FR2808839A1 - PARTICLE FILTER AND METHOD FOR REGENERATING A PARTICLE FILTER - Google Patents
PARTICLE FILTER AND METHOD FOR REGENERATING A PARTICLE FILTER Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un filtre à particules (10) pour un système d'épuration de gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage (16) en carbure de silicium, ainsi qu'un procédé pour la régénération d'un tel filtre à particules (10).Il est prévu qu'un élément de chauffage électrique (18) en carbure de silicium soit associé à l'élément de filtrage (16). Selon le procédé, il est prévu qu'une régénération du filtre à particules (10) soit déclenchée par l'application d'une tension sur un élément de chauffage électrique (18) en carbure de silicium qui est associé à l'élément de filtrage (16).The invention relates to a particulate filter (10) for an exhaust gas cleaning system of internal combustion machines, with a filter element (16) made of silicon carbide, as well as a method for the regeneration of gas. Such a particulate filter (10). It is provided that an electric heating element (18) of silicon carbide is associated with the filter element (16). According to the method, provision is made for regeneration of the particulate filter (10) to be initiated by the application of a voltage to a silicon carbide electric heater (18) which is associated with the filter element. (16).
Description
L'invention concerne un filtre à particules pour un système d'épuration deThe invention relates to a particulate filter for a purification system of
gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, ainsi qu'un procédé pour la régénération d'un exhaust gas of internal combustion machines, with an electrically conductive ceramic filtering element, in particular silicon carbide, and a method for the regeneration of a
tel filtre à particules.such a particulate filter.
Pour épurer un gaz d'échappement de machines à combustion interne, notamment de moteurs à allumage spontané, on sait installer des systèmes dits d'épuration To purify an exhaust gas of internal combustion engines, especially spontaneous ignition engines, it is known to install so-called purification systems
de gaz d'échappement dans un tronçon de gaz d'échappement. exhaust gas in a section of exhaust gas.
De tels systèmes d'épuration de gaz d'échappement peuvent comprendre aussi bien des systèmes à catalyseurs que des filtres à particules. Ces derniers ont une grande importance notamment dans les moteurs diesel car des émissions de fumée relativement grandes apparaissent dans Such exhaust gas cleaning systems may include both catalyst systems and particulate filters. These are particularly important in diesel engines because relatively large smoke emissions are
ce cas.this case.
Les filtres à particules sont normalement intégrés, avec un carter qui les comprend, dans le tronçon de gaz d'échappement de la machine à combustion interne. Ils sont constitués d'un élément de filtrage monolithique ou segmenté qui est traversé par le gaz d'échappement à filtrer. La porosité du filtre à particules est alors choisie en fonction des propriétés des composants à séparer et des conditions imposées par la technique des fluides. Le filtre à particules est bloqué dans le tronçon de gaz d'échappement de la machine à combustion interne, par Particle filters are normally integrated, with a housing that includes them, into the exhaust section of the internal combustion engine. They consist of a monolithic or segmented filter element which is traversed by the exhaust gas to be filtered. The porosity of the particulate filter is then chosen according to the properties of the components to be separated and the conditions imposed by the fluid technique. The particulate filter is blocked in the exhaust section of the internal combustion machine by
exemple en utilisant des éléments dits nattes de source. example using elements called source mats.
Avec une porosité appropriée, les particules de fumée au-dessus d'une certaine dimension sont retenues dans le filtre à particules en fonctionnement normal. La fumée accumulée dans le filtre à particules doit être éliminée à intervalles réguliers, pour empêcher un encrassement du filtre. Une telle régénération s'effectue normalement au moyen d'une oxydation avec l'oxygène de l'air mais elle With appropriate porosity, smoke particles above a certain size are retained in the particulate filter during normal operation. Smoke accumulated in the particulate filter should be removed at regular intervals to prevent clogging of the filter. Such regeneration is normally carried out by oxidation with oxygen in the air but
demande une température d'inflammation d'au moins 550 OC. requires an ignition temperature of at least 550 OC.
Cependant, la température d'inflammation peut être diminuée par l'ajout d'additifs mais une telle mesure demande un dispositif d'ajout particulier ainsi que des procédés de commande pour celui-ci. Si la régénération doit s'effectuer sans ajout d'additifs, il est au moins nécessaire de construire le filtre à particules en un matériau réfractaire et stable à haute température. On peut utiliser de manière connue du carbure de silicium (carborundum) qui a une grande stabilité chimique et une grande stabilité à However, the ignition temperature can be decreased by the addition of additives but such a measurement requires a particular add device as well as control methods for it. If the regeneration is to be carried out without addition of additives, it is at least necessary to build the particulate filter in a refractory material and stable at high temperature. Silicon carbide (carborundum) can be used in a known manner, which has a high chemical stability and a high stability to
l'oxydation pour des températures de plus de 1 000 C. oxidation for temperatures above 1000 C.
Souvent, même lorsque le filtre à particules est monté près du moteur, les températures d'inflammation nécessaires Often, even when the particulate filter is mounted near the engine, the necessary ignition temperatures
ne peuvent pas être atteintes en fonctionnement normal. can not be reached during normal operation.
Pour pouvoir effectuer quand même la régénération du filtre à particules, on connaît des procédés et des dispositifs avec lesquels la température de gaz d'échappement est augmentée. D'une part, on impose une augmentation de la température en intervenant directement dans la gestion du moteur, ce qui s'obtient la plupart du temps au prix d'une modification non souhaitée du couple et d'une augmentation de la consommation de carburant. D'autre part, le gaz d'échappement peut aussi être chauffé directement par un chauffage électrique à convection, ce qui ne peut toutefois être fait efficacement qu'avec une puissance de chauffage électrique considérable en raison de la grande vitesse d'écoulement du gaz d'échappement et de sa mauvaise conductibilité thermique. Une utilisation d'éléments dits brûleurs ne conduit non plus qu'à un chauffage indirect du filtre à particules et la consommation de carburant In order to still perform the regeneration of the particulate filter, there are known methods and devices with which the exhaust gas temperature is increased. On the one hand, it imposes an increase in temperature by intervening directly in the management of the engine, which is obtained most of the time at the cost of an unwanted modification of the torque and an increase in fuel consumption . On the other hand, the exhaust gas can also be heated directly by electric convection heating, which however can be done efficiently only with considerable electric heating power due to the high flow velocity of the gas exhaust and its poor thermal conductivity. The use of so-called burner elements leads only to indirect heating of the particulate filter and fuel consumption.
augmente donc ici aussi forcément de manière sensible. So here, too, necessarily increases significantly.
La présente invention a pour objet de proposer un filtre à particules ainsi qu'un procédé pour la régénération de celui-ci avec lesquels les températures d'inflammation nécessaires peuvent être atteintes le plus The object of the present invention is to provide a particulate filter and a method for the regeneration thereof with which the necessary ignition temperatures can be reached the most.
efficacement possible.effectively possible.
Ce problème est résolu selon l'invention par le filtre à particules pour le système d'épuration de gaz d'échappement de machines à combustion interne, avec un élément de filtrage en céramique conductrice d'électricité, notamment en carbure de silicium, caractérisé en ce qu'un élément de chauffage électrique, construit notamment dans la même céramique conductrice d'électricité, est associé à l'élément de filtrage; ainsi que par le procédé pour la régénération d'un tel filtre à particules caractérisé en ce qu'une régénération du filtre à particules est déclenchée par l'application d'une tension sur un élément de chauffage électrique qui est construit notamment dans la même céramique conductrice d'électricité et qui est associé à l'élément de filtrage. Du fait qu'un élément de chauffage électrique en carbure de silicium est associé à l'élément de filtrage, celui-ci peut être chauffé directement. En raison du très petit coefficient de dilatation thermique du carbure de silicium, l'élément de chauffage peut être associé directement à l'élément de filtrage car seules de petites contraintes de matériaux apparaissent même pour des gradients de température élevés. Le carbure de silicium convient en plus très bien comme matériau de résistance de This problem is solved according to the invention by the particle filter for the purification system of the exhaust gas of internal combustion machines, with an electrically conductive ceramic filtering element, in particular made of silicon carbide, characterized in that an electric heating element, constructed in particular in the same electrically conductive ceramic, is associated with the filter element; as well as by the process for the regeneration of such a particulate filter characterized in that a regeneration of the particulate filter is triggered by the application of a voltage on an electric heating element which is constructed in particular in the same ceramic electrical conductor and which is associated with the filter element. Since an electric heating element of silicon carbide is associated with the filter element, it can be heated directly. Due to the very small coefficient of thermal expansion of the silicon carbide, the heating element can be directly associated with the filter element because only small material stresses occur even for high temperature gradients. Silicon carbide is also very suitable as a resistance material for
chauffage en raison de ses propriétés électriques. heating due to its electrical properties.
Selon le procédé, la régénération du filtre à particules est déclenchée par l'application d'une tension à l'élément de chauffage électrique. Ce faisant, la tension est comprise de préférence entre 8 et 12 V. De préférence, on peut utiliser ici aussi la tension de 12 V mise à disposition par un système de bord, qui est notamment According to the method, the regeneration of the particulate filter is initiated by applying a voltage to the electric heating element. In doing so, the voltage is preferably between 8 and 12 V. Preferably, it is also possible to use the 12 V voltage provided by an onboard system, which is notably
comprise dans une plage de 8 à 14V, notamment de 12 à 14V. in a range of 8 to 14V, especially 12 to 14V.
De préférence, la prescription de la tension est commandée en fonction d'un encrassement de filtre à particules, d'une température de filtre, d'une température de gaz d'échappement, d'une température d'inflammation souhaitée et/ou d'un flux massique de gaz d'échappement. De cette manière, il est possible d'adapter la tension individuellement aux données réelles dans la zone du filtre Preferably, the voltage requirement is controlled according to particulate filter fouling, filter temperature, exhaust gas temperature, desired ignition temperature and / or temperature. a mass flow of exhaust gas. In this way, it is possible to adapt the voltage individually to the actual data in the filter area
à particules.with particles.
Par ailleurs, la régénération est effectuée périodiquement et/ou en fonction de l'encrassement du filtre. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'élément de chauffage s'étend sur un axe longitudinal du filtre à particules ou de manière coaxiale à celui-ci. L'élément de chauffage peut être en forme de tube ou de barre et avoir notamment une surface de section transversale de 1 à 3 cm2. De plus, l'élément de chauffage est monté de préférence dans une zone de l'élément de filtre dans laquelle règne une vitesse spatiale du gaz Moreover, the regeneration is carried out periodically and / or depending on the clogging of the filter. According to a preferred embodiment of the invention, the heating element extends over a longitudinal axis of the particulate filter or coaxially with it. The heating element may be in the form of a tube or bar and may have a cross-sectional area of 1 to 3 cm 2. In addition, the heating element is preferably mounted in an area of the filter element in which there is a space velocity of the gas
d'échappement très grande, notamment la plus grande. exhaust very large, especially the largest.
Lorsque l'élément de filtrage est constitué de segments individuels qui sont collés ensemble, il s'est avéré avantageux d'agencer l'élément de chauffage dans l'angle de segments adjacents. De cette manière, un transfert de chaleur entre la section transversale de chauffage parcourue par le courant et les segments When the filter element consists of individual segments that are glued together, it has proven advantageous to arrange the heating element in the angle of adjacent segments. In this way, a heat transfer between the heating cross section traversed by the current and the segments
adjacents peut être optimisé.adjacent can be optimized.
L'élément de chauffage est conçu de préférence de telle sorte que des températures d'élément de chauffage T > 500 C peuvent déjà être atteintes pour une puissance de chauffage The heating element is preferably designed so that heating element temperatures T> 500 C can already be reached for heating power.
électrique P < 1 kW. En particulier, la zone d'incan- electric P <1 kW. In particular, the area of
descence de l'élément de chauffage peut ne pas s'étendre sur toute la longueur de filtre. On obtient déjà souvent avec de tels petits éléments de chauffage des températures de surface sur l'élément de chauffage supérieures à 1000 C, le matériau de filtre adjacent étant chauffé à des températures nettement supérieures à 700 C. La température d'inflammation de la fumée accumulée sur le filtre à particules est ainsi dépassée localement. S'il y a sur le filtre à particules une quantité minimale de fumée qui est comprise entre 10 et 20 g selon le volume du filtre, la chaleur de réaction libérée lors de la combustion de fumée locale conduit à une propagation de la combustion de fumée sur tout le volume du filtre et donc à une régénération complète. Suivant deux autres dispositions préférées: * l'élément de chauffage est monté dans une zone de l'élément de filtrage dans laquelle régnerait une vitesse spatiale d'un gaz d'échappement grande, notamment la plus grande, pour une répartition régulière des canaux d'écoulement; et * l'élément de chauffage est fabriqué au moins partiellement d'un seul tenant avec l'élément de The descent of the heating element may not extend over the entire filter length. Often with such small heating elements, surface temperatures on the heating element of greater than 1000 ° C. are obtained with the adjacent filter material being heated to temperatures well above 700 ° C. The ignition temperature of the smoke accumulated on the particulate filter is thus exceeded locally. If there is a minimum amount of smoke on the particulate filter that is between 10 and 20 g depending on the volume of the filter, the heat of reaction released during the combustion of local smoke leads to a spread of smoke combustion. over the entire volume of the filter and therefore to a complete regeneration. According to two other preferred arrangements: the heating element is mounted in an area of the filtering element in which a large exhaust gas space velocity, especially the largest, for a regular distribution of the exhaust ducts 'flow; and the heating element is made at least partially in one piece with the heating element.
filtrage.filtering.
D'autres formes avantageuses de réalisation de Other advantageous forms of embodiment of
l'invention peuvent se déduire de la description ci-après the invention can be deduced from the following description
de l'invention.of the invention.
On détaille ci-après l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un filtre à particules dans un tronçon de gaz d'échappement d'une machine à combustion interne; la figure 2 est une coupe le long d'un axe longitudinal du filtre à particules; et la figure 3 est une coupe transversalement à l'axe The invention is described below with reference to an exemplary embodiment, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic perspective view of a particulate filter in an exhaust gas section. an internal combustion engine; Figure 2 is a section along a longitudinal axis of the particulate filter; and FIG. 3 is a section transversely to the axis
longitudinal du filtre à particules. longitudinal particle filter.
La figure 1 montre une vue en perspective d'un filtre à particules 10 tel qu'il est utilisé par exemple pour l'épuration d'un gaz d'échappement d'un moteur diesel. Le filtre à particules 10 est monté dans le tronçon de gaz d'échappement 12 d'une machine à combustion interne et il doit filtrer les particules de fumée formées pendant la combustion d'un mélange air et carburant. La porosité, la forme et le volume de stockage de tels filtres à particules peuvent être adaptés aux nécessités de la technique des Figure 1 shows a perspective view of a particulate filter 10 as used, for example, for purifying an exhaust gas from a diesel engine. The particulate filter 10 is mounted in the exhaust gas section 12 of an internal combustion machine and it must filter the smoke particles formed during the combustion of an air and fuel mixture. The porosity, the shape and the storage volume of such particulate filters can be adapted to the requirements of the
fluides respective.respective fluids.
Le filtre à particules 10 est monté à l'aide d'une natte de source 14 dans le tronçon de gaz d'échappement 12 de manière à ne pas glisser. Ce faisant, le filtre 10 peut être constitué de plusieurs segments de filtre collés ensemble ou, comme on l'a représenté ici, d'un élément de filtrage monolithique 16. L'élément 16 lui-même est en carbure de silicium car ce matériau est particulièrement réfractaire et a une forme très stable en raison de son petit coefficient de dilatation thermique. En outre, ce matériau se caractérise par sa très grande stabilité thermique par rapport aux constituants gazeux, liquides et solides présents dans le gaz d'échappement. Un élément de chauffage 18 en forme de barre s'étend sur un axe longitudinal de l'élément de filtrage 16. L'élément de chauffage 18 est relié à la masse par l'intermédiaire de son extrémité avant 20 à l'aide d'un élément de contact 22 et à une source de tension par l'intermédiaire de son extrémité arrière 24 à l'aide d'un autre élément de contact 26. La figure 2 montre une coupe le long de l'axe longitudinal à travers le filtre à particules 10. A la place du matériau plein en carbure de silicium utilisé ici, on peut aussi utiliser un élément de chauffage 18 en forme de tube. Il s'est avéré avantageux de limiter la dimension de la surface de section transversale de l'élément de chauffage 18 à une surface de 1 à 3 cm2. L'élément de chauffage 18 est aussi en carbure de silicium, comme on l'a déjà mentionné. Le cas échéant, on peut effectuer un dopage avec d'autres éléments appropriés pour améliorer les propriétés électriques. Pour garantir un bon contact électrique des extrémités de la barre de chauffage, les extrémités de barre sont munies d'une petite résistance électrique. En raison des propriétés des matériaux globalement identiques entre l'élément de chauffage 18 et l'élément de filtrage 16, on peut aussi s'attendre seulement à de petites contraintes mécaniques en cas de gradients de température élevés. Une conception de l'élément de chauffage peut alors être telle que des températures d'élément de chauffage T > 500 OC peuvent déjà être atteintes pour une puissance de chauffage électrique The particulate filter 10 is mounted with a source mat 14 in the exhaust section 12 so as not to slip. In doing so, the filter 10 may consist of several filter segments glued together or, as shown here, a monolithic filter element 16. The element 16 itself is made of silicon carbide because this material is particularly refractory and has a very stable form due to its small coefficient of thermal expansion. In addition, this material is characterized by its very high thermal stability with respect to the gaseous, liquid and solid constituents present in the exhaust gas. A bar-shaped heating element 18 extends along a longitudinal axis of the filter element 16. The heating element 18 is connected to ground via its front end 20 by means of a contact element 22 and a voltage source via its rear end 24 by means of another contact element 26. Figure 2 shows a section along the longitudinal axis through the filter In place of the solid silicon carbide material used herein, a tube-shaped heating element 18 may also be used. It has been found advantageous to limit the size of the cross-sectional area of the heating element 18 to an area of 1 to 3 cm 2. The heating element 18 is also made of silicon carbide, as already mentioned. If appropriate, doping with other suitable elements can be performed to improve the electrical properties. To ensure good electrical contact of the ends of the heating bar, the bar ends are provided with a small electrical resistance. Due to the properties of the substantially identical materials between the heating element 18 and the filter element 16, one can also expect only small mechanical stresses in the event of high temperature gradients. A design of the heating element can then be such that heating element temperatures T> 500 OC can already be reached for electric heating power.
P < 1 kW.P <1 kW.
La figure 3 montre une coupe transversale du filtre à particules 10. L'élément de chauffage 18 est monté au centre de l'élément de filtrage 16 et se trouve donc sur l'axe longitudinal de celui-ci. Mais on peut aussi envisager d'agencer l'élément de chauffage 18 dans d'autres zones de l'élément de filtrage 16. En raison de considérations ayant trait à la technique des fluides, l'élément de chauffage 18 devrait s'étendre au moins dans la plupart des cas de manière coaxiale par rapport à l'axe longitudinal. Naturellement, on peut aussi envisager des agencements multiples d'éléments de chauffage 18. De plus, une sélection du point de montage peut aussi s'effectuer de telle sorte que l'élément de chauffage 18 est monté dans une zone de l'élément de filtrage 16 dans laquelle on doit s'attendre à une vitesse spatiale du gaz d'échappement Figure 3 shows a cross-section of the particulate filter 10. The heating element 18 is mounted in the center of the filter element 16 and thus lies on the longitudinal axis thereof. But it is also conceivable to arrange the heating element 18 in other areas of the filter element 16. Due to considerations relating to the fluid technique, the heating element 18 should extend to less in most cases coaxially with respect to the longitudinal axis. Naturally, it is also possible to envisage multiple arrangements of heating elements 18. In addition, a selection of the mounting point can also be carried out so that the heating element 18 is mounted in an area of the heating element. filtering 16 in which one must expect a space velocity of the exhaust gas
particulièrement grande ou même la plus grande. particularly large or even the largest.
L'élément de filtrage 16 peut être conçu de façon monolithique ou être constitué de différents segments de filtre 28 qui sont collés ensemble. L'élément de chauffage 18 devrait être monté si possible dans l'angle de segments de filtre adjacents 28, de quatre segments au total dans ce cas. De cette manière, on peut avoir la surface de contact la plus grande possible entre l'élément de chauffage 18 et les segments de filtre 28 de telle sorte que le chauffage The filter element 16 may be monolithically designed or consist of different filter segments 28 which are glued together. The heating element 18 should be mounted, if possible, in the angle of adjacent filter segments 28 of a total of four segments in this case. In this way, the greatest possible contact area between the heating element 18 and the filter segments 28 can be provided so that the heating
peut être réalisé de manière particulièrement efficace. can be achieved particularly effectively.
Une régénération du filtre à particules 10 s'effectue en appliquant une tension. Ce faisant, des températures de surface de l'élément de chauffage 18 de 1 000 OC environ devraient être atteintes localement si possible. A proximité immédiate de l'élément de chauffage 18, les températures montent alors nettement au-dessus de 700 OC de telle sorte que la température d'inflammation pour la fumée accumulée sur le filtre à particules 10 est dépassée au moins localement. Selon le volume du filtre, il faut en plus une certaine quantité minimale de fumée (normalement entre 10 et 20 g) pour que la chaleur de réaction libérée lors de la combustion locale de fumée conduise à une propagation de la combustion de fumée sur tout le volume du filtre. La prescription de la tension peut s'effectuer à l'aide d'appareils de commande non représentés ici en fonction d'un encrassement de filtre à particules, d'une température de filtre, d'une température de gaz d'échappement, de la température d'inflammation souhaitée et/ou d'un flux massique de gaz d'échappement. Tous ces paramètres permettent une adaptation appropriée de la tension aux conditions réelles. On peut éviter par exemple la prescription d'une tension inutilement haute lorsque la température d'inflammation est déjà atteinte avec une dépense réduite. La régénération s'effectue en général de façon périodique. Des dispositifs et des procédés pour la commande de la régénération sont connus par l'état de la Regeneration of the particulate filter 10 is effected by applying a voltage. In doing so, surface temperatures of the heating element 18 of about 1000 OC should be reached locally if possible. In the immediate vicinity of the heating element 18, the temperatures then rise significantly above 700 ° C. so that the ignition temperature for the smoke accumulated on the particulate filter 10 is exceeded at least locally. Depending on the volume of the filter, a certain minimum amount of smoke (normally between 10 and 20 g) is required in order for the heat of reaction released during the local combustion of smoke to lead to a spread of smoke combustion all over the place. filter volume. The prescribing of the voltage can be carried out using control devices not represented here according to particulate filter fouling, filter temperature, exhaust gas temperature, the desired ignition temperature and / or a mass flow of exhaust gas. All these parameters allow an appropriate adaptation of the voltage to real conditions. For example, the prescribing of an unnecessarily high voltage can be avoided when the ignition temperature is already reached with a reduced expense. Regeneration is usually done periodically. Devices and methods for controlling regeneration are known by the state of the
technique et n'ont donc pas à être détaillés ici. therefore do not have to be detailed here.
Bien que l'invention ait été particulièrement présentée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du cadre de l'invention. Although the invention has been particularly presented and described with reference to a preferred embodiment thereof, it will be readily understood by those skilled in the art that changes in form and detail can be made without difficulty. out of the mind or the framework of the invention.
LISTE DES REFERENCESLIST OF REFERENCES
Filtre à particules 12 Tronçon de gaz d'échappement 14 Natte de source 16 Elément de filtrage (monolithique ou segmenté) 18 Elément de chauffage Extrémité avant 22 Elément de contact 24 Extrémité arrière 26 Elément de contact 28 Segments de filtre Particle filter 12 Exhaust gas section 14 Source mat 16 Filter element (monolithic or segmented) 18 Heating element Front end 22 Contact element 24 Rear end 26 Contact element 28 Filter segments
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