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MEDIA FILTRANT POUR DISPOSITIF DE FILTRATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN
MOTEUR DIESEL, DISPOSITF DE FILTRATION METTANT EN OEUVRE UN TEL MEDIA, ET
LIGNE D'ECHAPPEMENT DES GAZ D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE METTANT EN
OEUVRE UN TEL DISPOSTTIF
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne de façon générale le domaine des filtres à
particules, et de
façon plus particulière, un dispositif de filtration de gaz d'échappement pour
moteur
diesel.
De façon plus particulière, la présente invention concerne la mise en oeuvre
et la
construction d'un média filtrant original, destiné à être intégré au sein d'un
dispositif de
filtration des gaz d'échappement d'un moteur diesel.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
La réduction des émissions polluantes produites par les moteurs à explosion,
et en
particulier par les moteurs diesels, est l'objectif que se sont fixés les
pouvoirs publics. A
cette fin, l'instauration de normes toujours plus draconiennes impose aux
constructeurs
automobiles de développer des moteurs présentant des consommations de plus en
plus
réduites et surtout optimisées afin de limiter la libération de particules
imbrûlées; mais
également des dispositifs de filtration de gaz d'échappement permettant de
retenir les
particules polluantes.
Ainsi, afin de réduire l'émission de gaz polluants imbrûlés et de particules
solides, les
constructeurs automobiles ont mis au point les pots catalytiques ou
catalyseurs,
généralement constitués d'une enveloppe en acier inoxydable, d'un isolant
thermique et
d'un support en nid d'abeille imprégné de métaux précieux, tels que le platine
ou le
rhodium.
Ces pots catalytiques comportent désormais un filtre à particules, dont la
fonction est de
retenir les particules de carbone, constituant les particules imbrûlées émises
par le moteur.
Toutefois, l'une des difficultés consiste à trouver des solutions pour que ces
particules de
carbone piégées sur le filtre puissent brûler ou s'oxyder au fur et à mesure
qu'elles se
déposent afin d'éviter le colmatage de ce dernier.
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Les techniques de filtres à particules pour moteur diesel, utilisées
aujourd'hui ou en cours
de développement, sont toutes confrontées au problème majeur de la combustion
incomplète et intempestive des particules retenues sur le média filtrant. En
effet pour des
conditions d'utilisation urbaine, la température des gaz d'échappement
atteinte est
insuffisante pour provoquer cette combustion et limiter significativement le
colmatage du
filtre.
Sans assistance chimique, les particules de carbone issues de la combustion du
gazole ne
commencent à s'oxyder significativement qu'au-dessus de 500 C. Ces
températures
n'étant pratiquement jamais atteintes dans les conditions de roulage urbain,
il est donc
nécessaire de faire appel à un procédé chimique pour les éliminer.
A défaut d'assistance chimique, il s'ensuit un colmatage du filtre qui, outre
le fait qu'il
entraîne une perte de charge au niveau du moteur, et donc un mauvais
fonctionnement de
celui-ci, provoque des réactions violentes lorsque ces particules de carbone
piégées en
concentration excessive s'enflamment brutalement sur le média filtrant. Cette
réaction de
combustion, très rapide et très exothermique d'une grande masse de particules,
entraîne
des températures localement très élevées et conduit généralement à une
destruction du
filtre par choc thermique.
Pour obtenir l'oxydation de ces particules, plusieurs systèmes sont déjà
utilisés. Ainsi,
certains systèmes proposent de disposer en amont du filtre à particules, un
moyen de
catalyse d'oxydation permettant la transformation du monoxyde d'azote NO,
contenu dans
les gaz d'échappement, en dioxyde d'azote NOZ à partir de 250 C. Cette
technique,
appelée "Continuous Regenerating Trap" (C.R.T.), allie les effets du filtre à
particules et
du catalyseur d'oxydation du NO.
Ce moyen est constitué par un support catalytique sur lequel est fixé le
catalyseur, qui est
généralement un métal précieux tel que le platine ou le rhodium. Le NO2
produit par
l'action de ce dernier possède la propriété d'oxyder les particules de carbone
à partir de
250 C. Toutefois, le bon fonctionnement du filtre dépend de la température
moyenne
atteinte et du rapport de particules émises par rapport au NOZ formé.
Il existe un moyen similaire constituant une variante de ce dernier, dans
lequel le
catalyseur est fixé directement sur le filtre à particules.
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D'autres techniques de régénération font appel à l'utilisation d'additifs
organométalliques
rajoutés au gazole, tels que le cérium, fer, strontium, calcium ou autres, de
manière à
enrober les particules de carbone formées de l'oxyde métallique du catalyseur
et à obtenir
ainsi une oxydation de celle-ci à plus basse température.
Ces techniques permettent d'obtenir un effet similaire à celui obtenu avec le
NO2 en
catalysant la combustion des matières charbonneuses à des températures
voisines de 300,
350 C.
D'autres techniques consistent à mettre en oeuvre des moyens de chauffage
complémentaires du type brûleurs, résistances électriques ou autres. Ces
moyens de
chauffage complémentaire ne sont actionnés que lorsque la cartouche présente
un début de
colmatage, se traduisant par une augmentation de la perte de charge. Un tel
dispositif de
régénération est mis en oeuvre avec le moteur en marche, c'est à dire en
présence d'un
débit de gaz d'échappement important. Il nécessite donc une puissance de
chauffage
importante pour simultanément porter à la bonne température les gaz
d'échappement et la
masse de la cartouche filtrante.
Aujourd'hui, la majorité des filtres sont constitués d'un média filtrant en
cordiérite sous
forme de nids d'abeille. La cordiérite est une céramique qui présente une
faible
conductivité thermique associée à des propriétés mécaniques moyennes, et qui
est donc
très sensible aux variations brutales de température qui accompagnent les
régénérations
incontrôlées.
En effet, lorsque le phénomène se produit, cette combustion n'est pas du tout
homogène et
on peut très bien observer une partie du filtre relativement froide et relever
sur la partie au
niveau de laquelle la combustion s'est déclarée, une température très élevée.
Les
différences de température observées entre ces parties chaudes et le reste du
filtre du fait
de la faible conductibilité thermique de la cordiérite et malgré son faible
coefficient de
dilatation, peuvent générer des variations de dilation telle que des micros
fissurations
peuvent apparaître, qui à terme sont susceptibles de conduire à la destruction
du média
filtrant.
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La cordiérite présente en outre un autre facteur limitant, lié de façon
indirecte à sa faible
conductibilité thermique. En effet la combustion du carbone dans l'air conduit
à des
températures supérieures à 1.500 C et rien ne s'oppose à ce que ces
températures soient
atteintes si le carbone est présent en concentration suffisante. Or, la
température de fusion
de la cordiérite de l'ordre de 1400 C risque d'être dépassée et le filtre
détruit.
Afin de pallier ces inconvénients, on a proposé de remplacer la cordiérite par
du carbure
de silicium. Celui-ci est de plus en plus utilisé pour la fabrication de média
filtrant,
céramique, mais sous forme segmenté.
Le carbure de silicium présente une bien meilleure conductibilité thermique
(0,08
caUcm/s/ C contre 0,0025 pour la cordiérite), associée à des propriétés
mécaniques bien
supérieures et une température de fusion de plus de 2.000 C. Il permet donc
de mieux
résister à ce phénomène de combustion incontrôlée sans pouvoir toutefois
éliminer tous
les incidents. En effet le point faible du carbure de silicium est son
coefficient de dilatation
élevé, (4,5.10-6 contre 1.10-6 pour la cordiérite). Partant, il supporte donc
moins bien les
chocs thermiques que la cordiérite.
Afin de réduire les conséquences de cet inconvénient, les médias filtrants en
carbure de
silicium sont fabriqué sous forme segmentée et se présente sous forme de mini
blocs
généralement de section carrée, collés les uns aux autres par un ciment. Ce
ciment a pour
rôle d'absorber les différences dimensionnelles durant les phases de
combustion liées aux
fortes variations de températures qui peuvent être observées. Pour rendre ce
média filtrant
résistant mécaniquement sans que les segments qui le constituent puissent se
désolidariser
durant les phases de combustion, il est usiné et tourné pour en faire des
formes de
révolution cylindrique ou oblongue pour être ensuite incorporé de force dans
une
enveloppe métallique entourée d'un mat de céramique, ladite enveloppe
métallique étant
destinée à maintenir assemblés les différents segments entre eux.
Dans un tel contexte technique, l'objectif de la présente invention
indépendamment des
procédés de régénération utilisés, est de proposer une technique de
fabrication et
d'assemblage originale du média filtrant, propre à réduire de manière très
sensible les
contraintes thermiques et mécaniques lors des combustions brutales des
particules de
carbone déposées (sans aucun inconvénient), de manière à éliminer les
fissurations
susceptibles d'en découler.
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Un autre objectif de l'invention est de fournir un mode d'assemblage
autorisant des
régénérations brutales, et donc des variations importantes de la température
sans effet
destructif sur le filtre, aussi bien avec des médias filtrants réalisés en
carbure de silicium
qu'en cordiérite ou autres céramiques utilisables pour cette fonction.
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Un autre objectif de l'invention est d'offrir la possibilité de disposer de
formes
parallélépipédiques au lieu des formes cylindriques ou de révolutions
habituelles, pour
pouvoir réaliser des médias filtrants extra plats.
Un autre objectif de cette invention est d'avoir la possibilité d'incorporer
directement dans
le média filtrant des résistances électriques permettant éventuellement de
s'affranchir de
toutes les méthodes habituelles de régénération utilisées.
EXPOSE DE L'INVENTION
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention. Celle-
ci concerne tout
d'abord un dispositif de filtration de gaz d'échappement comprenant au moins
un ensemble
d'unités filtrantes séparées les unes des autres par un mat ou tissu de
céramique enduit sur
ses deux faces d'une colle céramique, de manière à les solidariser les unes
aux autres tout
en les gardant mécaniquement et thermiquement indépendante. Ces unités
filtrantes sont
insérées ensuite dans une structure de nature métallique, céramique ou autre.
Une ou
plusieurs unités filtrantes sont donc ainsi susceptibles d'être insérées dans
cette structure
de manière à former des ensembles plus ou moins importants en fonction de
l'utilisation
envisagée. L'association dans ces structures d'une ou de plusieurs unités
filtrantes est
réalisée de la même manière, chaque unité filtrante étant collée sur un
support céramique
qui la sépare de sa voisine ou de la structure dans laquelle elle est
contenue.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les unités filtrantes se
présentent sous
forme de parallélépipède avec une structure en nid d'abeille et de section
carrée, dont la
dimension est comprise entre 20 et 200 millimètres de côté, pour des longueurs
de 50 à
plus de 500 mm.
Selon une caractéristique remarquable de l'invention, lesdites unités
filtrantes de section
carrée sont montées directement dans la structure les contenant, en assemblant
au fur et à
mesure tous les constituants suivants : unités filtrantes, mat enduit d'une
colle céramique,
par exemple par la méthode décrite ci-dessous.
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Le réceptacle ou enveloppe, contenant les unités filtrantes, peut être réalisé
en deux
parties. Il est enduit de colle céramique à chaque angle. Il reçoit un support
céramique
souple prédécoupé à la bonne dimension, ledit support ayant été au préalable
pré imprégné
d'eau de manière à ce que la colle puisse bien se répartir durant toute la
durée de
l'opération. Parallèlement toutes les unités filtrantes prévues pour être
assemblées après
avoir été elles aussi pré imprégnées d'eau, sont largement enduites de colle
céramique.
L'assemblage de l'ensemble se poursuit en disposant ainsi les unités
filtrantes pré-enduites
de colle sur le support céramique, chaque unité filtrante étant séparée de sa
ou de ses
voisines ou dudit réceptacle ou de ladite enveloppe par le support céramique
suivant la
même procédure.
Avantageusement, le support céramique est constitué par un mat ou un tissu à
base de
fibres longues et présentant une densité comprise entre 150 et 500 kg/m3 ; il
présente une
épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, fonction du type d'application envisagé
pour le
filtre et de la dimension de chaque unité filtrante. Le choix de l'épaisseur
finale dépend du
niveau d'isolation thermique et mécanique recherché pour l'application visée
ainsi que de
la géométrie de la pièce pour encaisser les variations de dilatation.
La colle mise en oeuvre est préférentiellement à base d'oxydes ou de carbures
céramiques,
utilisés généralement pour la liaison de brique ou de feutre réfractaire
isolant de classe 26
ou supérieur à 1400 C dont le coefficient de dilatation est proche de celui
du média
filtrant utilisé.
Avantageusement, les unités filtrantes sont chacune associées à une résistance
électrique
chauffante (8), accolée à ladite unité, ou intégrée en son sein.
L'invention concerne également une ligne d'échappement de moteur à combustion
interne, intégrant le dispositif de filtration ainsi décrit. Cette ligne
d'échappement
comprend au moins un orifice d'entrée des gaz issus de ladite combustion
interne, au
moins un dispositif de filtration destiné à piéger les particules solides
contenues dans
lesdits gaz d'échappement dudit moteur et au moins un orifice d'échappement à
l'atmosphère desdits gaz situé en aval dudit dispositif de filtration. Selon
l'invention :
^ le dispositif de filtration comprend au moins un moyen de catalyse et des
moyens de
filtration desdits gaz d'échappement au sein d'une enceinte réactionnelle
située dans
la trajectoire du flux des gaz d'échappement, lesdits moyens étant constitués
d'une
pluralité d'unités filtrantes, telles que précédemment décrites ;
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^ ladite ligne comprend des clapets ou valves destinés à isoler une partie du
dispositif
de filtration en arrêtant les flux de gaz d'échappement parvenant au niveau de
la
partie considérée.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui
suit, à l'appui
des figures annexées, qui représentent, de façon nullement limitative, des
exemples de
réalisation du dispositif de filtration selon l'invention et dans lesquels :
La figure 1 représente une vue tridimensionnelle schématique du dispositif de
l'invention,
comprenant quatre éléments filtrants.
La figure 2 représente une vue schématique en section de ces quatre éléments
assemblés et
collés dans une boîte métallique.
Les figures 3 et 4 représentent une vue schématique tridimensionnelle de ces
quatre
éléments assemblés et collés dans la boîte métallique illustrant une
possibilité de soudure.
Les figures 5 et 6 représentent schématiquement quatre éléments filtrants
assemblés et
collés dans une boîte métallique sensiblement différente de celle représentée
au sein des
figures 3 et 4, une partie étant sous forme de couvercle assurant un
recouvrement. La
figure 5 montre de quelle manière ladite boîte doit être mise sous contrainte
avant soudure
de manière à assurer une bonne compression du mat céramique pour garantir une
bonne
étanchéité.
La figure 7 représente respectivement en section et en perspective
l'utilisation d'éléments
filtrants de section triangulaire et leur assemblage dans une boîte
métallique.
La figure 8 illustre une variante de l'invention, dans laquelle des
résistances électriques
chauffantes destinées à chauffer chaque élément filtrant.
La figure 9 illustre la possibilité de prévoir au moment de la fabrication un
canal dans le
nid d'abeille des éléments filtrants de manière à assurer une meilleure
intégration des
résistances chauffantes.
La figure 10 illustre schématiquement un dispositif de filtration mettant en
oeuvre les
éléments filtrants de l'invention, incorporant des résistances électriques de
manière à
contrôler les phases de régénération.
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MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
Selon une première forme de réalisation de l'invention, les unités ou éléments
filtrants (1)
sont constitués d'un média filtrant réalisé en cordiérite, ou en carbure de
silicium, ou en
une autre céramique adaptée aux conditions, thermiques notamment, auxquelles
lesdits
éléments sont susceptibles d'être soumis.
Ces unités filtrantes (1) se présentent sous forme de parallélépipède avec une
structure en
nid d'abeille. Dans l'exemple décrit, elles sont de section transversale
carrée, dont la
dimension est comprise entre 20 et 200 millimètres de côté, pour des longueurs
de 50 à
plus de 500 mm.
Ces unités filtrantes sont assemblées dans un support rigide (4), de
préférence métallique,
constitué en l'espèce par une boîte, par l'intermédiaire de joints (5). C'est
cette boîte qui
assure la cohésion mécanique des unités filtrantes assemblées, celles-ci étant
en outre
séparées les unes avec les autres par un joint (2, 3). Ces différents joints
présentent une
résistance thermique importante et une bonne compressibilité, autorisant la
dilatation des
unités filtrantes lors des phases de régénérations. Avantageusement, ces
joints (5) sont
constitués d'un tissu ou d'un mat de céramique, ou de tout autre produit
flexible
présentant une bonne résistance à haute température.
Ces joints (2, 3, 5) sont enduits sur leur deux faces, c'est à dire sur les
deux faces destinées
à venir en contact avec les deux unités filtrantes considérées ; au moyen
d'une colle
céramique, préférentiellement à base d'oxydes ou de carbures céramiques,
(utilisés
généralement pour la liaison de brique ou de feutre réfractaire isolant de
classe 26 ou
supérieur à 1.400 C, dont le coeffieient de dilatation est proche de celui du
média filtrant
utilisé), lors de l'assemblage, de manière à assurer un collage entre le tissu
ou le mat qui
les constitue et le média filtrant des unités filtrantes. Ils présentent une
épaisseur typique
de 0,5 à 15 mm.
Au surplus, préalablement à leur mise en place, les joints sont imprégnés
d'eau, afin de les
maintenir suffisamment humides, et éviter qu'ils n'assèchent la colle
céramique dont ils
sont ensuite enduits, par exemple au pinceau. La colle doit en effet rester
sous forme
malléable durant tout le processus de réalisation du dispositif de filtration.
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En raison de cette enduction de colle, le mat n'est donc pas imprégné en
profondeur par
ladite colle, mais limitativement de manière superficielle, et typiquement
selon une ou
deux épaisseurs des fibres longues qui le constituent. C'est d'ailleurs pour
cette raison
qu'après assemblage, les unités de filtration demeurent indépendante
mécaniquement et
thermiquement les unes par rapport aux autres.
Ainsi, pour un mat d'épaisseur d'environ 2 mm, l'épaisseur de l'enduction de
colle est
voisine de 2 dixièmes de millimètres. La colle ne pénètre donc pas à
l'intérieur du mat, de
sorte que ce dernier conserve ses propriétés mécaniques et de souplesse.
Avantageusement, la boîte (4) est constituée d'une tôle de préférence réalisée
en acier
inoxydable, et dont l'épaisseur est adaptée à la taille de l'ensemble à
réaliser, par exemple
1 à 2 mm pour un ensemble carré de 100 à 150 mm de côté, voir plus de 2 mm
pour des
boîtes de dimensions supérieures. Il est important que cette boîte présente
une très bonne
rigidité de manière à maintenir assemblées les unités filtrantes les unes avec
les autres et
garder sous pression le mat qui les sépare. La colle qui enduit la surface
entre le mat et le
filtre n'a pour objet que d'assurer l'étanchéité de l'ensemble.
Afin d'améliorer la rigidité de la tôle constitutive de la boîte (4), celle-ci
est gaufrée.
Cependant, elle peut également être renforcée par des renforts soudés sur ses
flancs.
Selon l'invention, la boîte (4) se présente sous la forme de deux parties (6)
et (7), chacune
desdites parties venant entourer partiellement quatre unités filtrantes dans
l'exemple
décrit. Ces deux parties sont solidarisées l'une à l'autre par soudage d'une
baguette
linéaire (8) au niveau de leurs zones de jonction. Ainsi, pour les boîtes de
grandes
dimensions, ce mode d'assemblage est facilité, et est susceptible d'être
automatisé.
Selon encore une autre variante (voire figures 5 et 6), les deux parties (6,
7) viennent
s'imbriquer l'une dans l'autre à l'instar d'un couvercle sur une boîte. Cette
variante
s'avère avantageuse pour les boîtes de petites dimensions, typiquement jusqu'à
250 mm
de côté. Là encore, la réalisation de l'ensemble est automatisable.
Selon une autre variante de l'invention, la section des unités filtrantes
n'est plus de forme
carrée, niais de forme triangulaire (voir figure 7), le principe de
l'invention demeurant
identique. Cette forme à section triangulaire favorise la construction de
filtres extra plats,
présentant typiquement une hauteur inférieure à 100 mm. En outre, elle permet
de mettre
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en oeuvre des média filtrants présentant une excellente résistance aux
régénérations très
sévères.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on incorpore au sein des
unités
5 filtrantes, une résistance électrique chauffante (8), destinée, de manière
connue, à
régénérer l'unité filtrante en question.
A cet effet, l'intégration de telles résistances chauffantes peut être
réalisée lors de
l'assemblage de la structure, sur l'une des faces de celle-ci, ainsi que
représenté sur la
10 figure 8, entre le média filtrant et le mat céramique, de manière plus ou
moins solidarisée
au média filtrant par la colle céramique utilisé dans l'assemblage.
Cependant, l'intégration de telles résistances chauffantes peut également être
réalisée
directement au sein dudit média filtrant, dans l'un des canaux (9) définis par
la structure
en nid d'abeille qui les caractérise, réservé à cet effet comme le représente
la figure 9.
La mise en oeuvre de média filtrant réchauffé électriquement s'effectue
avantageusement
dans un dispositif comportant un système de valves ou de clapets, permettant
d'isoler une
partie du filtre. En effet si l'on veut programmer des régénérations dudit
média lorsque le
moteur tourne, il est nécessaire de mettre en oeuvre des puissances
électriques de plusieurs
kilowatts pour simplement compenser toutes les calories qui seraient
entraînées dans les
gaz d'échappement. Par exemple pour un moteur diesel de 100 kW fonctionnant à
demi
charge, le débit des gaz d'échappement est voisin de 100 g/s, nécessitant une
puissance
électrique de 20 kW pour simplement monter la température des gaz
d'échappement de
200 C.
En revanche, si par le biais d'une telle valve, seul l'un des modules
filtrants est chauffé,
pour une masse de 1000 grammes, la puissance électrique nécessaire pour monter
la
température de 200 C en 30 secondes diminue à environ 4 kW, voire même à 2 kW
si
l'on se contente d'aboutir à ce résultat en une minute.
Il est de fait envisageable de chauffer individuellement chaque élément
filtrant les uns
après les autres pour réduire si nécessaire la puissance de chauffe.
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La température de régénération étant atteinte (plus de 500 C sans additif ou
400 C avec
additif), la valve ayant maintenu isolée du débit des gaz d'échappement le
module de
filtration en question, est progressivement ouverte de manière à amener
l'oxygène contenu
dans les gaz d'échappement en contact avec le carbone pour en assurer la
combustion.
L'énergie produite est alors suffisante pour porter tous les éléments du
module bien au-
delà de la température initiale de combustion (500 ou 400 C) et la faire
progresser à tout
l'ensemble de filtration.
On a de fait représenté en relation avec la figure 10 une ligne d'échappement
incorporant
une pluralité d'unités de filtration conformes à l'invention, et intégrant
lesdites résistances
électriques chauffantes.
Les gaz d'échappement en sortie de moteur sont introduits dans le dispositif
(10) par une
tubulure (11), puis sont dirigés vers les éléments de catalyseur (12), pour
ensuite être
filtrés au niveau de deux structures de filtration (13, 14) contenant les
unités de filtration
(1) conformes à l'invention. Chacune des unités de filtration est susceptible
d'être
chauffée par l'intermédiaire de résistances chauffantes (8), associées à un
circuit électrique
(15) correspondant.
Selon l'invention, les valves ou clapets (16) sont positionnés en sortie des
structures de
filtration, de telle sorte à pouvoir obturer l'une ou l'autre desdites
structures, afin de
maintenir la structure obstruée à température élevée, et favoriser le
fonctionnement
général de la ligne d'échappement. Ces valves ou clapets sont actionnés par
tout moyen,
tel que par exemple des vérins pneumatiques (17).
Le dispositif (10) comporte en outre une tubulure de sortie (18) des gaz
d'échappement
ainsi filtrés. Au surplus, il comporte avantageusement un capteur de
température (19) et de
pression (20), disposés en amont des structures de filtration (13, 14), et
destinés à favoriser
la gestion du fonctionnement des unités de filtration.
