Brevet FR2686652A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'élimination par postcombustion des particules solides imbrûlées contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ces gaz d'échappement contenant un excès d'air. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, notamment dans l'industrie automobile pour la fabrication de véhicules à moteurs non polluants et plus particulièrement à moteurs diesels. En effet, en présentant un rendement énergétique élevé et un taux très faible d'émission de carburants imbrûlés, le moteur diesel pourrait répondre à la double préoccupation d'économie d'énergie et de respect de l'environnement s'il ne présentait pas l'inconvénient de libérer des particules solides contenues dans les gaz d'échappement. Ces particules solides présentent un risque potentiel pour les êtres vivants car elles contiennent des hydrocarbures adsorbés plus ou moins pyrolysés pouvant présenter une certaine activité cancérigène. Actuellement les constructeurs d'automobiles utilisent différents dispositifs et procédés d'élimination connus dont aucun n'est satisfaisant. Ainsi, on connaît notamment, un procédé qui consiste à piéger lesdites particules solides dans un filtre en matériau céramique disposé dans le pot d'échappement du moteur. Ce filtre céramique est périodiquement régénéré par combustion desdites particules, afin d'éviter l'accumulation des particules dans le filtre qui conduit à une augmentation de la perte de charge dudit filtre jusqu'à l'étouffement du moteur. La combustion périodique des particules solides est obtenue en chauffant artificiellement lesdites particules au moyen d'une résistance électrique par exemple, jusqu'à une température suffisante pour que l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement les brûle. La mise en oeuvre de ce procédé est très complexe. Elle nécessite de nombreux réglages et un système de contrôle des opérations de filtrage et de combustion coordonnées. En outre, les matériaux céramiques utilisés pour le filtre ne pouvant pas supporter les chocs thermiques imposés à la sortie du bloc moteur, ledit filtre est disposé dans le pot d'échappement où la température est nettement plus basse. Il est alors nécessaire de fournir une grande quantité de chaleur auxdites particules pour les amener à la température de postcombustion, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'énergie du moteur. De plus, même en filtrant les particules solides au niveau du pot déchappement, les variations de température imposées au filtre lors de ltopération de régénération, fragilisent les céramiques. Par ailleurs, on connaît du brevet US 4 380 149 un procédé qui consiste d'une part à pièger lesdites particules solides à l'intérieur d' un filtre-piège placé près du bloc moteur en sortie des gaz d'échappement et d'autre part à brûler périodiquement lesdites particules piégées en injectant une quantité suffisante de gaz de combustion provenant de la chambre de combustion dans ledit filtre-piège. Cette opération d'injection du gaz de combustion dans le filtre-piège représente 1' apport artificiel de chaleur nécessaire pour brûler les particules solides qui n'ont pas été brûlées par l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement. Ce procédé présente l'inconvénient d'être très complexe et difficile à mettre en oeuvre.En effet, le dispositif de mise en oeuvre de ce procédé comporte en plus du filtre-piège, des moyens d'injection du gaz de combustion dans ledit filtre-piège et des moyens de coordination des deux opérations de piègeage desdites particules et d'injection périodique dudit gaz de combustion. La présente invention propose une nouvelle solution au problème de l'élimination des particules solides imbrûlées qui permettrait, notamment, d'obtenir la postcombustion en continu desdites particules solides sans apport artificiel de chaleur. Plus précisément, l'invention propose un procédé d'élimination par postcombustion des particules solides imbrûlées contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, les gaz d'échappement contenant un excès d'air, ledit procédé comportant les étapes suivantes - on retient en continu les particules solides en sortie du bloc moteur sur la surface d'au moins un.support poreux percé de trous, en combinant une opération de filtrage en surface desdits gaz d'échappement à travers ledit support poreux et une opération de léchage continue de la surface dudit support poreux par les gaz d'échappement pour déposer sur ladite surface les particules solides en s'écoulant continûment à travers lesdits trous prévus à cet effet, - on brûle en continu les particules solides par l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement, lesdites particules solides étant maintenues par ledit support poreux à une température suffisante pour la postcombustion. Ainsi, le procédé, selon l'invention, permet de retenir continûment en surface lesdites particules solides à la sortie du bloc moteur où la température atteint des valeurs de l'ordre de 600-800"C. Les particules solides restant en surface, elles sont accessibles par l'oxygène contenu dans l'excès d'air des gaz d'échappement et la température de 600-800"C est, alors, tout à fait suffisante pour provoquer la postcombustion desdites particules solides par ledit oxygène sans apport additionnel de chaleur pour chauffer lesdites particules. Ce procédé est un procédé simple dont la mise en oeuvre est également simple. L'invention propose également un dispositif pour la postcombustion de particules solides imbrûlées contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, le gaz d'échappement contenant un excès d'air, ce dispositif comportant au moins un support poreux qui comprend en surface des zones pleines de filtrage en surface desdits gaz d'échappement et des zones percées de trous d'écoulement desdits gaz d'échappement qui léchent ledit support poreux en y déposant superficiellement lesdites particules solides, ledit support poreux étant disposé près du bloc moteur à la sortie des gaz d'échappement, est destiné à retenir les particules solides à la surface dudit support et à maintenir lesdites particules à une température suffisante pour que l'excès d'air brûle en continu lesdites particules. Ainsi, le dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre dudit procédé, est un dispositif simple et efficace. En effet, ledit support poreux qui constitue ce dispositif est d'une part simple et peu encombrant, il permet de maintenir efficacement les particules solides réparties d'une manière homogène sur sa surface, à la température de 600-800"C pendant un temps suffisamment long pour que l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement brûle lesdites particules. De plus, ledit support poreux comporte avantageusement des trous d'échappement desdits gaz, qui permettent notamment un débit continu desdits gaz d'échappement à travers ledit support afin d'éviter une perte de charge trop importante qui provoquerait l'étouffement du moteur. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, ledit support est constitué en un matériau métallique fibreux de structure anisotrope. En effet, ce matériau est particulièrement avantageux car il permet, notamment, d'obtenir une répartition homogène des particules solides à la surface dudit support poreux et de ce fait permet auxdites particules solides d'atteindre rapidement la température de postcombustion. De plus, ledit support poreux présente axantageusement une faible conductivité thermique dans la direction perpendiculaire au plan dudit support. On obtient alors en surface des montées locales en température très rapides, ce qui favorise la postcombustion desdites particules solides. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante, d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure la est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention mis en place dans un moteur. - La figure lb est une vue schématique de détail de deux supports poreux en forme de plaques disposés en parallèle, constituant une partie du dispositif de la figure la. - La figure 2a est une vue schématique partielle en coupe selon le plan P1 de la figure la. - La figure 2b est un tableau d'éléments du FECRALLOY (nom déposé à l'U.K Atomic Energy Authority). - La figure 3 est un tableau comparatif de mesures d'opacité de gaz d'échappement réalisées sur un moteur diesel équipé avec trois équipements différents dont un équipement est le dispositif selon l'invention. En référence aux figures la et 2a, on a représenté un mode de réalisation d'un dispositif 10 de postcombustion de particules solides contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, par exemple un moteur diesel, ces gaz d'échappement contenant un excès d'air lorsque ledit moteur n'est pas en régime transitoire d'accélération en pleine charge. Le dispositif 10 comporte une pluralité de supports poreux 11,12,13,14,15,16, en forme de plaques de 2 mm d'épaisseur environ, par exemple 6 plaques poreuses, disposées en parallèle et perpendiculairement audit flux de gaz dans un boîtier 17 réalisé en un matériau résistant aux hautes températures. Ces plaques poreuses sont destinées à retenir les particules solides sur leurs surfaces et à maintenir lesdites particules à une température suffisante pour que l'excès d'air brûle en continu lesdites particules. En outre, comme on peut le voir sur les figures la et 2a, le dispositif 10 est placé de manière étanche entre la culasse 20 et le collecteur d'échappement 30 dont les entrées 31 de gaz d'échappement sont raccordées hermétiquement au boîtier 17 au moyen de vis classiques 32. De cette manière les plaques poreuses 11,12,13,14,15,16 sont disposées près du bloc moteur à la sortie 21 des gaz d'échappement où la température atteint 600-800"C. Cette température de 60û-800"C est suffisante pour provoquer la postcombustion des particules solides retenues à la surface desdites plaques poreuses, sans apport extérieur de chaleur. Suivant le mode de réalisation dudit dispositif représenté par les figures la et 2a et comme le montre mieux la figure lb, les plaques poreuses 1 l,12,13,14,-15,16, comportent en surface des zones pleines 19 de filtrage des gaz d'échappement et des zones percées de trous 18 d'écoulement desdits gaz d'échappement qui léchent lesdites plaques poreuses en y déposant superficiellement les particules solides, les zones pleines 19 et les zones percées de trous 18 étant disposées en quinconce afin d'imposer un effet de chicane au flux de gaz d'échappement pour favoriser le léchage des plaques poreuses par lesdits gaz. D'autre part, les trous 18 permettent d'obtenir de manière particulièrement avantageuse un débit continu du flux de gaz d'échap-pement à travers lesdites plaques poreuses afin d'éviter une perte de charge trop importante qui provoquerait l'étouffement du moteur. Il convient ici de préciser que la seule différence entre un moteur classique et un moteur équipé non polluant est l'interposition étanche du dispositif selon l'invention entre la culasse et le collecteur d'échappement dudit moteur équipé. Cette transformation est relativement simple pour donner des résultats efficaces comme nous le verrons plus loin. Suivant le mode de réalisation du dispositif représenté par les figures la, lb et 2a, les plaques poreuses 11,12,13,14,15,16 sont réalisées en un matériau métallique fibreux de structure anisotrope. Dans un exemple typique, ce matériau est constitué de fibres métalliques de 22 microns de diamètre environ et quelques millimètres de longueur, distribuées de façon aléatoire sur un plan, comprimées et fritées. Ce matériau est particulièrement avantageux car il permet notamment d'obtenir une répartition homogène des particules solides sur toutes les surfaces des plaques poreuses. Ainsi lesdites particules atteignent très rapidement la température de postcom-bustion supérieure à 500"C. I1 est particulièrement recommandé que les fibres métalliques soient constituées en un alliage qui résiste en atmosphère oxydante à des températures supérieures à 1000 C. On connaît par exemple un alliage de ce type, déposé sous le nom de FECRALLOY à l'U.K Atomic Energy Authority et également décrit dans le brevet européen n" 0 157 432 au nom de Shell International Research dans des applications différentes de celles de la présente invention. Le FECRALLOY dont la composition chimique est donnée dans le tableau de la figure 2b, contient une quantité non négligeable d'Ytrium qui sert de lien entre la couche d'alumine protectrice de surface et le métal de base.Ainsi les plaques poreuses constituées dudit matériau à fibres de FECRALLOY présentent une inertie thermique faible et une faible conductivité thermique perpendiculairement au plan desdites plaques, ce qui permet des montées en température locales très rapides à la surface desdites plaques et favorise la postcombustion des particules solides retenues sur ces surfaces. De plus, les plaques poreuses peuvent subir sans dommage des chocs thermiques répétés de grande amplitude imposés à la sortie du bloc moteur. La porosité desdits supports en forme de plaques est comprise entre 70 et 90 95, de préférence égale à 85 % ce qui permet de retenir en surface des particules solides de diamètres voisins du micromètre. Suivant le mode de réalisation du dispositif représenté par les figures la, lb et 2a, les six plaques poreuses présentent la même porosité, égale à 85 Ó. Une variante de ce mode de réalisation consiste en ce que les supports poreux en forme de plaques présentent chacun une porosité différente afin d'améliorer l'efficacité de rétention du dispositif 10 en retenant notamment les particules solides de plus gros diamètre qui ont tendance à glisser à la surface des plaques poreuses à 85 %. Des mesures d'opacité de gaz d'échappement ont été réalisées sur un moteur diesel équipé successivement de trois manières différentes le moteur d'origine non équipé du dispositif de postcombustion conforme à l'invention, le moteur équipé uniquement du boîtier 17 vide et le moteur équipé du dispositif de postcombustion selon l'invention. Le tableau comparatif de la figure 3 présente les résultats de ces mesures. En référence à ce tableau, il convient de noter tout d'abord, que l'introduction d'un élément inerte tel que le boîtier 17 vide dans le moteur d'origine n'a aucune influence sur le fonctionnement dudit moteur. En effet, les indices d'opacité mesurés sur le moteur d'origine et le même moteur équipé du boîtier 17 vide sont égaux quel que soit le régime de fonctionnement des moteurs. Cette vérification de base permet d'apprécier 1' efficacité du dispositif de postcombustion selon l'invention. D'autre part en comparant les mesures d'opacité obtenues à partir du moteur d'origine et celles obtenues à partir du même moteur équipé dudit dispositif, on note que les indices d'opacité mesurés sur ce moteur équipé dudit dispositif sont plus faibles de 40 % en moyenne sur tous les régimes, à l'exception du régime de 2500tr/mn en pleine charge où l'indice d'opacité mesuré sur le moteur équipé dudit dispositif est égal à celui mesuré sur le moteur d'origine non équipé. Cela est tout à fait compréhensible car le régime 2500tr/mn est le régime de couple maximum pour lequel l'excès d'air est insuffisant pour brûler lesdites particules solides. Comme le montrent les résultats du tableau de la figure 3, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une réduction d'opacité des gaz d'échappement d'environ 40 ,Ó pour tous les régimes hors le régime transitoire d'accélération en pleine charge. Ainsi, le dispositif selon l'invention, tout en présentant une grande simplicité, fait preuve d'une efficacité remarquable. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite et représentée, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination par postcombustion de particules solides imbrûlées contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, les gaz d'échappement contenant un excès d'air, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - on retient en continu les particules solides en sortie du bloc moteur sur la surface d'au moins un support poreux (11) percé de trous (18), en combinant une opération de filtrage en surface desdits gaz d'échappement à travers ledit support poreux (11) et une opération de léchage continue de la surface dudit support poreux (11) par les gaz d'échappement pour déposer sur ladite surface les particules solides en s'écoulant continûment à travers lesdits trous (18) prévus à cet effet, - on brûle en continu les particules solides par l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement, lesdites particules solides étant maintenues par ledit support poreux (I 1) à une température suffisante pour la postcombustion. 2. Dispositif pour la postcombustion de particules solides Imbrûlées contenues dans un flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, les gaz d'échappement contenant un excès d'air, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un support poreux (11) qui comprend en surface des zones pleines (19) de filtrage en surface desdits gaz d'échappement et des zones percées de trous (18) d'écoulement desdits gaz d'échappement qui léchent ledit support poreux (11) en y déposant superficiellement lesdites particules solides, ledit support poreux (11) étant disposé près du bloc moteur à la sortie (21) des gaz d'échappement, est destiné à retenir les particules solides à la surface dudit support (11) et à maintenir lesdites particules à une température suffisante pour que l'excès d'air brûle en continu lesdites particules. 3. Dispositif selon la reyendication 2, caractérisé en ce que ledit support poreux (11) est constitué en un matériau métallique fibreux de structure anisotrope. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit support poreux (11) est en forme de plaque. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit support poreux (11) présente une porosité comprise entre 70 et 90 %. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de supports poreux (11,12,13,14,15,16) disposés en parallèle, les zones pleines (19) et les zones percées de trous (18) desdits supports poreux étant disposées en quinconce afin d'imposer un effet de chicanes audit flux des gaz d'échappement qui s'écoulent à travers lesdits trous pour que lesdits gaz léchent lesdits supports poreux (11,12,13,14,15,16) en y déposant les particules solides prêtes à être brûlées. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les supports poreux (11,12,13,14,15,16) présentent la même porosité. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les supports poreux (11,12,13,14,15,16) présentent des porosités différentes. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il est placé entre la culasse (20) et le collecteur d'échappement (30) d'un moteur diesel.