Brevet FR2475119A1 — publié le 19810807

La présente invention est relative aux dispositifs de réglage de l'émission des gaz d'échappement des moteurs diesel, et elle concerne plus particulièrement des dispositifs pour extraire des particules des gaz d'échappement des moteurs diesel. Parallèlement à l'accroissement récent et a prévoir de l'utilisation, aux Etats-Unis notamment, des véhicules au- tomobiles de tourisme à moteurs diesel est apparu un intérêt croissant pour le développement de procédés pratiques de li- mitatîion de la présence des particules et autres dans les gaz d'échappement des moteurs diesel, à des niveaux qui évitent tous effets nuisibles sur l'environnement. Des travaux sont en cours dans ce domaine tant en ce qui concerne les modifica- tions des moteurs que les dispositifs accessoires pour régler les émissions des gaz d'échzppement de ces moteurs. En même temps des efforts sont faits à la fois au gouvernement et dans l'industrie pour approfondir les connaissances sur les émis- sions des gaz d'échappement des moteurs diesel et sur leurs effets possibles sur l'environnement afin de contribuer à éta- blir des normes rationnelles pour le réglage de ces émissions. La présente invention a pour objet un dispositif pour régler l'émission des gaz d'échappement d'un moteur diesel permettant d'extraire des particules et des vapeurs organiques lourdes des gaz d'échappement, qui comprend un échangeur de chaleur adapté pour être raccordé à un moteur diesel de façon à recevoir des gaz d'échappement de celui-ci, et à refroidir au moins une majeure partie des gaz d'échappement reçus jus- qu'à un niveau de température auquel la majeure partie des va- peurs organiques lourdes présentes dans ces gaz sont conden- sées, permettant ainsi leur adsorption sur des particules car- bonées entraînées dans les gaz d'échappement, et un piège à particules relié à l'échangeur de chaleur afin de recevoir de celui-ci les gaz d'échappement refroidis et adapté pour sépa- rer et extraire des gaz une partie notable des particules en- tra nées, de sorte que les vapeurs organiques condensées ad- sorbées sont également extraites. L'invention constitue un dispositif de filtrage des gaz d'échappement de moteur diesel qui est adapté pour extrai- re de ces gaz d'échappement à la fois les particules entrat- nées dans ceux-ci et certaines vapeurs organiques lourdes qui peuvent être condensées au-dessus des températures ambiantes normales. L'invention forme un dispositif d'échappement modi- fié qui comprend un filtre pour les particules présentes dans les gaz d'échappement, qui est adapté pour extraire des gaz d'échappement du moteur diesel les particules carbonées en- tratnées par ces gaz. En outre le dispositif suivant l'inven- tion comporte un échangeur de chaleur monté en amont du filtre pour refroidir les gaz dtéchappDement du moteur jusqu'à une plage de températuresmodérées à laquelle les vapeurs or.ani- ques lourdes sont en grande partie condensées et adsorbées sur les particules carbonées L'invention comporte encore un dispositif de d&riva- tion pour détourner les gaz d'échappement du dispositif de fil- trage lorsque la température excède le niveau désiré afin d'é- viter une désorption des vapeurs organiques des particules recueillies. Un second filtre disposé dans le conduit de déri- vation peut être prévu pour recueillir des particules présentes dans les gaz d'échappement lors de la dérivation. Le dispositif tire parti de la capacité des particu- les carbonées présentes dans les gaz d'échappement des moteurs diesel d'adsorber le condensat des vapeurs organiques lourdes telles que les hydrocarbures et les produits partiellement bru- lés entraînés dans le courant des gaz d'échappement. L'échan- geur de chaleur refroidit normalement les gaz de façon A con- denser ces vapeurs organiques, qui peuvent alors être adsor- bées et recueillies avec les particules dans le filtre. Le dis- positif de dérivation détourne les gaz d'échappement qui ne sont pas suffisamment refroidis pour pénétrer dans le filtre et empêche ainsi la perte consécutive des vapeurs recueillies par une surchauffe du filtre. En outre la basse température de fonctionnement du filtre principal permet de le réaliser en une matière résistant à une faible température, telle que de la fibre de cellulose ou une autre matière première du pa- pier. On peut bien entendu utiliser différentes variantes du mode de construction et des matériaux. Les avantages et caractéristiques de l'invention ap- paraitront mieux au cours de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de filtrage - -de gaz d'échappèment, donné uniquement à titre d'exemple et représenté schématiquement sur la figure unique du dessin an- nexé. En se référant au dessin, la référence 10 désigne dans son ensemble un dispositif de réglage de l'émission des gaz d'échappement d'un moteur diesel suivant l'invention. Le dispositif 10 comprend un échangeur de chaleur 12 dans lequel les gaz d'échappement sont placés en relation d'échange ther- mique avec l'air ambiant ou un autre fluide approprié de re- froidissement non représenté. Ltéchangeur de chaleur 12 com- prend une entrée 14 pouvant être raccordée à l'orifice de sor- tie des gaz d'échappement d'un moteur diesel et reliée à l'in- térieur de l'échangeur à un orifice de sortie 16 pour trans- porter les gaz d'échappement refroidis à partir de l'échangeur. L'orifice de sortie 16 est relié à une vanne de déri- vation 18 qui dirige le courant des gaz d'échappement soit dans une conduite principale 20 soit dans une conduite de dé- rivation 22. La conduite principale 20 comporte en série un interrupteur thermique 24, un dispositif de filtrage de parti- cules 26, et une vanne 28 d'arrêt de flammes. La conduite de dérivation 22 comporte de préférence un filtre de dérivation 30. Les deux conduites 20 et 22 sont de préférence réunies par leurs orifices de sortie à une tubulure d'échappement 32 qui conduit à la sortie du dispositif d'échappement. l L'échangeur de chaleur 12 est normalement conçu pour refroidir les gaz d'échappement du moteur diesel qui lui sont amenés jusqu'à une température à laquelle la plus grande partie des vapeurs organiques lourdes présentes dans ces gaz d'échappement et susceptibles d'être condensées au-dessus de la température ambiante, sont condensées et peuvent 6tre ad- sorbées sur les particules carbonées qui sont entratnées en volume notable dans les gaz d'échappement. De préférence l'é-- changeur de chaleur refroidit les gaz d'échappement jusqu'à une température de l'ordre de 66 0C ou légèrement plus basse, un certain refroidissement supplémentaire se produisant en- suite dans le dispositif en aval de l'échangeur. On considère qu'il est souhaitable que la température normale de paroi de l'échangeur de chaleur soit maintenue au-dessus de 49 0C pour éviter une condensation importante de vapeur d'eau sur des parois plus froides. On peut utiliser un échangeur de chaleur de tout ty- pe approprié. On considère cependant qu'il est préférable de prévoir un échangeur de chaleur air/air ayant des ailettes ou d'autres moyens pour favoriser l'échange thermique sur le con- duit d'échappement du moteur diesel de façon à utiliser l'ef- fet de refroidissement de l'air ambiant pour extraire la cha- leur des gaz d'échappement et assurer le refroidissement dé- siré. La vanne de dérivation 18 fonctionne en réponse à la température de façon à diriger les gaz d'échappement dans la conduite de dérivation 22 chaque fois que la température- des gaz d'échappement sortant de l'échangeur de chaleur excè- de une température prédéterminée telle que 66 OC. Dans des conditions normales de fonctionnement, si l'échangeur est con- çu de façon appropriée, la température des gaz est inférieure à la valeur prédéterminée et la vanne 18 dirige les gaz d'é- chappement vers la conduite principale 20 jusqu'au dispositif de filtrage 26. La vanne 18 agit en outre comme dispositif de 247 1 19 décharge de pression pour détourner le courant d'échappement dans la conduite de dérivation 22 à tout instant si la pres- sion des gaz en amont du dispositif de filtrage excède une va- leur prédéterminée susceptible de provoquer une détérioration du filtre. L'interrupteur thermique 24 est prévu en tant que dispositif de sécurité pour protéger l'élément filtrant du filtre 26 contre une température excessive. Si la vanne de dé- rivation 18 sensible à la température ne détourne pas les gaz d'échappement lorsque ceux-ci dépassent la température prédé- - terminée, l'interrupteur thermique 24 interrompt l'écoulement dans la conduite principale ce qui provoque une augmentation de pression qui force la vanne de dérivation à s'ouvrir et à détourner le courant dans la conduite de dérivation. Le dispositif de filtrage 26 peut comporter un fil- tre de particules d'échappement de toute forme appropriée, ca- pable de recueillir une partie notable des particules carbo- nées présentes dans les gaz d'échappement du moteur diesel. Du fait que les températures de fonctionnement dans la condui- te principale 20 sont bien inférieures à 121 OC et sont empê- chées de dépasser cette valeur par la vanne de dérivation 18 ainsi que par l'interrupteur thermique de protection 24, il est possible d'utiliser pour l'élément filtrant du filtre 26, un matériau résistant à une température relativement basse. Ainsi l'élément filtrant utilisé dans le dispositif peut être un élément en papier plissé ou en un autre matériau capable de fonctionner à des températures pouvant s'élever jusqu'à 121 OC. Le carter du filtre et l'élément filtrant peuvent être réalisés de façon à permettre un entretien facile du filtre par enlèvement d'un élément filtrant colmaté par des particu- les et remplacement par un élément filtrant propre neuf. Avec une construction appropriée, analogue à celle des dispositifs filtrants connus, l'élément filtrant en papier colmaté peut être rendu destructible par combustion, en vue de l'élimination 247511 9 facile des filtres usés et des particules recueillies par ceux-ci. La vanne d'arrêt de flammes 28 peut éventuellement être incluse dans le dispositif en tant que second dispositif de sécurité, pour fermer la conduite principale si, en raison d'un défaut de fonctionnement des autres dispositifs ou pour toute autre raison, une combustion se produisait A l'intérieur du carter du filtre pendant le fonctionnement du moteur. Dans un tel cas la chaleur de combustion sortant du filtre provo- querait la fermeture de la vanne d'arrêt de flammes 28, blo- quant ainsi l'écoulement de l'air à travers le filtre et arreê- tant la poursuite de la combustion, tandis que les gaz d'échap- pement seraient de nouveau détournés par la vanne de dériva- tion 18 dans la conduite de dérivation 22. Dans tous les cas les gaz passant par la conduite de dérivation 22 sont de préférence e ltrés par un filtre de dérivation 30 qui recueille au moins une grande partie des particules qui le traversent de façon à les empDche- de s'é- chapper dans l'atmosphère. Le filtre de dérivation 30 peut ê- tre réalisé en tout matériau approprié capable de supporter les températures les plus élevées possibles des gaz d'échap- pement du moteur dans toutes les conditions de fonctionnement de celui-ci. En fonctionnement les gaz d'échappement provenant du moteur diesel, non représenté, sont introduits par l'orifice d'entrée 14 dans l'échangeur de chaleur Il ds lequel ils sont refroidis par échange thermique avec l'air ambiant, ou avec un autre agent de refroidissement, jusqu'cà une température qui est de préférence de l'ordre de 49 OC à 66 'C. Le refroidisse- ment des gaz d'échappement jusqu'à ce niveau condense une gran-- de partie des vapeurs organiques lourdes telles que les hydro- carbures non brulés et les produits de la combustion partiel- le, et permet au condensat d'être adsorbé sur les particules carbonées qui sont entraînées dans le courant des gaz d'échap- pement. Ensuite les gaz d'échappement refroidis sont diri- gés par l'intermédiaire de la vanne de dérivation 18 dans la conduite principale 20, en passant dans le dispositif de fil- trage 26. Dans ce dispositif une grande partie des vapeurs organiques condensées contenant des particules est recueillie et retenue tandis que les gaz d'échappement épurés sortent par la vanne 28 et la tubulure d'échappement 32. Si l'échangeur de chaleur est incapable d'abaisser la température des gaz d'échappement jusqu'à une valeur prédé- terminée telle que 66 0C, dans une condition de fonctionnement du moteur, la vanne de dérivation 18 détourne les gaz dans la conduite de dérivation 22 dans laquelle ils sont filtrés par le filtre de dérivation 30 et envoyés dans la tubulure d'échap- pement 32. Ceci empêche les gaz d'échappement à des températu- res très élevées de chauffer le filtre jusqu'à une température excessive qui pourrait provoquer une désorption et une nouvel- le évaporation d'une partie des vapeurs organiques, qui passe- raient alors dans l'atmosphère avec les gaz d'échappement épu- rés sortant du dispositif d'échappement. L'échangeur de chaleur est bien entendu conçu de ma- nière à ne pas permettre à la température des gaz d'échappe- ment envoyés à la vanne de dérivation 18 d'excéder la tempéra- ture prédéterminée de dérivation dans la plupart des conditions de fonctionnement du moteur. En conséquence le volume collec- teur et la maintenance du filtre de dérivation ne sont pas né- cessairement aussi importants que ceux du dispositif filtrant 26 à travers lequel passe normalement la majeure partie des gaz d'échappement du moteur. Grâce au dispositif de réglage des gaz d'échappement d'un moteur diesel décrit ci-dessus, l'élimination de parties importantes des vapeurs organiques lourdes des gaz d'échappe- ment rejetés dans l'atmosphère est assurée comme une partie d'un processus de séparation et de recueil des particules car- bondes dont la présence est connue dans les gaz d'échappement des moteurs diesel. REVENDICATI ONS 1 - Dispositif de réglage de l'émission des gaz d'é- chappement d'un moteur diesel, adapté pour extraire des par- ticules et des vapeurs organiques lourdes des gaz d'échappe- ment, et comprenant un piège (26) à particules, caractérisé en ce qu'il comporte i un échangeur de chaleur (12) adapté pour être raccordé à un moteur diesel pour recevoir les gaz d'échappement de celui-ci et refroidir au moins une majeure partie de ces gaz jusqu'à un niveau de température auquel une majeure partie des vapeurs organiques lourdes présentes dans les gaz sont condensées, ce qui permet leur adsorption sur les particules carbonées entraînées dans les gaz d'échappement du moteur diesel, et un piège à particules (26) relié à l'échan- geur de chaleur (12) de façon à recevoir de celui-ci des gaz d'échappement refroidis et adapté pour extraire de ces gaz une partie notable des particules entraînées de sorte que les va- peurs organiques condensées adsorbées sur ces particules sont également extraites. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le piège à particules comprend un filtre (26) adapté pour extraire par filtrage des gaz d'échappement re- froidis une partie notable des particules entra nées par ces gaz. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens (18, 22, 30) de dérivation et de contournement du filtre (26), adaptés pour détourner de ce filtre des gaz d'échappement ayant conservé une température supérieure à une valeur prédéterminée après avoir traversé l'échangeur de chaleur, ce qui évite un chauffage et une nou- velle évaporation du condensat organique retenus dans le filtre. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caracté- risé en ce que le filtre (26) comprend un élément filtrant ré- sistant aux températures relativement basses, et en ce que le i dispositif comprend des moyens (24) sensibles & la tempéra- ture et adaptés pour bloquer le passage à travers le filtre, des gaz d'échappement ayant une température supérieure au ni- veau de résistance à la température de l'élément filtrant. 5 - Dispositif suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens (18) sensibles A la pression pour détourner les gaz d'échap- pement à travers les moyens de dérivation (18, 22, 30) chaque fois qu'apparaît dans le filtre (26) une pression limite pré- déterminée. 6 - Dispositif suivant l rune des revendications 3 à , caractérisé en ce qu'il comporte un filtre supplémentaire (30) dans les moyens de dérivation (18, 22, 30) pour recueil- lir des particules dans les gaz d'échappement d&tournés.