FR2822893A1 - Systeme de traitement des gaz d'echappement - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un système de traitement (10) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion qui comporte un filtre à particules électrostatique (16), qui est traversé par le flux des gaz d'échappement, et qui comprend une première et une seconde électrodes (18, 20) dont chacune est reliée à une borne différente d'une première source de courant (24), du type qui comprend une doublure tubulaire de rétention (30) des particules qui recouvre la paroi tubulaire interne de la première électrode (18) de façon que, les particules qui traversent le filtre (16) sont attirées par la première électrode (18) et sont retenues par la doublure (30) de rétention, caractérisé en ce que le filtre (16) à particules comporte des moyens pour le régénérer périodiquement par combustion des particules retenues par la doublure (30) de rétention.
Description
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"Système de traitement des gaz d'échappement" L'invention propose un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion.
L'invention propose plus particulièrement un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion qui comporte un filtre à particules.
Les moteurs diesel et certains moteurs à essence émettent des substances polluantes telles que des particules. Les particules sont des suies sur lesquelles sont fixés des hydrocarbures imbrûlés insolubles. En effet, lors de la combustion du carburant, certaines zones de la chambre de combustion contiennent un mélange air-carburant trop riche en carburant. La combustion est alors incomplète par manque local d'oxygène.
Cela a pour conséquence la formation de particules. Elles se traduisent par des fumées noires polluantes. Pour des raisons de respect de l'environnement, il est nécessaire de diminuer fortement, voire de supprimer ces particules.
On connaît des systèmes de traitement des gaz d'échappement qui permettent de diminuer les substances polluantes, notamment les émissions de particules.
Les catalyseurs d'oxydation permettent de réduire ces fumées. Cependant leur efficacité n'est pas suffisante.
Pour traiter ces particules, une autre méthode consiste à les filtrer à l'aide d'un filtre appelé filtre à particules ayant une structure"nid d'abeille". Ce dernier se colmate, ce qui provoque une perte de charge dans la conduite d'échappement et par conséquent une baisse des performances du moteur. Il est donc nécessaire de régénérer périodiquement le filtre à particules.
Pour provoquer la combustion des particules, il faut les porter à une température d'environ 450 à 550oC. Cependant, les gaz d'échappement des moteurs, notamment des moteurs diesel, n'atteignent pas cette température puisque par exemple en ville, celle-ci varie entre 150 et 350oC. Il faut alors augmenter spécifiquement la température des gaz d'échappement lors de la
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phase de régénération de façon qu'ils atteignent la température de combustion des particules dans le filtre à particules.
Différents systèmes sont proposés dans l'état de la technique.
Des systèmes proposent d'augmenter la température des gaz échappement par l'injection d'une quantité supplémentaire de carburant dans au moins une des chambres de combustion du moteur sous la forme d'une post-injection. Une partie de cette quantité de carburant supplémentaire s'enflamme en produisant une augmentation de la température des gaz d'échappement. De tels systèmes provoquent une augmentation de la consommation du moteur en carburant.
Des systèmes de chauffage par résistance électrique, notamment par des grilles chauffantes électriques, permettent aussi de porter la température des gaz échappement à une valeur suffisante pour provoquer la combustion des particules dans le filtre. Cependant, ces systèmes nécessitent une puissance électrique importante pour assurer le chauffage de l'ensemble du débit des gaz d'échappement issu du moteur. De plus, ils complexifient la ligne d'échappement par l'ajout de l'élément chauffant, ainsi que de ses moyens d'alimentation et de commande.
Dans les deux cas les systèmes proposés nécessitent un apport supplémentaire d'énergie sous forme de carburant ou d'électricité, ce qui augmente la consommation du moteur en carburant.
Il est aussi connu de diminuer la température de combustion des particules par ajout dans le carburant d'additifs catalytiques de combustion tels que le cérium. Cela nécessite un dosage précis des additifs ainsi qu'un réservoir spécifique. Par conséquent l'ajout d'additifs dans le carburant augmente fortement le coût de la dépollution. De plus, l'accumulation d'additifs et/ou de leurs oxydes dans le filtre entraîne un bouchage irréversible de celui-ci et nécessite une intervention de
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remplacement du filtre tous les 80 000 kilomètres. La durée de vie d'un tel système est alors insuffisante.
La société RECYCL'AIR fournit une alternative. En effet, elle propose un système de filtration électrostatique.
Le principe de la séparation des gaz d'échappement et des particules qu'il contient repose sur l'ionisation des particules dans un champ électrique intense créé entre deux électrodes. Les particules sont ainsi stockées sur un tissu qui est positionné entre les deux électrodes. Un tel système de filtration a un coût de réalisation inférieur à celui des systèmes à structure"nid d'abeille". De plus, l'accumulation de suies ne provoque pas d'augmentation de perte de charge et par conséquent n'entraîne pas de baisse de performances du moteur.
Cependant, lorsque le tissu est saturé de particules il doit être remplacé par un tissu neuf. Cette opération nécessite un démontage du filtre et donc une immobilisation du véhicule. Ainsi, le coût de fonctionnement de ce système est élevé.
De façon à résoudre ces problèmes, l'invention propose un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion qui comporte un filtre à particules électrostatique qui est agencé dans la ligne d'échappement, qui est traversé par le flux des gaz d'échappement, et qui comprend une première et une seconde électrode dont chacune est reliée à une borne différente d'une première source de courant, du type dans lequel le flux des gaz circule dans la première électrode qui est tubulaire et dont la seconde électrode s'étend sensiblement axialement au centre de la première électrode, et du type qui comprend une doublure tubulaire de rétention des particules qui recouvre la paroi tubulaire interne de la première électrode de façon que, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre les deux électrodes alimentées par la première source de courant, les particules qui traversent le filtre sont attirées par la première électrode et sont retenues par la doublure de rétention, caractérisé en ce que le filtre à particules comporte des moyens
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pour le régénérer périodiquement par combustion des particules retenues par la doublure de rétention.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la doublure de rétention est en matériau conducteur de l'électricité et, lors de la phase de régénération, elle est alimentée électriquement par une seconde source de courant de façon à la chauffer à une température supérieure à la température de combustion des particules et à provoquer la combustion des particules retenues ; - la doublure de rétention comporte un tissu métallique ; - la doublure de rétention comporte des fibres conductrices électriques solidaires entre elles, telles qu'un feutre métallique ; - au moins la première source de courant comporte une batterie d'accumulateurs ; - au moins la première source de courant comporte l'alternateur du véhicule ; - l'une au moins des sources de courant comporte un condensateur ; - la première et la seconde source de courant sont une source de courant commune ; - la régénération du filtre à particules est déclenchée en fonction de la quantité de particules retenues par la doublure de rétention ; - la première électrode est un tronçon de la tubulure d'échappement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion équipée d'un système de traitement des gaz d'échappement réalisé conformément aux enseignements de l'invention ;
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- la figure 2 représente schématiquement en détail et en perspective le système de traitement des gaz échappement réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; - la figure 3 représente une section transversale du système de traitement des gaz d'échappement réalisé conformément aux enseignements de l'invention, selon la ligne 3- 3 de la figure 1 ; - la figure 4 représente de façon schématique l'alimentation électrique du système de traitement des gaz échappement permettant son fonctionnement et sa régénération ; - la figure 5 représente en détail et en perspective une extrémité d'une doublure tubulaire de rétention des particules sur laquelle sont fixées des électrodes.
On a représenté sur la figure 1 un système de traitement 10 des gaz d'échappement G d'un moteur à combustion 12. Le moteur 12 est un moteur diesel ou un moteur à essence fonctionnant en mélange pauvre, tel qu'un moteur à essence à injection directe, comportant au moins une chambre de combustion et un piston.
Une ligne 14 d'échappement permet l'écoulement des gaz G du moteur 12 vers l'atmosphère. Le système de traitement 10 destiné à purifier les gaz d'échappement G est interposé dans la ligne 14. Il se compose principalement d'un filtre 16 électrostatique à particules.
Le filtre électrostatique 16 à particules, représenté en détail sur les figures 2 et 3, comprend une première électrode 18, qui est ici constituée par un tronçon de la tubulure de la ligne 14 d'échappement et une seconde électrode 20.
La seconde électrode 20 est constituée d'une tige métallique 22 qui s'étend sensiblement axialement au centre de la première électrode 18.
La première 18 et la seconde électrodes 20 sont chacune reliées à une borne négative et positive respectivement d'une première source de courant 24.
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Conformément à la figure 4, la première source de courant 24 peut comporter la batterie d'accumulateurs du véhicule qui alimente un générateur haute tension 25 qui fournit une tension de l'ordre de 5 à 10 kV.
La première source de courant 24 peut aussi comporter l'alternateur du véhicule ou une batterie d'accumulateurs additionnelle.
Lors du fonctionnement du filtre électrostatique 16 à particules, l'alimentation électrique de la première 18 et de la seconde électrode 20 provoque un champ électrique intense qui ionise les particules qui traversent le filtre 16.
La tension imposée entre les deux électrodes 18,20 est de quelques milliers de volts alors que le courant est de quelques milliampères. Cela représente une consommation moyenne de quelques watts.
Les particules ionisées sont ensuite attirées vers la première électrode 18 négative.
De façon à augmenter l'intensité du champ électrique et à favoriser l'ionisation des particules, la seconde électrode 20 peut comporter, conformément aux figures 2 et 3, des éléments 26 conducteurs électriquement ayant la forme d'étoile qui sont rapportés sur la tige métallique 22. Ainsi, le champ électrique au voisinage des pointes 28 des étoiles est intense ce qui favorise l'ionisation des particules.
Pour retenir les particules attirées vers la première électrode 18, le filtre électrostatique 16 comporte une doublure de rétention 30 qui est disposée entre la première 18 et la seconde électrode 20. La doublure de rétention 30 peut être constituée d'un tissu dans les mailles duquel les particules sont retenues.
Ainsi, lorsque les gaz d'échappement G ont traversé le filtre 16, les particules qu'ils contenaient en amont de ce dernier sont retenues dans la doublure 30.
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Avantageusement, la doublure 30 de rétention est plaquée contre la paroi interne de la tubulure de la ligne 14 d'échappement.
Le premier circuit électrique 32 qui permet l'alimentation des électrodes 18 et 20 comporte un interrupteur 34 qui provoque l'ouverture ou la fermeture du circuit 32.
L'interrupteur 34 est commandé par exemple par une unité électronique de commande 36.
De manière générale, l'interrupteur 34 est fermé, conformément à la figure 4 lorsque le moteur 12 est démarré.
Ainsi, le filtre électrostatique 16 à particules purifie les gaz d'échappement G dés qu'il commence à circuler dans la ligne 14 d'échappement.
Cependant, la capacité de rétention ou de stockage de la doublure 30 du filtre électrostatique 16 à particules est limitée. Il est connu de régénérer le filtre 16 en changeant la doublure 30 et en la remplaçant par une doublure neuve.
Cette opération nécessite d'avoir des outils spécifiques qui permettent le démontage et le remplacement de la doublure 30, de sorte qu'elle doit généralement être réalisée dans un garage automobile. Cette opération est contraignante puisqu'elle doit être réalisée périodiquement. Elle est aussi onéreuse car elle nécessite du matériel et des compétences spécifiques.
De façon à supprimer ces inconvénients et à faciliter la régénération du filtre 16 à particules, l'invention propose que le filtre électrostatique 16 comporte des moyens pour le régénérer périodiquement par combustion des particules qui sont retenues dans la doublure 30 de rétention.
Pour ce faire, la doublure 30 de rétention est en matériau conducteur de l'électricité. La doublure 30 peut alors comporter un tissu métallique ou un agglomérât de fibres conductrices électriques, tel qu'un feutre.
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Les matériaux utilisés pour réaliser la doublure 30 sont choisis pour résister à des températures élevées de l'ordre de 600oC.
Les particules attirées vers la première électrode 18 sont alors retenues dans les mailles du tissu ou dans les interstices entre les fibres conductrices de la doublure 30.
La doublure 30 conductrice électrique est reliée électriquement à une seconde source de courant 38. Ainsi, lors de la phase de régénération, la seconde source de courant 38 alimente la doublure 30 de façon à la chauffer, par effet Joules, à une température supérieure à la température de combustion des particules.
La température de combustion des particules est de l'ordre de 600 oC.
Le flux des gaz d'échappement qui s'écoule dans la ligne 14 à proximité de la paroi interne, c'est-à-dire de la première électrode 18 et de la doublure 30, fournit alors de l'oxygène qui permet la combustion des particules chauffées à leur température de combustion.
Un tel système de traitement 10 est très économique par rapport au filtre à particules classique constitué d'une structure filtrante du type nid d'abeille.
La combustion des particules dans un filtre à particules classique nécessite un apport d'énergie très important pour augmenter la température de sa structure filtrante. Cela est dû notamment à la capacité calorifique et à l'inertie thermique élevées de la structure filtrante mais surtout à la nécessité de chauffer la totalité du flux de gaz d'échappement G qui la traverse.
À titre de comparaison, lorsque le moteur fonctionne à 3000 tours par minute et fournit un couple de 30 Nm, il fournit des gaz d'échappement à 230 oC. De façon à provoquer la combustion des particules stockées dans un filtre à particules classique, il est nécessaire de fournir une puissance électrique de l'ordre des
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18, 5 kW. Or une telle puissance électrique est rarement disponible sur les véhicules automobiles.
Selon l'invention, la doublure 30 de rétention présente une faible inertie thermique. De plus, la doublure 30 n'est traversée que par une fraction des gaz échappement ce qui limite de façon considérable le transfert thermique et par conséquent les pertes de chaleur.
Dans des conditions similaires à celles décrites précédemment, le système de traitement 10 selon l'invention nécessite une puissance moyenne de 0,5 à 1,5 kW pendant environ deux minutes pour permettre la combustion de toutes les suies stockées.
De façon à optimiser la régénération du filtre électrostatique 16, la seconde source de courant 38 alimente des troisièmes électrodes 40 annulaires qui sont fixées chacune sur l'une des extrémités libres de la doublure 30. La résistance électrique des troisièmes électrodes 40 est faible, c'est-à-dire très inférieure à celle de la doublure 30. Par conséquent, le potentiel électrique est identique sur chaque troisième électrode 40 et que la densité de courant parcourant la doublure 30 est répartie de façon uniforme.
Ainsi conformément à la figure 5, chaque troisième électrode 40 peut consister en un anneau métallique qui prend en sandwich l'extrémité libre correspondante de la doublure 30.
Le circuit électrique 42 qui permet de relier la seconde source de courant 38 aux troisièmes électrodes 40 comporte un second interrupteur 44 qui permet d'ouvrir ou de fermer le circuit 42 lors des phases de chargement et de régénération du filtre électrostatique 16 respectivement.
De façon similaire au premier interrupteur 34, le second interrupteur 44 est piloté par l'unité électronique de commande 36.
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La seconde source de courant 38 peut comporter une batterie d'accumulateurs qui peut être celle du véhicule et/ou l'alternateur du véhicule, conformément à la figure 4.
Selon une variante, la seconde source de courant 38 peut aussi comporter un condensateur 46 représenté à la figure 5.
Dans ce cas, le condensateur 46 est chargé par la batterie d'accumulateurs lors de la phase de chargement du filtre 16 à particules.
De façon à provoquer un échauffement rapide de la doublure 30, la seconde source de courant 38 fournit un courant dont l'intensité est de plusieurs dizaines d'Ampères.
La première 24 et la seconde sources 38 de courant peuvent comporter des éléments communs tels que l'alternateur et la batterie du véhicule.
L'unité électronique de commande 36 permet de commander l'initiation de la phase de régénération du système de traitement 10 gaz d'échappement du moteur 12 à combustion. Elle peut évaluer la quantité de particules retenues dans la doublure 30.
Par exemple, l'unité électronique 36 peut être reliée à un capteur qui permet d'évaluer la quantité de particules qui traverse le filtre 16. Lorsque la valeur fournie par ce capteur dépasse un seuil prédéterminé, l'unité électronique de commande 36 provoque la fermeture du second interrupteur 44 pour alimenter et chauffer la doublure 30 de rétention.
Selon une variante, la quantité de particules retenues dans la doublure 30 peut aussi être estimée à partir du régime et/ou du couple du moteur 12.
Un tel système de traitement 10 réalisé conformément aux enseignements de l'invention permet ainsi, de façon simple et économique de régénérer un filtre 16 électrostatique à particules.
Claims (10)
- REVENDICATIONS 1. Système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) d'un moteur à combustion (12) qui comporte un filtre à particules électrostatique (16) qui est agencé dans la ligne d'échappement (14), qui est traversé par le flux des gaz d'échappement (G), et qui comprend une première et une seconde électrode (18,20) dont chacune est reliée à une borne différente d'une première source de courant (24), du type dans lequel le flux des gaz circule dans la première électrode (18) qui est tubulaire et dont la seconde électrode (20) s'étend sensiblement axialement au centre de la première électrode (18), et du type qui comprend une doublure tubulaire de rétention (30) des particules qui recouvre la paroi tubulaire interne de la première électrode (18) de façon que, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre les deux électrodes (18,20) alimentées par la première source de courant (24), les particules qui traversent le filtre (16) sont attirées par la première électrode (18) et sont retenues par la doublure (30) de rétention, caractérisé en ce que le filtre (16) à particules comporte des moyens pour le régénérer périodiquement par combustion des particules retenues par la doublure (30) de rétention.
- 2. Système de traitement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la doublure (30) de rétention est en matériau conducteur de l'électricité, et en ce que, lors de la phase de régénération, elle est alimentée électriquement par une seconde source de courant (38) de façon à la chauffer à une température supérieure à la température de combustion des particules et à provoquer la combustion des particules retenues.
- 3. Système de traitement (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la doublure (30) de rétention comporte un tissu métallique.
- 4. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la doublure<Desc/Clms Page number 12>(30) de rétention comporte des fibres conductrices électriques solidaires entre elles, telles qu'un feutre métallique.
- 5. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins la première source de courant (24) comporte une batterie d'accumulateurs.
- 6. Système de traitement (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins la première source de courant (24) comporte l'alternateur du véhicule.
- 7. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'une au moins des sources de courant (24,38) comporte un condensateur (46).
- 8. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que la première et la seconde source de courant (24,38) sont une source de courant commune.
- 9. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la régénération du filtre (16) à particules est déclenchée en fonction de la quantité de particules retenues par la doublure (30) de rétention.
- 10. Système de traitement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première électrode (24) est un tronçon de la tubulure (14) d'échappement.
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