FR2896823A1 - Filtre catalytique presentant un temps d'amorcage reduit - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse, comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, ledit filtre se caractérisant en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale de la portion centrale desdits blocs.

Description

FILTRE CATALYTIQUE PRESENTANT UN TEMPS D'AMORCAGE REDUIT L'invention se

rapporte au domaine des filtres à particules notamment utilisés dans une ligne d'échappement d'un moteur pour l'élimination des suies produites par la combustion d'un carburant diesel dans un moteur à combustion interne. Plus précisément, l'invention porte sur un filtre à particules incorporant une composante lui conférant des propriétés catalytiques, ainsi qu'à une méthode de fabrication de celui-ci. Les structures de filtration pour les suies contenues dans les gaz d'échappement de moteur à combustion interne sont bien connues de l'art antérieur. Ces structures présentent le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à filtrer et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement filtrés. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses de filtration, lesquels conduits sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s'ouvrant suivant la face d'admission et des chambres de sortie s'ouvrant suivant la face d'évacuation. Pour une bonne étanchéité, la partie périphérique de la structure est le plus souvent entourée d'un ciment de revêtement. Les canaux sont alternativement obturés dans un ordre tel que les gaz d'échappement, au cours de la traversée du corps en nid d'abeille, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux d'entrée pour rejoindre les canaux de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent et s'accumulent sur les parois poreuses du corps filtrant. Le plus souvent, les corps filtrants sont en matière céramique poreuse, par exemple en cordiérite ou en carbure de silicium. De façon connue, durant sa mise en oeuvre, le filtre à particules est soumis à une succession de phases de filtration (accumulation des suies) et de régénération (élimination des suies). Lors des phases de filtration, les particules de suies émises par le moteur sont retenues et se déposent à l'intérieur du filtre. Lors des phases de régénération, les particules de suie sont brûlées à l'intérieur du filtre, afin de lui restituer ses propriétés de filtration. La structure poreuse est alors soumise à des contraintes thermo-mécaniques intenses, qui peuvent entraîner des micro-fissurations susceptibles sur la durée d'entraîner une perte sévère des capacités de filtration de l'unité, voire sa désactivation complète. Ce phénomène est particulièrement observé sur des filtres monolithiques de grand diamètre. Il a en effet été observé, en fonctionnement dans une ligne d'échappement, que le gradient thermique entre le centre et la périphérie de telles structures est d'autant plus élevé que les dimensions du monolithe sont importantes. Pour résoudre ces problèmes et augmenter la durée de vie des filtres, il a été proposé plus récemment des structures de filtration associant plusieurs blocs ou éléments monolithiques en nid d'abeille. Les éléments sont le plus souvent assemblés entre eux par collage au moyen d'une colle ou d'un ciment de nature céramique, appelés dans la suite de la description ciment de joint. Des exemples de telles structures filtrantes sont par exemple décrits dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923, WO 2004/090294 ou encore WO 2005/063462. Afin d'assurer une meilleure relaxation des contraintes dans une structure assemblée, il est connu que les coefficients de dilatation thermique des différentes parties de la structure (éléments de filtration, ciment de revêtement, ciment de joint) doivent être sensiblement du même ordre. De ce fait, lesdites parties sont avantageusement synthétisées sur la base d'un même matériau, le plus souvent le carbure de silicium SiC ou la cordiérite. Ce choix permet en outre d'homogénéiser la répartition de la chaleur lors de la régénération du filtre. Par l'expression à la base d'un même matériau , on entend au sens de la présente description que le matériau est constitué d'au moins 25% poids, de préférence d'au moins 45% poids et de manière très préférée d'au moins 70% poids dudit matériau. Au sens de la présente invention, le choix d'utiliser un même matériau de base pour les différentes parties du filtre ne doit cependant pas être considéré comme le seul mode avantageux et d'autres mises en oeuvre comprenant notamment l'association de différents matériaux sont également comprises dans le cadre de la présente invention. Pour améliorer la résistance thermomécanique des filtres, la demande de brevet EP 1 413 344 propose des éléments dont la partie centrale présente une capacité calorifique plus élevée que la partie périphérique, grâce à des épaisseurs de paroi de cellules plus forte en périphérie qu'au centre d'un élément. Une telle configuration permet, selon cet art antérieur, de réduire les contraintes thermiques sur le filtre pendant les phases de régénération, c'est-à-dire lorsque le filtre est porté à une température proche de 600 C (450 C en présence de certains additifs dans le gazole). Egalement dans le but de réduire les contraintes thermomécaniques apparaissant lors des phases de régénération, on connaît de la demande de brevet WO 02/081878 des blocs de filtration des particules solides de suie comportant au moins deux zones de surface de filtration différentes.

Les filtres ou structures de filtration poreuses des suies tels que précédemment décrits sont principalement utilisés à grande échelle dans les dispositifs de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique diesel. Dans ce type d'application, il est par ailleurs connu que l'introduction d'un filtre à particules tel que précédemment décrit dans la ligne d'échappement du moteur entraîne une perte de charge susceptible d'altérer les performances de celui-ci. Le filtre doit en conséquence être adapté pour éviter une telle altération. En plus du problème de traitement des suies, la transformation des émissions polluantes en phase gazeuse (c'est à dire principalement le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) voire les oxydes d'azote (NOX) ou de soufre (SOX)) en des gaz moins nocifs (tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2) ou l'azote gazeux (N2)) nécessite un traitement catalytique supplémentaire. Les filtres actuels les plus évolués présentent ainsi de surcroît une composante catalytique.

Selon les procédés classiquement utilisés, la fonction catalytique est obtenue par imprégnation de la structure en nid d'abeille par une solution comprenant le catalyseur ou un précurseur du catalyseur, généralement à base d'un métal précieux du groupe du platine.

De tels filtres catalytiques sont très efficaces dans le traitement des gaz polluants dès lors que la température atteinte au sein du filtre est supérieure à la température d'amorçage du catalyseur, souvent appelé dans le métier selon le terme anglais température de light off du catalyseur.

Cette température est le plus souvent définie, dans des conditions de pression et de débit gazeux donnés, comme la température pour laquelle un catalyseur convertit 50 % en volume des gaz polluants HC et CO. Suivant les conditions de pression et de débit gazeux, cette température varie généralement, pour un filtre à base de SiC comprenant le catalyseur à base d'un métal noble de la famille du platine classiquement utilisé, entre environ 100 C et environ 240 C. Lorsque la température du catalyseur est inférieure à la température de light off, les taux de conversion sont extrêmement faibles, ce qui explique que la majorité des émissions gazeuses polluantes issues des moteurs actuels ait lieu au démarrage à froid, plus particulièrement pendant les premières minutes d'utilisation du véhicule. Cette période correspond en première approximation au temps nécessaire au filtre froid pour atteindre sensiblement, en moyenne et dans tout son volume, la température de light off du catalyseur. Au sens de la présente description, ladite période est définie, par analogie avec la température de light off précédemment décrite, comme le temps d'amorçage ou de light off et est caractéristique d'un filtre donné et du catalyseur utilisé. Rapporté au nombre de véhicules en circulation, il est bien évident qu'une diminution même minime de ce temps, par exemple de l'ordre de la seconde, permettrait de réduire de façon très sensible les émissions polluantes gazeuses et se traduirait ainsi par un progrès technique considérable. Il est cependant essentiel qu'une telle diminution n'entraîne pas de dégradation sensible des autres propriétés caractérisant le filtre en fonctionnement, c'est-à-dire principalement la perte de charge engendrée dans la ligne d'échappement et la résistance thermomécanique, telles qu'elles ont été précédemment définies.

L'invention se rapporte à un filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse, présentant un temps de light off ou d'amorçage réduit, tout en maintenant une perte de charge et une résistance thermomécanique le rendant apte à son utilisation dans une ligne d'échappement. Plus précisément, le filtre catalytique comprend une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K. Les blocs comprennent un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits étant obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée s'ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie s'ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses. Ledit filtre se caractérise en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale d'une portion centrale desdits blocs. Selon un mode préféré, lesdits éléments et le ciment de joint sont a base d'un même matériau céramique, préférentiellement à base de carbure de silicium SiC. En général, l'épaisseur du joint entre les blocs est comprise entre 0,1 mm et 6 mm, de préférence entre 0,1 et 3 mm.

Le ciment de joint présente typiquement une conductivité thermique comprise entre 0,3 et 20 W/m.K, de préférence entre 1 et 5 W/m.K. Selon un mode de réalisation particulier du filtre catalytique selon l'invention, la densité des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la densité des canaux de la portion centrale des blocs. De préférence dans ce cas, l'épaisseur des parois des canaux de la portion périphérique des blocs est inférieure à l'épaisseur des parois des canaux de la portion centrale des blocs.

Selon un autre mode de réalisation particulier du filtre catalytique selon l'invention, la surface d'ouverture des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la surface d'ouverture des canaux de la portion centrale des blocs. Par exemple, les canaux présents dans la portion centrale des blocs présentent une section sensiblement carrée et les canaux de la portion périphérique des blocs se caractérisent par une forme en vague.

L'augmentation de surface de filtration du centre vers la périphérie du bloc, dans les filtres catalytiques selon l'invention, peut être obtenue soit par la présence d'au moins deux zones distinctes avantageusement concentriques dont les surfaces de filtration respectives sont différentes, soit par une augmentation graduelle de ladite surface sur toute la section du bloc. L'invention se rapporte également à la filière d'extrusion conformée de manière à former, par extrusion d'une matière céramique, un bloc monolithique pourvu de canaux pour la fabrication d'un filtre catalytique tel que précédemment décrit. L'invention se rapporte en outre à une méthode de fabrication d'un filtre catalytique comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, dans lequel on ajuste la géométrie des canaux et/ou leur densité et/ou l'épaisseur des parois des canaux, entre la partie centrale et la partie périphérique, pour diminuer le temps d'amorçage de la réaction de conversion des gaz.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de différents modes de réalisations de l'invention qui suivent, respectivement illustrés par les figures 1 à 4.

La figure 1 schématise une vue de la face amont d'un 5 filtre assemblé selon l'art antérieur. La figure 2 est une vue en coupe selon l'axe X-X' du filtre de la figure 1, placé dans une enveloppe métallique. La figure 3 représente en perspective un bloc monolithique suivant la face amont d'introduction des gaz, 10 conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4 représente en perspective un bloc monolithique suivant la face amont d'introduction des gaz, conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention. 15 La figure 5 est une illustration schématique du dispositif utilisé pour mesurer les temps d'amorçage des filtres catalytiques.

Les figures 1 et 2 décrivent un filtre assemblé 1 selon 20 l'art antérieur. De façon connue, le filtre est obtenu par assemblage de blocs monolithiques 2. Les blocs monolithiques 2 sont eux-mêmes obtenus par extrusion d'une pâte meuble, par exemple en carbure de silicium, pour former une structure poreuse en nid d'abeille. 25 Sans que cela puisse être considéré comme restrictif, la structure poreuse extrudée sous forme de blocs monolithiques a sur les figures 1 à 4 la forme d'un parallélépipède rectangle s'étendant selon un axe longitudinal entre deux faces amont 3 et aval 4 sensiblement carrées sur lesquelles 30 débouchent une pluralité de canaux adjacents, rectilignes et parallèles à l'axe longitudinal. Les structures poreuses extrudées sont alternativement bouchées sur leur face amont 3 ou sur leur face aval 4 par des bouchons amont et aval 5, pour former respectivement des canaux de sortie 6 et des canaux d'entrée 7. Chaque canal 6 ou 7 définit ainsi un volume intérieur délimité par des parois latérales 8, un bouchon d'obturation 5 disposé soit sur la face amont, soit sur la face aval et une ouverture débouchant alternativement vers la face aval ou la face amont, de telle façon que les canaux d'entrée et de sortie sont en communication de fluide par les parois latérales 8.

Les 16 blocs monolithes sont assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de joint 10 de nature céramique, par exemple également à base de carbure de silicium, en une structure de filtration ou filtre assemblé telle que schématisé sur les figures 1 et 2. L'assemblage ainsi constitué peut être ensuite usiné pour prendre, par exemple, une section ronde ou ovoïde, puis recouvert d'un ciment de revêtement. Il en résulte un filtre assemblé apte à être inséré dans une ligne d'échappement 11, selon des techniques bien 20 connues. En fonctionnement, le flux F des gaz d'échappement entre dans le filtre 1 par les canaux d'entrée 7, puis traverse les parois latérales filtrantes 8 de ces canaux pour rejoindre les canaux de sortie 6. La propagation des gaz dans le filtre 25 est illustrée sur la figure 2 par des flèches 9. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention d'un bloc comprenant deux zones distinctes. Selon ce mode, la densité de canaux, de section sensiblement 30 carrée, d'un bloc monolithe est variable entre la partie centrale et la partie périphérique. Le bloc monolithe 30 comprend classiquement une partie centrale 31 caractérisée par une première densité de canaux par unité de surface et une partie périphérique caractérisée par une deuxième densité de canaux 32 par unité de surface supérieure à celle de la partie centrale. Typiquement, selon ce mode, la densité de canaux du filtre est comprise entre 6 et 1800 cpsi (canaux par inch carré, soit entre environ 1 et environ 280 canaux par cm2), de préférence entre 90 et 400 cpsi (soit entre environ 14 et environ 62 canaux par cm2). Par exemple, selon ce mode de réalisation, le rapport de densité de cellules entre les deux zones, c'est-à-dire le rapport de la densité de cellules en partie périphérique sur la densité de cellules en partie centrale est compris entre 1,1 et 5. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la géométrie des canaux est variable entre la partie centrale et la partie périphérique. Le bloc 40 comprend classiquement une partie centrale 41 dont les canaux présentent une section dont la forme est sensiblement carrée et une partie périphérique 42 dont les canaux d'entrée 43 présentent une section dont la forme est conforme à l'enseignement de la demande WO 2005/016491. Selon ce mode, les éléments de paroi se succèdent, en coupe transversale et en suivant un rang horizontal ou vertical de canaux, pour définir une forme sinusoïdale ou en vague (wavy en anglais), telle que représentée sur la figure 4. Les éléments de paroi ondulent d'une demi période de sinusoïde sur la largeur d'un canal. Typiquement, selon ce mode, la densité de canaux des parties centrale et périphérique est identique et est comprise entre 6 et 1800 cpsi, de préférence entre 90 et 400 cpsi. Selon ce mode, sur la face amont du bloc de la figure 4, le rapport de la surface de la partie périphérique sur la surface de partie centrale est compris entre 1,1 et 5.

L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent, donnés à titre purement illustratif.

Exemple 1 (selon l'art antérieur): On a synthétisé des structures filtrantes comprenant un assemblage de blocs monolithes en carbure de silicium liés par un ciment joint tel qu'illustré par les figures 1 et 2, selon les techniques décrites dans le brevet EP 1 142 619.

Plus précisément, seize éléments filtrants monolithiques de section carrée sont d'abord extrudés, à partir d'un mélange initial de poudres de carbure de silicium, d'un agent porogène du type polyéthylène et d'un liant organique du type méthylcellulose.

On ajoute au mélange initial de l'eau et on malaxe jusqu'à obtenir une pâte homogène et dont la plasticité permet l'extrusion à travers une filière de structures monolithiques en nid d'abeille dont les caractéristiques dimensionnelles sont données dans le tableau 1 ci-après. La filière utilisée est configurée de manière classique pour que tous les canaux du bloc monolithe obtenu en sortie de filière soient sensiblement de mêmes dimensions et forme. On sèche ensuite les monolithes crus obtenus par micro-onde pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau 25 non liée chimiquement à moins de 1 % en masse. On bouche alternativement les canaux de chaque face du monolithe selon des techniques bien connues, par exemple décrites dans la demande WO 2004/065088. Le bloc monolithe est ensuite cuit selon une montée en 30 température de 20 C/heure jusqu'à atteindre une température de l'ordre de 2200 C qui est maintenue pendant 5 heures. Les éléments issus d'un même mélange sont ensuite assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de composition chimique suivante : 72% poids de SiC, 15% poids d'Al203r 11% poids de SiO2, le reste étant constitué par des impuretés majoritairement de Fe203 et d'oxydes de métaux alcalins et alcalino-terreux. L'épaisseur moyenne du joint entre deux blocs voisins est de l'ordre de 2 mm. La conductivité thermique du ciment de joint est de l'ordre de 2,1 W/m.K à la température ambiante et sa porosité ouverte mesurée est d'environ 38%. L'ensemble est ensuite usiné, afin de constituer des filtres assemblés de forme cylindrique.

Les filtres ainsi constitués présentent une surface de filtration de 0,84 m'/litre de bloc filtrant. Selon les techniques classiques de dépôt du catalyseur de conversion des gaz polluants, le filtre est ensuite imprégné par une solution catalytique comprenant du platine, puis séché et chauffé. L'analyse chimique montre une concentration en Pt totale de 40 g/ft3 (1 g/ft3 = 0,035 kg/m3), soit 3,46 grammes répartis de façon homogène sur les différentes parties du filtre.

Exemple 2 (selon l'art antérieur): La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est reprise à l'identique, mais la filière est cette fois configurée pour l'obtention de bloc monolithes dont les cellules présentent une structure wavy, conformément à l'enseignement de la demande WO 2005/063462. Les blocs monolithes obtenus sont tous identiques et se caractérisent, selon les critères définis dans la demande WO 2005/016491, par un taux d'asymétrie de l'ondulation de 7%, un rapport r du volume global des canaux d'entrée sur le volume global des canaux de sortie égal à 1,72, une surface de filtration de 0,91 m'/litre du bloc filtrant et un diamètre hydraulique d'environ 1,83 mm. Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique 35 comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre. Les principales caractéristiques des filtres obtenus après 5 assemblage de ces blocs sont reportées dans le tableau 1. Exemple 3 (selon l'invention): La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est également reprise à l'identique, mais la filière est cette 10 fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes dont la densité radiale de cellules par unité de surface en périphérie est supérieure à la densité de cellules dans la partie centrale du bloc, tel que cela est illustré par la figure 3. 15 Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre. 20 Les principales caractéristiques des filtres assemblés obtenus selon cet exemple sont reportées dans le tableau 1. Exemple 4 (selon l'invention): La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est 25 reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes dont la géométrie des canaux est différente entre la partie centrale et la partie périphérique, tel que cela est illustré par la figure 4. La filière est configurée de telle manière que les 30 canaux présentent une géométrie carrée au centre et en périphérie une géométrie wavy dont les paramètres caractéristiques sont identiques à ceux décrits dans l'exemple 2. Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique 35 comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre. Les principales caractéristiques des filtres assemblés 5 obtenus selon cet exemple sont reportées dans le tableau 1. Exemple 1 2 3 4 Géométrie carré wavy carré carré / wavy des canaux Densité de 180 cpsi 180 cpsi centre du 180 cpsi de canaux (soit 27,9 filtre forme : canaux /cm2) 180 cpsi (31% au centre du de la surface filtre totale) carré (31% de périphérie du la surface filtre totale) 350 cpsi (69% en périphérie de la surface du filtre : totale) (54,25 wavy (69% de canaux /cm2) la surface totale) Épaisseur 380 }gym 380 }gym centre du 380 }gym des parois filtre pao 380 pm périphérie du filtre 254 }gym Périodicité 1,89 mm 1,89 mm centre du centre du filtre : filtre 1,89 mm 1,89 mm périphérie du périphérie du filtre : filtre 1,35 mm 1,89 mm Nombre 16 16 16 16 d'éléments assemblés Forme du cylindrique cylindrique cylindrique cylindrique filtre assemblé Longueur 15,2 cm 15,2 cm 15,2 cm 15,2 cm Volume 2,47 litres 2,47 litres 2,47 litres 2,47 litres Tableau 1 Les échantillons des exemples 1 à 4 ainsi obtenus ont été évalués selon trois tests différents : A- Mesure du temps de light off : Une illustration schématique du dispositif sur banc moteur utilisé pour mesurer les temps d'amorçage des filtres catalytiques est donnée sur la figure 5. Le dispositif comprend un bloc moteur 2.0 L diesel 50 à injection directe alimenté par un réservoir de gasoil 51. Les gaz d'échappement en sortie des cylindres sont réunis dans un collecteur 52 et entrainés dans deux lignes d'échappement 54, 55 montées en parallèle. L'évacuation des gaz par l'intermédiaire de l'une ou l'autre des lignes est gérée au moyen d'une vanne commandée 56. La ligne d'échappement 55 comprend le filtre catalytique 57 à analyser. La distance Dl entre la face avant du filtre et l'extrémité du collecteur est de l'ordre de 80 cm. Des vannes papillons 58, 59, placées en sortie des lignes 54, 55, permettent de gérer les pertes de charge respectives des deux lignes. Le dispositif comprend également différents capteurs permettant de mesurer la température (53 et 60), la pression (61) ainsi que la concentration des polluants HC et CO (62) en amont et en aval du filtre.

Un test de mesure du temps d'amorçage des filtres par le dispositif tel qu'il vient d'être décrit pour les filtres des exemples 1 à 4 a été effectué selon la procédure suivante : Le moteur est d'abord stabilisé à un point de fonctionnement caractérisé par un régime moteur de 2200tr/min suivant un écart maximum d'environ 2% et un couple de 50 Nm, avec un écart maximal de 2%. La ligne 55 est fermée par la vanne 56, les gaz d'échappements passant intégralement dans la ligne 54. La vanne papillon 58, placée en sortie de la ligne 54, est entrouverte selon un angle permettant de maintenir les conditions suivantes . - une variation de température, mesurée par le capteur 53, de 6 C. - un écart de pression mesurée par les capteurs 61a et 61b de 60 1,8 mbars (1 bar = 105 Pa), -une variation du débit gazeux de 150 4,5 Kg/h, mesurée par un débitmètre en amont du collecteur d'admission. Il est ensuite procédé de la même manière sur la ligne 55, la ligne 54 étant fermée par la vanne 56 et les gaz d'échappements passant intégralement dans la ligne 55. La vanne papillon 59 placée en sortie de la ligne 55 est entrouverte selon un angle permettant de maintenir les mêmes conditions que précédemment décrites : -variation et écart de Température de part et d'autre du filtre 6 C, mesurée par les capteurs 60, - écart de pression mesurée par les capteurs 61a et 61c de 60 1,8 mbar, - variation du débit gazeux : de 150 4,5 Kg/h, mesurée par un débitmètre en amont du collecteur d'admission. Après la stabilisation ainsi obtenue des paramètres moteurs, la vanne 56 est commandée de telle manière que la ligne 55 soit obturée et la ligne 54 ouverte au passage de l'ensemble des gaz d'échappement issu du bloc moteur 51 pendant au moins 15 minutes. La vanne 56 est ensuite commandée de telle manière que la ligne 54 soit obturée et la ligne 55 ouverte au passage de l'ensemble des gaz d'échappement issu du bloc moteur 51. On considère comme temps initial To de la période d'amorçage du catalyseur, le temps correspondant au basculement de ligne et l'entrée des gaz dans la ligne 55. La courbe d'évolution de la conversion des polluants HC et CO est suivie par l'intermédiaire des capteurs 62. Un capteur est placé en amont du filtre pour mesurer la concentration des polluants en entrée du filtre. Quatre autres capteurs, dont les positions sont indiquées sur la figure 1 par les lettres A à D, sont disposés en aval du filtre, dans le sens de propagation des gaz. Le temps d'amorçage ou de light off descatalyseurs, correspondant au temps nécessaire à la conversion de 50% du volume des gaz, a été ainsi déterminé pour chacun des filtres. Les résultats obtenus pour les filtres des exemples 1 à 4, directement comparables, ont été reportés dans le tableau 2.

B- Mesure de la perte de charge : Par perte de charge, on entend au sens de la présente invention la pression différentielle existant entre l'amont et l'aval du filtre. La perte de charge a été mesurée selon les techniques de l'art, pour un débit d'air de 300 m3/h dans un courant d'air ambiant. Les résultats obtenus pour les filtres des exemples 1 à 4 sont reportés dans le tableau 2.

C- Mesure de la résistance thermomécanique : Les filtres sont montés sur une ligne d'échappement d'un moteur 2.0 L diesel à injection directe mis en marche à pleine puissance (4000 tr/minutes) pendant 30 minutes puis démontés et pesés afin de déterminer leur masse initiale. Les filtres sont ensuite remontés sur banc moteur avec un régime à 3000 tr/min et un couple de 50 Nm pendant des durées différentes afin d'obtenir une charges en suies de 5 g/litre (en volume du filtre). Les filtres ainsi chargés sont remontés sur la ligne pour subir une régénération sévère ainsi définie : après une stabilisation à un régime moteur de 1700 tours/minute pour un couple de 95 Nm pendant 2 minutes, une post- injection est réalisée avec 70 de phasage pour un débit de post injection de 18mm3/coup. Une fois la combustion des suies initiée, plus précisément lorsque la perte de charge diminue pendant au moins 4 secondes, le régime du moteur est abaissé à 1050 tours/minute pour un couple de 40 Nm pendant 5 minutes afin d'accélérer la combustion des suies. Le filtre est ensuite soumis à un régime moteur de 4000 tours/minute pendant 30 minutes afin d'éliminer les suies restantes. Les filtres régénérés sont inspectés après découpe pour révéler la présence éventuelle de fissures visibles à l'ceil nu. Le filtre est jugé valide (c'est-à-dire qu'il présente une résistance thermomécanique acceptable pour une utilisation comme filtre à particules) si aucune fissure n'est visible après ce test. Les principales données d'analyse et d'évaluation des filtres obtenus selon les exemples 1 à 4 sont reportées dans le tableau 2.

Filtre obtenu selon exemple 1 exemple 2 exemple 3 exemple 4 Temps (sec.) light off mesuré en B : 68 54 68 68 bloc centre du filtre, centre du bloc Temps (s) light off 95 74 76 74 mesuré en A : bloc centre du filtre, périphérie du bloc écart du temps (s) de 27 20 8 6 light-off centre/périphérie du bloc centre Temps light off (s) 78 65 78 78 mesuré en D bloc périphérie du filtre, centre du bloc Temps (s) light off 112 86 87 85 mesuré en C : bloc périphérie du filtre, périphérie du bloc écart du temps (s) de 34 21 9 7 light-off centre/périphérie du bloc périphérique Temps (s) de light- 95 77 83 82 off global du filtre assemblé Perte de charge 13 19 15 16 (mbar) à 300 m3/h Résultats aucune aucune aucune aucune tests fissure fissure fissure fissure thermomécaniques observée observée observée observée Tableau 2 Tous les filtres présentent une tenue thermomécanique acceptable. La comparaison des différents résultats reportés dans le tableau 2 indique que les temps de light off mesurés pour les filtres catalytiques assemblés selon l'invention sont sensiblement homogènes dans toutes les parties du filtre. En particulier, l'écart entre le temps d'amorçage mesuré entre la périphérie d'un bloc et celui mesuré dans sa partie centrale est inférieur à 10 secondes, quelque soit la position du bloc dans le filtre assemblé, ce qui n'avait pas encore été observé jusqu'ici. Cette propriété inédite se traduit par un temps d'amorçage global du filtre selon l'invention très sensiblement diminué, la perte de charge engendrée par une telle disposition n'étant par ailleurs pas sensiblement détériorée.

Les essais menés par le demandeur ont montré que le temps d'amorçage d'un filtre catalytique assemblé, mesuré comme la période nécessaire au filtre froid pour atteindre une température permettant une conversion acceptable des espèces gazeuses polluantes, est fonction des pertes calorifiques se produisant au niveau du ciment de joint utilisé pour l'assemblage des blocs monolithiques filtrants. Les exemples qui précèdent montrent que, dans le cas où le ciment présente une conductivité thermique supérieure à 0,3 W/m.K à la température ambiante, l'augmentation de la surface de filtration accessible aux gaz pollués en périphérie des blocs permet selon l'invention d'homogénéiser le temps d'amorçage au sein des éléments monolithiques et de diminuer alors de façon très sensible le temps d'amorçage global du filtre. Bien entendu l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui précédent et d'autre modes sont possibles. En particulier, l'augmentation de la surface de filtration du centre des blocs l'invention être l'homme du métier. radiale de canaux particulier toute vers la périphérie des blocs peut selon modulée selon toute technique connue de Par exemple, cette augmentation peut être vers la périphérie, en agissant au moins un des paramètres compris dans le densité ou l'épaisseur des parois des canaux. En adaptation en combinaison de deux ou même graduellement sur groupe graduelle du centre constitué par la géométrie des canaux, la de ces trois paramètres, permettant d'obtenir une meilleure 10 homogénéité du temps d'amorçage au sein d'un bloc monolithe, est comprise dans le cadre de la présente invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse, comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, lesdits blocs comprenant un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits étant obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée s'ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie s'ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses, ledit filtre se caractérisant en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale d'une portion centrale desdits blocs.

2. Filtre catalytique selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments et le ciment de joint sont à base d'un même matériau céramique, préférentiellement à base de carbure de silicium SiC.

3. Filtre catalytique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'épaisseur du joint entre les blocs est comprise entre 0,1 mm et 6 mm, de préférence entre 0,1 et 3 mm.

4. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le ciment de joint présente une conductivité thermique comprise entre 0,3 et 20 W/m.K de préférence entre 1 et 5 W/m.K.

5. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la densité des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la densité des canaux de la portion centrale des blocs.

6. Filtre catalytique selon la revendication 5 dans lequel l'épaisseur des parois des canaux de la portion périphérique des blocs est inférieure à l'épaisseur des parois des canaux de la portion centrale des blocs. 15

7. Filtre catalytique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface d'ouverture des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la surface d'ouverture des canaux de la portion centrale des 20 blocs.

8. Filtre catalytique selon la revendication 7 dans lequel les canaux présents dans la portion centrale des blocs présentent une section sensiblement carrée et dans 25 laquelle les canaux de la portion périphérique des blocs se caractérisent par une forme en vague.

9. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins deux zones distinctes 30 avantageusement concentriques dont les surfaces de filtration respectives sont différentes. 10

10. Filtre catalytique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'augmentation de surface de filtration est graduelle du centre vers la périphérie du bloc.

11. Filière d'extrusion conformée de manière à former, par extrusion d'une matière céramique, un bloc monolithique pourvu de canaux convenant à la fabrication d'un filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes.

12. Méthode de fabrication d'un filtre catalytique comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, dans lequel on ajuste la géométrie des canaux et/ou leur densité et/ou l'épaisseur des parois des canaux, entre la partie centrale et la partie périphérique, pour diminuer le temps d'amorçage de la réaction de conversion des gaz.