Brevet FR2483570A1 — publié le 19811204

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux brûleurs utilisés dans les appareils de combustion domesti- ques et plus particulièrement dans les appareils de combustion sans ventilation et concerne notamment un brûleur à faible émission de NOX qui peut être fabriqué à bon marché et qui per- met de détecter de manière sûre une insuffisance d'oxygène dans l'air ambiant et l'obstruction de l'alimentation en air primaire. La plupart des appareils de combustion domestiques connus utilisent un brûleur "Bunsen" et c'est la raison pour laquelle ils émettent un pourcentage élevé de NOx pouvant atteindre 100 à 150 ppm. Il est donc clair, qu'on a intérêt à diminuer l'émission de NOx dans de tels appareils de combustion domesti- ques qui ne comportent pas de ventilation. Certains appareils de combustion utilisent un brûleur alimenté en air primaire à la pression atmosphérique, comme c'est le cas du brûleur "Schwank", afin de réduire l'émission de NOx pour les applications domestiques. Toutefois, un tel appareil a le défaut d'être d'un coût de fabrication élevé, à quoi s'ajoute la difficulté de réglage du ralenti TDR. Un autre inconvénient est que la zone de projection de sa partie de com- bustion est inévitablement grande. Ainsi, son utilisation est relativement restreinte par exemple aux appareils de chauffage au gaz. Les appareils de combustion industriels,par contre, utili- sent divers procédés de combustion parmi lesquels la combustion en deux étapes. Dans tous ces procédés, l'air et le carburant sont mélangés positivement sous un réglage des constituants du mélange en vue de contrôler la combustion. Toutefois, ces procédés ne peuvent pas être appliqués aux appareils domestiques, car les brûleurs utilisés sont trop grands et d'un coût trop élevé. Le brevet américain nO 3 656 878 décrit un appareil pour une combustion en deux étapes, dans lequel la zone de combustion primaire est alimentée séparément en air et en carburant afin de permettre une combustion par diffusion. Toutefois, cette solution ne peut pas être envisagée dans les appareils de combustion domestiques, car elle implique une alimentation forcée en air au moyen d'une soufflerie, à quoi s'ajoute l'impossibilité de détecter l'état de la combustion en détectant les variations de la concentration d'oxygène de l'air ambiant. Dans les appareils de combustion domestiques sans ventila- tion, il est utile de pouvoir détecter une combustion incomplète résultant d'une trop faible concentration en oxygène ou de l'obs- truction du passage de l'air primaire. A cette fin, divers procédés ont été préconisés, parmi lesquels un procédé utilisant un détecteur à base de ZrO2 pour détecter les variations de la concentration en oxygène, le procédé d'élévation utilisant une veilleuse, ou le procédé à tige pyrométrique utilisant un tiermo-couple ou autre pour détecter la circulation du courant thermo-électrique. Toutefois, dans tous ces procédés, il est possible selon la nature du carburant utilisé, que le niveau de détection ne soit atteint qu'après le début d'une combustion incomplète. La demande de brevet américain nO 15 150 (numéro de série) décrit un système dans lequel on utilise un brûleur pilote ou une "veilleuse" pour détecter la concentration en oxygène ambiant. Toutefois, ce système a l'inconvénient d'exiger un brûleur principal indépendant pour le chauffage et qu'une obstruction du passage d'air primaire alimentant le brûleur principal ne peut pas être détectée puisque le conduit alimentant ce dernier est différent de celui qui alimente la veilleuse. De plus, dans ce système il est difficile de régler correctement les caractéristi- ques de combustion du brûleur principal et de la veilleuse et de diminuer l'émission de NOx* Le but de la présente invention est de fournir un brûleur à faible émission de NOx qui, en perfectionnant un brûleur "Bunsen" traditionnel, est applicable aux appareils de combus- tion domestiques et qui peut être fabriqué à bon marché. Pour atteindre ses objectifs, la présente invention a pour objet un brûleur qui comprend: - un corps principal comportant un orifice d'entrée disposé en face d'un injecteur de carburant qui introduit un car- burant en même temps que de l'air, un diffuseur disposé en aval de l'orifice d'entrée pour mélanger uniformément le carburant et l'air, une partie d'égalisation disposée en aval du diffuseur pour égaliser la pression du mélange et une partie de formation de flamme primaire ayant un certain nombre d'ouvertures communi- quant avec la partie d'égalisation; et - une chambre de combustion primaire comportant des moyens pour produire une flamme secondaire immédiatement au-dessus de la partie de formation de flamme primaire. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le brûleur comprend également une tige pyrométrique s'avançant dans une ou plusieurs flammes primaires formées dans la chambre de combustion par la partie de formation de flamme et un circuit de commande comportant une section de détection du courant ther- mo-électrique produit dans la tige, ainsi qu'une section pour régler la combustion en coopération avec la section de détection. Avec ce mode de réalisation, une combustion incomplète due à une concentration insuffisante en oxygène ou à l'obstruc- tion du passage d'arrivée de l'air primairepeut être détectée de manière sûre par la tige pyrométrique avant que la combustion incomplète ait commencé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue latérale, partiellement en coupe, d'un brûleur à faible-émission de NOX conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe effectuée suivant la ligne A-A de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective de cet appareil; - les figures 4 et 5 sont des graphiques illustrant le fonctionnement du brûleur de l'invention; et - la figure 6 est une vue latérale, partiellement en coupe, de la partie principale d'un autre brûleur conforme à l'invention. En se référant aux figures 1 à 3, on voit un premier mode de réalisation de l'invention sous la forme d'un brûleur principal dont le corps 1 comprend un orifice d'entrée 3 disposé en face d'un injecteur 2 par lequel sont introduits le carburant et l'air, un diffuseur 4 pour mélanger uniformément le carburant et l'air, une partie d'égalisation 5 dans laquelle la pression du mélange est égalisée et une partie de formation de flamme primaire 6 présentant un certain nombre d'ouvertures en forme de fentes pour les flammes primaires. Une chambre de combustion primaire 7 est prévue sur le corps principal 1 afin de couvrir la partie de formation de flamme 6 et, au sommet de la chambre 7, est formée une ouverture de flamme secondaire 8 (voir figure 3) dont l'aire est plus grande que l'aire totale des ouvertures de flamme primaires. Des flammes primaires 10 sont formées uniquement par l'air pri- maire présent dans la chambre 7 à travers la partie de formation de flamme primaire 6, comme le montre clairement la figure 2. Un détecteur de flamme constitué par une tige pyrométrique 9, s'avance dans certaines des flammes primaires. L'ouverture de flamme secondaire 8 est alimentée avec l'air ambiant afin d'engen- drer une flamme secondaire 11 (figure 2). Le circuit de commande 12 du brûleur selon l'invention, comprend une section de détection qui détermine le courant circulant dans la tige pyrométrique 9 en terme d'impédance et une section de commande qui règle la combustion. Le circuit de commande 12 règle l'alimentation en carburant en agissant sur une valve 13. Le fonctionnement du brûleur selon l'invention est le suivant: le carburant qui sort de l'injecteur 2 entre dans l'orifice 3 tout en entraînant une partie de l'air environnant en tant qu'air primaire. Ce carburant est ensuite mélangé uniformé- ment avec l'air ainsi entraîné dans le diffuseur 4 puis ce mélange, après que sa pression a été uniformisée dans la partie d'égalisation 5, traverse les ouvertures de flamme primaires à une vitesse uniforme. Ce mélange s'enflamme à l'ouverture de flamme secondaire 8 pour former une flamme. Lorsque la composition du mélange (le rapport entre l'air primaire et le carburant) est supérieure à la limite inférieure de combustion, la flamme ainsi formée retourne à la partie de formation de flamme primaire 6 en formant ainsi des flammes primaires 10 qui sont uniquement entretenues par l'air primaire. Dans ces conditions, étant donné que la combustion pri- maire a lieu dans un excès de carburant, ce dernier se décompose en H2, CO, CH et en gaz analogues qui se combinent avec l'oxygène de l'air ambiant entourant l'ouverture de flamme secondaire 8 pour achever la combustion secondaire. Il est à remarquer quedu fait que l'ouverture de flamme secondaire 8 se présente sous forme d'une seule ouverture et que son aire est plus grande que l'aire libre totale des ouvertures de flamme primaires, la flamme secondaire aura une température réduite et la chambre de combustion primaire 7 ne présentera qu'une faible résistance à la circulation de l'air primaire. Les figures 4 et 5 représentent diverses courbes de fonctionnement du présent brûleur dans lesquelles le rapport air primaire/carburant (indiqué en abrégé ci-après Ap/C) et la concentration en oxygène ambiant ont été portés respective- ment en abscisse. Sur ces figures, la courbe A représente la courbe caractéristique CO/C02; la courbe B représente les variations d'impédance de la tige pyrométrique; et la courbe C est la courbe caractéristique NO X. Aux fins de comparaison, on a également tracé les courbes correspondantes A', B' et C' d'un brûleur "Bunsen" traditionnel. On voit sur la figure 4 que, dans le brûleur de l'invention, le dégagement de NO x augmente par suite de l'élévation de la température de la flamme primaire quand le rapport Ap/C est supérieur à 80 %. Ainsi donc, il faut maintenir la quantité d'air primaire inférieure à 80 % de la quantité théorique pour réduire le dégagement de NOX. D'autre part, lorsque le rapport A p/C descend au-dessous de la limite inférieure de combustion, les flammes primaires ne se forment pas dans la chambre 7, avec pour résultat que la combustion totale ne dépend plus que de la combustion secondaire se produisant à l'ouverture 8. Toutefois, dans ces conditions, la combustion à l'ouverture secondaire corres- pond à la flamme d'un brûleur "Bunsen" qui délivre un pourcentage élevé de NOX. En conséquence, on voit que le rapport A p/C doit être maintenu au-dessus de la limite inférieure de combustion. Selon la présente invention, du fait que la combustion totale est divisée en une combustion primaire utilisant de l'air primaire et une combustion secondaire utilisant de l'air secondaire au-dessous de la limite inférieure de combus- tion (Ap/C 80 %), la température de chaque flamme est très inférieure à celle d'un brûleur "Bunsen" traditionnel. Il en résulte que l'émission de NO x du brûleur de l'invention peut être réduite jusqu'à environ 1/3 de celle d'un brûleur "Bunsen". Quand le circuit d'air primaire formé par les éléments 248357C 3, 4 et 5 vient à se boucher de façon à diminuer le rapport Ap /C au-dessous de la limite inférieure de combustion, les flam- mes primaires 10 s'élèvent pour former une flamme "Bunsen" à l'ouverture 8, avec pour résultat que toute la combustion ne repose plus que sur la combustion secondaire. A ce moment, l'impédance de la tige pyrométrique 9 passe brusquement de quel- ques centaines de K à l'infini, comme le montre la courbe B de la figure 4. D'autre part, le rapport CO/C02 commence à augmenter lorsque le rapport A p/C descend au-dessous de la limite inférieure de combustion, comme l'indique la courbe A. En conséquence, en détectant l'augmentation brusque d'impédance qui se produit avant l'élévation du rapport CO/CO2, une obstruction éventuelle du passage de l'air primaire peut être détectée de manière sûre. Dans le cas d'un brûleur "Bunsen" traditionnel, la flamme dans son ensemble-comprend une flamme primaire intérieure et une flamme secondaire extérieure entourant la flamme primaire. En conséquence, même lorsque le passage de l'air primaire est obstrué de façon à réduire l'arrivée de l'air primaire, la combustion gérÉ'ale est entretenue par l'air secondaire ambiant. Dans ces conditions, la flamme générale répugnerait à s'élever, avec pour résultats que l'impédance de la tige pyrométrique ne varierait que doucement, comme l'indique la courbe B', rendant difficile la détection de l'obstruction du passage de l'air primaire. La présente invention élimine complètement cet inconvé- nient et produit un brûleur de haute sécurité qui permet de détecter positivement l'obstruction du passage de l'air primaire. De plus, selon l'invention lorsque la concentration en oxygène de l'air ambiant descend au-dessous de 18 % - 19 %, abaissant ainsi le rapport A p/C au-dessous de la limite inférieure de combustion, les flammes primaires 10 s'élèvent dans la flamme secondaire 11. Avec l'élévation des flammes primaires, l'impédance de la tige pyrométrique 9 passe de quelques centaines de Kr, à l'infini, comme l'indique la courbe B de la figure 5. Dans ces conditions, la combustion secondaire est maintenue sous la forme de ce qu'on peut appeler une flamme "Bunsen", grâce à quoi une élévation du rapport CO/C02 a lieu à une concentration en oxygène encore plus basse ( 2*- 15 %) comme le montre la courbe A. Avec le brûleur "Bunsen" traditionnel, par contre, l'impédance ne varie que doucement avec la réduction de la con- centration en oxygène, comme l'indique la courbe B' et la courbe de variation du rapport CO/C02 n'est que légèrement détériorée. Ainsi, le dispositif de sécurité du brûleur "Bunsen" peut opérer après une élévation du rapport C0/C02. La présente invention élimine complètement cette difficulté et apporte un brûleur qui permet de détecter, de manière sûre, la réduction de la concentration en oxygène avant l'élévation du rapport CO/CO2. Il convient de noter que, du fait que les températures des flammes primaires et secondaire diminuent avec la réduction de la concentration en 02, l'émission de NOX tend aussi à diminuer avec la réduction de la concentration en 02' En conséquence, l'émission de NOX ne pose pas de problème. Il convient aussi de noter que le même effet de détection, que celui décrit ci-dessus, peut être obtenu en mesurant le courant circulant dans la tige pyrométrique au lieu de mesurer l'impédance de celle-ci puisque cette dernière et le courant sont liés par une relation spécifique. En se référant à la figure 6, on voit un autre mode de réalisation de la présente invention dans lequel la chambre de combustion primaire 7 comporte des trous de ventilation auxiliaires 14 autour de la tige pyrométrique 9. L'air auxiliaire - introduit par les trous 14 augmente l'intensité des flammes pri- maires 10' à proximité de la tige 9 en augmentant ainsi le courant circulant dans celle-ci. En conséquence, les courbes de résistance B des figures 4 et 5 sont décalées vers la gauche, c'est-à-dire, vers le côté correspondant à un rapport A /C et à une concentration en 02 faibles. En considérant la figure 5, on remarque qu'il y a un intervalle relativement grand entre la concentration en oxygène (18 - 19 %) à laquelle on détecte une brusque élévation de l'impédance et celle (14 %) à laquelle on observe une élévation du rapport CO/C02. Les trous auxiliaires 14 mentionnés ci-dessus servent à transférer la détection de la concentration d'oxygène vers le côté correspondant à une concentration plus basse en 02' par exemple de 18 - 19 % à 17 - 18 %. Pour le reste, la discussion concernant la figure 4 reste valable. Ainsi, ce second mode de réalisation constitue un dispositif de sécurité stabilisé qui évite une détection prématurée. REVENDICATIONS 1. Brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend - un corps principal (1) comportant un orifice d'entrée (3) disposé en face d'un injecteur de carburant (2) qui introduit un carburant en même temps que de l'air, un diffuseur (4) disposé en aval de l'orifice d'entrée (3) pour mélanger uniformément le carburant et l'air, une partie d'égalisation (5) disposée en aval du diffuseur (4) pour égaliser la pression du mélange et une partie de formation de flamme primaire (6) ayant un certain nombre d'ouvertures communiquant avec la partie d'égalisation (5)X.et - une chambre de combustion primaire (7) comportant des moyens pour produire une flamme secondaire immédiatement au- dessus de la partie de formation de flamme primaire (6). queles2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour produire la flamme secondaire comprennent une ouverture unique (8). 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aire de l'ouverture (8) à laquelle est produite la flamme secondaire est plus grande que l'aire totale des ouver- tures produisant les flammes primaires. 4. Brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend un corps principal (1) comportant une partie de formation de flamme primaire (6); une chambre de combustion primaire (7) pourvue de moyens pour produire une flamme secondaire immédiatement au-dessus de la partie de formation de flamme primaire; une tige pyrométrique (9) s'avançant dans la ou les flammes primaires (10) formées dans la chambre à travers la partie de formation de flamme primaire (6); et un circuit de commande (12) comprenant une section de détection du courant thermoélectrique engendré dans la tige (9) et une section de commande pour régler la combustion en coopération avec la section de détection. 5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre de combustion primaire comporte au moins un orifice de ventilation auxiliaire (14). 6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice de ventilation auxiliaire (14) est disposé près de la tige pyrométrique (9).