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EP1979589A2 - Filtre catalytique presentant un temps d'amorcage reduit - Google Patents

Filtre catalytique presentant un temps d'amorcage reduit

Info

Publication number
EP1979589A2
EP1979589A2 EP07731540A EP07731540A EP1979589A2 EP 1979589 A2 EP1979589 A2 EP 1979589A2 EP 07731540 A EP07731540 A EP 07731540A EP 07731540 A EP07731540 A EP 07731540A EP 1979589 A2 EP1979589 A2 EP 1979589A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blocks
channels
catalytic filter
filter according
filter
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.)
Withdrawn
Application number
EP07731540A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Vincent Marc Gleize
David Pinturaud
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.)
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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 Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS filed Critical Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Publication of EP1979589A2 publication Critical patent/EP1979589A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
    • F01N3/2825—Ceramics
    • F01N3/2828—Ceramic multi-channel monoliths, e.g. honeycombs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
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    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01N3/022—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
    • 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
    • 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
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
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    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/30—Honeycomb supports characterised by their structural details
    • F01N2330/48—Honeycomb supports characterised by their structural details characterised by the number of flow passages, e.g. cell density
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor

Definitions

  • the invention relates to the field of particulate filters especially used in an exhaust line of an engine for the removal of soot produced by the combustion of a diesel fuel in an internal combustion engine. More specifically, the invention relates to a particulate filter incorporating a component conferring catalytic properties, and a method of manufacturing thereof.
  • Filtration structures for soot contained in the exhaust gas of an internal combustion engine are well known in the prior art. These structures most often have a honeycomb structure, one of the faces of the structure for the admission of the exhaust gases to be filtered and the other side the exhaust of the filtered exhaust gases.
  • the structure comprises, between the intake and discharge faces, a set of adjacent ducts or channels of axes parallel to each other separated by porous filtration walls, which ducts are closed to one or the other of their ends for delimiting input chambers s 'opening according to the inlet face and outlet chambers s' opening according to the discharge face.
  • the peripheral part of the structure is most often surrounded by a coating cement.
  • the channels are alternately closed in an order such that the exhaust gases, during the crossing of the honeycomb body, are forced to pass through the sidewalls of the inlet channels to join the outlet channels. In this way, the particles or soot are deposited and accumulate on the porous walls of the filter body.
  • the filter bodies are porous ceramic material, for example cordierite or silicon carbide.
  • the particulate filter is subjected to a succession of filtration phases (accumulation of soot) and regeneration (removal of soot).
  • filtration phases the soot particles emitted by the engine are retained and are deposited inside the filter.
  • regeneration phases the soot particles are burned inside the filter, in order to restore its filtration properties.
  • the porous structure is then subjected to intense thermomechanical stresses, which can lead to micro-cracking likely over time to cause a severe loss of filtration capacity of the unit, or even its complete deactivation. This phenomenon is particularly observed on monolithic filters of large diameter. It has indeed been observed, operating in an exhaust line, that the thermal gradient between the center and the periphery of such structures is even higher than the dimensions of the monolith are important.
  • said parts are advantageously synthesized on the basis of the same material, most often silicon carbide SiC or cordierite.
  • This choice also makes it possible to homogenize the distribution of heat during the regeneration of the filter.
  • at the base of the same material is meant in the sense of the present description that the material consists of at least 25% by weight, preferably at least 45% by weight and very preferably at least 70% by weight of said material.
  • the choice to use the same basic material for the different parts of the filter should not however be considered as the only advantageous mode and other implementations including in particular the combination of different materials are also included within the scope of the present invention.
  • patent application EP 1 413 344 proposes elements whose central part has a higher heat capacity than the peripheral part, thanks to stronger cell wall thicknesses at the periphery than at the center. of an element.
  • Such a configuration makes it possible, according to this prior art, to reduce the thermal stresses on the filter during the regeneration phases, that is to say when the filter is brought to a temperature close to 600 ° C. (45 ° C. in the presence of certain additives in diesel).
  • the accessible filtration surface for the gas is therefore more restricted at the periphery of the element than in the center thereof.
  • the filters or porous soot filtration structures as previously described are mainly used on a large scale in the exhaust gas pollution control devices of a diesel engine.
  • the introduction of a particulate filter as previously described in the exhaust line of the engine causes a loss of charge which may affect the performance of the latter.
  • the filter must therefore be adapted to prevent such alteration.
  • the transformation of pollutant emissions into the gas phase ie mainly carbon monoxide (CO) and unburnt hydrocarbons (HC) or nitrogen oxides (NO x ) or sulfur (SO x )
  • less harmful gases such as water vapor, carbon dioxide (CO2) or nitrogen gas (N 2 )
  • the most advanced current filters thus additionally have a catalytic component.
  • the catalytic function is obtained by impregnating the honeycomb structure with a solution comprising the catalyst or a precursor of the catalyst, generally based on a platinum group precious metal.
  • Such catalytic filters are very effective in the treatment of gaseous pollutants as soon as the temperature reached within the filter is higher than the catalyst initiation temperature, often referred to in the art as the light off temperature of the catalyst.
  • This temperature is most often defined in given gas pressure and flow rate conditions, such as the temperature at which a catalyst converts 50% by volume of HC and CO polluting gases. Depending on the pressure and gas flow conditions, this temperature generally varies, for an SiC-based filter comprising the platinum-based noble metal catalyst conventionally used, between about 100 ° C. and about 250 ° C. .
  • This period corresponds in first approximation to the time required for the cold filter to reach substantially, on average and in all its volume, the light off temperature of the catalyst.
  • said period is defined, by analogy with the light off temperature previously described, as the priming or light off time and is characteristic of a given filter and the catalyst used.
  • the invention relates to a catalytic filter for the treatment of a gas charged with soot particles and gas phase pollutants, having a reduced light off or priming time, while maintaining a pressure drop and a resistance.
  • thermomechanical making it suitable for use in an exhaust line.
  • the catalytic filter comprises a plurality of monolithic honeycomb blocks interconnected by a joint cement whose thermal conductivity is greater than 0.3 W / mK.
  • the blocks comprise a set of adjacent ducts or channels.
  • Said filter is characterized in that at least the monolithic blocks placed in the central part of the filter, preferably all the monolithic blocks, have in a radial direction a peripheral portion whose total filtration surface is greater than the surface of the filter. total filtration of a central portion of said blocks.
  • said peripheral and central portions to be comparable, have a similar size, that is to say an identical volume, but differentiate by a different gas filtration surface, within said same volume.
  • total filtration area of a central or peripheral portion of a monolithic block, the total surface of the walls comprised in the volume element constituting said central or peripheral portion and allowing the filtration of incoming gases in said block.
  • said elements and the joint cement are based on the same ceramic material, preferably based on silicon carbide SiC.
  • the thickness of the seal between the blocks is between 0.1 mm and 6 mm, preferably between 0.1 and 3 mm.
  • the joint cement typically has a thermal conductivity of between 0.3 and 20 W / m ⁇ K, preferably between 1 and 5 W / m ⁇ K.
  • the density of the channels of the peripheral portion of the blocks is greater than the density of the channels of the central portion of the blocks.
  • the thickness of the walls of the channels of the peripheral portion of the blocks is less than the thickness of the walls of the channels of the central portion of the blocks.
  • the opening surface of the channels of the peripheral portion of the blocks is greater than the opening surface of the channels of the central portion of the blocks.
  • the channels present in the central portion of the blocks have a substantially square section and the channels of the peripheral portion of the blocks are characterized by a wave shape.
  • the ratio of the filtration area of the peripheral portion to the filtration surface of the central portion is between 1.1 and 5.
  • the increase in filtration area from the center to the periphery of the block, in the catalytic filters according to the invention can be obtained either by the presence of at least two distinct advantageously concentric zones whose respective filtration surfaces are different, or by a gradual increase of said surface over the entire section of the block.
  • the invention also relates to the extrusion die shaped so as to form, by extrusion of a ceramic material, a monolithic block provided with channels for the manufacture of a catalytic filter as previously described.
  • the invention furthermore relates to a method of manufacturing a catalytic filter comprising a plurality of monolithic honeycomb blocks interconnected by a joint cement whose thermal conductivity is greater than 0.3 W / mK, wherein the geometry of the channels and / or their density and / or the thickness of the channel walls between the central portion and the peripheral portion are adjusted to reduce the initiation time of the gas conversion reaction.
  • Figure 1 shows a schematic view of the upstream face of a filter assembled according to the prior art.
  • Figure 2 is a sectional view along the axis X-X 'of the filter of Figure 1, placed in a metal casing.
  • FIG. 3 is a perspective view of a monolithic block along the upstream gas introduction face, according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a monolithic block along the upstream gas introduction face, according to a second embodiment of the invention. ⁇
  • Figure 5 is a schematic illustration of the device used to measure the priming times of the catalytic filters.
  • FIGS 1 and 2 describe an assembled filter 1 according to the prior art.
  • the filter is obtained by assembling monolithic blocks 2.
  • the monolithic blocks 2 are themselves obtained by extrusion of a loose paste, for example silicon carbide, to form a porous honeycomb structure.
  • porous structure extruded in the form of monolithic blocks has in FIGS. 1 to 4 the shape of a rectangular parallelepiped extending along a longitudinal axis between two upstream 3 and downstream faces 4 substantially square on which open a plurality of adjacent channels, rectilinear and parallel to the longitudinal axis.
  • extruded porous structures are alternately plugged on their upstream face 3 or on their downstream face 4 by upstream and downstream plugs 5, to form respectively outlet channels 6 and inlet channels 7.
  • Each channel 6 or 7 thus defines an interior volume delimited by side walls 8, a closure cap 5 disposed either on the upstream face or on the downstream face and an opening opening alternately towards the downstream face or the upstream face, such that the inlet and outlet channels are in fluid communication by the side walls 8.
  • the 16 monolithic blocks are assembled together by bonding by means of a joint cement 10 of a ceramic nature, for example also based on silicon carbide, into a filtering structure or assembled filter as shown diagrammatically in FIGS. 1 and 2
  • a joint cement 10 of a ceramic nature, for example also based on silicon carbide
  • the assembly thus formed can then be machined to take, for example, a round or ovoid section, then covered with a coating cement.
  • the flow F of the exhaust gas enters the filter 1 through the inlet channels 7, then passes through the filtering side walls 8 of these channels to join the outlet channels 6.
  • the propagation of the gases in the filter is illustrated in FIG. 2 by arrows 9.
  • FIG. 3 illustrates a first embodiment of the invention of a block comprising two distinct zones.
  • the channel density, of substantially square section, of a monolithic block is variable between the central portion and the peripheral portion.
  • Monolithic block 30 typically comprises a central portion 31 characterized by a first channel density per unit area and a peripheral portion characterized by a second channel density 32 per unit area greater than that of the central portion.
  • the channel density of the filter is between 6 and 1800 cpsi (channels per square inch, ie between about 1 and about 280 channels per cm 2 ), preferably between 90 and 400 cpsi (ie between about 14 and about 62 channels per cm 2 ).
  • the ratio of cell density between the two zones that is to say the ratio of the cell density in the peripheral part to the central cell density is between 1, 1 and 5.
  • FIG. 4 illustrates another embodiment of the invention in which the geometry of the channels is variable between the central part and the peripheral part.
  • the block 40 conventionally comprises a central portion 41 whose channels have a section whose shape is substantially square and a peripheral portion 42 whose input channels 43 have a section whose shape is in accordance with the teaching of the application WO 2005 / 016491.
  • the wall elements in the peripheral portion 42 follow one another, in cross section and following a horizontal or vertical row of channels, to define a sinusoidal shape or wave (wavy in English), as shown in FIG. 4.
  • the wall elements wave a half-sine period over the width of a channel.
  • the channel density of the central and peripheral parts is identical and is between 6 and 1800 cpsi, preferably between 90 and 400 cpsi.
  • the ratio of the surface of the peripheral portion to the central portion surface is between 1.1 and 5.
  • Filtering structures comprising an assembly of monolithic silicon carbide blocks bonded with a joint cement as illustrated by FIGS. 1 and 2 have been synthesized according to the techniques described in patent EP 1 142 619. More specifically, sixteen filter elements Monolithic square sections are first extruded from an initial mixture of silicon carbide powders, a pore-forming agent of the polyethylene type and an organic binder of the methylcellulose type.
  • the green monoliths obtained by microwave are then dried for a time sufficient to bring the water content not chemically bound to less than 1% by weight.
  • the channels of each face of the monolith are alternately plugged according to well-known techniques, for example described in application WO 2004/065088.
  • the monolithic block is then cooked according to a rise in temperature of 20 ° C./hour until a temperature of the order of 2200 ° C. is reached which is maintained for 5 hours.
  • the elements from the same mixture are then assembled together by bonding with a cement of the following chemical composition: 72% by weight of SiC, 15% by weight of Al 2 ⁇ 3 , 11% by weight of SiO 2 , the the remainder being mainly impurities of Fe 2 O 3 and of alkali and alkaline earth metal oxides.
  • the average thickness of the joint between two adjacent blocks is of the order of 2 mm.
  • the thermal conductivity of the joint cement is of the order of 2.1 W / mK at room temperature and its measured open porosity is about 38%.
  • the assembly is then machined to form assembled cylindrical filters.
  • the filters thus formed have a uniform filtration surface in a radial direction of 0.84 m 2 / liter of filter block.
  • the filter is then impregnated with a catalytic solution comprising platinum, then dried and heated.
  • Example 1 The synthesis technique described in Example 1 is repeated identically, but the die is this time configured to obtain monolithic blocks whose cells have a wavy structure, according to the teaching of the application WO 2005 / 063,462.
  • the monolithic blocks obtained are all identical and are characterized, according to the criteria defined in the application WO 2005/016491, by a ripple asymmetry rate of 7%, a ratio r of the overall volume of the input channels on the overall volume of the outlet channels equal to 1.72, a filtration area of 0.91 m 2 / liter of the filter block and a hydraulic diameter of about 1.83 mm.
  • the filters are impregnated with a catalytic solution comprising platinum according to the same technique as above and in order to deposit the same mass of platinum homogeneously distributed over the different parts of the filter.
  • Example 1 The synthesis technique described in Example 1 is also repeated identically, but the die is this time adapted to produce monolithic blocks whose radial density of cells per unit area at the periphery is greater than the density of cells in the central part of the block, as shown in FIG.
  • the filters are impregnated with a catalytic solution comprising platinum according to the same technique as above and in order to deposit the same mass of platinum homogeneously distributed over the different parts of the filter.
  • Example 2 The synthesis technique described in Example 1 is repeated identically, but the die is this time adapted to produce monolithic blocks whose channel geometry is different between the central portion and the peripheral portion, such as This is illustrated in FIG. 4.
  • the die is configured in such a way that the channels have a square geometry at the center and at the periphery a "wavy" geometry whose characteristic parameters are identical to those described in example 2.
  • the filters are impregnated with a catalytic solution comprising platinum according to the same technique as above and in order to deposit the same mass of platinum homogeneously distributed over the different parts of the filter.
  • FIG. 1 A schematic illustration of the engine bench device used to measure the priming times of the catalytic filters is given in FIG.
  • the device comprises a 2.0 L diesel engine block 50 direct injection fueled by a tank of diesel oil 51.
  • the exhaust gas at the cylinder outlet are combined in a manifold 52 and driven into two exhaust lines 54, 55 connected in parallel .
  • the evacuation of gases via one or the other of the lines is managed by means of a controlled valve 56.
  • the exhaust line 55 comprises the catalytic filter 57 to be analyzed.
  • the distance D1 between the front face of the filter and the end of the collector is of the order of 80 cm.
  • Butterfly valves 58, 59 placed at the output of the lines 54, 55, make it possible to manage the respective head losses of the two lines.
  • the device also comprises various sensors for measuring the temperature (53 and 60), the pressure (61) and the concentration of pollutants HC and CO (62) upstream and downstream of the filter.
  • a test for measuring the filter initiation time by the device as just described was carried out on the filters of Examples 1 to 4 according to the following procedure:
  • the motor is first stabilized at a point of operation characterized by an engine speed of 2200 rpm with a maximum deviation of approximately 2% and a torque of 50 Nm, with a maximum difference of 2%.
  • the line 55 is closed by the valve 56, the exhaust gas passing integrally in the line 54.
  • the butterfly valve 58 placed at the output of the line 54, is ajar at an angle to maintain the following conditions:
  • valve 56 is controlled in such a way that the line 55 is closed and the line 54 open to the passage of all the exhaust gas from the engine block 51 for at least 15 minutes.
  • the valve 56 is then controlled so that the line 54 is closed and the line 55 open to the passage of all the exhaust gas from the engine block 51. It is considered as the initial time To of the starting period of the catalyst, the time corresponding to the tilting of the line and the entry of the gases in the line 55.
  • the curve of evolution of the conversion of pollutants HC and CO is monitored by means of the sensors 62.
  • a sensor is placed upstream of the filter for measuring the concentration of pollutants entering the filter.
  • Four other sensors are arranged downstream of the filter, in the direction of propagation of the gases.
  • the boot time or light off Catalysts corresponding to the time required for the conversion of 50% of the volume of the gases, were thus determined for each of the filters.
  • the results obtained for the filters of Examples 1 to 4, directly comparable, have been reported in Table 2.
  • pressure loss is meant within the meaning of the present invention the differential pressure existing between the upstream and downstream of the filter.
  • the pressure drop was measured according to the techniques of the art, for an air flow rate of 300 m 3 / h in a current of ambient air.
  • the results obtained for the filters of Examples 1 to 4 are reported in Table 2.
  • thermomechanical resistance The filters are mounted on an exhaust line of a 2.0 L direct injection diesel engine running at full power (4000 rpm) for 30 minutes then dismantled and weighed to determine their initial mass. The filters are then reassembled on the engine bench with a speed of 3000 rpm and a torque of 50 Nm for different times to obtain a soot loads of 5 g / liter (by volume of the filter).
  • the filters thus loaded are reassembled on the line to undergo a severe regeneration thus defined: after stabilization at an engine speed of 1700 revolutions / minute for a torque of 95 Nm for 2 minutes, a post-injection is performed with 70 ° phasing for a post-injection flow rate of 18mm 3 / stroke.
  • a post-injection is performed with 70 ° phasing for a post-injection flow rate of 18mm 3 / stroke.
  • the regenerated filters are inspected after cutting to reveal the possible presence of cracks visible to the naked eye.
  • the filter is considered valid (i.e. it has acceptable thermomechanical resistance for use as a particulate filter) if no crack is visible after this test.
  • the initiation time of an assembled catalytic filter is a function of the heat losses occurring at level of the joint cement used for the assembly of monolithic filter blocks.
  • the foregoing examples show that, in the case where the cement has a thermal conductivity greater than 0.3 W / mK at ambient temperature, the increase in the filtration area accessible to the polluted gases at the periphery of the blocks makes it possible, according to invention to homogenize the initiation time within the monolithic elements and then significantly reduce the overall priming time of the filter.
  • the increase in the filtration area of the The center of the blocks towards the periphery of the blocks may according to the invention be modulated according to any technique known to those skilled in the art.
  • this increase can be gradual from the center to the periphery, by gradually acting on at least one of the parameters included in the group consisting of the geometry of the channels, the radial density of channels or the thickness of the walls of the channels.
  • any adaptation in combination of two or even of these three parameters, making it possible to obtain a better homogeneity of the initiation time within a monolithic block is included within the scope of the present invention.

Landscapes

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Abstract

L'invention se rapporte à un filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse,comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, ledit filtre se caractérisant en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale de la portion centrale desdits blocs.

Description

FILTRE CATALYTIQUE PRESENTANT UN TEMPS D'AMORÇAGE REDUIT
L'invention se rapporte au domaine des filtres à particules notamment utilisés dans une ligne d'échappement d'un moteur pour l'élimination des suies produites par la combustion d'un carburant diesel dans un moteur à combustion interne. Plus précisément, l'invention porte sur un filtre à particules incorporant une composante lui conférant des propriétés catalytiques, ainsi qu'à une méthode de fabrication de celui-ci.
Les structures de filtration pour les suies contenues dans les gaz d'échappement de moteur à combustion interne sont bien connues de l'art antérieur. Ces structures présentent le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à filtrer et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement filtrés. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses de filtration, lesquels conduits sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s ' ouvrant suivant la face d'admission et des chambres de sortie s ' ouvrant suivant la face d'évacuation. Pour une bonne étanchéité, la partie périphérique de la structure est le plus souvent entourée d'un ciment de revêtement. Les canaux sont alternativement obturés dans un ordre tel que les gaz d'échappement, au cours de la traversée du corps en nid d'abeille, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux d'entrée pour rejoindre les canaux de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent et s'accumulent sur les parois poreuses du corps filtrant. Le plus souvent, les corps filtrants sont en matière céramique poreuse, par exemple en cordiérite ou en carbure de silicium.
De façon connue, durant sa mise en œuvre, le filtre à particules est soumis à une succession de phases de filtration (accumulation des suies) et de régénération (élimination des suies) . Lors des phases de filtration, les particules de suies émises par le moteur sont retenues et se déposent à l'intérieur du filtre. Lors des phases de régénération, les particules de suie sont brûlées à l'intérieur du filtre, afin de lui restituer ses propriétés de filtration. La structure poreuse est alors soumise à des contraintes thermo-mécaniques intenses, qui peuvent entraîner des micro-fissurations susceptibles sur la durée d'entraîner une perte sévère des capacités de filtration de l'unité, voire sa désactivation complète. Ce phénomène est particulièrement observé sur des filtres monolithiques de grand diamètre. Il a en effet été observé, en fonctionnement dans une ligne d'échappement, que le gradient thermique entre le centre et la périphérie de telles structures est d'autant plus élevé que les dimensions du monolithe sont importantes.
Pour résoudre ces problèmes et augmenter la durée de vie des filtres, il a été proposé plus récemment des structures de filtration associant plusieurs blocs ou éléments monolithiques en nid d'abeille. Les éléments sont le plus souvent assemblés entre eux par collage au moyen d'une colle ou d'un ciment de nature céramique, appelés dans la suite de la description ciment de joint. Des exemples de telles structures filtrantes sont par exemple décrits dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923, WO 2004/090294 ou encore WO 2005/063462. Afin d'assurer une meilleure relaxation des contraintes dans une structure assemblée, il est connu que les coefficients de dilatation thermique des différentes parties de la structure (éléments de filtration, ciment de revêtement, ciment de joint) doivent être sensiblement du même ordre. De ce fait, lesdites parties sont avantageusement synthétisées sur la base d'un même matériau, le plus souvent le carbure de silicium SiC ou la cordiérite. Ce choix permet en outre d'homogénéiser la répartition de la chaleur lors de la régénération du filtre. Par l'expression « à la base d'un même matériau », on entend au sens de la présente description que le matériau est constitué d'au moins 25% poids, de préférence d'au moins 45% poids et de manière très préférée d'au moins 70% poids dudit matériau. Au sens de la présente invention, le choix d'utiliser un même matériau de base pour les différentes parties du filtre ne doit cependant pas être considéré comme le seul mode avantageux et d'autres mises en œuvre comprenant notamment l'association de différents matériaux sont également comprises dans le cadre de la présente invention.
Pour améliorer la résistance thermomécanique des filtres, la demande de brevet EP 1 413 344 propose des éléments dont la partie centrale présente une capacité calorifique plus élevée que la partie périphérique, grâce à des épaisseurs de paroi de cellules plus forte en périphérie qu'au centre d'un élément. Une telle configuration permet, selon cet art antérieur, de réduire les contraintes thermiques sur le filtre pendant les phases de régénération, c'est-à-dire lorsque le filtre est porté à une température proche de 6000C (45O0C en présence de certains additifs dans le gazole) . Selon cet art antérieur, la surface de filtration accessible pour les gaz est donc plus restreinte en périphérie de l'élément qu'au centre de celui-ci.
Egalement dans le but de réduire les contraintes thermomécaniques apparaissant lors des phases de régénération, on connaît de la demande de brevet WO 02/081878 des blocs de filtration des particules solides de suie comportant au moins deux zones de surface de filtration différentes .
Les filtres ou structures de filtration poreuses des suies tels que précédemment décrits sont principalement utilisés à grande échelle dans les dispositifs de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique diesel. Dans ce type d'application, il est par ailleurs connu que l'introduction d'un filtre à particules tel que précédemment décrit dans la ligne d'échappement du moteur entraine une perte de charge susceptible d'altérer les performances de celui-ci. Le filtre doit en conséquence être adapté pour éviter une telle altération.
En plus du problème de traitement des suies, la transformation des émissions polluantes en phase gazeuse (c'est à dire principalement le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) voire les oxydes d'azote (NOx) ou de soufre (SOx) ) en des gaz moins nocifs (tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2) ou l'azote gazeux (N2) ) nécessite un traitement catalytique supplémentaire. Les filtres actuels les plus évolués présentent ainsi de surcroit une composante catalytique. Selon les procédés classiquement utilisés, la fonction catalytique est obtenue par imprégnation de la structure en nid d'abeille par une solution comprenant le catalyseur ou un précurseur du catalyseur, généralement à base d'un métal précieux du groupe du platine.
De tels filtres catalytiques sont très efficaces dans le traitement des gaz polluants dès lors que la température atteinte au sein du filtre est supérieure à la température d'amorçage du catalyseur, souvent appelé dans le métier selon le terme anglais température de light off du catalyseur. Cette température est le plus souvent définie, dans des conditions de pression et de débit gazeux donnés, comme la température pour laquelle un catalyseur convertit 50 % en volume des gaz polluants HC et CO. Suivant les conditions de pression et de débit gazeux, cette température varie généralement, pour un filtre à base de SiC comprenant le catalyseur à base d'un métal noble de la famille du platine classiquement utilisé, entre environ 1000C et environ 24O0C.
Lorsque la température du catalyseur est inférieure à la température de light off, les taux de conversion sont extrêmement faibles, ce qui explique que la majorité des émissions gazeuses polluantes issues des moteurs actuels ait lieu au démarrage à froid, plus particulièrement pendant les premières minutes d'utilisation du véhicule. Cette période correspond en première approximation au temps nécessaire au filtre froid pour atteindre sensiblement, en moyenne et dans tout son volume, la température de light off du catalyseur. Au sens de la présente description, ladite période est définie, par analogie avec la température de light off précédemment décrite, comme le temps d'amorçage ou de light off et est caractéristique d'un filtre donné et du catalyseur utilisé .
Rapporté au nombre de véhicules en circulation, il est bien évident qu'une diminution même minime de ce temps, par exemple de l'ordre de la seconde, permettrait de réduire de façon très sensible les émissions polluantes gazeuses et se traduirait ainsi par un progrès technique considérable.
Il est cependant essentiel qu'une telle diminution n'entraîne pas de dégradation sensible des autres propriétés caractérisant le filtre en fonctionnement, c'est-à-dire principalement la perte de charge engendrée dans la ligne d'échappement et la résistance thermomécanique, telles qu'elles ont été précédemment définies. L'invention se rapporte à un filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse, présentant un temps de light off ou d'amorçage réduit, tout en maintenant une perte de charge et une résistance thermomécanique le rendant apte à son utilisation dans une ligne d'échappement. Plus précisément, le filtre catalytique comprend une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K. Les blocs comprennent un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits étant obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée s ' ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie s ' ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses. Ledit filtre se caractérise en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale d'une portion centrale desdits blocs. Bien évidemment, lesdites portions périphérique et centrale, pour être comparables, présentent une taille similaire, c'est-à-dire un volume identique, mais se différentient par une surface de filtration des gaz différente, à l'intérieur dudit même volume.
Au sens de la présente description, on entend par surface de filtration totale d'une portion centrale ou périphérique d'un bloc monolithe, la surface totale des parois comprises dans l'élément de volume constituant ladite portion centrale ou périphérique et permettant la filtration des gaz entrants dans ledit bloc. Selon un mode préféré, lesdits éléments et le ciment de joint sont à base d'un même matériau céramique, préférentiellement à base de carbure de silicium SiC.
En général, l'épaisseur du joint entre les blocs est comprise entre 0,1 mm et 6 mm, de préférence entre 0,1 et 3 mm.
Le ciment de joint présente typiquement une conductivité thermique comprise entre 0,3 et 20 W/m.K, de préférence entre 1 et 5 W/m.K.
Selon un mode de réalisation particulier du filtre catalytique selon l'invention, la densité des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la densité des canaux de la portion centrale des blocs . De préférence dans ce cas, l'épaisseur des parois des canaux de la portion périphérique des blocs est inférieure à l'épaisseur des parois des canaux de la portion centrale des blocs.
Selon un autre mode de réalisation particulier du filtre catalytique selon l'invention, la surface d'ouverture des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la surface d'ouverture des canaux de la portion centrale des blocs .
Par exemple, les canaux présents dans la portion centrale des blocs présentent une section sensiblement carrée et les canaux de la portion périphérique des blocs se caractérisent par une forme en vague.
Typiquement, selon l'invention, le rapport de la surface de filtration de la portion périphérique sur la surface de filtration de la portion centrale est compris entre 1,1 et 5.
L'augmentation de surface de filtration du centre vers la périphérie du bloc, dans les filtres catalytiques selon l'invention, peut être obtenue soit par la présence d'au moins deux zones distinctes avantageusement concentriques dont les surfaces de filtration respectives sont différentes, soit par une augmentation graduelle de ladite surface sur toute la section du bloc.
L'invention se rapporte également à la filière d'extrusion conformée de manière à former, par extrusion d'une matière céramique, un bloc monolithique pourvu de canaux pour la fabrication d'un filtre catalytique tel que précédemment décrit.
L'invention se rapporte en outre à une méthode de fabrication d'un filtre catalytique comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, dans lequel on ajuste la géométrie des canaux et/ou leur densité et/ou l'épaisseur des parois des canaux, entre la partie centrale et la partie périphérique, pour diminuer le temps d'amorçage de la réaction de conversion des gaz.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de différents modes de réalisations de l'invention qui suivent, respectivement illustrés par les figures 1 à 4.
La figure 1 schématise une vue de la face amont d'un filtre assemblé selon l'art antérieur.
La figure 2 est une vue en coupe selon l'axe X-X' du filtre de la figure 1, placé dans une enveloppe métallique.
La figure 3 représente en perspective un bloc monolithique suivant la face amont d'introduction des gaz, conformément à un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 représente en perspective un bloc monolithique suivant la face amont d'introduction des gaz, conformément à un deuxième mode de réalisation de 1' invention . θ
La figure 5 est une illustration schématique du dispositif utilisé pour mesurer les temps d'amorçage des filtres catalytiques .
Les figures 1 et 2 décrivent un filtre assemblé 1 selon l'art antérieur. De façon connue, le filtre est obtenu par assemblage de blocs monolithiques 2. Les blocs monolithiques 2 sont eux-mêmes obtenus par extrusion d'une pâte meuble, par exemple en carbure de silicium, pour former une structure poreuse en nid d'abeille.
Sans que cela puisse être considéré comme restrictif, la structure poreuse extrudée sous forme de blocs monolithiques a sur les figures 1 à 4 la forme d'un parallélépipède rectangle s ' étendant selon un axe longitudinal entre deux faces amont 3 et aval 4 sensiblement carrées sur lesquelles débouchent une pluralité de canaux adjacents, rectilignes et parallèles à l'axe longitudinal.
Les structures poreuses extrudées sont alternativement bouchées sur leur face amont 3 ou sur leur face aval 4 par des bouchons amont et aval 5, pour former respectivement des canaux de sortie 6 et des canaux d'entrée 7.
Chaque canal 6 ou 7 définit ainsi un volume intérieur délimité par des parois latérales 8, un bouchon d'obturation 5 disposé soit sur la face amont, soit sur la face aval et une ouverture débouchant alternativement vers la face aval ou la face amont, de telle façon que les canaux d'entrée et de sortie sont en communication de fluide par les parois latérales 8.
Les 16 blocs monolithes sont assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de joint 10 de nature céramique, par exemple également à base de carbure de silicium, en une structure de filtration ou filtre assemblé telle que schématisé sur les figures 1 et 2. L'assemblage ainsi constitué peut être ensuite usiné pour prendre, par exemple, une section ronde ou ovoïde, puis recouvert d'un ciment de revêtement .
Il en résulte un filtre assemblé apte à être inséré dans une ligne d'échappement 11, selon des techniques bien connues .
En fonctionnement, le flux F des gaz d'échappement entre dans le filtre 1 par les canaux d'entrée 7, puis traverse les parois latérales filtrantes 8 de ces canaux pour rejoindre les canaux de sortie 6. La propagation des gaz dans le filtre est illustrée sur la figure 2 par des flèches 9.
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention d'un bloc comprenant deux zones distinctes. Selon ce mode, la densité de canaux, de section sensiblement carrée, d'un bloc monolithe est variable entre la partie centrale et la partie périphérique.
Le bloc monolithe 30 comprend classiquement une partie centrale 31 caractérisée par une première densité de canaux par unité de surface et une partie périphérique caractérisée par une deuxième densité de canaux 32 par unité de surface supérieure à celle de la partie centrale.
Typiquement, selon ce mode, la densité de canaux du filtre est comprise entre 6 et 1800 cpsi (canaux par inch carré, soit entre environ 1 et environ 280 canaux par cm2) , de préférence entre 90 et 400 cpsi (soit entre environ 14 et environ 62 canaux par cm2) .
Par exemple, selon ce mode de réalisation, le rapport de densité de cellules entre les deux zones, c'est-à-dire le rapport de la densité de cellules en partie périphérique sur la densité de cellules en partie centrale est compris entre 1,1 et 5.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la géométrie des canaux est variable entre la partie centrale et la partie périphérique. Le bloc 40 comprend classiquement une partie centrale 41 dont les canaux présentent une section dont la forme est sensiblement carrée et une partie périphérique 42 dont les canaux d'entrée 43 présentent une section dont la forme est conforme à l'enseignement de la demande WO 2005/016491. Selon ce mode, les éléments de paroi dans la partie périphérique 42 se succèdent, en coupe transversale et en suivant un rang horizontal ou vertical de canaux, pour définir une forme sinusoïdale ou en vague (wavy en anglais) , telle que représentée sur la figure 4. Les éléments de paroi ondulent d'une demi période de sinusoïde sur la largeur d'un canal.
Typiquement, selon ce mode, la densité de canaux des parties centrale et périphérique est identique et est comprise entre 6 et 1800 cpsi, de préférence entre 90 et 400 cpsi .
Selon ce mode, sur la face amont du bloc de la figure 4, le rapport de la surface de la partie périphérique sur la surface de partie centrale est compris entre 1,1 et 5.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent, donnés à titre purement illustratif .
Exemple 1 (selon l'art antérieur) :
On a synthétisé des structures filtrantes comprenant un assemblage de blocs monolithes en carbure de silicium liés par un ciment joint tel qu'illustré par les figures 1 et 2, selon les techniques décrites dans le brevet EP 1 142 619. Plus précisément, seize éléments filtrants monolithiques de section carrée sont d'abord extrudés, à partir d'un mélange initial de poudres de carbure de silicium, d'un agent porogène du type polyéthylène et d'un liant organique du type méthylcellulose .
On ajoute au mélange initial de l'eau et on malaxe jusqu'à obtenir une pâte homogène et dont la plasticité permet l'extrusion à travers une filière de structures monolithiques en nid d'abeille dont les caractéristiques dimensionnelles sont données dans le tableau 1 ci-après. La filière utilisée est configurée de manière classique pour que tous les canaux du bloc monolithe obtenu en sortie de filière soient sensiblement de mêmes dimensions et forme.
On sèche ensuite les monolithes crus obtenus par microonde pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1 % en masse. On bouche alternativement les canaux de chaque face du monolithe selon des techniques bien connues, par exemple décrites dans la demande WO 2004/065088.
Le bloc monolithe est ensuite cuit selon une montée en température de 20°C/heure jusqu'à atteindre une température de l'ordre de 22000C qui est maintenue pendant 5 heures.
Les éléments issus d'un même mélange sont ensuite assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de composition chimique suivante : 72% poids de SiC, 15% poids d'Al2θ3, 11% poids de SiO2, le reste étant constitué par des impuretés majoritairement de Fe2Û3 et d'oxydes de métaux alcalins et alcalino-terreux. L'épaisseur moyenne du joint entre deux blocs voisins est de l'ordre de 2 mm. La conductivité thermique du ciment de joint est de l'ordre de 2,1 W/m.K à la température ambiante et sa porosité ouverte mesurée est d'environ 38%.
L'ensemble est ensuite usiné, afin de constituer des filtres assemblés de forme cylindrique.
Les filtres ainsi constitués présentent une surface de filtration uniforme selon une direction radiale de 0,84 m2 /litre de bloc filtrant.
Selon les techniques classiques de dépôt du catalyseur de conversion des gaz polluants, le filtre est ensuite imprégné par une solution catalytique comprenant du platine, puis séché et chauffé. L'analyse chimique montre une concentration en Pt totale de 40 g/ft3 (1 g/ft3 = 0,035 kg/m3), soit 3,46 grammes répartis de façon homogène sur les différentes parties du filtre.
Exemple 2 (selon l'art antérieur) :
La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est reprise à l'identique, mais la filière est cette fois configurée pour l'obtention de bloc monolithes dont les cellules présentent une structure wavy, conformément à l'enseignement de la demande WO 2005/063462.
Les blocs monolithes obtenus sont tous identiques et se caractérisent, selon les critères définis dans la demande WO 2005/016491, par un taux d'asymétrie de l'ondulation de 7%, un rapport r du volume global des canaux d'entrée sur le volume global des canaux de sortie égal à 1,72, une surface de filtration de 0,91 m2/litre du bloc filtrant et un diamètre hydraulique d'environ 1,83 mm.
Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre.
Les principales caractéristiques des filtres obtenus après assemblage de ces blocs sont reportées dans le tableau 1.
Exemple 3 (selon l'invention):
La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes dont la densité radiale de cellules par unité de surface en périphérie est supérieure à la densité de cellules dans la partie centrale du bloc, tel que cela est illustré par la figure 3. Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre.
Les principales caractéristiques des filtres assemblés obtenus selon cet exemple sont reportées dans le tableau 1.
Exemple 4 (selon l'invention) :
La technique de synthèse décrite dans l'exemple 1 est reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes dont la géométrie des canaux est différente entre la partie centrale et la partie périphérique, tel que cela est illustré par la figure 4. La filière est configurée de telle manière que les canaux présentent une géométrie carrée au centre et en périphérie une géométrie « wavy » dont les paramètres caractéristiques sont identiques à ceux décrits dans 1' exemple 2.
Les filtres sont imprégnés par une solution catalytique comprenant du platine selon la même technique que précédemment et de manière à déposer la même masse de platine repartie de façon homogène sur les différentes parties du filtre.
Les principales caractéristiques des filtres assemblés obtenus selon cet exemple sont reportées dans le tableau 1.
Tableau 1
Les échantillons des exemples 1 à 4 ainsi obtenus ont été évalués selon trois tests différents : A- Mesure du temps de light off :
Une illustration schématique du dispositif sur banc moteur utilisé pour mesurer les temps d'amorçage des filtres catalytiques est donnée sur la figure 5.
Le dispositif comprend un bloc moteur 2.0 L diesel 50 à injection directe alimenté par un réservoir de gasoil 51. Les gaz d'échappement en sortie des cylindres sont réunis dans un collecteur 52 et entraînés dans deux lignes d'échappement 54, 55 montées en parallèle. L'évacuation des gaz par l'intermédiaire de l'une ou l'autre des lignes est gérée au moyen d'une vanne commandée 56. La ligne d'échappement 55 comprend le filtre catalytique 57 à analyser. La distance Dl entre la face avant du filtre et l'extrémité du collecteur est de l'ordre de 80 cm. Des vannes papillons 58, 59, placées en sortie des lignes 54, 55, permettent de gérer les pertes de charge respectives des deux lignes. Le dispositif comprend également différents capteurs permettant de mesurer la température (53 et 60) , la pression (61) ainsi que la concentration des polluants HC et CO (62) en amont et en aval du filtre.
Un test de mesure du temps d'amorçage des filtres par le dispositif tel qu'il vient d'être décrit a été effectué sur les filtres des exemples 1 à 4 selon la procédure suivante : Le moteur est d'abord stabilisé à un point de fonctionnement caractérisé par un régime moteur de 2200tr/min suivant un écart maximum d'environ 2% et un couple de 50 Nm, avec un écart maximal de 2%. La ligne 55 est fermée par la vanne 56, les gaz d'échappements passant intégralement dans la ligne 54. La vanne papillon 58, placée en sortie de la ligne 54, est entrouverte selon un angle permettant de maintenir les conditions suivantes :
- une variation de température, mesurée par le capteur 53, de ± 60C. - un écart de pression mesurée par les capteurs 61a et 61b de 60 ± 1,8 mbars (1 bar = 105 Pa),
- une variation du débit gazeux de 150 ± 4,5 Kg/h, mesurée par un débitmètre en amont du collecteur d'admission.
Il est ensuite procédé de la même manière sur la ligne 55, la ligne 54 étant fermée par la vanne 56 et les gaz d'échappements passant intégralement dans la ligne 55. La vanne papillon 59 placée en sortie de la ligne 55 est entrouverte selon un angle permettant de maintenir les mêmes conditions que précédemment décrites :
- variation et écart de Température de part et d' autre du filtre ± 60C, mesurée par les capteurs 60,
- écart de pression mesurée par les capteurs 61a et 61c de 60 ± 1,8 mbar,
- variation du débit gazeux : de 150 ± 4,5 Kg/h, mesurée par un débitmètre en amont du collecteur d'admission.
Après la stabilisation ainsi obtenue des paramètres moteurs, la vanne 56 est commandée de telle manière que la ligne 55 soit obturée et la ligne 54 ouverte au passage de l'ensemble des gaz d'échappement issu du bloc moteur 51 pendant au moins 15 minutes.
La vanne 56 est ensuite commandée de telle manière que la ligne 54 soit obturée et la ligne 55 ouverte au passage de l'ensemble des gaz d'échappement issu du bloc moteur 51. On considère comme temps initial To de la période d'amorçage du catalyseur, le temps correspondant au basculement de ligne et l'entrée des gaz dans la ligne 55. La courbe d'évolution de la conversion des polluants HC et CO est suivie par l'intermédiaire des capteurs 62. Un capteur est placé en amont du filtre pour mesurer la concentration des polluants en entrée du filtre. Quatre autres capteurs, dont les positions sont indiquées sur la figure 1 par les lettres A à D, sont disposés en aval du filtre, dans le sens de propagation des gaz. Le temps d'amorçage ou de light off des catalyseurs, correspondant au temps nécessaire à la conversion de 50% du volume des gaz, a été ainsi déterminé pour chacun des filtres . Les résultats obtenus pour les filtres des exemples 1 à 4, directement comparables, ont été reportés dans le tableau 2.
B- Mesure de la perte de charge :
Par perte de charge, on entend au sens de la présente invention la pression différentielle existant entre l'amont et l'aval du filtre. La perte de charge a été mesurée selon les techniques de l'art, pour un débit d'air de 300 m3/h dans un courant d'air ambiant. Les résultats obtenus pour les filtres des exemples 1 à 4 sont reportés dans le tableau 2.
C- Mesure de la résistance thermomécanique : Les filtres sont montés sur une ligne d'échappement d'un moteur 2.0 L diesel à injection directe mis en marche à pleine puissance (4000 tr/minutes) pendant 30 minutes puis démontés et pesés afin de déterminer leur masse initiale. Les filtres sont ensuite remontés sur banc moteur avec un régime à 3000 tr/min et un couple de 50 Nm pendant des durées différentes afin d'obtenir une charges en suies de 5 g/litre (en volume du filtre) .
Les filtres ainsi chargés sont remontés sur la ligne pour subir une régénération sévère ainsi définie : après une stabilisation à un régime moteur de 1700 tours/minute pour un couple de 95 Nm pendant 2 minutes, une post-injection est réalisée avec 70° de phasage pour un débit de post injection de 18mm3/coup. Une fois la combustion des suies initiée, plus précisément lorsque la perte de charge diminue pendant au moins 4 secondes, le régime du moteur est abaissé à 1050 tours/minute pour un couple de 40 Nm pendant 5 minutes afin d'accélérer la combustion des suies. Le filtre est ensuite soumis à un régime moteur de 4000 tours/minute pendant 30 minutes afin d'éliminer les suies restantes.
Les filtres régénérés sont inspectés après découpe pour révéler la présence éventuelle de fissures visibles à l'œil nu. Le filtre est jugé valide (c'est-à-dire qu'il présente une résistance thermomécanique acceptable pour une utilisation comme filtre à particules) si aucune fissure n'est visible après ce test.
Les principales données d'analyse et d'évaluation des filtres obtenus selon les exemples 1 à 4 sont reportées dans le tableau 2.
Tableau 2 Tous les filtres présentent une tenue thermomécanique acceptable .
La comparaison des différents résultats reportés dans le tableau 2 indique que les temps de light off mesurés pour les filtres catalytiques assemblés selon l'invention sont sensiblement homogènes dans toutes les parties du filtre. En particulier, l'écart entre le temps d'amorçage mesuré entre la périphérie d'un bloc et celui mesuré dans sa partie centrale est inférieur à 10 secondes, quelque soit la position du bloc dans le filtre assemblé, ce qui n'avait pas encore été observé jusqu'ici.
Cette propriété inédite se traduit par un temps d'amorçage global du filtre selon l'invention très sensiblement diminué, la perte de charge engendrée par une telle disposition n'étant par ailleurs pas sensiblement détériorée.
Les essais menés par le demandeur ont montré que le temps d'amorçage d'un filtre catalytique assemblé, mesuré comme la période nécessaire au filtre froid pour atteindre une température permettant une conversion acceptable des espèces gazeuses polluantes, est fonction des pertes calorifiques se produisant au niveau du ciment de joint utilisé pour l'assemblage des blocs monolithiques filtrants. Les exemples qui précèdent montrent que, dans le cas où le ciment présente une conductivité thermique supérieure à 0,3 W/m.K à la température ambiante, l'augmentation de la surface de filtration accessible aux gaz pollués en périphérie des blocs permet selon l'invention d'homogénéiser le temps d'amorçage au sein des éléments monolithiques et de diminuer alors de façon très sensible le temps d'amorçage global du filtre.
Bien entendu l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui précédent et d'autre modes sont possibles. En particulier, l'augmentation de la surface de filtration du centre des blocs vers la périphérie des blocs peut selon l'invention être modulée selon toute technique connue de l'homme du métier. Par exemple, cette augmentation peut être graduelle du centre vers la périphérie, en agissant graduellement sur au moins un des paramètres compris dans le groupe constitué par la géométrie des canaux, la densité radiale de canaux ou l'épaisseur des parois des canaux. En particulier toute adaptation en combinaison de deux ou même de ces trois paramètres, permettant d'obtenir une meilleure homogénéité du temps d'amorçage au sein d'un bloc monolithe, est comprise dans le cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Filtre catalytique pour le traitement d'un gaz chargé en particules de suies et de polluants en phase gazeuse, comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, lesdits blocs comprenant un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesquels conduits étant obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée s ' ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie s ' ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses, ledit filtre se caractérisant en ce qu'au moins les blocs monolithiques placés dans la partie centrale du filtre, de préférence l'ensemble des blocs monolithiques, présentent suivant une direction radiale une portion périphérique dont la surface de filtration totale est supérieure à la surface de filtration totale d'une portion centrale desdits blocs .
2. Filtre catalytique selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments et le ciment de joint sont à base d'un même matériau céramique, préférentiellement à base de carbure de silicium SiC.
3. Filtre catalytique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'épaisseur du joint entre les blocs est comprise entre 0,1 mm et 6 mm, de préférence entre 0,1 et 3 mm.
4. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le ciment de joint présente une conductivité thermique comprise entre 0,3 et 20 W/m.K de préférence entre 1 et 5 W/m.K.
5. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la densité des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la densité des canaux de la portion centrale des blocs.
6. Filtre catalytique selon la revendication 5 dans lequel l'épaisseur des parois des canaux de la portion périphérique des blocs est inférieure à l'épaisseur des parois des canaux de la portion centrale des blocs.
7. Filtre catalytique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface d'ouverture des canaux de la portion périphérique des blocs est supérieure à la surface d'ouverture des canaux de la portion centrale des blocs .
8. Filtre catalytique selon la revendication 7 dans lequel les canaux présents dans la portion centrale des blocs présentent une section sensiblement carrée et dans laquelle les canaux de la portion périphérique des blocs se caractérisent par une forme en vague.
9. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins deux zones distinctes avantageusement concentriques dont les surfaces de filtration respectives sont différentes.
10. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rapport de la surface d'une portion périphérique sur la surface d'une portion centrale est compris entre 1,1 et 5.
11. Filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'augmentation de surface de filtration est graduelle du centre vers la périphérie du bloc .
12. Filière d'extrusion conformée de manière à former, par extrusion d'une matière céramique, un bloc monolithique pourvu de canaux convenant à la fabrication d'un filtre catalytique selon l'une des revendications précédentes.
13. Méthode de fabrication d'un filtre catalytique selon l'une des revendications 1 à 11 comprenant une pluralité de blocs monolithiques en nid d'abeille reliés entre eux par un ciment de joint dont la conductivité thermique est supérieure à 0,3 W/m.K, dans lequel on ajuste la géométrie des canaux et/ou leur densité et/ou l'épaisseur des parois des canaux, entre la partie centrale et la partie périphérique, pour diminuer le temps d'amorçage de la réaction de conversion des gaz.
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