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WO2010149908A1 - Structure de filtration d'un gaz a canaux hexagonaux irregulier - Google Patents

Structure de filtration d'un gaz a canaux hexagonaux irregulier Download PDF

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WO2010149908A1
WO2010149908A1 PCT/FR2010/051230 FR2010051230W WO2010149908A1 WO 2010149908 A1 WO2010149908 A1 WO 2010149908A1 FR 2010051230 W FR2010051230 W FR 2010051230W WO 2010149908 A1 WO2010149908 A1 WO 2010149908A1
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WO
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channels
width
walls
structure according
sides
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2010/051230
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English (en)
Inventor
Bernard Bouteiller
Adrien Vincent
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Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Filing date
Publication date
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    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms

Definitions

  • the invention relates to the field of filter structures possibly comprising a catalytic component, for example used in an exhaust line of a diesel type internal combustion engine.
  • Filters for the treatment of gases and the removal of soot typically from a diesel engine are well known in the prior art. These structures all most often have a honeycomb structure, one of the faces of the structure allowing the admission of the exhaust gas to be treated and the other side the evacuation of the treated exhaust gas.
  • the structure comprises, between the intake and discharge faces, a set of adjacent ducts or channels, most often of square section, axes parallel to each other separated by porous walls.
  • the ducts are closed at one or the other of their ends to delimit inlet chambers opening on the inlet face and outlet chambers opening along the discharge face.
  • 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.
  • porous ceramic filters for example cordierite, alumina, in particular aluminum titanate, mullite silicon nitride, are used for the filtration of gases. silicon / silicon carbide or silicon carbide mixture.
  • the particulate filter is subjected to a succession of filtration phases (accumulation of soot) and regeneration
  • soot particles emitted by the engine are retained and are deposited inside the filter.
  • soot particles are burned inside the filter, in order to restore its filtration properties.
  • the porous structure is then subjected to intense radial and tangential 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.
  • the assembled filters currently marketed for light vehicles typically comprise approximately 10 to 20 unit elements having, in a cross section, a square or rectangular section and whose surface elemental section is between about 10 cm 2 and about 25 cm 2 . These elements consist of a plurality of channels of usually square section.
  • an obvious solution could be to reduce the number of unit elements in the assembly by increasing their individual size. Such an increase, however, is not currently possible, particularly with SiC filters, without unacceptably reducing the thermomechanical strength of the filter.
  • the larger section filters are made by assembling with a grouting cement of elements of a size similar to those constituting the filters intended for light vehicles.
  • the number of unit elements of truck filter type is then very high and can have up to 30 or even 80 elements.
  • Such filters then have an overall mass and a loss of charge that is too high.
  • the object of the present invention is a filter or a filter element exhibiting all at the same time: a small loss of load caused by the filtering structure in operation, that is to say, typically when this is in an exhaust line of an internal combustion engine, both when said structure is free of soot particles (initial pressure drop) than when it is loaded with particles,
  • thermomechanical resistance that is to say allowing a prolonged life of the filter
  • the wall elements follow one another, in cross section and following a horizontal row and / or vertical channels, to define a sinusoidal shape or wave (wavy in English).
  • the wall elements typically wave a half-period of sinusoid across the width of a channel.
  • Such channel configurations make it possible to obtain a low pressure drop and a large storage volume of soot and residues.
  • This type of structure however, has a high loading slope soot and filters made with this type of channel configuration therefore do not meet all the needs defined above.
  • patent US 4417908 proposes cells or channels of hexagonal section, an input channel being surrounded by six output channels (see in particular Figure 11 of the publication).
  • the soot storage volume of such structures remains low overall, due to a too low filtration area, coupled with a too steep loading slope.
  • the patent application US 2007/0065631 proposes filters whose hexagonal cells are composed of concave walls. This configuration however has the disadvantage of inducing low filtration surfaces and consequently a high pressure drop and a Soot storage capacity too low, especially when the filter is loaded with residues.
  • EP 1 538 133 discloses asymmetrical hexagonal cell configurations, allowing an increase in the storage volume of soots and residues compared to structures with square section channels, channel density and constant wall thickness.
  • the configuration described in this document in Figure 14 induces a residue storage volume and soot too low, and a steep loading slope, the filtration area remains low.
  • this configuration of the channels causes the filter mass to be too high.
  • Patent application WO2007 / 134897 also discloses a configuration of asymmetrical hexagonal cell channels, the output channels being regular hexagons, said structure being supposed to distribute the soot more uniformly in the section plane perpendicular to the axis. of the filter.
  • the peripheral channels are not integers and may be of very small dimension on the edges.
  • This configuration leads to significant difficulties in obtaining and implementing, as well as concerns the design of extrusion dies, the problems of stresses on the die during the extrusion of the honeycomb structures, as well as the implementation of the filter itself, in particular with problems of clogging truncated channels, and problems of homogeneity and sealing of the corresponding plugs.
  • one solution consists in producing perpendicular external edges whose thickness is different.
  • the present invention thus aims to provide a filtering structure having the best compromise between the initial pressure loss, the loading slope .DELTA.P / M soot mass, the total area of filtration, the storage volume of the soot and residue and thermomechanical resistance, as previously described.
  • the present invention relates to a filtration structure of particles-loaded gases of the honeycomb type and comprising a set of longitudinal adjacent channels of mutually parallel axes separated by porous filtering walls. said channels being alternately plugged at one or other end of the structure so as to define inlet channels and outlet channels for the gas to be filtered, and to force said gas to pass through the walls porous separating the inlet and outlet channels.
  • Said structure is characterized in that:
  • each output channel has a common wall with six input channels, each common wall constituting one side of said output channel, at least a portion of the outlet channels has an irregular hexagonal section consisting of six sides, at least two adjacent sides having widths a and a '; two contiguous input channels, each sharing a wall of width a with the same exit channel of irregular hexagonal section, share between them a common wall of width b ', two contiguous inlet channels, sharing with said outlet channel respectively walls of width a and a', share between them a common wall width b
  • an irregular hexagonal section is understood to mean a section whose shape is different from a regular hexagon, that is to say ie whose six sides (or walls) are not equal and / or at least one angle between two sides (or walls) adjacent is different from 120 °.
  • the width b is preferably different from the width b'.
  • the output channels have walls of different widths a and a 'and the angles CC formed by two adjacent walls of the output channels are substantially equal to 120 °, as represented for example by FIGS. and 2 attached.
  • the output channels have walls of width a and equal to or different and at least one angle formed by two adjacent walls of the output channels is different from 120 °.
  • the FIG. 4 represents an exemplary embodiment of such a mode.
  • the irregular output channels have four sides of a first width a and two opposite sides of a second width a '.
  • each input channel may have a common wall with three other input channels and a common wall with three output channels.
  • the ratio of the widths a '/ a is generally between
  • the ratio a '/ a is greater than 0.6, preferably greater than 0.7 or even 0.8. Structures having good properties, as previously described, were obtained when the ratio a '/ a was greater than 0.9, or even greater than 0.95. Preferably, the ratio a '/ a is less than 2, preferably less than 1.7 or even 1.4. Structures having good properties, as previously described, were obtained when the ratio a '/ a was less than 1.2, or even less than 1.1. Preferably, the ratio a / b is between 0.25 and 4, preferably between 0.3 and 3, and very preferably between 0.5 and 2.
  • the ratio a '/ b' is between 0.25 and 4, preferably between 0.3 and 3, and very preferably between 0.5 and 2.
  • the width b ' is greater than the width b and the width a' is greater than the width.
  • the width b may be greater than the width b 'and the width a may be greater than the width a'.
  • all the output channels are of irregular hexagonal shape.
  • all of the output channels have an irregular hexagonal section consisting of six sides of which at least two adjacent sides have different widths a and a '.
  • a portion of the outlet channels preferably one half, has an irregular hexagonal section consisting of six sides, at least two adjacent sides having different widths a and a; a portion of the outlet channels, preferably one half, has a substantially regular hexagonal section, of width a.
  • a portion of the outlet channels preferably one half, has a first irregular hexagonal section consisting of six sides, at least two adjacent sides having different widths a + and ai;
  • a portion of the outlet channels preferably another half, has a second irregular hexagonal section, different from the first, consisting of six sides, at least two adjacent sides having different widths a2 and a2 ', the ratios of the corresponding widths bi '/ bi and i> 2 r / b2, in the sense previously described, being between 0.5 and 2.
  • the walls constituting the input and output channels are planar.
  • the walls constituting the inlet and / or outlet channels are corrugated, that is to say that they have, in cross-section and with respect to the center of a channel, at least one concavity or a convexity.
  • the output channels have walls convex relative to the center of said output channels.
  • the output channels may have concave walls with respect to the center of said output channels.
  • the ratio of the maximum distance c, in cross-section, between an end point of the concave or convex wall or walls and the line segment S1-S2 connecting the two ends of said wall, is typically greater than 0 and less than 0. 5.
  • the thickness is constant over the entire width of the walls of the inlet and outlet channels including the walls common between the inlet channels.
  • the walls of width a, a ', b and b' may be of different thickness.
  • the thickness of b and / or b ' may be greater than that of a and / or a'.
  • the ratio of the thicknesses of the walls b or b 'respectively on a or a' is less than or equal to 5, for example less than or equal to 3 or even less than or equal to 2, or even 1.5.
  • the ratio of the thicknesses of the walls b or b 'respectively to a or a' is greater than or equal to 1.01, for example greater than or equal to 1.05 or even greater than or equal to 1.1.
  • the channels may have rounded corners so as to further reduce the pressure drop and improve the mechanical and thermomechanical strength of the structure according to the invention.
  • the density of channels is typically between about 1 and 280 cm 2 channels and preferably between 15 and 60 channels per cm 2 .
  • the average wall thickness is typically between 100 and 1000 microns, and preferably between 100 and 700 microns.
  • the width a or of the outlet channels is between 0.05 mm and 4.00 mm, and preferably between 0.10 mm and 3.00 mm, and very preferably between 0.15 mm and 2.00 mm. .
  • the width b or b 'of the input channels is between 0.05 mm and approximately 4 mm, and preferably between 0.10 mm and 3.00 mm, and very preferably between 0.15 mm and 2.00 mm. .
  • the walls are based on silicon carbide, and / or aluminum titanate and / or cordierite and / or mullite and / or silicon nitride and / or sintered metals.
  • the invention relates in particular to an assembled filter comprising a plurality of filtering structures as previously described, said structures being bonded together by a cement, preferably of ceramic and refractory nature.
  • the invention furthermore relates to a device on an exhaust line of a diesel or petrol diesel engine preferably comprising a filtration structure or an assembled filter as previously described.
  • FIGS. 1 to 7 illustrate various nonlimiting embodiments of a filtering structure having a configuration of the channels according to the invention:
  • FIG. 1 illustrates a front elevational view of the front face of a corner piece of a filter according to a first embodiment according to the invention, comprising six-walled inlet and outlet channels having an irregular hexagonal section; .
  • regular hexagon is meant in the sense of the present description a geometry substantially deviating from that of a perfect hexagon, that is to say say whose six sides are equal and whose angles between two adjacent sides are equal to 120 ° C.
  • FIG. 2 illustrates a front elevational view of the front face of a corner piece of a filter according to a second embodiment according to the invention, comprising inlet and outlet channels to six walls also having an irregular hexagonal section.
  • FIG. 3 is a front view in elevation of the front face of a filter according to a third embodiment according to the invention, comprising six-walled input channels and six-walled output channels having a corrugation, constituent walls; an output channel being of concave shape with respect to the center of said output channel.
  • Figure 3a illustrates a more detailed view of Figure 3.
  • FIG. 4 is an illustration of a mode substantially identical to that of FIG. 1 but in which the angles between two adjacent walls are different from 120 °.
  • FIGS. 5 and 6 schematically show front elevational views of the front face of filters according to fourth and fifth embodiments according to the invention, comprising six-walled inlet and outlet channels incorporating two types of inlet channels, a first type whose section has a substantially regular hexagonal shape and a second type whose section has a substantially irregular hexagonal shape.
  • FIG. 7 illustrates a mode according to a sixth embodiment of the invention, comprising six-wall input and output channels incorporating two different types of input channels, a first type whose section has an irregular hexagonal shape and a second type whose section has an equally irregular hexagonal shape.
  • FIG. 1 shows an elevational view of the gas inlet face of a corner piece of the monolithic filtration unit 1.
  • the unit has inlet channels 3 and outlet channels 2.
  • the outlet channels 2 are conventionally obstructed on the inlet face of the gases by plugs 20.
  • the inlet channels are also plugged but on the opposite (rear) face of the filter, so that the gases to
  • the filtering structure is characterized by the presence of an outlet channel 2 whose cross section has an irregular hexagonal shape of elongated or oblong geometry, that is to say that is to say that two opposite sides 8 are parallel and of width greater than the width has four other sides 9. Two adjacent sides form an angle substantially equal to 120 °.
  • An exit channel 2 thus formed by six walls of width a or disposed at 120 °, is in contact with 6 input channels 3 of a general shape also hexagonal irregular, that is to say that said channels of six walls, of which at least two walls have different widths b and b ', in a cross-section.
  • the widths a, a ', b and b' are defined according to the invention as the distances connecting the two vertices or ends Si and S2 of the wall considered, said vertices Si and S2 inscribing on the central core 6 of said wall (see Figure 1 and following). Values of a, a ', b and b' are thus obtained, independent of the thickness of the walls and / or of any undulation of the walls (see FIG. 3).
  • two adjacent inlet channels 3 share with each other a wall 10 or 11 common.
  • two contiguous input channels 3, each sharing with said output channel 2 respectively walls 9 and 8 of different width respectively a and a ', share between them a common wall 11 of width b.
  • the width a ' is greater than the width a and the width b' is greater than the width b.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the invention which differs from the previous one, illustrated by FIG. 1, in that the width a is greater than the width a 'and the width b is greater than the width.
  • Figure 3 is a front elevational view of the front face of a filter according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates the arrangement according to the invention of a set of outlet channels 2 and inlet 3 in a honeycomb structure according to the invention similar to that of FIG. 1, but whose walls of the output channels are wavy.
  • the common walls 10 of width b 'between two contiguous input channels 3 are straight, that is to say that they do not have corrugated type of wave or convexity.
  • the common walls 11 of width b between two contiguous input channels 3 are straight, that is to say that they do not have corrugations of the concavity or convexity type.
  • the walls 10 and 11 also had a corrugation.
  • the maximum distance c in a cross section, is defined as the distance separating the endpoint 7 from the central core 6 of a corrugated wall and the straight segment. 8 connecting the two ends Si and S2 of the wall.
  • FIG. 4 is an illustration of a mode substantially identical to that of FIG. 1 but in which the angle between two adjacent walls 9 is close to 119 °.
  • FIG. 5 illustrates an alternative embodiment in which half of the outlet channels 22 have a section of regular hexagonal shape, that is to say that such an outlet channel consists of six walls of the same width a, two walls. adjacent ones being arranged at 120 ° from each other.
  • the other half of the outlet channels 21 has an irregular hexagonal shaped section according to the present invention.
  • two types of input channels 31 and 32 are also present, both having an irregular but different hexagonal shape section.
  • the width a ' is greater than the width a.
  • FIG. 6 illustrates a variant of FIG. 5, in which the width a is greater than the width a '.
  • the mode described in Figure 7 combines certain features of the modes illustrated above.
  • this mode there are two different types of output channels 21 and 22 according to the modes of FIGS. 5 and 6, but these output channels each have an irregular hexagonal section according to the invention.
  • said first half of the outlet channels 21 has an irregular hexagonal section.
  • the output channels 21 have four sides of a first width a ⁇ and two opposite sides of a second width ai 'greater than ai.
  • two contiguous input channels 31, each sharing a wall of the same width ai with said outlet channel 21, share with each other a common wall of width bi '.
  • Two contiguous input channels 31 and 32, each sharing with said output channel 21 respectively walls of width ai and ai ', share with each other a common wall of width b 1.
  • a second family of output channels 22 associated with the invention is furthermore associated with a second family of input channels 32, such that the width & 2 is greater than the width a . 2 'and the width h 2 ' is greater than the width h 2 .
  • the second half of the output channels 22 has an irregular hexagonal section.
  • the outlet channels 22 have four sides of a first width a. 2 and two opposite sides of a second width SL 2 'this time less than a. 2 .
  • two contiguous input channels 32 each sharing a wall of the same width a. 2 with said outlet channel 22, share with each other a common wall of width ID 2 '.
  • Two contiguous input channels 31 and 32, each sharing with said output channel 22 respectively walls of width SL 2 'and SL 2 , share with each other a common wall of width h 2 .
  • the ratios of the corresponding widths bi '/ bi and h 2 ' / h 2 are between 0.5 and 2.
  • EP 1455923 or WO 2004/090294 a first population of monolithic elements or monoliths in the form of honeycomb and silicon carbide.
  • the monoliths are then cooked under
  • the porous material obtained has an open porosity of 47% and a median pore distribution diameter of about 15 microns.
  • the technique of synthesis of the monoliths described above is also identical, but the The die is this time adapted to produce monolithic blocks characterized by an arrangement of internal channels in accordance with the representation given in Figure 9 attached.
  • the input channels 3 all have a section of the same irregular hexagonal shape in the sense of the present description and all the output channels 2 have a regular hexagonal type section.
  • Example 3 according to the invention (according to FIG. 1): The technique for synthesizing the monoliths described above is also identical, but the die is this time adapted so as to produce monolithic blocks characterized by an arrangement of the internal channels according to the invention and in accordance with the representation given in FIG. 1 (a '> a and b'> b).
  • the angle CC formed by the adjacent walls of the outlet channels is equal to 120 °.
  • Example 4 according to the invention (according to FIG. 4):
  • the angle OC formed by two adjacent walls 9 of the outlet channels is equal to 119 °.
  • 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 a gas flow rate of 250 kg / h and a temperature of 250 0 C, initially on the new filters.
  • the various filters are previously mounted on an exhaust line of a diesel engine 2.0 L run 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 to obtain soot loads in the filter of 6 g / 1.
  • the pressure drop measurement on the filter thus loaded with soot is carried out as on the new filter.
  • the pressure drop is also measured as a function of different loading rates between 0 and 10 gram / liter in order to establish the loading slope ⁇ P / m soaked .
  • the open front area (OFA) or open front area was estimated by calculating the percentage ratio of the area covered by the sum of the cross sections of the input channels of the front of the element. unit (except the walls and plugs) on the cross section of said unitary element and taking into account the average thickness of the outer walls of the constituent unit elements of the filter.
  • the storage volume of the residuals of the filter formed of unitary elements is even larger than this percentage is high.
  • the WALL was estimated by calculating the percentage ratio of the area of material represented by the walls of the unitary element (excluding plugs) to the cross-section of said unitary element, taking into account the the thickness of the outer walls of the constituent unit elements of the filter.
  • the specific filtration area was estimated by calculating the total area of the walls of the filter channels expressed in m 2 divided by the volume in m 3 of the unitary element.
  • the soot storage volume of the filter is even higher than this specific surface is large.
  • the loading slope of the filter is even lower than the specific filtration surface area.
  • Example 1 refers to an octosquare type structure representative of structures currently marketed as supposed to guarantee the best compromise between the different properties sought for an application as a particle filter.
  • Example 2 is in accordance with the mode described in application PCT / FR2008 / 052362.
  • Examples 3 to 5 show that the filters according to the invention have still improved performance, for substantially identical values of OFA and WALL.
  • the filters according to the invention have losses in the state loaded with soot, as well as soot loading slope, surprisingly low compared to the structures of the prior art the most efficient.
  • the filtration surfaces of the filters according to the invention are also more important.
  • Example 6 shows that this improvement effect can however only be obtained for structures whose ratio b '/ b is controlled.

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Abstract

Structure de filtration (1) de gaz chargés en particules, du type en nid d'abeilles et comprenant un ensemble de canaux (2, 3) adjacents longitudinaux d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses filtrantes (5), lesdits canaux étant alternativement bouchés à l'une ou l'autre des extrémités de la structure, ladite structure se caractérisant en ce que chaque canal de sortie (2) présente une paroi (5) commune avec six canaux d'entrée (3), chaque paroi commune constituant un coté dudit canal de sortie, au moins une partie des canaux de sortie (3) présente une section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents (9, 8) présentant des largeurs a et a', deux canaux d'entrée (3) contigus, partageant chacun une paroi (9) de largeur a avec un même canal de sortie (2) de section hexagonale irrégulière, partagent entre eux une paroi commune (10) de largeur b', deux canaux d'entrée (3) contigus, partageant chacun avec ledit canal de sortie (2) respectivement des parois (9, 8) de largeur a et a', partagent entre eux une paroi commune (11) de largeur b, le rapport des largeurs b' / b étant compris entre 0,5 et 2.

Description

STRUCTURE DE FILTRATION D'UN GAZ A CANAUX HEXAGONAUX IRREGULIER
L' invention se rapporte au domaine des structures filtrantes comprenant éventuellement une composante catalytique, par exemple utilisées dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne du type diesel .
Les filtres permettant le traitement des gaz et l'élimination des suies typiquement issues d'un moteur diesel sont bien connus de l'art antérieur. Ces structures présentent toutes le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à traiter et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement traités. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents, le plus souvent de section carrée, d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses. Les 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. 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. A l'heure actuelle, on utilise pour la filtration des gaz des filtres en matière céramique poreuse, par exemple en cordiérite, en alumine, notamment en titanate d'aluminium, en mullite en nitrure de silicium, en un mélange silicium/carbure de silicium 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 radiales et tangentielles 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.
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 unitaires 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 relaxation optimale des contraintes dans une telle 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. Afin d'obtenir les meilleurs performances de résistance thermo mécanique et de perte de charge, les filtres assemblés actuellement commercialisés pour les véhicules légers comportent typiquement environ 10 à 20 éléments unitaires présentant, selon une coupe transversale, une section carrée ou rectangulaire et dont la surface élémentaire en coupe est comprise entre environ 10 cm2 et environ 25 cm2. Ces éléments sont constitués d'une pluralité de canaux de section le plus souvent carrée. Pour réduire encore la masse du filtre sans réduire ses performances en termes de perte de charge et de stockage en suies, une solution évidente pourrait être de diminuer le nombre d'éléments unitaires dans l'assemblage en augmentant leur taille individuelle. Une telle augmentation n'est cependant pas possible actuellement, en particulier avec des filtres en SiC, sans diminuer de façon inacceptable la résistance thermomécanique du filtre.
Les filtres de plus grande section, actuellement utilisés notamment pour les applications de type «camion», sont réalisés par assemblage au moyen d'un ciment de jointoiement d'éléments de taille similaire à ceux constituant les filtres destinés aux véhicules légers. Le nombre d'éléments unitaires de type de filtre camions est alors très élevé et peut comporter jusqu'à 30 voire 80 éléments. De tels filtres présentent alors une masse globale et une perte de charge trop élevée.
De manière générale, il existe donc à l'heure actuelle un besoin visant à augmenter conjointement les performances globales de filtration et la durée de vie des filtres actuels .
Plus précisément, l'amélioration des filtres peut être directement mesurée par la comparaison des propriétés qui suivent, le meilleur compromis possible entre ces propriétés étant recherché selon l'invention, pour des régimes moteurs équivalents. En particulier, l'objet de la présente invention est un filtre ou un élément de filtre présentant tout à la fois: - une faible perte de charge occasionnée par la structure filtrante en fonctionnement, c'est-à-dire typiquement lorsque celle-ci est dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, aussi bien lorsque que ladite structure est exempte de particules de suies (perte de charge initiale) que lorsqu'elle est chargée en particules,
- une augmentation de la perte de charge du filtre au cours dudit fonctionnement la plus faible possible, c'est à dire un faible accroissement de la perte de charge en fonction du temps d'utilisation ou plus exactement en fonction du niveau de chargement en suies du filtre,
- une surface spécifique de filtration élevée,
- un volume de stockage de suies important, notamment à perte de charge constante, de manière à réduire la fréquence de régénération,
- une résistance thermomécanique forte, c'est-à-dire permettant une durée de vie prolongée du filtre,
- un volume de stockage des résidus plus important. L'augmentation de la perte de charge en fonction du niveau de chargement en suies du filtre est notamment directement mesurable par la pente de chargement ΔP/Msuies, dans lequel ΔP représente la perte de charge et Msuies la masse de suie accumulée dans le filtre. De manière à améliorer l'une ou l'autre des propriétés précédemment décrites, il a déjà été proposé dans l'art antérieur de modifier la forme des canaux de la structure filtrante de différentes manières : Par exemple, pour augmenter à volume de filtre constant, la surface de filtration dudit filtre, il a été proposé, dans la demande de brevet WO 05/016491, des éléments filtrants dont la forme et le volume interne des canaux d'entrée et de sortie sont différents. Dans de telles structures, les éléments de paroi se succèdent, en coupe transversale et en suivant un rang horizontal et/ou vertical de canaux, pour définir une forme sinusoïdale ou en vague (wavy en anglais) . Les éléments de paroi ondulent typiquement d'une demi-période de sinusoïde sur la largeur d'un canal. De telles configurations de canaux permettent d' obtenir une perte de charge faible et un volume de stockage de suies et résidus important. Ce type de structure présente cependant une pente de chargement élevée en suie et les filtres réalisés avec ce type de configuration de canaux ne permettent donc pas de répondre à l'ensemble des besoins définis précédemment.
Selon une autre configuration, le brevet US 4417908 propose des cellules ou canaux de section hexagonale, un canal d'entrée étant entouré de six canaux de sortie (voir notamment la figure 11 de la publication) . Le volume de stockage en suies de telles structures reste cependant globalement faible, en raison d'une surface de filtration trop faible, couplée à une trop forte pente de chargement. En variante, la demande de brevet US 2007/0065631 propose des filtres dont les cellules hexagonales sont composées de parois concaves. Cette configuration présente cependant l'inconvénient d'induire des surfaces de filtration faibles et par suite une perte de charge élevée ainsi qu'une capacité de stockage en suies trop faible, en particulier lorsque le filtre est chargé en résidus.
Alternativement, on connaît de la demande EP 1 538 133 des configurations de cellules hexagonales asymétriques, permettant une augmentation du volume de stockage des suies et des résidus par rapport aux structures avec canaux à section carrée, à densité de canaux et épaisseur de parois constantes. Cependant, la configuration décrite dans ce document en figure 14 induit un volume de stockage des résidus et des suies trop faible, ainsi qu'une forte pente de chargement, la surface de filtration restant faible. En outre cette configuration des canaux entraîne une masse du filtre trop élevée.
Lors du fonctionnement du filtre les expériences menées par le déposant ont montré qu'une quantité de résidus potentiellement stockable par ledit filtre plus importante, lorsque celui-ci est placé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, se traduit au final par une durée de vie sensiblement prolongée du filtre.
On connaît également de la demande de brevet WO2007/134897 une configuration de canaux de cellules hexagonales asymétriques, les canaux de sortie étant des hexagones réguliers, ladite structure étant supposée répartir les suies de façon plus uniforme dans le plan de section perpendiculaire à l'axe du filtre.
Cependant dans le cas général de filtres dont les éléments unitaires sont de forme carrée ou rectangle, les géométries des sections des canaux constitutifs de la structure en nid d'abeille étant de forme hexagonale régulière, les canaux périphériques ne sont pas entiers et peuvent être de très petite dimension sur les bords. Cette configuration conduit à d'importantes difficultés d'obtention et de mise en œuvre, aussi bien en ce qui concerne la conception des filières d'extrusion, les problèmes de contraintes sur la filière lors de l'extrusion des structures en nid d'abeille qu'en ce qui concerne la mise en œuvre du filtre lui-même, avec notamment des problèmes de bouchage des canaux tronqués, et des problèmes d'homogénéité et d'étanchéité des bouchons correspondants. Afin de palier à ces difficultés, une solution consiste à réaliser des bords externes perpendiculaires dont l'épaisseur est différente. Une telle configuration pénalise cependant la surface de front ouverte des éléments unitaires et la surface de filtration des éléments unitaires, ce qui au final contribue à augmenter sensiblement la perte de charge du filtre. Par ailleurs, cette différence d'épaisseur de paroi peut conduire à une augmentation et une répartition hétérogène de la masse des éléments unitaires induisant des hétérogénéités thermiques pendant la régénération car le transfert thermique radial est différent dans un sens par rapport au sens perpendiculaire dans le plan de la section du filtre. Cette différence de transfert thermique peut générer des contraintes thermomécaniques au sein du filtre et en diminuer la performance. En outre, des épaisseurs de parois hétérogènes entraînent des problèmes lors de l'extrusion des structures en nid d'abeille, du fait d'une pression et de vitesse d'extrusion également non homogène.
Il est proposé dans la demande WO2005/115589 des configurations avec 4 canaux d'entrée de forme hexagonale allongée autour d'un canal de sortie à quatre cotés afin d'améliorer la surface de filtration et augmenter le volume de stockage en suies ou en résidus, par référence à une structure filtrante formée de canaux d'entrée et de sortie de forme carrée. Ce type de configuration présente un ratio du nombre de canaux d' entrée sur le nombre de canaux de sortie par unité de surface égal à 1, ce qui pénalise excessivement la perte de charge, à surface ouverte équivalente .
On voit ainsi que si chacune des configurations de l'art antérieur peut permettre d'améliorer une ou plusieurs des propriétés recherchées, telles que précédemment exposées, aucune des solutions décrites ne fournit cependant un compromis acceptable entre l'ensemble de celles-ci. En général, on peut remarquer que, pour chacune des configurations de l'art antérieur, l'amélioration obtenue pour l'une des propriétés du filtre est accompagnée de la détérioration conjointe d'une autre, de telle sorte que l'amélioration finalement obtenue est généralement mineure au regard des inconvénients induits.
La présente invention a ainsi pour but de fournir une structure filtrante présentant le meilleur compromis entre la perte de charge initiale, la pente de chargement ΔP/Msuies, la masse, la surface totale de filtration, le volume de stockage des suies et des résidus et la résistance thermomécanique, tel que précédemment décrit. Dans sa forme la plus générale, la présente invention se rapporte à une structure de filtration de gaz chargés en particules, du type en nid d'abeilles et comprenant un ensemble de canaux adjacents longitudinaux d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses filtrantes, lesdits canaux étant alternativement bouchés à l'une ou l'autre des extrémités de la structure de façon à définir des canaux d'entrée et des canaux de sortie pour le gaz à filtrer, et de façon à forcer ledit gaz à traverser les parois poreuses séparant les canaux d'entrée et de sortie. Ladite structure se caractérise en ce que :
- chaque canal de sortie présente une paroi commune avec six canaux d'entrée, chaque paroi commune constituant un coté dudit canal de sortie, - au moins une partie des canaux de sortie présente une section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a et a' , - deux canaux d'entrée contigus, partageant chacun une paroi de largeur a avec un même canal de sortie de section hexagonale irrégulière, partagent entre eux une paroi commune de largeur b' , deux canaux d'entrée contigus, partageant avec ledit canal de sortie respectivement des parois de largeur a et a' , partagent entre eux une paroi commune de largeur b,
- le rapport des largeurs b' /b est compris entre 0,5 et 2. Au sens de la présente invention, on entend par section hexagonale irrégulière une section dont la forme est différente d'un hexagone régulier, c'est-à-dire dont les six cotés (ou parois) ne sont pas égaux et/ou dont au moins un angle entre deux cotés (ou parois) adjacents est différent de 120° .
Sans toutefois exclure un mode dans lequel les largeurs b et b' sont égales, dans les structures de filtration selon l'invention, la largeur b est de préférence différente de la largeur b' . Selon un premier mode possible, les canaux de sortie présentent des parois de largeur a et a' différentes et les angles CC formés par deux parois adjacentes des canaux de sortie sont sensiblement égaux à 120°, comme cela est représenté par exemple par les figures 1 et 2 ci-jointes. Selon un autre mode possible, les canaux de sortie présentent des parois de largeur a et a' égales ou différentes et au moins un angle formé par deux parois adjacentes des canaux de sortie est différent de 120°. La figure 4 représente un exemple de réalisation d'un tel mode .
De préférence, dans les structures selon l'invention, a et a' sont différents. Selon une réalisation possible, les canaux de sortie irréguliers présentent quatre cotés d'une première largeur a et deux cotés opposés d'une deuxième largeur a'.
En général, dans les structures selon l'invention, chaque canal d'entrée peut présenter une paroi commune avec trois autres canaux d'entrée et une paroi commune avec trois canaux de sortie.
Dans les structures de filtration selon l'invention, le rapport des largeurs a' /a est généralement compris entre
0,5 et 2. De préférence, le rapport a' /a est supérieur à 0,6, de préférence supérieur à 0,7 ou même 0,8. Des structures présentant de bonnes propriétés, au sens précédemment décrit, ont été obtenus lorsque le rapport a' /a était supérieur à 0,9, ou même supérieur à 0,95. De préférence, le rapport a' /a est inférieur à 2, de préférence inférieur à 1,7 ou même 1,4. Des structures présentant de bonnes propriétés, au sens précédemment décrit, ont été obtenus lorsque le rapport a' /a était inférieur à 1,2, ou même inférieur à 1,1. De préférence, le rapport a/b est compris entre 0,25 et 4, de préférence compris entre 0,3 et 3, et de manière très préférée compris entre 0,5 et 2.
De préférence, le rapport a' /b' est compris entre 0,25 et 4, de préférence compris entre 0,3 et 3, et de manière très préférée compris entre 0,5 et 2.
Notamment, selon un premier mode de réalisation, la largeur b' est supérieure à la largeur b et la largeur a' est supérieure à la largeur. Alternativement, la largeur b peut être supérieure à la largeur b' et la largeur a peut être supérieure à la largeur a' .
Selon un mode possible, tous les canaux de sortie sont de forme hexagonale irrégulière. Par exemple, la totalité des canaux de sortie présentent une section hexagonale irrégulière constitué de six cotés dont au moins deux cotés adjacents présentent des largeurs a et a' différentes.
Alternativement, seulement certains d'entre eux, par exemple la moitié, présente une section hexagonale irrégulière, d'autres, par exemple une autre moitié présentant une section du type hexagone régulier.
Par exemple dans une première structure de filtration de ce type : - une partie des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a et a' différentes, - une partie des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une section hexagonale sensiblement régulière, de largeur a. selon une autre réalisation,
- une partie des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une première section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a± et ai' différentes,
- une partie des canaux de sortie, de préférence une autre moitié, présente une deuxième section hexagonale irrégulière, différente de la première, constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a2 et a2' différentes, les rapports des largeurs correspondantes bi' / bi et i>2r / b2, au sens précédemment décrit, étant compris entre 0,5 et 2.
Selon un mode possible les parois constituant les canaux d'entrée et de sortie sont planes.
Selon un mode alternatif, les parois constituant les canaux d'entrée et/ou de sortie sont ondulées, c'est-à-dire qu'elles présentent, en coupe transversale et par rapport au centre d'un canal, au moins une concavité ou une convexité.
Par exemple, les canaux de sortie présentent des parois convexes par rapport au centre desdits canaux de sortie. Sans sortir de l'invention, les canaux de sortie peuvent présenter des parois concaves par rapport au centre desdits canaux de sortie. Le rapport de la distance maximale c, selon une coupe transversale, entre un point extrême de la ou les parois concaves ou convexes et le segment de droite S1-S2 reliant les deux extrémités de ladite paroi, est typiquement supérieure à 0 et inférieur à 0,5.
De préférence l'épaisseur est constante sur toute la largeur des parois des canaux d'entrée et de sortie y compris celle des parois communes entre les canaux d' entrée . Les parois de largeur a, a' , b et b' peuvent être d'épaisseur différente. Par exemple, l'épaisseur de b et/ou de b' peut être supérieure à celle de a et/ou a' . Selon une réalisation possible, le rapport des épaisseurs des parois b ou b' respectivement sur a ou a' est inférieur ou égal à 5, par exemple inférieur ou égal à 3 ou même inférieur ou égal à 2, voire 1,5. Selon un mode possible, le rapport des épaisseurs des parois b ou b' respectivement sur a ou a' est supérieur ou égal à 1,01, par exemple supérieur ou égal à 1,05 ou même supérieur ou égal à 1,1. Avantageusement les canaux peuvent présenter des coins arrondis de manière à réduire encore la perte de charge et améliorer la résistance mécanique et thermomécanique de la structure selon l'invention. Dans les structures de filtration selon l'invention, la densité de canaux est typiquement comprise entre environ 1 et 280 canaux cm2 et de préférence comprise entre 15 et 60 canaux par cm2.
Dans les structures de filtration selon l'invention, l'épaisseur moyenne des parois est typiquement comprise entre 100 et 1000 microns, et de préférence comprise entre 100 et 700 microns.
En général la largeur a ou a' des canaux de sortie est comprise entre 0,05mm et 4,00mm, et de préférence comprise entre 0,10mm et 3,00mm, et de manière très préférée comprise entre 0,15mm et 2,00mm.
En général la largeur b ou b' des canaux d'entrée est comprise entre 0,05mm et environ 4mm, et de préférence comprise entre 0,10mm et 3,00mm, et de manière très préférée comprise entre 0,15mm et 2,00mm.
Selon un mode de réalisation, les parois sont à base de Carbure de Silicium, ou/et de titanate d'Aluminium ou/et de cordiérite ou/et de mullite et/ou de nitrure de Silicium et/ou de métaux frittes. L' invention se rapporte en particulier à un filtre assemblé comprenant une pluralité de structures filtrantes telles que précédemment décrites, les dites structures étant liées entre elles par un ciment, de préférence de nature céramique et réfractaire. L' invention se rapporte en outre à un dispositif sur une ligne d'échappement d'un moteur Diesel ou Essence de préférence Diesel comprenant une structure de filtration ou un filtre assemblé tels que précédemment décrits. Les figures 1 à 7 illustrent différents modes non limitatifs de réalisation d'une structure filtrante présentant une configuration des canaux selon l'invention :
La figure 1 illustre une vue de face en élévation de la face avant d'un morceau de coin d'un filtre selon une première réalisation selon l'invention, comprenant des canaux d'entrée et de sortie à six parois présentant une section hexagonale irrégulière. Par « hexagone irrégulier », on entend au sens de la présente description une géométrie s' écartant sensiblement de celle d'un hexagone parfait, c'est-à-dire dire dont les six cotés sont égaux et dont les angles entre deux cotés adjacents sont égaux à 1200C. La figure 2 illustre une vue de face en élévation de la face avant d'un morceau de coin d'un filtre selon une deuxième réalisation selon l'invention, comprenant des canaux d'entrée et de sortie à six parois présentant également une section hexagonale irrégulière. La figure 3 est une vue de face en élévation de la face avant d'un filtre selon une troisième réalisation selon l'invention, comprenant des canaux d'entrée à six parois et des canaux de sortie à six parois présentant une ondulation, parois constituant un canal de sortie étant de forme concave par rapport au centre dudit canal de sortie. La figure 3a illustre une vue plus détaillée de la figure 3.
La figure 4 est une illustration d'un mode sensiblement identique à celui de la figure 1 mais dans lequel les angles entre deux parois adjacentes sont différents de 120°.
Les figures 5 et 6 schématisent des vues de face en élévation de la face avant de filtres selon des quatrième et cinquième réalisations selon l'invention, comprenant des canaux d'entrée et de sortie à six parois incorporant deux types de canaux d'entrée, un premier type dont la section présente une forme hexagonale sensiblement régulière et un deuxième type dont la section présente une forme hexagonale sensiblement irrégulière.
La figure 7 illustre un mode selon une sixième réalisation de l'invention, comprenant des canaux d'entrée et de sortie à six parois incorporant deux types de canaux d'entrée différents, un premier type dont la section présente une forme hexagonale irrégulière et un deuxième type dont la section présente une forme hexagonale également irrégulière.
Dans toutes les figures jointes à la présente description, les éléments identiques, de même nature ou répondant à la même définition sont désignés par les mêmes lettres ou numéros. Dans un souci de clarté, toutes les lettres et numéros ne sont cependant pas forcément reportés intégralement dans l'ensemble des figures.
Sur la figure 1, on a représenté une vue en élévation de la face d'entrée des gaz d'un morceau de coin de l'unité de filtration monolithique 1. L'unité présente des canaux d'entrée 3 et des canaux de sortie 2. Les canaux de sortie 2 sont classiquement obstrués sur la face d'entrée des gaz par des bouchons 20. Les canaux d'entrée sont également bouchés mais sur la face opposée (arrière) du filtre, de manière à ce que les gaz à purifier soient forcés de traverser les parois poreuses 5. Selon ce premier mode, la structure filtrante est caractérisée par la présence d'un canal de sortie 2 dont la section transversale présente une forme hexagonale irrégulière de géométrie allongée ou oblongue, c'est-à-dire que 2 cotés opposés 8 sont parallèles et de largeur a' plus grande que la largeur a des quatre autres cotés 9. Deux cotés adjacents forment un angle sensiblement égal à 120°. Un canal de sortie irrégulier 2, ainsi formé par six parois de largeur a ou a' disposées à 120°, est en contact avec 6 canaux d'entrée 3 d'une forme générale également hexagonale irrégulière, c'est-à-dire que lesdits canaux d'entrée sont formés par six parois, dont deux parois au moins présentent des largeurs différentes b et b' , selon une coupe transversale.
Tel que représenté sur les figures ci-jointes, selon la coupe transversale de la structure filtrante, les largeurs a, a', b et b' sont définies selon l'invention comme les distances reliant les deux sommets ou extrémités Si et S2 de la paroi considérée, lesdits sommets Si et S2 s' inscrivant sur l'âme centrale 6 de ladite paroi (cf. figure 1 et suivantes) . On obtient ainsi des valeurs de a, a', b et b' indépendantes de l'épaisseur des parois et/ou d'une éventuelle ondulation des parois (cf. figure 3).
Tel que représenté sur la figure 1, deux canaux d'entrée 3 adjacents partagent entre eux une paroi 10 ou 11 commune. Dans les structures selon l'invention, deux canaux d'entrée 3 contigus, partageant chacun une paroi 9 de largeur a avec un même canal de sortie 2, partagent entre eux une paroi commune 10 de largeur b' . En outre, deux canaux d'entrée 3 contigus, partageant chacun avec ledit canal de sortie 2 respectivement des parois 9 et 8 de largeur différentes respectivement a et a' , partagent entre eux une paroi commune 11 de largeur b.
Dans le premier mode de réalisation de l'invention illustré par la figure 1, la largeur a' est supérieure à la largeur a et la largeur b' est supérieure à la largeur b.
Sur la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention qui diffère du précédent, illustré par la figure 1, en ce que la largeur a est supérieure à la largeur a' et la largeur b est supérieure à la largeur b' . La figure 3 est une vue de face en élévation de la face avant d'un filtre selon une troisième réalisation de l'invention. La figure 3 illustre l'agencement selon l'invention d'un ensemble de canaux de sortie 2 et d'entrée 3 dans une structure en nid d'abeille selon l'invention semblable à celle de la figure 1, mais dont les parois des canaux de sortie sont ondulées.
Telle que représenté sur la figure 3, les parois communes 10 de largeur b' entre deux canaux d'entrée 3 contigus sont droites, c'est-à-dire qu'elles ne présentent pas d'ondulations du type concavité ou convexité. De même les parois communes 11 de largeur b entre deux canaux d'entrée 3 contigus sont droites, c'est-à-dire qu'elles ne présentent pas d' ondulations du type concavité ou convexité. Bien entendu, on ne sortirait cependant pas de l'invention si les parois 10 et 11 présentaient également une ondulation.
Au sein de cette structure et tel que représenté sur la figure 3, on définit la distance maximale c, selon une coupe transversale, comme la distance séparant le point extrême 7 sur l'âme centrale 6 d'une paroi ondulée et le segment de droite 8 reliant les deux extrémités Si et S2 de la paroi.
La figure 4 est une illustration d'un mode sensiblement identique à celui de la figure 1 mais dans lequel l'angle entre deux parois adjacentes 9 est proche de 119°.
La figure 5 illustre une réalisation alternative dans laquelle la moitié des canaux de sortie 22 présentent une section de forme hexagonale régulière, c'est-à-dire qu'un tel canal de sortie est constitué par six parois de même largeur a, deux parois adjacentes étant disposées à 120° l'une de l'autre. L'autre moitié des canaux de sortie 21 présente une section de forme hexagonale irrégulière conformément à la présente invention. Dans le mode de la figure 5, deux types de canaux d'entrée 31 et 32 sont également présents, présentant tous les deux une section de forme hexagonale irrégulière mais différente. Dans le mode illustré par la figure 5, la largeur a' est supérieure à la largeur a.
La figure 6 illustre une variante de la figure 5, dans laquelle la largeur a est supérieure à la largeur a' .
Le mode décrit dans la figure 7 combine certaines caractéristiques des modes illustrés précédemment. Ainsi on retrouve selon ce mode deux types différents de canaux de sortie 21 et 22 selon les modes des figures 5 et 6, mais ces canaux de sortie présentent chacun une section hexagonale irrégulière selon l'invention. Ainsi, sur le mode représenté sur la figure 7, on retrouve une première famille de canaux de sortie 21 associée selon l'invention à une première famille de canaux d'entrée 31, de telle façon que la largeur ai' est supérieure à la largeur a± et la largeur bi est supérieure à la largeur bi' .
Plus précisément, selon ce mode, ladite première moitié des canaux de sortie 21 présente une section hexagonale irrégulière. Tel que représenté sur la figure 7, les canaux de sortie 21 présentent quatre cotés d'une première largeur a± et deux cotés opposés d'une deuxième largeur ai' supérieure à ai. Conformément à l'invention, deux canaux d'entrée 31 contigus, partageant chacun une paroi de même largeur ai avec ledit canal de sortie 21, partagent entre eux une paroi commune de largeur bi' . Deux canaux d'entrée 31 et 32 contigus, partageant chacun avec ledit canal de sortie 21 respectivement des parois de largeur ai et ai' , partagent entre eux une paroi commune de largeur bi . On retrouve en outre sur le mode illustré par la figure 7 une deuxième famille de canaux de sortie 22 associée selon l'invention à une deuxième famille de canaux d'entrée 32, de telle façon que la largeur &2 est supérieure à la largeur a.2' et la largeur h2' est supérieure à la largeur h2.
De même que pour la première moitié des canaux de sortie 21, la deuxième moitié des canaux de sortie 22 présente une section hexagonale irrégulière. Tel que représenté sur la figure 7, les canaux de sortie 22 présentent quatre cotés d'une première largeur a.2 et deux cotés opposés d'une deuxième largeur SL2' cette fois inférieure à a.2. Conformément à l'invention, deux canaux d'entrée 32 contigus, partageant chacun une paroi de même largeur a.2 avec ledit canal de sortie 22, partagent entre eux une paroi commune de largeur ID2' . Deux canaux d'entrée 31 et 32 contigus, partageant chacun avec ledit canal de sortie 22 respectivement des parois de largeur SL2' et SL2, partagent entre eux une paroi commune de largeur h2. Selon l'invention, les rapports des largeurs correspondantes bi' / bi et h2' / h2 sont compris entre 0,5 et 2.
Bien entendu d'autres modes de réalisation selon l'invention sont possibles et sont inclus dans le cadre de la présente description. En particulier, sans sortir du cadre de l'invention, tous les modes de réalisations conformes à ceux précédemment décrits ou en combinant certaines des caractéristiques sont possibles.
L' invention et ses avantages par rapport aux structures déjà connues seront mieux compris à la lecture des exemples non limitatifs qui suivent. Exemple 1 : (selon art antérieur)
On a synthétisé selon les techniques de l'art, par exemple décrites dans les brevets EP 816065, EP 1142619,
EP 1455923 ou encore WO 2004/090294, une première population d'éléments monolithiques ou monolithes en forme de nid d'abeille et en carbure de silicium.
Pour ce faire, dans un premier mode comparable au mélange de poudre décrit dans EP 1142619, on mélange dans un premier temps 70% poids d'une poudre de SiC dont les grains présentent un diamètre médian d5o de 10 microns, avec une deuxième poudre de SiC dont les grains présentent un diamètre médian d5o de 0,5 micron. Au sens de la présente description, on désigne par diamètre médian de pore d5o le diamètre des particules tel que respectivement 50% de la population totale des grains présente une taille inférieure à ce diamètre. A ce mélange est ajouté un porogène du type polyéthylène dans une proportion égale à 5% poids du poids total des grains de SiC et un additif de mise en forme du type methylcellulose dans une proportion égale à 10% poids du poids total des grains de SiC.
On ajoute de l'eau et on malaxe jusqu'à obtenir une pâte homogène dont la plasticité permet l'extrusion, la filière étant configurée pour l'obtention de blocs monolithes par une disposition octogonale des canaux d'entrée et carrée des canaux de sortie (souvent appelée structure octosquare dans le domaine) telle que représentée par la figure 8 ci- jointe, sur laquelle les principaux paramètres caractérisant la structure sont reportés, en utilisant les mêmes numéros et lettres de référence. Les monolithes crus obtenus sont séchés par microondes pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1% en masse. Les canaux de chaque face du monolithe sont alternativement bouchés selon des techniques bien connues, par exemple décrites dans la demande WO 2004/065088.
Les monolithes (éléments) sont ensuite cuits sous
Argon selon une montée en température de 20°C/heure jusqu'à atteindre une température maximale de 22000C qui est maintenue pendant 6 heures. Le matériau poreux obtenu, présente une porosité ouverte de 47% et un diamètre médian de distribution de pores de l'ordre de 15 micromètres.
Les caractéristiques dimensionnelles des éléments de section carrée ainsi obtenus sont données dans le tableau
1 ci-après la structure présentant une périodicité c'est à dire une distance entre 2 canaux adjacents, de 2,02mm.
La disposition des canaux est caractérisée par les valeurs suivantes selon la description précédente: - a = 1,66mm (largeur de paroi commune entre un canal de sortie et un canal d'entrée)
- b = 0,52mm (largeur de paroi commune entre deux canaux d' entrée)
- épaisseur de paroi e = 0,39mm On a ensuite formé un filtre assemblé à partir des monolithes. Seize éléments issus d'un même mélange ont été assemblés entre eux selon les techniques classiques par collage au moyen d'un ciment de composition chimique suivante : 72% poids de SiC, 15% poids d'Al2O3, 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 1 à 2 mm. L'ensemble est ensuite usiné, afin de constituer des filtres assemblés de forme cylindrique d'environ 14,4 cm de diamètre.
Exemple 2 (comparatif) :
La technique de synthèse des monolithes décrite précédemment est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes se caractérisant par une disposition des canaux internes conforme à la représentation donnée sur la figure 9 ci-jointe. Les canaux d'entrée 3 présentent tous une section de même forme hexagonale irrégulière au sens de la présente description et tous les canaux de sortie 2 présentent une section du type hexagone régulier. La disposition des canaux est caractérisée par les valeurs suivantes : a (= a' )= 1,23mm b (= b' )= 1,43mm C = O mm (parois droites)
Exemple 3 selon l'invention (selon figure 1) : La technique de synthèse des monolithes décrite précédemment est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes se caractérisant par une disposition des canaux internes selon l'invention et conforme à la représentation donnée sur la figure 1 (a' > a et b' > b) .
La disposition des canaux est caractérisée par les valeurs suivantes : a = 1,23mm a'= 1,27mm b = 1,43mm b' =1,46mm
C = O mm (parois droites)
Tel que représenté sur la figure 1, l'angle CC formé par les parois adjacentes des canaux de sortie est égal à 120°.
Exemple 4 selon l'invention (selon figure 4) :
La technique de synthèse des monolithes décrite précédemment est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes se caractérisant par une disposition des canaux selon l'invention et conforme à la représentation donnée sur la figure 2.
La disposition des canaux est caractérisée par les valeurs suivantes : a = 1,24mm a' = 1,26mm b = 1, 43mm b' =l,45mm C = O mm (parois droites)
Tel que représenté sur la figure 4, l'angle OC formé par deux parois 9 adjacentes des canaux de sortie est égal à 119°.
Exemple 5 selon l'invention (selon figure 2)
La technique de synthèse des monolithes décrite précédemment est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes se caractérisant par une disposition des canaux selon l'invention et conforme à la représentation donnée sur la figure 2 (a > a' et b > b' ) .
La disposition des canaux est caractérisée par les valeurs suivantes : a = 1 , 23mm a'= 1,16mm b = 1, 43mm b' =l,36mm
C = O mm (parois droites)
CC = 120°.
Exemple 6 comparatif (selon figure 1)
La technique de synthèse des monolithes décrite précédemment est également reprise à l'identique, mais la filière est cette fois-ci adaptée de manière à réaliser des blocs monolithes très déformés, c'est-à-dire se caractérisant par une disposition des canaux conforme à la représentation donnée sur la figure 1 mais avec les paramètres suivants : a = 1 , 21 mm a' = 2,65 mm b = 1,45 mm b' = 2,87 mm
C = O mm (parois droites) CC = 120° .
Les principales caractéristiques structurelles des éléments obtenus selon les exemples 1 à 6 sont reportées dans le tableau 1 ci-dessous. La technique d'assemblage et d'obtention des filtres est la même pour tous les exemples et telle que décrite dans l'exemple 1.
Figure imgf000027_0001
NA= non applicable
Tableau 1
Les échantillons obtenus ont été évalués et caractérisés selon les modes opératoires suivants:
A- Mesure de perte de charge à l'état chargé ou non et de la pente de chargement:
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 de gaz de 250 kg/h et une température de 2500C, dans un premier temps sur les filtres neufs.
Pour la mesure de perte de charge sur filtre chargé en suies , les différents filtres sont préalablement montés sur une ligne d'échappement d'un moteur diesel 2.0 L 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 afin d'obtenir des charges en suies dans le filtre de 6 g/1. La mesure de perte de charge sur le filtre ainsi chargé en suies est réalisée comme sur le filtre neuf. On mesure aussi la perte de charge en fonction de différents taux de chargements compris entre 0 et 10 gramme/litre afin d'établir la pente de chargement ΔP/msuie.
B-Evaluation des propriétés géométriques du filtre :
L' OFA (« open front area » en anglais) ou surface de front ouverte a été estimée en calculant le rapport en pourcentage de l'aire couverte par la somme des sections transversales des canaux d'entrée de la face avant de l'élément unitaire (hormis les parois et bouchons) sur la section transversale dudit élément unitaire et en tenant compte de l'épaisseur moyenne des parois externes des éléments unitaires constitutifs du filtre. Le volume de stockage des résidus du filtre formé d'éléments unitaires est d'autant plus grand que ce pourcentage est élevé.
Le WALL a été estimé en calculant le rapport en pourcentage de la surface de matière représentée par les parois de l'élément unitaire (hormis donc les bouchons) sur la section transversale dudit élément unitaire, en tenant compte de l'épaisseur des parois externes des éléments unitaires constitutifs du filtre.
La surface spécifique de filtration a été estimée en calculant la surface complète des parois des canaux filtrants exprimée en m2 divisée par le volume en m3 de l'élément unitaire. Le volume de stockage en suies du filtre est d'autant plus élevé que cette surface spécifique est grande. La pente de chargement du filtre est d'autant plus faible que la surface spécifique de filtration est grande. Afin de pouvoir comparer les performances des exemples selon l'invention par rapport aux exemples selon l'art antérieur et comparatif, les structures ont été comparées à paramètres WALL et OFA constants, hors parois externes.
Les résultats obtenus aux tests pour l'ensemble des exemples 1 à 6 sont regroupés dans le tableau 2 qui suit :
Figure imgf000030_0001
NA = non applicable
Tableau 2
Analyse des résultats:
Dans le tableau 2, l'exemple 1 se rapporte à une structure du type octosquare représentative de structures actuellement commercialisées car supposées garantir le meilleur compromis entre les différentes propriétés recherchées pour une application comme filtre à particules. L'exemple 2 est conforme au mode décrit dans la demande PCT/FR2008/052362. Les exemples 3 à 5 montrent que les filtres selon l'invention présentent des performances encore améliorées, pour des valeurs d' OFA et de WALL sensiblement identiques. Notamment, les filtres selon l'invention présentent des pertes de charges à l'état chargé en suies, ainsi qu'une pente de chargement en suies, étonnement faibles par rapport aux structures de l'art antérieur les plus performantes. En outre, les surfaces de filtration des filtres selon l'invention sont également plus importantes.
L'exemple 6 montre que cet effet d'amélioration ne peut cependant être obtenu que pour des structures dont le rapport b' /b est contrôlé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de filtration (1) de gaz chargés en particules, du type en nid d'abeilles et comprenant un ensemble de canaux (2, 3) adjacents longitudinaux d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses filtrantes (5) , lesdits canaux étant alternativement bouchés à l'une ou l'autre des extrémités de la structure de façon à définir des canaux d'entrée (3) et des canaux de sortie (3) pour le gaz à filtrer, et de façon à forcer ledit gaz à traverser les parois poreuses (5) séparant les canaux d'entrée (3) et de sortie (2), ladite structure se caractérisant en ce que :
- chaque canal de sortie (2) présente une paroi (5) commune avec six canaux d'entrée (3), chaque paroi commune constituant un coté dudit canal de sortie,
- au moins une partie des canaux de sortie (3) présente une section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents (9, 8) présentant des largeurs a et a' ,
- deux canaux d'entrée (3) contigus, partageant chacun une paroi (9) de largeur a avec un même canal de sortie
(2) de section hexagonale irrégulière, partagent entre eux une paroi commune (10) de largeur b' , - deux canaux d'entrée (3) contigus, partageant avec ledit canal de sortie (2) respectivement des parois (9, 8) de largeur a et a', partagent entre eux une paroi commune (11) de largeur b,
- le rapport des largeurs b' / b est compris entre 0,5 et 2.
2. Structure de filtration de gaz selon la revendication 1, dans laquelle les canaux de sortie présentent des parois de largeur a et a' différentes et dans laquelle les angles CC formés par deux parois adjacentes des canaux de sortie sont sensiblement égaux à 120°.
3. Structure de filtration de gaz selon la revendication 1, dans laquelle les canaux de sortie présentent des parois de largeur a et a' égales ou différentes et dans laquelle au moins un angle formé par deux parois adjacentes des canaux de sortie est différent de 120°.
4. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les canaux de sortie
(2) présentent quatre cotés (9) d'une première largeur a et deux cotés opposés (8) d'une deuxième largeur a'.
5. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque canal d'entrée
(3) présente une paroi commune avec trois autres canaux d'entrée (3) et une paroi commune avec trois canaux de sortie (2) .
6. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le rapport des largeurs a' /a est compris entre 0,5 et 2.
7. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la largeur b' est supérieure à la largeur b et dans laquelle la largeur a' est supérieure à la largeur a.
8. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la largeur b est supérieure à la largeur b' et dans laquelle la largeur a est supérieure à la largeur a' .
9. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la totalité des canaux de sortie présentent une section hexagonale irrégulière constitué de six cotés dont au moins deux cotés adjacents (8, 9) présentent des largeurs a et a' différentes .
10. Structure de filtration de gaz selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle :
- une partie (21) des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a et a' différentes,
- une partie (22) des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une section hexagonale sensiblement régulière, de largeur a.
11. Structure de filtration selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle :
- une partie (21) des canaux de sortie, de préférence une moitié, présente une première section hexagonale irrégulière constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a± et ai' différentes,
- une partie (22) des canaux de sortie, de préférence une autre moitié, présente une deuxième section hexagonale irrégulière, différente de la première, constituée de six cotés, au moins deux cotés adjacents présentant des largeurs a2 et a2' différentes, les rapports des largeurs correspondantes bi' / bi et b2' / b2 étant compris entre 0,5 et 2.
12. Structure de filtration selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les parois constituant les canaux d'entrée et de sortie sont planes.
13. Structure de filtration selon l'une des revendications 1 à 11 dans laquelle les parois constituant les canaux d'entrée et de sortie sont ondulées, c'est-à-dire qu'elles présentent, en coupe transversale et par rapport au centre d'un canal, au moins une concavité ou au moins une convexité.
14. Structure selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les parois sont à base de Carbure de Silicium SiC et/ou de Titanate d'Aluminium et/ou de Cordiérite et/ou de Mullite et/ou de Nitrure de Silicium et/ou de métaux frittes.
15. Filtre assemblé comprenant une pluralité de structures filtrantes selon l'une des revendications précédentes, lesdites structures étant liées entre elles par un ciment de nature céramique et de préférence réfractaire.
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