FR2951496A1

FR2951496A1 - Systeme de depollution des gaz d'echappement d'un moteur thermique de vehicule automobile

Info

Publication number: FR2951496A1
Application number: FR0957340A
Authority: FR
Inventors: Alain Jastrzebski
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-22
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: FR2951496B1

Abstract

L'invention concerne un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules constitué d'une multitude de canaux de faibles diamètres en céramique enfermée dans un boîtier métallique (1) présentant un cône d'entrée et un cône de sortie (2) permettant son raccordement à une ligne d'échappement, le cône de sortie (2) présentant une paroi dite supérieure (5) se trouvant en regard du dessous d'un véhicule (3) et une paroi opposée dite inférieure (6) se trouvant en regard de la surface sur laquelle se trouve le véhicule (3), lorsque ledit filtre à particules est monté dans le circuit d'échappement des gaz sous le véhicule (3). L'invention consiste en ce que la paroi inférieure (6) du cône (2) présente une épaisseur inférieure à celle de la paroi supérieure (5) dudit cône (2), ladite paroi inférieure (6) étant ainsi fusible à partir d'une température seuil, avant ladite paroi supérieure (5), son seuil d'inertie thermique étant inférieur à celui de la paroi supérieure (5). Application aux véhicules à moteur thermique.

Description

Système de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile [0001 La présente invention concerne un système de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile et plus particulièrement un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement ainsi qu'une pièce métallique entrant dans un tel système. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques comportent habituellement des éléments polluants et notamment des particules qui sont rejetées dans l'atmosphère. Afin de supprimer ces rejets, des filtres sont placés sur le trajet des gaz d'échappement, dans la ligne d'échappement des gaz, pour bloquer les particules. Ces filtres à particules (FAP) sont généralement des cylindres en céramique composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns), enfermée dans un boîtier métallique présentant un cône d'entrée et un cône de sortie permettant son raccordement à une ligne d'échappement. Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies ce qui a pour effet d'encrasser progressivement le filtre. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre périodiquement. Pour ce faire, le filtre est chauffé afin de brûler les particules piégées. Une technique intéressante consiste à chauffer le filtre à l'aide des gaz d'échappement, en élevant la température de ces gaz. [0003] Classiquement le surplus d'énergie à l'échappement nécessaire, pendant les phases de régénération, à l'élévation de température par rapport au fonctionnement normal du moteur est fourni par l'utilisation de post-injections, c'est-à-dire d'injections de carburant tardives, après le point mort haut du cycle, ou par une dégradation du rendement de la combustion, ou encore par une injection de carburant directement dans la ligne d'échappement. [0004] Dans le cas de l'utilisation d'une post-injection celle-ci peut brûler totalement ou partiellement dans le moteur, générant une élévation de la température des gaz d'échappement ou, si elle est suffisamment tardive, entraîner une augmentation des quantités de CO et d'HC à l'échappement qui s'oxydent en arrivant sur le catalyseur d'oxydation afin de générer de la chaleur. C'est ce dernier phénomène qui est également mis en jeu si l'on effectue une introduction directe de carburant sous forme pulvérisé ou de vapeur dans la ligne d'échappement du moteur. [0005] Cependant, les particules charbonnées piégées par le filtre sont des matières combustibles, et leur combustion peut s'entretenir d'elle-même au-delà d'une température d'environ 450°C si le filtre met en jeu un additif d'aide à la régénération, ou 600°C sinon, et dès lors que du comburant est disponible en quantité suffisante. [0006] De l'oxygène étant généralement présent dans les gaz d'échappement des moteurs, la combustion des particules de suies peut ainsi s'emballer en cas de charge importante du filtre à particules en suies, menant à un dégagement important d'énergie dans le filtre, pouvant provoquer son endommagement (par exemple sa fissuration) ou sa destruction. [000n D'une manière générale, les suies contenues dans le filtre à particules génèrent en s'oxydant un exotherme qui peut être important, notamment dans le cas ou le filtre à particules est fortement chargé en suies et que le débit des gaz d'échappement est faible. [0008] Une charge en suie importante du filtre peut être notamment observée lorsque le véhicule automobile muni du filtre effectue majoritairement des roulages dits urbains, c'est-à-dire à faible vitesse et avec des arrêts fréquents. Dans ces conditions, il est extrêmement difficile de régénérer un filtre à particules, car les gaz d'échappement sont très loin de la température de régénération du filtre, ou n'atteignent une température suffisante pour déclencher une régénération que lors d'intervalles temporels trop courts pour finaliser cette régénération. Typiquement, rappelons que la température des gaz d'échappement d'un moteur automobile Diesel suralimenté par un turbocompresseur, et mesurée en sortie du turbine du turbocompresseur, est de l'ordre de 150°C et qu'il faut au minimum environ 450°C pour entamer une régénération d'un filtre additivé. [0009] Par ailleurs, si, consécutivement à un chargement en suies extrême du filtre à particules, le moteur est soumis à un roulage prolongé sous forte charge, la température des gaz d'échappement peut déclencher spontanément la combustion ou l'oxydation des suies dans le filtre. Par ailleurs, dans certaines circonstances une combustion des suies débutée avant l'arrêt du moteur peut se poursuivre après son arrêt, voire s'initier peu après cet arrêt si le circuit d'échappement est particulièrement chaud et le filtre n'est plus refroidi par le flux des gaz d'échappement. Cependant, sa durée sera limitée, la combustion étant étouffée en l'absence de circulation de gaz, car il n'y a plus d'apport d'oxygène. [0010] Ces combustions de suies incontrôlées peuvent endommager le filtre, si elles se produisent à une température importante ou si elles entrainent une élévation trop rapide de la température dans le filtre. Un tel endommagement est préjudiciable à plus d'un titre. D'une part, l'efficacité du système de post-traitement est remise en cause, et d'autre part, selon les réglementations actuelles et à venir en matière de diagnostique embarqué (fonction « OBD »), il est nécessaire de garantir l'efficacité des systèmes de post-traitement pendant une durée d'utilisation (typiquement 160 000 km selon les normes EURO 5) ou de pouvoir alerter le conducteur d'un véhicule en cas de défaillance du système de post-traitement. [0011] On a ainsi proposé de mettre en place des moyens pour diagnostiquer la défaillance d'un filtre à particules ou de calculer sa charge par observation de l'énergie dégagée lors d'une régénération du filtre. Ainsi dans le brevet FR2814498 de Renault SA on détecte un endommagement du filtre à particules par rapport à une énergie de combustion. [0012] La demanderesse a en outre déposé le 30 mai 2008 une demande de brevet français, non publiée à ce jour, sous le numéro 0853563 dans laquelle on détermine l'occurrence d'une combustion et ses conséquences sur le filtre à particules, y compris en dehors des phases de régénération commandées, par l'observation d'un paramètre dépendant de la température en aval du filtre à particules (cette température elle-même, son évolution, son intégrale, sa dérivée, etc.). [0013] Toutefois, malgré l'ensemble de ces dispositifs, il peut survenir des dysfonctionnements du filtre à particules qui ne sont pas toujours prévisibles et qui peuvent occasionner un perçage du cône de sortie du filtre à particules. Si un tel perçage survient, on encourt alors le risque que le flux d'air chaud en sortie dudit FAP se trouve dirigé vers le véhicule ce qui pourrait causer un incendie du véhicule. Aussi, on met en place des écrans de protection supplémentaires en sortie du FAP pour éviter ces risques d'incendie. [0014] Ces écrans de protection sont importants en termes de sécurité mais ajoutent au coût de fabrication, au poids du véhicule et donc au coût de consommation. [0015] La présente invention a donc pour but de proposer un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules constitué d'une multitude de canaux de faibles diamètres en céramique enfermée dans un boîtier métallique présentant un cône d'entrée et de sortie permettant son raccordement à une ligne d'échappement, le cône de sortie présentant une paroi dite supérieure se trouvant en regard du dessous du véhicule et une paroi opposée dite inférieure se trouvant en regard de la surface sur laquelle se trouve le véhicule telle que la route, lorsque ledit filtre à particules est monté dans le circuit d'échappement des gaz sous le véhicule, la paroi inférieure du cône présente une épaisseur inférieure à celle de la paroi supérieure dudit cône, ladite paroi inférieure étant ainsi fusible à partir d'une température seuil, avant ladite paroi supérieure, son seuil d'inertie thermique étant inférieur à celui de la paroi supérieure. [0016] En effet, de manière avantageuse, s'il survient une élévation en température des gaz d'échappement trop importante et pouvant entraîner un endommagement du cône de sortie, celui-ci se détériore alors préférentiellement en premier du côté de sa paroi inférieure la plus mince présentant un seuil d'inertie thermique inférieur à celui de la paroi supérieure qui est plus épaisse. On propose ainsi de réaliser un cône de sortie du filtre à particules à rupture programmée. Cette paroi inférieure une fois fondue, se retrouve percée et laisse alors s'échapper des gaz chauds vers la route, plutôt que vers le véhicule, évitant ainsi que la détérioration du cône de sortie n'aboutisse à un risque d'incendie du véhicule. [0017] De préférence, la température à partir de laquelle la paroi inférieure est définie fusible est de 1500°C, l'épaisseur de la paroi inférieure du cône de sortie du filtre à particules étant comprise dans une plage de 1,2 à 1,5 mm. [ools] De préférence, l'épaisseur de la paroi supérieure est supérieure à celle de la paroi inférieure de +0,3 à +0,8 mm, de préférence de +0,3 à +0,5 mm. [0019] Ainsi, si on soumet le cône de sortie à une température de 1500°C pendant 30s, la paroi inférieure plus mince se perce alors que la paroi supérieure plus épaisse ne fond pas. [0020] Le boîtier du FAP est de préférence constitué en acier ferritique (1.4509 par exemple). [0021] Selon une forme de réalisation préférée, l'épaisseur du cône de sortie est variable et est diminuée de manière progressive depuis la paroi supérieure (la plus épaisse) vers la paroi inférieure (la plus mince) ou par assemblage soudé de deux demi-cônes d'épaisseur différentes. [0022] De préférence, l'épaisseur de la paroi supérieure correspond à l'épaisseur du boîtier métallique du FAP. [0023] L'invention vise également une pièce métallique destinée à constituer le cône de sortie d'un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules constitué d'une multitude de canaux de faibles diamètres en céramique enfermée dans un boîtier métallique présentant un cône d'entrée et un cône de sortie permettant son raccordement à une ligne d'échappement, caractérisé en ce que la paroi de ladite pièce est en partie amincie, ladite partie de paroi amincie étant ainsi fusible à partir d'une température seuil, avant le reste de la paroi, son seuil d'inertie thermique étant inférieur à celui du reste de la paroi. [0024] L'invention concerne également un véhicule automobile pourvu d'un moteur thermique, et comportant un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules selon l'invention décrite ci-dessus. [0025] On décrira maintenant un exemple de réalisation plus en détails en référence au dessin dans lequel la figure unique représente une vue en coupe longitudinale schématique de la partie arrière d'un filtre à particules selon l'invention. [0026] Un système de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile tel qu'un filtre à particules (FAP) est inséré dans un circuit d'échappement. Un FAP est généralement constitué de cylindres en céramiques composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns) enfermée dans un boîtier métallique 1 qui, pour des raisons de clarté, est seul représenté dans la figure. [0027] Le boîtier métallique 1 présente ainsi un cône d'entrée (non représenté) et un 30 cône de sortie 2 permettant son raccordement dans la ligne d'échappement. [0028] Lorsque le FAP est installé, il se trouve dans la ligne d'échappement sous un véhicule 3. De cette façon, une fois le FAP installé, le cône de sortie 2 raccordé sur la ligne d'échappement 4 vers un silencieux arrière, présente une paroi 5 dite supérieure se trouvant en regard du dessous du véhicule 3 et une paroi dite inférieure 6 s'étendant à l'opposé et se trouvant en regard de la surface sur laquelle roule le véhicule 3, par exemple une route 7 sur laquelle circule le véhicule 3. [0029] De manière à favoriser la sécurité anti-incendie du véhicule 3, la paroi inférieure 6 présente une épaisseur inférieure à celle de la paroi supérieure 5. De préférence, la paroi 6 a une épaisseur inférieure à l'ensemble des parois constituant le boîtier métallique 1 du FAP. Cette paroi inférieure 6 d'épaisseur inférieure à celle de la paroi supérieure 5 est alors fusible avant celle-ci, lorsqu'on atteint une température seuil déterminée pendant un certain temps. L'épaisseur de la paroi 6 est ainsi déterminée en fonction du type de matériaux constituant le boîtier du FAP ainsi que de la température seuil que l'on souhaite. [0030] De cette manière si on atteint la température seuil lors d'un dysfonctionnement, la paroi inférieure 6 étant définie fusible à cette température, c'est cette paroi inférieure 6 qui en premier peut subir un dommage résultant de cette montée en température et se perce, laissant alors s'échapper le flux de gaz chauds vers la route 7 et non vers le véhicule 3 évitant ainsi les risques d'incendie de ce véhicule 3. [0031] Ainsi, on évite de mettre en place des écrans de protection en sorte du FAP. [0032] L'invention n'est bien entendu nullement limitée à l'exemple décrit mais englobe les variantes entrant dans la portée de l'invention.

Claims

Revendications1. Système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules constitué d'une multitude de canaux de faibles diamètres en céramique enfermée dans un boîtier métallique (1) présentant un cône d'entrée et un cône de sortie (2) permettant son raccordement à une ligne d'échappement, le cône de sortie (2) présentant une paroi dite supérieure (5) se trouvant en regard du dessous d'un véhicule (3) et une paroi opposée dite inférieure (6) se trouvant en regard de la surface sur laquelle se trouve le véhicule (3), lorsque ledit filtre à particules est monté dans le circuit d'échappement des gaz sous le véhicule (3), caractérisé en ce que la paroi inférieure (6) du cône (2) présente une épaisseur inférieure à celle de la paroi supérieure (5) dudit cône (2), ladite paroi inférieure (6) étant ainsi fusible à partir d'une température seuil, avant ladite paroi supérieure (5), son seuil d'inertie thermique étant inférieur à celui de la paroi supérieure (5).
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température à partir de laquelle la paroi inférieure (6) est définie fusible est de 1500 C l'épaisseur de la paroi inférieure (6) du cône de sortie (2) du filtre à particules étant comprise dans une plage de 1,2 à 1,5 mm.
3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur 20 de la paroi supérieure (5) est supérieure à celle de la paroi inférieure (6) de + 0 ,3 à 0,8 mm.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le boîtier (1) du FAP est constitué en acier ferritique.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur 25 du cône de sortie (2) est diminuée de manière progressive depuis la paroi supérieure (5) jusqu'à la paroi inférieure (6).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cône de sortie (2) est obtenu par assemblage soudé de deux demi-cônes d'épaisseur différentes 30
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la paroi supérieure (5) correspond à l'épaisseur du boîtier métallique (1) du FAP. 7
8. Pièce métallique destinée à constituer le cône de sortie d'un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules constitué d'une multitude de canaux de faibles diamètres en céramique enfermée dans un boîtier métallique (1) présentant un cône d'entrée et un cône de sortie (2) permettant son raccordement à une ligne d'échappement, caractérisé en ce que la paroi de ladite pièce est en partie amincie, ladite partie de paroi amincie étant ainsi fusible à partir d'une température seuil, avant le reste de la paroi, son seuil d'inertie thermique étant inférieur à celui du reste de la paroi.
9. Véhicule automobile pourvu d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il 10 comporte un système de dépollution destiné à filtrer les particules contenues dans les gaz d'échappement tel qu'un filtre à particules selon l'une des revendications 1 à 7.