Brevet FR2343890A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne une installation de traitement des gaz d'échappement de moteurs a combustion interne, comportant des dispositifs d'amortissement du bruit, d'épuration et de refroidissement; elle a pour but de réduire la place occupée par une telle installation dans laquelle est intégré un thermoréacteur pour la transformation des gaz. Le moyen essentiel pour parvenir a la réduction d'encombrement recherchée consiste a prévoir, tant pour le processus de postcombustion que pour le parcours de refroidissement, un tronçon d'écoulement des gaz d'un genre nouveau qui, dans le parcours de combustion, provoque la combustion finale de manière plus concentrée et, de plus, dans le parcours de refroidissement des gaz en postcombustion, fait que l'évacuation thermique s'effectue de façon plus compacte et avec des moyens économiques. Le tronçon d'écoulement de gaz d'échappement décrit plus loin constitue en outre un ensemble quI exerce d un degré élevé des effets d'amortissement du bruit, de sorte qu'il est superflu de prévoir dans le circuit de ces gaz tout autre dispositif amortisseur de bruit. Ceci aussi contribue > réduire l'encombrement de l'ensemble de l'installation. L'installation de traitement des gaz conçue selon l'invention comporte, séparés les uns des autres par des éléments générateurs de courants partiels de gaz d'échappement tels que des parois perforées ou des faisceaux tubulaires, les parcours suivants a) un parcours d'alimentation en gaz d'échappement et en air d'-ap point, b) un parcours de brûlage en marche à vide et en charge partielle du moteur, c) un parcours de brûlage total, et d) un parcours refroidisseur des gaz apres leur postcombustion. Par ailleurs, dans cette meme installation et en commençant par le parcours de brûlage total, les gaz rencontrent rapidement une paroi qui, lorsqu'elle est disposée dans le champ du brûlage total, est soit garnie sur sa face opposée de matériaux isolants ettou accumulateurs de chaleur, soit conçue en tant que paroi échangeuse de chaleur à un fluide d'amenée de calories s'écoulant de l'autre coté, tandis que lorsque ladite paroi est disposée dans le champ du parcours refroidisseur cette paroi soit est balayée sur sa face opposée par un fluide liquide ou gazeux qui évacue des calories, soit perd sa chaleur par rayonnement dans l'atmosphère libre. Dans une forme d'exécution de l'invention, le tronçon de passage des gaz qui, en amont3 forme des courants partiels et, en aval, est dirigé sur une paroi soit chaude3 soit refroidisseuse, est prévu au moins deux fois dans le parcours de brûlage total ou dans le parcours refroidisseur. Par ailleurs, un élément d'allumage qui est relié, par un orifice de grande dimension ménagé dans la paroi chaude mentionnée ci-dessus, au parcours correspondant a la marche a vide et à la marche en charge partielle du moteur, est disposé dans le premier tronçon de passage des gaz, entre l'élément qui assure la formation de courants partiels et ladite paroi chaude. De plus, la partie du parcours de brûlage total située en aval entoure de ses parois d'échange thermique le parcours de marche d vide et de marche en charge partielle ainsi que la chambre de préchauffage de l'air d'appoint, la disposition adoptée étant a contre-courant. Dans le parcours de brûlage total la paroi chaude d'un deuxième tronçon de passage des gaz délimite de l'autre côté la première enceinte de détente des gaz d'échappe- ment du moteur. Directement en amont du parcours refroidisseur ou dans ce parcours l'élément générateur de courants partiels peut etre constitué par une plaque de céramique dans laquelle sont unifor mément réparties des perforations dont le diamètre est compris entre environ 0,5 mm R 2 mm. Il est avantageux de prévoir directement en amont du parcours refroidisseur, ou dans ce parcours3 d'une part une zone de brassage d'air qui comporte un orifice d'entrée d'air et un orifice de sortie d'air, ces deux orifices étant séparés du courant de gaz d'échappement, d'autre part au moins une paroi qui, de l'autre coté, constitue une paroi refroidisseuse du tronçon de passage des gaz. Dans une forme d'exécution particulière, l'orifice de sortie d'air de la zone de brassage d'air est relié a une conduite qui traverse en tant que tube refroidisseur intérieur une majeure partie de l'ensemble du parcours refroidisseur. Ce tube peut comporter un injecteur de gaz d'échappement disposé près de l'orifice d'entrée d'air et dont la sortie est dirigée vers la sortie du tube refroidisseur intérieur. Une partie de la paroi extérieure de ce dernier constitue alors la paroi que rencontrent les gaz comme spécifié plus haut. Dans une variante de réalisation de l'inventiona les parois refroidisseuses du parcours refroidisseur prévues dans au moins un tronçon de passage des gaz sont, a l'extérieur3 balayées tr par des gaz d'échappement qui n'ont pas encoretle transformateur de gaz d'échappement et qui, auparavant, ont traversé un système refroidisseur situé hors du corps du post-brûleur. D'autres caractéristiques importantes de l'invention apparaîtront dans la description de deux exemples d'exécution d'une installation selon l'invention, faite ci-après en se référant aux fig. 1 et 2 du dessin schématique annexé. Sur la figure 1 on a désigné par 1 un volume de turbulence dans le parcours des gaz en marche 9 vide et en marche en charge partielle3 2 à 4 une succession d'enceintes prolongeant le post-brûleur, 5 chambre de passage des gaz 6 un tube refroidisseur intérieur, 8 un élément dtallumage, 9 des conduits d'amenée de gaz d'échappement du moteur, 10 une chambre de détente, il un système refroidisseur, 12 la zone du parcours refroidisseur du pos-brûleur, 13, 14 deux enceintes dans l'injecteur de gaz et d'air d'appoint, 15 des tubes pour courants partiels de gaz, 16 une conduite d'amenée d'air d'appoint dans l'injecteur, 17 un volume de turbulence, 18 une chambre de préchauffage d'air d'appoint, 19 à 62 des conduites d'amenée d'air d'appoint dans l'injecteur, 23 une paroi perforée, 24 une paroi d'inversion du sens d'écoulement des gaz, 25 les parois de la chambre de détente 10, 26 a 28 des éléments générateurs de courants partiels, 29 une paroi refroidisseuse, 33 un orifice de plus grande section dans la paroi perforée 23 Wl Ull volume de turbulence, et par 35 des courants partiels d'air. On voit d la figure 2 les conduits 9 qui amènent les gaz d'échappement du moteur dans une enceinte de détente 10 dont les parois 25 constituent en même temps des parois d'échange thermique de la chambre de postcombustion 3. On voit aussi que ces gaz,en sortant de l'o-nceinte 10, entrent dans un système re froidisseur Il situé hors de la chambre de postcombustion 3. Après avoir traversé ce système, les gaz entrent tout d'abord dans le parcours de refroidissement 12 du post-brûleur a la sortie duquel, à nouveau enrichis en chaleur de postcombustion par échange thermique, ils parviennent, par l'intermédiaire des enceintes 13 et 14, dans l'injecteur de gaz d'échappement et d'air d'appcint du thermo-réacteur. Le parcours d'amenée de l'air d'appoint passe par les conduites 19 d 22 puis 16 débouchant dans l'injecteur pour lequel les courants partiels de gaz d'échappement qui proviennent des tubes 15 et péndtrent dans les volumes de turbulence 17, 1 et 34 forment le fluide moteur. Ces volumes, relis à un élément d'al lwr.age 8 par un orifice plus grand 33 ménagé dans la paroi perfo rée 23, représentent, lorsque le moteur marche S vide ou en charge partielle, la chambre de postcombustion pratiquement suffisan te. Si, par suite de divers paramètres (augmentation du nombre de tours, degré de remplissage différent, etc.) , le débit de gaz d'échappement augmente, y compris l'asservissement automatique du débit d'air d'appoint nécessaire S l'instant considéré, la partie d'enceinte formée par le faisceau de courants partiels 23 et la paroi déflectrice 24 devient une nouvelle tête de brûleur.Les parties d'enceinte 2 et 3, éventuellement 4, qui lui font suite, sont conçues pour que la combustion s'y achève. Le fait que cette combustion totale s'effectue dans une enceinte de brûlage relativement petite est dû a la qualité améliorée du mélangeage gaz/air d'appoint, et ce calculé pour tous les états de charge du moteur dans lesquels sont produits les grands débits de gaz. Dans la partie d'enceinte délimitée par les parois 23 et 24 il se forme, après un mélangeage préalable au sein des enceintes 17, 1; 34 qui font suite à I'injecéanr et S l'aide de la subdivision 23 en courants partiels et de l'inversion de ces courants contre la surface 24 rapidement incandescente, l'accumulation de facteurs favorables à l'obtention d'une combustion totale.Des moyens engendrant une turbulence, tels que ceux constitués par la rencontre des courants partiels de gaz d'échappement 15 et des courants partiels d'air 35 entraînés à la suite de ces courants de gaz et qui traversent en tourbillonnant les enceintes 17, 1, 34, non plus que la modification constante de leur forme, ne suffisent pas en cas de débits de gaz devenant soudainement forts, surtout que du fait de tels débits il se produit un déplacement de l'enceinte de brûlage.La raison principale de ceci réside dans le fait que des turbulences, à chaque fois que soudainement de grandes quantités de gaz sont produites dans un brûleur conçu pour les états de charge du moteur les plus diverses, produisent des jets ou des concentrations de gaz relativement épais qui ne se dispersent en jets de gaz plus minces que dans les zones marginales des champs de turbu lente Par suite de cela, la combustion favorisée par la turbulence ne s'effectue pratiquement que dans une couche extrêmement mince, presque périphérique qui toutefois suit la trajectoire turbulente dans une couche extrement mince, presque exclusivement périphérique, qui cependant accompagne le parcours turbulent dans touts ses irrégularités et contours, ainsi que l'impose l'accumulation de gaz qui se déplace dans l'enceinte de brûlage de la maniere indiquée ci-dessus. L'impression visuelle que cette combustion se produit dans toute l'enceinte dans laquelle elle se présente à l'oeil est une illusion. La combustion ne s'effectue qu'en surface mince, donc pratiquement bidimensionnelle. Toutefois, la génération de telles zones de turbulence (17,1,34) n'est pas superflue. Il est au contraire favorable de la prévoir dans une phase préparatoire de la combustion totale à pleine charge du moteur, sous forme de processus préparatoires de mélangeage et de réaction, de sorte qu'il s'établit des conditions sous l'effet desquelles la combustion bidimensionnelle acquiert de plus en plus de profondeur, c 'est-à-dire devient progressivement tridimensionnelle. Les dites conditions sont d'une part les facteurs, connus d'après de nombreuses autres relatipns et qui gouvernent la résolution en courants partiels, d'autre part l'écoulement inversé de ces courants le long d'une paroi chaude, d'autre part encore la réunion de ces courants en un lieu et à un instant déterminés, d'autre part enfin la formation d'une tête de brûleur qui assure dans le groupe d'enceintes successives 2,3,4 l'achèvement de la combustion selon la qualité et la quantité des gaz d'échappement. La figure 1 montre le tronçon de conduite des gaz dans e parcours de pleine combustion, avec l'élément 26 générateur de courants partiels et la paroi chaude 25 qui, ce qui est important, est balayée de l'autre côté par des gaz d'échappement chauds, notamment en provenance de la phase de démarrage à froid. Au-dessus de la limite thermique prévue pour l'enceinte de postcombustion on peut, en même temps, avec ces gaz chauds et une disposition judicieuse, assurer pendant les phases de pleine charge une évacuation calorique. Dans ce parcours refroidisseur faisant suite à l'enceinte de postcombustion 2,3,4, la disposition d'une paroi dtim- pact que viennent heurter les courants partiels peut avoir un effet refroidisseur plus concentré lorsque l'on donne à cette paroi une caractéristique thermique de sens opposé, c'est-à-dire lorsque, de l'autre côtéS elle évacue des calories.Dans ce but, et ceci est la solution la plus économique, il est fait usage de gaz d 7 échappement refroidis, comme le montre la fig.1, tandis que la fig 2 illustre l'emploi d'air en tant que fluide refroidis seur; cet air peut etre celui qui est brassé par un ventilateur ou un écoulement d'air par un injecteur de gaz d'échappement et le vent produit par le roulage du véhicule, comme représenté à la fig. 2. Sur cette dernière il est prévu dans le parcours refroidisseur une zone de brassage d'air 10 qui comporte un orifice d'entrée d'air 9 et un orifice de sortie d'air 16, ces orifices étant séparés du courant de gaz d'échappement, ainsi qu'au moins une paroi 8 qui, de l'autre côté, constitue une paroi refroidisseuse du tronçon de passage des gaz mentionné plus haut. Dans cette disposition (fig.2), l'orifice de sortie d'air 16 de la zone de brassage d'air 10 est relié à une conduite 6 qui traverse, en tant que tube refroidisseur intérieur, une majeure partie de l'ensemble du parcours refroidisseur. Ce tube comporte un injecteur 11 de gaz d'échappement prévu près de l'orifice d'entrée d'air 16 et dont l'orifice de sortie est dirigé vers l'orifice de sortie du tube en question. REVEtDICATIONS 1. Installation de traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comportant des dispositifs amortisseurs de bruit, épurateurs et refroidisseurs, cette installation étant remarquable d'une part en ce qu'elle comporte, séparés les uns des autres par des éléments générateurs de courants partiels de gaz d'échappement tels que parois perforées ou faisceaux tubulaires a) un parcours d'alimentation en gaz d'échappement et en air d'appoint, b) un parcours de brûlage en marche à vide et en charge partielle du moteur, c) un parcours de brûlage total et d) un parcours refroidisseur des gaz après postcombustion, d'autre part en ce que, en commençant par le parcours de brûlage total, les gaz rencontrent rapidement une paroi qui, lorsqu'elle est disposée dans le champ du brûlage total, est soit garnie sur sa face opposée de matériaux isolants et/ou accumulateurs de chaleur, soit conçue en tant que paroi échangeuse de chaleur à un fluide d'amenée de calories s'écoulant de l'autre côté, tandis que lorsque ladite paroi est disposée dans le champ du parcours refroidisseur cette paroi soit est balayée sur sa face opposée par un fluide liquide ou gazeux qui évacue des calories, soit perd sa chaleur par rayonnement dans 11 atmosphère libre. 2. Installation selon la revendication 1, remarquable en ce que le tronçon de passage des gaz qui en amont forme des courants partiels et, en aval, est dirigé sur une paroi soit chaude, soit refroidisseuse, est prévu au moins deux fois dans le parcours de brûlage total ou dans le parcours refroidisseur. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, remarquable en ce que dans le premier tronçon de passage des gaz, entre la formation de courants partiels (23) et la paroi chaude (24) est prévu un élément d'allumage qui est relié, par un orifice de grande dimension (33j ménagé dans ladite paroi, au parcours correspondant à la marche a vide et à la marche en charge partielle du moteur (parcours 34,1,17). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que la partie du parcours de brûlage total (2,3) située en aval entoure avec ses parois d'échange thermique le parcours de marche à vide et de marche en charge partielle (34,1,17) et la chambre (18) de préchauffage de l'air d'appoint, la disposition adoptée étant à contre-courant. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que dans le parcours de brûlage total la paroi chaude d'un deuxième tronçon de passage des gaz délimite de 1'autre côté la première enceinte de détente des gaz d'échappement du moteur. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que directement en amont du parcours refroidisseur ou dans ce parcours l'élément (27,28) générateur de courants partiels est constitué par une plaque de céramique dans laquelle sont uniformément réparties des perforations dont le diamètre est compris entre environ 0,5 mm et 2 mm. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que directement en amont du parcours refroidisseur ou dans ce parcours est prévu une zone de brassage d'air (10) qui comporte un orifice d'entrée d'air (9) et un erifice de sortie d'air (16), ces orifices étant séparés du courant de gaz d'échappement, ainsi qu'au moins une paroi (8) qui, de l'autre coté, constitue une paroi refroidisseuse du tronçon de passage des gaz nentionné dans la revendication 1. 8. Installation selon la revendication 7, remarquable en ce que l'on relie l'orifice de sortie d'air (16) de la zone de brassage d'air (10) à une conduite (6) qui traverse en tant cue tube refroidisseur intérieur (6) une majeure partie de lten- semble du parcours refroidisseur. 9. Installation selon la revendication 8, remarquable en ce que le tube refroidisseur intérieur (6) comporte un injecteur (11) de gaz d'échacp-ment prévu près de l'orifice d'entrée d'air (16) et dont l'orifice de sortie est dirigé vers l'orifice de sortie du tube refroidisseur intérieur (6). 10. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'une partie de la paroi extérieure du tube refroidisseur intérieur (6) constitue la paroi que rencontrent les gaz spécifiée dans la revendication 1. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, remarquable en ce que les parois refroidisseuses du parcours refroidisseur (29) prévues dans au moins un tronçon de passage des gaz sont, à l'extérieur, balayées par des gaz d'échappement qui ntont pas encore traversé le transformateur de gaz d'échappement et qui, auparavant, ont traversé un système refroidisseur (11) situé hors du corps du post-brûleur.