Brevet FR2701060A1 — publié le 19940805

"Procédé de fonctionnement d'une installation de gaz d'échappement d'un moteur thermique et installation pour réaliser ce procédé" L'invention concerne un procédé de fonction- nement d'une installation de gaz d'échappement d'un moteur thermique Mais elle concerne aussi une instal- lation de gaz d'échappement prévue pour réaliser le procédé, ainsi que l'utilisation du procédé ou l'in- stallation de gaz d'échappement prévue pour exécuter le procédé. Pour diminuer la pollution de l'environne- ment, on utilise de plus en plus des moteurs thermni- ques optimisés en ce qui concerne la composition des gaz d'échappement En outre, on fait fonctionner les15 installations de gaz d'échappement avec des disposi- tifs incorporés de traitement des gaz d'échappement, par exemple des filtres à particules et des cataly- seurs Pour les moteurs thermiques qui fonctionnent largement dans des conditions environnantes constan-20 tes, notamment à vitesse de rotation constante, on peut obtenir des résultats favorables grâce aux dispo- sitions citées. Une difficulté particulière survient quand se trouvent des personnes à proximité immédiate de l'échappement de gaz C'est par exemple régulièrement le cas avec les chariots à fourche entraînés par mo- teur thermique, mais aussi pour les machines de cons- truction et appareils analogues Ici, à proximité du conducteur se forme une concentration accrue de gaz d'échappement notamment à vitesse lente et au point mort, ce qui, outre le risque pour la santé, représen- te une gêne importante pour le chauffeur (gaz d'échap- pement chauds, suie de gaz d'échappement de moteurs diesel) Dans les conditions de service citées, la puissance du moteur thermique n'est souvent utilisée qu à un quart de la puissance nominale, ce qui donne une composition de gaz d'échappement particulièrement défavorable En outre, les gaz d'échappement, par sui- te de la vitesse basse de rotation du moteur ne sor- tent qu'à faible vitesse de l'installation de gaz d'échappement, ce qui augmente la concentration des gaz d'échappement à proximité de la sortie des gaz d'échappement et ainsi à proximité du chauffeur. C'est pourquoi sur les chariots à fourche du type H 20 D, et aussi sur d'autres types, on a placé la sortie des gaz d'échappement de l'installation de gaz d'échappement dans le sens de la marche vers l'arrière en haut à droite, ce qui s'était avéré être jusqu'ici la plus favorable de toutes les implantations Malgré ces dispositions des mesures ont établi que la concen- tration des composants nocifs de gaz d'échappement à hauteur de la tête du conducteur est nettement supé- rieure à celle présente dans l'air proche Cela con- cerne aussi bien le fonctionnement dans un hall fermé qu'à l'air libre Ce problème peut surgir aussi avec d'autres machines auxiliaires (par exemple machines de chantier) et pour des moteurs thermiques à poste fixe, qui fonctionnent dans des conditions de service à vi- tesse variable du moteur thermique et avec du person- nel de service qui se trouve à proximité. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fonctionnement d'une installation de gaz d'échappement d'un moteur thermique et d'une installa- tion de gaz d'échappement prévue pour cela, grâce aux- quels on diminue la concentration des composants no- cifs de gaz d'échappement à proximité de la sortie des gaz d'échappement. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que le courant de gaz est modifié dans le sens 1 O d'une vitesse de sortie élevée de gaz d'échappement indépendante de la vitesse de rotation du moteur ther- mique par un dispositif placé dans l'installation de gaz d'échappement L'idée de l'invention est donc d'obtenir à toutes les vitesses de rotation et à tous les régimes une vitesse de sortie la plus élevée pos- sible des gaz d'échappement, afin que ceux-ci se dis- persent le plus loin possible de l'installation de gaz d'échappement Alors que jusqu'ici on n'obtenait une vitesse élevée de sortie des gaz qu'à la vitesse nomi- nale (plein régime) du moteur thermique, ceci est maintenant le cas à tous les régimes En conséquence, la concentration des composants nocifs de gaz d'échap- pement à proximité de la sortie de l'installation de gaz d'échappement et ainsi à proximité du personnel est diminuée. Dans un développement de l'invention, on propose d'ajuster automatiquement la section de sortie de l'installation de gaz d'échappement en fonction de la quantité de gaz d'échappement, quand la quantité de gaz d'échappement augmente, on règle une plus grande section de sortie et quand la quantité de gaz d'échap- pement diminue, on règle une section de sortie plus petite La modification de la vitesse de sortie des gaz d'échappement se fait donc par une modification de section à la sortie de l'installation de gaz d'échap- pement La section de sortie est calculée de telle fa- çon qu'à charge élevée du moteur (vitesse de rotation du moteur maximale, température des gaz d'échappement élevée), on utilise largement une certaine contre pression admissible de gaz d'échappement Ainsi ob- tient-on une vitesse de sortie élevée des gaz d'échap- pement A plus faible vitesse de rotation du moteur thermique, la contrepression des gaz d'échappement dans une installation de gaz d'échappement de l'état de la technique diminue très fortement (section de sortie restant identique) et ainsi aussi la vitesse de sortie des gaz d'échappement On empêche cela selon l'invention en ce que lorsque la quantité de gaz d'é- chappement diminue, on ajuste automatiquement une plus petite section de sortie Ainsi maintient-on largement la contre-pression des gaz d'échappement et en cons- équence la vitesse de sortie des gaz d'échappement est maintenue à un niveau élevé On s'efforce ainsi à ce que la vitesse de sortie ne soit que peu diminuée. On réalise le procédé de l'invention en ce qu'on implante dans l'installation de gaz d'échappe- ment un dispositif modifiant l'écoulement des gaz d'é- chappement dans le sens d'une vitesse de sortie élevée indépendante de la vitesse de rotation du moteur ther- mique Ainsi dans le domaine terminal de l'installa- tion de gaz d'échappement, on implante un dispositif commandant la section de sortie qu'on peut charger dans le sens d'une section de sortie la plus petite possible par une force de fermeture externe ou un mo- ment de fermeture externe et dans le sens d'une sec- tion de sortie la plus grande possible par une force d'ouverture dépendant de la quantité de gaz d'échappe- ment ou un moment d'ouverture. Selon une structure avantageuse de l'inven- tion, le dispositif est constitué d'un volet logé de façon excentrique, qui peut pivoter dans le courant de gaz d'échappement sur un axe disposé transversalement au sens d'écoulement et qui est constitué en tant que paroi de canal du domaine terminal de l'installation de gaz d'échappement, le volet formant une partie de canal en forme de buse avec les autres parois de canal quand la section transversale diminue Un tel disposi- tif est de construction mécanique très simple et four- nit un service fonctionnel sûr pour un faible coût de fabrication. La contre-pression de gaz d'échappement se compose d'une partie statique et d'une partie dynami- que, quand le volet s'ouvre progressivement, l'effet de la partie dynamique sur le volet diminue Dans la mesure o la force de fermeture est constante, la con- tre-pression de gaz d'échappement augmente sur les composants du gaz d'échappement Par exemple si le mo- teur thermique est un moteur diesel, la teneur en suie dans le gaz d'échappement augmente Pour s'y opposer, il est approprié que la force de fermeture ou le mo- ment de fermeture soit modifiable, et quand la section de sortie augmente, la force de fermeture ou le moment de fermeture sont plus petits Ainsi l'ouverture du volet se produit grâce à la contre-pression du gaz d'échappement qui reste presque constante. Des conditions d'écoulement particulièrement favorables sont obtenues quand la zone terminale de l'installation de gaz d'échappement dans lequel est placé le volet, présente une section approximativement ovale, la section de sortie, par rapport au sens de déplacement du volet, pour un volet complètement ou- vert, a la forme d'un ovale allongé et présente pour la position du volet à section de sortie la plus ré- duite la forme d'un ovale transversal Ainsi obtient- on une bonne approximation d'une section ronde parti- culièrement favorable du point de vue technique d'é- coulement pour la concentration des gaz d'échappement. Selon un développement de l'invention on ob- tient un avantage supplémentaire en ce que la zone terminale de l'installation de gaz d'échappement pivo- te Dans de nombreux cas de machines auxiliaires, il existe des limitations d'espace, par exemple en hau- teur ou sur les côtés, de sorte que le courant de gaz d'échappement bute sur des obstacles Dans les halls fermés des unités de prévention d'incendie sont in- stallées Dans les cas cités, le courant de gaz d'é- chappement, par pivotement de la zone terminale de l'installation de gaz d'échappement, peut être dirigé dans une direction appropriée pour réduire la concen- tration en gaz d'échappement. L'application du procédé de l'invention ou l'utilisation de l'installation de gaz d'échappement à un moteur thermique, notamment pour un chariot de ma- nutention, est particulièrement favorable. D'autres avantages et particularités de l'invention seront décrits plus en détail à l'aide du mode de réalisation représenté schématiquement aux fi- gures Ainsi la figure 1 représente une coupe longitu- dinale de la zone terminale d'une installation de gaz d'échappement constituée selon l'invention; la figure 2 représente une coupe transver- sale de la zone terminale selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 représente un diagramme. Le domaine terminal représenté à la figure 1 d'une installation de gaz d'échappement d'un moteur thermique présente un domaine de transition 1 entre une partie de tube 2 circulaire et une partie de tube 3 approximativement ovale Le sens d'écoulement des gaz d'échappement est symbolisé par une flèche Dans la partie de tube 3 de la zone terminale de l'instal- lation de gaz d'échappement une partie de la paroi du canal est formée par un volet 4, qui est logé excen- triquement sur un goujon 5 et qui est disposé en pivo- tement transversalement au sens d'écoulement des gaz d'échappement (axe médian du goujon 5) Le volet 4 dé- finit la section de sortie de la partie de tube 3 de la zone terminale de l'installation de gaz d'échappe- ment Ainsi peut-on obtenir la section de sortie la plus petite possible Qj, la section de sortie la plus grande possible Q 2 et toute position intermédiaire souhaitée. Le volet 4, au point mort ou à faible régime et faible vitesse de rotation du moteur thermique, est poussé par un ressort de traction 6 qui est fixé par une patte 7 d'un bras 8 du volet 4, en une position dans laquelle on obtient la section de sortie la plus petite possible Q 1 Ainsi peut se former dans l'in- stallation de gaz d'échappement une contre-pression de gaz d'échappement, qui est approximativement aussi im- portante que la contre-pression de gaz d'échappement à pleine vitesse du moteur thermique ou au moins n'est que légèrement plus faible En conséquence, les gaz d'échappement, même à faible vitesse de rotation du moteur thermique quittent l'installation de gaz d'é- chappement à grande vitesse, de sorte que la concen- tration en gaz d'échappement à proximité immédiate de la sortie de gaz d'échappement reste faible. Quand la vitesse de rotation du moteur ther- mique augmente, la quantité de gaz d'échappement par unité de temps diminue et ainsi la contre-pression de gaz d'échappement Sous l'effet de la force résultant de la contre-pression de gaz d'échappement et de la force s'exerçant sur le volet 4, celui-ci commence a s'ouvrir en opposition à la force du ressort de trac- tion. La contre-pression de gaz d'échappement se compose d'une partie dynamique et d'une partie stati- que Quand le volet 4 s'ouvre peu à peu l'effet de la partie dynamique sur le volet 4 diminue En outre, quand le régime du moteur thermique augmente, il y a de plus en plus de pertes de charge dans le silencieux de l'installation de gaz d'échappement, de sorte que la contre-pression de gaz d'échappement dans le domai- ne terminal de l'installation de gaz d'échappement n'augmente plus comme au début D'autre part, le res- sort de traction 6 est tendu par l'ouverture, de sorte que la force de rappel diminue, qui s'oppose à la con- tre-pression de gaz d'échappement et tend à l'augmen- ter par fermeture du volet 4 Pour compenser cette force de rappel de ressort et pour empêcher que la contre-pression de gaz d'échappement dans l'installa- tion de gaz d'échappement s'affaiblisse trop globale- ment, ce qui aurait des effets défavorables sur les composants de gaz d'échappement (formation de suie, dans les moteurs thermiques diesel), par la configura- tion particulière de la patte 7 on diminue le bras de levier efficace quand l'ouverture de volet progresse. Ainsi diminue-t-on le moment de fermeture. La position totalement ouverte du volet 4 est représentée en trait mixte Ainsi obtient-on la section de sortie Q 2 la plus grande possible, qui cor- respond au régime maximal du moteur Dans la position de fermeture du volet 4 représentée en trait plein, dans laquelle on a seulement la section de sortie Q 1 la plus petite possible ainsi qu'en positions intermé- diaires le volet 4 forme avec les autres parois du ca- nal de la zone terminale de l'installation de gaz d'é- chappement une partie de canal en forme de buse. A la figure 2 qui représente une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, on voit la section de la zone de canal 3 Celle-ci raccordée à la zone de transition 1, rapportée au sens de déplacement du vo- let 4, a la forme d'un ovale allongé Quand le volet 4 est complètement ouvert, on a sur toute la longueur de la partie de canal une section en forme d'ovale allon- gé Quand le volet 4 se trouve en position de fermetu- re, on obtient une section de sortie en forme d'ovale transversal. Au diagramme selon la figure 3, on représen- te la relation entre la vitesse de rotation du moteur thermique et la contre-pression de gaz d'échappement dans la zone terminale de l'installation de gaz d'é- chappement ainsi que le moment de fermeture du volet 4 En abscisses, on porte la vitesse de rotation du moteur thermique en tours par minute Les ordonnées à gauche de la figure servent à représenter la contre- pression de gaz d'échappement, les ordonnées à droite représentent le couple d'ouverture qui est nécessaire pour ouvrir le volet 4 La ligne A en trait interrompu représente la contre-pression de gaz d'échappement en fonction de la vitesse de rotation du moteur dans une installation de gaz d'échappement selon l'état de la technique Quand la vitesse de rotation du moteur thermique augmente, la contre-pression des gaz d'é- chappement augmente de façon plus que proportionnelle, la vitesse de sortie, augmentant de façon presque pro- portionnelle (faible influence supplémentaire de la température des gaz d'échappement) En utilisant un procédé de l'invention ou une installation de gaz d'é- chappement de l'invention (section de sortie variable) on obtient une contre-pression de gaz d'échappement en fonction de la vitesse de rotation du moteur thermique comme c'est indiqué par la ligne B en trait plein. Ainsi obtient-on dans tout le domaine de vitesse de rotation une vitesse élevée de sortie des gaz d'échap- pement De manière appropriée, on doit prévoir une lé- gère chute de la contre-pression de gaz d'échappement quand la vitesse de rotation diminue, afin que la va- leur limite permise ne soit atteinte qu'à la zone ter- minale à section d'ouverture totale La courbe en trait mixte représente l'évolution du moment d'ouver- ture du volet 4 nécessaire, qui diminue quand la vi- tesse de rotation augmente. Grâce à une liaison pivotante non représen- tée aux figures entre la partie de canal 2 et le reste de l'installation de gaz d'échappement (par exemple par une liaison en calotte sphérique), la zone termi- nale de l'installation de gaz d'échappement peut être pivotée dans une direction o le courant de gaz d'é- chappement peut s'échapper sans gêne. il R E V E N D I C A T I O N S l) Procédé pour faire fonctionner une installation de gaz d'échappement d'un moteur thermi- que, caractérisé en ce que le courant de gaz est mo- difié dans le sens d'une vitesse de sortie élevée de gaz d'échappement indépendante de la vitesse de rota- tion du moteur thermique par un dispositif placé dans l'installation de gaz d'échappement. 2 ) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on peut ajuster la section de sortie (Q 1, Q 2) de l'installation de gaz d'échappement auto- matiquement en fonction de la quantité de gaz d'échap- pement quand la quantité de gaz d'échappement augmente on règle une plus grande section de sortie (Q 2) et quand la quantité de gaz diminue on règle une section (Q 1) de sortie plus petite. ) Installation de gaz d'échappement de mo- teur thermique, caractérisée en ce que dans l'instal- lation de gaz d'échappement est implanté un dispositif déterminant une vitesse de sortie élevée indépendam- ment de la vitesse de rotation du moteur thermique. ) Installation de gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'à la zone terminale ( 1, 2, 3) du dispositif de gaz d'échappement est implanté un dispositif déterminant la section de sortie (Q 1, Q 2) qu'on peut charger dans le sens d'une section de sortie la plus petite possible (Q 1) par une force de fermeture extérieure ou par un moment de fer- meture extérieur et dans le sens d'une section de sor- tie la plus grande possible (Q 2) par une force d'ou- verture dépendant de la quantité de gaz d'échappement ou par un moment d'ouverture. ) Installation de gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que le disposi- tif est constitué d'un volet ( 4) logé excentriquement, qui est logé en pivotement sur un axe transversal au sens d'écoulement des gaz d'échappement dans le cou- rant des gaz d'échappement et qui est constitué comme paroi de canal de la zone terminale ( 1, 2, 3) du dis- positif de gaz d'échappement, le volet ( 4) formant avec les autres parois de canal de la zone terminale ( 1, 2, 3) du dispositif de gaz d'échappement une par- tie de canal en forme de buse. ) Installation de gaz d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'on peut mo- difier la force de fermeture ou le moment de fermetu- re, quand la section de sortie augmente (Qj, Q 2) la force de fermeture ou le moment de fermeture devient plus petit. 70) Installation de gaz d'échappement selon les revendications 3, 4, 5 et 6, caractérisée en ce que la zone terminale ( 3) de l'installation de gaz d'échappement, dans laquelle le volet ( 4) est implan- té, présente une section approximativement ovale, la section de sortie (Q 2) rapportée au sens de déplace- ment du volet ( 4), le volet ( 4) étant complètement ou- vert a la forme d'un ovale allongé et quand la posi- tion du volet est avec la section d'ouverture la plus petite possible (Q 1), elle a la forme d'un ovale transversal. 8) Installation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractéri- sée en ce que la zone terminale ( 1, 2, 3) de l'instal- lation de gaz d'échappement est fixé à celle-ci en pi- votement. ) Installation d'un procédé selon la re- vendication 1 ou 2 ou utilisation d'une installation de gaz d'échappement selon les revendications 3, 4, 5, 6, 7 et 8 pour un moteur thermique d'une machine mobi- le auxiliaire, notamment un chariot de manutention.