FR3042218A1

FR3042218A1 - Filtre a particules

Info

Publication number: FR3042218A1
Application number: FR1559568A
Authority: FR
Inventors: Mohamed Bozian; Emmanuel Laigle
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-04-14
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: FR3042218B1

Abstract

L'invention concerne un filtre à particules (3) comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux et composée de modules unitaires orientés tous substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal dudit filtre et assemblés les uns aux autres par leurs parois latérales, ladite matrice comprenant N types de modules unitaires présentant des valeurs de contrepression initiales différentes, les N types de modules étant répartis en zones s'alternant dans la section de la matrice.

Description

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. Dans la suite du texte, le terme de suie sera utilisé pour désigner l’ensemble de ces particules liquides et solides.

[0003] 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.

[0004] 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 (HC) par oxydation, et/ou encore de revêtements de type catalyseur de réduction des oxydes d’azote du type NOx, notamment ceux catalysant la réduction des NOx 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 NOx, qui deviennent actifs vis-à-vis des NOx quand le moteur de type diesel passe temporairement en régime riche.

[0005] 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, qui peut être obtenue de différentes manières (éventuellement en les cumulant).

[0006] On peut ainsi injecter directement du carburant dans les gaz d’échappement. 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 650°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.) [0007] On peut, également, augmenter la température des gaz d’échappement en procédant à des injections tardives de carburant dans les chambres de combustion du moteur. Ces injections tardives ont pour conséquence de diluer l’huile moteur, ce qui peut, dans les cas extrêmes, aboutir à une casse du moteur.

[0008] On peut, enfin, prévoir l’ajout d’un additif tel que de l’oxyde cérium dans le carburant, ou l’ajout d’un catalyseur de régénération sur les parois du filtre lui-même, pour abaisser la température de régénération.

[0009] Pour déclencher une régénération du filtre à particules, on mesure généralement la perte de charge liée au filtre à particules en mesurant la pression de gaz en amont et en aval du filtre. Lorsque la perte de charge dépasse un certain seuil, on considère que le filtre à particules a accumulé une quantité de suies suffisante et la régénération du filtre à particules est initiée.

[0010] Les régénérations thermiques des filtres à particules engendrent un certain nombre de contraintes : quand on choisit d’injecter du carburant en plus pour augmenter la température des gaz d’échappement, elles sont consommatrices en carburant. Quand on prévoit des additifs pour abaisser la température seuil de déclenchement de la régénération au sein du filtre, ces additifs engendrent un coût et des moyens supplémentaires à mettre en œuvre (comme un réservoir et une pompe d’additif pour carburant, par exemple). En outre, si le filtre à particules est muni de revêtements catalytiques du type catalyseur de réduction des NOx, il faut d’une part que ces revêtements soient aptes à subir sans détérioration notable les pics de température atteints lors des régénérations . D 'autre part, ces revêtements ont un coût important.

[0011] Il est donc souhaitable que les régénérations des filtres puissent être réalisées de façon efficace avec des pics de température aussi modérés que possible et /ou dans un intervalle de temps le plus court possible, ceci pour deux raisons au moins : éviter la dégradation des éléments catalytiques présents dans le système de dépollution des gaz d’échappement du moteur, et éviter la dilution du lubrifiant moteur.

[0012] Le but de l’invention est alors d’améliorer la conception des filtres à particules, notamment afin d’en permettre une régénération moins contraignante, notamment moins consommatrice en énergie et/ou plus rapide et/ou à température plus basse.

[0013] L’invention a tout d’abord pour objet un filtre à particules comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux et composée de modules unitaires orientés tous substantiellement parallèlement à l’axe longitudinal dudit filtre et assemblés les uns aux autres par leurs parois latérales. Ladite matrice comprend N types de modules unitaires présentant des valeurs de contre-pression initiales différentes, les N types de modules étant répartis en zones s’alternant dans la section de la matrice.

[0014] On comprend par contre-pression (initiale) une valeur intrinsèque au module, qu’on peut mesurer par la différence de pression mesurée en aval et en amont du module en fonction d’un débit de gaz le traversant à une pression et une température données. La contre-pression initiale est celle mesurée sur le module dépourvu de suies (c’est-à-dire quand il est neuf ou quand il est entièrement régénéré thermiquement). Ensuite, une fois le module assemblé dans le filtre en conditions réelles, sa contre-pression va progressivement augmenter au fur et à mesure que le module se charge en particules de suie.

[0015] La contre-pression initiale d’un module est conditionnée par un certain nombre de paramètres qui lui sont intrinsèques, dont : - la quantité de cellules par unité de surface, généralement exprimée dans le domaine des filtres en unités anglo-saxonnes (« cell per square inch >>), - l’épaisseur des parois des canaux dans le module, - la taille moyenne de pores (« mean pore size » ou « MPS >> en anglais), - la porosité, définit comme le rapport entre le volume vide sur le volume total d’un matériau poreux.

[0016] Pour régler à la valeur voulue la contre-pression initiale d’un module, on peut donc jouer sur ces paramètres. Ainsi, par exemple pour diminuer la contre-pression d’un module donné, on va pouvoir augmenter à la fois sa porosité et augmenter sa taille moyenne de pores , et afin de garder sa capacité de filtration et de conserver sa résistance mécanique éventuellement augmenter l’épaisseur des parois des canaux.

[0017] Le choix de l’invention consistant à répartir dans le filtre des modules de contre-pressions différentes est très intéressant pour améliorer la façon dont se produisent les régénérations. En effet, les gaz d’échappement tendent à passer, au sein du filtre, préférentiellement à travers les modules qui ont la contre-pression la plus faible. De fait, ces modules vont accumuler plus rapidement de la suie que les autres modules. Or il a été démontré qu’il est plus facile d’initier des régénérations thermiques dans un filtre pleinement chargé de particules que dans un filtre seulement partiellement chargé. Donc les modules à plus faible contre-pression initiale, qui seront les plus chargés en suies, vont se mettre à brûler plus facilement les suies qu’ils contiennent sous l’action d’une augmentation de température. Et la combustion va se propager aux modules voisons, moins chargés en suie, avec comme résultat une régénération qui démarre plus facilement, à des températures plus basses, et qui se propage mieux dans l’ensemble du filtre à particules. L’ajout de modules à faible contre-pression initiale (à plus faible contre-pression que les autres) jouent ainsi le rôle d’amorceurs pour assurer une régénération plus complète, et/ou plus rapide et/ou à plus basse température que lorsque le filtre n’est constitué que de modules standard à contre-pression conventionnelle identique (supérieure). C’est très bénéfique notamment pour l’intégrité des revêtements catalytiques susceptibles d’être présents dans ou sur les parois des canaux du filtre.

[0018] Selon un mode de réalisation de l’invention, on choisit N = 2, avec un premier type de modules unitaires présentant une première valeur de contre-pression CP1 et un deuxième type de modules unitaires présentant une deuxième valeur de contre-pression CP2 inférieure à la première, avec un ratio CP1/CP2 d’au moins 1,5, et notamment d’au moins 2.

[0019] Avantageusement, quand N = 2, on privilégie une répartition en damier des deux types de modules dans la matrice. On comprend le « damier >> en observant une coupe du filtre transversalement à son axe longitudinal.

[0020] De préférence, N = 2, avec un ratio N1/N2 du nombre de modules du premier type sur le nombre de modules du deuxième type compris entre 0,4 et 0,7.

[0021] De préférence, les zones contiennent au plus 3 modules d’un même type de module, notamment au plus 2 et de préférence 1 seul module. On peut donc avoir, dans le filtre, des groupements de 2 ou 3 modules identiques, ou, avoir des zones constituées que d’un seul module.

[0022] Dans un autre mode de réalisation de l’invention, N = 3, avec une répartition en damier de deux types de modules dans la matrice dans sa partie centrale, et un troisième type de modules à sa périphérie et présentant une contre-pression inférieure à celles des deux autres types de module. On a ainsi une amorce de régénération à la fois au cœur du filtre et à sa périphérie, sachant qu’il peut s’établir une différence de température entre le centre, plus chaud, du filtre, et sa périphérie, moins chaude, la présence de modules à faible contre-pression en couronne à la périphérie du filtre peut aider à mieux propager radialement la combustion des suies dans le filtre.

[0023] Selon un mode de réalisation, chaque module d’un type donné est entouré latéralement par des modules d’un autre type ou d’autres types. Dans cette configuration, on a donc une alternance de modules unitaires, ce qui favorise la propagation de la combustion des modules de plus faible contre-pression initiale (les modules «amorceurs >>) vers les modules de plus forte contre-pression initiale, la distance entre deux modules amorceurs restant réduite.

[0024] Selon une variante, le filtre à particules de l’invention est muni d’au moins un revêtement catalytique, notamment un revêtement catalytique de traitement des NOx par réduction. Dans un mode de réalisation de cette variante, de préférence seuls les modules unitaires de plus faible contre-pression initiale sont munis du revêtement catalytique. Quand ces revêtements contiennent des métaux, notamment des métaux nobles, leur présence renforce encore le rôle d’amorceurs de ces modules.

[0025] De préférence, on utilise pour assembler entre eux les modules unitaires un moyen de collage, qui est notamment un ciment minéral, par exemple 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.

[0026] De préférence, le filtre présente une section cylindrique ou ovale ou carrée ou rectangulaire, et les modules ont une section carrée ou rectangulaire au centre du filtre, et sont éventuellement tronqués à sa périphérie afin d’être adaptés à la forme de la section du filtre. Ces modules peuvent également être désignés sous le terme de barreaux.

[0027] L’invention a également pour objet une ligne d’échappement d’un moteur thermique, qui comprend le filtre décrit plus haut, logé dans une enveloppe, notamment substantiellement métallique.

[0028] L’invention a également pour objet un procédé de régénération thermique du filtre à particules décrit plus haut, tel que la régénération se déclenche d’abord dans les modules aux plus faibles contre-pressions initiales.

[0029] 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 de la figure 1 ; • la figure 3 est un graphe illustrant les résultats de régénération thermique d’un filtre selon l’invention et de filtres comparatifs ; • les figures 4a à 4 e sont des coupes transversales du filtre selon l’invention et de filtres comparatifs.

[0030] L’ensemble de ces figures est très schématique, et les composants représentés ne sont pas nécessairement à l’échelle, afin d’en faciliter la lecture. Les mêmes composants gardent la même référence d’une figure à l’autre.

[0031] 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 NOx (du type Catalyse sélective par réduction, connue sous l’acronyme anglais SCR, pour Sélective Catalysis Réduction) et/ou un piège à NOx. 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.

[0032] 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 aux figures 4a à 4e I) 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).

[0033] 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.

[0034] Les figures 4a à 4e représentent des sections de filtres à particules 3 selon différents exemples.

[0035] Les filtres sont tous de forme sensiblement cylindrique, de même dimension extérieure, et destinés à être disposés 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. Ils sont composés de barreaux monolithes de section carrée. Les barreaux disposés à la périphérie du filtre sont tronqués pour respecter la section circulaire du filtre.

[0036] La figure 4a représente un filtre 3 selon un premier exemple comparatif. Les barreaux 20 sont tous identiques et tous en Si-SiC (ou en SiC). Ils ont les caractéristiques suivantes : longueur de 6 pouces, diamètre de 5,5 pouces, une épaisseur de paroi de 15mm, une porosité de 60%, une MPS (« Mean Pore Size ») de 20 micromètres. Ils présentent tous une contre-pression initiale de 30 mbar mesurée avec un débit de gaz de 0,1m3/s . De façon conventionnelle, les régénérations avec ce type de filtre sont déclenchées quand les barreaux atteignent un chargement en suie d’environ 10 grammes par litre de filtre.

[0037] La figure 4b représente une première variante, où l’on associe un premier type de barreau 20, comme ceux de l’exemple précédent, à un autre type de barreau 21, représenté de façon plus foncée simplement pour les distinguer. Les barreaux 21 sont similaires aux barreaux 20, mais présentent une contrepression initiale plus faible, environ 2 fois plus faible. La répartition des barreaux 21 est hétérogène parmi les barreaux 20. Sur les 16 barreaux, 3 sont de type 21.

[0038] La figure 4c représente une autre variante, similaire à celle de la figure 4b, à ceci près que dans la variante de la figure 4c, il y a proportionnellement davantage de barreaux 21 à plus faible contre-pression. Si l’on considère les barreaux en rangées, on voit qu’un barreau 20 alterne avec un barreau 21, pour former une répartition en damiers. On a donc une répartition d’environ 50/50 entre le nombre de barreaux de type 20 et le nombre de barreaux de type 21.

[0039] La figure 4d propose une autre variante, où les barreaux de plus faible contre-pression, de type 21, sont regroupés au centre du filtre, les autres barreaux 20 venant entourer, à la périphérie du filtre, ce groupe de barreaux 21. On a 4 barreaux 21 au centre pour 12 barreaux de type 20 à la périphérie.

[0040] La figure 4 e propose une autre variante, inverse de la précédente : les barreaux 21 de plus faible contre-pression sont disposés à la périphérie, quatre barreaux 20 étant regroupés au centre du filtre.

[0041] La figure 3 représente un graphe avec, en abscisse, le temps exprimé en secondes, et, en ordonnée, le chargement en suies du FAP exprimé en gramme de suie. Les courbes 4a, 4b, 4c, 4d, 4e correspondent aux exemples des figures 4a à 4 e correspondantes.

[0042] On constate de ces courbes notamment que c’est la répartition en damier des deux types de barreaux, comme proposé en figure 4c, qui est la plus favorable, et de manière significative car la vitesse de combustion des suies est la plus rapide et l’exotherme dans le filtre reste contraint: c’est dans cette variante que l’amorçage de la combustion, quand la régénération est commandée, est la plus rapide, et avec l’exotherme acceptable. On aurait pu, au contraire, penser que la répartition selon la figure 4 e aurait été la plus favorable, puisqu’on tend à constater que le centre du filtre est plus chaud que sa périphérie, et que c’est donc à la périphérie qu’il faut disposer les barreaux qui vont le plus vite se charger en suies et donc brûler leurs suies le plus facilement. C’est donc bien en choisissant une alternance entre barreaux à faible et forte contre-pressions initiales qu’on a les résultats les plus satisfaisants.

[0043] Si, de manière classique, on démarre la régénération des filtres à particules conventionnels quand le filtre est chargé à 10 g/l de filtre, on a montré, avec l’invention qu’on facilite la régénération en démarrant la régénération avec certains des barreaux au moins nettement plus chargés, notamment à environ 20 g/l de filtre. Et, selon l’invention, on choisit l’écart de contre-pressions initiales entre les deux types de barreaux pour qu’on obtienne ces écarts de valeurs de charge de suie en fin de chargement du filtre. Ce qui est recherché est que les barreaux avec la plus faible contre-pression initiale qui se retrouvent les plus chargés de suie à un instant donné, et que ce sont ces barreaux qui servent d’amorceurs pour les autres barreaux, rôle qu’ils ne parviennent à remplir correctement que s’il y a une alternance entre les deux types de filtre dans toute la section du filtre, ou à tout le moins la majorité de la section.

Claims

REVENDICATIONS

1. Filtre à particules (3) comportant une matrice en céramique poreuse définissant des canaux et composée de modules unitaires orientés tous substantiellement parallèlement à l’axe longitudinal dudit filtre et assemblés les uns aux autres par leurs parois latérales, caractérisé en ce que ladite matriôe comprend N types de modules unitaires (20,21) présentant des valeurs de contre-pression initiales différentes, les N types de modules étant répartis en zones s’alternant dans la section de la matrice.
2. Filtre à particules (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que N = 2, avec un premier type de modules unitaires (20) présentant une première valeur de contre-pression CP1 et un deuxième type de modules unitaires (21) présentant une deuxième valeur de contre-pression CP2 inférieure à la première, avec un ratio CP1/CP2 d’au moins 1,5, et notamment d’au moins 2.
3. Filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que N = 2, avec une répartition en damier des deux types de modules (20,21) dans la matrice.
4. Filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que N = 2, avec un ratio N1/N2 du nombre de modules (21) du premier type sur le nombre de modules du deuxième type (20) compris entre 0,4 et 0,7.
5. Filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones contiennent au plus 3 modules d’un même type de module, notamment au plus 2 et de préférence 1 seul module.
6. Filtre à particules (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que N = 3, avec une répartition en damier 4$4êux types de modules dans la matrice dans sa partie centrale, et un troisième type de modules à sa périphérie et présentant une contre-pression inférieure à celles des deux autres types de module .
7. Filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module d’un type donné est entouré latéralement par des modules d’un autre type ou d’autres types.
8. Filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est muni d’au moins un revêtement catalytique, notamment un revêtement catalytique de traitement des NOx par réduction.
9. Filtre à particules (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que seuls les modules unitaires de plus faible contre-pression initiale sont munis du revêtement catalytique.
10. Procédé régénération thermique du filtre à particules (3) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la régénération se déclenche d’abord dans les modules (21) aux plus faibles contre-pressions initiales.