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EP1574680A1 - Système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile et ligne d'échappement comportant un tel système - Google Patents

Système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile et ligne d'échappement comportant un tel système Download PDF

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Publication number
EP1574680A1
EP1574680A1 EP05290523A EP05290523A EP1574680A1 EP 1574680 A1 EP1574680 A1 EP 1574680A1 EP 05290523 A EP05290523 A EP 05290523A EP 05290523 A EP05290523 A EP 05290523A EP 1574680 A1 EP1574680 A1 EP 1574680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
electrodes
layer
catalytic
rear end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP05290523A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1574680B1 (fr
Inventor
Yvane Lendresse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
Publication of EP1574680A1 publication Critical patent/EP1574680A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1574680B1 publication Critical patent/EP1574680B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Not-in-force legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/0222—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters characterised by specially adapted filtering structure, e.g. honeycomb, mesh or fibrous the structure being monolithic, e.g. honeycombs
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    • F01N3/0275—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means using electric discharge means
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    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/033—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters in combination with other devices
    • F01N3/035—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters in combination with other devices with catalytic reactors, e.g. catalysed diesel particulate filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/28—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a plasma reactor

Definitions

  • the present invention relates to a gas purification system exhaust system of a motor vehicle engine and a line exhaust system comprising such a system.
  • the invention relates to such a system, of the type comprising a gas purifying member disposed in a line exhaust system associated with the engine and having gas inlet channels to purify, having an open front end and a closed rear end, and purified gas outlet channels having a closed front end and an open back end.
  • Pollutants resulting from the combustion of a diesel or gasoline engine are mainly unburnt hydrocarbons, nitrogen oxides (monoxide Nitrogen Nitrogen and Nitrogen Dioxide NO2), carbon oxides (carbon monoxide CO and carbon dioxide CO2) and, in the case of diesel engines and gasoline direct injection engines, particles.
  • the object of the invention is therefore to solve these problems.
  • the subject of the invention is a gas purification system of a motor vehicle engine, of the type comprising a gas purification unit disposed in an exhaust line associated with the engine and having gas inlet channels to be purified, having an open front end and a closed rear end, and channels purified gas outlet having a closed front end and an end backward, and associated with oxidation catalyst means and plasma discharge generator means for regeneration assistance of the purification unit, characterized in that the catalyst means are in the form of a layer of catalytic impregnating material, deposited on the open front end side of the inlet channels, and the means forming a plasma discharge generator are in the form of electrodes disposed on the closed rear end side of these channels input, embedded in a layer of dielectric barrier material and connected to a source of electrical power supply.
  • the invention also relates to a line exhaust system comprising such a system.
  • the present invention therefore proposes to focus on the phenomena soot storage and distribution of the soot in the filter so to optimize the last concept presented previously. Indeed, the gas flows imposed by the operation of the engine lead to a distribution of the soot bed quite fine on the upstream part of the filter inlet channels and a bed of soot that thickens as the gas flow evolves towards the bottom of the canals. After several hours of engine operation, the vast majority soot forms a compact bed in the bottom of the channels.
  • any system that can oxidize the soot bed compact located in the bottom of the inlet channels of the filter leads to regeneration compatible with the constraints of a vehicle application.
  • the solution proposed by this invention is a plasma concept for performing this step.
  • support catalytic is impregnated on the upstream part of the corresponding input channels to the formation area a finer soot bed. It is recognized that the difficulty encountered in the case of catalysed filters is the spread of combustion through the bed of soot.
  • the catalytic support is located in a favorable area for the oxidation of soot. The coupling of these two approaches leads to a compact invention to achieve regeneration total soot accumulated in a particulate filter.
  • the present invention therefore consists in proposing an architecture of plasma reactor for treating the bed of particles accumulated in the channels of a filter by proceeding catalytically on the front part of the channels input when the soot bed is thin and regenerating via plasma discharges the bottom part of these same input channels when the soot bed becomes compact and thick.
  • the principle of plasma is to generate metastable species, radicals and very reactive ions by collision between the constituent molecules the exhaust gases and the energy electrons produced by landfills electric, and this without raising the temperature of the reaction medium.
  • Metastable species, radicals and highly energetic electrons products are promoters of chemical oxidation in a gas exhaust containing an excess of oxygen, such as particles of soot, by direct interaction of these species with very short lifespans with pollutants.
  • the catalytic support makes it possible to ensure the oxidation of the particles of soot through activated oxidation reactions via metals, in particular precious metals dispersed in a catalytic material itself impregnated on the walls of the filter.
  • This system can be considered in the precise case of this concept because the soot bed deposited on the catalytic support is end on the input part of the filter and therefore the propagation of the combustion does not will not be a limiting parameter as was found in the case of particles catalyzed.
  • the invention relates to to a system for purifying the exhaust gases of a combustion engine motor vehicle.
  • This system comprises a gas purification unit disposed in an exhaust line associated with the engine and having channels the gases to be purified and the outlet channels of the purified gases.
  • an input channel of FIGS. gas to be purified by general reference 1 an input channel of FIGS. gas to be purified by general reference 1
  • a gas outlet channel purified designated by general reference 2.
  • the purification unit comprises such channels arranged in rows and columns of successive input and output channels.
  • Each input channel designated by general reference 1 presents an open front end and a closed rear end, for example, to using a cement plug designated by the general reference 3.
  • each output channel has one end before closed for example by a cement plug, designated by the reference 4 and an open rear end.
  • the exhaust gases are therefore circulated between the input channels and the output channels, through the filter media which is then required to trap the particles contained in these gases.
  • the means forming catalyst are in the form of a layer of impregnating material catalytic converter, deposited on the side of the open front end of the inlet channels, this layer being designated for example by the general reference 5a.
  • the means forming a plasma discharge generator are presented in the form of electrodes designated by general references 6 and 7 in this figure, which are arranged on the closed rear end side of these inlet channels and are embedded in a layer of barrier material 5b, and connected to a source of electrical power supply boarded the vehicle.
  • one of these electrodes may correspond to an anode connected to the high voltage terminal of the source, while the other electrode can match to a cathode connected for example to ground.
  • the electrodes of the generator means of plasma discharges and the layer of dielectric barrier material extend along the inlet channels of the purification member, and this on less than a third of the length of these.
  • the catalytic impregnation can then extend over a maximum of two third of the length of the canal.
  • the electrodes are adapted to pass through the closure means 3 of the corresponding rear end of the inlet channel, and to extend towards the layer of material forming dielectric barrier 5b.
  • Electrodes are then embedded in this layer of material 5b, to keep them in position.
  • the dielectric barrier material 5b may be formed of a material catalytic impregnation without metals.
  • a zone deposition technique of this material can then be used to deposit these layers on the channels.
  • the thickness of the layer of material forming dielectric barrier is less than or equal to that of the layer of material Catalytic.
  • This layer of catalytic material may then comprise metals, such as for example precious metals.
  • each input channel can be equipped with such electrodes as shown in Figure 2.
  • the electrodes i.e. cathode and anode, are arranged in opposite corners of these.
  • the corresponding electrodes of the channels of the rows stacked on top of each other are placed respectively in the upper or lower corners, and left or right, so that the electrodes two rows of stacked rows are the closest to each other. others, to facilitate their connection to the power supply
  • the anodes for example 13 of the row 9 of channels, are placed in the lower right corner of these, while the anodes, for example 14, of the row of channels 10, are placed in the upper right corner of these, which also facilitates their connection.
  • the rear part of the filter is associated with the means forming plasma discharge generator.
  • the electrodes of these means are held in position on the one hand, due to the fact that they pass through the end cap of the rear end input channels and secondly that their front end is embedded in the layer of dielectric barrier material.
  • each input channel may contain a or several electrodes of each type.
  • Electrodes are, as previously indicated, connected electrically to a source of power supply.
  • This power supply is of the type for example impulse, to a frequency ranging from one-shot to several tens of KHz for a high voltage applied, for example several tens of KV and low intensity and short duration.
  • an additive to aid the regeneration of the filter can also be mixed with fuel to facilitate the spread of the burning with soot.
  • the power supply for triggering operation means for generating plasma discharges may be sinusoidal type or continue.
  • the impregnating material deposited on the front part of the channels inlet of the filter can be a catalyst for oxidation of soot.
  • soot can also allow the oxidation of soot and the depollution of hydrocarbons and CO. It can also be coupled to a reduction function nitrogen oxides.
  • the regeneration of the particulate filter can also be ensured without implementing a post-fuel injection strategy in the engine cylinders during their relaxation phase, which improves the performance in terms of fuel consumption of it.
  • the layer 5a of impregnation material deposited on the input channels can have a homogeneous charge or not ("zoning"), for example with a lower metal load on the entrance part of the channels and more important on the back part of this layer of catalytic material, to meet a need for regeneration efficiency of the deposited soot on this one, this bed being finer on the entry of the channels than on the end of the layer.
  • zoning homogeneous charge or not
  • Such a treatment system can also be supplemented by a system for the treatment of gaseous pollutants emitted by the combustion engine internal.
  • the catalytic impregnation on the front face of the inlet channels allows the combustion of soot while impregnation of the entire surface exit channels can help control HC and CO emissions (oxidative type catalytic formulation), and NOx reduction (formulation catalytic reductive type).
  • the distribution of metals in the coating can also be homogeneous or not ("zoning"), the most close to the output of the outlet channels being the most loaded with metals.
  • the purification member may comprise a filtering material produced in the form of a ceramic based on silicon carbide, silicon nitride, mullite, and preferably, for example, cordierite.
  • the input channels and the channels output of the purification member are square section.
  • the electrodes are advantageously made of stainless material, the anode forming electrodes being intended to be brought to the positive potential and the cathode electrodes being intended to be connected to ground.
  • the anode forming electrodes can then be connected to a generator of high voltage pulses as has been described.

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Abstract

Ce système comportant un organe de purification des gaz, disposé dans une ligne d'échappement associée au moteur et comportant des canaux d'entrée (1) de gaz à purifier, présentant une extrémité avant ouverte et une extrémité arrière fermée (3), et des canaux de sortie (2) des gaz purifiés présentant une extrémité avant fermée (4) et une extrémité arrière ouverte, et associés à des moyens formant catalyseur d'oxydation (5a) et à des moyens formant générateur de décharges plasma (6,7), pour l'aide à la régénération de l'organe de purification, est caractérisé en ce que les moyens formant catalyseur se présentent sous la forme d'une couche (5a) de matériau d'imprégnation catalytique, déposée du côté de l'extrémité avant ouverte des canaux d'entrée (1), et les moyens formant générateur de décharges plasma se présentent sous la forme d'électrodes (6,7) disposées du côté de l'extrémité arrière (3) fermée de ces canaux d'entrée (1), noyées dans une couche (5b) de matériau formant barrière diélectrique, et raccordées à une source d'alimentation en énergie électrique. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile et une ligne d'échappement comportant un tel système.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel système, du type comportant un organe de purification des gaz, disposé dans une ligne d'échappement associée au moteur et comportant des canaux d'entrée des gaz à purifier, présentant une extrémité avant ouverte et une extrémité arrière fermée, et des canaux de sortie des gaz purifiés, présentant une extrémité avant fermée et une extrémité arrière ouverte.
Les polluants issus de la combustion d'un moteur Diesel ou essence sont majoritairement les hydrocarbures imbrûlés, les oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), les oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone CO2) et, dans le cas des moteurs Diesel et des moteurs à injection directe essence, les particules.
Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maítrise des émissions de HC, de CO, de NOx et des particules, est impérative et des technologies de post-traitement sont indispensables.
Différentes solutions technologiques ont été développées et évaluées pour réduire les niveaux de pollution des moteurs à combustion interne.
Le traitement des particules issues des moteurs Diesel est possible grâce à l'introduction dans la ligne d'échappement de ces moteurs d'un filtre à particules par exemple. Ces filtres sont conçus pour piéger les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement au cours de leur écoulement dans la ligne d'échappement et nécessitent une phase de combustion pour éviter un encrassement dommageable pour le moteur et le véhicule.
Différentes stratégies de régénération ont déjà été envisagées, comme par exemple :
  • a) L'ajout d'un composé préférentiellement de type organométallique dans le carburant pour permettre de réduire la température de combustion des particules et de favoriser la propagation du phénomène de combustion dans le lit de suie de par la présence de cet additif dans la structure de chaque particule formée dans la chambre de combustion. Pour adapter ce concept aux conditions de températures rencontrées sur les moteurs fonctionnant en mélange pauvre, notamment sur les moteurs Diesel, l'additivation du carburant doit être couplée à une stratégie de post-injection de carburant dans les cylindres pour créer un exotherme en amont du filtre grâce à l'ajout d'un catalyseur d'oxydation. Les principales difficultés rencontrées par cette stratégie sont liées à la production de cendres, du fait de la présence d'un additif organométallique dans la structure des suies et des additifs présents dans l'huile de lubrification du moteur, conduisant à une maintenance régulière et à une surconsommation en carburant du fait de la post-injection pour atteindre les conditions thermiques de combustion des particules de suie.
  • b) L'imprégnation des parois du filtre à particules avec un catalyseur d'oxydation permettant d'abaisser la température de combustion des suies et d'assurer un nettoyage des parois du filtre en continu. Les problèmes mis en évidence avec ce concept sont une régénération partielle du filtre du fait de la difficulté à propager le phénomène de combustion au sein du lit de suies et la nécessité d'une stratégie de chauffage des gaz pour éviter d'atteindre la masse limite en suies dommageable pour le système filtrant et le moteur.
  • c) Le chauffage électrique du média filtrant par introduction de résistances électriques dans les filtres. Cette technologie est assez peu développée, essentiellement en raison du fait de la consommation électrique et donc de la surconsommation en carburant.
    • Une alternative pour réaliser cette étape de combustion des suies consiste à utiliser des décharges plasma pour oxyder les particules. Plusieurs approches ont déjà été présentées, notamment :
  • a) La production de décharges plasma en amont d'un filtre à particules pour produire du NO2 et favoriser la réaction d'oxydation des suies par le NO2 produit par le plasma. Cette technologie se rapproche du concept connu sous le nom de CRT (Continuous Regeneration Technology) en substituant le catalyseur d'oxydation en amont du filtre par un réacteur à ionisation des gaz. La difficulté majeure réside dans la capacité de ce concept à assurer la régénération passive du filtre sur la plage de températures rencontrée sur les applications sur véhicules particuliers à moteur Diesel.
  • b) La production de décharges plasma directement dans le filtre à particules en localisant les électrodes dans les canaux de sortie des gaz d'échappement. Dans ce concept, le champ créé par les décharges plasma est généré dans un espace exempt de suies et une étape de propagation à travers les parois du filtre est nécessaire afin de générer des phénomènes de combustion des particules.
  • c) Un dernier concept propose d'induire les décharges directement dans les canaux remplis de suies entre des anodes constituées de fils placés longitudinalement dans les canaux d'entrée du filtre et des cathodes constituées d'une plaque agencée dans au moins un plan sensiblement horizontal à l'extérieur du bloc de traitement. Cependant, ce concept est très délicat à réaliser de par le nombre important d'électrodes à insérer dans le média filtrant et les systèmes de fixation des électrodes, placés en entrée du filtre, engendrent des réductions de capacité de stockage et des pertes de charge importantes pour des systèmes déjà très pénalisants pour des applications sur véhicules.
    • On pourra par exemple se reporter aux documents FR-A-2 830 566 et FR-A-2 830 275.
    Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes.
    A cet effet, l'invention a pour objet un système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile, du type comportant un organe de purification des gaz, disposé dans une ligne d'échappement associée au moteur et comportant des canaux d'entrée de gaz à purifier, présentant une extrémité avant ouverte et une extrémité arrière fermée, et des canaux de sortie des gaz purifiés présentant une extrémité avant fermée et une extrémité arrière ouverte, et associés à des moyens formant catalyseur d'oxydation et à des moyens formant générateur de décharges plasma, pour l'aide à la régénération de l'organe de purification, caractérisé en ce que les moyens formant catalyseur se présentent sous la forme d'une couche de matériau d'imprégnation catalytique, déposée du côté de l'extrémité avant ouverte des canaux d'entrée, et les moyens formant générateur de décharges plasma se présentent sous la forme d'électrodes disposées du côté de l'extrémité arrière fermée de ces canaux d'entrée, noyées dans une couche de matériau formant barrière diélectrique et raccordées à une source d'alimentation en énergie électrique.
    Suivant d'autres caractéristiques :
    • les électrodes des moyens formant générateur de décharges plasma et la couche de matériau formant barrière diélectrique s'étendent le long des canaux d'entrée sur au moins un tiers de la longueur de ceux-ci et la couche de revêtement catalytique s'étend sur le reste de la longueur de ces canaux ;
    • les électrodes sont adaptées pour traverser l'extrémité obturée du canal d'entrée ;
    • les électrodes sont formées d'au moins une cathode et une anode dans chaque canal d'entrée ;
    • l'organe de purification comporte plusieurs rangées empilées de canaux d'entrée et de sortie successifs et de section carrée, et les électrodes des canaux d'entrée, sont placées dans des coins opposés de chaque canal d'entrée, respectivement, en haut ou en bas, et à gauche ou à droite du canal, de manière que les électrodes correspondantes de deux rangées empilées, soient les plus proches les unes des autres ;
    • l'organe de purification est un filtre à particules ;
    • les canaux de sortie sont revêtus sur toute leur longueur d'une couche d'imprégnation catalytique ;
    • le matériau formant barrière diélectrique est formé d'un matériau d'imprégnation catalytique sans métaux ; et
    • l'épaisseur de la couche de matériau formant barrière diélectrique est inférieure ou égale à celle de la couche de matériau catalytique.
    Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet une ligne d'échappement comportant un tel système.
    La présente invention propose donc de se focaliser sur les phénomènes de stockage des suies et de distribution de celles-ci dans le filtre afin d'optimiser le dernier concept présenté précédemment. En effet, les débits gazeux imposés par le fonctionnement du moteur conduisent à une distribution du lit de suies assez fin sur la partie amont des canaux d'entrée du filtre et un lit de suies qui s'épaissit au fur et à mesure que le flux gazeux évolue vers le fond des canaux. Après plusieurs heures de fonctionnement du moteur, la très grande majorité des suies forme un lit compact dans le fond des canaux.
    Dans ces conditions, tout système qui permet d'oxyder le lit de suies compact localisé dans le fond des canaux d'entrée du filtre conduit à une régénération compatible avec les contraintes d'une application sur véhicule. La solution proposée par cette invention est un concept plasma pour réaliser cette étape. Pour compléter le phénomène de combustion et proposer un système avec une efficacité de régénération proche de la stratégie avec un filtre additivé, un support catalytique est imprégné sur la partie amont des canaux d'entrée correspondant à la zone de formation d'un lit de suies plus fin. Il est reconnu que la difficulté rencontrée dans le cas des filtres catalysés est la propagation de la combustion au travers du lit de suies. Dans le cadre de l'invention, le support catalytique est localisé dans une zone favorable pour l'oxydation des suies. Le couplage de ces deux approches conduit à une invention compacte pour atteindre une régénération totale des suies accumulées dans un filtre à particules.
    La présente invention consiste donc à proposer une architecture de réacteur plasma permettant de traiter le lit de particules accumulées dans les canaux d'entrée d'un filtre en procédant catalytiquement sur la partie avant des canaux d'entrée lorsque le lit de suies est fin et en régénérant par l'intermédiaire des décharges plasma la partie de fond de ces mêmes canaux d'entrée lorsque le lit de suie devient compact et épais.
    Le principe du plasma consiste à générer des espèces métastables, des radicaux et des ions très réactifs par collision entre les molécules constituant les gaz d'échappement et les électrons énergétiques produits par les décharges électriques, et ceci sans élévation de la température du milieu réactionnel.
    Les caractéristiques physiques des décharges électriques varient selon l'application visée, les consommations et les niveaux de conversions nécessaires pour les applications sur moteur, notamment de véhicules automobiles (fréquence, tension et intensité variables).
    Les espèces métastables, radicaux et électrons fortement énergétiques produits sont des agents promoteurs de l'oxydation chimique dans un gaz d'échappement contenant un excès d'oxygène, comme par exemple les particules de suie, par interaction directe de ces espèces à durée de vie très courte avec les polluants.
    Le support catalytique permet quant à lui d'assurer l'oxydation des particules de suie grâce à des réactions d'oxydation activées par l'intermédiaire de métaux, notamment de métaux précieux dispersés dans un matériau catalytique lui-même imprégné sur les parois du filtre. Ce système peut être envisagé dans le cas précis de ce concept car le lit de suies déposé sur le support catalytique est fin sur la partie d'entrée du filtre et donc la propagation de la combustion ne sera pas un paramètre limitant comme cela a été constaté dans le cas du filtre à particules catalysé.
    La configuration préférentielle de cette architecture du réacteur de traitement des particules de suie est décrite de la manière suivante :
  • a) Les canaux d'entrée d'un filtre à particules nu sont imprégnés d'une formulation catalytique oxydante permettant la combustion des suies. La zone d'imprégnation est au maximum des deux tiers de la longueur totale du filtre considéré. La longueur totale du filtre dépend de la cylindrée du moteur et de l'espacement envisagé entre deux régénérations dans le cas d'un concept séquentiel. La contre-pression engendrée par le filtre est également un critère important.
  • b) La zone de décharges plasma est au moins de un tiers de la longueur totale du filtre. Dans cette zone, au moins deux électrodes diamétralement opposées sont introduites dans le filtre par introduction de ces électrodes au travers du ciment bouchant les extrémités arrières des canaux d'entrée du filtre. Ces électrodes sont noyées dans une couche de matériau formant barrière diélectrique. Ceci permet de maintenir les électrodes en place sur la partie arrière du filtre. De plus, l'utilisation d'une telle barrière diélectrique recouvrant ces électrodes générant les décharges plasma, permet une dispersion des espèces activées par le plasma, à savoir les ions fortement énergétiques, à la surface de ce diélectrique, avant d'atteindre les conditions de seuil de claquage. La conséquence est un risque de passage à l'arc électrique destructif pour le média filtrant plus faible à iso-énergie injectée dans la zone plasma que lorsqu'il n'y a pas de barrière diélectrique.De plus, la distribution des charges est également plus homogène à la surface de la barrière diélectrique, augmentant par la même, le potentiel de formation d'une zone inter-électrode plus homogène dans le sens de l'écoulement, comparativement à un système d'électrodes non recouverte d'une barrière diélectrique.On sait en effet que ce type de configurations présente l'inconvénient de favoriser la création d'un milieu plasmagène fortement hétérogène dans le sens de l'écoulement des gaz et radialement par rapport à ce même écoulement.Or, cette hétérogénéité est fortement défavorable pour l'efficacité de conversion des polluants, et particulièrement des suies accumulées en lit dans le filtre à particules. En fait, le matériau formant barrière diélectrique peut être formé d'un matériau d'imprégnation catalytique sans métaux.Ceci permet d'éviter le passage à l'arc des décharges, la partie catalytique étant positionnée en face avant des canaux d'entrée du filtre, pour traiter le lit de suies le plus fin.Cette imprégnation catalytique peut alors contenir des métaux, préférentiellement des métaux précieux.On notera également que l'épaisseur de la couche d'imprégnation peut être différente sur la partie avant et sur la partie arrière des canaux. Dans ce cas, la couche de matériau formant barrière diélectrique présente de préférence, une épaisseur inférieure ou égale à celle de la couche de matériau catalytique afin de réduire au maximum l'épaisseur de la barrière diélectrique.
  • c) Chaque canal d'entrée du filtre est équipé d'au moins deux électrodes et d'un support catalytique pour assurer un traitement de tous les canaux contenant des particules de suie.
  • d) Dans chaque canal, au moins l'une des deux électrodes correspond à une anode et l'autre à une cathode, respectivement connectées à la haute tension électrique et à la masse.
  • e) Dans le cas du filtre complet, si une anode est positionnée dans la partie supérieure d'une rangée de canaux d'entrée du filtre, la rangée directement située au-dessus présente l'électrode d'anode correspondante située dans la partie inférieure du canal. Cela permet d'avoir des connexions uniques par rangée localisées à l'arrière du filtre.
    • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la Fig.1 représente une vue en coupe longitudinale d'un canal d'entrée et d'un canal de sortie d'un système de purification selon l'invention ; et
    • la Fig.2 représente une vue de face d'un tel système de purification.
    Ainsi que cela a été mentionné précédemment, l'invention se rapporte à un système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile.
    Ce système comporte un organe de purification des gaz, disposé dans une ligne d'échappement associée au moteur et qui comporte des canaux d'entrée des gaz à purifier et des canaux de sortie des gaz purifiés.
    Ainsi par exemple, sur la figure 1, on a illustré un canal d'entrée des gaz à purifier désigné par la référence générale 1, et un canal de sortie des gaz purifiés, désigné par la référence générale 2.
    En fait, l'organe de purification comporte de tels canaux disposés en rangées et en colonnes de canaux d'entrée et de sortie successifs.
    Chaque canal d'entrée désigné par la référence générale 1 présente une extrémité avant ouverte et une extrémité arrière obturée, par exemple, à l'aide d'un bouchon de ciment désigné par la référence générale 3.
    De manière opposée, chaque canal de sortie présente une extrémité avant obturée par exemple par un bouchon de ciment, désigné par la référence générale 4 et une extrémité arrière ouverte.
    Dans un tel concept, les gaz d'échappement sont donc amenés à circuler entre les canaux d'entrée et les canaux de sortie, à travers le média filtrant qui est alors amené à piéger les particules contenues dans ces gaz.
    Comme cela a été indiqué précédemment, un tel organe doit être régénéré régulièrement afin d'assurer une combustion des particules piégées.
    A cet effet, on peut associer à ce type d'organes, des moyens formant catalyseur d'oxydation et des moyens formant générateur de décharges plasma.
    Dans le système de purification selon l'invention, les moyens formant catalyseur se présentent sous la forme d'une couche de matériau d'imprégnation catalytique, déposée du côté de l'extrémité avant ouverte des canaux d'entrée, cette couche étant désignée par exemple par la référence générale 5a.
    De plus, les moyens formant générateur de décharges plasma se présentent sous la forme d'électrodes désignées par les références générales 6 et 7 sur cette figure, qui sont disposées du côté de l'extrémité arrière fermée de ces canaux d'entrée et sont noyées dans une couche de matériau formant barrière diélectrique 5b, et raccordées à une source d'alimentation en énergie électrique embarquée à bord du véhicule.
    En fait, l'une de ces électrodes peut correspondre à une anode reliée à la borne à haute tension de la source, tandis que l'autre électrode peut correspondre à une cathode raccordée par exemple à la masse.
    On conçoit alors que les électrodes des moyens formant générateur de décharges plasma et la couche de matériau formant barrière diélectrique s'étendent le long des canaux d'entrée de l'organe de purification, et ce, sur au moins un tiers de la longueur de ceux-ci.
    L'imprégnation catalytique peut alors s'étendre sur au maximum deux tiers de la longueur du canal.
    Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrodes sont adaptées pour traverser les moyens d'obturation 3 de l'extrémité arrière correspondante du canal d'entrée, et pour s'étendre en direction de la couche de matériau formant barrière diélectrique 5b.
    Ces électrodes sont alors noyées dans cette couche de matériau 5b, pour assurer leur maintien en position.
    Ceci permet de garantir un maintien en position de ces électrodes dans les canaux.
    Le matériau formant barrière diélectrique 5b peut être formé d'un matériau d'imprégnation catalytique sans métaux.
    Une technique de dépôt par zone de ce matériau peut alors être utilisée pour déposer ces couches sur les canaux.
    De préférence également, l'épaisseur de la couche de matériau formant barrière diélectrique est inférieure ou égale à celle de la couche de matériau catalytique.
    Cette couche de matériau catalytique peut alors comporter des métaux, tels que par exemple des métaux précieux.
    On conçoit alors que chaque canal d'entrée peut être équipé de telles électrodes comme cela est illustré sur la figure 2.
    Dans le cas par exemple où les canaux présentent une section carrée, les électrodes, c'est-à-dire cathode et anode, sont disposées dans des coins opposés de ceux-ci.
    De préférence, les électrodes correspondantes des canaux des rangées empilées les unes sur les autres, sont placées respectivement dans les coins supérieur ou inférieur, et gauche ou droit, de manière que les électrodes correspondantes de deux rangées empilées soient les plus proches les unes des autres, afin de faciliter leur raccordement à la source d'alimentation
    C'est ainsi par exemple, que, si l'on considère les rangées 8, 9 et 10 de canaux, illustrées sur cette figure 2, on peut constater que les cathodes, par exemple 11, des canaux de la rangée 8, sont placées dans le coin gauche en bas de ceux-ci, et que les cathodes correspondantes, par exemple 12, des canaux de la rangée 9, sont placées dans le coin supérieur gauche de celles-ci, de manière à faciliter leur raccordement.
    De même, les anodes par exemple 13 de la rangée 9 de canaux, sont placées dans le coin inférieur droit de ceux-ci, tandis que les anodes, par exemple 14, de la rangée de canaux 10, sont placées dans le coin supérieur droit de ceux-ci, ce qui permet également de faciliter leur raccordement.
    On conçoit alors qu'une telle disposition des électrodes contre les parois du filtre à particules, leur permet de mieux résister au flux d'écoulement des gaz dans ces canaux, la partie avant de ces canaux, c'est-à-dire la section la première en contact avec les gaz d'échappement, étant recouverte d'un matériau d'imprégnation catalytique, pour déclencher l'oxydation des suies déposées en surface et dans les pores du média filtrant.
    La partie arrière du filtre est quant à elle associée aux moyens formant générateur de décharges plasma.
    Les électrodes de ces moyens sont maintenues en position d'une part, en raison du fait qu'elles traversent le bouchon d'obturation de l'extrémité arrière des canaux d'entrée et d'autre part, que leur extrémité avant est noyée dans la couche de matériau formant barrière diélectrique.
    On conçoit bien entendu que chaque canal d'entrée peut contenir une ou plusieurs électrodes de chaque type.
    Ces électrodes sont, comme cela a été indiqué précédemment, raccordées électriquement à une source d'alimentation en énergie électrique.
    Cette alimentation électrique est de type par exemple impulsionnelle, à une fréquence pouvant aller du monocoup à plusieurs dizaines de KHz pour une forte tension appliquée, jusqu'à par exemple plusieurs dizaines de KV et de faible intensité et de courte durée.
    On notera par ailleurs qu'un additif d'aide à la régénération du filtre peut également être mélangé au carburant pour faciliter la propagation de la combustion au lit de suies.
    L'alimentation électrique permettant le déclenchement du fonctionnement des moyens de génération de décharges plasma, peut être de type sinusoïdale ou continue.
    Le matériau d'imprégnation déposé sur la partie avant des canaux d'entrée du filtre, peut être un catalyseur d'oxydation des suies.
    Il peut également permettre l'oxydation des suies et la dépollution des hydrocarbures et du CO. Il peut également être couplé à une fonction de réduction des oxydes d'azote.
    On conçoit alors qu'une telle structure permet de résoudre un certain nombre de problèmes de l'état de la technique en optimisant le traitement des suies, c'est-à-dire en partant du constat que le dépôt des suies est plus important au fond du filtre qu'à l'entrée de celui-ci et en utilisant dans cette zone, des moyens de génération de décharges plasma.
    Par ailleurs, la régénération du filtre à particules peut également être assurée sans mettre en oeuvre de stratégie de post-injections de carburant dans les cylindres du moteur pendant leur phase de détente, ce qui permet d'améliorer les performances en terme de consommation de carburant de celui-ci.
    Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés.
    Ainsi, par exemple, la couche 5a de matériau d'imprégnation déposée sur les canaux d'entrée peut avoir une charge homogène ou non (« zoning »), par exemple avec une charge en métaux plus faible sur la partie d'entrée des canaux et plus importante sur la partie arrière de cette couche de matériau catalytique, pour répondre à un besoin d'efficacité de régénération du lit de suie déposé sur celui-ci, ce lit étant plus fin sur l'entrée des canaux qu'à l'extrémité de la couche.
    Un tel système de traitement peut également être complété par un système permettant le traitement de polluants gazeux émis par le moteur à combustion interne.
    En effet, l'imprégnation catalytique en face avant des canaux d'entrée permet la combustion des suies alors qu'une imprégnation de toute la surface des canaux de sortie peut permettre la maítrise des émissions de HC et de CO (formulation catalytique de type oxydante), et de réduction des NOx (formulation catalytique de type réductrice).
    Dans ce cas également, la répartition des métaux dans la couche de revêtement peut également être homogène ou non (« zoning »), la partie la plus proche de la sortie des canaux de sortie étant la plus chargée en métaux.
    L'organe de purification peut comporter un matériau filtrant réalisé sous la forme d'une céramique à base de carbure de silicium, de nitrure de silicium, de mullite, et préférentiellement par exemple de cordiérite.
    Dans l'exemple de réalisation décrit, les canaux d'entrée et les canaux de sortie de l'organe de purification sont de section carrée.
    Bien entendu, d'autres sections peuvent être envisagées comme par exemple, des canaux d'entrée de section hexagonale ou autre.
    Les électrodes sont avantageusement réalisées en matériau inoxydable, les électrodes formant anode, étant destinées à être portées au potentiel positif et les électrodes formant cathode étant destinées à être reliées à la masse.
    Les électrodes formant anode peuvent alors être reliées à un générateur d'impulsions à haute tension comme cela a été décrit.

    Claims (10)

    1. Système de purification des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile, du type comportant un organe de purification des gaz, disposé dans une ligne d'échappement associée au moteur et comportant des canaux d'entrée (1) de gaz à purifier, présentant une extrémité avant ouverte et une extrémité arrière fermée (3), et des canaux de sortie (2) des gaz purifiés présentant une extrémité avant fermée (4) et une extrémité arrière ouverte, et associés à des moyens formant catalyseur d'oxydation (5a) et à des moyens formant générateur de décharges plasma (6,7), pour l'aide à la régénération de l'organe de purification, caractérisé en ce que les moyens formant catalyseur se présentent sous la forme d'une couche (5a) de matériau d'imprégnation catalytique, déposée du côté de l'extrémité avant ouverte des canaux d'entrée (1), et les moyens formant générateur de décharges plasma se présentent sous la forme d'électrodes (6,7) disposées du côté de l'extrémité arrière (3) fermée de ces canaux d'entrée (1), noyées dans une couche de matériau formant barrière diélectrique (5b) et raccordées à une source d'alimentation en énergie électrique.
    2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (6,7) des moyens formant générateur de décharges plasma et la couche de matériau formant barrière diélectrique (5b) s'étendent le long des canaux d'entrée sur au moins un tiers de la longueur de ceux-ci et en ce que la couche de revêtement catalytique (5a) s'étend sur le reste de la longueur de ces canaux.
    3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes (6,7) sont adaptées pour traverser l'extrémité obturée (3) du canal d'entrée (1).
    4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont formées d'au moins une cathode et une anode dans chaque canal d'entrée.
    5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe de purification comporte plusieurs rangées empilées (8 ,9,10) de canaux d'entrée et de sortie successifs et de section carrée, et en que les électrodes des canaux d'entrée, sont placées dans des coins opposés de chaque canal d'entrée, respectivement, en haut ou en bas, et à gauche ou à droite du canal, de manière que les électrodes correspondantes de deux rangées empilées, soient les plus proches les unes des autres.
    6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de purification est un filtre à particules.
    7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux de sortie sont revêtus sur toute leur longueur d'une couche d'imprégnation catalytique.
    8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau formant barrière diélectrique est formé d'un matériau d'imprégnation catalytique sans métaux.
    9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau formant barrière diélectrique (5b) est inférieure ou égale à celle de la couche de matériau catalytique (5a).
    10. Ligne d'échappement pour moteur de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un système selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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