Dispositif de filtre électrostatique pour la capture et la destruction de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion

La présente invention concerne les dispositifs de filtres électrostatiques permettant de capturer et de détruire les particules de suie qui sont contenues dans les gaz d' échappement des moteurs à combustion interne de véhicule automobile, en particulier des moteurs de type Diesel. Pour répondre aux normes antipollution, il est nécessaire de développer des filtres pour les gaz d'échappement de façon à éviter ou limiter le rejet dans l' atmosphère de gaz et particules polluantes. Dans le cas notamment des moteurs à combustion de type Diesel, on dispose généralement dans la ligne d' échappement du moteur des filtres à particules associés à des dispositifs catalytiques. Ces dispositifs sont cependant relativement coûteux et présentent un certain nombre d'inconvénients. En particulier ils sont relativement fragiles, ont une efficacité faible lors de trajets peu importants et ont une durée de vie limitée. D' autres types de filtres également utilisés sont les filtres électrostatiques qui présentent l' avantage de la simplicité puisqu' ils ne nécessitent pas, comme les filtres catalytiques, d'utiliser des métaux précieux à titre de catalyseurs et des matériaux céramiques spécifiques. Ces filtres électrostatiques présentent, de ce fait, un prix beaucoup plus raisonnable. Les filtres électrostatiques pour l' élimination des particules en suspension dans les gaz sont largement utilisés dans l'industrie pour des flux gazeux de très faibles ou faibles vitesses, comprises généralement entre quelques millimètres par seconde et quelques centimètres par seconde. L' adaptation de tels filtres industriels à des utilisations sur véhicules automobiles entraîne un certain nombre de contraintes qui rendent cette adaptation difficile. En effet, pour les gaz d'échappement des véhicules automobiles, la vitesse d' écoulement est très importante, de l' ordre de plusieurs mètres par seconde. De plus,

on dispose dans la ligne d'échappement d'un volume très limité qui exige donc des filtres très compacts. Enfin, il est nécessaire que le fonctionnement de ces filtres soit assuré avec une faible consommation électrique. La filtration électrostatique pour la capture et l' élimination des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement des véhicules automobiles se fait généralement en trois étapes. Tout d' abord, on procède à un chargement électrique des particules de suie. Puis on procède à une déviation des particules ainsi chargées par attraction électrostatique vers une paroi. Enfin on procède à la destruction ou à l' enlèvement mécanique du dépôt des particules qui se sont ainsi accumulées sur cette paroi.

Différentes solutions ont été préconisées jusqu' à présent. Dans une première solution, les trois phases précitées se déroulent en parallèle dans le même compartiment d'un réacteur monté dans la ligne d'échappement du véhicule automobile. Une telle solution présente des inconvénients du fait que la formation d'un dépôt sur les parois actives entraîne rapidement une dégradation de la qualité de la décharge corona, ce qui diminue l' efficacité du chargement des particules. De plus, les dépôts sur les parois actives provoquent des phénomènes indésirables tels que des arcs électriques parasites. Enfin on constate des phénomènes de relargage des particules collectées, c'est-à-dire d'entraînement des particules collectées par le flux des gaz d'échappement traversant le filtre. Selon d' autres solutions également préconisées, les différentes phases précitées sont mises en œuvre séparément. Dans ce cas cependant, les dispositifs nécessaires sont complexes et de grande taille et nécessitent en outre une consommation électrique élevée.

Quels que soient les dispositifs utilisés, les filtres électrostatiques montés dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion des véhicules automobiles sont généralement de géométrie cylindrique et comportent une électrode axiale filaire portée à haute tension. La section transversale d'un tel filtre électrostatique est relativement faible, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir plusieurs

unités en parallèle afin de réduire la vitesse des gaz traversant le filtre. Il en résulte un encombrement relativement important. De plus, les électrodes haute tension montées parallèlement à l'écoulement des gaz d' échappement, dans une telle configuration longitudinale, entraînent un déséquilibre de la décharge corona autour des électrodes, la décharge n' étant pas de la même qualité en amont et en aval du filtre sur la longueur de celui-ci. Une telle réalisation est décrite par exemple dans le brevet US 3 157 479 qui prévoit en outre un enlèvement mécanique de la matière collectée. Le brevet US 4 871 515, au même titre que le brevet

US 4 905 470, décrivent des dispositifs de filtres électrostatiques destinés à être utilisés dans la ligne d' échappement d'un véhicule automobile et comportent un élément chauffant de régénération intégré au dispositif. Dans les deux cas néanmoins, le filtre, de configuration longitudinale coaxiale en ce qui concerne les électrodes, provoque une décharge corona inefficace, car hétérogène sur la longueur du dispositif, et ce que l' alimentation soit faite en courant continu ou en courant alternatif. Il en est de même en ce qui concerne le brevet US 5 603 893 qui prévoit une alimentation puisée dans une géométrie coaxiale longitudinale d'un filtre électrostatique.

Le brevet US 4 778 493 illustre un dispositif de filtrage électrostatique multi-étages tel qu' on peut l'envisager dans l' industrie. Le filtre est de grande taille, la distance entre les électrodes de chaque unité de filtration étant importante. L'utilisation d'une telle structure ne pourrait être envisagée dans le domaine automobile.

Le brevet US 4 364 752 tente de résoudre les problèmes posés par les dispositifs précédemment décrits. Le filtre électrostatique qui s 'y trouve décrit présente une configuration plane et comporte deux zones. Dans la zone amont, par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement, sont disposés des fils transversaux alimentés en courant électrique à haute tension de façon à provoquer une décharge corona. En aval de cette première zone de précipitation, se trouve une deuxième zone destinée au nettoyage par des faisceaux d' ions au moyen d'un générateur d'ions disposé à l' intérieur de l' écoulement.

Compte tenu de la structure de ce dispositif, il ne peut être utilisé que dans des processus de traitement de gaz industriels et ne pourrait être aisément adapté à une utilisation dans le domaine automobile.

La présente invention a pour objet d' éliminer la plupart des inconvénients des dispositifs connus et de permettre un filtrage des gaz d' échappement issus d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile notamment du type Diesel, chargés de particules de suie, de sorte que la filtration soit particulièrement efficace et reste efficace dans le temps. La présente invention a également pour objet un dispositif de filtre électrostatique qui permet une destruction aisée des matières collectées par le filtre sans aucune intervention mécanique.

Enfin, la présente invention a pour objet un dispositif de filtre électrostatique de grande compacité et dont la consommation électrique est relativement faible.

Dans un mode de réalisation, un dispositif de filtre électrostatique pour la capture et la destruction de particules de suie contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprend au moins un module élémentaire de filtration délimitant intérieurement une enceinte pour les gaz d'échappement et présentant, en amont de l' écoulement, une zone de chargement électrostatique des particules, suivie, en aval de l' écoulement, d'une zone de capture des particules chargées.

La zone de chargement comporte plusieurs électrodes filaires alimentées en courant électrique à haute tension et disposées transversalement dans l' écoulement gazeux.

Le module élémentaire de filtration comprend plusieurs plaques collectrices reliées à la masse, disposées parallèlement dans l' écoulement gazeux et s 'étendant le long des zones de chargement et de capture. Les plaques collectrices sont écartées des électrodes filaires dans la zone de chargement et intercalées dans la zone de capture avec des plaques conductrices portées au même potentiel que les électrodes filaires.

Les plaques collectrices sont enrobées d'un revêtement isolant dans la zone de chargement.

Les particules chargées électriquement dans la zone de chargement peuvent ainsi être immédiatement collectées dans la zone de capture sur les plaques collectrices. Le montage des plaques collectrices sur toute la longueur du dispositif c'est à dire à la fois dans la zone de chargement et dans la zone de capture permet d' obtenir un ensemble particulièrement compact et efficace.

De préférence, les plaques collectrices et les électrodes filaires sont alimentées en haute tension alternative oscillant entre une tension négative minimale supérieure au seuil de déclenchement de la décharge corona pour les électrodes filaires et une tension négative maximale inférieure au seuil de claquage entre les électrodes filaires et les plaques collectrices. Dans un mode de réalisation préféré, le module élémentaire de filtration présente, à l' entrée de la zone de capture, un raccordement pour l'entrée de gaz à haute température en vue de la combustion des particules capturées par les plaques collectrices, les plaques collectrices et les plaques conductrices étant perforées dans la zone de capture. Dans un autre mode réalisation, les plaques collectrices présentent sur leur surface, dans la zone de capture, des éléments de chauffage par effet Joule, en vue de la combustion des particules capturées par les plaques collectrices.

De cette manière, les particules collectées par les plaques collectrices dans la zone de capture peuvent être facilement détruites et éliminées. Cette élimination se fait de préférence au cours de phases de régénération du filtre.

A cet effet, au moins une plaque collectrice peut avantageusement être équipée d'un détecteur d' encrassement capable d'émettre un signal de déclenchement d'une procédure de régénération du dispositif.

Le détecteur d' encrassement peut par exemple mesurer la résistance surfacique du dépôt se trouvant sur la surface de la plaque collectrice.

Les bords des plaques conductrices intercalées entre les plaques collectrices dans la zone de capture sont de préférence arrondis afin d'éviter le déclenchement d' arcs électriques le long de ces bords.

Pour les mêmes raisons, on peut avantageusement monter une résistance de ballast en série dans le circuit d' alimentation des plaques conductrices.

La présente invention sera mieux comprise à l' étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d' exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de filtre électrostatique selon l' invention ; la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1 , montrant la structure des plaques utilisées ; la figure 3 est une vue en coupe analogue à la figure 2 montrant une variante de réalisation.

Tel qu'il est illustré sur les figures 1 et 2, le dispositif de filtre électrostatique selon l' invention comporte une enceinte hermétique 1 de forme générale cylindrique dont la section peut être circulaire ou rectangulaire. Le dispositif comportant ladite enceinte 1 est monté dans la ligne d' échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, le plus près possible de la sortie du moteur, à un endroit où la température des gaz d' échappement à traiter est élevée. L'enceinte 1 peut éventuellement être associée à d' autres enceintes similaires disposées en parallèle sur l'écoulement des gaz d'échappement. Dans ce cas, le dispositif comprend donc plusieurs modules élémentaires de filtration.

A l' intérieur de l'enceinte 1 , sont montées plusieurs plaques métalliques collectrices 2 qui s'étendent parallèlement à l' écoulement gazeux qui traverse le dispositif schématisé par les flèches 3 et constituent, à l'intérieur de l' enceinte 1 , un empilement de plaques régulièrement écartées les unes des autres. Les gaz d' échappement pénètrent par la tubulure d'entrée 4 et ressortent par la tubulure de sortie 5. Les plaques collectrices 2 s' étendent sur la majeure partie de la longueur de l' enceinte 1.

L' enceinte 1 peut être divisée en deux zones selon le fonctionnement interne. Une première zone, dite zone de chargement, est référencée 6 sur la figure 1. La zone de chargement 6 se trouve disposée du côté de l'entrée de l' enceinte 1 , c' est-à-dire en amont dans l' écoulement 3. La zone de chargement 6 est suivie d'une zone dite de capture, référencée 7, destinée à collecter les particules de suie et qui ont été initialement chargées électriquement dans la zone de chargement 6.

Les plaques collectrices 2 s 'étendent dans l'enceinte 1 à la fois dans la zone de chargement 6 et dans la zone de capture 7. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 , les plaques collectrices 2 sont, dans la zone de chargement 6, enrobées complètement avec un revêtement isolant 8. En variante, il est possible de ne pas utiliser un tel revêtement isolant et de laisser la totalité des surfaces des plaques collectrices 2 totalement nues sur toute leur longueur.

Dans la zone de chargement 6, sont montées une pluralité d'électrodes filaires 9 disposées transversalement dans l'écoulement gazeux 3, comme on peut le voir en particulier sur la figure 2. Dans l' exemple illustré sur les figures 1 et 2, six plaques collectrices 2 sont prévues. Dans les intervalles entre lesdites plaques collectrices 2, dans la zone de chargement 6, des groupes de trois électrodes filaires 9 sont placés à égale distance de chacune des plaques collectrices 2, comme on peut le voir sur la figure 1. Dans l'exemple illustré, les groupes d'électrodes filaires 9 comprennent trois fils tendus transversalement comme on le voit sur la figure 2 et maintenus par des supports latéraux

10 en matériau isolant, montés à l' intérieur de l' enceinte 1 et fixés de manière appropriée.

Dans la zone de capture 7, qui est dénuée d'électrodes filaires 9 uniquement prévues dans la zone de chargement 6, des plaques conductrices 1 1 sont disposées parallèlement dans l'écoulement gazeux 3 entre les différentes plaques collectrices 2. Les plaques conductrices 11 présentent de préférence la même forme et sensiblement la même superficie que les plaques conductrices 2 dans la zone de capture 7. Sur la figure 2 on aperçoit en pointillés une

plaque conductrice 1 1. Dans l'exemple illustré sur la figure 1 , les bords d' attaque 12 des plaques conductrices 1 1 ainsi que les bords de fuite 13 sont légèrement arrondis pour éviter la formation d' arcs électriques le long de ces bords. L' espacement entre les différentes électrodes filaires 9 dans le sens longitudinal est de préférence égal à la distance entre les électrodes filaires 9 et les différentes plaques collectrices 2 dans la zone de chargement 6.

L' écartement entre les différentes plaques collectrices 2, le nombre de plaques 2 dans le dispositif de filtrage électrostatique ainsi que le nombre des électrodes filaires 9 peuvent aisément être choisis en fonction du débit des gaz d' échappement à traiter et du gabarit souhaité pour l'enceinte 1.

Deux plaques latérales 21 visibles sur la figure 2 permettent de canaliser l' écoulement des gaz d'échappement à l'intérieur de l' enceinte 1. Les plaques latérales 21 sont montées de chaque côté de l' empilement comprenant les plaques collectrices 2 et les plaques conductrices 11 et s' étendent sur toute la longueur de l' enceinte 1 dans la zone de chargement 9 comme dans la zone de capture 7. L' ensemble des électrodes filaires 9 est porté à un potentiel haute tension par l'intermédiaire des connexions 14 qui relient les électrodes filaires 9 à un générateur de courant électrique alternatif à haute tension 15 qui peut générer dans l' exemple illustré une haute tension négative U variable de forme sinusoïdale entre deux seuils de tension. L' ensemble des plaques conductrices 11 est également porté au même potentiel haute tension que les électrodes filaires 9 par l' intermédiaire des connexions 16 et avec interposition d'une résistance de ballast 17, par exemple d'une valeur comprise entre 1 et 10 Mohms, montée en série dans le circuit d' alimentation afin d' éviter les claquages électriques sur les plaques conductrices 11. L'ensemble des plaques collectrices 2 est relié à la masse par la connexion 18.

A titre d' exemple, on pourra appliquer une tension négative sinusoïdale comprise entre 10 et 100 KHz à l'ensemble des électrodes filaires 9 et des plaques conductrices 1 1. La tension oscillera entre un

seuil correspondant au déclenchement de la décharge corona autour des électrodes filaires 9 (par exemple 6 kilovolts pour un fil d'un diamètre de 0,2 mm). Le deuxième seuil de tension correspond au seuil de claquage générant un arc électrique entre une électrode filaire 9 et une plaque collectrice 2 (par exemple 20 kilovolts pour un écartement entre une électrode filaire 9 et une plaque collectrice 2 de 1 cm). La consommation électrique d'un tel filtre électrostatique peut être de l' ordre de 200 watts.

Dans l' exemple illustré sur la figure 1 , l'une des plaques collectrices 2 présente un détecteur d' encrassement 19 qui peut par exemple mesurer la résistance surfacique et qui est relié à un calculateur 20 capable, en fonction du degré d'encrassement détecté, d'enclencher une phase de régénération du filtre électrostatique par destruction des particules collectées. Lorsque le capteur 19 détecte une résistance surfacique qui dépasse un seuil mémorisé dans le calculateur 20, celui-ci peut programmer une procédure de régénération du filtre électrostatique. Au cours de cette procédure de régénération, les particules collectées sur les surfaces des plaques collectrices 2 dans la zone de capture 7 sont détruites par chauffage du dépôt à température élevée, par exemple de 600 ⁰ C. A cet effet, dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, l' enceinte 1 comporte une tubulure 22 qui débouche dans l' enceinte 1 sensiblement à la jonction entre les zones de chargement 9 et de capture 7. Un flux de gaz à haute température peut alors être introduit dans la zone de capture 7 de l'enceinte 1 lors d'une phase de régénération commandée par le calculateur 20. L' élévation de température produite par ces gaz à température élevée entraîne la destruction des particules de suie qui ont été préalablement collectées à la surface des plaques collectrices 2. Afin que la destruction des particules collectées sur toutes les plaques collectrices 2 soit obtenue, les plaques collectrices 2 et les plaques conductrices 1 1 présentent de préférence une structure perforée ou une structure de grille 23 comme visible sur la figure 2. De cette manière, les gaz à haute température

introduits par la tubulure 22 peuvent traverser l' empilement des différentes plaques collectrices 2 et des plaques conductrices 1 1.

Les gaz à haute température utilisés lors de la régénération peuvent par exemple être des gaz d' échappement dont on a augmenté la température en modifiant le fonctionnement du moteur à combustion pendant la phase de régénération du filtre électrostatique.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3 , la régénération est obtenue par une élévation de température provoquée cette fois par des éléments chauffants 24 implantés sur toute la surface de chacune des plaques collectrices 2 dans la zone de capture 7. Dans l' exemple illustré, chaque élément chauffant 24 comprend un serpentin métallique solidaire de chacune des surfaces des plaques collectrices 2, ou éventuellement noyé dans l' épaisseur de ces plaques collectrices 2. Les deux extrémités 24a et 24b du serpentin 24 peuvent traverser la paroi de l' enceinte 1 par des éléments isolants 25 et être alimentées en courant électrique pour le chauffage par effet Joule des surfaces des plaques collectrices 2, entraînant l' élimination des particules de suie collectées . Dans ce mode de réalisation, les plaques collectrices 2 et les plaques conductrices 1 1 sont dénuées de perforations 23.