FR2951958A1 - PARTICLE FILTER, AND DEVICE COMPRISING SUCH A FILTER, FOR THE TREATMENT OF EXHAUST GASES - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un filtre à particules 9, notamment pour traiter des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.5 µm, des fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 10 µm, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 20 µm. L'invention concerne également un dispositif de traitement 2 des gaz d'échappement comprenant un tel filtre à particules.The invention relates to a particulate filter 9, in particular for treating exhaust gases produced by an internal combustion engine of a motor vehicle, comprising glass fibers with a diameter of between 0.05 and 0.5 μm, glass fibers of diameter between 0.5 and 10 microns, and glass fibers with a diameter of between 10 and 20 microns. The invention also relates to an exhaust gas treatment device 2 comprising such a particulate filter.
Description
DEMANDE DE BREVET B09/0292FR / GBO 9766/BR Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Filtre à particules, et dispositif comprenant un tel filtre, pour le traitement des gaz d'échappement Invention de : MATOS Patrick MORAL-MOUADDIB Najat Filtre à particules, et dispositif comprenant un tel filtre, pour le traitement des gaz d'échappement PATENT APPLICATION B09 / 0292FR / GBO 9766 / BR Société par Actions Simplifiée known as: RENAULT sas Particulate filter, and device comprising such a filter, for the treatment of exhaust gases Invention of: MATOS Patrick MORAL-MOUADDIB Najat Particulate filter , and device comprising such a filter, for the treatment of exhaust gases
La présente invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement, et en particulier un filtre à particules capable de filtrer les particules émises par un moteur à combustion interne, et de limiter les coûts de régénération. Les moteurs à combustion interne, notamment de type diesel, produisent des suies, ou particules, en raison de leur mode de combustion par auto-inflammation du mélange carburant-air dans la chambre de combustion. Le traitement des suies, ou particules, dans les gaz d'échappement d'un moteur, par exemple diesel, est important pour répondre aux normes anti-pollution Une solution possible au traitement des particules est l'utilisation de filtres à particules. En présence d'oxygène et à une température par exemple de l'ordre de 400°C, les particules retenues par le filtre à particules sont brûlées, notamment par oxydation, dans celui-ci et on obtient ainsi une régénération du filtre à particules. Les matériaux utilisés pour les filtres à particules sont nombreux. Le matériau principalement utilisé est la céramique en nid d'abeille qui peut être en carbure de silicium, en cordiérite, en titanate d'aluminium, etc. Il existe également des filtres à particules métalliques, dont l'efficacité de filtration est plus faible, mais qui présentent une perte de charge plus faible que les filtres en céramique. The present invention relates to an exhaust gas treatment device, and in particular a particulate filter capable of filtering the particles emitted by an internal combustion engine, and to limit the regeneration costs. Internal combustion engines, especially of the diesel type, produce soot, or particles, because of their combustion mode by auto-ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber. The treatment of soot, or particles, in the exhaust gas of an engine, for example diesel, is important to meet anti-pollution standards A possible solution to the treatment of particles is the use of particulate filters. In the presence of oxygen and at a temperature of for example of the order of 400 ° C., the particles retained by the particulate filter are burned, in particular by oxidation, therein and a regeneration of the particulate filter is thus obtained. The materials used for particle filters are numerous. The material mainly used is honeycomb ceramic which can be silicon carbide, cordierite, aluminum titanate, etc. There are also metal particulate filters, whose filtration efficiency is lower, but which have a lower pressure drop than ceramic filters.
Les filtres à particules fonctionnement généralement de manière périodique. Durant une première phase, dite de filtration, le filtre piège les particules jusqu'à un niveau de contre-pression donnée ou de masse de suie donnée de manière à maintenir les performances du moteur à sa puissance nominale sans risque d'endommager le filtre. Particle filters generally operate periodically. During a first phase, called filtration, the filter traps the particles up to a given level of given pressure or soot mass so as to maintain the engine performance at its nominal power without risk of damaging the filter.
Durant la deuxième phase, dite de régénération, le filtre brûle les particules ainsi accumulées en apportant l'énergie thermique requise pour leur oxydation. Ces deux phases sont mises en oeuvre successivement durant la durée de vie du filtre à particules. During the second regeneration phase, the filter burns the particles thus accumulated by providing the thermal energy required for their oxidation. These two phases are implemented successively during the lifetime of the particulate filter.
Cependant, les filtres à particules actuels présentent généralement un coût élevé. Cela est dû, d'une part, en raison des matériaux les constituant qui ont été mentionnés précédemment (carbure de silicium, cordiérite, etc). D'autre part, afin de diminuer la température d'oxydation des particules piégées, les filtres à particules sont mis en contact avec des additifs. Ces additifs peuvent être des catalyseurs, en général des métaux précieux, compris dans le filtre à particules lui-même, ou bien peuvent être du cérium contenu dans le carburant alimentant le moteur. Dans ce dernier cas, le coût est aussi augmenté par la présence d'un réservoir d'additifs (à base de cérium, fer,...) et de tous les accessoires nécessaires à l'injection de cet additif en quantité voulue dans le carburant. De plus, cet additif conduit également à des résidus qui sont piégés dans le filtre et qui diminuent la performance du moteur en augmentant la contre-pression du filtre à particules. Par ailleurs, les phases de régénération des filtres à particules actuels entraînent également un fonctionnement inapproprié du moteur. Ainsi, pour débuter une phase de régénération, le système de commande du moteur passe d'une injection normale à une injection retardée, dite post-injection, afin de générer des réducteurs en sortie du moteur à combustion. Ces réducteurs vont notamment être brûlés au niveau d'un catalyseur d'oxydation, monté en amont du filtre à particules ou directement dans le filtre à particules, et vont permettre l'obtention d'une augmentation de la température, et donc favoriser la combustion des suies. Cependant, la post-injection provoque une augmentation de la température et une dilution de l'huile par le carburant, qui peuvent entraîner une baisse de la fiabilité du turbocompresseur et d'autres organes mécaniques. De plus, la dilution de l'huile implique que celle-ci devient moins efficace et qu'il est nécessaire de la changer plus souvent. La régénération du filtre à particules peut donc conduire à réduire l'intervalle de vidange. Pour cette raison, la fréquence de régénération du filtre à particules doit être maintenue basse. However, current particle filters generally have a high cost. This is due, on the one hand, because of the constituent materials that have been mentioned previously (silicon carbide, cordierite, etc.). On the other hand, in order to reduce the oxidation temperature of the trapped particles, the particle filters are brought into contact with additives. These additives may be catalysts, usually precious metals, included in the particulate filter itself, or may be cerium contained in the fuel supplying the engine. In the latter case, the cost is also increased by the presence of a reservoir of additives (cerium-based, iron, ...) and all the accessories necessary for the injection of this additive in the desired quantity into the fuel. In addition, this additive also leads to residues that are trapped in the filter and that decrease engine performance by increasing the back pressure of the particulate filter. In addition, the regeneration phases of the current particle filters also lead to improper operation of the engine. Thus, to start a regeneration phase, the engine control system switches from a normal injection to a delayed injection, called post-injection, to generate reducers at the output of the combustion engine. These reducers will notably be burned at the level of an oxidation catalyst, mounted upstream of the particulate filter or directly in the particulate filter, and will make it possible to obtain an increase in temperature, and thus promote combustion. soot. However, the post-injection causes an increase in temperature and a dilution of the oil by the fuel, which can cause a decrease in the reliability of the turbocharger and other mechanical organs. In addition, the dilution of the oil implies that it becomes less efficient and that it is necessary to change it more often. Regeneration of the particulate filter may therefore lead to a reduction in the emptying interval. For this reason, the regeneration frequency of the particulate filter must be kept low.
Enfin, la post-injection implique également une surconsommation de carburant, puisque celui-ci est également utilisé pour augmenter la température du filtre à particules. I1 existe d'autres types de filtres à particules, notamment ceux décrits dans les documents US 5 431 706, US 2004/226274 et US 4 264 344. Cependant, les matériaux décrits dans ces documents, notamment le papier, ne sont pas toujours adaptés aux filtres à particules. Par ailleurs, leur efficacité et leur durée de vie ne sont pas non plus adaptées pour répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles. Un but de l'invention est d'améliorer le traitement des gaz d'échappement. En particulier, un but de l'invention est d'améliorer le traitement des particules émises par le véhicule. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un filtre à particules, notamment pour traiter des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.51um, des fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 201um. Finally, post-injection also involves overconsumption of fuel, since it is also used to increase the temperature of the particulate filter. There are other types of particulate filters, including those described in US 5,431,706, US 2004/226274 and US 4,264,344. However, the materials described in these documents, particularly paper, are not always suitable. to particle filters. Moreover, their efficiency and their lifetime are also not adapted to meet the lower thresholds for emissions of gaseous pollutants from motor vehicles. An object of the invention is to improve the treatment of the exhaust gas. In particular, an object of the invention is to improve the treatment of particles emitted by the vehicle. According to one aspect of the invention, there is provided a particulate filter, in particular for treating exhaust gases produced by an internal combustion engine of a motor vehicle, comprising glass fibers with a diameter of between 0.05 and 0.5 μm. , glass fibers with a diameter of between 0.5 and 101 μm, and glass fibers with a diameter of between 10 and 201 μm.
Les fibres de verre permettent d'une part d'être compatibles avec les contraintes, notamment de température et de pression, qui règnent dans les gaz d'échappement, et d'autre part, de piéger les différentes granulométries de particules contenues dans lesdits gaz d'échappement grâce à leurs tailles variées spécifiques. Les fibres de verre présentent également un coût faible. Préférentiellement, les fibres de verre de diamètre compris entre 0.5 et 101um comprennent des fibres de diamètre compris entre 0.5 et 1.51um, des fibres de diamètre compris entre 1.51um et 2.51um, et des fibres de diamètre compris entre 4.51um et 5.51um. The glass fibers make it possible, on the one hand, to be compatible with the stresses, in particular temperature and pressure, which reign in the exhaust gases, and on the other hand, to trap the different particle sizes of the particles contained in said gases. exhaust thanks to their specific varied sizes. Glass fibers also have a low cost. Preferably, the glass fibers with a diameter of between 0.5 and 101 μm comprise fibers with a diameter of between 0.5 and 1.5 μm, fibers with a diameter of between 1.5 μm and 2.5 μm, and fibers with a diameter of between 4.5 μm and 5.5 μm.
Les fibres de verre sont capables de résister à des températures comprises entre 450°C et 500°C. Selon un mode de réalisation, le filtre à particules comprend également un liant, de préférence acrylique. The glass fibers are capable of withstanding temperatures between 450 ° C and 500 ° C. According to one embodiment, the particulate filter also comprises a binder, preferably acrylic.
Selon un autre mode de réalisation, le filtre à particules comprend également un renfort capable de maintenir les fibres de verre sous forme de feuilles plissées. La densité du filtre peut être comprise entre 50g/m2 et 200g/m2, de préférence entre 75g/m2 et 150g/m2. L'invention concerne également un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant un tel filtre à particules. En particulier, le dispositif de traitement des gaz d'échappement peut comprendre un tel filtre à particules dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance comprise entre 25 000 et 35 000 km. De plus, le dispositif peut être exempt de système de régénération du filtre à particules. Préférentiellement, le filtre à particules est monté de façon amovible dans le dispositif de traitement. En particulier, le dispositif de traitement peut comprendre un dispositif de fixation du filtre à particules, qui permet le retrait et de changement dudit filtre à particules. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et de la figure annexée sur laquelle est illustré, en coupe, un exemple de dispositif de traitement de gaz d'échappement. Sur la figure annexée, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 1 et d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend, par exemple, au moins un cylindre 3, un collecteur d'admission 4, un collecteur d'échappement 5, un circuit de re-circulation des gaz d'échappement 6 muni d'une vanne de re- circulation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 comprend, par exemple, une ligne d'échappement, un filtre à particules 9 et un catalyseur de réduction (en anglais : Selective Catalytic Reduction SCR) 10 monté en aval du filtre à particules 9. Le filtre à particules 9 est monté amovible dans le dispositif de traitement 2. Le filtre à particules 9 peut ainsi être retiré et remplacé facilement, notamment lorsque la quantité de particules piégées entraîne une surpression en amont du filtre à particules, supérieure à une valeur déterminée. Le filtre à particules 9 est choisi d'une part pour piéger les particules émises par le moteur avec une efficacité permettant de respecter les normes d'émission de particules en masse mais également en nombre de particules. D'autre part, le filtre à particules 9 est choisi de manière à limiter les opérations d'entretien à effectuer sur le véhicule. Ainsi, le filtre à particules 9 comprend des fibres de verre de diamètre compris entre 0.05 et 0.51um, des fibres de diamètre compris entre 0.5 et 1.51um, des fibres de diamètre compris entre 1.51um et 2.51um, des fibres de diamètre compris entre 4.51um et 5.51um, et des fibres de verre de diamètre compris entre 10 et 201um. Les fibres de verre résistent de préférence, à une température comprise entre 450°C et 500°C. De telles fibres de verre peuvent être fabriquées de manière classique, selon des procédés connus de l'homme du métier. La densité du filtre à particules 9 est choisie comprise entre 50g/m2 et 200g/m2, de préférence entre 75g/m2 et 150g/m2. Les fibres de verre peuvent être maintenues, par exemple, par un liant chimique. I1 peut s'agir d'un liant de type acrylique choisi de manière à pouvoir résister à une température de 200°C à 250°C par exemple. Un tel liant sera utilisé notamment avec des filtres à particules positionnés en bout de ligne d'échappement, avec des moteurs de petite puissance pour lesquels la température des gaz d'échappement, en bout de ligne d'échappement, est inférieure à 200°C. Dans le cas contraire, si les gaz d'échappement présentent une température supérieure à 200°C, le filtre à particules 9 sera choisi sans liant chimique, mais avec des renforts. Les renforts peuvent être par exemple sous la forme de structure micro-métallique. Les renforts peuvent notamment être capables de maintenir les fibres de verre sous forme de feuilles plissées. Ainsi, le choix des matériaux et la position du filtre à particules 9 seront faits en fonction de la température des gaz d'échappement du véhicule, en fonctionnement. Le filtre à particules 9 est également dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance correspondant à celle de révision ou de maintenance du véhicule. According to another embodiment, the particulate filter also comprises a reinforcement capable of holding the glass fibers in the form of folded sheets. The density of the filter may be between 50 g / m 2 and 200 g / m 2, preferably between 75 g / m 2 and 150 g / m 2. The invention also relates to an exhaust gas treatment device comprising such a particulate filter. In particular, the exhaust gas treatment device may comprise such a particle filter sized to filter the particles emitted by the engine for a distance of between 25,000 and 35,000 km. In addition, the device may be free of regeneration system of the particulate filter. Preferably, the particulate filter is removably mounted in the treatment device. In particular, the treatment device may comprise a device for fixing the particle filter, which allows the removal and change of said particulate filter. Other advantages and characteristics will appear on examining the detailed description of an embodiment given by way of non-limiting example, and of the appended figure in which is illustrated, in section, an example of a device for processing data processing. exhaust gas. In the attached figure, there is shown very schematically the general structure of an internal combustion engine 1 and an exhaust gas treatment device 2. The internal combustion engine 1 comprises, for example, at least one cylinder 3, an intake manifold 4, an exhaust manifold 5, an exhaust gas recirculation circuit 6 provided with an exhaust gas recirculation valve 7, and a turbo compression system 8. The exhaust gas treatment device 2 comprises, for example, an exhaust line, a particulate filter 9 and a reduction catalyst (in English: Selective Catalytic Reduction SCR) 10 mounted downstream. The particulate filter 9 is removably mounted in the treatment device 2. The particulate filter 9 can thus be removed and easily replaced, especially when the amount of trapped particles causes an overpressure upstream of the filter. e to particles, greater than a determined value. The particulate filter 9 is chosen on the one hand to trap the particles emitted by the engine with an efficiency to meet the emission standards of particles in mass but also in number of particles. On the other hand, the particulate filter 9 is chosen so as to limit the maintenance operations to be performed on the vehicle. Thus, the particulate filter 9 comprises glass fibers with a diameter of between 0.05 and 0.5 μm, fibers with a diameter of between 0.5 and 1.5 μm, fibers with a diameter of between 1.5 μm and 2.5 μm, fibers of diameter between 4.51um and 5.51um, and glass fibers of diameter between 10 and 201um. The glass fibers are preferably resistant to a temperature of between 450 ° C and 500 ° C. Such glass fibers can be manufactured conventionally, according to methods known to those skilled in the art. The density of the particulate filter 9 is chosen to be between 50 g / m 2 and 200 g / m 2, preferably between 75 g / m 2 and 150 g / m 2. The glass fibers can be maintained, for example, by a chemical binder. It may be an acrylic type binder selected so as to withstand a temperature of 200 ° C to 250 ° C for example. Such a binder will be used in particular with particulate filters positioned at the end of the exhaust line, with small power engines for which the temperature of the exhaust gas at the end of the exhaust line is less than 200 ° C. . Otherwise, if the exhaust gas has a temperature above 200 ° C, the particulate filter 9 will be selected without chemical binder, but with reinforcements. The reinforcements may be, for example, in the form of a micro-metallic structure. The reinforcements may in particular be able to maintain the glass fibers in the form of folded sheets. Thus, the choice of materials and the position of the particulate filter 9 will be made according to the temperature of the exhaust gas of the vehicle, in operation. The particulate filter 9 is also sized to filter the particles emitted by the engine for a distance corresponding to that of revision or maintenance of the vehicle.
Ainsi, le filtre à particules pourra être dimensionné de manière à filtrer les particules émises par le moteur pendant une distance comprise, par exemple, entre 25 000 et 35 000 km, ce qui correspond à la distance classique parcourue par un véhicule entre deux vidanges d'huile. Le filtre à particules peut alors être remplacé en même temps que l'huile moteur du véhicule, afin de conserver la même fréquence d'entretien du véhicule et de ne pas engendrer une intervention supplémentaire. Ainsi, en fonctionnement, le filtre à particules 9 se charge des particules émises par le moteur qui est maintenu dans un état de fonctionnement classique. Puis, au bout d'une durée ou d'une distance déterminée, ou lorsque le niveau de particules piégées atteint un seuil déterminé en fonction du filtre 9 (volume du filtre, surface de filtration, perte de charge) et du moteur (émissions de particules, perte de charge admissible), le filtre à particules est remplacé. Ce remplacement intervient notamment lors d'une opération de maintenance du véhicule. Par rapport aux filtres classiques de l'art antérieur qui, entre deux maintenances de véhicule, peuvent mettre en oeuvre fréquemment une procédure de régénération du filtre, avec les conséquences que cela implique au niveau du fonctionnement du moteur et des émissions de gaz, le filtre selon l'invention ne nécessite pas de traitement particulier ou de fonctionnement spécifique du moteur. Au contraire, le filtre à particules 9 est choisi de manière à piéger les particules émises par le moteur sur une durée plus importante, avant d'être remplacé. Le seuil de chargement du filtre à particules 9 est donc supérieur à celui des filtres de l'art antérieur. Ainsi, contrairement aux filtres à particules de l'art antérieur, le filtre à particules 9 n'est pas régénéré par un système embarqué dans le véhicule, mais est remplacé ou régénéré par un système extérieur au véhicule. On obtient ainsi une baisse du coût du système de filtration, grâce d'une part à un matériau filtrant moins cher que les filtres à particules classiques qui nécessitent, pour être régénérés, la présence de métaux précieux, et d'autre part grâce à l'absence de système de régénération embarqué. De plus, comme les particules piégées par le filtre ne sont pas brûlées lors de régénération, il n'y a non plus d'émission de monoxyde de carbone (dû à la combustion incomplète des particules). Enfin, la suppression de l'étape de régénération des particules permet de diminuer la consommation de carburant et de diminuer la dilution du lubrifiant. Les filtres tels que décrits précédemment peuvent ainsi présenter une efficacité de piégeage accrue, tout en limitant les impacts négatifs sur le véhicule, tels que la surconsommation de carburant, la dilution de l'huile ou encore l'augmentation de la fréquence d'entretien du véhicule. Un tel filtre présente également un coût plus faible, notamment en raison de l'absence de système de régénération. Par ailleurs, un tel filtre peut être utilisé dans des véhicules de type poids-lourd, ou bien pour des applications stationnaires nécessitant un traitement des gaz émis. Thus, the particulate filter may be sized to filter the particles emitted by the engine for a distance of, for example, between 25 000 and 35 000 km, which corresponds to the conventional distance traveled by a vehicle between two oil changes. 'oil. The particulate filter can then be replaced at the same time as the engine oil of the vehicle, in order to maintain the same frequency of maintenance of the vehicle and not to generate an additional intervention. Thus, in operation, the particulate filter 9 is charged particles emitted by the engine which is maintained in a conventional operating state. Then, after a specified time or distance, or when the level of trapped particles reaches a threshold determined according to the filter 9 (volume of the filter, filtration area, pressure drop) and the engine (emissions of particulate matter, permissible pressure drop), the particulate filter is replaced. This replacement occurs in particular during a maintenance operation of the vehicle. Compared to the conventional filters of the prior art which, between two vehicle maintenance, can frequently implement a filter regeneration procedure, with the consequences that this implies for the operation of the engine and the gas emissions, the filter according to the invention does not require any particular treatment or specific operation of the engine. On the contrary, the particulate filter 9 is chosen so as to trap the particles emitted by the engine over a longer period, before being replaced. The loading threshold of the particulate filter 9 is therefore greater than that of the filters of the prior art. Thus, unlike the particulate filters of the prior art, the particulate filter 9 is not regenerated by a system embedded in the vehicle, but is replaced or regenerated by a system outside the vehicle. This results in a lower cost of the filtration system, thanks in part to a filter material cheaper than conventional particulate filters which require, to be regenerated, the presence of precious metals, and secondly thanks to the absence of onboard regeneration system. In addition, as the particles trapped by the filter are not burned during regeneration, there is no carbon monoxide emission (due to incomplete combustion of the particles). Finally, the removal of the particle regeneration step reduces the fuel consumption and decrease the dilution of the lubricant. The filters as described above can thus have an increased trapping efficiency, while limiting the negative impacts on the vehicle, such as overconsumption of fuel, the dilution of the oil or the increase in the frequency of maintenance of the vehicle. vehicle. Such a filter also has a lower cost, especially because of the lack of regeneration system. Moreover, such a filter can be used in vehicles of the heavy truck type, or for stationary applications requiring treatment of the gases emitted.
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