Brevet FR2132110A1 — publié le 19721117

' 2132110 La présente invention concerne l'épuration des produits de combustion gazeux et plus particulièrement des gaz d'échappement provenant des moteurs à combustion interne, cette épuration étant obtenue grâce au fait qu'on s.oumet le courant des gaz d'échappement 5 à des conditions qui déterminent la combustion des composants com-bustibles de ces gaz, le terme moteur a combustion interne étant utilisé pour définir tout moteur actionné par les gaz produits par la combustion d'un carburant, le terme combustion étant considéré comme étant suffisamment large pour comprendre la décomposition 10 exothermique d'un produit quelconque pouvant alors être considéré comme un carburant. l'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème et de permettre la réalisation d'un appareil du type précité. Selon l'un de ses aspects, l'invention est matérialisée dans 15 un épurateur pour les produits de combustion gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient de réaction qui contient, entre un conduit d'entrée et un conduit de sortie destinés aux gaz d'échappement ou à d'autres produits de combustion gazeux, un lit qui est constitué par un matériau réfractaire particulaire ou pulvéru-20 lent et qui est conçu de manière à être chauffé et fluidisé par le courant des gaz d'échappement ou des produits similaires, de manière à assurer, grâce au contact avec les particules chaudes du lit, la combustion de tous les produits combustibles présents dans les gaz, si nécessaire enprévoyant une addition d'air ou d'un autre gaz con-25 tenant de l'oxygène. Selon un autre de ses aspects? l'invention est matérialisée dans un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'échappement comportant un épurateur des gaz d'échappement selon l'invention et du type précité. 30 II est prévu que l'incorporation de 2épurateur des gaz d'échap pement selon l'invention au circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne offre un avantage supplémentaire consistant en une réduction appréciable des bruits d'échappement qui est due au passage du courant des gaz d'échappement à travers le lit fluidisé. 35 Le volume et les dimensions du lit de matériau réfractaire prévu dans l'épurateur varient en fonction de la quantité des gaz d'échappement devant être traitée par unité de temps, ces éléments pouvant également varier avec la température d'admission des gaz d'échappement et (ou)avec le type et les dimensions des particules copy 72 10765 2 2132110 du matériau réfractaire contenu dans le récipient. Lorsque le lit se trouve à une température suffisamment élevée pour amorcer la combustion des produits combustibles contenus dans les gaz., une combustion de la quasi-totalité des produits combustibles existant 5 dans les gaz doit alors avoir lieu au fur et à mesure que ces gaz s'écoulent à travers le lit» Le matériau réfractaire peut être supporté à l'intérieur du récipient à l'aide d,un support constitué par un matériau poreux, par exemple une mousse ou un tamis métallique. Un dispositif de •JO séparation du type cyclone peut être prévu dans le conduit de sortie pour les gaz provenant de l'enceinte de manière à intercepter tout élément du matériau constituant le lit qui pourrait être transporté à partir de ce lit par le courant des gaz. Le matériau réfractaire constituant le lit peut être du nitru— •j 5 re de silicium et, pour absorber les composés soufrés, ce matériau peut contenir une certaine proportion de calcaire sous forme de poudre. Dans certains types de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement dans les moteurs à pistons à mouvement alternatif présentant un. taux de compression faible, il peut être 20 nécessaire, pour avoir la certitude que la quantité des produits polluants et nuisibles présents dans les gaz d'échappement quittant 1*épurateur est réduite jusqu'à atteindre un niveau satisfaisant, de prévoir dans certaines conditions de fonctionnement une alimentation du moteur avec une quantité de carburant qui dépasse les 25 exigences stoechiométriqu.es, par exemple un excès de carburant a-teignant 25$, et d'injecter de l'air dans le circuit d'échappement de manière à faciliter la combustion s'effectuant dans 1'épurateur des gaz d'échappement» Lorsque 1*épurateur des gaz d'échappement selon l'invention 30 est utilisé pour des applications correspondant par exemple à des véhicules automobiles, un enroulement d'échange de chaleur peut être prévu au niveau du lit du matériau réfractaire particulaire de manière à fournir de la chaleur à un dispositif de chauffage du véhicule. 35 La description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, donné à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention» La fig. 1 est une vue en coupe quelque peu schématique d'un épurateur de gaz d'échappement selon l'invention, qui convient 72 10765 3 2132110 bien pour être utilisé dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne. La fig. 2 est une représentation schématique en plan d'un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de réaction 5 thermique selon l'invention dans son circuit d'échappement. 3i l'on se réfère tout d'abord à la fig.1, celle-ci montre un épurateur de gaz d'échappement comprenant une enceinte de réaction se présentant sous la forme d'un récipient creux 1 , qui est constitué par un matériau résistant aux températures élevées et qui 10 comporte un conduit d'entrée 2 raccordé tangentiellement au niveau du fond de l'enceinte ainsi qu'un conduit de sortie 3 prévu au niveau du sommet de l'enceinte, de sorte que lorsque le conduit d'entrée 2 est raccordé à l'orifice d'échappement d'un moteur à combustion interne, les gaz d'échappement provenant de ce moteur pénè-1 5 trent tangentiellement dans le récipient 1 au niveau de son fond et, après l'avoir traversé jusqu'à son sommet, quittent ce récipient 1 en passant par le conduit de sortie 3 pour être déchargés dans l'atmosphère. Le récipient est placé dans le circuit d'échappement de telle sorte que les gaz d'échappement pénètrent dans l'enceinte 20 avant de s'être refroidis jusqu'à atteindre une température nettement inférieure à la température à laquelle ils quittent le moteur. Un lit 4 de nitrure de silicium se présentant sous forme par- ticulaire ou pulvérulente et constituant un matériau réfractaire qui présente un poids faible, est supporté à l'intérieur du réci- 25 pient 1 au-dessus du conduit d'admission 2 par l'intermédiaire d'une plaque poreuse 5» qui est constituée par une mousse métallique présentant des dimensions de pores qui sont suffisamment faibles pour retenir le matériau particulaire du lit 4 tout en offrant à est l'écoulement du gaz qui la traverse une résistance qui/aussi faible 30 que cela est compatible avec ce genre d'exigence. En pratique, les dimensions des pores ne sont pas particulièrement critiques pour autant que les particules les plus importantes du matériau particulaire ne les traversent pas, du fait que lorsque le lit est fluidisé le courant de gaz traversant le lit détermine un classement ou une répartition des particules, de sorte que les particules les plus importantes sont concentrées au fond du lit au voisinage de la plaque poreuse5. Lorsque les gaz d'échappement pénètrent dans l'enceinte en passant par le conduit d'entrée 2, ils traversent le lit 4 en. se dirigeant vers le haut avant de passer par le conduit de sortie 72 10765 4 2132110 3 et, au cours de leur circulation, les gaz déterminent la fluidi-sation du lit 4 qui résulte de ce mouvement s1effectuant vers le haut. Le contact intime entre les gaz d'échappement et la surface 5 des particules chaudes du lit s'établit pendant ce mouvement de passage et cette mise en contact facilite dans une grande mesure la combustion de tout composant combustible existant dans les gaz d'échappement, la combustion s'effectuant avec tout lîoxygène disponible dans les gaz traversant le lit. 10 Du fait que ce phénomène constitue une réaction exothermique, la chaleur libérée maintient le lit à une température suffisamment élevée pour que la réaction se poursuive et, pour éliminer la chaleur excédentaire, un enroulement échangeur de chaleur 15, qui se termine par des conduits 16 et 17 destinés au raccordement avec un 15 dispositif consommant de la chaleur tel qu'un système de chauffage pourvéhicules ou un autre dispositif de dispersion ou d'évacuation de la chaleur, est monté dans le récipient 1 de manière à être situé à l'intérieur du lit 4 constitué par le matériau réfractaire particulaire. Un refroidissement supplémentaire peut être prévu en 20 plaçant le récipient 1 dans une carcasse extérieure 18 de manière à délimiter une conduite formant gaine de refroidissement annulaire 19 à travers laquelle l'air environnant est amené à circuler, comme le montrent les flèches 20, sous l'effet du mouvement du véhicule dans lequel peut être monté le moteur équipé de 1'épurateur des gaz 25, d'échappement selon l'invention» Dans certaines applications, particulièrement lorsque l'appareil doit être utilisé dans lin moteur à combustion du type Diesel utilisant de l'huile lourde ou un autre carburant présentant une teneur en soufre importante, il est prévu d'ajouter du calcaire 30 sous forme de poudre, de préférence selon me proportion d'environ 5 à 10$ en poids, au matériau du lit de manière à éliminer les composés soufrés des gaz d'échappement. Dans certaines conditions de fonctionnement et lorsque l'appareil doit être utilisé avec certains types de moteurs à combustion 35 interne, il peut être nécessaire d'injecter de l'air dans les gaz d'échappement avant ou pendant qu'ils pénètrent dans 1'épurateur, de manière à avoir la certitude que la quantité des polluants combustibles présents dans les gaz d'échappement est réduite jusqu'à atteindre un niveau satisfaisant. Su une quantité d'air quelconque 72 10765 5 2132110 doit être ajoutée dans le récipient aux gaz d'échappement avant leur passage à travers le lit, il y a lieu de s'assurer que la hauteur à laquelle la plaque poreuse 5 est rendue solidaire du récipient au-dessus de l'orifice d'admission destiné à cet air est 5 suffisante pour permettre à l'air d'être mélangé de façon convena-. ' ble avec les gaz d'échappement avant que ce mélange d'air et de gaz d'échappement ne passe à travers la plaque. La hauteur du lit au-dessus de la plaque poreuse et la surface horizontale de ce lit, c'est-à-dire la surface du lit considérée perpendiculairement à 10 la direction générale du courant traversant le lit, sont déterminées de façon que le temps de résidence des gaz dans le lit et la vitesse d'écoulement des gaz à travers le lit assurent la combustion d'une quantité satisfaisante de composants combustibles présents dans les gaz d'échappement traversant le lit et assurent 1 5 en même temps le maintien de la température requise pour le lit. Un dispositif de séparation du type cyclone 6 comportant des pales 7 faisant un certain angle est monté dans le récipient au niveau de son raccordement avec le conduit de sortie 3 de manière à communiquer aux gaz un mouvement tourbillonnaire qui amène toute 20 particule dû matériau réfractaire entraînée par le courant gazeux à être séparée de ce dernier sous l'effet de la force centrifuge et à retomber dans le lit 4» Si l'on se réfère maintenant à la fig.2, celle-ci montre l'application d'un épurateur des gaz d'échappement selon l'invention à 25 un moteur à combustion interne se présentant sous la forme d'un bloc-cylindres 8 comportant un collecteur d'admission 9 pour l'air ou le mélange combustible et un collecteur d'échappement 10 raccordé à une tubulure d'échappement unique 11. Cette dernière est raccordée à un épurateur des gaz d'échappement 13 qui est réalisé comme 30 décrit précédemment en se référant à la fig.1, de manière à convoyer jusqu'à cet épurateur 13 les gaz d'échappement provenant de la tubulure d'échappement 10. Un dispositif 12 permettant d'injecter de l'air est également prévu et est raccordé à la tubulure d'échappement 11, de sorte que, lorsque cela est nécessaire, de l'air peut 35 être introduit dans cette tubulure d'échappement 11 de manière à être mélangé avec les gaz d'échappement alimentant 1'épurateur 13 et facilitant ainsi la combustion de toute matière combustible présente dans les gaz d'échappement du moteur. Lorsque les gaz d'échappement ont été épurés par leur passage à travers 1'épurateur des 72 10765 6 2132110 gaz 13» ils sont déchargés dans l'atmosphère ambiante par l'intermédiaire d'une tubulure d'échappement ou d'un conduit de décharge 14 et les recherches qui ont conduit à l'invention ont montré que du fait de l'effet de silencieux du passage des gaz d'échappement 5 à travers le lit fluidisé dans 1*épurateur 13» "une réduction du bruit suffisante est obtenue dans de nombreux cas sans qu'il soit nécessaire de prévoir un silencieux supplémentaire pour les gaz d'échappement. Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisait) tion décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. 72 10765 7 2132110 H3V3Iîi)ICATI0NS 1o- Epurateur pour des produits de combustion gazeux, plus particulièrement pour les gaz d'échappement provenant des moteurs à combustion interne, caractérisé en ce qu-'il comprend un récipient 5 de réaction qui contient, entre un conduit d'entrée et un conduit de sortie destinés aux gaz d'échappement ou à d'autres produits de combustion gazeux, un lit qui est constitué par un' matériau réfractaire particulaire ou pulvérulent et qui est conçu de manière à être chauffé et fluidisé par le courant des gaz d'échappement ou •jo des produits similaires, de manière à assurer, grâce au contact avec les particules chaudes du lit, la combustion des particules combustibles de ces gaz. 2.- Epurateur de gaz de combustion suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif d'injection est prévu de manière ■| 5 à ajouter de l'air ou un autre gaz contenant de 11 oxygène aux gaz d'échappement ou à des gaz similaires introduits dans le récipient de réaction. 3.- épurateur de gaz de combustion suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le lit est supporté dans le ricipient de réac- 20 tion sur une cloison de séparation non étanche aux gaz de manière à déterminer, au-dessous de cette cloison de séparation, un compartiment dans lequel les gaz d'échappement ou des gaz similaires sont admis d'une manière telle, qu'il se produit un mélange par turbulence de ces gaz avec tout gaz contenant de l'oxygène et provenant 25 du dispositif d'injection. 4.- Epurateur de gaz de combustion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau formant le lit est essentiellement constitué par du nitrure de silicium. 30 5.- Epurateur de gaz de combustion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau constituant le lit comprend, comme produit d'addition, du calcaire se présentant sous forme de poudre ou un autre matériau présentant des propriétés aggloméra:-.tes vis-à-vis du soufre» 35 6.- Epurateur de gaz de combustion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur permettant d'utiliser ou d'évacuer l'excès de chaleur provenant du lit constitué par le matériau particulaire. 7.- Loteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend 72 10765 s 2132110 un circuit d'échappement comportant un épurateur des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentesa