FR2840545A1 - Corps filtrant pour la filtration de particules contenues dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Corps filtrant pour la filtration de particules contenues dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

Il comprend des ensembles imbriqués de canaux d'entrée (5, 6, 7) et de canaux de sortie (8) rectilignes parallèles et adjacents. Les canaux d'entrée (5, 6, 7) et de sortie (8) sont en communication de fluide par leurs parois latérales et le volume global des canaux d'entrée (5, 6, 7) est supérieur à celui des canaux de sortie (8). Suivant l'invention, les canaux d'entrée (5, 6, 7) et de sortie (8) sont agencés les uns par rapport aux autres de manière que l'intégralité du gaz filtré par un canal d'entrée quelconque (5, 6, 7) passe dans des canaux de sortie (8) adjacents audit canal d'entrée (5, 6, 7).

Description

L' invention concerne un corps filtrant pour la filtration des particules
contenues dans les gaz d'echappement des moteurs a combustion interne, en particulier du type diesel. Des structures poreuses en nid d'abeille vent utilisees comme corps filtrants pour la filtration des particules emises par les vehicules diesel. Generalement, ces corps filtrants vent en ceramique (cordierite, carbure de silicium,...). ils peuvent etre monolithiques ou bien constitues de differents blocs. Dans ce dernier cas, les blocs vent assembles entre eux par collage au moyen d'un ciment ceramique. Le tout est ensuite usine pour prendre la section souhaitee, ronde ou ovode en generale. Le corps filtrant comporte une pluralite de canaux. II est insere dans une enceinte metallique. Chaque canal est obture a l'une ou l'autre de ses extremites. 11 existe ainsi des canaux d'entree et des canaux de sortie. Les gaz d'echappement vent ainsi contraints a traverser les parois laterales des canaux d'entree pour rejoindre les canaux de sortie; c'est ainsi que les particules ou suies se deposent dans le corps
1 5 filtrant.
Apres un certain temps d'utilisation, des suies s'accumulent dans les canaux du corps filtrant ce qui augmente la perte de charge due au filtre et altere les performances du moteur. Pour cette raison, le corps filtrant doit etre regenere
regulierement (par exemple tous les 500 kilometres).
La regeneration consiste a oxyder les suies. Pour ce faire, il est necessaire de chauffer celles-ci puisque la temperature des gaz d' echappement est de l' ordre de 300 C alors que la temperature d' auto inflammation des suies est plutot de l'ordre de 600 C, dans des conditions de fonctionnement classiques. Malgre cette regeneration, des residue de combustion restent dans le corps filtrant. Ainsi, la perte de charge induite par le corps filtrant apres regeneration est toujours plus importante que celle induite par le filtre propre. Ce phenomene d'encrassement se pour-quit a chaque regeneration et il est necessaire de nettoyer completement le filtre chez le garagiste, par exemple tous les 80 000 km. Ce nettoyage constitue un inconvenient a l'utilisation
de corps filtrant.
Une approche recense telle que decrite dans FR 2789327 ou WO 02110562 propose un corps filtrant qu'il est possible d'obtenir par extrusion et presentant des
canaux d'entree de section transversale superieure a celle des canaux de sortie.
Cependant, dans ce type de corps filtrant, certaines zones des canaux d'entree debouchent dans d'autres canaux d'entree; I'efficacite de la filtration ntest done pas optimale. En effet, les surfaces utiles a la filtration vent moins grandes pour un volume de corps filtrant donne. D'autres exemples de realisation de FR2789327 montrent des canaux d'entree dont la section n'est pas constante sur toute la longueur du corps filtrant. Ainsi, ce type de corps filtrant ne peut pas etre realise de maniere simple avec une filiere d'extrusion, qui ne peut produire que des corps filtrants dont la section est identique sur toute leur longueur. Les filieres d'extrusion vent des dispositifs couteux dont l'usinage permet de definir la forme des canaux du corps filtrant. II est possible de faire varier la forme de la section de la filiere - et done du corps filtrant - mais il n'est pas possible d'usiner la filiere autrement que de maniere rectiligne suivant sa longueur. Ainsi, en coupe
iongitudinale, les canaux ont une section droite et constante sur toute leur longueur.
Des canaux de section ondules, selon la section longitudinale, tels que decrits dans EP 1125704 ne peuvent etre obtenus que par des procedes d'extrusion complexes et
done couteux et mal adaptes a la production en grande eerie.
II existe done un besoin pour un corps filtrant dont la section est constante sur toute sa longueur, presentant une efficacite amelioree et necessitant un nettoyage
moins frequent.
L'invention vise a satisfaire ce besoin.
Plus particulierement, I'invention concerne un corps filtrant pour la filtration des particules contenues dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne, comprenant des ensembles imbriques de canaux d'entree et de canaux de sortie rectilignes, paralleles et adjacents, lesdits canaux d'entree et de sortie etant en communication de fluide par leurs parois laterales et le volume global des canaux d'entree etant superieur a celui des canaux de sortie, remarquable en ce que lesdits canaux d'entree et de sortie vent agences les uns par rapport aux autres de maniere que l' i nteg ral ite d u gaz fi ltre par un canal d'entree quel conque passe dans d es canaux
de sortie adjacents audit canal d'entree. La description qui va suivre, faite en se
referent aux dessins annexes, permettra de mieux comprendre et apprecier les avantages de ['invention. Dans ces dessins: - la figure 1a est une vue partielle de la face avant (ctest-a-dire celle sur laquelle les gaz d'echappement arrivent) d'un corps filtrant de l'art anterieur, alors que la figure 2a est une vue en coupe de ce corps selon le trait de coupe M de la figure 1a et que la figure 2c est une vue en coupe transversale d'une filiere d'extrusion concue pour fabriquer ce corps filtrant, - les figures 2a a 2c et 3a a 3c vent des vues analogues a celles des figures 1a a 1c, respectivement, et illustrent des premier et deuxieme
modes de realisation d'un corps filtrant suivant ['invention,
respectivement. Toutes les figures correspondent a des vues partielles de corps filtrant. II peut en fait stagir de la vue partielle d'un corps filtrant monolithique ou bien de la vue partielle d'un des blocs constituents un corps filtrant obtenu par assemblage de
differents blocs.
Sur ces figures l'epaisseur des parois separant les differents canaux n'est pas
a ltechelle et ne constitue pas une limite a ['invention.
La figure 1a schematise la face avant d'un corps filtrant utilise actuellement pour retenir les particules contenues dans les gaz d'echappement de vehicules automobiles propulses par un moteur diesel. Ce corps filtrant comporte des canaux tous identiques dont la section transversale est carree et de dimension constante
dans toute la longueur du filtre. Sur cette face avant, un canal sur deux est bouche.
Les canaux 1 et 2 vent ouverts et constituent done des canaux dits d'entree. Les canaux 3 et 4 vent bouches et constituent done des canaux dits de sortie. La figure 1 b est une vue de coupe selon le trait AA de la figure 1a. Le flux F des gaz d'echappement entre dans le corps filtrant par ies canaux d'entree et traverse ensuite les parois laterales des canaux pour rejoindre ies canaux de sortie. La figure 1c est une vue de coupe transversale de la filiere d'extrusion utilisee pour fabriquer les corps filtrants utilises actuellement et constitues selon la figure 1 a; vue sur laquelle les traits pleins representent les parties evidees par usinage et dans lesquelles la pate
ceramique pourra passer.
La figure 2a schematise la face avant d'un premier mode de realisation d'un corps filtrant selon ['invention. Les canaux 5, 6 et 7 vent ouverts et constituent les canaux d'entree. Les canaux 8 et 9 dont la section est rectangulaire vent bouches et constituent les canaux de sortie. Les ensembles constitues par les canaux d' entree
d'une part, les canaux de sortie d'autre part, vent imbriques l'un dans l'autre.
Les canaux vent delimites par des premier et deuxieme reseaux perpendiculaires de parois paralleles, ecartees chacune des deux parois immediatement adjacentes par des distances D et D2 de valeurs differentes (voir
figure 2a), etablissant une distribution bi-periodique des parois.
La position des parois est definie horizontalement par l'abscisse x(k) = k*l pour
les valeurs padres de k et par l'abscisse x(k) = k*i + b*l pour les valeurs impaires de k.
On demontre facilement que les distances D, et D2 definies ci-dessus vent telles que: D, = 1(1+b) D2 = 1(1-b)
I et b etant des constantes.
Des relations identiques existent pour les distances correspondantes du reseau de parois "horizon/ales", du point de vue de la figure, avec des valeurs de I et de b qui peuvent etre les memes, ou differentes. Dans ce dernier cas on les note L et B. C'est ainsi que la position des parois est definie verticalement par l'ordonnee y(k) = k*L pour les valeurs padres de k et par l'ordonnee y(k) = k*L + B*L pour les valeurs
impaires de k.
Dans l'exemple de la figure 2a, x(k) = y(k) et done I =L et b = B. Pour b=B=0, on retrouve un reseau de l'art anterieur tel que celui presente en exemple sur la figure 1. La valeur de b (etlou B) peut varier entre 0,2 et 0,8. En effet, si b eVou B vent inferieur a 0,2, I'augmentation de la section des canaux d'entree n'est pas significative et ['amelioration de ia capacite de flitration du corps filtrant n'est pas significative
(<10%).
D'autre part, si la valeur de b eVou B est superieure a 0,8, compte tenu de l'epaisseur des parois, la largeur des canaux de sortie devient insuffisante. On considere en effet que la largeur d'un canal de sortie ne peut pas etre inferieure a 'um. Pour b=B=0,47 on obtient une augmentation d'environ 30% du volume total
des canaux d'entree.
La figure 2b est une vue en coupe selon le trait AA de la figure 2a. Le flux F des gaz d'echappement entre dans le corps filtrant par les canaux d'entree et traverse ensuite les parois des canaux pour rejoindre les canaux de sortie. La surface disponible sur les parois des canaux d'entree se trouve augmentee (au detriment de celle des canaux de sortie) par rapport a un corps filtrant de l'art anterieur tel que celui des figures 1a et 1b. On peut egalement noter que, selon ['invention, cette augmentation est obtenue sur des corps filtrants dans lesquels toute la surface des canaux d'entree sert effectivement a la filtration des gaz d'echappement. En effet, il nt exi ste pas de zone(s) d' un ou plusieurs can al (aux) d'entree qui debouche(nt) dans un autre canal d'entree, zone(s) qui ne peu(ven)t etre utile(s) a la filtration puisque les
gaz d'echappement peuvent la (les) traverser dans les deux sees.
La figure 2c est une vue de coupe transversale de la filiere d'extrusion utilisee pour realiser le corps filtrant de la figure 2a; vue sur laquelle les traits pleins representent les parties evidees par usinage et dans lesquelles la pate ceramique
pourra passer.
La figure 3a schematise la face avant d'un autre mode de realisation d'un corps filtrant selon ['invention. Les canaux 10 et 11 vent ouverts et constituent les canaux d'entree. Les canaux 12 et 13 vent bouches et constituent les canaux de sortie. Les canaux vent organises selon un reseau de canaux de section transversale triangulaire deformee pour accrotre le volume global des canaux d'entree aux depens de celui des canaux de sortie. C'est ainsi qu'une paroi intermediaire, non plane, entre un canal d'entree et un canal de sortie peut etre concave du cote du canal d'entree, comme represente a la figure 3a, et convexe du cote du canal de sortie. On peut egalement envisager le meme type de deformation a partir d'un reseau de canaux de
section transversale carree' par exemple.
La figure 3b est une vue en coupe selon le trait AA de la figure 3a. Le flux F des gaz d' echap pement entre dans le corps filtrant par les canaux d' entree et traverse ensuite les parois des canaux pour rejoindre les canaux de sortie. Du fait de I'accroissement du volume global des canaux d'entree mentionne plus haut, la surface disponible sur les parois des canaux d'entree se trouve augmentee (au detriment de celle des canaux de sortie) par rapport a un corps filtrant de l'art anterieur tel que celui
de la figure 1.
Comme dans le mode de realisation de la figure 2, toute la surface des canaux
d'entree sert effective me nt a la fi ltration des gaz d' echappem e nt.
La figure 3c est une vue de coupe transversale de la filiere d'extrusion utilisee pour realiser le corps filtrant de la figure 3a; vue sur laquelle les traits pleins representent les parties evidees par usinage et dans lesquelles la pate ceramique
pourra passer.
Les modes de realisation decrits ci-dessus ne vent pas limitatifs et on pourrait
envisager tout autre arrangement de canaux pourvu que la surface totale disponible dans les canaux d'entree soit superieure a celle disponible dans les canaux de sortie, que la section transversale du corps filtrant soit identique sur toute la longueur audit corps filtrant et qu'aucune surface de filtration de chaque canal d'entree ne
communique avec un autre canal d'entree.
Ainsi, avec ies corps filtrants de ['invention, la surface disponible sur les parois
des canaux d'entree se trouve augmentee aux depens de celle des canaux de sortie.
Ceci permet done, pour une longueur de corps filtrant donne, d'ameliorer la capacite de stockage des residue de combustion par rapport a un corps filtrant de l'art anterieur. Le nettoyage ou remplacement du corps filtrant necessitant une immobilisation du vehicule peut ainsi etre moins frequent. Grace a ['invention, on peut aussi envisager de reduire la longueur du corps filtrant tout en conservant une capacite de stockage des residue identique. Ceci peut faciliter la conception de la
ligne d'echappement.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Corps filtrant pour la filtration des particules contenues dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne, comprenant des ensembles imbriques de canaux d'entree (5, 6, 7; 10, 11, 12) et de canaux de sortie (8; 13) rectilignes paralleles et adjacents, lesdits canaux d'entree (5, 6, 7; 10, 11, 12) et de sortie (8; 13) etant en communication de fluide par leurs parois laterales et le volume global des canaux d'entree (5, 6, 7; 10, 11, 12) etant superieur a celui des canaux de sortie (8; 13), caracterise en ce que lesdits canaux d'entree (5, 6, 7; 10, 11, 12) et de sortie (8; 13) vent agences les uns par rapport aux autres de maniere que l'integralite du gaz filtre par un canal d'entree quelconque (5, 6, 7; 10, 11, 12) passe dans des
canaux de sortie (8; 13) adjacents audit canal d'entree (5, 6, 7; 10, 11, 12).
2. Corps filtrant conforme a la revendication 1, caracterise en ce que lesdits canaux d'entree et de sortie (5, 6, 7; 8) vent delimites par des premier et deuxieme reseaux perpendiculaires de parois paralleles, ecartees chacune des deux parois immediatement adjacentes par des distances D' et D2 de valeurs differentes,
etablissant une distribution bi-periodique desdites parois.
3. Corps filtrant conforme a la revendication 2, caracterise en ce que D =
I (1+b) et D2 = I (1-b), I et b etant des constantes et b etant compris entre 0,2 et 0,8.
4. Corps filtrant conforme a la revendication 1, caracterise en ce que lesdits canaux d'entree (10, 11, 12) et de sortie (13) vent delimites par des elements de parois non plans, pour accro^'tre le volume global des canaux d'entree (10, 11, 12)
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