FR2987757A1

FR2987757A1 - Filtre a particules

Info

Publication number: FR2987757A1
Application number: FR1252100A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Faure
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-13
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: FR2987757B1

Abstract

L'invention concerne un filtre à particules (3) comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux (7,7'), ladite matrice comprenant au moins une portion en une première céramique (A1,A2) et au moins une portion en une deuxième céramique (B), la deuxième céramique ayant une température de fusion inférieure à la première céramique et ayant notamment une fusion non ou peu exothermique.

Description

98775 7 1 FILTRE A PARTICULES [0001] L'invention concerne les filtres à particules, notamment ceux équipant les lignes d'échappement de moteurs thermiques, et plus particulièrement les lignes d'échappement de moteurs thermiques de véhicules du type véhicule automobile. [0002] Les moteurs thermiques de type essence ou diesel produisent des particules, l'émission de particules étant généralement plus importante dans le cas des moteurs diesel que dans celui des moteurs essence. De fait, les lignes d'échappement de moteurs thermiques incluent le plus souvent, au moins quand il s'agit de moteurs diesel, un filtre à particules destiné à piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies ou de gouttelettes d'huile. Pour éviter l'encrassement du filtre à particules, celui-ci doit être régénéré épisodiquement par brûlage des particules piégées. Le brûlage est réalisé par augmentation de la température des gaz d'échappement, notamment en injectant directement du carburant dans les gaz d'échappement, en prévoyant éventuellement, en outre, l'ajout d'un additif tel que du sel de cérium dans le carburant. Dans le cas où un catalyseur d'oxydation (destiné à oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) est disposé sur la ligne d'échappement en amont du filtre à particules, la combustion de ce carburant dans le catalyseur d'oxydation permet d'augmenter considérablement la température des gaz d'échappement au niveau du filtre à particules, température qui peut alors, au moins temporairement, atteindre des températures de plus de 550°C jusqu'à 600°C. (On comprend dans l'ensemble du présent texte les termes « amont » et « aval » en fonction de la direction générale des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, de la sortie moteur vers l'extrémité de la ligne débouchant hors du véhicule.) [0003] Pour déclencher une régénération du filtre à particules, on mesure généralement la perte de charge à l'intérieur du filtre à particules en mesurant la pression en amont et en aval. Lorsque la perte de charge dépasse un seuil, on considère que le filtre à particules a accumulé une quantité de suies suffisante et la régénération du filtre à particules est initiée. [0004] De façon connue, les filtres à particules sont, par exemple, constitués d'une matrice minérale, de type céramique, de structure alvéolaire, définissant des canaux disposés sensiblement parallèlement à la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement dans le filtre, et alternativement obturés du côté de la face d'entrée des gaz du filtre et du côté de la face de sortie des gaz du filtre, comme décrit dans le brevet EP - 2 426 326. [0005] De façon connue également, et également décrit dans le brevet précité, on peut aussi conférer des fonctions supplémentaires au filtre à particules, notamment en déposant sur tout ou partie des parois des canaux, un ou plusieurs revêtements catalytiques. Il peut s'agir de revêtements de type catalyseur d'oxydation, apte à diminuer les émissions de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures par oxydation (HC), et/ou encore de revêtements de type catalyseur de réduction des oxydes d'azote du type NON, notamment ceux catalysant la réduction des NON avec injection dans la ligne d'échappement en amont du filtre d'un réducteur du type ammoniac gazeuse ou urée liquide. On peut aussi citer les revêtements de type piège à NON, qui deviennent actifs vis-à-vis des NON quand le moteur de type diesel passe temporairement en régime riche. [0006] En pratique, le gradient de température doit être limité durant la phase de régénération du filtre, afin d'éviter de l'endommager. Le coeur et l'enveloppe du filtre à particules sont sensiblement à la même température et peuvent tous deux être endommagés par une température ou un gradient excessifs. Lors d'une accumulation localisée et incontrôlée de suie, la perte de charge peut être telle que la combustion est maintenue jusqu'à un phénomène d'emballement. Durant un emballement, les suies se consument avec une très grande vitesse et peuvent induire une très forte hausse de température à l'origine de la destruction de la céramique du filtre à particule ou de l'enveloppe métallique la contenant. La céramique vient en effet fondre localement, selon une réaction très exothermique qui propage la fusion sur le reste de la matrice.

Au mieux, on perd la fonctionnalité de filtration des suies, puisque la fusion de la matrice entraîne la création de passages béants dans lesquels les gaz passent directement sans filtrage. Et la fusion de la céramique peut créer des résidus de composition aléatoire, notamment à base de silice, soit sur la face 2 98775 7 3 de sortie du filtre, soit plus loin sur la ligne d'échappement et hors de la ligne d'échappement, sous forme de poudre de couleur blanchâtre. Au pire, on peut détruire totalement le filtre et son enveloppe métallique qui, en fondant, peut créer des risques de détérioration voire d'incendie des composants du véhicule 5 adjacents, notamment du reste de la ligne d'échappement. [0007] L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients, notamment en améliorant la conception des filtres à particules. Elle vise notamment à minimiser les risques de détérioration des filtres lors de régénérations, ou, à tout le moins, à diagnostiquer plus vite lesdits risques ou à 10 les anticiper. [0008] L'invention a pour objet un filtre à particules comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux, telle que ladite matrice comprend au moins une portion en une première céramique et au moins une portion en une deuxième céramique, la deuxième céramique ayant une 15 température de fusion inférieure à la première céramique et ayant notamment une fusion non ou peu exothermique. [0009] De préférence, la différence entre les deux températures de fusion est d'au moins 100°C, notamment d'au moins 150°C, par exemple d'environ 200° à 300°C. 20 [0010] Ainsi, lors d'une régénération avec une quantité importante de suies dans le filtre, la portion de filtre avec la deuxième céramique pourra absorber le fort dégagement de chaleur, en fondant au moins partiellement avant le reste du filtre. Cette fusion ou détérioration partielle du filtre ayant lieu plus tôt, on peut diagnostiquer plus tôt cette détérioration, notamment en 25 contrôlant les variations de perte de charge dans le filtre en mesurant la pression des gaz en entrée et en sortie du filtre. Et on peut ainsi intervenir plus rapidement, et éviter un emballement thermique aux conséquences graves pour le véhicule, tout particulièrement lors de phases de régénération avec forte masse de suies. 30 [0011] De préférence, la première céramique est choisie à base de carbure de silicium ou en mélange carbure de silicium et silicium. Ce type de céramique est connue pour ses performances mécaniques, pour sa robustesse, mais présente un caractère fortement exotherme à la fusion. [0012] De préférence, la deuxième céramique est choisie à base de cordiérite ou de titanate d'aluminium ou leur mélange. La cordiérite est un oxyde mixte de formule A13Mg2A1Si5018 Ce type de céramique présente une température de fusion nettement moindre (comprise entre 1200°C et 1250°C) que le type précédent, et un caractère exotherme faible voire nulle lors de sa fusion. En effet, le SiC ou le Si-SiC peut subir le phénomène d'oxydation dite active à partir de 1400 à 1450°C (réaction exothermique de surcroît). Il est suffisamment robuste mécaniquement, et suffisamment performant pour que la portion de filtre qu'il constitue puisse participer correctement à la filtration obtenue par le filtre, en conditions normales d'utilisation hors phase de régénération, et dans les conditions thermiques des phases de régénération standard (à masse de suies normale lors du déclenchement de la régénération). [0013] Avantageusement, la matrice est composée de modules unitaires orientés tous substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal dudit filtre et assemblés les uns aux autres par un moyen de collage. Il peut s'agir notamment de modules unitaires assemblés les uns aux autres par leurs parois 20 latérales. [0014] Selon un premier mode de réalisation, le filtre à particules comprend une pluralité de modules composés avec la première céramique et un module composé avec la deuxième céramique. De préférence, on choisit une configuration où le module composé avec la deuxième céramique est 25 entouré latéralement de modules composés avec la première céramique. Ainsi, le module composé avec la deuxième céramique peut se trouver en position centrale au sein du filtre, en considérant sa section: c'est cette zone centrale du filtre qui voit passer le flux le plus significatif de gaz et c'est donc dans cette zone qu'un échauffement excessif est le plus susceptible de démarrer. 30 [0015] Selon un autre mode de réalisation, le filtre comprend une pluralité de modules composés avec la première céramique, et une pluralité de modules composés avec la deuxième céramique, les modules composés avec la 2 9 8 775 7 5 deuxième céramique étant séparés les uns des autres par au moins un module composé avec la première céramique, et étant de préférence disposés à la périphérie du filtre. On comprend par « périphérie » le fait que les modules en question définissent au moins en partie le contour extérieur du filtre. Dans cette 5 configuration, on choisit plutôt de répartir les modules les plus fusibles, ceux avec la deuxième céramique. Ainsi, on peut diagnostiquer des démarrages de fusion dans différentes zones du filtre. [0016] Les deux modes de réalisation sont d'ailleurs compatibles. A noter également que les modules composés avec la première céramique et les 10 modules composés avec la deuxième céramique ne sont pas nécessairement de même dimensions, de même forme de section ou de même forme/dimensions de canal. [0017] Par exemple, le moyen de collage est un ciment minéral, notamment à base de carbure de silicium, d'oxyde de silicium et/ou d'oxyde 15 d'aluminium, et contenant optionnellement d'autres composants, notamment sous forme fibreuse. [0018] De préférence, le filtre présente une section cylindrique ou carrée ou rectangulaire, et les modules ont une section carrée ou rectangulaire au centre du filtre, et éventuellement tronqués afin d'être adaptés à la forme de la section du filtre à sa périphérie. [0019] Comme évoqué plus haut, la portion en deuxième céramique de la matrice du filtre sert avantageusement de fusible thermique au filtre, notamment lors de la régénération dudit filtre. Elle peut aussi servir d'indicateur d'usure dudit filtre : en effet, si elle présente en outre une robustesse moindre que la première céramique, elle peut, en se fissurant plus tôt que la première céramique, indiquer un degré d'usure avant le stade où la première céramique commence elle aussi à se fissurer. Elle permet donc d'anticiper le remplacement du filtre, par exemple. [0020] L'invention a aussi pour objet la ligne d'échappement d'un moteur thermique, qui comprend le filtre tel que décrit plus haut, logé dans une enveloppe substantiellement métallique. [0021] L'invention a également pour objet un procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement du filtre à particules d'une ligne d'échappement décrite plus haut, tel que ledit procédé prend en compte la perte de charge sur la ligne créé par le filtre à particules et diagnostique la détérioration du filtre dès la fusion au moins partielle de la portion de filtre en deuxième céramique. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur et d'une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une portion du filtre à particules selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe transversales du filtre à particules de la figure 2. [0023] La figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion thermique 1 relié à une ligne d'échappement 2 des gaz provenant de la combustion du moteur. La ligne d'échappement comprend un filtre à particules 3 et deux capteurs de pression en amont 4 et en aval 5 du filtre 3, les capteurs étant reliés à une unité de contrôle commande 6 du moteur 1. Optionnellement, la ligne d'échappement peut aussi comprendre un convertisseur catalytique, du type catalyseur d'oxydation vis-à-vis de HC/CO et/ou du type catalyseur de réduction vis-à-vis des NON (du type Catalyse sélective par réduction, connue sous l'acronyme anglais SCR, pour Selective Catalysis Reduction) et/ou un piège à NON). Ces organes peuvent être disposés en amont ou en aval du filtre à particules 3 et ne sont pas représentés à la figure 1. La flèche 10 indique la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement et à travers le filtre 3. [0024] La figure 2 est une vue en coupe longitudinale du filtre à particules 3 de la figure 1. Le filtre est ainsi composé de barreaux (visibles à la figure 3) monolithiques assemblés, barreaux dont la structure alvéolaire peut être réalisée par extrusion dans une filière à partir d'une pâte, qui est ensuite, une fois extrudée, séchée par traitement thermique puis cuite à haute température (au moins 2100 °C pour le SiC ou au moins 1700°C pour le Si-SiC), puis les barreaux sont assemblés (par injection d'un ciment entre les barreaux maintenus dans un moule ou par collage par application automatique du ciment entre ceux-ci). [0025] La vue de la figure 2 est une vue en coupe dans le sens d'extrusion d'une forme à motifs carrés. Le matériau du filtre présente des canaux de section carrée 7,7' alternativement obturés au niveau de la face d'entrée 9 des gaz d'échappement du filtre et de la face de sortie 11 des gaz d'échappement hors du filtre. Selon l'alternance de l'obturation, on obtient des canaux 7 communiquant avec la partie amont du filtre et des canaux 7' communiquant avec la partie aval du filtre. Les canaux 7,7' sont séparés les uns des autres par les parois de la céramique, parois suffisamment poreuses pour laisser passer les gaz (flèches 11) et permettant de piéger dans les canaux les suies solides ou liquides. [0026] La figure 3 représente une section du filtre à particules selon un exemple de réalisation de l'invention. Le filtre 3 est de forme sensiblement cylindrique. Il est disposé dans une enveloppe métallique non représentée également de forme cylindrique avec, de part et d'autre du filtre, un rétrécissement de section permettant son raccordement au reste de la ligne d'échappement 2. Ici, le filtre est composé de barreaux monolithes de section carrée, comme expliqué au vu de la figure 2, mais qui sont de deux types différents : il y a d'une part des barreaux en mélange Si-SiC ou en SiC, de référence A, et d'autre part un unique barreau en cordiérite, de référence B. Les barreaux A sont, au centre du filtre, de section carrée, (barreaux Al) et, en périphérie du filtre, ont été tronqués (barreaux A2) afin que le filtre présente une section substantiellement circulaire. Le barreau B est de section carrée et entièrement entouré de barreaux de type Al ou de type A2. Les dimensionnements des barreaux Al et B sont par ailleurs identiques (même épaisseur de paroi, même taille de canal, même longueur). Les différents barreaux sont assemblés par une colle minérale C, un ciment, dont on peut adapter la formulation selon qu'il assemble deux barreaux de type A ou un barreau de type A à un barreau de type B. Le ciment peut par exemple contenir du nitrure de bore, de silicium ou d'aluminium, de l'oxyde de zirconium ou 2 9 8 775 7 8 d'aluminium, une certaine proportion de cordiérite, de titanate d'aluminium, du borure de zirconium, ou encore de la mullite. A noter que ce ciment a un rôle de colle, mais qu'il offre aussi la possibilité d'absorber les tolérances de dimensionnement/de dilatation thermique en fonctionnement normal des 5 barreaux de type A et de type B. le ciment peut être posé de façon continue aux interfaces entre barreaux adjacents, ou par points de colle discrets. [0027] La cordiérite fond à des températures nettement plus basses que le SiC ou un mélange Si-SiC : si, lors d'une régénération avec une masse de suies notamment élevée, il y a une élévation anormale de température, c'est le 10 barreau B qui commencera à fondre avant les autres, sans phénomène exothermique (ou très limité), contrairement au SiC ou au mélange Si-SiC. De fait, les capteurs de pression 4,5 pourront détecter plus tôt une modification anormale de perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre, les gaz pouvant s'engouffrer dans les trous créés par la fusion au moins partielle du barreau B, 15 et une procédure de sécurisation peut alors être déclenchée par l'unité de contrôle 6. [0028] Alternativement, on peut choisir de n'avoir en partie centrale que des barreaux de type A1, et avoir en périphérie des barreaux de type A2 et plusieurs barreaux de type B tronqués remplaçant certains desdits barreaux A2 20 (même forme) ; On peut par exemple prévoir quatre barreaux (ou moins, ou un seul) de type B espacés les uns des autres par des barreaux de type A2. [0029] On peut aussi faire d'autres modes de réalisation, avec des barreaux de type A, et des barreaux de type B de tailles différentes, de forme de canaux différente (par exemple de section de canal différente, d'épaisseur 25 de paroi différente, de densité de canal différente, de section de canal évoluant différemment de la face amont 9 à la face aval 11 du filtre ou encore prévoir d'accoler plusieurs barreaux de type B ... [0030] On peut aussi prévoir que les barreaux de type A et/ou de type B soient également munis, sur les parois définissant les canaux, de revêtements 30 catalytiques, comme évoqué au début du présente texte, soit pour oxyder, soit pour réduire des espèces polluantes du type HC, CO ou NON. De façon connue, ces revêtements peuvent comprendre des oxydes métalliques, des métaux rares, des métaux de transition... [0031] L'invention peut s'adapter à des filtres à particules de section non circulaire. Elle peut aussi s'adapter à des filtres qui ne sont pas constitués d'une pluralité de barreaux : il peut aussi s'agir d'un barreau unique A, dans lequel on vient insérer un autre barreau de type B ou avec qui on vient assembler un barreau de type B. [0032] On peut aussi ajuster le caractère fusible du barreau/matériau B en ajoutant dans sa formulation une certaine proportion en matériau A, et 10 inversement. On peut aussi prévoir une association de céramiques de type A et B avec des interfaces diffuses entre les deux types de matériau.

Claims

REVENDICATIONS1. Filtre à particules (3) comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux (7,7'), caractérisé en ce que ladite matrice comprend au moins une portion en une première céramique (A1,A2) et au moins une portion en une deuxième céramique (B), la deuxième céramique ayant une température de fusion inférieure à la première céramique et ayant notamment une fusion non ou peu exothermique.
2. Filtre à particules (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première céramique (A1,A2) est choisie à base de carbure de silicium ou en mélange carbure de silicium et silicium.
3. Filtre à particules (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième céramique (B) est choisie à base de cordiérite ou de titanate d'aluminium ou leur mélange.
4. Filtre à particules (3) selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la matrice est composée de modules unitaires (A1,A2,B) orientés tous substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal dudit filtre et assemblés les uns aux autres par un moyen de collage ( C).
5. Filtre à particules (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce 25 que les modules unitaires (A1,A2,B) sont assemblés les uns aux autres par leurs parois latérales.
6. Filtre à particules (3) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules composés avec la première céramique 30 (Al ,A2) et un module (B) composé avec la deuxième céramique.
7. Filtre à particules (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module composé avec la deuxième céramique (B) est entouré latéralement de modules composés avec la première céramique (Al ,A2).
8. Filtre à particules (3) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules (A1,A2) composés avec la première céramique, et une pluralité de modules (B) composés avec la deuxième céramique, les modules composés avec la deuxième céramique étant séparés les uns des autres par au moins un module composé avec la première céramique, et étant de préférence disposés à la périphérie du filtre.
9. Filtre à particules (3) selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le moyen de collage (C) est un ciment minéral, notamment à base de carbure de silicium, d'oxyde de silicium et/ou d'oxyde d'aluminium, et contenant optionnellement d'autres composants, notamment sous forme fibreuse.
10. Filtre à particules (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion en deuxième céramique (B) de la matrice sert de fusible thermique au filtre, notamment lors de la régénération dudit filtre ou d'indicateur d'usure dudit filtre.
11. Ligne d'échappement (2) d'un moteur thermique (1), caractérisée en ce qu'elle comprend le filtre (3) selon l'une des revendications précédentes logé dans une enveloppe substantiellement métallique.
12. Procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement du filtre à particules (3) d'une ligne d'échappement (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit procédé prend en compte la perte de charge sur la ligne créé par le filtre à particules et diagnostique la détérioration du filtre dès la fusion au moins partielle de la portion de filtre (B) en deuxième céramique.