EP1506347B1 - Device and method for filtering particle-loaded exhaust gases - Google Patents
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- F01N2410/00—By-passing, at least partially, exhaust from inlet to outlet of apparatus, to atmosphere or to other device
- F01N2410/04—By-passing, at least partially, exhaust from inlet to outlet of apparatus, to atmosphere or to other device during regeneration period, e.g. of particle filter
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- F01N2470/00—Structure or shape of gas passages, pipes or tubes
- F01N2470/24—Concentric tubes or tubes being concentric to housing, e.g. telescopically assembled
Definitions
- a particle-laden gas filtering assembly comprising an electrostatic precipitator, or electrostatic filter, corona or corona discharge.
- the electrostatic filter comprises a cylindrical cage internally covered on an axial portion by a knitted wire.
- the cage comprises two openings formed near its axial ends.
- a central rod extends axially in the cage, being held at its ends by insulators.
- the cage is maintained at zero potential, while the rod is brought to a high negative potential.
- the stem carries stars extending perpendicularly towards the cage.
- the exhaust gases enter the cage through an opening and flow axially to exit through the opposite opening.
- the central rod provided with stars and brought to a high negative potential constitutes an emissive structure for electrically charging particles carried by the exhaust gases.
- a volume surrounding the stem and the stars is ionized. Electrons are emitted and move towards the outer cage, hit particles, and eventually associate with these particles to form negatively charged particles. The particles thus charged move radially under the effect of the electric field created between the central rod and the outer cage, and are trapped by the knit of metal son.
- Such a device has the disadvantage that the particles are mainly negatively charged by electron emission and attachment of electrons emitted with the particles flowing in a gas flow. Given the low particle concentration of the exhaust gases, the probability of attachment of the particles with an emitted electron remains low. It is necessary to power the central electrode with a high energy level to cause significant electron emission. In addition, to be trapped, the charged particles must migrate radially to the metal wire knit. However, these charged particles move axially while being driven by the exhaust gases. It is therefore necessary to provide power supply of the central rod ensuring rapid radial migration under the effect of the electric field created between the electrodes.
- This document thus proposes a sequential mechanism for loading particles upstream of their attachment.
- This document does not provide for crown discharges between two electrodes so that the overall efficiency of the device remains low.
- the present invention relates to a filtering device for improving the filtering of particles, and requiring a low energy input.
- an exhaust gas filtering device for motor vehicles the exhaust gases being charged with particles, comprises filtering means comprising a central passage for the exhaust gas, an external electrode formed by an agglomerate of metal fibers surrounding the passage, a second electrode, and electrical supply means of the electrodes.
- the central passage is axially closed on the side opposite to the admission of the exhaust gases in the filtering means so that the exhaust gases pass, before being discharged, through the external electrode which is permeable to gases. and able to mechanically retain the particles.
- the external electrode comprises conductive reinforcing and electrical continuity parts embedded in the agglomeration of metal fibers.
- the conductive parts are metallic and have a certain rigidity, making it possible to strengthen the external electrode.
- the conductive parts preferably extend radially and axially in the electrode while in contact with multiple metal fibers. The conductive parts thus provide electrical continuity between the metal fibers, and more generally throughout the electrode.
- Filtration cells may be associated in parallel or in series.
- the invention also relates to a method for filtering exhaust gas for a motor vehicle, the exhaust gases being charged with particles, in which the gases are mechanically and electrostatically filtered at the same time by passing through a permeable external electrode. to the gas formed by entanglement of metal fibers and establishes an electrostatic field with corona discharge between an inner wire electrode and the outer electrode.
- a filter cell referenced 1 as a whole, comprises an intake pipe 2, a collector 4, and a filter unit 3 between the intake pipe 2 and the collector 4.
- the filter unit 3 also comprises a central electrode 18 in the form of a rod 19 coaxial with the external electrode 5 and one end of which is plugged into the insulating disk 16.
- the internal electrode 18 extends axially from its end 20 beyond the fixing ring 11 being bent to form a radial portion 21 radially out of the intake pipe 2 through an opening 22 formed in a wall of the intake pipe 2.
- An insulator 23 is disposed in the opening 22 to electrically isolate the wall of the intake pipe 2 from the internal electrode 18.
- the radial portion 21 is electrically connected to a voltage source 24.
- the filter unit 3 comprises means for heating the external electrode 5 in the form of conductors 31, insulated or not, and arranged axially in the outer electrode 5 being embedded in the thickness of the latter.
- the conductors 31 are fed with a view to current flow in a manner not shown in the drawing for the sake of clarity.
- the collector 4 comprises a cylindrical envelope 25 surrounding the portion of the external electrode 5 situated outside the intake duct 2.
- the cylindrical envelope 25 extends axially beyond the insulating disc 16.
- the envelope 25 comprises an inner diameter greater than the outer diameter of the outer electrode 5, so that there is an empty annular space 26 between the cylindrical shell 25 and the outer electrode 5.
- the collector 4 comprises a radial wall 27 connecting one end 25a of the casing 25 located on the side of the intake pipe 2 at the end of the intake pipe 2, sealingly.
- the collector 4 is closed on the opposite side to the intake pipe 2 by a radial wall 28 provided with a central opening 29 into which a discharge pipe 30 opens.
- Particle-laden exhaust gases enter the intake pipe 2 through the inlet 15. Particle-laden exhaust gases enter the central passage 7 of the outer electrode 5 which communicates with the pipe. 2.
- the insulating disc 16 prevents the axial passage of the exhaust gas.
- the exhaust gas is deflected radially and passes through the outer electrode 5 which is gas permeable.
- the exhaust gas passes into the annular space 26, then flows into the manifold 4 towards the exhaust pipe 30.
- the exhaust pipe 30 can be connected to an exhaust outlet directly, or via different catalyst volumes, for example oxidation type reduction of nitrogen oxides.
- the particulate loaded exhaust gases are mechanically filtered.
- the outer electrode 5 is formed by an agglomerate or entanglement of metal son comprising interstices capable of trapping particles circulating in the gas.
- the filter cell 1 also allows electrostatic filtering of the particle-laden gases.
- the external electrode 5 is maintained at a zero potential, the internal electrode 18 being brought to a positive or negative potential.
- the potential difference created between the external and internal electrodes 5 induces the presence of an electric field in the axial passage 7. If this electric field has a sufficient intensity, in particular in the very near vicinity of the internal electrode 18, it a partial or total ionization of the gases, or medium, occurs between the internal and external electrodes 18 and 5.
- An ionized gaseous medium comprises free electrons and positive ions. Particles in the ionized medium combine with electrons or ions to form charged particles. Similarly, an electronic avalanche from an electrode to the other causes collisions between the electrons and the particles that combine to form negatively charged particles.
- the radial circulation of the gases causes the charged particles to the external electrode 5.
- the charged particles passing through the external electrode 5 are trapped by electrostatic forces, Van Der Walls forces, capillary forces and electric forces.
- the corona discharges have a spatial propagation limited to the near vicinity of the central electrode 18.
- the volume of ionized gas is low.
- the electrons are torn off the middle molecules are pushed back to the outer electrode 5.
- the predominant phenomenon is an electronic avalanche phenomenon.
- the particles present in the exhaust gases are mainly negatively charged by collision and combination with free electrons.
- the probability that an electron moving rapidly from the inner electrode 18 to the outer electrode 5 hits a particle and combines with the latter is low.
- the internal electrode 18 must therefore be brought to a high potential, for example between 50 and 150 kV.
- the increase in the potential at which the internal electrode 18 is carried also has the effect of ionizing a gaseous medium in a larger volume.
- the ionization of the entire volume between the inner 18 and outer 5 electrodes requires considerable energy.
- the corona discharge is similar to an ionization wave propagating from the internal electrode 18 to the external electrode 5.
- the highly inhomogeneous electric field in the vicinity close to the central electrode 18, that is to say with strong gradients of electrical potential in the radial direction, causes, initially, the ionization of the gas in the close vicinity of said central electrode 18.
- the free electrons are attracted by the central electrode 18. It creates a local inhomogeneity of electric field the difference in mobility between ions and electrons between the ionized volume and the volume portion surrounding the ionized volume. This inhomogeneity of the electric field in the gas propagates as a wave from the internal electrode 18 to the external electrode 5.
- Each portion of ionized volume creates a local gradient of electric field causing the ionization of the surrounding medium surrounding the volume portion ionized.
- the gases are ionized, i.e. the gas is electrically neutral as a whole, but includes free electrons torn from molecules that have become positive ions.
- the ionization wave propagates to the external electrode 5. In this way, the entire volume between the internal electrode 18 and the external electrode 5 is crossed by the ionization wave.
- the path separating these two electrodes is considered as an ohmic conductor having a certain resistivity which increases with the recombination of electrons and ions present in the medium.
- This recombination phenomenon gradually leads to the extinction of the ionized channel.
- the central electrode 18 once the medium has recovered its insulating nature, a new ionization wave starts, thus starting a new cycle.
- the ionization wave phenomenon repeating itself with a high frequency makes it possible to preserve an ionized medium almost permanently.
- the ionization phenomenon can be self-maintained or maintained by acting on the potential of the internal electrode 18.
- the inner electrode 18 may be powered by a DC positive voltage source, or a positive pulse voltage source.
- a positive voltage source In the case of a supply by a positive voltage source, ionization waves are created on a regular basis spatially and temporally but little controllable by the external circuit. The characteristics of the medium impose its repetition frequency.
- the supply of the internal electrode 18 by a source of positive voltage per pulse makes it possible to be able to apply larger amplitudes of higher voltage than continuous and to control the frequency of repetition of the phenomenon.
- the internal electrode 18 of the wire type makes it possible to create in the near vicinity of the internal electrode a highly inhomogeneous radial electric field, that is to say with a variation of the amplitude of the electric field that is very important, favorable to the initiation of a corona discharge.
- the smaller the radius of curvature of the inner electrode the greater the electrical potential gradient and hence the larger and inhomogeneous the electric field.
- the wire internal electrode 18 may have an outer diameter of between 0.1 mm and 10 mm.
- a strongly inhomogeneous field allows the initiation of a corona discharge and an ionization wave with a low positive potential of the internal electrode 18, with a lower energy input.
- the heating conductors 31 passing through the external electrode 5 allow a regeneration of the filter cell 1.
- the accumulation of particles trapped in the external electrode 5 leads in the long run to a decrease in the filtering efficiency.
- the heating elements are supplied with electricity, which leads to the increase of their temperature by Joule effect.
- the heating elements embedded in the external electrode 5 heat the latter.
- a filtering assembly 34 comprises subset 43 of cells, here two in number, associated in series, the subsets 43 being themselves associated in parallel.
- a distributor 35 comprises an input 36 and two outputs 37 each connected to an input of a subassembly 43.
- Each subassembly 43 here comprises two filtering cells 38 arranged in series between an output of the distributor 35 and an input of a general collector 42.
Description
La présente invention concerne un dispositif de filtrage de gaz d'échappement chargés de particules, notamment pour véhicules automobiles, un ensemble de filtrage et un procédé de filtrage de gaz d'échappement chargés de particules.The present invention relates to a device for filtering particulate exhaust gases, particularly for motor vehicles, a filter assembly and a particle-laden exhaust filtering method.
Des efforts sont entrepris pour diminuer les émissions polluantes des moteurs à combustion interne utilisés dans les véhicules automobiles.Efforts are being made to reduce the polluting emissions of internal combustion engines used in motor vehicles.
On connaît, par le document
Les gaz d'échappement pénètrent dans la cage par une ouverture et circulent axialement pour ressortir par l'ouverture opposée. La tige centrale munie des étoiles et portée à un potentiel négatif élevé constitue une structure émissive permettant de charger électriquement des particules portées par les gaz d'échappement. Un volume entourant la tige et les étoiles est ionisé. Des électrons sont émis et se dirigent vers la cage externe, heurtent des particules, et éventuellement s'associent à ces particules pour former des particules chargées négativement. Les particules ainsi chargées se déplacent radialement sous l'effet du champ électrique créé entre la tige centrale et la cage externe, et sont piégées par le tricot de fils métalliques.The exhaust gases enter the cage through an opening and flow axially to exit through the opposite opening. The central rod provided with stars and brought to a high negative potential constitutes an emissive structure for electrically charging particles carried by the exhaust gases. A volume surrounding the stem and the stars is ionized. Electrons are emitted and move towards the outer cage, hit particles, and eventually associate with these particles to form negatively charged particles. The particles thus charged move radially under the effect of the electric field created between the central rod and the outer cage, and are trapped by the knit of metal son.
Un tel dispositif possède l'inconvénient que les particules sont principalement chargées négativement par émission d'électrons et attachement des électrons émis avec les particules circulant dans un flux de gaz. Compte tenu de la faible concentration en particule des gaz d'échappement, la probabilité d'attachement des particules avec un électron émis reste faible. Il est nécessaire d'alimenter l'électrode centrale avec un niveau d'énergie important pour provoquer une émission d'électron importante. De plus, pour être piégées, les particules chargées doivent migrer radialement vers le tricot de fils métalliques. Cependant ces particules chargées se déplacent axialement en étant entraînées par les gaz d'échappement. Il est donc nécessaire de fournir une énergie d'alimentation de la tige centrale assurant une migration radiale rapide sous l'effet du champ électrique crée entre les électrodes.Such a device has the disadvantage that the particles are mainly negatively charged by electron emission and attachment of electrons emitted with the particles flowing in a gas flow. Given the low particle concentration of the exhaust gases, the probability of attachment of the particles with an emitted electron remains low. It is necessary to power the central electrode with a high energy level to cause significant electron emission. In addition, to be trapped, the charged particles must migrate radially to the metal wire knit. However, these charged particles move axially while being driven by the exhaust gases. It is therefore necessary to provide power supply of the central rod ensuring rapid radial migration under the effect of the electric field created between the electrodes.
On connaît également par le brevet
Dans ce document, les particules de suie sont tout d'abord chargées électriquement au moyen d'une électrode annulaire disposée perpendiculairement au trajet des gaz d'échappement. L'électrode annulaire est placée dans un plan radial, en dehors de la zone occupée par l'électrode externe cylindrique ou tronconique. L'ionisation du milieu gazeux prend place à l'endroit de l'électrode annulaire où la quasi-totalité de l'énergie est injectée.In this document, the soot particles are first electrically charged by means of an annular electrode disposed perpendicularly to the path of the exhaust gas. The annular electrode is placed in a radial plane, outside the zone occupied by the cylindrical or frustoconical external electrode. The ionization of the gaseous medium takes place at the location of the annular electrode where almost all of the energy is injected.
Ce document propose ainsi un mécanisme séquentiel de chargement des particules en amont de leur fixation.This document thus proposes a sequential mechanism for loading particles upstream of their attachment.
On ne prévoit pas dans ce document de décharges couronnes entre deux électrodes de sorte que l'efficacité globale du dispositif reste faible.This document does not provide for crown discharges between two electrodes so that the overall efficiency of the device remains low.
La présente invention a pour objet un dispositif de filtrage permettant une amélioration du filtrage des particules, et nécessitant un apport d'énergie faible.The present invention relates to a filtering device for improving the filtering of particles, and requiring a low energy input.
L'invention a également pour objet un dispositif de filtrage peu encombrant, simple, et pouvant être obtenu avec un coût de fabrication faible.The invention also relates to a compact filtering device, simple, and can be obtained with a low manufacturing cost.
L'invention concerne encore un dispositif de filtrage permettant une élimination des particules filtrées, sans interruption du filtrage des particules, et pouvant facilement être intégrés dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile.The invention also relates to a filtering device for eliminating filtered particles, without interrupting particle filtration, and can easily be integrated into an exhaust line of a motor vehicle.
Tel qu'il est revendiqué, un tel dispositif de filtrage de gaz d'échappement pour véhicules automobiles, les gaz d'échappement étant chargés de particules, comprend des moyens de filtrage comportant un passage central pour les gaz d'échappement, une électrode externe formée par un agglomérat de fibres métalliques entourant le passage, une seconde électrode, et des moyens d'alimentation électrique des électrodes. Le passage central est fermé axialement du côté opposé à l'admission des gaz d'échappement dans les moyens de filtrage de façon que les gaz d'échappement passent, avant d'être évacués, à travers l'électrode externe qui est perméable aux gaz et apte à retenir mécaniquement les particules.As claimed, such an exhaust gas filtering device for motor vehicles, the exhaust gases being charged with particles, comprises filtering means comprising a central passage for the exhaust gas, an external electrode formed by an agglomerate of metal fibers surrounding the passage, a second electrode, and electrical supply means of the electrodes. The central passage is axially closed on the side opposite to the admission of the exhaust gases in the filtering means so that the exhaust gases pass, before being discharged, through the external electrode which is permeable to gases. and able to mechanically retain the particles.
Selon l'invention, la seconde électrode est une électrode interne du type filaire, disposée selon l'axe du passage central, les moyens d'alimentation électrique étant capables d'établir entre les électrodes un champ électrique radial avec formation de décharges couronnes entre l'électrode externe et l'électrode interne filaire.According to the invention, the second electrode is an internal electrode of the wire type, arranged along the axis of the central passage, the power supply means being able to establish between the electrodes a radial electric field with formation of crown discharges between the external electrode and the wire internal electrode.
Le dispositif de filtrage permet simultanément un filtrage mécanique et un filtrage du type électrostatique. Les particules traversant le passage sont amenées à traverser l'électrode externe formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fibres métalliques présentant des interstices aptes à piéger les particules, ce qui permet un filtrage mécanique et favorise le filtrage électrostatique. L'électrode externe étant perméable aux gaz, les particules chargées ne doivent pas migrer dans une direction différente de la direction d'écoulement des gaz, mais sont piégées par filtrage mécanique ou électrostatique lors de leur passage à travers l'électrode externe.The filtering device simultaneously allows mechanical filtering and filtering of the electrostatic type. The particles passing through the passage are caused to pass through the external electrode formed by an agglomerate or an entanglement of metal fibers having interstices capable of trapping the particles, which allows mechanical filtering and promotes electrostatic filtering. Since the outer electrode is gas permeable, the charged particles must not migrate in a direction different from the flow direction of the gases, but are trapped by mechanical or electrostatic filtration as they pass through the outer electrode.
L'électrode externe est de préférence reliée à une masse électrique, l'électrode interne pouvant être portée à un potentiel positif ou à un potentiel négatif.The external electrode is preferably connected to an electrical ground, the internal electrode being able to be raised to a positive potential or a negative potential.
Avantageusement, l'électrode externe comprend des pièces conductrices de renfort et de continuité électrique noyées dans l'agglomération de fibres métalliques. Les pièces conductrices sont métalliques et possèdent une certaine rigidité, permettant de renforcer l'électrode externe. Les pièces conductrices s'étendent de préférence radialement et axialement dans l'électrode en étant en contact avec de multiples fibres métalliques. Les pièces conductrices assurent donc une continuité électrique entre les fibres métalliques, et plus généralement dans l'ensemble de l'électrode.Advantageously, the external electrode comprises conductive reinforcing and electrical continuity parts embedded in the agglomeration of metal fibers. The conductive parts are metallic and have a certain rigidity, making it possible to strengthen the external electrode. The conductive parts preferably extend radially and axially in the electrode while in contact with multiple metal fibers. The conductive parts thus provide electrical continuity between the metal fibers, and more generally throughout the electrode.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de chauffage de l'électrode externe. Avantageusement, les moyens de chauffage de l'électrode externe peuvent être des conducteurs noyés dans l'électrode externe et aptes à chauffer l'électrode externe par diffusion de chaleur par effet Joule. Les moyens de chauffage de l'électrode externe peuvent également comprendre des moyens de circulation d'un courant dans l'électrode externe pour provoquer un échauffement directement des fibres enchevêtrées par effet Joule. On peut également prévoir un chauffage de la matrice par induction, notamment à l'aide d'un générateur à induction.In one embodiment, the device comprises means for heating the external electrode. Advantageously, the heating means of the external electrode may be conductors embedded in the external electrode and able to heat the external electrode by Joule heat diffusion. The means for heating the external electrode may also comprise means for circulating a current in the external electrode to cause a heating directly Joule entangled fibers. It is also possible to provide heating of the matrix by induction, in particular by means of an induction generator.
Dans un mode de réalisation, l'électrode interne présente des aspérités saillantes dirigées sensiblement vers l'électrode externe. Les aspérités saillantes permettent de créer localement de forts gradients de potentiel électrique et donc' des valeurs de champ électrique importantes favorisant la génération de décharges couronnes.In one embodiment, the internal electrode has protruding asperities directed substantially towards the external electrode. The protruding asperities make it possible locally to create high electrical potential gradients and thus important electric field values favoring the generation of crown discharges.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un collecteur de récupération des gaz d'échappement filtrés entourant l'électrode externe. Les gaz d'échappement chargés de particules traversent l'enchevêtrement de fibres métalliques formant l'électrode externe. Le carter de récupération permet d'acheminer les gaz d'échappement filtrés vers une sortie d'échappement, ou vers d'autres moyens de filtrage disposés en aval du dispositif de filtrage, sur la ligne d'échappement.In one embodiment, the device includes a filtered exhaust gas collection manifold surrounding the outer electrode. Particle-laden exhaust gases pass through the entanglement of metal fibers forming the outer electrode. The recovery casing makes it possible to route the filtered exhaust gases to an exhaust outlet, or to other filtering means arranged downstream of the filtering device, on the exhaust line.
Un ensemble de filtrage de gaz d'échappement pour véhicule automobile, les gaz d'échappement étant chargés de particules peut comprendre une pluralité de cellules de filtrage comprenant un passage pour les gaz d'échappement, une électrode externe entourant le passage formé par un agglomérat ou un enchevêtrement de fibres métalliques perméables aux gaz en étant aptes à filtrer mécaniquement les gaz d'échappement, une électrode interne du type filaire disposée généralement selon l'axe du passage, des moyens d'alimentation électrique des électrodes pour établir un champ électrique avec formation de décharges couronnes pour un filtrage électrostatique des particules.An exhaust gas filter assembly for a motor vehicle, the exhaust gas being charged with particles may comprise a plurality of filter cells comprising a passage for the exhaust gas, an external electrode surrounding the passage formed by an agglomerate or an entanglement of metal fibers permeable to gases, being able to mechanically filter the exhaust gases, an inner electrode of the wire type arranged generally along the axis of the passage, means for supplying the electrodes with electricity to establish an electric field with formation of crown discharges for electrostatic particle filtering.
Des cellules de filtrages peuvent être associées en parallèle ou en série.Filtration cells may be associated in parallel or in series.
L'invention concerne encore un procédé de filtrage de gaz d'échappement pour véhicule automobile, les gaz d'échappement étant chargés de particules, dans lequel on filtre les gaz mécaniquement et de façon électrostatique en même temps par passage à travers une électrode externe perméable au gaz formée par un enchevêtrement de fibres métalliques et on établit un champ électrostatique avec décharge couronne entre une électrode filaire interne et l'électrode externe.The invention also relates to a method for filtering exhaust gas for a motor vehicle, the exhaust gases being charged with particles, in which the gases are mechanically and electrostatically filtered at the same time by passing through a permeable external electrode. to the gas formed by entanglement of metal fibers and establishes an electrostatic field with corona discharge between an inner wire electrode and the outer electrode.
La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels :
- la
figure 1 est une vue en coupe axiale d'une cellule de filtrage selon l'invention ; - la
figure 2 est une vue d'un ensemble de filtrage comprenant des cellules de filtrage selon lafigure 1 ; et - la
figure 3 est une vue d'une variante de l'ensemble de filtrage selon lafigure 2 .
- the
figure 1 is an axial sectional view of a filter cell according to the invention; - the
figure 2 is a view of a filtering set comprising filtering cells according to thefigure 1 ; and - the
figure 3 is a view of a variant of the filter set according to thefigure 2 .
Sur la
L'unité de filtrage 3 comprend une électrode externe 5 de forme générale cylindrique et formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fibres métalliques. L'électrode externe 5 comprend des croisillons métalliques 6 noyés dans l'épaisseur de l'électrode externe 5. Sur la
L'électrode externe 5 comprend des surfaces frontales radiales 8, 9. Une portion d'extrémité 10 de l'électrode externe 5 située du côté de la face frontale 8 est insérée dans la conduite d'admission 2. La face frontale 8 vient en contact axial avec une couronne 11 de fixation de l'électrode externe 5 sur la conduite d'admission 2. La couronne de fixation 11 comprend une surface externe 12 en contact avec un alésage 13 de la conduite d'admission 2. La couronne 11 est traversée par un conducteur 14 sortant radialement de la couronne 11 et relié à la couronne externe 5. Le conducteur 14 relie électriquement l'électrode externe 5 à une masse de potentiel nul.The
L'électrode externe 5 est ouverte du côté de sa surface frontale 8, de sorte que le passage central 7 communique avec la conduite d'admission 2. La conduite d'admission 2 comprend un orifice d'entrée 15 du côté opposé à l'électrode externe 5. Un disque 16 en matière isolante vient en appui axial par une surface radiale 17 contre la surface frontale 9 de l'électrode externe 5 opposée à la conduite d'admission 2. Le disque 16 ferme axialement le passage central 7 du côté opposé à la conduite d'admission 2.The
L'unité de filtrage 3 comprend également une électrode centrale 18 sous la forme d'une tige 19 coaxiale à l'électrode externe 5 et dont une extrémité 20 est enfichée dans le disque isolant 16. L'électrode interne 18 s'étend axialement depuis son extrémité 20 au-delà de la couronne de fixation 11 en étant coudée pour former une portion radiale 21 sortant radialement de la conduite d'admission 2 par une ouverture 22 formée dans une paroi de la conduite d'admission 2. Un isolateur 23 est disposé dans l'ouverture 22 pour isoler électriquement la paroi de la conduite d'admission 2 de l'électrode interne 18. La portion radiale 21 est reliée électriquement à une source de tension 24.The
L'unité de filtrage 3 comprend des moyens de chauffage de l'électrode externe 5 sous la forme de conducteurs 31, isolés ou non, et disposés axialement dans l'électrode externe 5 en étant noyés dans l'épaisseur de cette dernière. Les conducteurs 31 sont alimentés en vue d'une circulation de courant de façon non représentée sur le dessin pour des raisons de clarté.The
Le collecteur 4 comprend une enveloppe cylindrique 25 entourant la portion de l'électrode externe 5 située en-dehors de la conduite d'admission 2. L'enveloppe cylindrique 25 s'étend axialement au-delà du disque isolant 16. L'enveloppe 25 comprend un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de l'électrode externe 5, de sorte qu'il existe un espace annulaire vide 26 entre l'enveloppe cylindrique 25 et l'électrode externe 5. Le collecteur 4 comprend une paroi radiale 27 reliant une extrémité 25a de l'enveloppe 25 située du côté de la conduite d'admission 2 à l'extrémité de la conduite d'admission 2, de façon étanche. Le collecteur 4 est fermé du côté opposé à la conduite d'admission 2 par une paroi radiale 28 pourvue d'une ouverture centrale 29, dans laquelle débouche une conduite d'évacuation 30.The collector 4 comprises a
Les gaz d'échappement chargés de particules entrent dans la conduite d'admission 2 par l'orifice d'entrée 15. Les gaz d'échappement chargés de particules pénètrent dans le passage central 7 de l'électrode externe 5 qui communique avec la conduite d'admission 2. Le disque isolant 16 empêche le passage axial des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sont déviés radialement et traversent l'électrode externe 5 qui est perméable aux gaz. Les gaz d'échappement passent dans l'espace annulaire 26, puis circulent dans le collecteur 4 vers la conduite d'évacuation 30. La conduite d'évacuation 30 peut être reliée à une sortie d'échappement directement, ou par l'intermédiaire de différents volumes de catalyseurs par exemple du type oxydation réduction des oxydes d'azote.Particle-laden exhaust gases enter the
En passant à travers l'électrode externe 5, les gaz d'échappement chargés de particules sont filtrés mécaniquement. En effet, l'électrode externe 5 est formée par un agglomérat ou un enchevêtrement de fils métalliques comprenant des interstices aptes à piéger les particules circulant dans les gaz.By passing through the
Par ailleurs, la cellule de filtrage 1 permet également un filtrage électrostatique des gaz chargés de particules. L'électrode externe 5 est maintenue à un potentiel nul, l'électrode interne 18 étant portée à un potentiel positif ou négatif. La différence de potentiel créée entre les électrodes externe 5 et interne 18 induit la présence d'un champ électrique dans le passage axial 7. Si ce champ électrique possède une intensité suffisante, en particulier au très proche voisinage de l'électrode interne 18, il se produit une ionisation partielle ou totale des gaz, ou milieu, compris entre les électrodes interne 18 et externe 5.In addition, the filter cell 1 also allows electrostatic filtering of the particle-laden gases. The
Un milieu gazeux ionisé comprend des électrons libres et des ions positifs. Les particules présentes dans le milieu ionisé se combinent avec des électrons ou des ions en formant des particules chargées. De même, une avalanche électronique d'une électrode vers l'autre provoque des collisions entre les électrons et les particules qui se combinent pour former des particules chargées négativement.An ionized gaseous medium comprises free electrons and positive ions. Particles in the ionized medium combine with electrons or ions to form charged particles. Similarly, an electronic avalanche from an electrode to the other causes collisions between the electrons and the particles that combine to form negatively charged particles.
La circulation radiale des gaz entraîne les particules chargées vers l'électrode externe 5. Les particules chargées traversant l'électrode externe 5 sont piégées par action de forces électrostatiques, de forces de Van Der Walls, de forces de capillarité et de forces électriques.The radial circulation of the gases causes the charged particles to the
Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel négatif, les décharges couronnes possèdent une propagation spatiale limitée au proche voisinage de l'électrode centrale 18. Le volume de gaz ionisés est faible. Les électrons sont arrachés aux molécules du milieu sont repoussés vers l'électrode extérieure 5. Le phénomène prédominant est un phénomène d'avalanche électronique. Les particules présentes dans les gaz d'échappement se chargent principalement négativement par collision et combinaison avec des électrons libres.In the case of an
Compte tenu de la faible concentration de particules dans les gaz d'échappement, la probabilité qu'un électron se déplaçant rapidement de l'électrode interne 18 vers l'électrode externe 5 heurte une particule et se combine avec cette dernière est faible. Afin de charger les particules de façon convenable en vue de leur filtrage électrostatique, il est nécessaire de provoquer une avalanche électronique suffisante. L'électrode interne 18 doit donc être portée à un potentiel élevé, par exemple compris entre 50 et 150 kV. L'augmentation du potentiel auquel est portée l'électrode interne 18 a également pour effet l'ionisation d'un milieu gazeux dans un volume plus étendu. Cependant, l'ionisation de tout le volume compris entre les électrodes interne 18 et externe 5 nécessite une énergie considérable.Given the low concentration of particles in the exhaust gas, the probability that an electron moving rapidly from the
Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel positif, la décharge couronne s'apparente à une onde d'ionisation se propageant depuis l'électrode interne 18 vers l'électrode externe 5. Le champ électrique fortement non homogène au voisinage proche de l'électrode centrale 18, c'est-à-dire avec de forts gradients de potentiel électrique dans la direction radiale, provoque, dans un premier temps, l'ionisation des gaz dans le voisinage proche de ladite électrode centrale 18. Les électrons libres sont attirés par l'électrode centrale 18. Il se crée une inhomogénéité locale de champ électrique du à la différence de mobilité entre les ions et les électrons entre le volume ionisé et la portion de volume entourant le volume ionisé. Cette inhomogénéité de champ électrique dans le gaz se propage comme une onde depuis l'électrode interne 18 vers l'électrode externe 5. Chaque portion de volume ionisé crée un gradient local de champ électrique provoquant l'ionisation du milieu proche entourant la portion de volume ionisé. Derrière l'onde de décharge couronne, les gaz sont ionisés, c'est-à-dire que le gaz est neutre électriquement dans son ensemble, mais comprend des électrons libres arrachés à des molécules devenues des ions positifs. L'onde d'ionisation se propage jusqu'à l'électrode externe 5. De la sorte, tout le volume compris entre l'électrode interne 18 et l'électrode externe 5 est traversé par l'onde d'ionisation.In the case of an
Lorsque tout le volume entre l'électrode interne 18 et l'électrode externe 5 est ionisé, le trajet séparant ces deux électrodes est considéré comme un conducteur ohmique présentant une certaine résistivité qui augmente avec la recombinaison des électrons et des ions présents dans le milieu. Ce phénomène de recombinaison entraîne progressivement l'extinction du canal ionisé. Au voisinage de l'électrode centrale 18, une fois que le milieu a recouvré sa nature isolante, une nouvelle onde d'ionisation prend naissance, recommençant ainsi un nouveau cycle. Le phénomène d'onde d'ionisation se répétant avec une fréquence élevée permet de conserver un milieu ionisé de façon quasi permanente. Le phénomène d'ionisation peut être auto-entretenu ou entretenu en agissant sur le potentiel de l'électrode interne 18.When the entire volume between the
L'électrode interne 18 peut être alimentée par une source de tension positive continue, ou une source de tension positive par impulsion. Dans le cas d'une alimentation par une source de tension positive, des ondes d'ionisation sont créées de façon régulière spatialement et temporellement mais peu contrôlables par le circuit extérieur. Les caractéristiques du milieu imposent sa fréquence de répétition. L'alimentation de l'électrode interne 18 par une source de tension positive par impulsion permet de pouvoir appliquer des amplitudes de haute-tension plus importantes qu'en continu et de maîtriser la fréquence de répétition du phénomène.The
Les particules entraînées par les gaz traversent donc un milieu ionisé. Il existe une plus grande probabilité, dans ce cas, qu'une particule rencontre une molécule ionisée ou un électron libre et se combine pour former une particule chargée positivement ou négativement. Une électrode interne 18 positive permet une ionisation du volume compris entre l'électrode interne 18 et l'électrode externe 5 avec une énergie apportée faible, en étant portée à un potentiel positif moindre, par exemple compris entre 1 kV et 50 kV.The particles entrained by the gases thus pass through an ionized medium. There is a greater probability, in this case, that a particle encounters an ionized molecule or a free electron and combines to form a positively or negatively charged particle. A positive
L'électrode interne 18 du type filaire permet de créer dans le proche voisinage de l'électrode interne un champ électrique radial fortement inhomogène, c'est-à-dire avec une variation de l'amplitude du champ électrique très important, favorable à l'initiation d'une décharge couronne. Plus le rayon de courbure de l'électrode interne est petit, plus le gradient de potentiel électrique est important et de ce fait, plus le champ électrique est important et inhomogène. En d'autres termes, dans le cas d'une électrode du type filaire, plus le diamètre de l'électrode est petit, plus le gradient de potentiel électrique est important et de ce fait, plus le champ électrique est important et inhomogène. Avantageusement, l'électrode interne 18 filaire peut présenter un diamètre extérieur compris entre 0,1 mm et 10 mm. Un champ fortement inhomogène permet l'initiation d'une décharge couronne et d'une onde d'ionisation avec un potentiel positif faible de l'électrode interne 18, avec un apport d'énergie plus faible.The
Par ailleurs, dans une configuration de champ homogène, la différence entre le potentiel permettant la formation d'ondes d'ionisation et le potentiel conduisant à la formation d'arcs entre les électrodes est faible. L'utilisation d'une électrode centrale du type filaire permet d'obtenir un champ inhomogène présentant un gradient suffisant pour la formation d'ondes d'ionisation sans risquer l'établissement d'arcs électriques entre les électrodes interne 18 et externe 5. L'électrode interne 18 portée à un potentiel positif permettant la formation de décharges couronnes avec un faible apport d'énergie diminue encore le risque de formation d'arcs.Moreover, in a homogeneous field configuration, the difference between the potential allowing the formation of ionization waves and the potential leading to the formation of arcs between the electrodes is small. The use of a central electrode of the wired type makes it possible to obtain an inhomogeneous field presenting a gradient sufficient for the formation of ionization waves without risking the establishment of arcs between the
Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel positif, les particules chargées négativement sont attirées vers l'électrode interne 18 où elles peuvent subir un traitement chimique entraînant leur destruction.In the case of an
Les particules chargées positivement, qui se sont combinées avec des ions positifs, sont entraînées radialement vers l'extérieur par les gaz par les forces électriques. Une particule chargée positivement migre radialement vers l'extérieur et peut se trouver piégée dans l'électrode externe, de façon électrostatique et/ou mécanique. Une particule chargée s'implantera plus facilement dans une porosité de l'agglomérat. Une particule chargée, positivement ou négativement, va opérer une interaction électrostatique avec une fibre métallique reliée au potentiel de masse. Cet effet de couplage capacitif entre la particule et la fibre améliore de façon conséquente l'efficacité de capture des particules par les fibres.Positively charged particles, which have been combined with positive ions, are driven radially outward by the gases by the electric forces. A positively charged particle migrates radially outward and can be trapped in the outer electrode electrostatically and / or mechanically. A charged particle will settle more easily in a porosity of the agglomerate. A charged particle, positively or negatively, will electrostatically interact with a metal fiber connected to the ground potential. This capacitive coupling effect between the particle and the fiber substantially improves the efficiency of capture of the particles by the fibers.
Dans le cas d'une électrode interne 18 portée à un potentiel négatif, les particules sont principalement chargées négativement et migrent vers l'extérieur. Des particules peuvent également être chargées positivement et migrer vers l'intérieur ou l'extérieur. Plus le milieu entre les électrodes est ionisé, plus on retrouvera de particules chargées. Cependant, l'ionisation d'un volume important avec une électrode interne 18 chargée négativement requiert une énergie importante. Dans ce cas aussi, les particules migrant vers l'intérieur restent piégées, contrairement à un filtre à migration radiale et circulation axiale des gaz. Le filtrage est amélioré.In the case of an
La combinaison d'un filtrage mécanique et électrostatique des particules circulant dans les gaz d'échappement permet une meilleure efficacité du filtrage, de sorte que les gaz d'échappement contiennent moins de particules en sortie de la cellule de filtrage 1.The combination of a mechanical and electrostatic filtering of the particles circulating in the exhaust gas allows a better filtering efficiency, so that the exhaust gases contain fewer particles at the outlet of the filtering cell 1.
De plus, la combinaison d'un filtrage mécanique et d'un filtrage électrostatique permet d'utiliser une électrode externe 5 possédant un coefficient de porosité élevé, de sorte qu'elle offre moins de résistance au passage des gaz. De cette façon, la contre-pression formée par le passage des gaz à travers le filtre est moins importante, et moins gênante pour le moteur à combustion interne situé en amont de la cellule de filtrage 1. L'intégration de la cellule de filtrage 1 dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile est donc facilitée.In addition, the combination of mechanical filtering and electrostatic filtering makes it possible to use an external electrode having a high porosity coefficient, so that it offers less resistance to the passage of gases. In this way, the back pressure formed by the passage of gases through the filter is less important, and less troublesome for the internal combustion engine located upstream of the filter cell 1. The integration of the filter cell 1 in an exhaust line of a motor vehicle is facilitated.
Les conducteurs chauffants 31 traversant l'électrode externe 5 permettent une régénération de la cellule de filtrage 1. L'accumulation de particules piégées dans l'électrode externe 5 entraîne à la longue une diminution de l'efficacité de filtrage. Pour régénérer l'électrode externe 5, on provoque une augmentation de température de l'électrode externe 5, provoquant une combustion des particules piégées dans l'électrode externe 5. Les éléments chauffants sont alimentés en électricité, ce qui conduit à l'augmentation de leur température par effet Joule. Les éléments chauffants noyés dans l'électrode externe 5 chauffent cette dernière.The
Dans une variante, on peut alimenter directement en courant l'électrode externe 5 pour la faire chauffer par dissipation d'énergie par effet Joule. A cette fin, on prévoira un circuit de circulation de courant à travers l'électrode externe 5.In a variant, the
Dans une autre variante, la montée en température de l'électrode externe 5 peut être obtenue à l'aide d'un système de chauffage par induction.In another variant, the temperature rise of the
Dans une autre variante, on peut utiliser une mousse de nickel dans l'électrode externe 5. La mousse de nickel permet un filtrage mécanique des particules qui la traversent en étant portées par les gaz d'échappement, et sert également de catalyseur entre l'oxygène moléculaire contenu dans les gaz d'échappement et de l'hydrogène injecté en amont de la cellule de filtrage 1. La réaction fortement exothermique entre l'oxygène et l'hydrogène libère de la chaleur entraînant la combustion des particules et la régénération de l'électrode externe 5.In another variant, a nickel foam can be used in the
On peut également envisagé que ces particules soient éliminées par réaction avec des molécules chimiques formées lors de l'ionisation du milieu. Une telle élimination sera facilitée avec une électrode interne 18 portée à un potentiel positif et permettant une meilleure ionisation du milieu entre les électrodes.It is also conceivable that these particles are removed by reaction with chemical molecules formed during the ionization of the medium. Such elimination will be facilitated with an
La régénération d'une cellule de filtrage peut être effectuée périodiquement, en fonction d'une durée d'utilisation prédéterminée. On peut également prévoir des sondes de mesure du taux de particules dans les gaz d'échappement et/ou les gaz d'échappement non filtrés afin de déterminer lorsqu'une régénération est nécessaire.The regeneration of a filter cell can be performed periodically, according to a predetermined duration of use. Also, probes for measuring particulate matter in the exhaust gas and / or the unfiltered exhaust gas may be provided to determine when regeneration is needed.
Dans une variante de cellule d'ionisation, on peut envisager de prévoir une section d'ionisation en amont de la cellule. Un tel étage d'ionisation permet d'améliorer l'ionisation des particules avant leur circulation entre les électrodes interne 18 et externe 5. Par exemple, on peut prévoir à une extrémité amont de l'électrode interne 18 entourée par l'électrode externe 5 une boule ou sphère de faible rayon, pouvant éventuellement être formée par un agglomérat de fibres métalliques.In an ionization cell variant, it is conceivable to provide an ionization section upstream of the cell. Such an ionization stage makes it possible to improve the ionization of the particles before their circulation between the internal and
Dans une autre variante, une section d'ionisation est formée par une alternance de fils et de plaques disposées transversalement à l'écoulement des gaz d'échappement.In another variant, an ionization section is formed by an alternation of wires and plates arranged transversely to the flow of the exhaust gas.
Sur la
Le dispositif comprend une unité de commande 39 comprenant des moyens d'alimentation en énergie électrique. L'unité de commande est reliée par des liaisons électriques 40 aux électrodes interne des cellules d'ionisation, et par des liaisons électriques 41 aux électrodes externe des cellules d'ionisation 38.The device comprises a
En associant plusieurs cellules de filtrage 38, la régénération des différentes cellules de filtrage 38 peut être effectuée à des instants différents. Lors de la régénération d'une cellule de filtrage 38, le passage des gaz à travers la cellule de filtrage empêche le chauffage rapide de la cellule de filtrage et sa régénération rapide. L'utilisation de plusieurs cellules de filtrage 38 permet d'isoler une cellule de filtrage, les gaz d'échappement continuant à s'écouler dans les autres cellules de filtrage, afin de régénérer la cellule isolée.By associating several filtering
Dans une variante, des cellules de filtrage peuvent être associées en série pour augmenter une efficacité de filtrage, par des filtrages successifs des gaz.In a variant, filtering cells can be associated in series to increase filtering efficiency, by successive filtering of the gases.
Des associations de cellules en parallèle et en série peuvent être envisagées.Cell associations in parallel and in series can be envisaged.
Sur la
Le dispositif de filtrage selon l'invention permet d'obtenir des cellules de filtrage compactes, de dimensions faibles, ce qui facilite l'association d'une pluralité de cellules de filtrage avec les avantages qui en découlent.The filtering device according to the invention makes it possible to obtain compact filtering cells of small dimensions, which facilitates the association of a plurality of filtering cells with the advantages which result therefrom.
Grâce à l'invention, on obtient un dispositif de filtrage combinant un filtrage mécanique et électrostatique. Le dispositif de filtrage permet notamment le fonctionnement d'un filtre électrostatique avec une électrode centrale portée à un potentiel positif avec formation d'un champ électrique fortement non-homogène plus favorable à la formation d'ondes d'ionisation. L'électrode interne portée à un potentiel positif permet une ionisation de l'ensemble du volume compris entre l'électrode interne et l'électrode externe. Une électrode interne filaire, possédant un rayon de courbure faible, permet la formation d'un champ électrique fortement non-homogène et la formation d'ondes d'ionisation avec des potentiels faibles, et avec un apport d'énergie électrique faible.Thanks to the invention, there is obtained a filtering device combining a mechanical and electrostatic filtering. The filtering device notably allows the operation of an electrostatic filter with a central electrode brought to a positive potential with formation of a highly inhomogeneous electric field more favorable to the formation of ionization waves. The internal electrode raised to a positive potential allows ionization of the entire volume between the inner electrode and the outer electrode. A internal wire electrode, having a small radius of curvature, allows the formation of a highly non-homogeneous electric field and the formation of ionization waves with low potentials, and with a low electrical energy input.
Claims (8)
- Device for filtering the exhaust gases of motor vehicles, the exhaust gases being laden with particulates, comprising filtering means having a central passage (7) for the exhaust gases, an external electrode (5) formed by an agglomerate of metal fibres surrounding the passage, a second electrode and means for supplying electrical power to the electrodes (5, 18), the central passage (7) being closed axially on the opposite side to the intake of the exhaust gases into the filtering means, so that the exhaust gases before being discharged, pass through the external electrode (5) which is permeable to the gases and capable of mechanically retaining the particulates, characterized in that the second electrode is an internal electrode of the wire type, placed along the axis of the central passage, the electrical supply means being capable of establishing a radial electric field between the electrodes with the formation of corona discharges between the external electrode (5) and the wire internal electrode (18).
- Device according to Claim 1, characterized in that the external electrode (5) is connected to an electrical earth, the internal electrode (18) being at a positive or negative potential.
- Device according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the external electrode (5) comprises conductive pieces (6) for reinforcement and for electrical continuity, said pieces being embedded in the agglomerate of metal fibres.
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the device includes means (31) for heating the external electrode (5).
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the internal electrode (18) has protruding asperities directed substantially towards the external electrode.
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes surrounding the external electrode (5), a manifold (4) for recovering the filtered exhaust gases.
- Assembly for filtering particulate-laden exhaust gases of motor vehicles, characterized in that it comprises a plurality of filtering devices in accordance with one of the preceding claims.
- Method of filtering particulate-laden exhaust gases of a motor vehicle, in which the gases are mechanically and electrostatically filtered at the same time by passing between the electrodes and through the gas-permeable electrode formed by an agglomerate of metal fibres, characterized in that an electrostatic field is established, forming a corona discharge between a wire internal electrode and the external electrode.
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