FR2890107A1 - Filtre a particules pour le traitement de gaz d'echappement issus d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile et procede de filtrage de gaz d'echappement correspondant. - Google Patents

Filtre a particules pour le traitement de gaz d'echappement issus d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile et procede de filtrage de gaz d'echappement correspondant. Download PDF

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Abstract

Filtre à particules pour le traitement des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une enceinte 12 comportant une paroi délimitant intérieurement un conduit pour les gaz d'échappement, une électrode axiale 28 interne adaptée pour créer un champ électrique radial dans le conduit, et un ensemble de dents annulaires 22 disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules agglomérées déviées par le champ électrique et au moins une résistance électrique 38 chauffante pour brûler les particules déviées entre les dents, la résistance électrique 38 chauffante étant supportée par au moins une face radiale 30 d'au moins une dent 22.

Description

Filtre à particules pour le traitement de gaz d'échappement issus d'un
moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé de filtrage de gaz d'échappement correspondant.
L'invention a trait au traitement de composants polluants contenus dans un milieu gazeux et concerne, en particulier, le domaine des dispositifs de filtrage des gaz d'échappement.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un filtre à particules destiné à être monté sur la ligne d'échappement d'un véhicule automobile.
On connaît, à ce jour, divers systèmes de filtrage des particules des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne. On connaît un ensemble de filtrage de gaz chargé de particules comprenant un filtre électrostatique à effet couronne comportant une cage cylindrique à l'intérieur de laquelle pénètrent les gaz d'échappement en vue de leur filtrage. La cage est pourvue intérieurement d'une électrode centrale alimentée en énergie électrique et adaptée pour provoquer une émission d'électrons. En fonctionnement, les particules véhiculées par les gaz d'échappement sont principalement chargées négativement par les électrons et ions négatifs créés par l'effet corona. Les particules, ainsi chargées, viennent se fixer sur un substrat métallique. Cependant, le mouvement des particules chargées dans la cage cylindrique comporte une composante essentiellement longitudinale, la mobilité de ces particules dans la direction transversale étant relativement faible. Dès lors, la probabilité de fixation des particules sur le substrat est relativement faible.
Comme on le conçoit, par exemple dans l'ensemble de filtrage de gaz décrit précédemment, les particules chargées se déplacent essentiellement axialement en étant entraînées par les gaz d'échappement, la composante radiale du mouvement des particules étant relativement faible. Il est donc nécessaire de fournir une énergie d'alimentation très élevée pour que la migration radiale sous l'effet du champ électrique créé soit suffisamment rapide pour que les particules viennent se déposer sur la face interne du tube. De plus, le détachement des particules amassées sur la paroi interne du tube nécessite un dispositif particulier.
Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'état de la technique et de fournir un filtre à particules pour le traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile permettant de capter puis de détruire efficacement les particules véhiculées par les gaz d'échappement.
Le filtre à particules pour le traitement des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprend une enceinte comportant une paroi délimitant intérieurement un conduit pour les gaz d'échappement, une électrode axiale interne adaptée pour créer un champ électrique radial dans le conduit et arrêter les particules, ou non déviées par le champ électrique, un ensemble de dents annulaires disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules agglomérées déviées par le champ électrique et au moins une résistance électrique chauffante pour brûler les particules déviées entre les tronçons. La résistance électrique chauffante est supportée par au moins une face radiale d'au moins une dent.
Les dents disposées transversalement sur le trajet des particules déviées forment des obstacles qui favorisent l'arrêt et l'agglomération de particules déviées. La résistance électrique chauffante permet de porter les particules arrêtées à une température suffisante pour leur mise en combustion. Le fait de prévoir la résistance électrique chauffante sur une face d'une dent la met en contact direct avec les particules, d'où un excellent transfert thermique entre la résistance électrique chauffante et les particules.
Le conduit peut être raccordé directement, en entrée, au collecteur d'échappement du moteur et, en sortie, à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement filtrés.
Dans un mode de réalisation, la résistance électrique chauffante est disposée sur un disque isolant faisant partie d'une dent. Le disque isolant peut ainsi protéger le reste de la dent contre l'échauffement provoqué par la résistance électrique chauffante. Le disque peut comprendre un matériau céramique.
Dans un mode de réalisation, la résistance électrique chauffante est en saillie par rapport à au moins une dent. La résistance électrique chauffante présente ainsi une surface importante en contact direct avec les particules.
Alternativement, la résistance électrique chauffante est disposée dans une rainure d'au moins une dent. La surface de la dent présente ainsi des rugosités favorisant l'arrêt des particules. La résistance électrique chauffante peut être en creux par rapport à au moins une dent.
Dans un mode de réalisation, la résistance électrique chauffante présente une forme générale radiale.
Dans un mode de réalisation, la résistance électrique chauffante est disposée du côté amont d'une dent dans la sens d'écoulement des gaz. Les particules s'accumulant en plus grande partie sur la face amont que sur la face avale d'une dent, la résistance électrique est à proximité d'une quantité importante de particules.
2890107 4 La résistance électrique chauffante peut également former une électrode.
Dans un mode de réalisation, il est proposé un procédé de filtrage des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile au moyen d'un filtre à particules. Le procédé comporte les étapes suivantes: - mise en circulation des gaz d'échappement dans le conduit; - déviation des particules agglomérées ou non vers les dents annulaires sous l'effet du champ électrique engendré par l'électrode axiale interne; arrêt des particules entre les dents; alimentation en énergie électrique de la résistance électrique chauffante; et - combustion des particules grâce à l'échauffement provoqué par la résistance électrique chauffante.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture 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 en coupe d'un filtre à particules selon un aspect de l'invention; - la figure 2 est une vue de face en élévation d'une résistance électrique; et - la figure 3 est une vue de détail de la figure 1 montrant plus particulièrement une dent.
En référence à la figure 1, on va tout d'abord décrire un mode de réalisation d'un filtre à particules 10.
Ce filtre 10 comprend essentiellement une enceinte 12 délimitée par une paroi généralement cylindrique munie de deux extrémités ouvertes mutuellement opposées 14 et 16 pourvues chacune d'une bride de fixation 18 et 20 pour la fixation du filtre à particules 10 à une canalisation dans laquelle circulent les gaz d'échappement à traiter.
Plus particulièrement, l'extrémité ouverte 14 est destinée à être directement raccordée en sortie du collecteur d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, tandis que l'extrémité 16 est destinée à être raccordée à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement. Dans ce cas, les particules ne sont pas agglomérées.
L'enceinte 12 possède un axe de symétrie axial X-X'.
Le filtre 10 est muni, intérieurement, d'un ensemble de plaques annulaires, telles que 22, régulièrement disposées transversalement le long de l'axe X-X' dans l'enceinte 12.
En particulier, chaque plaque 22 est munie d'un passage central 24 de sorte qu'elles forment conjointement un passage pour les gaz d'échappement. Elles possèdent un diamètre externe correspondant sensiblement au diamètre interne de la paroi 12. Elles sont fixées dans la paroi 12 au moyen de tiges filetées 26 munies d'espaceurs disposés entre deux plaques adjacentes 22. Ainsi, les plaques, qui sont maintenues en compression contre les espaceurs par la tige filetée, restent amovibles et peuvent être retirés de la canalisation dans laquelle elles sont fixées.
Le filtre est pourvu d'une électrode centrale interne 28 disposée selon l'axe X-X' du filtre 10. Cette électrode 28 comporte une portion médiane linéaire prolongée à ces deux extrémités par deux portions 30 et 32 transversales traversant la paroi 12 avec interposition d'un isolateur 34 et 36 pour être raccordée à une source de tension (non représentée).
L'électrode centrale 28 est portée à un potentiel positif ou négatif suffisant pour que les particules présentes dans les gaz d'échappement traversent un milieu ionisé. Ainsi, lorsqu'une particule rencontre une molécule ionisée ou un électron libre, la recombinaison qui se produit provoque la génération d'une particule chargée positivement ou négativement.
Par ailleurs, le champ électrique dans l'enceinte 12, dévie les particules chargées qui migrent radialement vers les plaques annulaires 22, tout en continuant à être entraînées axialement dans le filtre 10.
Dès qu'une particule atteint une plaque 22, elle est stoppée et reste piégée dans l'espace formé entre deux plaques successives.
Les particules ainsi piégées sont ainsi extraites du flux de gaz d'échappement issu du moteur à combustion interne.
Il a en outre été constaté qu'un tel filtre à particules n'occasionne pas de réintroduction d'amas de particules piégées dans le flux de gaz d'échappement.
Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 2, la plaque 22 est pourvue de deux faces opposées 30 et 32 délimitant un alésage 34. La face 32 est radiale annulaire disposée du côté aval dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. La face 30 est de forme générale radiale annulaire disposée du côté amont. Une pluralité de rainures 36 sont creusées dans la dent 22 à partir de la face amont 30. Les rainures 36 présentent la forme d'arcs de cercle reliés les uns aux autres par de courtes portions radiales non représentées sur la figure 2.
Dans le fond des rainures 36, est disposée une résistance électrique 38, de forme générale également radiale en retrait par rapport à la face amont 30.
En d'autres termes, la résistance électrique 38 présente une dimension axiale inférieure à celle des rainures 36, de telle sorte qu'un creux subsiste, formant ainsi des rugosités favorisant le ralentissement des gaz et le dépôt des particules, qui peuvent ainsi s'agglomérer de façon privilégiée en contact avec la résistance électrique 38.
La forme de la résistance électrique 38 est mieux visible sur la figure 3. La résistance électrique 38 est disposée autour du passage 24 et présente une symétrie centrale par rapport à l'axe X-X'. La résistance électrique 38 comprend deux bornes 40 et 42 entre lesquelles s'étend une partie conductrice, par exemple sous la forme d'un fil de cuivre, selon un contour occupant la majeure partie de la face amont 30, de telle sorte que la surface de contact entre la résistance 38 et les particules soit importante, l'échauffement et donc la combustion des particules étant ainsi relativement complets.
A titre de variante, on peut prévoir que la plaque 22 est réalisée partiellement ou totalement à base de céramique. La plaque 22 peut comprendre une partie seulement en céramique dans laquelle sont formées les rainures 36, offrant ainsi une excellente tenue aux températures élevées provoquées par l'échauffement de la résistance électrique 38.
A titre de variante, la résistance électrique 38 peut également être disposée du côté de la face aval 32 ou encore en surface d'une plaque comportant une face radiale plane. En d'autres termes, la face amont 30 au lieu d'être creusée de rainures peut être plane à l'instar de la plaque aval 32 et supporter une résistance électrique 38 en saillie axialement. La résistance électrique 38 peut alors délimiter des creux dans lesquels la face amont 30 n'est pas recouverte par ladite résistance électrique 38, accroissant ainsi la rugosité de la plaque et favorisant le dépôt des particules.
Le fonctionnement du filtre à particules peut être le suivant. Lors du fonctionnement d'un moteur thermique, des gaz d'échappement chargés en particules circulent de l'amont vers l'aval dans le filtre à particules 10. L'électrode centrale 28 est mise sous haute tension, de manière à générer un phénomène de couronne dans une gaine d'espace de faible diamètre autour de ladite électrode centrale 28, c'est-à-dire une ionisation locale du gaz d'échappement. Sous l'effet du champ électrique ainsi créé, les électrons (si la polarité est négative) se propagent dans l'espace inter-électrodes et leur rencontre avec les particules de suie permet de charger électriquement ces dernières. Les particules de suie chargées électriquement sont dorénavant sensibles au champ électrique. Le champ électrique dévie les particules de suie vers l'électrode externe. Une fois approchées des plaques de l'électrode reliées à la masse, les particules de suies collent à la surface desdites plaques sous l'influence de plusieurs facteurs. Tout d'abord, les particules de suie, même si elles ont cédé une partie de leur charge électrique à l'électrode, restent au moins partiellement chargées. Ainsi, des forces de type Van der Walls assurent le contact entre les particules et l'électrode. Les zones dans lesquelles sont placées ces particules de suie sont moins soumises aux forces de pression et de frottement dues aux gaz d'échappement, puisque la configuration des plaques minimise la recirculation du gaz entre lesdites plaques.
Enfin, les particules de suie provenant d'un moteur à carburant hydrocarboné, auront toujours une certaine quantité d'hydrocarbures condensés à la surface, ajoutant ainsi des forces du type force de tension superficielle tendant à les maintenir en contact avec lesdites plaques et ce, même après un passage desdites particules dans un catalyseur d'oxydation. Le fait de disposer la résistance électrique sur un disque de céramique, assure que l'énergie dissipée dans la résistance électrique 38 est effectivement utilisée pour chauffer les particules de suie et permettre ainsi le début de la cinétique de combustion desdites particules.
Ultérieurement, en fonction de la quantité de particules à détruire, la combustion peut être auto-entretenue grâce à l'énergie dégagée et l'alimentation électrique de la résistance 38 peut être coupée. Alternativement, si la combustion ne parvient pas à s'autoentretenir, l'alimentation de la résistance électrique 38 peut être maintenue au même niveau ou maintenue à un niveau légèrement inférieur.
En outre, les particules de suie étant essentiellement déposées dans les rainures 36, le risque de ré-entraînement dû au passage des gaz d'échappement est relativement réduit. Lors de la combustion, les pertes thermiques par convexion sont relativement faibles en raison de la disposition de la résistance électrique au fond des rainures. Les particules peuvent donc être chauffées puis brûlées dans les rainures 36 sans être excessivement refroidies par le flux de gaz d'échappement.
Il est particulièrement intéressant de prévoir de mettre les résistances électriques 36 à la masse ou plus généralement à la tension de l'électrode externe, de telle sorte que lesdites particules de suie sont directement attirées par la résistance électrique 36 qui assure à la fois une fonction d'électrode et une fonction d'élément de chauffage.
En d'autres termes, un filtre à particules pour le traitement des gaz d'échappement comprend un conduit pour les gaz d'échappement, une électrode axiale interne, une électrode annulaire, les électrodes étant adaptées pour créer un champ électrique radial dans le conduit, un ensemble de dents annulaires disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules agglomérées déviées par le champ électrique et au moins un élément de chauffage pour brûler les particules déviées entre les dents, le chauffage étant supporté par au moins une face radiale d'au moins une dent. L'élément de chauffage peut former l'électrode annulaire.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Filtre (10) à particules pour le traitement des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une enceinte (12) comportant une paroi délimitant intérieurement un conduit pour les gaz d'échappement et une électrode axiale (28) interne adaptée pour créer un champ électrique radial dans le conduit, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de dents (22) annulaires disposées transversalement dans le conduit pour arrêter les particules déviées par le champ électrique et au moins une résistance électrique (38) chauffante pour brûler les particules déviées entre les dents, la résistance électrique chauffante étant supportée par au moins une face radiale d'au moins une dent (22).
2. Filtre à particules selon la revendication 1, dans lequel la résistance électrique chauffante est déposée sur un disque isolant faisant partie d'une dent.
3. Filtre à particules selon la revendication 2, dans lequel le disque comprend un matériau céramique.
4. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résistance électrique chauffante est en saillie par rapport à la dent.
5. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la résistance électrique chauffante est disposée dans une rainure (36) de la dent.
6. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résistance électrique chauffante est en creux par rapport à la dent.
7. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résistance électrique chauffante présente une forme générale radiale.
8. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résistance électrique chauffante est disposée du côté amont d'une dent dans le sens d'écoulement des gaz.
9. Filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résistance électrique (38) forme, en outre, une électrode.
10. Procédé de filtrage des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile au moyen d'un filtre à particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de: - mise en circulation des gaz d'échappement dans le conduit; - déviation des particules agglomérées ou non vers les dents annulaires sous l'effet du champ électrique engendré par l'électrode axiale interne; - arrêt des particules entre les dents; circulation d'un courant électrique dans la résistance électrique chauffante; et -combustion des particules chauffées par la résistance électrique chauffante.
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