Brevet FR2491547A1 — publié le 19820409

La présente invention a pour objet un procédé de traitement des gaz d'échappement chauds provenant d'un moteur à combustion interne. Avec tout moteur à combustion interne, il est souhaitable de traiter lés gaz d'échappement de telle sorte qu'ils puissent être évacués en toute sécurité dans l'atmosphère. Dans certains moteurs, en particulier ceux du type diesel, un des problèmes-de fonctionnement les plus répandus est la présence de particules qui sont transportées dans le courant de gaz d'échappement. Normalement, les particules sont essentiellement de petits morceaux de carbone. Elles résultent d'une combustion incomplète du carburant hydrocarboné dans certaines conditions de fonctionnement du moteur. Cepen- dant, le rendement de fonctionnement du moteur est éga- lement un facteur contribuant à la quantité de carbone produite. La présence de quantités relativement importan- tes de particules de carbone dans tout courant de gaz d'échappement est mise en évidence par un effluent de couleur foncée, fumeux, indésirable. Cette fumée-n'est pas seulement inesthétique; en grande quantité, elle peut être dangereuse pour la santé. Des moyens ont été proposés et sont connus dans la technique antérieure pour éliminer ou réduire au minimum la teneur en particules des courants d'évacua- tion. Cependant, on a trouvé que bien que les particules puissent être éliminées par un filtre adéquat de construc- tion appropriée, celui-ci finit par se saturer et /ou par ne plus fonctionner par suite d'accumulations excessives de particules. - On sait en outre que le procédé global de traitement des gaz d'échappement des moteurs peut être accéléré. On y parvient non seulement en faisant passer le courant de gaz chaud à travers un médium filtrant, mais en munissant le filtre d'un catalyseur qui favorise la combustion des particules retenues. on notera que la formation de particules de carbone est très commune dans toutes les- conditions de fonctionnement des moteurs diesel. On notera en outre que la quantité et la qualité d'un courant de gaz d'échappement créé dans un moteur à combustion interne quelconque varient avec les caractéristiques de fonctionnement du moteur. Par exemple, la gamme de températures du courant de gaz d'échappement du diesel peut varier entre une température légèrement supérieure à la température de l'air ambiant, et des températures dépassant 6500C. Lorsque le gaz d'échappement est suffisamment chaud, les particules de carbone piégées sur le filtre sont brûlées. Cependant, les conditions de fonctionnement du moteur pour lesquelles cette régénération peut se produire ne peuvent pas toujours être atteintes dans des automobiles diesel. Lorsqu'on trouve qu'un moteur fonctionne en continu dans des conditions telles que des particules sont continuellement produites et s'accumulent conti- nuellement sur le filtre, le lit filtrant piégeant les particules doit être régénéré systématiquement. Lorsque le gaz-d'échappement est suffisam- ment chaud, la régénération consiste simplement à intro- duire le courant de gaz d'échappement chaud, contenant suffisamment d'oxygène, dans le lit filtrant pour qu'il vienne au contact des particules de carbone retenues et qu'il les enflamme ou les inàinère. La combustion d'amas importants de carbone peut cependant produire des températures qui dépassent celles du gaz d'échap- pement. Le résultat est qu'à ces températures excessives, le lit filtrant est susceptible de subir un choc thermique, une détérioration ou une déformation. L'appareil décrit dans le présent mémoire illustrera un procédé permettant de réaliser une vitesse suffisante d'élimination du carbone à partir d'un courant de gaz d'échappement sans risquer de détério- ration du filtre. Le système de l'invention se compose en résumé d'une chambre à réaction ou d'un lit filtrant qui comprend pour une part, un segment catalytique à travers lequel s'écoule au moins une partie du courant de gaz d'échappement. Cette surface de catalyseur peut être incorporée uniformément dans le lit de piégeage des particules, ou elle peut être disposée seulement à l'extrémité amont du lit. Pour garantir que le lit filtrant ou les lits filtrants principaux restent fonctionnels quelles que sp4entles conditions de fonctionnement du moteur, on peut pré-chauffer le courant de gaz d'échappement, ou au moins une partie de celui-ci. Un pré-chauffage initial peut également être réalisé dans le segment catalytique à travers lequel est envoyé le courant d'échappement. Le chauffage initial du courant peut être réalisé de n'importe quelle manière permettant de porter la température du gaz d'échappement au moins à la température d ' "allumage" du catalyseur. Lorsque la température "'d'allumage" du catalyseur est atteinte, on introduit du carburant supplémentaire. Lorsque l'oxydation du carburant supplémentaire commence, le pré-chauffage du gaz d'échappement peut être ralenti ou arrêté sans étouffer la réaction d'oxydation. En résumé, le lit filtrant principal sera régulièrement purgé ou régénéré à intervalles périodi- ques. Ce traitement, sil est répété à des temps déterminés à l'avance, empêchera les accumulations de carbone qui, si elles ne sont pas chassées, pourraient conduire a des contraintes thermiques ou à une dété- rioration du lit lors de la combustion de l'amas de carbone. Un des buts de l'invention est donc de fournir un filtre du type décrit. Le filtre est capable de. retenir des particules combustibles d'un courant de gaz d'échappément, et il peut être régénéré périodique- ment par incinération des particules. L'invention permet de fournir un filtre à particules du type décrit, capable d'éliminer des élé- ments solides d'un courant de gaz d'échappement tout en permettant une régénération périodique de l'élément filtrant. L'invention permet également de fournir un élément filtrant pour un moteur à combustion interne, lequel élément est périodiquement régénéré par intro- duction de carburant supplémentaire dans le lit filtrant alors que le moteur fonctionne dans des conditions qui ne conduisent pas à des températures du gaz d'échappement suffisamment élevées pour amorcer la combustion du car- burant supplémentaire. - L'invention fournit un élément de traitement du gaz d'échappement qui est capable d'éliminer des particules d'un courant de gaz d'échappement sans mettre en péril l'intégrité du lit filtrant en soumettant ce dernier à un choc thermique ou à une détérioration. Le procédé de l'invention va maintenant être décrit en rë;férence aux figures annexées. La figure 1 représente un moteur diesel du type envisagé, avec lequel est utilisé le système de filtration de la fumée de l'invention. La figure 2 est une section transversale agrandie de l'élément fil- trant représenté a la figure 1. La figure 3 est une il- lustration graphique du procédé de traitement des gaz d'échappement décrit. La figure 4 est semblable à la figure 2, avec addition d'un système de chauffage électrique. Pour faciliter la description du présent procédé, on admettra que le moteur à combustion interne ou tout autre source de gaz d'échappement sont du type diesel. Dans ce type de moteur, de l'air est introduit séquentiellement par un filtre à air 11, au moyen d'une tubulure 12, dans les diverses chambres de combustion. Du carburant diesel est ensuite injecté en quantités déterminées dans chaque chambre de com- bustion par une pompe à carburant 13. Le débit de car- burant est régulé au moyen de la timonerie de régla- ge 14. Le courant de gaz d'échappement chaud est amené par la tubulure d'échappement 16, et il est conduit par un tuyau d'échappement 18 à uni filtre à fumée 17. Bien qu'on puisse insérer un silencieux dans le tuyau d'échappement, cet élément est accessoire et n'est pas essentiel-pour le système et le procédé de fonctionne- ment de l'invention. Le courant de gaz d'échappement, après avoir quitté la tubulure d'échappement 16, sera généralement à une température comprise dans l'intervalle d'environ 90 à 6501C. La température précise dépendra des conditions de fonctionnement du moteur. Par exemple, à faibles charges et au ralenti, le gaz d'échappement est relativement froid ou à une température modérée. En conséquence, lorsque le gaz d'échappement chargé en particules pénètre dans le filtre 17, les particules sont retenues le long des nombreux passages différents à l'intérieur du lit filtrant 19. Bien que le gaz d'échappement soit composé principalement d'une combinaison de gaz, il contient ordinairement une quantité suffisante d'oxygène pour entretenir un degré limité de combustion dans le courant lui-mème. Sur la figure 2, dans un- des modes de réalisa- tion, le filtre 17 comprend une enveloppe métallique allongée 21 ayant des parois terminales opposées 22 1i et 23 qui définissent une chambre à réaction interne 24. Cette dernière chambre est occupée dans une large mesure par au moins un lit filtrant 19 formé d'une matière se prêtant particulièrement à la constitution de passages d'écoulement irréguliers. *La fonction du lit 19, ou de lits semblables qui sont disposés pour occuper la chambre 24, est de définir une série de passages le long desquels s'écoulera le gaz d'échappement. Au cours de ce passage, la matière particulaire emportée par le courant d'é- chappement sera retenue sur les diverses parois des passages. Le lit 19 peut être formé de préférence d'une masse métallique analogue à un tamis, telle que de la laine de verre, des fibrilles métalliques, etc., cette masse étant façonnée de façon à remplir prati- quement la chambre à réaction 24. Le lit 19 peut si on le désire être supporté à ses extrémités amont et aval par des plaques perfo- rées 26 et 27 ou par d'autres éléments transversaux rigides similaires. Ces derniers sont disposés sur la paroi de l'enveloppe 21 de- façon à supporter le ou les lits 19 qui s'y trouvent en particulier lorsque ces derniers sont affaiblis par la chaleur. La paroi amont du filtre 22 est munie d'un orifice d'entrée 28 pour l'introduction du gaz d'échap- pement du côté amont du lit 19. De même, la paroi 23 est en communication avec une conduite d'évacuation 29 pour emporter les gaz exempts de particules qui quittent le lit 19. Pour réaliser au mieux l'action de filtration des gaz, le lit 19 peut être constitué comme il a été indiqué d'un milieu ou d'une matrice perméable au gaz, capable de retenir la matière particulaire solide du courant de gaz d'échappement. Pour faciliter l'incinération des particules retenues, le gaz d'é- chappement pénétrant dans le lit chauffera initiale- ment le segment de celui-ci,,contenant du catalyseur, par contact. La partie catalyseur étant ensuite portée à la température "d'allumage", on peut y introduire du carburant supplémentaire. Le lit du catalyseur se trouvant à présent à une température d'environ 230 à 2900C recevra une injection de carburant. Le mélange de carburant, qu'il soit sous forme liquide ou gazeuse, avec l'oxygène entretenant la combustion dans le courant d'échappement sera de cette façon enflammé lorsqu'il viendra au contact de la surface du catalyseur. Lorsque le mélange de carburant commence à brûler, le lit du catalyseur n'exige plus d'énergie de chauffage. La combustion du mélange de carburant se poursuivant, la température du lit augmentera progressivement jusqu'à environ 540 à 7000C. Lorsque le courant de gaz d'échappement pénétre dans le lit filtrant principal 19 en sortant du segment catalytique, le gaz est à une température élevée proche de celle du lit de catalyseur. Dans cette ambiance a température élevée, la matière particulaire retenue sur le filtre principal est incinérée, et le lit 19 reste relativement exempt de particules. Conformément à l'invention, un appareil permettant d'appliquer le procédé est tel que l'extré- mité avant ou amont du lit filtrant 19 comporte un segment catalytique ou lit de catalyseur 31. Ce dernier comprend une matrice ou un médium filtrant à la surface duquel est déposée une fine couche de matière catalytique oxydante. Cette couche est capable d'augmenter l'oxydation d'un carburant supplémentaire lorsque ce dernier est mélangé au gaz d'échappement. Ce segment de pré-chauffage ou chambre de pré-chauffage 31 du filtre fait de préférence partie intégrante du lit 19, dont elle constitue de préférence moins de la moitié en volume. Elle peut aussi être un segment séparé du lit. Le segment de pré-chauffage 31 est disposé dans la partie avant ou amont de l'enveloppe 21, et s'étend transversalement dans celle-ci pour venir au contact de la totalité du courant de gaz d'échappement entrant dès que celle-ci pénètre dans la chambre à réaction 24. Pour réaliser un pré-chauffage contrôlé du courant de gaz d'échappement, il est prévu un système d'injection de carburant. Ce dernier comprend principalement une source 32 de carburant combustible supplémentaire et un système d'introduction d'une quantité mesurée de ce carburant dans le segment de pré-chauffage 31 du lit filtrant 19. Cette source de carburant 32 peut être soit sous forme de liquide finement atomisé soit sous forme gazeuse pour réaliser la fonction de pré-chauffage désirée. La source de carburant.supplémentaire 32 peut, dans un des modes de réalisation, être le carburant diesel actionnant le moteur à combustion interne 10. Elle peut aussi être un gaz hydrocarboné comprimé tel que du propane, de l'hydrogène, etc., porté par le véhicule en vue de l'injection périodique dans le segment de pré-chauffage 31. En résumé, le carburant supplémentaire utilisé peut être- l'un quelconque d'un grand nombre de susbstances volatiles connues, hydrocarbures ou autres, telles que du kérosène et divers alcools. Le carburant doit cependant être capable de réagir dans la chambre cata- lytique 31 pour réaliser la combustion désirée. Sous une de ses formes, le système d'injection de carburant supplémentaire est constitué d'une pompe 36, ou d'un autre système de dosage approprié, ayant un côté entrée 37 communiquant avec la source de carburant 32. La pompe 36 communique de son autre côté avec un injecteur 38 qui peut être miuni d'une ou plusieurs buses d'atomisation 39. Ces dernières sont conçues pour injecter du carburant dans le courant de gaz d'échappement en amont de la chambre de pré- chauffage contenant du catalyseur 31. En fonctionnement, lorsque la pompe 36 est périodiquement mise en marche par le système de commande 41, une quantité mesurée de combustible, du carburant fluidisé est introduite par les buses 39, directement dans le courant d'échappement chauffé qui pénètre dans la chambre 31. Dans cette dernière, le mélange carbu- rant/gaz s'oxyde en présence du catalyseur oxydant. Comme le montre la figure 3, l'introduction supplémentaire de carburant conforme à l'invention n'est maintenue que pendant un temps suffisant pour brûler les particules de carbone du filtre 19. Ensuite, l'injection de carburant est -stoppée pour permettre un écoulement normal du gaz d'échappement à travers le lit filtrant. Cependant, et comme il a été indiqué, avant que le carburant supplémentaire ne soit oxydé, le segment catalytique 31 dans lequel le gaz d'échappement est d'abord reçu, est amené à une température suffisam- ment élevée pour qu'une réaction d'oxydation soit amorcée par contact entre le carburant supplémentaire et la surface catalytique. Lorsque la surface cataly- tique a été portée au moins à la température "d'allu- mage", le carburant supplémentaire ne passe pas non brûlé dans le segment 31. Le chauffage du segment de lit 31 à la tempé- rature "d'allumage" désirée,autrement que par l'intro- duction d'un carburant supplémentaire, peut être réalisé de-n'importe quelle manière, Le procédé pré- féré est par exemple l'action naturelle du moteur lui- même conduisant à des températures d'échappement suffisamment élevées. Cependant, en utilisation normale, ceci est rarement obtenu, et un procédé d'apport de chaleur additionnelle est nécessaire. Un tel procédé, si l'on se réfère à la figure 4, utilise un élément chauffé électriquement 42 qui est disposé du côté amont du lit filtrant*19. Dans ce dis- positif, qui est réalisé dans le, filtre de la figure,2, l'élément chauffant 42 est disposé transversalement dans l'enveloppe 21 à l'extrémité d'entrée du filtre. Il peut cependant, dans la solution alternative, être dis- posé n'importe o en amont du lit filtrant 19. Le système de chauffage 42 est relié direc- tement au système électrique du moteur, tel qu'une bat- terie ou une source d'énergie analogue. Ainsi, à des intervalles de temps déterminés, l'élément chauffant 42 est commandé par un interrupteur temporel 43 ou un autre système de commutation électrique disposé entre l'élément chauffant et la batterie du véhicule. Si l'on se réfère à présent à la figure 3, après le temps désiré (A a B) de pré-chauffage, le segment catalytique 31 est porté à la température désirée "d'allumage", 2700C, et le chauffage est arrêté. Cette dernière opération, bien que réalisée de préférence au bout d'un délai déterminé, peut être également accomplie en utilisant un thermo-couple de surveillance de la température disposé dans le segment 31 ou le lit 19. En tout cas, le chauffage initial du gaz d'échappement n'est poursuivi que jusqu'à ce que la température dans le segment 31 atteigne la température "d'allumage", pour laquelle le mélange carburant/ gaz supplémentaire s'allume au contact de la surface chaude du catalyseur. Le pré-chzuffage initial du segment 31 peut également être effectué comme il a été indiqué par ajustement du fonctionnement du moteur à combustion interne. Ceci est réalisé le-plus facilement en étouffant le fonctionnement du moteur, de sorte que la température du gaz d'échappement pénétrant dans le segment cata- lytique 31 s'élève temporairement. Dans l'exemple du procédé décrit, tel que représenté à la figure 3,. la courbe montre les tempé- ratures qui s'établissent dans un corps filtrant en deux points séparés. Ces points de contrôle de la température sont avant le lit filtrant 19 (point 1), le second point (2) étant dans le lit filtrant 19 o l'oxydation de l'essence supplémentaire injectée est la plus sensible. Dans la figure 3, le point A montre la tempé- rature à l'orifice avant ou entrée 28 du filtre et reflète une température des gaz d'échappement du moteur d'environ 2000C. Pour porter initialement le segment cataly- tique 31 à la température "d'allumage" désirée, c'est-à-dire à environ 2600C, on commence par altérer le fonctionnement du moteur par étouffement, ce qui porte la température d'échappement à environ 2701C (point B). Comme il est indiqué, ce chauffage initial du segment catalytique par le gaz d'échappement peut aussi être réalisé en utilisant un système de chauffage électrique, ou l'étranglement de l'entrée d'air dans le moteur, ou en augmentant la vitesse d'injection de carburant dans le moteur. Après un pré-chauffage initial durant environ secondes, pendant lesquelles la température dans le compartiment filtrant 31 atteint environ 270nC, l'introduction de propane dans ce segment 31 est commen- cée..Ensuite, alors que le propane vient au contact de la surface catalytique chauffée dans le lit 31, la température dans le lit filtrant 19 augmente à une vitesse relativement rapide. Ce segment de la courbe indique non seulement la combustion du propane supplémentaire introduit (point C à D), maïs aussi l'incinération des particules de carbone qui ont été retenues sur les parois du lit filtrant 19. A la température maxima d'environ 7300C, qui est maitenue pendant environ 1 minute, on arrête l'introduction de propane. Puis la température dans le lit filtrant 19 (au point 2) diminue rapidement (point D à E) en raison du manque de carburant, ainsi que du manque de particules de carbone à incinérer. La température du lit filtrant 19 se stabilise ensuite à une température d'environ 2000C, qui est établie par la température du courant de gaz d'échappement. Comme il a été indiqué, le chauffage périodique du lit filtrant 19, qui est précédé par le pré-chauffage du segment catalytique 31, est poursuivi sur une base de temps. La fin de ce pré-chauffage peut aussi être réalisée en surveillant la température dans le lit filtrant 19 au moyen d'un thermo-couple ou d'un appareil analogue. Ce dernier peut être disposé, comme il a été indiqué, de façon à réguler soit le fonctionnement du système de chauffage électrique 42 dans le lit filtrant 19, soit par un autre moyen qui règle la température du gaz d'échappement à l'extrémité amont du lit filtrant. REVENDICATIONS 1, Procédé de traitement d'un courant de gaz d'échappement chaud provenant d'un moteur à combus- tion interne qui brûle un carburant hydrocarboné, lequel courant d'échappement transporte des particules de combustible du moteur, caractérisé en ce que - on fait passer le courant de gaz d'échap- pement à travers un lit filtrant retenant les parti- cules, perméable au gaz, comprenant une matrice, au moins un segment de cette dernière comportant une matière catalytique, ces particules étant retenues dans le lit filtrant et le courant gazeux exempt de particu- les le traversant, - on purge périodiquement ce lit filtrant de particules retenues - en chauffant initialement au moins une partie du courant de gaz d'échappement à une température à laquelle un supplément de carburant s'oxydera par contact de ce supplément de carburant avec cette matière catalytique, - en introduisant un courant de carburant sup- plémentaire dans le segment catalytique pré-chauffé pour amorcer la combustion dans le lit filtrant du carburant supplémentaire et des particules retenues, et - en arrêtant le pré-chauffage initial de cette partie du courant de gaz d'échappement tout en mainte- nant l'introduction de carburant dans la section catalytique, prolongeant ainsi l'oxydation dans cette dernière jusqu'à ce que le lit filtrant soit exempt de particules retenues. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cette matière catalytique est disposée pratiquement dans tout le lit filtrant. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ce segment catalytique est disposé seulement à l'extrémité amont de ce lit filtrant pour venir au contact du gaz-d'é-chappement avant l'entrée de ce dernier dans le lit filtrant- 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cette matière catalytique est sous la forme d'une fine couche disposée sur la matrice. 5. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que ce segment de lit filtrant contenant une matière catalytique, comprend moins d'environ une moitié en volume de lit filtrant retenant les particules. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que cette matière catalytique comprend un catalyseur d'oxydation. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce lit filtrant est purgé périodiquement des particules retenues en fonction du temps pendant lequel le moteur à combustion interne fonctionne. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on régule l'écoulement du carburant supplémentaire intro- duit dans le segment catalytique, de façon à réguler la température à l'intérieur du lit filtrant. 9. Procédé suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'on surveille la température dans le lit filtrant et en ce qu'on régule l'écoulement de carburant supplémentaire qui est introduit dans le segment catalytique de celui- ci en réponse à la température de ce lit filtrant.