Brevet FR2781523A1 — publié le 20000128

i L'invention concerne un dispositif et un procédé pour l'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel, dans lesquels les particules, qui apparaissent lors de la combustion dans le moteur à combustion interne, sont éliminées des gaz d'échappement et finalement éjectées dans l'environnement. Les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne diesel contiennent des particules de corps solides, notamment des particules de suie, en tant que résidus de combustion du carburant diesel brûlé. Si le moteur à combustion interne diesel fonctionne dans une gamme inférieure de charges et de vitesses de rotation, les particules de suie se déposent dans l'installation des gaz d'échappement sur toutes les surfaces qui sont en contact avec le courant des gaz d'échappement. Dans le cas d'une accélération brusque du moteur à combustion interne et de l'accroissement brusque, que ceci provoque, du débit de gaz, les particules de suie sont simultanément entraînées et noircissent les gaz d'échappement éjectés dans l'environnement. Pour éviter le nuage de fumée noire visible produit par le moteur à combustion interne diesel, DE 195 42 587 Al propose d'uniformiser les émissions de particules qui apparaissent avec des intensités variables dans le temps. On y décrit un dispositif formant filtre qui est traversé par des gaz d'échappement, les particules contenues dans le courant de gaz d'échappement étant collectées dans un élément de filtre, conformément à leur apparition instantanée à partir du courant de gaz d'échappement qui pénètre dans le dispositif formant filtre. Les particules de suie doivent être à nouveau évacuées de l'élément de filtre en même temps que le courant de gaz d'échappement qui quitte le dispositif formant filtre. Les particules de suie collectées gênent cependant la traversée du filtre et, pour éviter un colmatage de l'élément de filtre, dans le dispositif connu est prévu un élément de filtre qui se déplace circonférentiellement. Sous l'effet du déplacement circonférentiel de l'élément de filtre, de nouvelles parties, faiblement chargées de particules, de l'élément de filtre sont en permanence disponibles pour être chargées par les gaz d'échappement non encore filtrés. Dans le cas d'émission importante de particules de suie, cette disposition permet de retarder le colmatage de l'élément de filtre, mais ne l'empêche pas. Une combustion des particules de suie collectées n'est la plupart du temps pas possible étant donné que les températures dans l'élément de filtre et dans les sections, situées en arrière de l'élément de filtre, du tuyau d'échappement sont inférieures aux températures d'inflammation de la suie. Le document allemand DE 43 19 283 Cl a fait connaître un procédé et un dispositif pour réduire le particules de suie dans les gaz d'échappement de moteurs diesel, le courant des gaz d'échappement traversant un séparateur de particules agencé sous la forme d'un cyclone et étant subdivisé en un courant partiel exempt de particules et un courant partiel enrichi en particules. Les gaz d'échappement exempt de particules sont évacués à l'air libre. Les gaz d'échappement enrichis en particules sont soumis à un champ électromagnétique, auquel cas il se produit un couplage des particules en vol libre avec une énergie de micro-ondes d'un ordre de grandeur tel que les particules sont chauffées à la température de combustion et brûlent. Avant de pénétrer dans le cyclone, les particules relativement petites, qui volent librement dans les gaz d'échappement, s'agglomèrent dans un champ à haute tension d'un électrofiltre en atteignant une taille telle qu'elles puissent être séparées dans le cyclone. Certes, le dispositif connu permet de réduire les particules dans les gaz d'échappement et évite la formation d'un nuage de fumée noire visible au niveau de la sortie du pot d'échappement dans le cas d'accroissements brusques du débit de gaz, mais ceci requiert une dépense élevée de construction et une utilisation supplémentaire d'énergie pour l'agglomération. L'invention a pour but de réduire, à l'aide de moyens simples, l'émission de particules d'un moteur à combustion interne diesel et d'éviter d'une manière durable la formation d'un nuage de fumée noire visible lors de l'évacuation des gaz d'échappement. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un dispositif pour évacuer un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel comportant un tuyau d'échappement, dans lequel est disposé un organe de blocage, et un canal de séparation qui s'étend en dérivation en amont de l'organe de blocage dans le sens de circulation d'écoulement et dans lequel est disposé un séparateur cyclone, lequel comporte un accumulateur servant à recevoir des particules de corps solides déposées, qui peuvent être mélangées au courant des gaz d'échappement au moyen d'une canalisation à particules qui peut être bloquée et débouche dans le tuyau d'échappement, l'organe de blocage situé dans le tuyau d'échappement et un organe de blocage situé dans la canalisation à particules pouvant être commutés, au moyen de lignes de transmission de signaux de commutation, par une unité de commande, dont le côté entrée est relié à un dispositif servant à enregistrer l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. Ce problème est également résolu conformément à l'invention à l'aide d'un procédé pour évacuer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel, selon lequel un courant des gaz d'échappement est guidé dans un tuyau d'échappement et est éjecté dans l'air environnant au niveau d'un tube d'extrémité et une unité de commande détecte des états de fonctionnement du moteur à combustion interne et, dans le cas de la présence d'états de fonctionnement déterminés avec une émission élevée de particules de corps solides, déclenche la fermeture d'un organe de blocage situé dans le tuyau d'échappement si bien que par conséquent le courant des gaz d'échappement est dirigé, au moyen d'un conduit de séparation, dans un séparateur cyclone, dans lequel les gaz d'échappement sont centrifugés et les particules séparées sont recueillies dans un accumulateur alors que, dans le cas de la présence d'états de fonctionnement du moteur à combustion interne avec une faible émission de particules, les particules sont envoyées depuis l'accumulateur au tuyau d'échappement et sont mélangées au courant des gaz d'échappement, l'unité de commande libérant, sous l'effet de l'ouverture d'un organe de blocage, une canalisation à particules qui relie l'accumulateur à particules au tuyau d'échappement. Dans le tuyau d'échappement de ce moteur à combustion interne est disposé un organe de blocage, qui, pour certains états de fonctionnement du moteur à combustion interne, est amené par une unité de commande dans la position fermée. Les gaz d'échappement contenant des particules sont dirigés, par un canal de séparation qui s'étend en dérivation en amont de l'organe de blocage dans le sens de circulation, dans un séparateur cyclone, qui comporte un accumulateur servant à recevoir les particules de corps solides déposées. Si, sur la base des données de mesure produites de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, l'unité de commande identifie la présence d'une accélération qui introduit un accroissement du débit de gaz, l'organe de blocage situé dans le tuyau d'échappement est fermé et le tuyau d'échappement avec sa quantité accrue de particules est centrifugé dans le séparateur cyclone avant son éjection dans l'environnement. Les particules de suie déposées dans le cyclone sont collectées dans l'accumulateur et, dans des états de fonctionnement à faible émission de particules, sont à nouveau mélangées au courant de gaz d'échappement au moyen d'une canalisation à particules. La canalisation à particules débouche en arrière de l'organe de blocage, dans le tuyau d'échappement et comporte également un organe de blocage qui est relié, comme l'organe de blocage situé dans le tuyau d'échappement, à l'unité de commande par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux. En fonction du diagnostic de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, dans le cas de la présence d'états de fonctionnement à faible émission de particules, l'unité de commande libère la canalisation à particules, ce qui a pour effet que les particules sont envoyées depuis l'accumulateur, sous la forme d'un courant de particules, aux gaz d'échappement. La formation d'un nuage de fumée noire visible lors de l'éjection des gaz d'échappement en raison de concentrations très élevées de particules dans les gaz d'échappement est par conséquent exclue. L'invention part du fait que, dans la gamme des faibles charges et vitesses de rotation, la charge naturelle des particules et les forces mécaniques, qui sont provoquées de ce fait, conduisent à une agglomération avec une taille de grain qui a pour effet que dans le cas de débits de gaz qui sont plus élevés ou augmentent brusquement, les particules se détachent et sont séparées dans le cyclone. Précisément dans le cas des états de fonctionnement qui posent des problèmes en ce qui concerne l'émission de particules, lors de l'accélération à partir de cette gamme de fonctionnement, une séparation des particules dans le cyclone peut être réalisée sans autres moyens auxiliaires pour réaliser l'agglomération. Avantageusement la dérivation du canal de séparation en direction du cyclone est disposée en arrière d'un silencieux arrière disposé dans le tuyau d'échappement et dont l'action d'accumulation des particules suffit, pour des états de fonctionnement du moteur à combustion interne avec une faible formation de particules, pour obtenir des gaz d'échappement de bonne qualité. Dans un développement de l'invention, l'organe de blocage situé dans la canalisation à particules est une vanne mélangeuse réglable en rapport avec la section transversale de passage. L'unité de commande détermine, par réglage de la section transversale de la canalisation à particules, le débit quantitatif des particules devant être mélangées aux gaz d'échappement, en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. Avantageusement, l'unité de commande fait partie d'une unité de commande du moteur à combustion interne. La fonction de l'unité de commande peut être également réalisée dans l'unité de commande à moteur, qui, pour sa tâche essentielle proprement dite, à savoir la commande du comportement de fonctionnement du moteur à combustion interne, détermine l'état de fonctionnement de ce moteur. Sur la base de la connaissance déjà effective de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, l'unité de commande du moteur assume également, dans une configuration correspondante, la commande de l'évacuation des gaz d'échappement selon l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'organe de blocage est situé dans le tuyau d'échappement entre la dérivation du canal de séparation et l'embouchure de la canalisation à particules. Selon une autre caractéristique de l'invention, la dérivation du canal de séparation est située, dans le sens de circulation du tuyau d'échappement, en arrière d'un silencieux arrière. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'organe de blocage est agencé sous la forme d'un clapet à gaz d'échappement dans le tuyau d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de commande fait partie d'une unité de commande du moteur à combustion interne. Selon une autre caractéristique de l'invention, le séparateur cyclone et le silencieux arrière sont logés dans un carter commun. Selon une autre caractéristique de l'invention, un courant des particules déposées dans le séparateur cyclone est mélangé au courant de gaz d'échappement, en arrière de l'organe de blocage du tuyau d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le courant des gaz d'échappement est dirigé de manière à traverser le séparateur cyclone lors de processus d'accélération du moteur à combustion interne et notamment à partir des gammes inférieures de charges et de vitesses de rotation. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tuyau d'échappement est bloqué pendant un bref intervalle de temps pendant environ 5 à 30 secondes pour la centrifugation du contenu en particules des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de commande détermine le courant quantitatif des particules devant être mélangées aux gaz d'échappement par réglage de la section transversale de passage de la canalisation à particules en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence au dessin annexé. La figure unique du dessin représente un moteur à combustion interne diesel 1, dont les gaz d'échappement sont évacués par un tuyau d'échappement 3, à la section d'extrémité duquel est disposé un silencieux arrière 6. Les gaz d'échappement parviennent à l'air libre en traversant un tube d'extrémité 14 du tuyau d'échappement 3, qui se raccorde au silencieux arrière 6. Le courant de gaz d'échappement 2, qui quitte le moteur à combustion interne, contient des particules de suie en tant que résidu de combustion du carburant diesel. Une quantité déterminée de particules peut être collectée dans le silencieux arrière 6. Cependant la quantité de particules contenues dans les gaz d'échappement 2 est variable pendant une durée de fonctionnement assez longue et dépend de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. des émissions particulièrement conséquentes de particules dans les gaz d'échappement pourraient être visibles, à la sortie du tube d'extrémité 14 du tuyau d'échappement 3, sous la forme d'un nuage de fumée noire, mais ceci est évité grâce aux dispositions selon l'invention. Les états de fonctionnement critiques concernant la formation d'une fumée noire sont des processus d'accélération du moteur à combustion interne avec des phases relativement lentes à faible charge et à faible vitesse de rotation, auquel cas les particules de suie, qui se sont déposées en raison de l'accroissement du débit, sont entraînées simultanément au niveau des parois du tuyau d'échappement 3 et du silencieux arrière 6. Dans le tube d'extrémité 14 est disposé un clapet de blocage 8 qui est fermé dans le cas de la présence d'états de fonctionnement critiques en rapport avec la fumée noire, de sorte que le courant des gaz d'échappement contenant des particules est dirigé au moyen d'un canal de séparation 5 en direction d'un séparateur cyclone 4. Les gaz d'échappement sont centrifugés dans le séparateur cyclone 4 et les particules de suie déposées sont collectées dans un accumulateur 11. Un courant de gaz d'échappement 17, dont les particules ont été éliminées, quitte le séparateur cyclone 4. Le courant purifié des gaz d'échappement 17 peut être évacué directement dans l'environnement. On pourrait également imaginer de renvoyer le courant purifié des gaz d'échappement 17 dans le tube d'extrémité 14 du tuyau d'échappement 3. Une canalisation de liaison s'étendant du séparateur cyclone 4 jusqu'au tube d'extrémité 14 pourrait déboucher en aval du clapet de libération de gaz d'échappement 8, disposé dans le tube d'extrémité 14. Les particules de suie déposées peuvent être à nouveau mélangées au courant de gaz d'échappement au moyen d'une canalisation à particules 7, qui relie l'accumulateur de particules 11 du séparateur cyclone 4 au tube d'extrémité 14 et débouche dans le tube d'extrémité 14 en arrière du clapet de libération des gaz d'échappement 8 dans le sens d'écoulement. La canalisation à particules 7 est libérée, pendant les états de fonctionnement du moteur à combustion interne 1, dans le cas d'une faible émission de particules par ouverture d'une vanne mélangeuse 9. Un courant de particules 13 parvient alors de l'accumulateur 11 dans le tube d'extrémité 13 et y est mélangé aux gaz d'échappement en aval du clapet de libération des gaz d'échappement 8, qui est ouvert. Une unité de commande 10 réalise, par l'intermédiaire d'une ligne 15 de transmission de signaux de commutation, la commutation du clapet de libération des gaz d'échappement 8 situé dans le tube d'extrémité 14 et, par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux de commutation 16, de la vanne mélangeuse 9 située dans la canalisation à particules 7. Le côté entrée de l'unité de commande 10 est relié à un dispositif 18 servant à détecter l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne 1. Dans l'exemple de réalisation représenté, les données d'état de fonctionnement 12 du moteur à combustion interne 1, qui sont mesurées par le dispositif de détection 18, sont envoyées à l'unité de commande 10. De façon appropriée l'unité de commande 10 fait partie d'une unité de commande du moteur à combustion interne 1, utilise les données d'état de fonctionnement 12 non seulement pour la chaîne de commande du système d'évacuation des gaz d'échappement selon l'invention, mais également pour la chaîne de commande du comportement de fonctionnement du moteur à combustion interne. Si l'unité de commande identifie, sur la base des données introduites d'état de fonctionnement 12, un état de fonctionnement critique en rapport avec l'émission de particules et notamment la formation de fumée noire, le clapet de libération des gaz d'échappement 8 est amené dans la position fermée, et le courant des gaz d'échappement contenant des particules est guidé par le canal de séparation 5 en direction du cyclone 4. Dans le cas de la présence d'un tel état de fonctionnement critique du moteur à combustion interne avec un débit accru de gaz, la canalisation des gaz d'échappement est fermée pendant un bref intervalle de temps, pendant environ 5 à 30 s, pour réaliser la centrifugation des particules, ce qui permet d'éviter la formation d'un fumée noire. La section transversale de passage dans la vanne mélangeuse 9 située dans la canalisation à particules 7 est réglable. L'unité de commande détermine, en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne 1, le débit quantitatif 13 des particules devant être mélangées au gaz d'échappement, par réglage de la section transversale de passage de la canalisation à particules, c'est-à-dire par modification de la course d'ouverture de la vanne de réglage 9. Le séparateur cyclone 4 et le silencieux arrière 6 peuvent être logés dans un boîtier commun, ce qui permet d'obtenir un agencement compact du dispositif pour l'évacuation des gaz d'échappement du moteur à combustion interne diesel 1. 11 t REVENDICATIONS 1. Dispositif pour évacuer un courant de gaz d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne diesel (1) comportant un tuyau d'échappement (3) dans lequel est disposé un organe de blocage (8), et un canal de séparation (5) qui s'étend en dérivation en amont de l'organe de blocage (8) dans le sens de circulation d'écoulement et dans lequel est disposé un séparateur cyclone (4), lequel comporte un accumulateur (11) servant à recevoir des particules de corps solides déposés, qui peuvent être mélangés au courant des gaz d'échappement (2) au moyen d'une canalisation à particules (7) qui peut être bloquée et débouche dans le tuyau d'échappement (3), l'organe de blocage (8) situé dans le tuyau d'échappement (3) et un organe de blocage (9) situé dans la canalisation à particules (7) pouvant être commutés, au moyen de lignes (15, 16) de transmission de signaux de commutation, par une unité de commande (10), dont le côté entrée est relié à un dispositif (18) servant à enregistrer l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de blocage (8) est situé dans le tuyau d'échappement (3) entre la dérivation du canal de séparation (5) et l'embouchure de la canalisation à particules (7). 3. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la dérivation du canal de séparation (5) est située, dans le sens de circulation du tuyau d'échappement (3), en arrière d'un silencieux arrière (6). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le séparateur cyclone (4) et le silencieux arrière (6) sont logés dans un carter commun. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de blocage situé dans la canalisation à particules (7) est une vanne mélangeuse (9) réglable en rapport avec la section transversale de passage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de blocage est agencé sous la forme d'un clapet à gaz d'échappement (8) dans le tuyau d'échappement (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'unité de commande (10) fait partie d'une unité de commande du moteur à combustion interne (1). 8. Procédé pour évacuer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne diesel (1), selon lequel un courant des gaz d'échappement (2) est guidé dans un tuyau d'échappement (3) et est éjecté dans l'air environnant au niveau d'un tube d'extrémité (14) et une unité de commande (10) détecte des états de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) et, dans le cas de la présence d'états de fonctionnement déterminés avec une émission élevée de particules de corps solides, déclenche la fermeture d'un organe de blocage (8) situé dans le tuyau d'échappement (3) si bien que par conséquent le courant des gaz d'échappement (2) est dirigé, au moyen d'un conduit de séparation (5), dans un séparateur cyclone (4), dans lequel les gaz d'échappement sont centrifugés et les particules séparées sont recueillies dans un accumulateur (11) alors que, dans le cas de la présence d'états de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) avec une faible émission de particules, les particules sont envoyées depuis l'accumulateur (11) au tuyau d'échappement (3) et sont mélangées au courant des gaz d'échappement, l'unité de commande (10) libérant, sous l'effet de l'ouverture d'un organe de blocage (9), une canalisation à particules (7) qui relie l'accumulateur à particules (11) au tuyau d'échappement (3). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un courant (13) des particules déposées dans le séparateur cyclone (4) est mélangé au courant des gaz d'échappement, en arrière de l'organe de blocage (8) du tuyau d'échappement (3). 10. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le courant des gaz d'échappement (12) est dirigé de manière à traverser le séparateur cyclone (4) lors de processus d'accélération du moteur à combustion interne (1) et notamment à partir des gammes inférieures de charges et de vitesses de rotation. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le tuyau d'échappement (3) est bloqué pendant un bref intervalle de temps pendant environ 5 à 30 secondes pour la centrifugation du contenu en particules des gaz d'échappement. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'unité de commande (10) détermine le courant quantitatif des particules devant être mélangées aux gaz d'échappement par réglage de la section transversale de passage de la canalisation à particules (16) en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne (1).