapted to form inside the envelope two cavities, one 35 or 45 upstream, the other 36 or 46 downstream .
  • Microwaves are sent to the upstream cavities 35 and 45.
  • the device comprises a microwave generator 6 associated with a coupling member 7 of general T shape supplying the cavities 35 and 45 with microwaves.
  • the coupling member 7 consists of a main guide 71 and derived guides 72 and 73 having a tubular shape and a rectangular section. It allows the propagation of the only fundamental mode at 2.45 GHz noted TE01.
  • the dimensions of the main guide section are marked a and b. As an indication, these dimensions are 86 x 43 mm.
  • the axis of this main guide is parallel to the axes of gas flow in the filters. We could easily carry out an equivalent assembly with the main guide perpendicular to the axes of gas circulation. We would then be with a bend called "Plan H" while the example chosen implements a bend called "Plan E".
  • the main guide 71 is associated with 1, 2 or 3 tuning pistons (2 in the example chosen) which can sink more or less into the guide 71 perpendicularly to the axis thereof. These pistons provide variable susceptances. As an indication, the distance between the pistons is advantageously chosen in the vicinity of ⁇ g / 4 or 3 ⁇ g / 8 where ⁇ g is the guided wavelength.
  • the main guide 71 is connected to two derivative guides 72 and 73 of tubular shape and of rectangular section. These two guides are coaxial and extend perpendicular to the axes of circulation of the gases in the elements 3 and 4.
  • the short side b ′ of the section of the lateral guides 72, 73 is approximately equal to half of the short side b of the main guide 71.
  • the long sides with sections 71, 72, 73 are equal.
  • junction of the derived guides with the main guide can also be carried out using bent waveguides if care is taken to maintain the shapes and dimensions of the straight section during the curvature, the value of the radius of curvature being, moreover, less critical for obtaining good performance.
  • the lateral guides 72 and 73 open into the envelopes 31 and 41 at the level of the cavities 35 and 45 (delimited by the ceramic filters) by coupling irises 37 and 47 respectively. These irises are orifices of smaller section than that of the derived guides. The shape and dimensions of these irises are chosen so as to transfer the most microwave energy into the resonator charged by the filter.
  • the coupling irises 37 and 47 have isolation elements 38 and 48 which allow propagation without attenuation of the microwaves, but prevent the passage of carbonaceous particles towards the derived guides.
  • These elements 38 and 48 are, for example, ceramic plates or discs.
  • a controlled switching valve 24 directs the exhaust gases to one or other of the filters 34 or 44 subjected to the microwaves. In this way, one filter becomes charged with particles while the other filter is in the phase of microwave elimination of the particles.
  • a valve system is advantageously provided in the coupling member 7. It makes it possible to send all of the microwave power to the filtering element in regeneration by obstructing the lateral guide relating to the other filtering element.
  • This constructive arrangement is not limitative of the fact that it is possible to temporarily divert the exhaust gases through a bypass duct without a filter by cleaning a single main filter as described above.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif d' élimination des particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement des moteurs thermiques, constitué par un élément de filtration constitué par une enveloppe canalisant les gaz et contenant un filtre et ménageant une cavité qui reçoit des micro-ondes à partir d'un générateur de micro-ondes.
  • On a proposé d'éliminer les particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement d' un moteur Diesel par un élément de filtration monté sur un conduit des gaz d'échappement, contenant un filtre à particules et asssocié à un générateur à micro-ondes générant, par l'intermédiaire d'un conducteur d'ondes, les ondes à une cavité formée dans ledit élément.
  • La combustion des particules carbonées déposées sur un filtre céramique est rendue possible par l'action d'un champ électromagnétique micro-ondes dans des conditions de mise en oeuvre bien précises.
  • Le brevet FR-A 2 588 610 propose deux solutions pour obtenir la combustion des particules carbonées soit en les faisant passer, soit en les faisant séjourner dans les zones du résonateur où le champ électromagnétique est maximum.
  • Le document EP-A-191 437 décrit également un dispositif d'élimination des particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques, constitué par un élément de filtration constitué par une enveloppe canalisant les gaz et contenant un filtre et ménageant une cavité (résonateur 1) qui reçoit des micro-ondes d'un générateur de micro-ondes et où le générateur est couplé à l'élément de filtration par un organe de couplage tubulaire débouchant par un iris de couplage dans l'enveloppe.
  • D'autre part, le document EP-A-0 327 439, appartenant à l'état de la technique tel que défini à l'article 54, paragraphe 3 CBE, décrit exclusivement l'utilisation de deux iris de couplage par élément de filtration, débouchant dans l'enveloppe de part et d'autre du filtre.
  • La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'élimination des particules du type décrit précédemment et dont le système de guidage d'ondes permet une optimisation du transfert d'énergie.
  • Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que le filtre définit à l'intérieur de l'enveloppe deux cavités s'étendant respectivement en amont et en aval de ce dernier, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement et en ce que l'iris de couplage débouche directement dans l'une de ces cavités.
  • Selon une caractéristique, le dispositif comporte deux éléments de filtration en parallèle et l'organe de couplage dont la forme est celle d'un T se compose d'un guide principal et de guides dérivés raccordés aux enveloppes des éléments de filtration, ces guides étant métalliques et de sections rectangulaires.
  • Selon une caractéristique, les micro-ondes pénètrent dans les enveloppes par des iris de couplage qui présentent des éléments d'isolement.
  • Selon une caractéristique, l'organe de couplage présente de 1 à 3 pistons d'accord.
  • L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est un mode de réalisation du dispositif selon l'invention,
    • les figures 2 et 3 représentent un composant du dispositif en élévation et en vue de droite.
  • En se référant à la figure 1, on voit un moteur 1 dont le tuyau des gaz d'échappement 21 se divise en deux branches 22 et 23 sur lesquelles sont montées deux éléments de filtration 3 et 4 fonctionnant en parallèle. Les gaz sortant des éléments 3 et 4 sont canalisés par des tuyaux 52 et 53 qui se raccordent à un tuyau 51. Le sens de circulation des gaz est figuré par des flèches.
  • L'élément de filtration 3 se compose d'une enveloppe externe 31 canalisant les gaz. Elle est raccordée en amont à la tuyauterie 22 et en aval à la tuyauterie 52 et elle contient un filtre monolithe 34.
  • L'élément de filtration 4 se compose de manière similaire d'une enveloppe externe 41 canalisant les gaz. Elle est raccordée en amont à la tuyauterie 23 et en aval à la tuyauterie 53 et elle contient un filtre monolithe 44.
  • Les filtres 34 et 44 sont des filtres connus en soi, en céramique, à structure en nid d'abeille et supportant éventuellement des catalyseurs.
  • Chaque enveloppe externe 31 et 41 est de section cylindrique ou elliptique. Le filtre monolithe 34 ou 44 est isolé thermiquement à sa périphérie. Son diamètre peut être sensiblement égal à celui de l'enveloppe et sa longueur adaptée pour former à l'intérieur de l'enveloppe deux cavités, l'une 35 ou 45 vers l'amont, l'autre 36 ou 46 vers l'aval.
  • Des micro-ondes sont envoyées vers les cavités amont 35 et 45.
  • Le dispositif comprend un générateur de micro-ondes 6 associé à un organe de couplage 7 de forme générale en T alimentant en micro-ondes les cavités 35 et 45.
  • L'organe de couplage 7 se compose d'un guide principal 71 et de guides dérivés 72 et 73 ayant une forme tubulaire et une section rectangulaire. Il permet la propagation du seul mode fondamental à 2,45 GHz noté TE₀₁. Les dimensions de la section du guide principal sont repérées a et b. A titre indicatif, ces dimensions sont de 86 x 43 mm. L'axe de ce guide principal est parallèle aux axes de circulation des gaz dans les filtres. On saurait réaliser aisément un montage équivalent avec le guide principal perpendiculaire aux axes de circulation des gaz. On se trouverait alors avec un coude dit "Plan H" alors que l'exemple choisi met en oeuvre un coude dit "Plan E".
  • Le guide principal 71 est associé à 1, 2 ou 3 pistons d'accord (2 dans l'exemple choisi) qui peuvent s'enfoncer plus ou moins dans le guide 71 perpendiculairement à l'axe de celui-ci. Ces pistons procurent des susceptances variables. A titre indicatif, la distance entre les pistons est avantageusement choisie au voisinage de λg/4 ou de 3λg/8 ou λg est la longueur d'onde guidée.
  • Le guide principal 71 est raccordé à deux guides dérivés 72 et 73 de forme tubulaire et à section rectangulaire. Ces deux guides sont coaxiaux et s'étendent perpendiculairement aux axes de circulation des gaz dans les éléments 3 et 4. Le petit côté b′ de la section des guides latéraux 72, 73 est approximativement égal à la moitié du petit côté b du guide principal 71. Les grands côtés a des sections 71, 72, 73 sont égaux.
  • La paroi au niveau de la jonction du guide principal et des guides dérivés présente une forme divergente 76. Cette paroi laisse un passage de largeur b′ = b/2
    Figure imgb0001
     .
  • La jonction des guides dérivés avec le guide principal peut être également réalisée à partir de guide d'onde coudés si l'on prend soin de maintenir les formes et les dimensions de la section droite pendant la courbure, la valeur du rayon de courbure étant, par ailleurs, moins critique pour l'obtention de bonnes performances.
  • Les guides latéraux 72 et 73 débouchent dans les enveloppes 31 et 41 au niveau des cavités 35 et 45 (délimitées par les filtres céramiques) par des iris de couplages 37 et 47 respectivement. Ces iris sont des orifices de section plus faible que celle des guides dérivés. La forme et les dimensions de ces iris sont choisies de manière à transférer le plus d'énergie de micro-ondes dans le résonateur chargé par le filtre.
  • Dans le cas d'un filtre chargé au carbone, on a observé qu'un transfert d'énergie très efficace est obtenu pour un iris rectangulaire dont le petit côté b′ du rectangle est égal à b/2 et dont le grand côté est ajusté précisément au banc de mesure pour minimiser la fraction de puissance réfléchie. Un valeur voisine de 48 mm (≃ a/2) fournit de bons résultats pour le monolithe et la cavité cités en exemple.
  • Les iris de couplage 37 et 47 présentent des éléments d'isolement 38 et 48 qui permettent la propagation sans atténuation des micro-ondes, mais empêchent le passage des particules carbonées vers les guides dérivés. Ces éléments 38 et 48 sont, par exemple, des plaquettes ou disques en céramique.
  • Un clapet de commutation 24 commandé dirige les gaz d'échappement vers l'un ou l'autre des filtres 34 ou 44 soumis aux micro-ondes. De cette manière, un filtre se charge de particules tandis que l'autre filtre est en phase d'élimination par micro-ondes des particules.
  • Un système de clapets est avantageusement prévu dans l'organe de couplage 7. Il permet d'envoyer la totalité de la puissance micro-ondes vers l'élément filtrant en régénération en obstruant le guide latéral concernant l'autre élément filtrant.
  • Cette disposition constructive n'est pas limitative du fait que l'on pourra dériver temporairement les gaz d'échappement au travers d'un conduit by-pass sans filtre en procédant au nettoyage d'un filtre principal unique tel que décrit précédemment.
  • Le dispositif qui vient d'être décrit possède les avantages suivants :
    • Il est simple, donc peu onéreux à fabriquer. Il peut être réalisé en tôle sans tolérance particulière sur les cotes,
    • L'optimisation du transfert d'énergie vers les résonateurs peut se faire simplement par réglage de l'enfoncement des pistons d'accord. Avec les dimensions recommandées pour le système, on peut obtenir un transfert d'énergie presque total par des positions spécifiques des pistons, ce qui permet de minimiser la puissance micro-ondes nécessaire à la régénération donc le poids de l'alimentation du générateur (tube magnétron).

Claims (6)

  1. Dispositif d'élimination de particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques, comprenant un élément de filtration (3 ou 4) constitué par une enveloppe (31 ou 41) canalisant les gaz et contenant un filtre (34 ou 44) qui reçoit des micro-ondes d'un générateur de micro-ondes, ledit générateur étant couplé à l'élément de filtration par un organe de couplage tubulaire débouchant par un unique iris de couplage (37 ou 47) dans l'enveloppe, caractérisé en ce que le filtre occuppe toute une section transvusale de l'enveloppe, en ce qu'il défini à l'intérieur de l'enveloppe deux cavités (35, 36 ou 45, 46) s'étendant respectivement en amont et en aval de ce dernier, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, et en ce que l'iris de couplage débouche directement dans l'une de ces cavités (35 ou 45).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux éléments de filtration (3 et 4) en parallèle et que l'organe de couplage (7) dont la forme est celle d'un T se compose d'un guide principal (71) et de guides dérivés (72, 73) raccordés aux enveloppes des éléments de filtration.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un clapet de commutation (24) dirige les gaz vers l'un ou l'autre des filtres (34, 44) dans le but d'avoir toujours un filtre qui se charge de particules et au moins un autre filtre en phase d'élimination par micro-ondes de particules.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un système de clapets, disposé dans l'organe de couplage (7) permet d'envoyer la totalité de la puissance micro-ondes vers l'élément filtrant en régénération.
  5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la paroi de l'organe de couplage présente à la jonction du guide principal et des guides dérivés une forme divergente (76).
  6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la jonction du guide principal avec les guides latéraux peut être réalisée à l'aide de guides d'onde coudés.
EP19900402232 1989-08-04 1990-08-03 Dispositif d'élimination des particules carbonées contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques Expired - Lifetime EP0412019B1 (fr)

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FR8910569 1989-08-04
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Publications (2)

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EP0412019A1 EP0412019A1 (fr) 1991-02-06
EP0412019B1 true EP0412019B1 (fr) 1995-04-19

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DE (1) DE69018727T2 (fr)
ES (1) ES2071056T3 (fr)
FR (1) FR2650627B1 (fr)

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