FR2471806A1 - Procede destine a regenerer periodiquement un filtre retenant des particules en suspension dans des gaz d'echappement, et appareil permettant sa mise en oeuvre - Google Patents

Procede destine a regenerer periodiquement un filtre retenant des particules en suspension dans des gaz d'echappement, et appareil permettant sa mise en oeuvre Download PDF

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Abstract

L'APPAREIL COMPREND UN FILTRE 17 PRESENTANT UNE CHAMBRE DE REACTION 24 DONT UN ORIFICE D'ENTREE 28 COMMUNIQUE AVEC UN TUBE DE SORTIE 18 DES GAZ D'ECHAPPEMENT, AINSI QU'UNE COUCHE FILTRANTE PRINCIPALE 19 LOGEE DANS LADITE CHAMBRE DE REACTION 24. L'APPAREIL EST EQUIPE D'UNE CHAMBRE DE FILTRATION PREALABLE 19A SITUEE EN AMONT DE LADITE COUCHE FILTRANTE PRINCIPALE 19 ET RENFERMANT UN AGENT CATALYSEUR, D'UNE POMPE DOSEUSE D'INJECTION 31, DONT LE COTE D'ADMISSION 32 COMMUNIQUE AVEC UNE SOURCE DE COMBUSTIBLE, ET L'INJECTEUR 33 COMMUNIQUE AVEC LADITE CHAMBRE DE FILTRATION PREALABLE 19A, AINSI QUE D'UN DISPOSITIF DE COMMANDE 36 RELIE A LADITE POMPE 31. APPLICABLE AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE.

Description

PROCEDE DESTINE A REGENERER PERIODIQUJEIdENT
UN FILTRE RETENANT DES PARTICULES EN SUS-
PENSION DANS DES GAZ D'ECHAPPEMENT, ET
APPAREIL PERMETTANT SA MISE EN OEUVRE.
La présente invention se rapporte à un procédé de régénération périodique d'un filtre retenant des particules
en suspension dans des gaz d'échappement, ainsi qu'à un ap-
pareil permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Il est souhaitable de soumettre les gaz d'échappe- ment d'un moteur à combustion interne à un traitement tel qu'ils puissent être rejetés à l'atmosphère sans danger. Parmi les problèmes de traitement les plus importants rencontrés en présence de certains moteurs à combustion, notamment du type Diesel, il existe celui dû à la présence de particules
entraînées dans le flux de gaz d'échappement.
En premier lieu, les particules sont en général des
parcelles de carbone. Elles proviennent de la combustion im-
parfaite de l'hydrocarbure dans certaines conditions de fonc-
tionnement du moteur. En outre, l'efficacité de fonctionne-
ment de ce moteur est également un facteur jouant un rôle
dans la quantité de carbone engendré.
La présence de quantités relativement grandes de particules de carbone dans un flux de gaz d'échappement peut être mise en évidence lorsque l'effluent est noirâtre, fumeux et incommodant. Une telle fumée est, non seulement,nuisible
du point de vue esthétique, mais encore elle peut être mal-
saine en grandes quantités.
L'art antérieur a proposé des moyens connus en vue d'éliminer ou de réduire le nombre des particules chariées par les gaz d'échappement. Cependant, l'expérience a montré que, si les particules peuvent être éliminées par un filtre convenable de réalisation appropriée, ce dernier peut devenir encombré et/ou inefficace par suite d'accumulations excessives
de particules.
Par ailleurs, on sait qu'il est possible d'activer le procédé de traitement général des gaz d'échappement d'un moteur. A cet effet, non seulement le débit de gaz chauds traverse un organe de filtration ou milieu filtrant,mais ce filtre est équipé d'un catalyseur destiné à favoriser la
combustion des particules retenues.
Il convient de faire observer que la génération de particules de carboneaccompagne toutes les conditions de
fonctionnement des moteurs Diesel. On fera en outre consta-
ter que la quantité et la qualité d'un flux de gaz d'échappe-
ment provoqué par un moteur à combustion interne, quel qu'il soit, varient en fonction des conditions de fonctionriement
de ce moteur.
Par exemple, la plage de température constatée dans les flux de gaz d'échappement des moteurs Diesel peut varier entre des températures sensiblement supérieures à celle de l'air ambiant et des températures excédant 650 OC. Lorsque les gaz d'échappement sont suffisamment chauds, les particules de carbone emprisonnées dans un filtre sont br lées. Toutefois, les véhicules de tourisme équipés de moteurs Diesel atteignent
rarement de telles conditions de fonctionnement du moteur per-
mettant une telle régénération.
Lorsqu'il se trouve qu'un moteur fonctionne en per-
manence dans des conditions telles que les particules sont en permanence engendrées et accumulées dans le filtre, la
couche filtrante emprisonnant ces particules doit être régé-
nérée de temps à autre.
- Dans des circonstances normales, la régénération consiste seulement à introduire le flux de gaz d'échappement
chaud, renfermant suffisamment d'oxygène, dans la couche fil-
trante, de manière qu'il vienne en contact avec les particules
de carbone retenues et enflamme ou incinère ces dernières.
Cependant, la combustion d'une grande quantité de carbone accumulée peut engendrer des températures-dépassant largement celle des gaz d'échappement. Il en résulte que, en présence de telles températures excessives, la couche ou l'élément
filtrant est susceptible de subir un choc thermique, un endom-
3 2471806
magement ou une déformation.
La présente invention a par conséquent pour objet un procédé visant à débarrasser des gaz d'échappement d'une
quantité satisfaisante de carbone, sans pour autant endomma-
ger le filtre. Selon les caractéristiques essentielles de l'invention, la chambre ou tronçon de réaction renferme une couche catalytique que traverse au moins une partie du flux des gaz d'échappement. Ce tronçon de catalyse peut être incorporé dans la couche emprisonnant les particules, ou bien
être situé en amont de cette couche.-
Pour faire en sorte que la ou les couches filtrantes principales soient toujours en bon état de fonctionnement, le flux des gaz d'échappement est périodiquement et régulièrement
chauffé à une température supérieure à la température néces-
saire pour provoquer la combustion des particules retenues.
Concrètement, pour effectuer cette étape de chauffa.--
ge, on ajoute directement une quantité souhaitée d'un fluide inflammable au flux de gaz d'échappement. Ce combustible se
mêle à l'effluent Diesel, qui renferme de l'oxygène en excès.
Lorsque le mélange entre en contact avec le catalyseur, il
se produit une réaction exothermique qui augmente la températu-
re du flux de gaz d'échappement pour lui faire atteindre au
moins celle de la combustion des particules de carbone rete-
nues dans la couche filtrante principale.
De la sorte, la couche filtrante principale est ré-
générée régulièrement et à intervalles périodiques. Si un tel traitement est renouvelé à des intervalles prédéterminés, il prévient toute accumulation de carbone de nature à entratner un choc ou un endommagement thermique de la couche au moment
o cette accumulation est brûlée.
La présente invention vise également à proposer un
filtre du type précité, pouvant retenir des particules com-
bustibles d'un flux de gaz d'échappement, et étant ensuite
régénéré périodiquement en brûlant lesdites particules.
L'invention a aussi pour objet un filtre du type
précité pour particules, susceptible d'enlever les consti-
4 2471806
tuants solides d'un flux de gaz d'échappement, tout en per-
mettant une régénération périodique de l'élément filtrant.
Cette régénération peut avoir lieu alors que le moteur est
en fonctionnement, dans des conditions ne provoquant normale-
ment pas des températures des gaz d'échappement suffisantes
pour accomplir cette tâche.
Par ailleurs, l'invention a pour objet un ensemble de traitement des gaz d'échappement, qui est à même d'enlever
des particules d'un flux d'échappement sans mettre en péril.
le bon état du filtre en faisant subir à la couche filtrante
un choc ou un endommagement thermique.
L'invention va à présent être décrite plus en détail
en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limi-
tatif et sur lequel: la figure 1 est une vue schématique en élévation illustrant un moteur Diesel avec lequel coopère le filtre selon l'invention; et la figure 2 est une coupe longitudinale à échelle
agrandie de l'élément de filtration.illustré sur la figure 1.
Afin de faciliter la présente description, on admet-
tra qu'un moteur 10 à combustion interne, ou source de gaz d'échappement, est du type Diesel. Par conséquent, de l'air est introduit dans les diverses chambres de combustion de ce moteur, à partir d'un filtre à air 11, et par l'intermédiaire d'un collecteur 12. Ensuite, le carburant est injecté dans chaque chambre de combustion à partir d'une pompe de carburant
13, au moyen d'une timonerie de commande 14 du moteur.
Le flux de gaz d'échappement chauds, rassemblés dans un collecteur de sortie 16, est conduit vers un filtre à fumée 17 en parcourant un tube de sortie 18. Bien qu'il soit possible d'incorporer un silencieux dans ce tube de sortie, un tel élément n'est pas indispensable dans le dispositif
selon l'invention.
Le flux des aaz d'échappement, après avoir quitté le collecteur de sortie 16, est à une température comprise
dans une plage d'environ 90 OC à 650 OC. La température pré-
cise dépend des conditions de fonctionnement du motp'ir- PA-
I exemple, à faible vitesse et à la vitesse de ralenti, les gaz d'échappement seront relativement frais ou seulement légèrement chauffés. Dans ces conditions, lorsque le flux d'échappement pénètre dans le filtre 17, les particules chariées par ce flux sont retenues le long des nombreux
passages à l'intérieur d'une couche filtrante 19.
Bien que les gaz d'échappement soient initialement une combinaison de plusieurs gaz, ils renferment normalement suffisamment d'oxygène pour supporter au moins un degré de
combustion réduit au sein du flux d'échappement lui-même.
Le filtre consiste essentiellement en un boîtier métallique allongé 21, dont des parois extrêmes opposées 22
et 23 délimitent entre elles une chambre.24 de réaction inter-
ne.- Cette dernière est occupée en majeure partie par au moins
une couche 19 réalisée en une matière particulièrement adap-
tée pour donner naissance à plusieurs passages irréguliers.
Cette couche a pour fonction (ainsi que d'autres couches analogues qui la complètent) de délimiter plusieurs
passages traversés par les gaz. Lors de ce parcours, les par-
ticules chariées par le flux sont retenues le long des diver-
ses parois des passages.
Dans une forme de réalisation selon l'invention, la couche 19 peut être constituée d'une masse métallique formant
une toile, telle que de la laine d'acier ou un matériau ana-
logue, configuré pour combler sensiblement la chambre de réac-
tion du filtre.
En variante, la couche 19 peut être supportée, à ses extrémités amont et aval, par des plaques perforées 26 et 27, ou par des éléments transversaux similaires. Ces plaques sont alors supportées par le boîtier 21, de manière à maintenir
dans ce dernier la ou les couches qui y sont logées.
La paroi amont 23 du filtre présente un orifice 28
destiné à introduire les gaz du c8té amont de la couche 19.
D'une manière analogue, la plaque 26 située en aval est rac-
cordée à un orifice de sortie 29 permettant d'évacuer les
gaz qui sortent de la couche filtrante.
6 2471806
Pour pouvoir exercer le mieux possible une action de filtration sur le flux de gaz d'échappement, la couche filtrante 19 peut être constituée, comme mentionné ci-avant, d'un matériau approprié capable de retenir les particules solides du flux. Cependant, pour rendre plus aisée la com-
bustion ultérieure de ces particules retenues, l'agent fil-
trant peut être revêtu superficiellement d'un catalyseur approprié, de nature à favoriser l'oxydation du combustible
et des particules.
Lorsqu'on n'utilise pas une couche filtrante 19 avantageusement équipée d'un catalyseur, conformément à la présente invention, l'extrémité antérieure ou d'amont de cette
couche est dotée d'une zone 19a de pré-filtration. Cette der-
nière comporte une matière catalysante de nature à provoquer l'oxydation souhaitée du combustible et des particules. Cette zone ou chambre 19a de pré-filtration peut être concrètement partie intégrante de la couche filtrante 19, ou bien lui
être rapportée.
La chambre 19a de filtration préalable peut, par exemple, être disposée dans la région antérieure du bottier 21, venant ainsi en contact avec les gaz dès que ces derniers
pénètrent dans ledit bottier.
Dans le but d'assurer l'échauffement préalable du flux de gaz d'échappement, il est prévu un système d'injection comportant tout d'abord une source de combustible, ainsi que des moyens destinés à introduire une quantité déterminée de ce combustible dans le flux des gaz d'échappement.Ladite source de combustion peut présenter une forme liquide ou
gazeuse pour remplir sa fonction de préchauffage souhaitée.
La source de combustion supplémentaire peut, comme dans l'exemple illustré, consister en un carburant Diesel utilisé pour faire fonctionner le moteur 10 à combustion interne. En variante, cela peut être un gaz comprimé, tel que du propane ou un gaz analogue, amené à la chambre de
pré-filtration dans laquelle il est introduit pour être in-
jecté, En d'autres termes, le combustible supplémentaire
peut être une quelconque substance volatile connue, hydro-
7 2471806
carbure ou d'une autre nature, mais apte à entrer en réac-
tion dans la chambre de catalyse.
Le système d'injection est équipé d'une pompe 31, ou d'un autre dispositif de débit approprié, dont le c6té admission 32 est raccordé à la pompe de carburant 13. Cette pompe 31 est également reliée à un injecteur 33 qui peut
être muni d'une ou de plusieurs buses 37 situées à l'extré-
mité antérieure d'une chambre 34 de filtration préalable
renfermant le catalyseur.
Lorsque la pompe 31 est actionnée périodiquement par un dispositif 36 commandant l'injection, une quantité
déterminée de combustible fluidifié est directement distri-
buée dans la chambre 34 de pré-filtration, o elle est enflammée par contact avec les gaz d'échappement échauffés,
en présence du catalyseur oxydant.
Pour accomplir l'étape périodique de chauffage des gaz d'échappement, le dispositif de commande 36 est destiné en particulier à actionner la pompe 31,à des intervalles
réguliers prédéterminés. Ces intervalles peuvent être déter-
minés sur la base du kilométrage parcouru par le véhicule, ou
du temps effectif pendant lequel le moteur a fonctionné.
Unactionnement ultérieur peut être fonction de la
température qui règne à l'intérieur de l'élément filtrant.
Dans tous les cas, la détermination temporelle de l'injection
vise à faire en sorte que le carbone soit périodiquement in-
cinéré dans le filtre, indépendamment des conditions de fonc-
tionnement du moteur, et ainsi éliminé dudit filtre, La durée des intervalles est calculée pour éviter toute accumulation
excessive de carbone, même dans les pires conditions de fonc-
tionnement du moteur.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent
être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représen-
té, sans sortir du cadre de l'invention.
2471 806.J

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Appareil destiné au traitement d'un flux de gaz
d'échappement chauds chariant des particules solides, compor-
tant au moins un filtre (17) présentant une chambre de réac-
tion (24) dont un orifice d'entrée (28) communique avec un tube de sortie (18) desdits gaz d'échappement, ainsi qu'une couche filtrante principale (19) logée dans ladite chambre de réaction (24), appareil caractérisé par le fait qu'il est équipé d'une chambre.de filtration préalable (19a) située en amont de ladite couche filtrante principale (19) et renfermant un agent catalyseur,d'une pompe doseuse d'injection (31), dont le c8té admission (32) communique avec une source de combustible,et l'injecteur (33) communique avec ladite
chambre de filtration préalable (19a), ainsi que d'un dispo-
sitif de commande (36) relié à ladite pompe (31) et actionnable pour mettre cette dernière en fonctionnement à intervalles espacés, de manière que ladite pompe (31) injecte une quantité déterminée de combustible dans ladite chambre de filtration
préalable (19a).
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de filtration préalable (19a) est
d'une seule pièce avec la couche filtrante principale (19).
3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de filtration préalable (19a) est
rapportée sur la couche filtrante principale (19).
4. Appareil selon l'une quelconque des revendica-
tions 1 à 3, caractérisé par le fait que le c6té admission (32)
de la pompe (31) est raccordé à une source de combustible li-
quide.
5. Appareil selon l'une quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé par le fait que la pompe (31) est raccordée
à une source de gaz comprimé.
6. Appareil selon l'une quelconque des revendications
1 à 5, caractérisé par le fait que le dispositif de commande (36) comporte un système déclenchant le fonctionnement de la
pompe (31) à des intervalles prédéterminés.
7. Appareil selon l'une quelconque des revendications
9 2471806 I
1 à 5, caractérisé rar le fait que le dispositif de commande (36) est actionnable pour entraîner le fonctionnement de la pompe (31) à des températures prédéterminées du flux des
gaz d'échappement.
8. Procédé destiné à enlever des particules en sus-
pension dans un flux de gaz d'échappement en faisant traver-
ser audit flux une couche filtrante afin de retenir au moins une partie desdites particules dans ladite couche, procédé caractérisé par le fait qu'il consiste à: échauffer périodiquement au moins'une partie des gaz d'échappement avant qu'ils ne pénètrent dans ladite
couche filtrante, jusqu'à une température excédant la tempé-
rature d'inflammation desdites particules; et mettre lesdits gaz d'échappement en contact avec ladite couche filtrante retenant lesdites particules, de
manière à brûler ces dernières.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les gaz sont échauffés en y injectant un
combustible avant qu'ils ne pénètrent dans la couche fil-
trante.
FR8026442A 1979-12-13 1980-12-12 Procede destine a regenerer periodiquement un filtre retenant des particules en suspension dans des gaz d'echappement, et appareil permettant sa mise en oeuvre Granted FR2471806A1 (fr)

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