WO2004090294A1 - Structure de filtration pour les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Structure de filtration pour les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne Download PDF

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WO2004090294A1
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Vincent Gleize
Julien Romeyer
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Definitions

  • the present invention relates to a filtration structure, in particular a particulate filter for the exhaust gases of an internal combustion engine, of the type comprising:
  • Such structures are used in particular in the exhaust gas pollution control devices of internal combustion engines. These devices comprise an exhaust pipe comprising in series a catalytic purification member and a particulate filter.
  • the catalytic purification unit is suitable for the treatment of pollutant emissions in the gas phase, while the particulate filter is adapted to retain the soot particles emitted by the engine.
  • the filtering members comprise a set of adjacent conduits of parallel axes, separated by porous filtration walls. These ducts extend between an intake face of the exhaust gas to be filtered and a discharge face of the filtered exhaust gas. These ducts are also closed at one or other of their ends to define inlet chambers opening on the intake face and outlet chambers opening along the discharge face.
  • These structures operate in a succession of filtration and regeneration phases. During the filtration phases, the soot particles emitted by the engine are deposited on the walls of the inlet chambers. The pressure drop across the filter increases gradually. Beyond a predetermined value of this pressure drop, a regeneration phase is performed.
  • the soot particles composed mainly of carbon
  • the soot particles are burned on the walls of the inlet chambers in order to restore the structure to its original properties.
  • the soot particles do not accumulate homogeneously in the filtering members.
  • the soot accumulates preferentially in the center of the filtration structure and towards the evacuation face of the exhaust gases.
  • soot combustion causes a rise in temperature in the preferential accumulation zones, higher than the rise in temperature observed in the other zones of the structure.
  • the temperature gradients within the filtration structure generate local expansions of different amplitudes, and consequently, longitudinal and transverse stresses in and / or between the different filtration members.
  • connection joints whose thickness is chosen in the range of 0.3 to 3 mm and whose conductivity thermal is between 0.1 and 10 W / mK
  • the main object of the invention is to overcome this disadvantage, that is to say to provide a porous filtration structure for a particle filter allowing prolonged use of the filter.
  • the subject of the invention is a filtration structure of the aforementioned type, characterized in that the first face comprises at least a first zone of strong adhesion with said seal and at least one weak or zero adhesion zone with this seal, said zones respectively comprising a first region of strong adhesion with said seal and a weak or zero adhesion region with this seal, said regions being respectively disposed opposite a first weak or zero adhesion region; the second face with said seal, and a strong adhesion region of the second face with said seal.
  • the filtration structure according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the first face further comprises a second zone of strong adhesion with said seal having a second region of strong adhesion with said seal disposed opposite a second weak or zero adhesion region of the second face with said seal; in at least one section of the filtration structure, the weak or zero adhesion region with said seal of the first face is disposed between the first and second regions of strong adhesion with said seal of this first face;
  • said section is a longitudinal section; - said section is a cross section;
  • a filter member is a prismatic brick, each of the side faces is facing a side face of an associated filter member, a connecting joint of said faces extending between said faces; and each of the lateral faces of the brick comprises at least one zone of strong adhesion of this face of the brick with said seal and at least one zone of weak or zero adhesion of this face with said seal, said zones respectively comprising a region strong adhesion of this face of the brick with said seal and a low or no adhesion region of this face with said seal, said regions being respectively disposed opposite a weak or zero adhesion region with said seal the face facing the associated filter member and a strong adhesion region with said seal of the face facing the associated filter member;
  • the region of strong adhesion with said seal of the first face of the brick is disposed opposite a weak or zero adhesion region with said seal of a second face of the same brick;
  • each of the zones of weak or no adhesion with said joint is covered with a non-stick coating, at least before commissioning of the structure;
  • the first and second filter members each comprise an intake face and an evacuation face connected respectively by said first and second faces, at least one weak or zero adhesion-free downstream region with said seal of the first face; extending to the common edge between the discharge face and said first face;
  • downstream region has a length, taken parallel to a longitudinal direction of the first filter member, less than one fifth of the length of said first filter member, taken in said longitudinal direction; - said downstream region has a length, taken parallel to a longitudinal direction of the first filter member, less than half of at least one other region of the same face;
  • the first filtering member further comprises a lateral face adjacent to the first face, the lateral face having a strong lateral region of adhesion with said seal extending to the common exit edge of said lateral face and face evacuation;
  • the downstream region of low or no adhesion with the seal has, on the side of the joint, surface irregularities, including bosses and / or grooves.
  • the term "prismatic brick” designates an assembly comprising an entrance face, an exit face and at least three lateral faces which connect the entry face to the exit face.
  • FIG. 1 is a perspective view of a first filter structure according to the invention
  • Figure 2 is a partial sectional view taken along the line II-II of the filtration structure of Figure 1;
  • Figure 3 is a partial exploded perspective view of the filtration structure of Figure 1;
  • - Figure 4 is a view similar to Figure 2 after several cycles of regeneration of the filter structure
  • - Figure 5 is a view similar to Figure 3 of a variant of the first filter structure according to the invention
  • FIG. 6 is a view similar to Figure 2 of a second filter structure according to the invention
  • - Figure 7 is a view similar to Figure 4, on a larger scale, of a third filter structure according to the invention
  • FIG. 8 is a view similar to Figure 3 of a fourth filter structure according to the invention.
  • Figure 9 is a view similar to Figure 2, on a larger scale, of a fifth filtration structure according to the invention.
  • the particulate filter 11 shown in Figure 1 is disposed in a line 13 of the exhaust gas of a motor vehicle diesel engine, shown partially.
  • This exhaust line 13 extends beyond the ends of the particulate filter 11 and defines an exhaust flow passage.
  • the particulate filter 11 extends along a longitudinal X-X 'direction of circulation of the exhaust gas. It comprises a plurality of filtration blocks 15 interconnected by connecting joints 17. Each filter unit 15 is of substantially rectangular parallelepipedal shape elongate in the longitudinal direction X-X '.
  • each filtration unit 15A, 15B comprises a porous filtration structure 19, an inlet face 21 for the exhaust gases to be filtered, a face 23 for exhausting the filtered exhaust gases, and at least four lateral faces 24.
  • the porous filtration structure 19 is made of a filtration material consisting of a monolithic structure, in particular ceramic (cordierite or silicon carbide).
  • This structure 19 has a sufficient porosity to allow the passage of the exhaust gas. However, as known per se, the diameter of the pores is chosen small enough to ensure retention of the soot particles.
  • the porous structure 19 comprises a set of adjacent ducts having an axis parallel to the longitudinal direction X-X '. These conduits are separated by porous filtration walls. In the example illustrated in FIG. 1, these walls 25 are of constant thickness and extend longitudinally in the filtration structure 19, from the intake face 21 to the discharge face 23.
  • the ducts are divided into a first group of inlet ducts 27 and a second group of outlet ducts 29.
  • the inlet ducts 27 and the outlet ducts 29 are arranged head to tail.
  • the inlet ducts 27 are closed at the discharge face 23 of the filtration unit 15A, 15B and are open at their other end.
  • outlet ducts 29 are closed at the inlet face 21 of the filtration unit 15A, 15B and open out along its evacuation face 23.
  • inlet and outlet ducts 29 and 29 have constant sections along their entire length.
  • the side faces 24 of the filter block located opposite another filtration unit are planar.
  • the lateral faces 31 situated opposite the exhaust line 13 are of a shape adapted to ensure contact with the cylindrical inner wall of this line 13.
  • each of the flat faces 24 situated facing another filtration unit comprises at least one zone 33 firmly attached to the gasket 17, and at least one zone 35, which during manufacture of the structure 19, is covered with a non-stick coating.
  • This coating is for example based on paper, polytetrafluoroethylene, or boron nitride.
  • the zone 33 constitutes a region of strong adhesion with the seal 17, while the zone 35 constitutes a weak or zero adhesion region with the seal 17.
  • the adhesion between the connecting joint 17 and the flat faces 24 of the filtration units 15 in the areas 33 of strong adhesion is at least 10 times greater than that of areas of low or no adhesion, this adhesion being between 0 and 50 MPa.
  • the arrangement of the zones 33 and the zones 35 on the flat faces 24 of the filtration units 15 is illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the first planar face 24A of the first filtration unit 15A comprises successively, in the longitudinal direction X-X ', a first zone 33A of strong adhesion with the seal 17, a zone 35A of low or no adhesion with the seal 17 and a second zone 33C of strong adhesion with the seal 17
  • the second filtration unit 15B comprises a second face 24B, facing the first face 24A.
  • This second face 24B comprises successively in the direction X-X ', a first zone 35B with little or no adhesion opposite the first zone 33A of strong adhesion of the first face 24A, a zone 33B of strong adhesion, in view of the zone 35B low or no adhesion of the first face 24A, and a second zone 35C low or no adhesion facing the second zone 33C strong adhesion of the first face 24A.
  • the connecting joint 17 is disposed between the flat faces 24 of the filtration blocks 15.
  • This connecting joint 17 is made of ceramic cement, generally consisting of silica and / or silicon carbide and / or aluminum nitride . After sintering, this cement has a modulus of elasticity of about 5000 MPa. This cement secures the filtration blocks together.
  • a first filtration stage is constituted by two-by-two assembly along vertical surfaces of filter blocks 15 by means of the connecting joint 17.
  • a second filtration stage is then produced according to the same process.
  • connection joint is made of a very rigid cement
  • protections for example cardboard covers
  • the particulate-laden exhaust gases are guided to the inlet faces 21 of the filtration units 15 via the exhaust line 13. As indicated by arrows on the 2, they then enter the inlet ducts 27 and pass through the walls 25 of the porous structure 19. During this passage, the soot is deposited on the walls 25 of the inlet ducts 27. preferentially deposited in the center of the particulate filter 11 and towards the evacuation face 23 filtration blocks 15 (right in the drawing).
  • the filtered exhaust gas escapes through the exhaust ducts 29 and is guided towards the outlet of the exhaust pipe.
  • the pressure drop across the filter 11 increases significantly. A regeneration phase is then performed.
  • soot is oxidized by raising the temperature of the filter 11. This oxidation is exothermic.
  • the inhomogeneous distribution of soot in filter 11 causes a temperature gradient between areas of high soot accumulation and areas of low soot accumulation.
  • the filtration blocks and the joints expand under the effect of temperature.
  • the local amplitude of this expansion depends on the temperature.
  • the areas of low or no adhesion and those of strong adhesion are arranged in such a way that, if the thermomechanical stresses are too strong for the structure, the cracking is done in privileged zones 41.
  • the propagation of the cracks 41 in the joints 17 is guided along the areas of little or no adhesion of the seal 17 on the plane faces 24 of the filtration blocks 15.
  • the cracks 41 between the first filtration unit 15A and the second filtration unit 15B are located along the first zone 35B with little or no adhesion of the second face 24B, then between the right end of this zone 35B and the left end of the zone 35A with little or no adhesion of the first face and following the latter zone 35A with little or no adhesion.
  • a first portion 43A of seal 17 remains integral with the first filter unit 15A following the first zone 33A of strong adhesion of the first face 24A.
  • a second portion 43B of seal 17 of complementary shape to the first portion 43A remains integral with the second filtration unit 15B following the strong adhesion zone 33B of the second face 24B.
  • first and second portions 43A and 43B of joint 17 prevents the relative longitudinal movement of the first filter unit 15A with respect to the second filter unit 15B towards the discharge faces 23 of the filtration units 15A and 15B. Furthermore, the propagation of cracks 41 is guided between the right end of zone 35A with little or no adhesion from first face 24A to the left end of second zone 35C with little or no adhesion to the second face 24B and following this second zone 35C.
  • the first filter unit 15A remains integral with a third portion 43C of seal 17 opposite the second zone 33C of strong adhesion of the first face 24A.
  • This third portion 43C is of complementary shape to the second portion 43B of seal 17.
  • This third portion 43C cooperates with the second portion 43B to prevent relative movement of the first block 15A relative to the second block 15B in the longitudinal direction XX 'to the inlet faces 21 of the filter blocks 15A and 15B.
  • relaxation of thermomechanical stresses is ensured, depending on their intensity, by the structure itself (in the event of presence of zones of zero adhesion), and by the formation of cracks 41 whose propagation is controlled .
  • areas 33 of strong adhesion with the seal 17 and areas of low or no adhesion with the seal 17, on each of the flat faces 24 of the filtration units 15, are successively alternately arranged on the one hand, directions parallel to the longitudinal direction XX 'and on the other hand, directions parallel to the transverse directions Y-Y' and ZZ 'perpendicular at the longitudinal direction X-X '.
  • the zones 33 and the zones 35 thus form a checkerboard structure on each face 24 of each block 15.
  • the areas 33 of strong adhesion with the seal 17 and the areas 35 of low or no adhesion with the seal 17 of a face 24 of a block 15 are situated respectively opposite areas of low adhesion or zero with the seal 17 and zones 33 of strong adhesion with the seal 17 of a face 24 of another block 15.
  • 15C comprises successively in the direction X-X ', on a first face 24D, a single zone 33D of strong adhesion with the seal 17 and a single zone 35D of weak adhesion with the seal 17. It furthermore comprises on a second face 24E opposite the first face 24D, a second zone 35E with little or no adhesion opposite the first zone 33D of strong adhesion with the seal 17, and a second zone 33E of strong adhesion with the seal 17 opposite the first zone 35D low or no adhesion with the seal 17.
  • Filtration 15D and 15E situated opposite the first and second faces 24D and 24E comprise zones of strong adhesion and areas of weak adhesion facing, respectively, areas of low adhesion 35D, 35E and areas of strong adhesion. 33D, 33E of the first and second faces 24D and 24E of the central filter block 15C.
  • a portion of a zone of strong adhesion of a face of a block may be arranged facing a portion of a strong bond zone of a facing block.
  • a part of a zone of weak or zero adhesion of a face of a block may be arranged facing a part of a zone of weak or no adhesion of a facing block.
  • the first face 24A comprises successively, from upstream to downstream, parallel to the longitudinal direction X-X ', a fourth zone 33E of strong adhesion with the joint 17, a fifth zone 35F of low or no adhesion with the seal 17, a sixth zone 33G of strong adhesion with the seal 17 and a seventh zone 35H of weak or no adhesion with the seal 17.
  • Each zone 33 of strong adhesion with the seal 17 of the first face 24A is disposed facing a zone 35 of low or no adhesion with the seal 17 of the second face 24B.
  • each area 35 of low or no adhesion with the seal 17 of the first face 24A is disposed opposite a zone 33 of strong adhesion with the seal 17 of the second face 24B.
  • the seventh zone 35H with little or no adhesion to the seal 17 is delimited downstream by the common edge 71 between the first face 24A and the outlet face 23 of the first filtration unit 15A.
  • each of the sixth zone 33G and the seventh zone 35H taken along the longitudinal direction XX ' is less than one fifth of the length of the first filtering unit 15A, taken along the longitudinal direction X-X', and at half the length of each of the third and fourth zones 33E and 35F, also taken in the longitudinal direction X-X '.
  • this arrangement makes it possible to retain any downstream portion 115A of the first filtration unit 15A delimited by a transverse cracking plane P, situated between the inlet face 21 and a transverse plane P 'passing through the downstream edge 73 of the sixth zone 33G.
  • any downstream portion of the second filter block 15B delimited by a transverse cracking plane located between the face of the input 21 and a plane P "passing through the downstream edge 75 of the fifth zone 35F, is retained.
  • each block 15 has at least a first face 24K which presents successively, from upstream to downstream, a first zone 35K with little or no adhesion to the joint 17, a zone 33K strong adhesion with the seal 17 and a second zone 35L of low or no adhesion with the seal 17, delimited downstream by the edge 71 K common between the first face 24K and the exit face 23.
  • each block 15 furthermore has a lateral face 24M, adjacent to the first face 24K, which presents successively, from upstream to downstream, a first zone 33M of strong adhesion with the joint 17, a zone 35M of low or no adhesion with the seal 17 and a second zone 33 N of strong adhesion with the seal 17, adjacent to the output edge 71 M, common to the side face 24M and the outlet face 23.
  • each zone 33 of strong adhesion with the seal 17 of the first face 24K is adjacent to a zone 35 of low or no adhesion with the seal 17 of the adjacent face 24M.
  • the areas of low or zero adhesion of each block also have, on the side of the joint 17, surface irregularities 81, such as grooves and / or bores, as described in the French application No. 03 08588 of the Applicant.
  • these surface irregularities 81 extend parallel to a direction inclined or transverse to the longitudinal direction X-X 'of the block 15. These irregularities 81 cause an increase in the roughness of the areas of low or zero adhesion.
  • the increased roughness in the zone 35C with little or no adhesion with the seal 17, adjacent to the common edge 71 of the first block 15A makes it possible to retain a downstream portion 115A of the first filtration unit which could detach in case of cracking following a transverse plane within the first block 15A.

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Abstract

Cette structure comprend au moins des premier et second organes de filtration (15A, 15B) munis respectivement d'une première et d'une seconde faces (24A, 24B) disposées en regard l'une de l'autre, et un joint (17) de liaison desdites faces, s'étendant entre lesdites faces (24A, 24B). La première face (24A) comprend au moins une région (33A) d'adhérence forte avec ledit joint (17) et au moins une région (35A) d'adhérence faible ou nulle avec ce joint (17). Ces régions (33A, 35A) sont disposées respectivement en regard d'une région (35B) d'adhérence faible ou nulle de la seconde face (24B) avec ledit joint (17) et d'une région (33B) d'adhérence forte de la seconde face (24B) avec ledit joint (17). Application aux filtres à particules pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne.

Description

I
STRUCTURE DE FILTRATION POUR LES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne une structure de filtration, notamment un filtre à particules pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comprenant :
- au moins des premier et second organes de filtration munis respectivement d'une première et d'une seconde faces disposées en regard l'une de l'autre ; et
- un joint de liaison desdites faces, s'étendant entre lesdites faces. De telles structures sont utilisées notamment dans les dispositifs de dépollution des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne. Ces dispositifs comportent un pot d'échappement comprenant en série un organe de purification catalytique et un filtre à particules. L'organe de purification catalytique est adapté pour le traitement des émissions polluantes en phase gazeuse, alors que le filtre à particules est adapté pour retenir les particules de suie émises par le moteur.
Dans des structures connues du type précité (voir par exemple EP-A- 1 142 619), les organes de filtration comprennent un ensemble de conduits adjacents d'axes parallèles, séparés par des parois poreuses de filtration. Ces conduits s'étendent entre une face d'admission des gaz d'échappement à filtrer et une face d'évacuation des gaz d'échappement filtrés. Ces conduits sont par ailleurs obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s'ouvrant sur la face d'admission et des chambres de sortie s'ouvrant suivant la face d'évacuation. Ces structures fonctionnent suivant une succession de phases de filtration et de régénération. Lors des phases de filtration, les particules de suie émises par le moteur se déposent sur les parois des chambres d'entrée. La perte de charge à travers le filtre augmente progressivement. Au delà d'une valeur prédéterminée de cette perte de charge, une phase de régénération est effectuée.
Lors de la phase de régénération, les particules de suie, composées essentiellement de carbone, sont brûlées sur les parois des chambres d'entrée afin de restituer à la structure ses propriétés originelles. Cependant, les particules de suie ne s'accumulent pas de manière homogène dans les organes de filtration. Ainsi, les suies s'accumulent préfé- rentiellement au centre de la structure de filtration et vers la face d'évacuation des gaz d'échappement. Lors des phases de régénération, la combustion des suies provoque une élévation de température dans les zones d'accumulation préférentielles, supérieure à l'élévation de température observée dans les autres zones de la structure.
Les gradients de température au sein de la structure de filtration génèrent des dilatations locales d'amplitudes différentes, et par suite, des contraintes longitudinales et transversales dans et/ou entre les différents organes de filtration.
Ces fortes contraintes thermomécaniques sont à l'origine de fissures dans les organes de filtration et/ou dans les joints de liaison entre ces organes de filtration. Pour limiter le risque d'apparition de ces fissures, la demande de brevet EP-A-1 142 619 propose d'utiliser des joints de liaison dont l'épaisseur est choisie dans la plage de 0,3 à 3 mm et dont la conductivite thermique est comprise entre 0,1 et 10 W/m.K.
Les structures actuelles ne donnent pas entière satisfaction. En effet, au-delà d'un certain nombre de phases de régénération, des fissures peuvent apparaître dans le joint de liaison. Ces fissures s'accompagnent d'une perte totale de cohésion de la structure de filtration. Cette perte de cohésion conduit à des fuites et la structure doit être remplacée.
L'invention a pour but principal de remédier à cet inconvénient, c'est- à-dire de fournir une structure de filtration poreuse pour filtre à particules permettant une utilisation prolongée du filtre.
A cet effet, l'invention a pour objet une structure de filtration du type précité, caractérisée en ce que la première face comprend au moins une première zone d'adhérence forte avec ledit joint et au moins une zone d'adhérence faible ou nulle avec ce joint, lesdites zones comportant respectivement une première région d'adhérence forte avec ledit joint et une région d'adhérence faible ou nulle avec ce joint, lesdites régions étant disposées respectivement en regard d'une première région d'adhérence faible ou nulle de la seconde face avec ledit joint, et d'une région d'adhérence forte de la seconde face avec ledit joint.
La structure de filtration selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles :
- la première face comprend en outre une seconde zone d'adhérence forte avec ledit joint comportant une seconde région d'adhérence forte avec ledit joint disposée en regard d'une seconde région d'adhérence faible ou nulle de la seconde face avec ledit joint ; - dans au moins une section de la structure de filtration, la région d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint de la première face est disposée entre les première et seconde régions d'adhérence forte avec ledit joint de cette première face ;
- ladite section est une section longitudinale ; - ladite section est une section transversale ;
- un organe de filtration est une brique prismatique dont chacune des faces latérales est en regard d'une face latérale d'un organe de filtration associé, un joint de liaison desdites faces s'étendant entre lesdites faces ; et chacune des faces latérales de la brique comprend au moins une zone d'adhérence forte de cette face de la brique avec ledit joint et au moins une zone d'adhérence faible ou nulle de cette face avec ledit joint, lesdites zones comportant respectivement une région d'adhérence forte de cette face de la brique avec ledit joint et une région d'adhérence faible ou nulle de cette face avec ledit joint, les dites régions étant disposées respectivement en regard d'une région d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint de la face en regard de l'organe de filtration associé et d'une région d'adhérence forte avec ledit joint de la face en regard de l'organe de filtration associé ;
- la région d'adhérence forte avec ledit joint de la première face de la brique est disposée à l'opposé d'une région d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint d'une seconde face de la même brique ;
- chacune des zones d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint est couverte d'un revêtement antiadhésif, au moins avant la mise en service de la structure ; - les premier et second organes de filtration comprennent chacun une face d'admission et une face d'évacuation reliées respectivement par lesdites première et seconde faces, au moins une région aval d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint de la première face s'étendant jusqu'à l'arête com- mune entre la face d'évacuation et ladite première face ;
- ladite région aval présente une longueur, prise parallèlement à une direction longitudinale du premier organe de filtration, inférieure au cinquième de la longueur dudit premier organe de filtration, prise suivant ladite direction longitudinale ; - ladite région aval présente une longueur, prise parallèlement à une direction longitudinale du premier organe de filtration, inférieure à la moitié d'au moins une autre région de la même face ;
- le premier organe de filtration comprend en outre une face latérale adjacente à la première face, la face latérale présentant une région latérale d'adhérence forte avec ledit joint s'étendant jusqu'à l'arête de sortie commune auxdites face latérale et face d'évacuation ; et
- la région aval d'adhérence faible ou nulle avec le joint présente, du côté du joint, des irrégularités de surface, notamment des bossages ou/et des rainures. Le terme « brique prismatique » désigne un ensemble comportant une face d'entrée, une face de sortie et au moins trois faces latérales qui relient la face d'entrée à la face de sortie
Des exemples de mise en œuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en perspective d'une première structure de filtration selon l'invention ;
- la Figure 2 est une vue partielle en coupe suivant la ligne ll-ll de la structure de filtration de la Figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue partielle en perspective éclatée de la struc- ture de filtration de la Figure 1 ;
- la Figure 4 est une vue analogue à la Figure 2, après plusieurs cycles de régénération de la structure de filtration ; - la Figure 5 est une vue analogue à la Figure 3 d'une variante de la première structure de filtration selon l'invention ;
- la Figure 6 est une vue analogue à la Figure 2 d'une seconde structure de filtration selon l'invention ; - la Figure 7 est une vue analogue à la Figure 4, à plus grande échelle, d'une troisième structure de filtration selon l'invention ;
- la Figure 8 est une vue analogue à la Figure 3 d'une quatrième structure de filtration selon l'invention ; et
- la Figure 9 est une vue analogue à la Figure 2, à plus grande échelle, d'une cinquième structure de filtration selon l'invention.
Le filtre à particules 11 représenté sur la Figure 1 est disposé dans une ligne 13 d'échappement des gaz d'un moteur diesel de véhicule automobile, représentée partiellement.
Cette ligne d'échappement 13 se prolonge au-delà des extrémités du filtre à particules 11 et délimite un passage de circulation des gaz d'échappement.
Le filtre à particules 11 s'étend suivant une direction X-X' longitudinale de circulation des gaz d'échappement. Il comprend une pluralité de blocs 15 de filtration reliés entre eux par des joints de liaison 17. Chaque bloc de filtration 15 est de forme sensiblement parallélépipé- dique rectangle allongé suivant la direction longitudinale X-X'.
Comme illustré sur la Figure 2, chaque bloc de filtration 15A, 15B comporte une structure de filtration 19 poreuse, une face 21 d'admission des gaz d'échappement à filtrer, une face 23 d'évacuation des gaz d'échappement filtrés, et au moins quatre faces latérales 24.
La structure de filtration poreuse 19 est réalisée en un matériau de filtration constitué d'une structure monolithique, notamment en céramique (cordiérite ou carbure de silicium).
Cette structure 19 possède une porosité suffisante pour permettre le passage des gaz d'échappement. Cependant, comme connu en soi, le diamètre des pores est choisi suffisamment petit pour assurer une retenue des particules de suie. La structure poreuse 19 comporte un ensemble de conduits adjacents d'axe parallèle à la direction longitudinale X-X'. Ces conduits sont séparés par des parois 25 poreuses de filtration. Dans l'exemple illustré sur la Figure 1 , ces parois 25 sont d'épaisseur constante et s'étendent longitudinalement dans la structure de filtration 19, de la face d'admission 21 à la face d'évacuation 23.
Les conduits sont répartis en un premier groupe de conduits d'entrée 27 et un second groupe de conduits de sortie 29. Les conduits d'entrée 27 et les conduits de sortie 29 sont disposés tête-bêche. Les conduits d'entrée 27 sont obturés au niveau de la face d'évacuation 23 du bloc de filtration 15A, 15B et sont ouverts à leur autre extrémité.
Au contraire, les conduits de sortie 29 sont obturés au niveau de la face d'admission 21 du bloc de filtration 15A, 15B et débouchent suivant sa face d'évacuation 23.
Dans l'exemple illustré Figure 1 , les conduits d'entrée 27 et de sortie 29 ont des sections constantes suivant toute leur longueur.
Comme représenté sur la Figure 1 , les faces latérales 24 du bloc de filtration situées en regard d'un autre bloc de filtration sont planes. Les faces latérales 31 situées en regard de la ligne d'échappement 13 sont de forme adaptée pour assurer le contact avec la paroi intérieure cylindrique de cette ligne 13.
Comme illustré sur les Figures 2 et 3, chacune des faces planes 24 situées en regard d'un autre bloc de filtration comprend au moins une zone 33 fermement solidaire du joint 17, et au moins une zone 35, qui lors de la fabrication de la structure 19, est couverte d'un revêtement antiadhésif. Ce revêtement est par exemple à base de papier, de polytétrafluoroéthylène, ou de nitrure de bore.
Ainsi, la zone 33 constitue une région d'adhérence forte avec le joint 17, tandis que la zone 35 constitue une région d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17.
L'adhérence entre le joint de liaison 17 et les faces planes 24 des blocs de filtration 15 dans les zones 33 d'adhérence forte est au moins 10 fois supérieure à celle des zones 35 d'adhérence faible ou nulle, cette adhérence étant comprise entre 0 et 50 MPa.
Par exemple, la disposition des zones 33 et des zones 35 sur les faces planes 24 des blocs de filtration 15 est illustrée sur les Figures 2 et 3. Comme représenté sur la Figure 2, la première face plane 24A du premier bloc de filtration 15A comprend successivement, suivant la direction longitudinale X-X', une première zone 33A d'adhérence forte avec le joint 17, une zone 35A d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 et une seconde zone 33C d'adhérence forte avec le joint 17. Le second bloc de filtration 15B comprend une seconde face 24B, en regard de la première face 24A.
Cette seconde face 24B comporte successivement suivant la direction X-X', une première zone 35B d'adhérence faible ou nulle en regard de la première zone 33A d'adhérence forte de la première face 24A, une zone 33B d'adhérence forte, en regard de la zone 35B d'adhérence faible ou nulle de la première face 24A, et une seconde zone 35C d'adhérence faible ou nulle en regard de la seconde zone 33C d'adhérence forte de la première face 24A.
Dans l'exemple illustré sur la Figure 3, cette disposition relative des zones 33 d'adhérence forte et des zones 35 d'adhérence faible ou nulle est commune à toutes les faces planes 24 d'un même bloc de filtration 15.
Le joint de liaison 17 est disposé entre les faces planes 24 des blocs de filtration 15. Ce joint de liaison 17 est réalisé à base de ciment céramique, généralement constitué de silice et/ou de carbure de silicium et/ou de nitrure d'aluminium. Après frittage, ce ciment a un module d'élasticité d'environ 5000 MPa. Ce ciment solidarise les blocs de filtration entre eux.
Pour le montage de la structure 19, un premier étage de filtration est constitué par assemblage deux à deux suivant des surfaces verticales de blocs de filtration 15 à l'aide du joint de liaison 17. On réalise ensuite un deuxième étage de filtration suivant le même procédé.
Dans le cas où le joint de liaison est constitué d'un ciment très rigide, et quel que soit l'agencement des zones 33 et 35 sur les diverses faces des blocs 15, avant l'assemblage des premier et second étages de filtration entre eux suivant des surfaces horizontales, des protections (par exemple caches en carton) sont disposées entre les surfaces horizontales des briques pour couvrir les arêtes adjacentes à des zones d'adhérence faible ou nulle des surfaces verticales. Ainsi, la formation par le joint de liaison de ponts horizontaux d'adhérence forte entre les zones d'adhérence faible ou nulle des surfaces verticales est évitée.
Le fonctionnement de la première structure de filtration selon l'invention va maintenant être décrit. Lors d'une phase de filtration (Figure 1), les gaz d'échappement chargés de particules sont guidés jusqu'aux faces d'entrée 21 des blocs de filtration 15 par la ligne d'échappement 13. Comme indiqué par des flèches sur la Figure 2, ils pénètrent ensuite dans les conduits d'entrée 27, et passent à travers les parois 25 de la structure poreuse 19. Lors de ce passage, les suies se déposent sur les parois 25 des conduits d'entrée 27. Ces suies se déposent préférentiellement au centre du filtre à particules 11 et vers la face d'évacuation 23 des blocs de filtration 15 (à droite sur le dessin).
Les gaz d'échappement filtrés s'échappent par les conduits d'évacuation 29 et sont guidés vers la sortie du pot d'échappement. Lorsque le véhicule a parcouru 500 km environ, la perte de charge à travers le filtre 11 augmente de manière significative. Une phase de régénération est alors effectuée.
Dans cette phase, les suies sont oxydées par élévation de la température du filtre 11. Cette oxydation est exothermique. La répartition inhomo- gène des suies dans le filtre 11 provoque un gradient de température entre les zones de forte accumulation des suies et des zones de faible accumulation des suies.
Par ailleurs, les blocs de filtration et les joints se dilatent sous l'effet de la température. L'amplitude locale de cette dilatation dépend de la tempé- rature.
Ces variations d'amplitude de dilatation, sous l'effet des gradients de température, génèrent de fortes contraintes thermomécaniques. La Demanderesse pense que le système suivant la présente invention peut, grâce à la présence de zones d'adhérence faible ou nulle, relâcher les contraintes sans création de fissures dans un organe de filtration ou dans le joint de liaison.
Par ailleurs, les zones d'adhérence faible ou nulle et celles d'adhérence forte sont agencées de telle sorte que, si les contraintes ther- momécaniques sont trop fortes pour la structure, la fissuration se fait dans des zones privilégiées 41.
Ainsi, comme illustré sur la Figure 4, la propagation des fissures 41 dans les joints 17 est guidée le long des zones 35 d'adhérence faible ou nulle du joint 17 sur les faces planes 24 des blocs de filtration 15. Ainsi, les fissures 41 entre le premier bloc de filtration 15A et le second bloc de filtration 15B sont localisées suivant la première zone 35B d'adhérence faible ou nulle de la seconde face 24B, puis entre l'extrémité droite de cette zone 35B et l'extrémité gauche de la zone 35A d'adhérence faible ou nulle de la première face et suivant cette dernière zone 35A d'adhérence faible ou nulle. Même si le joint 17 est totalement fissuré dans ces zones 35A et 35B, une première portion 43A de joint 17 reste solidaire du premier bloc de filtration 15A suivant la première zone 33A d'adhérence forte de la première face 24A. Une deuxième portion 43B de joint 17 de forme complémentaire à la première portion 43A reste solidaire du second bloc de filtration 15B suivant la zone d'adhérence forte 33B de la deuxième face 24B.
La coopération entre ces première et deuxième portions 43A et 43B de joint 17 empêche le mouvement longitudinal relatif du premier bloc de filtration 15A par rapport au second bloc de filtration 15B vers les faces d'évacuation 23 des blocs de filtration 15A et 15B. Par ailleurs, la propagation des fissures 41 est guidée entre l'extrémité droite de la zone 35A d'adhérence faible ou nulle de la première face 24A jusqu'à l'extrémité gauche de la seconde zone 35C d'adhérence faible ou nulle de la seconde face 24B et suivant cette seconde zone 35C.
Même si le joint est totalement fissuré dans ces zones 35B et 35C, le premier bloc de filtration 15A reste solidaire d'une troisième portion 43C de joint 17 en regard de la seconde zone 33C d'adhérence forte de la première face 24A. Cette troisième portion 43C est de forme complémentaire à la deuxième portion 43B de joint 17. Cette troisième portion 43C coopère avec la deuxième portion 43B pour empêcher le déplacement relatif du premier bloc 15A par rapport au second bloc 15B suivant la direction longitudinale X-X' vers les faces d'admission 21 des blocs de filtration 15A et 15B. Dans ce filtre à particules, le relâchement des contraintes thermomécaniques est donc assuré, selon leur intensité, par la structure elle-même (en cas de présence de zones d'adhérence nulle), et par la formation de fissures 41 dont la propagation est maîtrisée.
Par ailleurs, la propagation de ces fissures 41 dans les joints 17 est guidée pour empêcher le déplacement relatif des blocs de filtration 15 les uns par rapport aux autres et préserver ainsi l'étanchéité du filtre à particules 11 par rapport aux suies.
Dans la variante illustrée sur la Figure 5, à la différence de la structure illustrée sur la Figure 3, des zones 33 d'adhérence forte avec le joint 17 et des zones 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17, sur chacune des faces planes 24 des blocs de filtration 15, sont disposées successivement en alternance suivant d'une part, des directions parallèles à la direction longitudinale X-X' et suivant d'autre part, des directions parallèles aux directions transversales Y- Y' et Z-Z' perpendiculaires à la direction longitudinale X-X'. Les zones 33 et les zones 35 forment ainsi une structure en damier sur chaque face 24 de chaque bloc 15.
Par ailleurs, les zones 33 d'adhérence forte avec le joint 17 et les zones 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 d'une face 24 d'un bloc 15 sont situées respectivement en regard de zones 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 et de zones 33 d'adhérence forte avec le joint 17 d'une face 24 d'un autre bloc 15.
Dans cette structure, le déplacement relatif des blocs d'une part, suivant la direction longitudinale X-X' et d'autre part, suivant les directions transversales Y-Y' et Z-Z' est ainsi évité. Dans la variante illustrée sur la Figure 6, le bloc de filtration central
15C comprend successivement suivant la direction X-X', sur une première face 24D, une seule zone 33D d'adhérence forte avec le joint 17 et une seule zone 35D d'adhérence faible avec le joint 17. Il comprend par ailleurs, sur une seconde face 24E opposée à la première face 24D, une seconde zone 35E d'adhérence faible ou nulle à l'opposé de la première zone 33D d'adhérence forte avec le joint 17, et une seconde zone 33E d'adhérence forte avec le joint 17 à l'opposé de la première zone 35D d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17. Les blocs de. filtration 15D et 15E situés en regard des première et seconde faces 24D et 24E comprennent des zones d'adhérence forte et des zones d'adhérence faible en regard, respectivement, des zones d'adhérence faible 35D, 35E et des zones d'adhérence forte 33D, 33E des première et seconde faces 24D et 24E du bloc de filtra- tion central 15C.
Dans cet exemple, si le joint 17 se fissure, le déplacement longitudinal relatif du bloc de filtration central 15C vers les faces d'évacuation 23 est empêché par la disposition relative des zones d'adhérence forte et des zones d'adhérence faible sur sa première face 24E. De même, le déplacement longitudinal relatif de ce bloc 15C vers les faces d'admission 21 est empêché par la répartition des zones d'adhérence forte et des zones d'adhérence faible ou nulle sur sa seconde face 24E.
En variante, une partie d'une zone d'adhérence forte d'une face d'un bloc peut être disposée en regard d'une partie d'une zone d'adhérence forte d'un bloc en regard. De même, une partie d'une zone d'adhérence faible ou nulle d'une face d'un bloc peut être disposée en regard d'une partie d'une zone d'adhérence faible ou nulle d'un bloc en regard.
Grâce à l'invention qui vient d'être décrite, il est possible de disposer d'une structure de filtration qui peut endurer une multitude de phases de ré- génération tout en préservant sa cohésion mécanique et son étanchéité par rapport aux suies.
Dans la variante représentée sur la Figure 7, la première face 24A comprend successivement, de l'amont vers l'aval, parallèlement à la direction longitudinale X-X', une quatrième zone 33E d'adhérence forte avec le joint 17, une cinquième zone 35F d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17, une sixième zone 33G d'adhérence forte avec le joint 17 et une septième zone 35H d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17. Chaque zone 33 d'adhérence forte avec le joint 17 de la première face 24A est disposée en regard d'une zone 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 de la deuxième face 24B. Par ailleurs, chaque zone 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 de la première face 24A est disposée en regard d'une zone 33 d'adhérence forte avec le joint 17 de la deuxième face 24B. Comme illustré sur la Figure 7, la septième zone 35H d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 est délimitée en aval par l'arête 71 commune entre la première face 24A et la face de sortie 23 du premier bloc de filtration 15A.
Par ailleurs, la longueur de chacune des sixième zone 33G et sep- tième zone 35H, prise suivant la direction longitudinale X-X' est inférieure au cinquième de la longueur du premier bloc de filtration 15A, prise suivant la direction longitudinale X-X', et à la moitié de la longueur de chacune des troisième et quatrième zones 33E et 35F, prise également suivant la direction longitudinale X-X'. En cas de fissuration dans le joint 17 et au sein du premier bloc 15A, cette disposition permet de retenir toute partie aval 115A du premier bloc de filtration 15A, délimitée par un plan P de fissuration transversal, situé entre la face d'entrée 21 et un plan P' transversal passant par le bord aval 73 de la sixième zone 33G. Cette rétention est assurée par la coopération entre une butée 135H, formée solidaire du deuxième bloc 15B dans le joint 17, en regard de la septième zone 35H, et une butée 133G, formée solidaire de la partie aval 115A dans le joint 17, en regard de la sixième zone 33G.
Par ailleurs, dans le cas (non représenté) où le premier bloc 15A reste intact et où la fissuration apparaît dans le deuxième bloc 15B, toute partie aval du deuxième bloc de filtration 15B, délimitée par un plan de fissuration transversal situé entre la face d'entrée 21 et un plan P" passant par le bord aval 75 de la cinquième zone 35F, est retenue.
Dans la variante illustrée sur la Figure 8, chaque bloc 15 possède au moins une première face 24K qui présente successivement, de l'amont vers l'aval, une première zone 35K d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17, une zone 33K d'adhérence forte avec le joint 17 et une deuxième zone 35L d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17, délimitée en aval par l'arête 71 K commune entre la première face 24K et la face de sortie 23.
Par ailleurs chaque bloc 15 présente en outre une face latérale 24M, adjacente à la première face 24K, qui présente successivement, de l'amont vers l'aval, une première zone 33M d'adhérence forte avec le joint 17, une zone 35M d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 et une deuxième zone 33 N d'adhérence forte avec le joint 17, adjacente à l'arête de sortie 71 M, commune à la face latérale 24M et à la face de sortie 23.
Dans cette structure en « damier », chaque zone 33 d'adhérence forte avec le joint 17 de la première face 24K est adjacente à une zone 35 d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17 de la face adjacente 24M.
Dans la variante illustrée sur la Figure 9, les zones 35 d'adhérence faible ou nulle de chaque bloc présentent en outre, du côté du joint 17, des irrégularités de surface 81 , comme par exemple des rainures ou/et des bos- sages, comme décrit dans la demande française n° 03 08588 de la Demanderesse.
De préférence, ces irrégularités de surface 81 s'étendent parallèlement à une direction inclinée ou transversale par rapport à la direction longitudinale X-X' du bloc 15. Ces irrégularités 81 provoquent une augmentation de la rugosité des zones 35 d'adhérence faible ou nulle. Ainsi, la rugosité accrue dans la zone 35C d'adhérence faible ou nulle avec le joint 17, adjacente à l'arête commune 71 du premier bloc 15A, permet de retenir une partie aval 115A du premier bloc de filtration qui pourrait se détacher en cas de fissuration sui- vant un plan transversal au sein du premier bloc 15A.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de filtration, notamment filtre à particules pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comprenant :
- au moins des premier et second organes de filtration (15A, 15B) munis respectivement d'une première et d'une seconde face (24A, 24B) disposées en regard l'une de l'autre ; et
- un joint (17) de liaison desdites faces, s'étendant entre lesdites faces (24A, 24 B) ; caractérisée en ce que la première face (24A) comprend au moins une première zone (33A) d'adhérence forte avec ledit joint (17) et au moins une zone (35A) d'adhérence faible ou nulle avec ce joint (17), lesdites zones (33A, 35A) comportant respectivement une première région d'adhérence forte avec ledit joint (17) et une région d'adhérence faible ou nulle avec ce joint (17), lesdites régions étant disposées respectivement en regard d'une première région (35B) d'adhérence faible ou nulle de la seconde face (24B) avec ledit joint (17), et d'une région (33B) d'adhérence forte de la seconde face (24B) avec ledit joint (17).
2. Structure selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la première face (24A) comprend en outre une seconde zone (33C) d'adhérence forte avec ledit joint (17) comportant une seconde région d'adhérence forte avec ledit joint (17) disposée en regard d'une seconde région (35C) d'adhérence faible ou nulle de la seconde face (24B) avec ledit joint (17).
3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que, dans au moins une section de la structure de filtration, la région (35A) d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint (17) de la première face (24A) est disposée entre les première et seconde régions (33A, 35C) d'adhérence forte avec ledit joint (17) de cette première face (24A).
4. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite section est une section longitudinale.
5. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite section est une section transversale.
6. Structure selon l'une des revendication 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un organe de filtration (15) est une brique prismatique dont chacune des faces latérales (24) est en regard d'une face latérale (24) d'un organe de filtration (15) associé, un joint de liaison (17) desdites faces s'étendant entre lesdites faces (24) ; et en ce que chacune des faces latérales (24) de la brique comprend au moins une zone (33) d'adhérence forte de cette face de la brique avec ledit joint (17) et au moins une zone (35) d'adhérence faible ou nulle de cette face (24) avec ledit joint (17), lesdites zones comportant respectivement une région (33) d'adhérence forte de cette face de la brique avec ledit joint (17) et une région (35) d'adhérence faible ou nulle de cette face (24) avec ledit joint (17), les dites régions étant dispo- sées respectivement en regard d'une région (35) d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint (17) de la face (24) en regard de l'organe de filtration (15) associé et d'une région (33) d'adhérence forte avec ledit joint (17) de la face (24) en regard de l'organe de filtration (15) associé.
7. Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la région (33D) d'adhérence forte avec ledit joint (17) de la première face (24D) de la brique (15C) est disposée à l'opposé d'une région (35E) d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint (17) d'une seconde face (24E) de la même brique (15C).
8. Structure selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chacune des zones (35) d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint est couverte d'un revêtement antiadhésif, au moins avant la mise en service de la structure.
9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les premier et second organes de filtration (15A, 15B) comprennent chacun une face d'admission (21) et une face d'évacuation (23) reliées respectivement par lesdites première et seconde faces (24A, 24B), au moins une région aval (35H ; 35L) d'adhérence faible ou nulle avec ledit joint (17) de la première face (24A) s'étendant jusqu'à l'arête commune (71 ; 71 K) entre la face d'évacuation (23) et ladite première face (24A).
10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite région aval (35H) présente une longueur, prise parallèlement à une direction longitudinale (X-X') du premier organe de filtration (15A), inférieure au cin- quième de la longueur dudit premier organe de filtration (15A), prise suivant ladite direction longitudinale (X-X').
11. Structure selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite région aval (35H) présente une longueur, prise parallèlement à une direction longitudinale (X-X') du premier organe de filtration (15A), inférieure à la moitié d'au moins une autre région (33E, 33F) de la même face.
12. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisée en ce que le premier organe de filtration (15A) comprend en outre une face latérale (24M) adjacente à la première face (24K), la face latérale (24M) présentant une région latérale (33N) d'adhérence forte avec ledit joint (17) s'étendant jusqu'à l'arête de sortie (71 M) commune auxdites face latérale (24K) et face d'évacuation (23).
13. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce qu'au moins la région aval (35L) d'adhérence faible ou nulle avec le joint (17) présente, du côté du joint (17), des irrégularités de surface (81), notamment des bossages ou/et des rainures.
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