Brevet FR2281494A1 — publié le 19760305

La présente invention concerne un nouveau dispositif permettant d'assurer dans les meilleures conditions d'efficacité et d'économie la purification de gaz restitués à l'air libre et provenant des conduits d'échappement des moteurs fonctionnant par explosion ou combustion d'un mélange gazeux contenant en proportions convenables un gaz combustible et un gaz comburant. En fait , et c'est une constatation d'expérience quotidienne , les moteurs à explosion ou à combustion sont une source importante de pollution Théoriquement ces moteurs doivent restituer à l'air les produits de combustion qui devraient être formés d'une part de dioxyde de carbone ou gaz carbonique et de vapeur d'eau; on sait cependant que dans la pratique les gaz d'échappement de moteur à explosion ou de moteur à combustion contiennent des produits de composition variable et contenant notamment une proportion importasiede monoxyde de carbone , des composés organiques carboxylés divers et résultant de réactions secondaires dans la combustion des hydrocarbures ; les gaz contiennent également en proportion importante des particules en suspension formant les fumées et constituées de résidus carbonés ou " imbrfllés " de fines gouttelettes de lubrifiant ainsi que des composés en proportion variable provenant de la réaction des produits d'addition incorporés dans le liquide combustible pour en améliorer les propriétés détonnantes tel notamment le tétraéthyle de plomb L'ensemble de ces produits secondaires compose les fumées d'échappement qui sont dégagées par les moteurs dans l'atmosphère; ces moteurs sont notamment ceux équipant les véhicules automobiles camions ou engins ainsi que toutes les installations fixes utilisant un moteur à combustion ou à explosion ( groupes électrogènes ,compresseurs ,grues etc..). De nombreux dispositifs ont été expérimentés pour chercher à éliminer des gaz rejetés dans l'atmosphère les éléments les plus nocifs et notamment les particules de produits carbones ; cependant les dispositifs de filtration utilisés jusqu'à présent procèdent par interposition sur le parcours des gaz d'éléments formant filtre, tampon ou chicane sur lesquels les gaz sont appelés à déposer ces particules; toutefois ces dispositifs n'ont pas jusqu'à présent pu donner satisfaction car outre la perte de charge importante qu'ils représentent sur le parcours des gaz et par conséquent l'abaissement du rendement qui en découle , les dispositifs sont trop rapidement colmatés en raison précisément de la richesse des gaz en particules nocives de nature solide ou liquide et qui sont une source de pollution. La multiplication des véhicules et des moteurs qu'elle entraine notamment en milieu urbain appelle des mesures ; ces dernières sont d'autant plus nécessaires qu'avec le vieillissement du parc d'engins ou d'installations motorisées les conditions de fonctionnement des moteurs s'éloignent de plus en plus des conditions idéales et les gaz rejetés dans l'atmosphère sont dans ces conditions de plus en plus chargés de particules résultant d'une combustion incomplète de l'élément combustible alimentant le moteur. La présente invention vise à réaliser un dispositif qui permette de façon simple et économique d' éliminer la plus grande partie des particules nocives en suspension dans les gaz d'échappement et de les retirer du courant gazeux rejeté par les conduits d'échappement à la sortie des moteurs à explosion ou à combustion. A cet effet l'invention concerne un dispositif permettant la séparation de particules de nature solide ou liquide en suspension dans les gaz d'échappement de moteurs à explosion ou à combustion et disposé à l'extrémité aval des conduits d'échappement, au niveau de leur rejet dans l'atmosphère , caracté- risé en ce quil comporte une chambre de détente dans laquelle débouche le conduit d'échappement, la chambre de détente étant prévue avec des moyens destinés à régulariser le flux des gaz d'échappement, la chambre de détente étant associée à sa sortie aval à une chambre de séparation comportant une paroi de forme générale cylindrique dans laquelle les gaz de combustion sont dirigés selon un parcours circulaire suivant la paroi de la chambre de séparation, cette dernière comportant une communication avec l'extérieur pour la sortie des gaz purifiés, la chambre de séparation comportant à sa partie inférieure des moyens pour recueillir les particules en suspension et séparés du gaz vecteur par le mouvement de centrifugation imprimé à ce dernier dans la chambre de séparation. De préférence la chambre de détente est reliée à la chambre de séparation par un couloir de section décroissante formant venturi et guidant les gaz vers la chambre de séparation avec accélération de leur vitesse Dans ces conditions les gaz quittant la chambre de détente forment un courant laminaire et régulier où toutes les veines de fluide sont parallèles en évitant ainsi les turbulences secondaires qui troubleraient le fonctionnement régulier de la séparation centrifuge engendrée dans la chambre de séparation. Selon une autre caractéristique la chambre de séparation est constituée par une enceinte cylindrique raccordée à la chambre de détente par le couloir de guidage à section décroissante, le couloir de guidage débouchant à la partie supérieure de la chambre de séparation selon une direction sensiblement tangentielle par rapport à la chambre de séparation cylindrique. De préférence encore la chambre de séparation comporte à sa base une partie de forme générale tronconique inversée formant un entonnoir pour le recueillement des particules séparées du gaz vecteur. De préférence encore la chambre de séparation comporte un fond formant une rampe hélicoidale descendant depuis le niveau d'entrée des gaz et aboutissant après un circuit d'environ 360 à un niveau inférieur correspondant à l'orifice de sortie des gaz de la chambre de séparation Selon une autre caractéristique la chambre de séparation comporte à sa base une partie en forme de tronc de cône inversé formant entonnoir de recueillement, ledit entonnoir débouchant dans une boite ouverte à sa partie inférieure et garnie de matière de filtration apte à recevoir les particules séparées du gaz épuré. De préférence la garniture filtrante contenue dans la boite située à la base de la chambre de séparation est amovible et peut être retirée pour les besoins de l'entretien et du nettoyage. Selon une autre caractéristique importante de l'invention la chambre de séparation comporte sensiblement en son centre une cheminée verticale formée par un manchon, cette cheminée étant ouverte à l'air libre à sa partie supérieure et communiquant à sa partie inférieure avec le conduit d'évacuation des gaz épurés sortant de la chambre de séparation, cette cheminée permettant l'introduction d'air secondaire frais mélangé au gaz épuré à la sortie de la chambre de séparation. On obtient dans ces conditions un apport d'air frais qui est mélangé au gaz épuré à la sortie de la chambre de séparation, l'air frais étant aspiré est entrainé par les gaz épurés, l'apport d'air frais dans la cheminée centrale entrainant un refroidissement auxiliaire des gaz et une condensation facilitant la séparation physique des particules des gouttelettes en suspension dans le gaz d'échappement. Selon encore une caractéristique de l'invention le conduit amont d'échappe ment pénétrant dans la chambre de détente est prolongé par une tubulure de section carrée et obturée à son extrémité, cette tubulure de section carrée comportant des évidements ou fentes transversales permettant le passage des gaz provenant du conduit d'échappement et entrant dans la chambre de détente. On permet ainsi au gaz de se détendre de façon régulière dans la chambre de détente en formant un flux régulier et sensiblement continu. Selon encore une autre caractéristique de l'invention la chambre de séparation est associée à des moyens électromagnétiques permettant la polarisation de certaines au moins des parois en facilitant l'attraction magnétique des particules en suspension dans le gaz par les dites parois D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit et qui est donnée en rapport avec une forme de réalisation particulière présentée à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale de l'appareil selon l'in invention. La figure 2 représente une vue en perspective avec arrachage partiel de ce meme appareil. La figure 3 représente une vue de détail en élévation latérale de la chambre de détente La figure 4a représente une vue en élévation latérale de la tubulure d'arrivée des gaz dans la chambre de détente tandis que La figure 4b représente une vue en coupe de cette tubulure selon la ligne IV-IV de la figure 4a. La figure 5 représente une vue en élévation latérale de la chambre de séparation dont La figure 6 représente une vue en coupe horizontale. La figure 7 représente une vue en coupe horizontale de la cheminée d'arrivée d'air secondaire et l'orifice d'évacuation des gaz épurés La figure 8 représente une vue en coupe horizontale de l'orifice d'évacuation et de la cheminée selon la ligne VIII-VIII de la figure 7. La figure 9 la figure 10 et la figure 11 représentent respectivement des vues en coupe horizontale, en élévation latérale et en plan de la boite inférieure de réception des particules épurées provenant de la chambre de séparation. Selon l'ensemble des figures on voit que le dispositif comporte à l'extrémité aval de la tubulure 1 d'échappement des gaz brûlés une chambre de détente 2 qui entoure la tubulure 3 de section carrée et dont la vue de détail est représentée aux figures 4a et 4b ; la section carrée de cette tubulure évite la formation de remous tourbillonnaires circulaires et elle permet un échappement et une détente des gaz à travers les fentes 4, 4', 5, 5', 6, 6' qui sont pratiquées dans les angles de la tubulure carrée 3 ; cette dernière est obturée en 7 à son extrémité opposée à la zone 8 de raccordement sur la tubulure d'arrivée 1 Les gaz brillés pénètrent dans la chambre 2 et ils forment dans la zone resserrée 9 des filets parallèles constituant un courant sensiblement régulier et d'écoulement laminaire dont la vitesse est accrue progressivement par le resserrement de la zone 9 ; de là les gaz pénètrent par le couloir 10 dans la zone de séparation 11 . Cette zone de séparation est constituée par une chambre de forme générale cylindrique sur laquelle est raccordé le couloir 10 positionné selon une direction sensiblement tangentielle par rapport à la chambre 11 . Le gaz représenté par les flèches 12,12' suit la paroi circulaire 13 de la chambre 11 et il est entrainé à grande vitesse dans un parcours circulaire provoquant un phénomène de centrifugation et de séparation physique des particules en suspension dans le courant gazeux ; en outre la chambre 11 comporte un fond inférieur 14 qui forme une rampe hélicoidale descendante depuis le niveau 15 correspondant au débouché du couloir d'arrivée 10 pour descendre après un tour de 360 à un niveau inférieur à la base de la chambre il ; cette dernière comporte à cet effet dans sa partie inférieure une partie resserrée 16 en forme de tronc de cône et permettant de recevoir les particules en suspension qui ont été séparées par centrifugation et qui descendent par gravité le long des parois 16 ; en outre une grande partie de la vapeur d'eau contenue dans le gaz d'échappement se trouve condensée et s'écoule par ruissellement le long des parois 14 et 16 en entrainant les particules solides ; la chambre de séparation 1 1 se trouve ainsi constamment nettoyée et soustraite à tout risque de colmatage Au niveau de la partie inférieure de la chambre 1 1 est prévue une tubulure horizontale 17 pour l'évacuation des gaz ; cette tubulure 17 communique avec la base 18 de la chambre 11 par une ouverture latérale 19 située au niveau de l'extrémité inférieure de la rampe constituée par le fond 14. Dans ces conditions les gaz après un parcours circulaire d'environ 3600 dans la chambre de séparation 11 arrivent au niveau du passage 19 et ils s'engouffrent dans la tubulure d'évacuation 17 après avoir été débarrassés des particules en suspension dans la chambre de séparation. Une cheminée verticale 20 communique par une zone coudée 21 avec la tubulure horizontale 17. La cheminée 20 débouche à l'air libre à la partie supérieure de la chambre 11 et le mouvement des gaz épurés sortant de la chambre 11 par la tubulure 17 suivant les flèches F 1 (figure 8) crée une dépression dans la zone coudée 21 provoquant l'aspiration d'un air frais secondaire par la tubulure 20. On provoque ainsi à la sortie des gaz d'échappement par la tubulure 17 un mélange d'air frais incorporé dans les gaz brillés et épurés Par ailleurs l'arrivée d'air frais dans la tubulure 20 crée un refroidissement de l'espace intérieur de la chambre de séparation li ; ce refroidissement permet de provoquer une condensation plus rapide et plus intense de la vapeur d'eau et par conséquent une séparation de cette vapeur des gaz d'échappement la vapeur d'eau en se condensant crée un brouillard qui est soumis au phénomène de centrifugation et les gouttelettes sont donc entrainées vers les parois; par ruissellement elles nettoient constamment les parois de la chambre mais en outre les gouttelettes ou particules d'eau en suspension dans le gaz entrainent dans leur mouvement centrifuge les particules carbonées provenant de résidus imbrtlés et plus légers et qui se trouvent agglutinés et entrainés par les gouttelettes d'eau séparées par centrifugation du gaz vecteur. On réalise ainsi un véritable lavage par un rideau d'eau des gaz d'échappement, la plus grande partie des particules en suspension étant ainsi entrainée avec l'eau par ruissellement le long des parois et aboutissant à la base de la chambre de réparation 11. Ces particules sont recueillies sur un élément filtrant garnissant la boite inférieure 22 ; cette dernière est prévue à cet effet avec une paroi avant 23 amovible et maintenue en place par des vis 24, 24' ce qui permet de retirer l'élément ou garniture filtrante contenue dans la boite pour les besoins de l'entretien ; par exemple si l'élément filtrant est soumis à un nettoyage périodique par projection d'eau, d'air ou de solvant ; la boite est de préférence ouverte à sa partie inférieure 25 pour permettre l'écoulement de l'eau à l'état liquide ayant laissé sur le filtre les particules ou résidus solides en suspension et qui ont été séparés du gaz d'échappement. On voit que l'invention permet par conséquent de récupérer à la sortie d'échappement d'un moteur la plus grande partie des particules en suspension et qui constituent, étant rejetées dans l'atmosphère, une source de pbllution importante et nocive ; l'appareil est d'une construction particulièrement simple et facile étant réalisé à partir d'éléments en tole emboutie et assemblée par chaudronnerie ; en variante ces éléments pourraient également être réalisés en matière moulée. Le coût de l'appareil est donc extrèmement faible et ne représente pas un investissement important par rapport au simple pot d'échappement actuellement connu ; son encombrement ne dépasse pas non plus les cotes ou dimensions d'un pot d'échappement conventionnel. Les essais ou expériences auxquels il a été procédé par le demandeur ont permis de constater l'efficacité élevée de ce dispositif et montrent qu'il permet de retirer dans une proportion comprise entre 60 et 90% les particules en suspension dans un gaz d'échappement. La description qui précède n'ayant été donnée qu'à titre d'exemple d'une forme de réalisation de l'invention n'a aucun caractère limitatif et l'on pourra sans franchir les limites de l'invention réaliser à partir des éléments décrits plusieurs variantes ou formes de réalisation de l'invention. On pourra en outre compléter le dispositif de l'invention en isolant électriquement certaines au moins des parois de la chambre de séparation ; ces parois sont reliées à un circuit électrique approprié et apte à entrainer une polari sation magnétique des dites parois ; les particules en suspension dans le gaz sont ainsi soumises à l'attraction électromagnétique de la paroi qui s' ajoute à l'effet de centrifugation. REVENDICATIONS 1 - Dispositif permettant la séparation de particules de nature solide ou liquide en suspension dans les gaz d'échappement de moteurs à explosion ou à combustion et disposé à l'extrémité aval des conduits d'échappement, au niveau de leur rejet dans l'atmosphère, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de détente dans laquelle débouche le conduit d'échappement, la chambre de détente étant prévue avec des moyens destinés à régulariser le flux des gaz d'échappement, la chambre de détente étant associée à sa sortie aval à une chambre de séparation comportant une paroi de forme générale cylindrique dans laquelle les gaz de combustion sont dirigés selon un parcours circulaire suivant la paroi de la chambre de séparation, cette dernière comportant une communication avec l'extérieur pour la sortie des gaz purifiés, la chambre de séparation comportant à sa partie inférieure des moyens pour recueillir les particules en suspension et séparés du gaz vecteur par le mouvement de centrifugation imprimé à ce dernier dans la chambre de séparation. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de détente est reliée à la chambre de séparation par un couloir de section décroissante formant venturi et guidant les gaz vers la chambre de séparation avec accélération de leur vitesse. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de séparation est constituée par une enceinte cylindrique raccordée à la chambre de détente par le couloir de guidage à section décroissante, le couloir de guidage débouchant à la partie supérieure de la chambre de séparation selon une direction sensiblement tangentielle par rapport à la chambre de séparation cylindrique. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de séparation comporte à sa base une partie de forme générale tronconique inversée formant un entonnoir pour le recueillement des particules séparées du gaz vecteur. 5 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de sé-paration comporte un fond formant une rampe hélicoidale descendant depuis le niveau d'entrée des gaz et aboutissant après un circuit d'environ 360 à un niveau inférieur correspondant à l'orifice de sortie des gaz de la chambre de séparation . 6 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de séparation comporte à sa base une partie en forme de tronc de cône inversé formant entonnoir de recueillement, ledit entonnoir débouchant dans une boite ouverte à sa partie inférieure et garnie de matière de filtration apte à recevoir les particules séparées du gaz épuré. 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la garniture filtrante contenue dans la boite située à la base de la chambre de séparation est amovible et peut être retirée pour les besoins de l'entretien et du nettoyage 8 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de séparation comporte sensiblement en son centre une cheminée verticale formée par un manchon cette cheminée étant ouverte à l'air libre à sa partie supérieure et communiquant à sa partie inférieure avec le conduit d'évacuation des gaz épurés sortant de la chambre de séparation, cette cheminée permettant l'introduction d'air secondaire frais mélangé au gaz épuré à la sortie de la chambre de séparation 9 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le conduit amont d'échappement pénétrant dans la chambre de détente est prolongé par une tubulure de section carrée et obturée à son extrémité, cette tubulure de section carrée comportant des évidements ou fentes transversales permettant le passage des gaz provenant du conduit d'échappement et entrant dans la chambre de détente. 10 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de séparation est associée à des moyens électromagnétiques permettant la polarisation de certaines au moins des parois en facilitant l'attraction magnétique des particules en suspension dans le gaz par les dites parois.