FR2902348A1 - Corps poreux monolithique a structure en nid d'abeille, notamment filtre a particules pour gaz d'echappement - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un corps poreux monolithique à structure en nid d'abeille comprenant une multiplicité de canaux (16) délimités par des parois poreuses (18) s'étendant de l'une (12) des faces d'extrémités du corps à l'autre (14) des faces dudit corps, une partie desdits canaux étant obstruée à l'une des faces pour former des canaux d'entrée (20) et l'autre partie des canaux étant obstruée à l'autre des faces pour former des canaux de sortie (22).Selon l'invention, les canaux d'entrée (20) et de sortie (22) comprennent une section transversale en forme de polygone à trois côtés et au moins un des côtés des canaux d'entrée (20) est commun à un côté d'au moins deux canaux de sortie (22)

Description

La présente invention se rapporte à un corps poreux monolithique à

structure en nid d'abeille. Elle concerne plus particulièrement un monolithe d'un matériau céramique poreux utilisé pour la filtration d'un courant gazeux ou d'un courant liquide. Cette invention vise spécialement mais non exclusivement un corps poreux utilisé en tant que filtre à particules (catalysé ou non catalysé), plus connu sous la dénomination de FAP, pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel. 10 Généralement les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprennent des polluants, comme des particules ou suies qui sont rejetées dans l'atmosphère par la ligne d'échappement sans être traitées. Il est notoire que le rejet de telles particules entraîne des 15 nuisances tant au niveau de l'environnement qu'au niveau de la santé de l'homme.

Pour tenter de remédier à ces nuisances, des systèmes de traitement des particules sont mis en place sur la ligne d'échappement de certains moteurs 20 pour réaliser le piégeage de ces particules, puis leur combustion pour assurer la régénération de ce FAP.

Ainsi, comme mieux décrit dans la demande de brevet français N 2 473 113, il est connu d'utiliser un filtre avec un corps monolithique en un 25 matériau poreux réfractaire comportant une multiplicité de canaux sensiblement parallèles les uns aux autres et disposés entre les deux faces d'extrémité de ce corps. Les canaux sont placés dans le sens de circulation des gaz d'échappement et sont séparés les uns des autres par des cloisons poreuses. Ces canaux sont alternativement bouchés, au niveau des faces du corps, à 30 l'une ou à l'autre de leurs extrémités de façon à former des canaux d'entrée avec des extrémités ouvertes en regard du courant gazeux et des canaux de sortie avec des extrémités bouchées en regard de ce même courant de gaz.5 Ainsi, ces gaz d'échappement pénètrent dans les extrémités ouvertes des canaux d'entrée puis, compte tenu de l'obstacle formé par les bouchons placés aux autres extrémités, ne peuvent que traverser les cloisons poreuses pour ensuite ressortir par les canaux de sortie. Lors de cette traversée, les particules contenues dans le courant de gaz sont retenues par les cloisons et les gaz qui circulent dans les canaux de sortie sont débarrassés, en grande partie, de ces particules. Ces particules capturées sont ensuite brûlées in situ, notamment lors d'une augmentation de la température des gaz d'échappement qui circulent dans le filtre, de manière à assurer la régénération de ce filtre.

II est en outre mentionné dans ce document, au titre d'un exemple de réalisation, que la section des canaux d'entrée est de forme hexagonale et que la section des canaux de sortie qui entourent chaque canal d'entrée est de forme triangulaire. Grâce à cette disposition, le volume total des canaux d'entrée est plus grand que le volume total des canaux de sortie. Ceci permet de pouvoir mieux répartir, dans les canaux d'entrée, les cendres résultant de la combustion des particules. En effet, il est avantageux d'incorporer un additif catalytique, en particulier dans le carburant, pour favoriser la régénération de ce type de filtre en abaissant notamment la température des gaz nécessaire à cette régénération. Lors de la combustion des particules, une partie des composants de cet additif, généralement des oxydes métalliques, n'est pas brûlée. Cette partie non brûlée reste dans les canaux d'entrée sous la forme de cendres et s'y accumulent au fil du temps lors des opérations successives de régénération. De ce fait, cette accumulation de cendres a pour inconvénient d'augmenter les pertes de charge entre les canaux d'entrée et de sortie et de diminuer la capacité de filtration du FAP. Il est donc nécessaire soit de le changer, soit de le démonter et de le nettoyer, puis de le remonter sur la ligne d'échappement du moteur. Ces opérations sont non seulement longues mais également d'un coût non négligeable.

La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un filtre dont la période d'utilisation est augmentée avant son remplacement ou son nettoyage.

A cet effet, la présente invention concerne un corps poreux monolithique à structure en nid d'abeille comprenant une multiplicité de canaux délimités par des parois poreuses s'étendant de l'une des faces d'extrémités du corps à l'autre des faces dudit corps, une partie desdits canaux étant obstruée à l'une des faces pour former des canaux d'entrée et l'autre partie des canaux étant obstruée à l'autre des faces pour former des canaux de sortie, caractérisé en ce que les canaux d'entrée et de sortie comprennent une section transversale en forme de polygone à trois côtés et en ce qu'au moins l'un des côtés des canaux d'entrée est commun à un côté d'au moins deux canaux de sortie.

De manière préférentielle, la section transversale peut être en forme de triangle équilatéral.

La somme des surfaces transversales des canaux d'entrée peut être comprise entre 35 et 50% de la surface de la section transversale du corps. La somme des surfaces transversales des canaux de sortie peut être comprise entre 15 et 30% de la surface de la section transversale du corps.

Avantageusement, chaque canal d'entrée peut être entouré de canaux de 25 sortie.

Le corps poreux monolithique peut être utilisé comme filtre à particules pour des gaz d'échappement 30 Le corps poreux monolithique peut également être utilisé comme membrane pour la filtration de courants liquides ou gazeux.20 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui est un schéma montrant une vue en perspective du corps monolithique poreux suivant l'invention ; - la figure 2 qui illustre une vue à plus grande échelle d'une partie S de la vue de la figure 1 et - la figure 3 qui est une coupe selon la ligne 33 de la figure 2.

Sur la figure 1, le corps 10 est un corps poreux monolithique à structure en nid d'abeille qui est utilisé préférentiellement mais non exclusivement en tant que filtre à particules (FAP) pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel.

Le matériau de ce monolithe peut être du carbure de silicium, du nitrure de silicium, de la cordiérite, ou tout autre matériau céramique réfractaire.

Ce corps est de préférence un corps cylindrique, ici circulaire, délimité par deux faces d'extrémités sensiblement parallèles l'une à l'autre, une face d'admission d'entrée 12 et une face d'évacuation 14. Entre ces deux faces s'étend une multiplicité de canaux 16 sensiblement parallèles entre eux. Ces canaux sont séparés les uns des autres par des cloisons poreuses 18 d'épaisseur sensiblement constante et forment des canaux d'entrée 20 et des canaux de sortie 22 dont la configuration sera explicitée dans la suite de la description. En se rapportant en plus aux figures 2 et 3, ces canaux sont alternativement bouchés, à l'une ou à l'autre de leurs extrémités, pour former des canaux d'entrée 20 comprenant des extrémités ouvertes au niveau de la face d'admission 12 et des extrémités obstruées au niveau de la face d'évacuation 14 par des bouchons 24 et des canaux de sortie 22 avec des extrémités bouchées par un bouchon 26 sur la face d'admission 12 et des extrémités ouvertes sur la face d'évacuation 14.

En pratique, les canaux d'entrée 20 sont entourés de canaux de sortie et les extrémités ouvertes de ces canaux d'entrée sont placées en regard du courant de gaz d'échappement alors que les extrémités bouchées des canaux de sortie sont en regard de ce même courant de gaz. Comme montré plus en détail sur la figure 2, les canaux d'entrée et de sortie sont délimités par des cloisons poreuses 18 de façon à constituer chacun un canal avec une disposition de ces cloisons poreuses qui forme, en section transversale, un polygone à trois côtés, plus particulièrement en forme de triangle équilatéral, et cela suivant toute la longueur de ces canaux. Il peut être noté que la configuration respective des canaux est telle que les canaux d'entrée sont entourés par les canaux de sortie de façon à ce qu'aucune cloison d'un canal d'entrée ne soit commune avec une cloison d'un autre canal d'entrée. De plus, les sections transversales des canaux d'entrée 20 ont une étendue surfacique plus importante que les sections des canaux de sortie 22 et le volume total des canaux d'entrée est supérieur au volume total des canaux de sortie. Plus précisément, le volume des canaux d'entrée est compris entre 35 et 50%, avantageusement supérieur à 40%, du volume du filtre et le volume des canaux de sortie est de 15 à 30%, préférentiellement supérieure à 18%, de ce volume du filtre. En outre, les canaux d'entrée ont tous des sections identiques et les canaux de sortie ont également tous des sections identiques. Comme mieux visible sur cette figure 2, les cloisons poreuses de chaque canal d'entrée 20 sont des parois communes à au moins deux canaux de sortie de manière à mettre en communication l'intérieur du canal d'entrée avec six canaux de sortie régulièrement répartis autour de ce canal d'entrée.

Pour arriver à une telle configuration, il est considéré une section transversale initiale en triangle équilatéral (ABC) d'un canal d'entrée correspondant à la périphérie de ce canal avec une base horizontale BC et une section triangulaire équilatérale interne coaxiale A'B'C', avec une base horizontal B'C', représentant le volume interne de ce canal. Les trois côtés de ce canal étant formé par les cloisons poreuses 18. Pour des raisons de simplification de la description, il sera fait spécifiquement mention de la section ABC, celle-ci incorporant à chaque fois la section interne A'B'C'. Sur la section ABC, il est placé une droite médiane Y passant par le sommet A qui partage la base BC en deux parties égales. Il est également placé un point G qui est le barycentre du canal d'entrée et qui est situé sur la droite Y, de par la configuration en triangle équilatéral. A partir de ces éléments, le motif triangulaire ABC (avec son motif A'B'C') est reproduit à l'identique le long de cette droite Y d'une manière telle que le sommet Al de la nouvelle section extérieure triangulaire Al BI Cl (avec sa section interne A'l B'l Cil) se trouve situé sur la base horizontale B'C' du canal d'entrée 20 et en son milieu et que le barycentre G1 se trouve situé sur la droite Y. Cette opération est répétée un nombre de fois nécessaire et suffisant pour obtenir la dimension souhaitée. Cette dimension peut correspondre, comme illustré à titre d'exemple sur la figure 1, à sensiblement le rayon du corps monolithique. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, le point A'l du triangle A'1 B'1 C'l peut se situer entre la position montrée sur la figure 2 et au plus sur la base BC de façon à ne pas amincir localement la paroi poreuse 18. Pour continuer la mise en place de ces canaux, il est prévu de reporter le triangle ABC avec son volume interne A'B'C' et son barycentre G dans une position parallèle à celle qu'il occupe. Pour ce faire, le nouveau triangle avec un sommet A2 et une base B2C2 garde son orientation mais son barycentre G2 se trouve placé sur une droite D. Cette droite D prolonge la médiane passant par le point G et le point C du triangle ABC et forme avec la droite Y un angle al qui correspond, dans le cas d'un triangle équilatéral, à celui de l'angle au sommet de ce triangle d'une valeur de 60 . Le point B2 du triangle A2B2C2 et le point C du triangle ABC se trouvent situés respectivement sur le côté interne A'1 C'l et A'2B'2 en partageant ces côtés en deux parties égales. Dans cette configuration un canal de sortie 22 est créé par la coopération de parties de cloisons des triangles ABC, Al BI Cl et A2B2C2 et communique avec ces trois triangles au travers des parties de cloisons. A partir du point A2, il est placé une droite médiane Y1 qui passe par le barycentre G2 du triangle A2B2C2 et qui est parallèle à la droite Y. A partir de cela et comme cela a été décrit en relation avec la droite Y, les triangles sont reportés à l'identique le long de cette droite Y1 jusqu'à obtenir la dimension voulue, qui dans le cas considéré sera plus petite que celle prise le long de la droite Y. Ces opérations sont reproduites, à gauche de la droite Y et symétriquement à celle-ci, de manière à placer une succession de canaux triangulaires le long d'une droite Y2 comme cela a été décrit en relation avec la droite Y1 et en utilisant une droite D2, un angle cil (également de 60 ) et un barycentre G3. Grâce à cette disposition, la distance X entre les droites Y, Y1 et Y, Y2 est plus petite que le côté du triangle, ici la base BC. Ceci permet de loger un plus 10 grand nombre de canaux d'entrée dans une même étendue. En finale, il est obtenu un canal d'entrée 20 en un triangle équilatéral ABC communiquant par sa base BC avec deux canaux de sortie, par son côté AC avec deux autres canaux de sortie et par le dernier côté AB avec deux canaux de sortie. 15 En pratique et comme cela est mieux visible sur la figure 1, le corps 10 est formé de six éléments longitudinaux 28, en forme de segment ou de quartier à section transversale sensiblement triangulaire, assemblés les uns aux autres par tout moyen, comme un ciment de collage 30. Chaque segment comprend 20 donc des canaux d'entrée et de sortie dont le nombre, en considérant la direction radiale du corps, varie en fonction de la position circonférentielle de ces canaux et plus précisément varie de la partie centrale (droite Y) vers les extrémités.

25 De par cette disposition, comme représenté sur la figure 3, les gaz d'échappement pénètre uniquement dans les canaux d'entrée selon les flèches F puis traversent les cloisons poreuses (flèches FI) pour ensuite ressortir par les canaux de sortie selon les flèches F2. Lors de cette traversée, les particules contenues dans le courant de gaz sont retenues sur la partie 30 amont des cloisons et les gaz, qui sortent de la partie aval de ces cloisons, circulent dans les canaux de sortie en étant débarrassé, en grande partie, de ces particules.

Grâce à cette configuration, la capacité de stockage des cendres résultant de la régénération du filtre est augmentée et la durée de vie d'un tel filtre est grandement accrue.

De plus, comme aucune cloison poreuse d'un canal d'entrée n'est commune à un autre canal d'entrée, la quasi totalité de la surface des canaux d'entrée est commune avec les canaux de sortie ce qui permet de limiter la perte de charge par rapport à un filtre de l'état de la technique antérieure. Ceci est dû essentiellement au fait que la totalité des surfaces des canaux d'entrée est filtrante. En outre, en considérant un filtre tel que décrit dans la demande de brevet français N 2 473 113 et avec une même valeur surfacique de section transversale, la surface de filtration constituée par les parties des cloisons communes entre les canaux d'entrée et les canaux de sortie est largement plus importante.

La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus mais englobe toutes variantes ou tous équivalents. Notamment, le corps peut être formé d'un seul élément circulaire ou d'une multiplicité d'éléments polygonaux assemblés les uns aux autres par un ciment de collage. De plus, ce corps peut être aussi bien utilisé en tant que filtre à particules, catalysé ou non catalysé, pour traiter les polluants (particules, CO, NOx et HC) contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qu'en tant que membrane pour la séparation, comme la séparation de corps gazeux, telle que la séparation de l'hydrogène d'un courant gazeux.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1) Corps poreux monolithique à structure en nid d'abeille comprenant une multiplicité de canaux (16) délimités par des parois poreuses (18) s'étendant de l'une (12) des faces d'extrémités du corps à l'autre (14) des faces dudit corps, une partie desdits canaux étant obstruée à l'une des faces pour former des canaux d'entrée (20) et l'autre partie des canaux étant obstruée à l'autre des faces pour former des canaux de sortie (22), caractérisé en ce que les canaux d'entrée (20) et de sortie (22) comprennent une section transversale en forme de polygone à trois côtés et en ce qu'au moins l'un des côtés des canaux d'entrée (20) est commun à un côté d'au moins deux canaux de sortie (22).

2) Corps poreux monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale est en forme de triangle équilatéral.

3) Corps poreux monolithique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la somme des surfaces transversales des canaux d'entrée est comprise entre 35 et 50% de la surface de la section transversale du corps. 20

4) Corps poreux monolithique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la somme des surfaces transversales des canaux de sortie 22 est comprise entre 15 et 30% de la surface de la section transversale du corps. 25

5) Corps poreux monolithique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque canal d'entrée (20) est entouré de canaux de sortie (22).

6) Utilisation du corps poreux monolithique selon l'une des revendications 30 précédentes comme filtre à particules pour des gaz d'échappement15

7) Utilisation du corps poreux monolithique selon l'une des revendications 1 à 5 comme membrane pour la filtration de courants liquides ou gazeux.