FR2779177A1 - Dispositif d'echappement a filtre a particules - Google Patents
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Abstract
Dispositif de filtre à particules destiné à traiter les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant une face d'entrée des gaz, une face de sortie des gaz, une pluralité de premiers canaux 10 ouverts en entrée et fermés en sortie, et une pluralité de seconds canaux 11 ouverts en sortie et fermés en entrée, les premiers et seconds canaux étant alternés et possédant des parois poreuses.Le dispositif comprend un moyen de chauffage direct des premiers canaux traversant la paroi fermée de sortie desdits premiers canaux.
Description
I
Dispositif d'échappement à filtre à particules.
La présente invention concerne le domaine des dispositifs
d'échappement, notamment pour moteurs diesel.
Les gaz d'échappement des moteurs diesel, par exemple des moteurs diesel à injection directe, contiennent un certain nombre de particules qui doivent faire l'objet d'un traitement avant leur émission
dans l'atmosphère.
On connaît aujourd'hui deux systèmes de traitement des particules. Le catalyseur d'oxydation oxyde une grande partie des hydrocarbures contenus dans les parties solubles des particules, les hydrocarbures imbrûlés HC et le monoxyde de carbone CO. Le catalyseur d'oxydation réalise un traitement direct des particules par des réactions chimiques entraînant des modifications moléculaires. Cependant, il ne
permet pas de traiter les parties insolubles des particules.
Le piège à particules ou filtre permet de retenir les particules mais nécessite une régénération périodique du filtre. Le piégeage ou la retenue des particules est aujourd'hui facile à réaliser. On obtient des taux de filtrage proches de 100%. La régénération du filtre est effectuée en brûlant les particules piégées. Or, ces particules sont constituées d'agglomérats de molécules de carbone solide avec des hydrocarbures imbrûlés HC qui peuvent être relativement lourds. La température nécessaire à l'allumage de ce mélange est de l'ordre de 500 à 550 C, ce qui est au-dessus de la gamme de température des gaz d'échappement rencontrée en sortie d'un moteur diesel. Deux possibilités existent alors pour obtenir la régénération du filtre à particules - soit on abaisse cette température de régénération en recouvrant le filtre d'une imprégnation particulière de type catalyseur, ou en ajoutant un additif dans le carburant du type Cérium, Cuivre, Manganèse, Sodium, qui permet une réduction de la température de régénération de l'ordre de 80 à 100 C. Cependant, le potentiel thermique offert par ces deux solutions est trop faible par rapport aux inconvénients qui peuvent être engendrés, par exemple l'empoisonnement du filtre par formation de sulfates; -soit on essaie d'atteindre la température de combustion des particules par des apports d'énergie extérieure. Il peut s'agir d'un brûleur, d'un système de chauffage électrique, d'une résistance chauffante enroulée autour d'un support métallique et enrobée d'une fibre céramique
placée en amont du filtre (DE-A-195 30 749) pour brûler les particules.
Ces systèmes sont difficiles à implanter sur véhicule en raison de leur complexité technique, et de la puissance électrique élevée qu'ils requièrent. On pourrait également envisager d'augmenter la température des gaz d'échappement du moteur en jouant sur des paramètres de fonctionnement du moteur, par exemple en retardant les temps d'injection, en détournant les systèmes de refroidissement, en étranglant l'admission
d'air, en augmentant le taux de recyclage des gaz d'échappement.
Néanmoins, l'application de ces types de mesure pourrait pénaliser la consommation en carburant, la tenue en endurance du moteur ainsi que ses performances. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif d'échappement à filtre à particules à régénération active, qui permet d'atteindre la température nécessaire à la régénération sans apport excessif d'énergie tout en préservant un niveau élevé de filtration, que le
filtre soit réalisé à base de cordiérite ou à base métallique.
Le dispositif de filtre à particules destiné à traiter les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, selon l'invention, comprend une face d'entrée des gaz, une face de sortie des gaz, une pluralité de premiers canaux ouverts en entrée et fermés en sortie, et une pluralité de seconds canaux ouverts en sortie et fermés en entrée. Les
premiers et seconds canaux sont alternés et possèdent des parois poreuses.
Le dispositif de filtre à particules comprend un moyen de chauffage direct des premiers canaux traversant la paroi fermée de sortie desdits premiers canaux. On peut ainsi effectuer un chauffage localisé ne nécessitant que
peu d'énergie.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de filtre à particules comprend au moins une résistance électrique apte à dégager
de la chaleur dans les premiers canaux.
Avantageusement, il comprend une pluralité de résistances électriques disposées en aval des canaux et une pluralité d'éléments conducteurs de chaleur traversant la paroi fermée de sortie desdits premiers canaux et faisant saillie dans lesdits premiers canaux pour conduire la chaleur dégagée par les résistances électriques vers lesdits
premiers canaux.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les résistances sont
bobinées autour des éléments conducteurs de chaleur.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, chaque résistance s'étend dans lesdits premiers canaux et est connectée à des fils d'alimentation disposés en aval des canaux. Chaque résistance peut
s'étendre sur la moitié de la longueur des canaux.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, chaque résistance s'étend dans lesdits premiers canaux et est connectée à des fils
d'alimentation disposés l'un en aval, l'autre en amont des canaux.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de filtre à particules comprend une résistance passant dans lesdits premiers canaux et connectée à des fils d'alimentation disposés à une extrémité des canaux. Avantageusement, la résistance se présente sous la forme d'un fil résistif. Pour limiter la puissance instantanée de chauffe pour la régénération totale du filtre, le réseau de résistances peut être découpé en plusieurs réseaux. Le filtre sera alors régénéré zone par zone par alimentation successive de ces différents réseaux de résistances. Le filtre peut ainsi être régénéré avec une faible puissance électrique appliquée aux gaz d'échappement pour amorcer la combustion des particules et des suies. En effet, dans un canal donné, seul un faible volume de gaz doit être chauffé. De plus, chaque canal est traversé par un débit de gaz faible égal au débit total de gaz de combustion du moteur divisé par le nombre de premiers canaux, ce qui limite les pertes de chaleur dues au déplacement
de gaz.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la
description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre
d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un filtre à particules; la figure 2 est une vue en perspective de la face aval d'un filtre à particules selon l'invention; et les figures 3 à 7 sont des vues schématiques en coupe de
différents modes de réalisation du filtre à particules selon l'invention.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le filtre à particules 1 comprend une enveloppe 2 se raccordant à une conduite d'arrivée 3 par un divergeant 4 et à une conduite de sortie 5 par un convergeant 6. A l'intérieur de l'enveloppe 2, est disposé un assemblage 7 de canaux poreux
qui constitue le filtre proprement dit.
L'assemblage 7 comprend une face amont 9 et une face aval 8.
L'assemblage 7 comprend des canaux de deux types. Les canaux 10 sont ouverts sur la face amont 9 et fermés sur la face aval 8, tandis que les canaux 1 1 sont fermés sur la face amont 9 et ouverts sur la face aval 8. Les canaux 10 et 1 1 sont rectilignes, alternés et s'étendent de la face amont 9 à la face aval 8, les parois les séparant étant poreuses de façon que les gaz d'échappement en provenance de la conduite d'arrivée 3 entrent dans les canaux 10 puis traversent les parois séparant les canaux 10 des canaux 11 en y déposant les suies et particules et s'échappent par les canaux 11 et la
conduite de sortie 5.
Sur la figure 2, on voit que la face aval 8 de l'assemblage 7 est équipée d'une pluralité de fils résistifs 12 disposés parallèlement les uns aux autres et connectés à une extrémité au réseau d'alimentation électrique du véhicule et à l'autre extrémité à la masse. Bien entendu, on peut prévoir d'équiper les fils résistifs 12 de moyens de commande, non représentés, afin de déterminer les périodes pendant lesquelles ils fonctionnent et ce pour éviter une déperdition d'énergie. Les fils résistifs 12 s'étendent parallèlement les uns aux autres et parallèlement à la face
aval 8 à une faible distance de cette dernière.
Sur les fils résistifs 12, sont soudées une pluralité d'aiguilles métalliques 13 qui s'étendent à partir d'un fil résistif 12 vers un canal 10, traversent la paroi d'extrémité fermée d'un canal 10 et s'étendent à l'intérieur dudit canal 10. Le matériau des aiguilles 13 sera choisi avec une excellente conduction thermique afin d'obtenir un bon transfert d'énergie calorifique du fil résistif 12 vers l'intérieur des canaux 10. Lorsque le réseau de fils résistifs 12 est traversé par un courant, il s'échauffe et, par conduction, chauffe les aiguilles 13 insérées dans différents canaux 10 de l'assemblage 7. On obtient ainsi un échauffement localisé du filtre, permettant un amorçage de la combustion des particules avec une faible
consommation d'énergie électrique.
A titre de variante illustrée sur la figure 4, on prévoit d'enrouler le fil résistif 12 autour des aiguilles 13, formant ainsi plusieurs spires 14 pour favoriser la dissipation d'énergie calorifique à proximité de chaque
aiguille 13 et son transfert.
Comme illustré sur la figure 5, on dispose en sortie de l'assemblage 7 à proximité de la face aval 8 des fils d'amenée de courant 15 présentant une faible résistance électrique. Sur ces fils d'amenée 15, sont fixés une pluralité de fils résistifs 16 qui traversent la paroi fermée de plusieurs canaux 10 et s'étendent à l'intérieur de ceux-ci sur une partie de leur longueur en formant ainsi une boucle. A la place du fil résistif 16, on peut disposer une résistance bifilaire consistant en deux fils résistifs très fins pris dans une gaine. Traversé par le courant, le fil résistif 16 s'échauffe, ce qui provoque une élévation de température dans les canaux
et un amorçage de la combustion des particules.
Dans la variante de la figure 6, un fil d'amenée de courant 17 est disposé du côté de la face amont 9 et un autre fil 18 est disposé du côté de la face aval 8. Entre les fils 17 et 18, sont prévus des fils résistifs 19 traversant les canaux 10 sur toute leur longueur, y compris leur face fermée située du côté de la face aval 8. Les canaux 10 sont ainsi aptes à être chauffés sur toute leur longueur. Le conducteur 17 peut être relié à la
borne positive et le conducteur 18 à la masse ou l'inverse.
Comme on peut le voir sur la figure 7, un unique fil résistif 20 connecté à des bornes d'alimentation 21 en aval de l'assemblage 7, est passé dans une partie ou dans la totalité des canaux 10 en traversant leur paroi fermée du côté de la face aval 8 et en passant d'un canal à l'autre tant du côté de la face amont 9 que du côté de la face aval 8. Cette disposition présente l'avantage d'une grande simplicité grâce à l'utilisation d'un unique fil résistif qui effectue plusieurs allerretour sur la longueur de
l'assemblage 7 et en l'alimentant en un seul point.
Le ou les fils résistifs sont introduits dans les canaux 10 sur toute leur longueur et sur tout leur diamètre dans la totalité des canaux ou dans
une partie seulement de ceux-ci, par exemple un canal 10 sur deux.
Lors de la régénération du filtre, on active ce système de chauffage électrique pour chauffer localement les gaz d'échappement, ce qui a pour conséquence d'amorcer la combustion des particules. Cette combustion exothermique permet de propager la chaleur aux autres canaux qui ne sont pas réchauffés électriquement. Pour limiter la puissance instantanée de chauffe, le réseau de résistance peut être découpé en plusieurs réseaux, le filtre étant alors régénéré zone après
zone par alimentation successive de ces différents réseaux de résistance.
Grâce à l'invention, on peut régénérer un filtre à particules au moyen d'une faible puissance électrique dont la consommation n'est pas néfaste à la batterie du véhicule ou au fonctionnement d'autres organes consommateurs d'énergie électrique. On améliore ainsi le fonctionnement
du filtre à particules et de l'ensemble du véhicule.
Claims (9)
1. Dispositif de filtre à particules (1) destiné à traiter les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant une face d'entrée des gaz, une face de sortie des gaz, une pluralité de premiers canaux (10) ouverts en entrée et fermés en sortie, et une pluralité de seconds canaux (11) ouverts en sortie et fermés en entrée, les premiers et seconds canaux étant alternés et possédant des parois poreuses, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de chauffage direct des premiers canaux traversant la paroi fermée de sortie desdits
premiers canaux.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une résistance électrique apte à dégager de la chaleur
dans les premiers canaux.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de résistances électriques (12) disposées en aval
des canaux et une pluralité d'éléments conducteurs de chaleur (13) traver-
sant la paroi fermée de sortie desdits premiers canaux et faisant saillie dans lesdits premiers canaux pour conduire la chaleur dégagée par les
résistances électriques vers lesdits premiers canaux.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que
les résistances sont bobinées autour des éléments conducteurs de chaleur.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque résistance (16) s'étend dans lesdits premiers canaux et est
connectée à des fils d'alimentation (15) disposés en aval des canaux.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que
chaque résistance s'étend sur la moitié de la longueur des canaux.
7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque résistance (19) s'étend dans lesdits premiers canaux et est connectée à des fils d'alimentation disposés l'un en aval et l'autre en amont
des canaux.
8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend une résistance (20) passant dans lesdits premiers canaux et
connectée à des fils d'alimentation disposés à une extrémité des canaux.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que la résistance est un fil résistif.
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- 1998-05-29 FR FR9806838A patent/FR2779177B1/fr not_active Expired - Fee Related
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