FR2870566A1 - Dispositif et procede de traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne suralimente en vue de leur depollution - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté, caractérisée en ce que le traitement de dépollution se compose d'une filtration permettant de retenir sélectivement les composés polluants en fonction de leur taille , d'une centrifugation desdits composés polluants s'effectuant à contre _ courant du sens d'évacuation des gaz d'échappement , d'une combustion desdits composés polluants , notamment les particules , les hydrocarbures imbrûlés et les composés les plus lourds séparés desdits gaz d'échappement par la force centrifuge, pour les transformer en gaz dont , au moins une partie est recirculée en amont d'un compresseur, et au moins une autre partie est filtrée et subie une oxydation catalytique , et en ce que ces opérations s'effectuent dans une enceinte (9) fixée sur la ligne d'échappement en aval de la turbine d'un turbocompresseur placé en sortie d'un moteur (7).
Description
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de traitement
des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur de type Diesel, suralimenté par un turbocompresseur en
vue de leur dépollution, et en particulier, de l'élimination des particules de suie par la mise en oeuvre simultanée et en continu d'une centrifugation des gaz d'échappement à contre_courant associée à une filtration, suivies d'une combustion des composés polluants, d'une oxydation catalytique et d'une recirculation des gaz d'échappement.
Pour se conformer aux normes européennes en matière d'émission de rejets polluants, les véhicules sont désormais équipés de catalyseurs d'oxydation pour traiter les sous-produits imbrûlés tels que le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures ( HC), et en ce qui concerne les véhicules à moteur de type Diesel, un filtre à particules complète ce post-traitement catalytique.
A compter de janvier 2005, la plupart des émissions polluantes des moteurs de type Diesel, notamment, celles de particules et d'oxydes d'azote ( NGx), devront pratiquement être diminuées de moitié par rapport aux normes européennes actuelles. Dans cette perspective, la mise en oeuvre de la recirculation des gaz d'échappement, communément appelée EGR, pourra apporter une solution pour la réduction des émissions d'oxydes d'azote (NOx). Pour réduire les rejets de particules, les constructeurs disposent actuellement de la technologie du filtre à particules dont la mise en oeuvre présente plusieurs inconvénients.
Par définition, un filtre à particules permet de piéger les fines particules de suie spécifiques aux moteurs de type Diesel. Mais, pour éviter que les particules de suie retenues ne s'accumulent en trop grande quantité et ne finissent par former sur la ligne d'échappement un bouchon qui pénaliserait les performances du moteur, il est indispensable de les éliminer périodiquement en les oxydant. C'est la régénération du filtre à particules.
Les filtres utilisés pour retenir les particules des moteurs diesels sont de type multicanaux de surface microporeuse, à structure en nid d'abeilles.
On utilise des monolithes en matière céramique, en cordiérite ou en carbure de silicium ou des filtres à fibres céramiques enroulées autour de cylindres percés de trous.
Le principe de fonctionnement de ces filtres multicanaux consiste à retenir les particules des gaz d'échappement transitant dans les multiples canaux à travers la surface microporeuse, et à accumuler les particules retenues dans chacun des canaux.
Au bout d'un certain temps, l'accumulation des ces particules entraîne une variation de pression entre l'entrée et la sortie du filtre.Cette variation détectée par un capteur de pression, qui envoie l'information à un calculateur. Celui-ci est connecté à un automate qui, en fonction des conditions de conduite, déclenche la régénération du filtre.
La régénération consiste à brûler les particules retenues dans le filtre pour les transformer en gaz. La solution développée consiste à augmenter la température des gaz d'échappement pour atteindre la température nécessaire pour éliminer les particules, et qui est de l'ordre de 500600 C. Pour abaisser la température de combustion des particules, un additif liquide ( généralement du cérium) est ajouté au carburant. L'inconvénient, c'est que cet additif est également piégé par le filtre à particules, et contribue donc à l'obstruer. De plus, contrairement aux suies, cet additif ne pas être éliminé lors de la phase de régénération. Il en est de même pour les résidus d'huile retenus également dans le filtre.
Dans les filtres de deuxième génération, l'additif liquide est supprimé, et le nettoyage commandé du filtre est réalisé périodiquement par l'augmentation des gaz d'échappement dans lesquels des composés à fort pouvoir oxydant abaissent le seuil de température nécessaire à la combustion des particules.
Le filtre à particules doit être régénéré environ tous les 400 à 500 km.
L'augmentation de la température des gaz d'échappement implique une surconsommation de carburant lors de la régénération du filtre.
La surconsommation globale de carburant pendant les phases de régénération est de l'ordre de 2% à 5%.
Pour les moteurs fonctionnant en mélange pauvre en vue de réduire la consommation de carburant, et d'abaisser les émissions de CO2, cette surconsommation de carburant pendant l'opération de régénération du filtre annule tous les bénéfices de la combustion en mode mélange pauvre.
Pour les filtres utilisant un additif liquide afin d'abaisser la température nécessaire à l'oxydation des particules, il faut un équipement d'un dispositif permettant d'introduire l'additif dans le carburant, et calculer les doses. Ces opérations sont complexes et augmentent le coût du système de filtration.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un dispositif et un procédé de traitement des gaz d'échappement permettant, de façon simple, économique et efficace, d'éliminer en continu ou séquentiellement 2870566 4 les particules de suie, et permettant également l'optimisation du traitement catalytique des composés polluants en phase gazeuse pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, Selon l'invention, un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur de type Diesel pouvant fonctionner selon un mode de combustion traditionnel ou selon un mode de combustion homogène, est caractérisé en ce qu'il se compose d'un turbocompresseur, dénommé ci-après: turbocompresseur-centrifugeur, comportant une turbine entraînée en rotation par les gaz d'échappement du moteur à laquelle est relié par l'intermédiaire d'un axe de transmission un compresseur délivrant au moins un fluide sous pression audit moteur, et à l'opposé dudit compresseur, à l'aval de la turbine, un moyen de séparation physique par centrifugation des molécules contenues dans les gaz d'échappement en fonction de leur densité ou de leur masse molaire, appelé dans la suite: rotor de centrifugation, fixé sur l'axe de transmission. Ledit rotor de centrifugation est logé dans une enceinte de résistance à la pression et aux hautes températures, de forme cylindrique fixée sur la ligne d'échappement, en aval de la turbine. Ledit rotor de centrifugation est entraîné en rotation par la turbine par le biais de l'axe de transmission sur lequel il est fixé.
Ladite centrifugation s'effectue à contre-courant du sens d'évacuation des gaz d'échappement.
Le rotor de centrifugation à contre-courant est en matériau adapté, tels que du nickel ou de l'alumine par exemple, ou tout autre matériau compatible avec la température de traitement des gaz d'échappement, en particulier, supérieure à la température de combustion des composés polluants, notamment des particules.
Ladite enceinte dans laquelle se prolonge l'axe de transmission, sert de logement au rotor de centrifugation à contre-courant constitué d'un support de fond servant d'élément de fixation à l'axe de transmission, formant une surface circulaire microporeuse de filtration, et à un module de filtration statique, de forme cylindrique, pouvant constituer un second étage de filtration.
Les gaz d'échappement arrivant dans ladite enceinte subissent en continu une centrifugation à contre courant associée à une filtration.
Compte tenu de l'importance du nombre de tours effectués par le rotor de centrifugation, directement lié à la puissance du moteur, les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés ainsi que les composés polluants les plus lourds, sélectivement séparés des gaz d'échappement par les moyens de filtration constituant des barrières physiques de séparation des molécules en fonction de leur taille, sont en permanence mis en rotation et éjectés en périphérie du rotor de centrifugation. Le mouvement transmis aux molécules par la centrifugation permet de filtrer les gaz d'échappement sans risque d'obstruer les pores de la ou des surfaces microporeuses du ou des supports de filtration. Cette caractéristique présente l'avantage de pouvoir opérer une filtration particulièrement sélective, notamment pour éliminer les très fines particules de suie, néfastes pour l'environnement et pour la santé humaine, et qui, ne sont pas piégées par les filtres conventionnels.
Le débit des gaz d'échappement traités dans ladite enceinte, et évacués, en aval, vers le post-traitement catalytique, est régulé en permanence en fonction de la surface de filtration et par la recirculation des gaz d'échappement traités en amont du compresseur. Cette opération est décrite ci-après.
Les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés ainsi que les composés les plus lourds mis en rotation à grande vitesse et retenues par la barrière physique séléctive que consitue la paroi microporeuse de filtration, et, éventuellement par le module de filtration indépendant du rotor, sont expulsés par la force centrifuge en périphérie du rotor en rotation et se retrouvent piégés dans une zone aménagée à l'intérieur de l'enceinte de traitement des gaz d'échappement, dans laquelle ces dits composés polluants, notamment les particules, sont brûlés en continu ou par séquences au moyen d'un système de chauffage de type par exemple bougies ou résistances électriques chauffantes ou,périodiquement, par l'augmentation de la température des gaz d'échappement, pour être transformés en gaz qui, en partie, sont recirculés en amont du compresseur, et en partie, orientés vers le traitement catalytique prévu en aval de ce traitement, en même temps que les molécules de faible masse molaire qui se déplacent à grande vitesse à l'intérieur de l'enceinte de traitement desdits gaz d'échappement et qui traversent par gradient de pression et par gradient de température la ou les parois microporeuses du ou des support (s) de filtration que constituent le support de fond du rotor de centrifugation et, le module de filtration indépendant fixé en aval dudit rotor.
Le support de fond de filtration du rotor de centrifugation peut être par exemple en nickel ou en alumine fritté, en carbure de silicium ou un matériau en céramique. Cette caractéristique s'applique aussi au module de filtration statique.
Ces dits supports de filtration, perméables aux gaz, présentent de préférence, des surfaces de filtration pouvant comporter un nombre élevé de pores de quelques dixièmes de pm de rayon par cm2. Tout en étant sélectives, ces surfaces microporeuses doivent permettre l'évacuation des gaz d'échappement sans provoquer de bouchon dans la ligne d'échappement, quelle qu'en soit la charge du moteur.
Ledit rotor de centrifugation se composant d'un support de fond, servant de support de fixation à l'axe de transmission et formant une paroi microporeuse de filtration, peut comporter un support à branches en amont du support de fond,fixé également à l'axe de transmission, pouvant servir à fixer des moyens, placés en périphérie du rotor, permettant par leur rotation induite par la rotation du rotor d'augmenter la vitesse de centrifugation. Ces moyens peuvent se présenter sous forme de pièces mobiles longitudinales, en forme d'étoile à trois branches ( en Y) par exemple,supportées par des axes fixés en périphérie du rotor. L'entraînement en rotation de ces pièces mobiles est uniquement provoqué par la rotation du rotor. Ces moyens peuvent également être constitués de pièces fixes.
La rotation du rotor de centrifugation étant élevée. Ledit rotor peut comporter tout moyen permetant de le centrer.
Ledits supports microporeux de filtration, en matériau adapté, constituant des barrières physiques de séparation des molécules en fonction de leur taille, peuvent supporter un catalyseur métallique tels que du platine et/ou du palladium par exemple, ou tout autre catalyseur adapté. Si le matériau utilisé est du nickel, celui-ci constituera le catalyseur. Selon ces caractéristiques, le post _ traitement catalytique des gaz d'échappement, placé en aval du traitement selon l'invention, peut ne plus être nécessaire pour le traitement des gaz d'échappement.
Ladite zone où sont brûlées les particules, les hydrocarbures imbrûlés et les autres composés lourds peut comporter au niveau des bougies ou des électrodes, une fine couche de catalyseur, tel que du platine par exemple, ou tout autre autre catalyseur permettant d'abaisser la température de combustion des composés polluants piégés, notamment des particules.
Le traitement thermique des particules, des hydrocarbures imbrûlés et des composés lourds à l'intérieur de l'enceinte de résistance à la pression et aux hautes températures, conjugué à la chaleur dégagée par l'énergie cinétique des molécules induite par la centrifugation ou l'ultracentrifugation, peut permettre la dégradation par effet thermique de certains composés polluants qui pourront être oxydés plus facilement dans le catalyseur. Cette chaleur produite peut suffir pour brûler les particules.
Avantageusement, la température développée dans l'enceinte de résistance à la pression et aux hautes températures permet également de communiquer aux gaz d'échappement à traiter une température optimale pour leur traitement catalytique pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur. En effet, les catalyseurs d'oxydation actuels ne sont opérationnels qu'à partir d'une température déterminée, dite température de << light off >>, qui est transmise au catalyseur par les gaz d'échappement. Au démarrage à froid d'un moteur, les gaz d'échappement ne sont pas suffisamment chauds pour permettre au catalyseur de les déppoluer. Dans cette phase de fonctionnement du moteur, les gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère sans aucun traitement de dépollution.
De manière préférée, l'enceinte de résistance dans laquelle sont traités les gaz d'échappement est pourvue d'un moyen de recirculation des gaz d'échappement qui se compose d'une conduite munie d'un moyen de vannage. Elle relie l'amont du compresseur. Ladite conduite de recirculation peut comporter un moyen pour pomper les gaz à recirculer. Elle peut comporter également un moyen de filtration des gaz à recirculer vers le compresseur.
Il est prévu d'équiper l'enceinte de traitement des gaz d'échappement d'au moins un capteur de pression relié à un calculateur connecté à un automate qui commande ledit moyen de recirculation des gaz d'échappement permettant de réguler la pression à l'intérieur de l'enceinte de traitement de manière à assurer un débit de filtration constant des gaz d'échappement.
Ledit système de contrôle de la pression permet également, en fonction de la variation de pression d'opérer la combustion des composés polluants retenus dans l'enceinte de traitement des gaz d'échappement.
La recirculation des gaz traités vers la chambre de combustion du moteur permet d'assurer un autre traitement des gaz d'échappement en vue de réduire de manière significative les oxydes d'azote ( NOx) qui posent un problème particulier de dépollution, car les catalyseurs actuels ne sont pas efficaces contre ces NOx.
Selon l'invention,la turbine du turbocompresseur entrainée en rotation par les gaz d'échappement en sortie du moteur assure la rotation du compresseur et du rotor de centrifugation par l'intermédiaire de l'axe de transmission. Afin que le turbocompresseur- centrifugeur exploite pleinement l'énergie cinétique, volumétrique et thermique des gaz d'échappement pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, la tubulure d'échappement peut être de diamètre réduit pour accélérer la vitesse d'évacuation desdits gaz, et, éventuellement, être équipée d'un moyen de chauffage pour chauffer lesdits gaz d'échappement.
Ledit turbocompresseur-centrifugeur comporte une turbine à géométrie fixe ou à géométrie variable ( technologies dites << one piece >> et << multiailettes >> ).
Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté , tel qu'un moteur de type Diesel pouvant fonctionner selon un mode de combustion traditionnel ou en mode de combustion homogène, caractérisé en ce qu'un turbocompresseur-centrifugeur, comportant une turbine reliée par l'intermédiaire d'un axe de transmission à un compresseur d'un côté, et de l'autre côté, en aval de celle-ci, à un rotor de centrifugation, placé en sortie du moteur, exploite l'énergie cinétique, volumétrique, et thermique des gaz d'échappement du moteur pour entraîner en rotation ladite turbine qui entraîne à son tour en rotation le compresseur délivrant au moins un fluide sous-pression audit moteur, et entraîne simultanément le rotor de centrifugation, logé à l'intérieur d'une enceinte de résistance à la pression, aux hautes températures, de forme cylindrique, fixée sur la ligne d'échappement, en aval de la turbine, et qui assure à contre - courant du sens d'évacuation des gaz d'échappement, la séparation physique par la force centrifuge des molécules contenues dans les gaz d'échappement, notamment les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés et les composés lourds en fonction de leur masse, sélectivement retenues à l'intérieur de ladite enceinte par un ou des moyens de filtration, en vue de les piéger dans une zone aménagée à l'intérieur de ladite enceinte afin de les transformer en continu ou séquentiellement en gaz par combustion par des moyens telles que des bougies, des résitances électriques chauffantes ou par augmentation de la température des gaz d'échappement, afin d'orienter ces composés en phase gazeuse, en partie, vers le traitement catalytique, situé en aval de ce traitement, en même temps que les molécules de faible densité ou de faible masse transitant par gradient de pression et gradient de température la ou les surfaces microporeuses sélectives du ou des supports de filtration, et en partie vers l'amont du compresseur par recirculation dans le moteur.
Avantageusement, la centrifugation à contre - courant des gaz d'échappement arrivant dans l'enceinte de traitement provoque un mouvement rotatif des molécules, notamment des particules de suie et des hydrocarbures imbrûlés, permettant d'opérer une filtration très sélective des gaz d'échappement sans risque de colmatage des pores de la surface ou des surfaces microporeuse (s) du support ou des supports de filtration.
Avantageusement, la combustion des particules, des hydrocarbures imbrûlés et des composés polluants lourds dans l'enceinte de traitement des gaz d'échappement, conjuguée au dégagement de chaleur provoqué par l'énergie cinétique des molécules en rotation à grande vitesse, permet de mettre en température lesdits gaz d'échappement, en partie dégradés, afin de leurs assurer un traitement catalytique optimal pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur.
De manière préférée, l'enceinte de traitement des gaz d'échappement est équipée d'un moyen de recirculation des gaz et d'au moins un capteur de pression relié à un calculateur connecté à un automate qui commande ledit moyen de recirculation des gaz en amont du compresseur permettant de réguler la pression à l'intérieur de ladite enceinte de manière à assurer un débit de filtration constant desdits gaz d'échappement.
La recirculation des gaz d'échappement en amont du compresseur a aussi pour objectif d'opérer la réduction des oxydes d'azote ( NOx).
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante effectuée en référence à la figure ci-après, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif -La figure unique représente schématiquement une vue en coupe du dispositif selon l'invention.
En référence à cette figure unique, un turbocompresseur-centrifugeur 1 comporte une turbine 2 entraînée en rotation par les gaz d'échappement 3 reliée par l'intermédiaire d'un axe de transmission 4 à un compresseur 5 délivrant au moins un fluide sous-pression 6 à un moteur à combustion interne 7, notamment un moteur de type Diesel pouvant fonctionner selon un mode de combustion traditionnel ou en mode de combustion homogène, et à l'opposé dudit compresseur, à un rotor de centrifugation 8. Ledit rotor de centrifugation est logé dans une enceinte 9 de résistance à la pression, aux hautes températures, de forme cylindrique, fixée sur la ligne d'échappement 10, en aval de la turbine 2.Ledit rotor de centrifugation 8 est entraîné en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de transmission 4 simultanément au compresseur 5 par la turbine 2, elle- même entraînée en rotation par les gaz d'échappement 3. Ledit rotor de centrifugation 8 est de forme cylindrique. Il comporte un support de fond 11 formant une paroi microporeuse perméable aux gaz,et un support amont 12 à multiple branches.l1 est fixé de manière inamovible à l'axe de transmission 4 reliant la turbine 2 et le compresseur 5. Il comporte des moyens (13-14) fixés au support amont 12 et au support de fond 11, en périphérie du rotor.Ces moyens sont des pièces fixes ou mobiles. Mises en rotation par le rotor de centrifugation 8, elles permettent d'augmenter la force centrifuge Lesdits gaz d'échappement 3, après entraînement de la turbine 2, arrivent dans l'enceinte 9, en suivant l'axe de transmission 4 entraîné en rotation par la turbine 4, et sont centrifugés à contre - courant du sens d'évacuation des gaz d'échappement comme indiqué par les flèches 15. Le rotor de centrifugation 8 tournant à grande vitesse, provoque la séparation physique par la force centrifuge des composés polluants, notamment des particules de suie, sélectivement retenus par la paroi microporeuse du support de fond de filtration 11, et, éventuellement, par la surface microporeuse du module de filtration statique 16, fixé à l'intérieur de l'enceinte 9 dans une zone aménagée en aval du rotor de centrifugation 8.
Ledit filtre 16, en matériau adapté perméable aux gaz, de forme cylindrique, peut constituer un second étage de filtration. Sa surface microporeuse comporte un nombre élevé de pores de quelques dixièmes de pm de rayon par cm2. Il peut ête par exemple en nickel, en alumine fritté, en carbure de silicium ou en matériau en céramique. Ce filtre peut servir de support à un catalyseur tel que du platine et/ou du palladium par exemple. Il peut en outre être remplacé en cas d'usure ou en cas de perte d'efficacité.
Les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés et les composés les plus lourds séparés par la force centrifuge des gaz d'échappement sélectivement retenus dans l'enceinte 9, sont expulsés en périphérie du rotor, et sont piégés dans une zone 17 comportant des moyens 18 permettant de brûler ces particules pour les transformer en gaz, afin qu'ils puissent être filtrés 11 et 16, et orientés vers le traitement catalytique 19, situé en aval, sur la ligne d'échappement 10.
Ladite zone 17 peut comporter une fine couche de catalyseur 20, tel que du platine par exemple, permettant d'abaisser la température de combustion des particules. Ladite combustion des particules peut également être opérée périodiquement par augmentation de la température des gaz d'échappement.
L'enceinte 9 est équipée d'un capteur de pression relié à un calculateur connecté à un automate qui commande un moyen de recirculation 21 des gaz d'échappement en amont du compresseur 5 permettant de réguler la pression à l'intérieur de ladite enceinte 9, et d'assurer un débit de filtration constant des gaz d'échappement.
Ledit système de contrôle de la pression permet aussi d'opérer la combustion des particules et des autres composés polluants piégés dans l'enceinte 9 par l'augmentation périodique de la température des gaz d'échappement.
Ladite enceinte 9 est équipée d'un moyen 21 pour recirculer les gaz d'échappement 3. Ce moyen de recirculation des gaz se compose d'une conduite 22 munie d'un moyen de vannage 23, et éventuellement d'une pompe 24, de type pompe à ailettes fonctionnant avec un petit moteur électrique, permettant d'envoyer les gaz d'échappement par le conduit 22 en amont du compresseur 5. Le conduit 22 peut être équipé d'un moyen de filtration 25 des gaz recirculés.
La recirculation des gaz d'échappement permet la régulation de la pression à l'intérieur de l'enceinte 9, et du débit d'évacuation des gaz traités. Elle permet également le traitement des oxydes d'azote ( NOx) afin d'en réduire la quantité.
Avantageusement, le traitement thermique des particules, des hydrocarbures imbrûlés et des composés polluants retenus sélectivement dans l'enceinte 9 par les moyens de filtration 11 et 16, conjugué à la chaleur dégagée par l'énergie cinétique des molécules centrifugées permet la dégradation par effet thermique et abrasion de certains composés polluants qui seront oxydés plus facilement dans le catalyseur, situé en aval.
Avantageusement, la température développée dans l'enceinte 9 permet de communiquer aux gaz d'échappement à traiter une température optimale pour leur traitement catalytique pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes.
La présente invention décrit un dispositif et un procédé de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de type Diesel. La présente invention s'applique également au traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, à injection directe ou indirecte, de type essence, suralimenté par un turbocompresseur en vue de leur dépollution par la mise en oeuvre simultanée et en continu d'une centrifugation à contre - courant des gaz d'échappement associée à une filtration, suivies d'une combustion des composés polluants,d'une oxydation catalytique, et d'une recirculation des gaz.
Claims (17)
1. Dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté,notamment un moteur de type Diesel suralimenté pouvant fonctionner selon un mode de combustion traditionnel ou selon un mode de combustion homogène, caractérisé en ce qu'il se compose d'un turbocompresseur _ centrifugeur (1) comportant une turbine (2) entraînée en rotation par les gaz d'échappement (3) du moteur(7), à laquelle sont reliés par l'intermédiaire d'un axe de transmission (4) un compresseur (5) délivrant au moins un fluide sous-pression (6) audit moteur (7) , et à l'opposé du compresseur (5),un rotor de centrifugation (8) , logé à. l'intérieur d'une enceinte (9) de résistance à la pression et aux hautes températures, de forme cylindrique, fixée sur la ligne d'échappement (10), en aval de ladite turbine (2),
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rotor de centrifugation (8), de forme cylindrique, fixé sur l'axe de transmission (4),en aval de la turbine (2), comporte un support de fond (11), servant d'élément de fixation dudit rotor à l'axe de transmission (4) , formant une paroi microporeuse de filtration perméable aux gaz, et un support à multiples branches (12) situé en amont de ce support de fond (11) , auxquels sont fixés en périphérie, des moyens ( 13 - 14) fixes ou mobiles permettant d'augmenter la vitesse de centrifugation des gaz d'échappement (3).
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que l'enceinte (9) de traitement des gaz d'échappement, fixée en aval de la turbine(2) sur la ligne d'échappement (10) sert de logement à l'axe de transmission (4) auquel est fixé le rotor de centrifugation (8) , éventuellement, à un module de filtration statique ( 16), en matériau adapté, de forme cylindrique, placé en aval du roto centrifugation (8), à des moyens (18) permettant la combustion des composés polluants et à un catalyseur.
4. Dispositif selon les revendications 1,2 et 3,
caractérisé en ce que le support de fond (11) du rotor de centrifugation(8) et le module de filtration statique (16) constituent des supports de filtration présentant chacun une surface de filtration comportant une microporosité élevée permettant d'opérer une séparation sélective des molécules contenues dans les gaz d'échappement en fonction de leur taille, et d'assurer un débit de filtration constant, et en ce que lesdits supports (11) et (16) sont en nickel ou en alumine fritté, ou en carbure de silicium, ou en un matériau en céramique.
5. Dispositif selon les revendications de 1 6 4, caractérisé en ce que les supports de filtration (Il) et (16) comportent un catalyseur tels que du platine et/ou du palladium par exemple.
6. Dispositif selon les revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que l'enceinte (9) de traitement des gaz d'échappement comporte à l'intérieur une zone (17) équipée de moyens (18) permettant de brûler les composés polluants, notamment les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés et les composés les plus lourds, sélectivement séparés des gaz d'échappement (3) par les moyens de filtration (11) et (16) et par la force centrifuge provoquée par la rotation à grande vitesse du rotor de centrifugation (8), pour les transformer en gaz afin d'opérer leur filtration, leur recirculation en amont du compresseur (5), et leur oxydation catalytique.
7. Dispositif selon les revendications de 1 A 6, caractérisé en ce que l'enceinte (9) de traitement des gaz d'échappement comporte un moyen de recirculation (21)desdits gaz en amont du compresseur (5) composé d'une conduite (22) munie d'un moyen de vannage (23), d'une pompe (24) permettant d'envoyer à travers le conduit (22) lesdits gaz en amont du compresseur (5), et, éventuellement, d'un moyen (25) de filtration des gaz recirculés.
8. Dispositif selon les revendications de 1 à 7, caractérisé en ce que l'enceinte (9) de traitement des gaz d'échappement (3) est équipée d-au moins un capteur de pression relié à un calculateur connecté à un automate qui commande le moyen de recirculation (21) des gaz d'échappement permettant de réguler la pression à l'intérieur de ladite enceinte (9) afin d'assurer un débit de filtration constant des gaz d'échappement,
9. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rotor de centrifugation (8) comporte un moyen pour le centrer.
10. Dispositif selon la première revendication, caractérisé en ce que le turbocompresseur-centrifugeur (1) comporte une turbine à géométrie fixe ou à géométrie variable.
11. Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté, notamment un moteur de type Diesel pouvant fonctionner selon un mode de combustion traditionnel ou en mode de combustion homogène, caractérisé en ce qu'un turbocompresseur (1), placé en sortie d'un moteur (7), comportant une turbine (2) reliée par l'intermédiaire d'un axe de transmission (4) à un compresseur (5) d'un côté , et de l'autre côté , en aval de celle-ci, à un rotor de centrifugation (8) , exploite l'énergie cinétique, volumétrique, et thermique des gaz d'échappement (3) du moteur (7) pour entraîner en rotation ladite turbine (2) qui entraîne à son tour en rotation le compresseur (5)délivrant au moins un fluide sous-pression (6) audit moteur (7),et entraîne simultanément le rotor de centrifugation (8), de forme cylindrique, comportant un support de fond (Il) servant de support de fixation à l'axe de transmission (4) formant une surface microporeuse de filtration, et des moyens fixes ou mobiles supportés en périphérie par un support de fixation amont(12) et par le support de fond (II) permettant d'opérer la centrifugation des gaz d'échappement, logé à l'intérieur d'une enceinte (9) de résistance â la pression et aux hautes températures, également de forme cylindrique, fixée sur la ligne d'échappement (10), en aval de la turbine, dans laquelle est assuré en continu et simultanément une filtration des gaz d'échappement permettant de retenir dans ladite enceinte (9) les composés polluants, notamment les particules de suie, les hydrocarbures imbrûlés et les composés les plus lourds sélectivement séparés des gaz d'échappement par un moyen de filtration (Il) ou, éventuellement par un second moyen de filtration(16), une centrifugation ou ultracentrifugation desdits composés polluants afin de les séparer par la force centrifuge des gaz d'échappement transitant par l'enceinte de traitement (9) en vue de les piéger dans une zone (17) aménagée à l'intérieur et en périphérie de ladite enceinte (9) pour les brûler et les transformer en gaz en continu ou séquentiellement par l'intermédiaire de moyens (18) telles que des bougies ou des résitances électriques chauffantes, placés en périphérie de ladite zone (17) , ou par augmentation de la température des gaz d'échappement, lesquels composés en phase gazeuse sont orientés en partie vers le traitement catalytique pouvant être situé à l'intérieur de ladite enceinte de traitement (9) ou en aval de ce dispositif de traitement(9), sur la ligne d'échappement dans un catalyseur (19) , en même temps que les molécules de faible densité ou de faible masse transitant par gradient de pression et par gradient de température la ou les parois microporeuses du ou des supports de filtration (11) et (16), et en partie vers l'amont du compresseur (5) par recirculation (21) dans le moteur (7) de cesdits gaz d'échappement ainsi traités,
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la dépollution des gaz d'échappement comprend une filtration desdits gaz associée à une centrifugation ou ultracentrifugation réalisée à contre- courant du sens d'évacuation desdits gaz d'échappement suivies d'une combustion des composés polluants sélectivement retenus par le ou les moyens de filtration et séparés par la force centrifuge,d'une oxydation catalytique d'au moins une partie des composés en phase gazeuse et d'une recirculation d'au moins une autre partie desdits composés en phase gazeuse en amont du compresseur, et en ce que ces opérations sont effectuées dans une enceinte fixée sur la ligne d'échappement en aval de la turbine du turbocompresseur.
13. Procédé selon la précédente revendication, caractérisé en ce que les gaz d'échappement subissent une oxydation catalytique dans un dispositif (19) spécifique, placé en aval de l'enceinte (9),
14. Procédé selon les revendications de Il à 13,
caractérisé en ce que la combustion (18) des particules, des hydrocarbures imbrûlés et des composés polluants lourds dans l'enceinte (9) de traitement des gaz d-échappement permet de mettre en température lesdits gaz d'échappement afin de leurs assurer un traitement catalytique optimal pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur,
15. Procédé selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le moyen de recirculation (21) des gaz d'échappement en amont du compresseur (5) régule la pression â l'intérieur de l'enceinte (9) afin d'assurer un débit de filtration constant des gaz d'échappement,
16. Procédé selon les revendications 11,12 et 15, caractérisé en ce que le débit de filtration des gaz d'échappement est déterminé en fonction de la surface et de la porosité du ou des supports de filtration (11) et (16) ,
17. Procédé selon les revendications 11,12 et 15, caractérisé en ce que la recirculation des gaz d'échappement (21) en amont du compresseur (5) permet la réduction des composés polluants, notamment des NOx, 18, Utilisation d'un dispositif ou d'un procédé , selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans un moteur A combustion interne suralimenté de type essence.
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|---|---|---|---|---|
| BE1017442A3 (nl) * | 2007-01-23 | 2008-09-02 | Atlas Copco Airpower Nv | Inrichting voor het scheiden van vloeistof en gas en persluchtinstallatie voorzien van zulke inrichting. |
| CN103104312A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-05-15 | 田丽欣 | 一种柴油发动机废气净化装置 |
| US8539770B2 (en) | 2008-10-17 | 2013-09-24 | Loughborough University | Exhaust arrangement for an internal combustion engine |
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2004
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