FR2867508A1

FR2867508A1 - Particle filter for use in an internal combustion engine exhaust system comprises an assemblage of superposed bars within a metallic casing

Info

Publication number: FR2867508A1
Application number: FR0402608A
Authority: FR
Inventors: Christian Walter; Thierry Bertin
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-16
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: FR2867508B1

Abstract

Particle filter for use in the exhaust line of an internal combustion engine comprises a porous block in honeycomb form consisting of layers of superposed bars and forming numerous entry and exit channels for the exhaust gases.The structure comprises a free space and at least one of the bars extends into the space.

Description

La présente invention concerne un filtre à particules pour une ligneThe present invention relates to a particulate filter for a line

d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment de moteurs de type Diesel. exhaust of internal combustion engines, including diesel type engines.

Les émissions polluantes des moteurs, notamment des moteurs Diesel, doivent être contrôlées à la source et/ou éliminées avant leur rejet dans l'atmosphère de façon à respecter les réglementations en vigueur et qui deviennent de plus en plus sévères. Pollutant emissions from engines, especially diesel engines, must be controlled at the source and / or eliminated before they are discharged into the atmosphere in order to comply with the regulations in force and which are becoming more and more severe.

Pour cela, l'instauration de telles normes imposent aux constructeurs de véhicules automobiles de développer les moteurs ayant des consommations de plus en plus réduites et optimisées afin de diminuer la production de particules imbrûlées et dont la ligne d'échappement est pourvue de dispositif de filtration des gaz d'échappement pour réduire l'émission de ces particules polluantes. For this, the introduction of such standards requires motor vehicle manufacturers to develop engines with increasingly reduced and optimized consumption in order to reduce the production of unburned particles and whose exhaust line is equipped with filtration device exhaust gases to reduce the emission of these polluting particles.

De manière générale, trois fonctions au moins doivent être remplies dans le traitement des gaz d'échappement: - une fonction d'oxydation qui agit sur les hydrocarbures et le CO pour les convertir en vapeur d'eau et en 002, - une fonction de filtration et de combustion des particules de suies, et - une fonction de réduction de la concentration en oxydes d'azote NOx. In general, at least three functions must be fulfilled in the treatment of exhaust gases: - an oxidation function which acts on hydrocarbons and CO to convert them to water vapor and in 002, - a function of filtration and combustion of soot particles, and - a function of reducing the concentration of NOx nitrogen oxides.

La fonction d'oxydation des hydrocarbures et du CO est généralement assurée par un catalyseur constitué par un milieu poreux sur lequel est disposé un catalyseur d'oxydation, souvent un métal tel que du platine. The oxidation function of the hydrocarbons and CO is generally ensured by a catalyst consisting of a porous medium on which is placed an oxidation catalyst, often a metal such as platinum.

Ce catalyseur est placé sur la ligne d'échappement en amont d'un filtre à particules en céramique qui assure la fonction de filtration des suies et où périodiquement, on procède à la combustion de ces suies qui s'y sont accumulées. Ce filtre peut comporter une imprégnation par un composé assistant la régénération du filtre à particules. This catalyst is placed on the exhaust line upstream of a ceramic particulate filter which performs the function of filtering soot and where periodically, the combustion of these soot accumulated there. This filter may comprise an impregnation with a compound assisting the regeneration of the particulate filter.

Quant à la réduction des NOx, elle est obtenue essentiellement par une conception du moteur adaptée à cet effet, mais elle peut être renforcée 30 par l'utilisation d'un milieu catalytique supplémentaire piégeant les NOX et les traitant avec assistance du contrôle moteur. As for the NOx reduction, it is obtained essentially by an engine design adapted for this purpose, but it can be enhanced by the use of an additional catalytic medium trapping the NOX and treating them with assistance from the engine control.

Les filtres à particules généralement utilisés sont formés par un bloc poreux en nid d'abeilles comprenant un ensemble de couches de barreaux superposés et formés chacun par une multitude de canaux d'entrée des gaz d'échappement et de canaux de sortie de ces gaz d'échappement, séparés par des parois poreuses. The particulate filters generally used are formed by a porous honeycomb block comprising a set of superposed bar layers and each formed by a multitude of exhaust gas inlet channels and outlet channels of these gases. exhaust, separated by porous walls.

Les canaux d'entrée sont obturés à leur extrémité tournée vers l'aval de la ligne d'échappement et les canaux de sortie sont obturés à leur extrémité tournée vers l'amont de cette ligne d'échappement, de sorte que les gaz sont contraints de traverser les parois poreuses qui retiennent les suies. The inlet channels are closed at their end facing downstream of the exhaust line and the outlet channels are closed at their end facing upstream of this exhaust line, so that the gases are forced to cross the porous walls that hold the soot.

Les parois sont constituées en un matériau poreux tel qu'une céramique à base de carbure de silicium, de cordiérite, de nitrure de silicium, de mullite....De plus, les parois des canaux formant les barreaux peuvent être revêtues sur leur surface tournée vers les canaux d'entrée et les canaux de sortie par un revêtement catalytique qui permet d'assurer une fonction d'oxydation des hydrocarbures et des CO en vapeur d'eau et CO2 et/ou une fonction de traitement des NO, et/ou une fonction d'aide à la régénération du filtre à particules. The walls are made of a porous material such as a ceramic based on silicon carbide, cordierite, silicon nitride, mullite .... Moreover, the walls of the channels forming the bars can be coated on their surface. directed towards the inlet channels and the exit channels by a catalytic coating which makes it possible to ensure a function of oxidation of hydrocarbons and COs in water vapor and CO 2 and / or a function of treatment of NO, and / or a function to aid the regeneration of the particulate filter.

En effet, périodiquement afin de remédier au colmatage progressif du filtre, il faut procéder à une opération de régénération. Celle-ci consiste à augmenter temporairement la température des gaz d'échappement par exemple au moyen d'une post-injection de carburant dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules, pour la porter au-dessus de la température de combustion des suies. De préférence, un additif telle que la cérine est ajouté au carburant pour abaisser cette température de combustion des suies. Indeed, periodically in order to remedy the progressive clogging of the filter, it is necessary to carry out a regeneration operation. This consists of temporarily increasing the temperature of the exhaust gases, for example by means of a post-injection of fuel into the exhaust line upstream of the particulate filter, to raise it above the combustion temperature. soot. Preferably, an additive such as ceria is added to the fuel to lower this soot combustion temperature.

Généralement, le bloc en matériau poreux présente une section circulaire ou ovale et est formé par des barreaux de longueur identique de façon à former des extrémités planes. Ce bloc est placé dans une enveloppe métallique qui présente une section de forme complémentaire à la section dudit bloc. Generally, the block of porous material has a circular or oval section and is formed by bars of identical length so as to form planar ends. This block is placed in a metal casing which has a section of complementary shape to the section of said block.

L'enveloppe métallique comporte au moins d'un côté du bloc en matériau poreux, une partie d'extrémité présentant un profil progressivement décroissant, comme par exemple conique, de façon à venir se raccorder à un tuyau de la ligne d'échappement. Le bloc en matériau poreux ménage donc au niveau de cette portion terminale de l'enveloppe, un espace libre. Dans certaines configurations de la ligne d'échappement, cet espace libre se retrouve de chaque côté du bloc à chaque extrémité de l'enveloppe. The metal casing comprises at least one side of the block of porous material, an end portion having a gradually decreasing profile, such as conical, so as to be connected to a pipe of the exhaust line. The block of porous material household therefore at this terminal portion of the envelope, a free space. In certain configurations of the exhaust line, this free space is found on each side of the block at each end of the envelope.

L'invention a pour but de proposer un filtre à particules qui présente une capacité de stockage améliorée. The object of the invention is to propose a particle filter which has an improved storage capacity.

L'invention a donc pour objet un filtre à particules pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comportant, à l'intérieur d'une enveloppe métallique, un bloc poreux en nid d'abeilles comprenant un ensemble de couches de barreaux superposés et formés chacun par une multitude de canaux d'entrée et de sortie des gaz d'échappement, ledit bloc ménageant au niveau d'au moins une de ses extrémité un espace libre avec l'enveloppe, caractérisé en ce qu'au moins un des barreaux s'étend dans ledit espace libre à l'intérieur de l'enveloppe pour augmenter la longueur des canaux de ce barreau. The invention therefore relates to a particulate filter for an exhaust line of an internal combustion engine, of the type comprising, inside a metal casing, a porous honeycomb block comprising a set of layers of bars superposed and each formed by a multitude of inlet and outlet channels of the exhaust gas, said block providing at least one of its end a free space with the envelope, characterized in that at least one of the bars extends in said free space inside the casing to increase the length of the channels of this bar.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - plusieurs barreaux d'une même couche s'étendent dans ledit espace, - plusieurs barreaux de plusieurs couches s'étendent dans ledit espace, - ladite au moins couche est une couche centrale de l'ensemble desdites couches, - les deux extrémités du bloc de barreaux ont un profil symétrique, - les deux extrémités du bloc de barreaux ont un profil asymétrique. According to other features of the invention: - several bars of the same layer extend in said space, - several bars of several layers extend in said space, - said at least one layer is a central layer of the all of said layers, - both ends of the block of bars have a symmetrical profile, - the two ends of the block of bars have an asymmetric profile.

L'invention a également pour objet une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne du type comportant un filtre à particules, caractérisé en ce que ledit filtre à particules est du type tel que précédemment mentionné. The invention also relates to an exhaust line for an internal combustion engine of the type comprising a particle filter, characterized in that said particulate filter is of the type as previously mentioned.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement comportant un filtre à particules conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue d'une extrémité du filtre à particules de la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue schématique en coupe d'une portion d'un barreau de géométrie symétrique du filtre à particules, - les Figs. 4 à 7 sont des vues schématiques montrant différents modes de réalisation du filtre à particules conforme à l'invention. The invention will be better understood on reading the description which will follow, given by way of example and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic perspective view of an exhaust gas depollution device comprising a particulate filter in accordance with the invention; FIG. 2 is a view of one end of the particulate filter of FIG. 1, - FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of a portion of a bar of symmetrical geometry of the particle filter, FIGS. 4 to 7 are schematic views showing different embodiments of the particle filter according to the invention.

Sur la Fig. 1, on a représenté un dispositif de dépollution 1 d'une ligne d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment de moteur de type Diesel. In FIG. 1, there is shown a depollution device 1 of an exhaust line of internal combustion engines, including diesel type engine.

Le dispositif de dépollution 1 comprend une enveloppe métallique 2 généralement cylindrique, présentant, à une extrémité, une entrée 3 et, à son autre extrémité une sortie 4. The depollution device 1 comprises a generally cylindrical metal casing 2 having, at one end, an inlet 3 and at its other end an outlet 4.

L'enveloppe extérieure 2 délimite un passage de circulation des gaz d'échappement au travers duquel sont disposés un organe de purification catalytique 5 et un filtre à particules désigné dans son ensemble par la référence 10 et séparé dudit organe de purification 5 par un espace libre de transition des gaz. Le maintien de l'organe 5 et du filtre à particules 10 dans l'enveloppe 2 est assuré par une nappe pouvant être constituée de fibres ou de matériaux thermo- expansibles et assurant une isolation thermique et vibratoire. Dans un but de simplification, cette nappe n'est pas représentée sur la Fig. 1, mais uniquement sur les Figs. 2 et 7 et désignée par la référence 7. The outer shell 2 defines an exhaust gas flow passage through which are disposed a catalytic purification member 5 and a particulate filter generally designated 10 and separated from said purification member 5 by a free space transitional gases. Maintaining the member 5 and the particle filter 10 in the casing 2 is provided by a sheet which may consist of fibers or heat-expandable materials and providing thermal and vibration insulation. For the sake of simplification, this web is not shown in FIG. 1, but only in Figs. 2 and 7 and designated by reference 7.

De manière classique, l'organe de purification catalytique 5 est, par exemple, constitué par une structure perméable aux gaz recouverte de métaux catalytique favorisant l'oxydation des gaz de combustion et/ou la réduction des oxydes d'azote. Typically, the catalytic purification member 5 is, for example, constituted by a gas permeable structure coated with catalytic metals promoting the oxidation of the combustion gases and / or the reduction of nitrogen oxides.

Ainsi que représenté sur les Figs. 1 et 2, le filtre à particules 10 est constitué par un bloc poreux 11 en nid d'abeilles qui, dans l'exemple de réalisation représenté sur ces figures, a la forme d'un cylindre. Ce bloc poreux 11 peut également avoir tout autre forme, comme par exemple une forme ovale. As shown in Figs. 1 and 2, the particle filter 10 is constituted by a porous block 11 honeycomb which, in the embodiment shown in these figures, has the shape of a cylinder. This porous block 11 may also have any other shape, such as an oval shape.

Le bloc poreux 11 comprend un ensemble de couches de barreaux 12 superposés qui sont formés, comme représenté à la Fig. 2 chacun par une multitude de canaux 13. The porous block 11 comprises a plurality of superposed bar layers 12 which are formed as shown in FIG. 2 each by a multitude of channels 13.

Les canaux 13 sont délimités par des parois poreuses 14 et forment, comme montré à la Fig. 3, une série de canaux 13, à savoir: - des canaux d'entrée 13a ouverts en direction du côté amont 3 du filtre à particules et par lesquels les gaz d'échappement à traiter pénètrent dans ledit filtre à particules, et - des canaux de sortie 13b ouverts en direction du côté aval 4 du filtre à particules et par lesquels les gaz d'échappement traités sortent de ce filtre à particules. The channels 13 are delimited by porous walls 14 and form, as shown in FIG. 3, a series of channels 13, namely: input channels 13a open towards the upstream side 3 of the particle filter and through which the exhaust gases to be treated penetrate into said particle filter, and - channels 13b outlet open towards the downstream side 4 of the particulate filter and through which the treated exhaust gas out of this particulate filter.

Les canaux d'entrée 13a peuvent éventuellement avoir une section d'entrée supérieure à celle des canaux de sortie 13b. Par ailleurs, les canaux 13 peuvent avoir une section carrée, orthogonale, circulaire ou tout autre géométrie. The input channels 13a may optionally have an input section greater than that of the output channels 13b. Moreover, the channels 13 may have a square section, orthogonal, circular or any other geometry.

Les parois 14 délimitant les canaux 13 sont en un matériau poreux formant filtre, tel qu'une céramique à base de carbure de silicium, de cordiérite, de nitrure de silicium, de mullite.... The walls 14 delimiting the channels 13 are made of a porous material forming a filter, such as a ceramic based on silicon carbide, cordierite, silicon nitride or mullite.

Ainsi, les gaz d'échappement passent des canaux d'entrée 13a aux canaux de sortie 13b en traversant les parois poreuses 14 et en y déposant au passage les particules qu'ils renferment. Comme il est également connu, les parois poreuses 14 peuvent être revêtues sur leurs faces tournées vers les canaux d'entrée 13a et les canaux de sortie 13b par un revêtement catalytique permettant d'assurer une ou plusieurs des fonctions suivantes: - une fonction d'oxydation des hydrocarbures et du CO en vapeur d'eau et CO2 qui peut être assurée, par exemple, par un métal tel que du platine, une fonction de traitement des NON par un matériaux de stockage des NON, tel que de l'oxyde de baryum, et/ou un métal permettant 2867508 6 l'oxydation des NOX en NO2 tel que du platine et/ou un catalyseur de réduction tel que du rhodium, - une fonction d'aide à la régénération du filtre à particules en assistance ou en remplacement de l'additif abaissant la température de combustion des suies. Thus, the exhaust gases pass from the inlet channels 13a to the outlet channels 13b through the porous walls 14 and by depositing therein the particles they contain. As is also known, the porous walls 14 may be coated on their faces turned towards the inlet channels 13a and the outlet channels 13b by a catalytic coating making it possible to perform one or more of the following functions: a function of oxidation of hydrocarbons and CO in water vapor and CO2 which can be ensured, for example, by a metal such as platinum, a function of treatment of NO with a NO storage material, such as oxide of barium, and / or a metal allowing the NOX oxidation to NO2 such as platinum and / or a reduction catalyst such as rhodium, - a function of assisting the regeneration of the particulate filter in assistance or in replacement of the additive lowering the soot combustion temperature.

La porosité, la taille des pores des parois 14 et l'épaisseur de ces parois définissant les canaux 13 sont, comme il est habituel, adaptées pour assurer une bonne efficacité de filtration, sans créer de pertes de charges trop importantes. The porosity, the pore size of the walls 14 and the thickness of these walls defining the channels 13 are, as is customary, adapted to ensure good filtration efficiency, without creating excessive losses.

Comme montré par exemple à la Fig. 1, l'enveloppe métallique 2 comporte, au moins d'un côté du bloc 11 en matériau poreux, une partie d'extrémité 2a présentant un profil progressivement décroissant, comme par exemple conique de façon à venir se raccorder à un tuyau de la ligne d'échappement. De ce fait, le bloc 11 ménage au niveau de cette portion d'extrémité 2a de l'enveloppe 2, un espace libre 6. As shown for example in FIG. 1, the metal casing 2 comprises, at least on one side of the block 11 of porous material, an end portion 2a having a progressively decreasing profile, such as for example conical so as to be connected to a pipe of the line exhaust. As a result, the block 11 provides at this end portion 2a of the envelope 2 with a free space 6.

Selon l'invention, pour augmenter la capacité de traitement du bloc 11 en matériau poreux constituant le filtre à particules, au moins un des barreaux 12 de ce bloc 11 s'étend dans l'espace libre 6 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de l'enveloppe 2 pour augmenter la longueur des canaux 13 de ce barreau 12 et par conséquent la surface des parois poreuses. According to the invention, in order to increase the processing capacity of the block 11 made of porous material constituting the particulate filter, at least one of the bars 12 of this block 11 extends in the free space 6 inside the part d end 2a of the casing 2 to increase the length of the channels 13 of this bar 12 and consequently the surface of the porous walls.

Selon la forme des parties d'extrémité 2a de l'enveloppe 2 et par conséquent selon la forme de l'espace libre 6 une multitude de configurations du prolongement d'un ou de plusieurs barreaux 12 du bloc 11 peuvent être envisagées. Depending on the shape of the end portions 2a of the casing 2 and therefore the shape of the free space 6 a multitude of configurations of the extension of one or more bars 12 of the block 11 can be envisaged.

Selon un premier mode de réalisation représenté à la Fig. 1, les barreaux 12 centraux des deux couches centrales du bloc 11 sont prolongés d'un côté de ce bloc 11 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de ladite enveloppe 2. According to a first embodiment shown in FIG. 1, the central bars 12 of the two central layers of the block 11 are extended on one side of this block 11 inside the end portion 2a of said casing 2.

Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la Fig. 4, les barreaux 12 centraux des couches centrales du bloc 11 sont prolongés des deux côtés de ce bloc 11. According to a second embodiment shown in FIG. 4, the central bars 12 of the central layers of the block 11 are extended on both sides of this block 11.

Selon un troisième mode de réalisation représenté à la Fig. 5, les barreaux 12 centraux de la couche centrale supérieure des deux côtés du bloc 11 sont prolongés. Ces barreaux peuvent être prolongés uniquement d'un côté du bloc 11 ou les barreaux 12 centraux de la couche centrale inférieure peuvent être prolongés, soit des deux côtés du bloc 11, soit d'un seul côté de ce bloc 11. According to a third embodiment shown in FIG. 5, the central bars 12 of the upper central layer on both sides of the block 11 are extended. These bars can be extended only on one side of the block 11 or the central bars 12 of the lower central layer can be extended, either on both sides of the block 11, or on one side of this block 11.

Selon un quatrième mode de réalisation représenté à la Fig. 6, un seul barreau 12 central peut être prolongé d'un côté ou des deux côtés du bloc 11 en matériau poreux. According to a fourth embodiment shown in FIG. 6, a single central bar 12 can be extended on one or both sides of the block 11 of porous material.

A la Fig. 7, on a représenté un filtre à particules 10 formé par un bloc 11 placé dans une enveloppe 2 située sous un capot moteur, non représenté, d'un véhicule automobile. Dans ce cas, afin de combler l'espace 6 à l'intérieur de la partie d'extrémité 2a de l'enveloppe 2, les barreaux 12 présentent une longueur décroissante. In FIG. 7, there is shown a particle filter 10 formed by a block 11 placed in an envelope 2 located under a bonnet, not shown, of a motor vehicle. In this case, to fill the space 6 inside the end portion 2a of the casing 2, the bars 12 have a decreasing length.

D'une manière générale, les deux extrémités du bloc 11 de barreaux 12 du filtre à particules 10 peuvent présenter un profil symétrique ou un profil asymétrique selon la forme de chaque partie d 'extrémité 2a de l'enveloppe 2. In general, the two ends of the block 11 of bars 12 of the particle filter 10 may have a symmetrical profile or an asymmetrical profile according to the shape of each end portion 2a of the envelope 2.

Le filtre à particules selon l'invention permet donc d'augmenter les capacités de traitement et d'allonger les périodes de fonctionnement entre lesquelles une régénération du filtre doit être effectuée. Il permet également par l'accroissement du volume de stockage des résidus de combustion des particules (cendres issues de l'additif, de l'huile de lubrification, de l'usure moteur...) d'augmenter la durabilité du système avant nettoyage. The particle filter according to the invention therefore makes it possible to increase the processing capacities and to lengthen the operating periods between which a regeneration of the filter must be carried out. It also allows by increasing the storage volume of the combustion residues of the particles (ash from the additive, the lubricating oil, the engine wear ...) to increase the durability of the system before cleaning .

Les configurations du filtre à particules selon l'invention qui ont été décrites et représentées ne sont bien entendu que des exemples. Il doit être compris que l'invention est adaptable à un filtre à particules présentant tout autre configuration d'allongement de la longueur d'un ou de plusieurs barreaux du bloc en matériau poreux de ce filtre à particules. The configurations of the particulate filter according to the invention which have been described and shown are of course only examples. It should be understood that the invention is adaptable to a particulate filter having any other elongation configuration of the length of one or more bars of the porous material block of this particulate filter.

Il doit également être entendu que le filtre à particules selon l'invention et la ligne d'échappement qui le comprend peuvent être utilisés non seulement sur un véhicule à moteur Diesel, mais sur tout engin mû par un moteur à combustion interne pour lequel une ligne d'échappement équipée d'un filtre à particules serait utile. It should also be understood that the particulate filter according to the invention and the exhaust line which comprises it can be used not only on a diesel engine vehicle, but on any engine driven by an internal combustion engine for which a line exhaust equipped with a particulate filter would be useful.

Claims

Particle filter for an exhaust line of an internal combustion engine, of the type comprising, inside a metal casing (2), a porous block (11) made of honeycomb comprising a set of layers of bars (12) superimposed and each formed by a multitude of channels (13) inlet and outlet of the exhaust gas, said block (Il) providing at least one of its ends a free space ( 6) with the casing (2), characterized in that at least one of the bars (12) extends in said free space (6) inside the casing (2) to increase the length of the channels (13) of this bar (12).

2. Particle filter according to claim 1, characterized in that several bars (12) of the same layer extend in said space (6).

3. Particle filter according to claim 1, characterized in that several bars (12) of several layers extend into said space (6).

4. Particle filter according to claim 2 or 3, characterized in that said at least one layer is a central layer of all of said layers.

5. Particle filter according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the two ends of the block (11) of bars (12) have a symmetrical profile.

6. Particle filter according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the two ends of the block (11) of bars (12) have an asymmetrical profile.

7. Exhaust line for an internal combustion engine of the type comprising a particle filter (10), characterized in that said particulate filter (10) is of the type according to any one of claims 1 to 6.