Brevet FR2784136A1 — publié le 20000407

I de moteurs thermiques La présente invention concerne un dispositif d'extraction des particules solides contenus dans les gaz d'échappement20 d'un moteur thermique. Elle concerne plus particulièrement un dispositif d'extraction de particules solides de gaz d'échappement disposé sur le parcours des gaz d'échappement, en aval du25 collecteur de gaz d'échappement du moteur, ce dispositif comprenant une chambre de centrifugation équipée d'un rotor et d'un collecteur de particules. Les moteurs à explosion ou à combustion sont une source importante de pollution. En effet, ces moteurs restituent à l'air des produits de combustion qui contiennent, en proportion importante, des particules en suspension formant les fumées et constituées de résidus carbonés ou "imbrûlés" de fines gouttelettes de lubrifiant ainsi que des composés35 en proportion variable provenant de la réaction des produits d'addition incorporés dans le liquide combustible pour en améliorer les propriétés détonantes. L'ensemble de ces produits, et en particulier les particules contenues 2 dans ces produits de la combustion, ont une influence néfaste sur l'environnement. De nombreux dispositifs ont donc été développés à ce jour pour éliminer les particules de produits carbonés contenues dans les gaz rejetés dans5 l'atmosphère. Une première famille de dispositifs est constituée par des dispositifs de filtration interposés sur le parcours des gaz. Ces éléments formant filtres forment des tampons ou10 des chicanes sur lesquels les gaz sont appelés à déposer leurs particules. Toutefois, ces dispositifs ne donnent pas entière satisfaction car, outre la perte de charges importante qu'ils représentent sur le parcours des gaz, et par conséquent l'abaissement du rendement qui en découle,15 ces dispositifs sont trop rapidement colmatés en raison précisément de la richesse des gaz en particules nocives de nature solide ou liquide et qui sont une source de pollution. Une deuxième famille de dispositifs concerne les dispositifs extrayant les particules solides des gaz par centrifugation. Cette centrifugation peut s'effectuer au moyen d'un cyclone comme cela est décrit dans le brevet FRA-2.281.494. Toutefois, une telle solution n'apporte pas25 entière satisfaction en ce qui concerne le pourcentage de particules solides extraites de la veine gazeuse. Une seconde solution, plus performante au niveau du rendement d'extraction des particules, est décrite dans le brevet DE- A-3.511.043. Dans ce cas, l'installation comporte une30 chambre de centrifugation équipée d'un rotor entraîné en rotation par la pression du flux gazeux provenant du moteur. Des éléments stationnaires de collecte des particules sont répartis en périphérie du rotor. Ces éléments stationnaires de collecte communiquent avec une chambre de collecte disposée sous la chambre de centrifugation. Un tel dispositif présente l'avantage d'être aisé à nettoyer, d'être très efficace au niveau du pourcentage de particules solides extraites tout en 3 demeurant de conception relativement simple. Toutefois, le problème de l'ensemble des dispositifs décrits ci-dessus est leur absence d'efficacité pendant les5 phases de démarrage du moteur et les phases d'accélération importante du moteur. Or, on sait que ces phases sont les phases les plus polluantes. Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif d'extraction des particules solides des gaz d'échappement de moteurs thermiques dont la conception permet une extraction efficace des particules pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur et, en particulier, au démarrage à froid, en pleine charge dans15 les côtes quand le moteur force ou en ville au ralenti avec un moteur accumulant les gaz. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'extraction des particules solides des gaz20 d'échappement de moteurs thermiques dont la conception permet d'obtenir des rendements d'extraction de particules particulièrement élevés. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'extraction des particules solides des gaz d'échappement de moteurs thermiques, ce dispositif, disposé sur le parcours des gaz d'échappement en aval du collecteur de gaz d'échappement du moteur comprenant au moins une chambre de centrifugation équipée d'un rotor et d'un collecteur de30 particules, caractérisé en ce que le rotor de la chambre de centrifugation est couplé à l'axe d'une turbine disposée en amont de la chambre de centrifugation, cette turbine étant actionnée en rotation par la pression du flux gazeux émanant du collecteur de gaz du moteur thermique pour provoquer un entraînement en rotation du rotor de la chambre de centrifugation et par suite la fonction de séparation des particules du flux gazeux avant que les gaz ne pénètrent dans lesdites chambres de centrifugation. Grâce à la conception de ce dispositif d'extraction des particules solides, le rotor de la chambre de centrifugation est déjà mu en déplacement avant toute5 arrivée de gaz dans ladite chambre. Par ailleurs, le fonctionnement de ce rotor permet, pendant certaines phases de fonctionnement, d'adapter la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vitesse du flux gazeux. On obtient ainsi un dispositif parfaitement adapté à la veine gazeuse1() à épurer. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif comporte, entre la turbine et la chambre de centrifugation, au moins une chambre formant zone tampon15 pour réguler le débit de flux gazeux entrant dans la chambre de centrifugation. Grâce à la présence de cette chambre formant zone tampon, d'une part la température des gaz est abaissée, autorisant2) ainsi une réinjection des gaz dans le moteur, d'autre part tout engorgement de la chambre de centrifugation est évité. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en25 référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un synoptique d'un dispositif d'extraction de particules solides conforme à l'invention; la figure 2 représente une vue en perspective du dispositif représenté à la figure 1 et la figure 3 représente une vue de dessus de la chambre de centrifugation du dispositif. Le dispositif d'extraction, objet de l'invention, est plus particulièrement destiné à équiper des véhicules lourds, tels que des camions, des autobus, en particulier des véhicules diesel. Toutefois, d'autres applications telles que les moteurs de groupe électrogène, de machines ou autres sont également possibles. 5 Ce dispositif d'extraction de particules solides des gaz d'échappement est placé sur le parcours des gaz d'échappement en aval du collecteur de gaz d'échappement du moteur. En effet, dans une ligne d'échappement classique,10 il est prévu, en aval du moteur, un collecteur de gaz d'échappement du moteur puis généralement un pot de détente, un silencieux, l'ensemble formant la ligne d'échappement. Le dispositif, objet de l'invention, peut donc venir en substitution de dispositifs classiques, tels15 que pot de détente et silencieux, ou en complément de ces éléments. Les gaz pollués arrivent donc en 9 à l'intérieur du dispositif et ressortent en 5 de ce dispositif et sont là20 directement rejetés dans l'environnement ou réinjectés en entrée du moteur. Pour permettre le traitement des particules solides des gaz et, en particulier, leur extraction de la veine gazeuse, ce25 dispositif comprend une chambre de centrifugation 1 équipée d'un rotor 2 et d'un collecteur de particules. Cette chambre de centrifugation peut, à titre d'exemple, être conforme à celle décrite dans le brevet allemand DE-A- 3.511.043 dont le contenu relatif à ladite chambre peut être incorporé à la présente demande de brevet. En effet, cette chambre de centrifugation 1 comporte, répartis en périphérie du rotor 2, des éléments 3 stationnaires de collecte des particules. Ces éléments 3 stationnaires de collecte affectent sensiblement la forme de chambres35 tubulaires fendues et communiquent avec une chambre de collecte 6 des particules montée amovible sous la chambre de centrifugation 1. Cette chambre de collecte peut encore être appelée cendrier 6. L'ensemble de ces éléments est 6 représenté aux figures 2 et 3. Le montage amovible de ce cendrier 6 sur le reste de la chambre de centrifugation facilite le nettoyage du dispositif. Le rotor 2 de la chambre de centrifugation, de conception également classique, est quant à lui couplé par l'intermédiaire de son axe de rotation à une turbine 7 disposée, sur le parcours des gaz d'échappement, en amont de la chambre de centrifugation 1. Cet axe 11 de rotation10 de la turbine 7 et du rotor 2 peut être formé par un axe unique ou deux axes couplés mécaniquement pour être solidaires en déplacement. La turbine 7 est actionnée en rotation par la pression du flux gazeux émanant du collecteur de gaz du moteur thermique. Cet entraînement en rotation de la turbine 7 provoque un entraînement en rotation du rotor 2 de la chambre de centrifugation 1 et, par suite, la fonction de séparation des particules avant même que les gaz ne2) pénètrent dans ladite chambre de centrifugation 1. La chambre de centrifugation 1 est donc opérationnelle y compris en phase de démarrage du moteur. Du fait de ce couplage, la turbine 7 est généralement disposée au-dessus de la chambre de centrifugation 1, comme le montrent les25 figures. Les températures de gaz, au niveau de la turbine 7 et au niveau du rotor 2, sont différentes, ces température étant plus élevées au niveau de la turbine 7. Pour la raison3o mentionnée ci-dessus, la turbine 7 et la chambre de centrifugation 1 sont isolées thermiquement pour empêcher une conduction thermique entre lesdites turbines. Cette isolation thermique est représentée en 17 à la figure 1. A titre d'exemple, la turbine 7 est constituée d'une roue montée sur l'axe 11, cette roue étant disposée à l'intérieur d'un caisson 8 comportant une entrée raccordée à la conduite des gaz d'échappement sortant du collecteur 7 du moteur et une sortie. L'entrée et la sortie de ce caisson 8 sont représentées en 9 et 10 à la figure 1. Une fois les gaz arrivés dans le caisson 8 contenant la turbine 7, ces gaz ne sont pas directement amenés à la chambre de centrifugation 1. En effet, de préférence, le dispositif comporte, entre la turbine 7 et la chambre de centrifugation 1, au moins une chambre 12 formant zone tampon pour réguler le débit de flux gazeux entrant dans la chambre de centrifugation 1. Cette chambre 12 formant zone1() tampon peut présenter un grand nombre de forme de réalisation. Un mode de réalisation de la chambre 12 est fourni à la figure 2. Cette chambre 12 formant zone tampon est15 constituée de deux chambres 12A, 12B communiquantes. La chambre 12A alimentée par la turbine 7 amont permet le piégeage des particules grossières par centrifugation statique. En effet, l'entrée tangentielle des gaz à l'intérieur de ladite chambre 12A permet une circulation2) des gaz à l'intérieur de cette chambre telle que les particules grossières tendent à se déposer sur les parois de la chambre. Ce phénomène peut être accentué par l'extrémité de la conduite débouchant dans ladite chambre 12A, cette extrémité affectant la forme d'un bec. Cette chambre 12A affecte généralement une forme cylindrique. La seconde chambre 12B communiquant avec ladite première chambre est dite chambre de détente des gaz et permet l'alimentation de la chambre de centrifugation 1. Pour>() parfaire la circulation des gaz entre lesdits éléments constituant le dispositif, il est prévu, sur la conduite reliant la turbine 7 à la chambre 12 formant zone tampon, en particulier la chambre de centrifugation statique 12A, un clapet anti- retour 13. Ce clapet anti-retour 13 permet35 notamment, après arrêt du moteur, la poursuite du traitement des gaz par la chambre de centrifugation 1 sans reflux de ce gaz à l'intérieur de la turbine 7. Dans ce cas, la turbine 7, qui était jusqu'à présent motrice ou g maître, devient esclave par rapport au rotor 2 de la chambre de centrifugation 1. Il est également prévu, sur la conduite reliant la chambre 12 formant zone tampon, en particulier la chambre de détente 12B de la zone tampon, à l'entrée 4 de la chambre de centrifugation 1, un dispositif venturi 14 pour accélérer la vitesse de la veine gazeuse en direction de la chambre de centrifugation 1.I1( Les deux chambres 12A, 12B de la zone tampon sont quant à elles séparées par une cloison 18 radiale incorporant un régulateur de débit 15 entre lesdites chambres. Ce régulateur de débit 15 peut par exemple être constitué par15 une chicane. Ce régulateur 15 assure le réglage et l'équilibrage des pressions et l'auto-rotation des turbines. La chambre 12 formant zone tampon peut permettre un stockage d'environ 300 litres de gaz. Pour parfaire le nettoyage de la chambre 12 formant zone tampon, celle- ci comporte au moins une trappe de visite 16. Les gaz d'échappement, une fois les particules solides extraites, sont rejetés dans l'environnement ou réinjectés dans le moteur par la sortie 5. Cette sortie 5 de la25 chambre de centrifugation 1 peut être équipée d'un volet 19 dont l'ouverture est fonction de la pression régnant à l'intérieur de la chambre de centrifugation 1. On note que la chambre de centrifugation est conformée de telle sorte que l'entrée et la sortie des gaz s'effectuent de manière3) tangentielle. On constate que les gaz d'échappement fractionnés par les différentes turbines hachent la fréquence de résonance de la veine gazeuse. Il en résulte une baisse du niveau sonore35 du moteur. L'intérêt d'un tel dispositif réside par ailleurs dans sa facilité de maintenance, dans sa conception simple et dans 9 l'absence de sources d'énergie autres que la propre énergie des gaz pour mouvoir les turbines. La maintenance d'un tel dispositif est réduite au contrôle des paliers, en l'occurrence des roulements, et au nettoyage de la chambre5 de collecte 6 et des deux chambres de la zone tampon, ce nettoyage pouvant s'effectuer à la fréquence des vidanges du moteur. Un tel dispositif présente par ailleurs un coût de production relativement faible comparé aux systèmes sophistiqués existants tels que pots catalytiques ou1) autres. Bien évidemment, des étages supplémentaires tels qu'un étage de lavage des gaz peuvent être prévus en aval de la chambre de centrifugation 1. () REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extraction des particules solides des gaz d'échappement de moteurs thermiques, ce dispositif, disposé sur le parcours des gaz d'échappement, en aval du collecteur de gaz d'échappement du moteur, comprenant au moins une chambre de centrifugation (1) équipée d'un rotor (2) et d'un collecteur de particules, caractérisé en ce que le rotor (2) de la chambre de centrifugation (1) est couplé à l'axe (11) d'une turbine (7) disposée en amont de la chambre de centrifugation (1), cette turbine (7) étant actionnée en rotation par la pression du flux gazeux émanant du collecteur de gaz du moteur thermique pour provoquer un entraînement en rotation I du rotor (2) de la chambre de centrifugation (1) et, par suite, la fonction de séparation des particules du flux gazeux avant que les gaz ne pénètrent dans ladite chambre de centrifugation (1). 2) 2. Dispositif d'extraction des particules selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la turbine (7) et la chambre de centrifugation (1), au moins une chambre (12) formant zone tampon pour réguler le débit de flux gazeux25 entrant dans la chambre de centrifugation (1). 3. Dispositif d'extraction des particules selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre (12) formant zone tampon3) est constituée de deux chambres (12A, 12B) communiquantes, l'une (12A) alimentée par la turbine (7) amont pour le piégeage des particules grossières par centrifugation statique, l'autre (12B) de détente pour l'alimentation de la chambre de centrifugation.35 4. Dispositif d'extraction des particules selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux chambres (12A, 12B) de la Il chambre (12) formant zone tampon sont séparées par une cloison (18) radiale incorporant un régulateur de débit (15) entre lesdites chambres. 5. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu, sur la conduite reliant la turbine à la chambre (12) formant zone tampon, un clapet anti-retour (13).1 6. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu, sur la conduite reliant la chambre (12) formant zone tampon à la chambre de15 centrifugation (1), un dispositif venturi (14) pour accélérer la vitesse de la veine gazeuse en direction de la chambre de centrifugation (1). 7. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des 2) revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la chambre (12) formant zone tampon comporte au moins une trappe de visite (16) pour le nettoyage de ladite chambre (12). 8. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la chambre de centrifugation (1) comporte, répartis en périphérie du rotor, des éléments (3) de collecte des particules stationnaires communiquant avec3() une chambre de collecte (6) des particules montée amovible sous la chambre de centrifugation (1). 9. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la turbine (7) amont et la chambre de centrifugation (1) sont isolées thermiquement pour empêcher une conduction thermique entre lesdites turbines. 10. Dispositif d'extraction des particules selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la chambre de centrifugation (1) comporte, pour l'expulsion des gaz dans l'environnement, un volet (19) dont l'ouverture est commandée par la pression des gaz à l'intérieur de ladite chambre (1).