FR2902137A1 - Bruleur et procede pour la regeneration de cartouches de filtration et dispositifs equipes d'un tel bruleur - Google Patents

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Abstract

Brûleur destiné à chauffer une cartouche de filtration (5) des gaz d'échappement d'un moteur jusqu'à oxydation et/ou combustion des particules solides piégées dans la cartouche, comprenant un corps de brûleur (2) présentant une extrémité fermée et, du côté opposé à cette extrémité fermée, une ouverture d'évacuation desdits gaz ;caractérisé en ce qu'il comprend :- au moins un conduit (7) d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur (2) tangentiellement au corps de brûleur (2), de manière à pouvoir faire tourbillonner le mélange dans le brûleur ;- un moyen électrique d'allumage (8) dudit mélange positionné au sein du corps de brûleur (2) ;- un élément obturateur (3, 18) obstruant le corps de brûleur (2), pour limiter les turbulences des gaz d'échappement dans le volume du corps de brûleur (2) délimité par ledit élément obturateur (3, 18).

Description

1 BRULEUR ET PROCEDE POUR LA REGENERATION DE CARTOUCHES DE FILTRATION ET
DISPOSITIFS EQUIPES D'UN TEL BRULEUR
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne de façon générale le domaine de la réduction, voire de l'élimination, des particules solides telles que les suies contenues dans les gaz d'échappement issus de moteurs à combustion interne et plus particulièrement issus des moteurs diesel.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour régénérer la(les) cartouche(s) de filtration par brûlage des suies qui y sont piégées. On appelle régénération le retour de la cartouche de filtration dans un état de fonctionnement analogue à son état initial.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les pouvoirs publics ont instauré des normes de plus en plus draconiennes pour imposer aux constructeurs automobiles le développement de moteurs produisant de moins en moins d'émissions polluantes. Les constructeurs s'efforcent donc de mettre au point des moteurs à explosion, en particulier des moteurs diesel et des moteurs à mélange pauvre, rejetant le moins de particules non brûlées possible.
Dans ce but, outre la mise au point de nouveaux moteurs ayant une consommation en carburant toujours plus réduite, un effort tout particulier a été fait sur le développement de nouveaux systèmes d'échappement, destinés à réduire les émissions de gaz polluants non brûlés et de particules solides.
Ainsi, les constructeurs automobiles ont mis au point des pots catalytiques généralement constitués d'une enveloppe en acier inoxydable, d'un isolant thermique et d'un support en nid d'abeille imprégné de métaux précieux tels que le platine (Pt) ou le rhodium (Rh). De tels catalyseurs permettent de réduire les émissions d'hydrocarbures polycycliques et de monoxyde de carbone (CO), et ceci, dans une proportion de l'ordre de 90 %.
2 Toutefois, ils n'ont aucune action sur les émissions de particules solides. Ainsi, de tels catalyseurs n'apportent pas d'amélioration notable quant aux émissions des moteurs diesels produisant de nombreuses particules solides.
Or, la modification de la combustion des moteurs n'est plus suffisante pour satisfaire aux directives sur les rejets. C'est pourquoi la mise en oeuvre de procédés et de dispositifs de filtration des gaz d'échappement avec régénération des filtres par combustion est désormais incontournable. Une telle filtration permet de réduire de plus de 90 % la masse totale des particules émises par les moteurs diesels.
De manière connue, les particules solides sont généralement piégées par une cartouche de filtration composant le filtre à particules. Pour bien fonctionner, un filtre à particules nécessite une régénération permettant de brûler les particules piégées dans ses parties filtrantes, principalement dans la cartouche de filtration.
De façon à résister aux températures élevées subies notamment au cours du brûlage, une cartouche de filtration peut être constituée d'un corps poreux en cordiérite, en quartz ou en carbure de silicium. De plus, elle présente généralement une structure en nid d'abeille pour maximiser sa surface de filtration et pour présenter une capacité de rétention suffisante pour éviter le colmatage et, partant, la réduction des performances du moteur.
Outre la diminution des performances du moteur liée aux pertes de charge qu'entraîne le colmatage du filtre à particules, les moteurs équipés d'un filtre à 25 particules de l'art antérieur peuvent subir un autre phénomène dommageable.
En effet, comme le colmatage dérègle le moteur, la température d'échappement risque d'augmenter, entraînant ainsi la combustion soudaine et intempestive d'une grande masse de particules solides, de sorte que la température monte à des valeurs 30 bien supérieures à 1000 C, pouvant excéder la résistance thermique des matériaux précités constituant la cartouche de filtration. Le choc thermique résultant d'une telle combustion peut ainsi avoir des conséquences délétères sur la structure du filtre à particules.
35 Cependant, la difficulté majeure pour assurer le fonctionnement de tels filtres à particules réside dans la possibilité ou non de réaliser les phases d'oxydation et de combustion des particules solides retenues par la cartouche de filtration. En effet, sur
3 un trajet urbain, les gaz d'échappement atteignent difficilement une température suffisante pour assurer la combustion régulière et/ou complète des particules solides et ainsi régénérer le filtre en limitant significativement son colmatage.
Or, en l'absence d'additifs chimiques, les particules charbonneuses issues de la combustion du gazole dans un moteur diesel ne commencent à s'oxyder qu'au-dessus d'une température de 450 C et à se consumer qu'à partir de 550 C. Toutefois, de telles températures ne sont pratiquement jamais atteintes dans des conditions urbaines de roulage. C'est pourquoi, il est nécessaire de mettre en oeuvre un procédé chimique pour faciliter l'élimination de ces particules solides. Différentes techniques sont ainsi utilisées dans le but d'obtenir leur combustion.
Une première méthode de l'art antérieur consiste à disposer, en amont de la cartouche de filtration, un catalyseur d'oxydation du monoxyde d'azote (NO) contenu dans les gaz d'échappement en dioxyde d'azote (NO2). Le dioxyde d'azote (NO2) a la propriété de catalyser la combustion des particules charbonneuses à partir d'une température de 250 C. Cette technique, appelée piège à régénération continue (de l'anglais, Continuous Regenerating Trap ou C.R.T.), allie les effets du filtre à particules et du catalyseur d'oxydation du monoxyde d'azote (NO).
Toutefois, ce procédé impose d'utiliser un gazole dont la teneur en soufre est inférieure à 50 ppm (parties par million), pour garder une efficacité de conversion du monoxyde d'azote (NO) en dioxyde d'azote (NO2) suffisante. De tels combustibles ne sont disponibles que dans les quelques pays imposant une telle limite à leur teneur en soufre, limite inexistante dans de nombreux pays émergents.
De plus, pour assurer un bon fonctionnement des filtres, cette technique nécessite une régénération régulière afin de limiter la perte de charge du filtre en éliminant le risque de régénération non contrôlée, donc trop exotherme et destructrice pour la cartouche de filtration.
Dans le cas contraire, compte tenu de la concentration excessive de particules charbonneuses colmatant le filtre, il se développe les réactions violentes susmentionnées qui consistent en une combustion trop rapide d'une grande masse de particules solides, ce qui conduit généralement à une destruction du filtre par choc thermique, les températures obtenues pouvant être localement trop élevées.
4 Alternativement, une solution de l'art antérieur proposent d'employer des additifs organométalliques ajoutés au gazole tel que le cérium (Ce), le fer (Fe), le strontium (Sr), le calcium (Ca) ou autres. Cette solution permet d'obtenir un effet similaire à celui obtenu avec le dioxyde d'azote (NO2), en catalysant la combustion des matières charbonneuses à des températures voisines de 370 C.
Un premier inconvénient d'une telle solution réside dans le coût très élevé des additifs à utiliser. En outre, il est nécessaire de prévoir un dispositif d'introduction de l'additif complémentaire, ce qui obère encore le coût d'une telle solution.
Par ailleurs, les additifs présents dans les matières charbonneuses contribuent à encrasser encore plus rapidement la cartouche de filtration. Par conséquent, une solution de ce type accroît le risque de colmatage du filtre à particules et donc de réactions incontrôlées, lorsque les températures atteintes en fonctionnement ne sont pas suffisamment importantes.
Par ailleurs, une autre méthode de combustion a été mise en oeuvre dans les moteurs diesels à injection directe récents dits à rampe commune . Elle comprend une étape de post-injection du gazole utilisée pour augmenter la température des gaz d'échappement et pouvoir ainsi oxyder et brûler les particules charbonneuses retenues sur le filtre à particules. Le procédé d'injection directe à rampe commune , qui met en oeuvre des injecteurs électromagnétiques, permet de procéder à une nouvelle injection de gazole dans la chambre de combustion au moment où la soupape d'échappement s'ouvre, réalisant de la sorte un mélange homogène avec les gaz d'échappement et déclenchant ainsi une réaction d'oxydation du gazole nouvellement injecté. Cette réaction d'oxydation se finalise de manière assez complète sur le catalyseur d'oxydation situé entre l'orifice d'échappement du moteur et le filtre à particules.
De l'art antérieur, on connaît également des procédés de post-injection de liquide du type gazole destiné à la régénération de moyens de filtration disposés en aval de catalyseurs de combustion dans des systèmes d'échappement de moteurs diesel. Ces procédés sont notamment décrits dans les documents suivants : US-B-5 207 990, EP-A-1 158 143, US-B-6 023 930, JP-A-07 119444 et US-B-5 522 218.
Cependant, de tels procédés ont pour inconvénients communs, d'une part, de ne pas permettre une régénération optimale, sûre et économique des moyens de filtration et, d'autre part, de subir une dégradation thermique et une cokéfaction du liquide de régénération, en particulier lorsqu'il s'agit de gazole, notamment au niveau des buses des injecteurs de post-injection. Les moyens de post-injection sont ainsi rapidement endommagés par la chaleur dégagée par le collecteur d'échappement, ce qui altère 5 leur fiabilité et leur efficacité.
En outre, les procédés de post-injection connus ne fonctionnent de manière satisfaisante que si une température minimale des gaz d'échappement d'environ 300 C est atteinte durant au minimum 5% du temps de fonctionnement. Par conséquent, les dispositifs et procédés mettant en oeuvre la post-injection de gazole dans les gaz d'échappement en amont d'un catalyseur d'oxydation deviennent insuffisants lorsque la température est trop basse.
Un autre inconvénient de ces systèmes réside dans les émissions parasites et polluantes d'hydrocarbures générées durant la phase d'injection, lorsque les températures sont trop basses, par exemple autour 300 C.
D'autres techniques consistent à employer des dispositifs comprenant des moyens de chauffage complémentaires de type résistances électriques ou autres. Ces moyens de chauffage complémentaires sont mis en oeuvre uniquement lorsque la cartouche présente un début de colmatage, c'est-à-dire lors d'une augmentation de la perte de charge. Un tel dispositif de régénération fonctionne lorsque le moteur est en marche, c'est à dire en présence d'un débit de gaz d'échappement important. Un tel dispositif nécessite donc une puissance de chauffage importante pour porter à la bonne température les gaz d'échappement ainsi que la masse de la cartouche de filtration.
Pour réaliser la combustion des particules solides retenues sur le filtre, l'art antérieur propose également de disposer un brûleur à l'entrée du filtre et de l'allumer lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt. Or, cela implique de nombreux inconvénients, parmi lesquels on peut citer la difficulté de contrôler, voire simplement d'initier, la combustion dans le brûleur, la difficulté d'isoler thermiquement le filtre, l'élévation importante de la température du brûleur durant la phase de combustion (au-delà de 1400 C) ainsi que l'obligation de disposer d'une capacité de filtration importante pour pouvoir assurer un service suffisamment long, c'est-à-dire entre deux arrêts du moteur.
6 Dans la plupart des cas, l'utilisation de brûleur pour apporter les calories nécessaires à la combustion des particules solides présente un fonctionnement satisfaisant seulement lorsque le moteur est à l'arrêt ou au ralenti, c'est-à-dire au moment où les conditions de régénération sont les moins favorables, car la température des gaz d'échappement est alors basse. De plus, compte tenu des puissances de brûlage à mettre en oeuvre, la majorité des dispositifs présente un encombrement incompatible avec le volume généralement disponible dans le filtre à particules.
De plus, de tels brûleurs rencontrent de réelles difficultés à fonctionner de manière satisfaisante durant le fonctionnement normal du moteur, à cause de la difficulté à allumer le brûleur due aux fortes turbulences régnant dans la ligne d'échappement et donc dans le brûleur.
De tels brûleurs nécessitent en conséquence des systèmes volumineux et sophistiqués, donc coûteux, pour maîtriser ces problèmes. L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif pour brûler des particules solides issues de la combustion interne d'un moteur thermique résolvant les inconvénients des procédés de l'art antérieur.
L'objet de l'invention permet ainsi d'obtenir l'augmentation de la température nécessaire à la combustion complète des particules solides, ou suies, déposées sur une la cartouche de filtration, tout en étant adaptable à de nombreux moteurs diesel et à des conditions de fonctionnement du moteur très diverses.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé et un dispositif pour brûler des particules solides, évitant tout risque d'accumulation de particules dans la cartouche de filtration et donc tout risque de régénération intempestive, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, en particulier pour les applications de transport urbain.
Par ailleurs, l'invention propose également une solution de réduction quantitative, voire d'élimination, des particules solides, ou suies, contenues dans les gaz d'échappement, au moyen d'une régénération régulière, performante et complète, c'est-à-dire sans interruption, au moyen d'une réaction d'oxydation produite à partir de 200 C et d'une combustion complète en-dessous de 400 C, l'emploi d'un additif permettant d'éviter tout risque d'accumulation de particules dans les moyens de filtration malgré une phase de régénération à basse température.
7 Un autre objectif de l'invention est de fournir un brûleur pour la réduction quantitative, voire l'élimination, des suies contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques, ce brûleur débouchant à l'entrée du filtre à particules et présentant des dimensions réduites, ce qui le rend compact et facilement intégrable sur la ligne d'échappement d'un véhicule.
Un autre objectif de l'invention est de permettre la régénération des moyens de filtration mis en oeuvre n'entraînant pas d'augmentation excessive de la température des gaz en sortie du dispositif de filtration ni de surconsommation significative de carburant.
Par ailleurs, l'invention a pour objectif de réaliser une réduction quantitative, voire l'élimination, des particules contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, permettant l'utilisation de catalyseur à faible concentration de métaux précieux.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une solution de réduction quantitative, voire d'élimination, des suies contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, relativement économique, fiable, flexible et retardant au maximum le colmatage du filtre, voire le supprimant, quels que soient la charge du moteur, sans pour autant être affecté par la présence éventuelle de composés soufrés, comme le dioxyde de soufre dans les gaz d'échappement. L'objet de l'invention permet ainsi d'utiliser des gazoles à teneur élevée en soufre.
Un objectif complémentaire de l'invention est de réaliser un procédé et un dispositif pour brûler des particules solides adaptables aux machines à régénérer les filtres à particules pour éliminer les cendres déposées durant leur fonctionnement sur un véhicule.
Par ailleurs, l'invention propose un procédé et un dispositif pour brûler des particules solides adaptables à des applications autres que la combustion des suies dans les filtres à particules. Par exemple, compte tenu des faibles dimensions et du contrôle parfait d'une combustion hautement énergétique, il est possible d'envisager la mise en oeuvre de l'objet de l'invention pour le séchage d'aliments, céréales et autres produits sensibles.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'objet de l'invention concerne donc un brûleur destiné à chauffer au moins une cartouche de filtration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à une température supérieure à la température d'oxydation et/ou à la température de combustion des particules solides piégées dans la cartouche de filtration, ce brûleur comprenant un corps de brûleur, lequel présente une extrémité fermée et, du côté opposé à cette extrémité fermée, une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement. Selon l'invention, le brûleur comprend en outre : au moins un conduit d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur, de manière à pouvoir imprimer au mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur ; un moyen électrique d'allumage du mélange positionné au sein du corps de brûleur ; un élément obturateur obstruant une partie substantielle du corps de brûleur, de manière à limiter les turbulences susceptibles d'être engendrées par les gaz d'échappement sur les écoulements de fluides au sein du volume du corps de brûleur délimité par l'élément obturateur.
En d'autres termes, le brûleur objet de l'invention comprend des moyens limitant les turbulences à un niveau compatible avec l'allumage du mélange, lequel est injecté de manière propice à l'allumage. Cela permet d'allumer aisément le mélange dans une zone protégée des turbulences, cette zone d'allumage étant délimitée par l'élément obturateur. Puis, la combustion du mélange peut se dérouler dans tout le volume du corps de brûleur produisant ainsi des gaz à température élevée susceptibles d'échauffer une cartouche de filtration jusqu'à y brûler complètement les particules solides.
En pratique, la surface interne des parois latérales du corps de brûleur peut être régulière et présente globalement une symétrie de révolution.
Par régulière , on désigne une surface lisse (selon l'acception commune du terme et pas selon la définition mathématique), c'est-à-dire exempte d'irrégularités ou, dans le cas d'une surface à symétrie de révolution, une surface dont la génératrice 8
9 présente une courbure à rayon élevé. Il peut par exemple s'agir d'un cylindre droit, forme peu coûteuse à obtenir et facile à assembler sur d'autres éléments. Une telle caractéristique permet de limiter encore les turbulences au sein du corps de brûleur.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément obturateur peut comporter un disque présentant un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du corps de brûleur et positionné perpendiculairement à l'axe de révolution, du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur.
Un disque ainsi dimensionné et positionné permet de briser les turbulences des flux de gaz d'échappement circulant dans le corps de brûleur.
Selon une forme de réalisation pratique de ce premier mode de réalisation de l'invention, le disque peut être percé d'une pluralité de trous dont le nombre et/ou les diamètres sont proportionnels au diamètre du disque. Ces trous sont destinés à permettre la propagation de la flamme de combustion du mélange dans l'ensemble du volume du corps de brûleur.
Après l'allumage du mélange, cela permet de développer la flamme de 20 combustion du mélange dans tout le volume du corps de brûleur.
Selon une autre forme de réalisation de ce premier mode de réalisation de l'invention, l'élément obturateur peut en outre comprendre un cylindre droit dont une extrémité est recouverte par le disque et dont l'autre extrémité est recouverte par 25 l'extrémité fermée du corps de brûleur, le cylindre droit étant percé d'une pluralité de trous dont le nombre et/ou les diamètres sont proportionnels au diamètre du disque, les trous étant destinés à permettre la propagation de la flamme de combustion du mélange dans l'ensemble du volume du corps de brûleur.
30 Une telle structure de l'élément obturateur permet de limiter fortement les turbulences dans la zone d'allumage du mélange ; la flamme de combustion du mélange pouvant ensuite se propager par les trous dans tout le volume du corps de brûleur.
35 Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément obturateur peut être constitué d'un clapet disposé à l'extérieur du volume du corps de brûleur près de l'ouverture d'évacuation, la superficie du clapet correspondant sensiblement à la 10 superficie interne du corps de brûleur, le clapet étant monté mobile sous l'action d'un organe tel qu'un vérin.
Un clapet ainsi positionné et dimensionné permet également de limiter les 5 turbulences des gaz d'échappement dans le corps de brûleur.
En pratique, le brûleur peut en outre comprendre deux canalisations concentriques, l'une pour l'adduction de combustible et l'autre pour l'adduction de comburant, les canalisations étant disposées en amont du conduit. Cette disposition relative de ces deux canalisations est de nature à favoriser le mélange du combustible avec le comburant.
Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le conduit 15 d'adduction du mélange peut être constitué d'un tuyau s'étendant le long des parois latérales à l'intérieur du corps du brûleur et parallèlement à l'axe de révolution, le tuyau présentant une extrémité coudée à angle droit.
En pratique, le brûleur peut en outre comprendre un deuxième moyen électrique 20 d'allumage également positionné au sein du corps de brûleur, ces moyens électriques d'allumage étant constitués respectivement par une bougie de chauffage et par une bougie à arc électrique conventionnelles ou par au moins deux bougies de chauffage.
Ces bougies représentent un moyen peu onéreux et de montage simple pour 25 l'allumage du mélange.
Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le brûleur peut comprendre un deuxième conduit d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur selon une direction essentiellement 30 tangentielle au corps de brûleur, de manière à pouvoir imprimer au mélange un mouvement tourbillonnant symétrique au sein du corps de brûleur.
Cela permet de répartir de façon uniforme le mélange dans la zone d'allumage.
35 Selon une forme pratique de réalisation de l'invention, le brûleur peut en outre comprendre un dispositif de commande destiné à piloter les débits d'injection en combustible et en comburant en fonction des signaux délivrés par un capteur de 10
11 température situé dans le corps de brûleur et par un capteur de pression indiquant la perte de charge due au colmatage par lesdites particules solides de ladite cartouche de filtration.
Lorsque le brûleur est par exemple installé sur une ligne d'échappement d'un véhicule, cela permet de piloter son allumage et son extinction par l'intermédiaire de l'ordinateur de bord.
De manière pratique, le comburant peut être de l'air issu d'un organe 10 turbocompresseur équipant le moteur.
Cela permet d'obtenir un débit d'air convenable et un mélange bien homogène avec une vitesse d'air élevée pour le mélange.
15 Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, un textile de céramique, sous forme de mat, de tissu ou de feutre, peut être disposé du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur et au contact d'au moins un moyen électrique d'allumage, ledit textile de céramique étant apte à capter et à concentrer ledit mélange de manière à favoriser son allumage. 20 De plus, l'invention se rapporte à une ligne d'échappement de moteur à combustion interne, comprenant au moins un orifice d'entrée des gaz issus de la combustion interne, au moins une cartouche de filtration destinée à piéger les particules solides contenues dans ces gaz d'échappement et au moins un orifice 25 d'échappement à l'atmosphère des gaz situé en aval de cette cartouche de filtration. Selon l'invention, cette ligne comprend au moins un brûleur tel qu'exposé ci-dessus.
Une ligne d'échappement ainsi équipée permet de régénérer sa cartouche de filtration en oxydant et/ou en brûlant les particules solides qui y sont retenues, et ce, 30 quelle que soit la charge du moteur.
En pratique, le brûleur peut être disposé en amont de la cartouche de filtration, à l'intérieur ou à l'extérieur de la ligne d'échappement ou à proximité de la cartouche de filtration. Cette implantation dans le voisinage de la cartouche de filtration limite les pertes thermiques entre le brûleur et la cartouche de filtration. Cela permet donc de 35 12 brûler complètement les particules solides avec une consommation minimale de gazole.
Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, la ligne 5 d'échappement peut comporter : au moins deux cartouches de filtration, ledit brûleur étant logé entre les deux cartouches de filtration ; deux clapets permettant d'arrêter les flux de gaz d'échappement parvenant respectivement à chaque cartouche de filtration, de manière à brûler et/ou oxyder 10 lesdites particules alternativement dans chaque cartouche de filtration.
Une telle structure permet d'une part de minimiser la distance, donc les pertes thermiques et la consommation de gazole, entre le brûleur et les cartouches de filtration et, d'autre part, de régénérer le filtre à particules à tour de rôle, moitié par 15 moitié.
Par ailleurs, l'invention concerne aussi un procédé de chauffage d'au moins une cartouche de filtration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à une température supérieure à la température d'oxydation et/ou à la température de 20 combustion des particules solides piégées dans cette cartouche de filtration, au moyen d'un brûleur comprenant un corps de brûleur présentant une symétrie de révolution, ce corps de brûleur présentant une extrémité fermée et présentant du côté opposé à cette extrémité fermée une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement ; 25 Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant : à injecter, selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur, un mélange de combustible et de comburant, de manière à imprimer au mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur ; 30 à alimenter en courant un moyen électrique d'allumage positionné au sein du corps de brûleur, de manière à allumer le mélange, le corps de brûleur comprenant un élément obturateur obstruant une partie substantielle du corps de brûleur de manière à limiter les turbulences susceptibles d'être engendrées par les gaz d'échappement sur les écoulements de fluides au sein du volume du corps de brûleur délimité par 35 l'élément obturateur ; à interrompre l'injection de mélange après que la température au sein du corps de brûleur a dépassé un seuil déterminé de manière à dépasser cette température
13 d'oxydation et/ou cette température de combustion au niveau du médium de filtration pendant une durée fonction de paramètres tels que la charge supportée par le moteur et la perte de charge due au colmatage du médiumfiltrant par ces particules solides.
En d'autres termes, le procédé objet de la présente invention permet d'allumer le mélange dans le brûleur quelles que soient les écoulements des gaz d'échappement, car des moyens y limitent leurs turbulences à un niveau compatible avec l'allumage du mélange, injecté de manière propice à l'allumage. Cela permet d'allumer aisément le mélange dans une zone protégée des turbulences, délimitée par l'élément obturateur.
Puis, la combustion du mélange peut se dérouler dans tout le volume du corps de brûleur produisant ainsi des gaz à température élevée susceptibles d'échauffer une cartouche de filtration jusqu'à y brûler complètement les particules solides. En pratique, le combustible et le comburant peuvent être mélangés selon des proportions stoechiométriques.
Par ailleurs, l'invention concerne aussi une machine à régénérer les cartouches 20 de filtration de filtres à particules comportant un brûleur tel qu'exposé ci-dessus et un emplacement destiné à recevoir au moins une cartouche de filtration à régénérer.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 25 La présente invention et ses avantages ressortiront aussi de la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins qui représentent, de façon nullement limitative, des exemples de réalisation de l'invention et dans lesquels : La figure lA est une représentation schématique en coupe d'une ligne 30 d'échappement conforme à l'invention équipée d'un brûleur conforme à l'invention. La figure 1B est une représentation schématique en coupe d'une ligne d'échappement conforme à l'invention équipée d'un brûleur conforme à l'invention. La figure 1B présente une alternative à la figure lA pour l'implantation du brûleur. La figure 2A est une représentation schématique en deux coupes d'un brûleur 35 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2B est une représentation schématique en deux coupes d'un brûleur illustrant une variante du premier mode de réalisation de l'invention.15
14 La figure 3 est une représentation schématique en deux coupes d'un brûleur conforme à une autre forme de réalisation du premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est une représentation schématique en deux coupes illustrant une autre variante à la forme de réalisation illustrée par la figure 3. La figure 5A est une représentation schématique en deux coupes illustrant une autre variante à la forme de réalisation illustrée par la figure 3, dans laquelle le brûleur comporte deux bougies de chauffage et un textile de céramique. La figure 5B est une représentation schématique en deux coupes illustrant une autre variante à la forme de réalisation de l'invention illustrée par la figure 3, dans laquelle le brûleur est muni d'une bougie à arc électrique du même type que celle utilisée sur les moteurs à allumage commandé. La figure 6 est une représentation schématique en deux coupes illustrant une autre variante du premier mode de réalisation de l'invention illustré par les figures 2A et 2B. Dans cette variante, le corps de brûleur est recouvert, au moins partiellement, d'un matériau thermiquement isolant. La figure 7 est une représentation schématique en coupe d'un brûleur conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 8 est une représentation schématique en coupe d'un brûleur conforme 20 à l'invention monté sur une ligne d'échappement d'un moteur, le brûleur étant suralimenté par turbocompresseur. La figure 9 est une représentation schématique en coupe d'une alternative à la figure 8 pour l'alimentation en air comprimé d'un brûleur conforme à l'invention. La figure 10 est une représentation schématique en coupe d'un brûleur 25 conforme à l'invention équipant un dispositif de filtration. La figure 11 est une représentation schématique en coupe d'une machine à régénérer les filtres à particules indépendamment de la ligne d'échappement d'un moteur.
30 MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
Dans les lignes d'échappement illustrées par les figures lA et 1B, les gaz d'échappement provenant du moteur diesel arrivent dans le dispositif de filtration par 35 une entrée 1, à une température qui peut être comprise entre 80 C au ralenti et 400 C en charge. De telles lignes d'échappement sont équipées chacune d'un catalyseur 4, 15 suivi d'une cartouche de filtration 5, en amont desquels est monté un brûleur conforme à l'invention.
En l'occurrence, le brûleur présente un corps de brûleur 2 à symétrie de 5 révolution comportant, conformément à une caractéristique de l'invention, un élément obturateur 3 positionné au sein du corps de brûleur 2.
Un conduit 7 d'adduction de mélange de combustible et de comburant débouche tangentiellement dans le corps de brûleur 2, de manière à y amener du 10 gazole ou autre combustible, conduit dans le conduit 7 par un capillaire 6, lui-même alimenté par un injecteur 61. Il est en effet prévu des moyens (non représentés) pour communiquer au comburant et au combustible une quantité de mouvement appropriée pour imprimer au mélange un mouvement tourbillonnant dans le corps de brûleur 2. Typiquement, la vitesse d'injection du mélange dans le corps de brûleur 2 peut 15 atteindre 300 mis. Par tangentiellement , on entend tangentiellement à une section circulaire du corps de brûleur 2 transversalement à l'axe de révolution du brûleur.
Le corps de brûleur (2) présente par ailleurs une extrémité fermée par un socle et, du côté opposé à cette extrémité fermée, une ouverture d'évacuation reliée à la 20 ligne d'échappement.
Généralement, le combustible injecté dans le conduit 7 est du gazole provenant du même réservoir que celui du moteur à combustion interne du véhicule équipé de la ligne d'échappement. De même, le comburant est en général de l'oxygène contenu 25 dans l'air injecté dans le conduit 7, par exemple à partir d'une source d'air du moteur. Conformément à une caractéristique de l'invention, le combustible et le comburant sont mélangés selon des proportions stoechiométriques.
Néanmoins, d'autres combustibles et/ou comburants pourraient être mis en 30 oeuvre sans pour autant sortir du cadre de cette invention. Dans l'exemple de la figure 2, les canalisations 6, 7 amenant le gazole et l'air sont montées concentriquement. En outre, le conduit 7 présente une longueur déterminée de manière à permettre l'homogénéisation dudit mélange d'air et de gazole en amont de son raccordement sur le corps de brûleur 2. Ainsi, un mélange plus homogène est plus 35 facile à allumer.
16 Le conduit 7 est donc alimenté en air pour former un mélange combustible d'air et de gazole, lequel débouche ensuite tangentiellement dans le brûleur par un orifice de raccordement 14. Le corps de brûleur 2 loge en outre moyen électrique d'allumage sous forme d'une bougie chauffante 8 pour provoquer l'allumage et la combustion de ce mélange d'air et de gazole, ainsi qu'un capteur de température 9, dont la mesure permet de contrôler le processus de combustion. La bougie chauffante 8 est ici du type à incandescence, c'est-à-dire du type de celles utilisées sur les chambres du moteur diesel à combustion interne. La bougie pourrait également être du type à résistance apparente, ce qui permet un contact direct du mélange carburé avec le filament porté à incandescence.
En pratique, pour économiser la batterie du véhicule, il est possible d'interrompre l'alimentation en courant de la bougie lorsque la flamme est suffisamment chaude et vaillante pour brûler le mélange injecté par la suite. En pratique, l'instant d'interruption est défini par un seuil de température au sein du corps de brûleur. Ensuite, l'injection de mélange, donc la combustion, est maintenue pendant une durée prédéterminée de façon à ce que la cartouche de filtration 5 dépasse la température d'oxydation et/ou la température de combustion des particules solides.
Par ailleurs, il est possible d'incliner légèrement le conduit 7 vers l'extrémité fermée du corps de brûleur 2 (vers le bas sur les figures 2 à 6), de manière à guider davantage le mélange vers la bougie 8.
L'ensemble du dispositif est piloté par un dispositif de commande ou calculateur 10 qui, à partir des mesures effectuées par un capteur de pression 11 et par les capteurs de températures 9 et 12, commande le démarrage du brûleur pour effectuer la phase de régénération, puis règle la puissance du brûleur de façon à parachever l'opération de régénération. Les gaz d'échappement sont évacués par une tubulure 13.
En l'occurrence, l'allumage du brûleur par le calculateur 10 comporte les phases consistant : ^ à alimenter électriquement la bougie chauffante 8 ; à injecter dans le corps de brûleur 2 un débit d'air contrôlé via le conduit tubulaire 7 ;
17 ^ après un temps prédéterminé, correspondant sensiblement au temps nécessaire pour que la bougie chauffante 8 atteigne une température comprise entre 600 C et 800 C, à procéder, sous la commande du calculateur 10, à des micro-injections de gazole au moyen de l'injecteur 61 à travers un capillaire 6 débouchant dans le conduit de mélange 7 , et ce, jusqu'à allumage d'une flamme dans le corps de brûleur 2, c'est-à-dire jusqu'à ce que le capteur de température 9 détecte un échauffement significatif dans l'enceinte du brûleur ; ^ à augmenter alors simultanément le débit de gazole et le débit d'air commandés par le calculateur 10, en quantités et dans des proportions telles que la température des gaz d'échappement, mesurée par le capteur de température 12 au niveau de l'entrée de la cartouche de filtration, demeure inférieure à 600 C, température supportable par le catalyseur 4 et par la cartouche de filtration 5, cette température étant contrôlée par le calculateur 10, lequel dispose par ailleurs d'informations sur les conditions de fonctionnement du moteur ; à arrêter la combustion dans le brûleur par une commande du calculateur 10, en fonction de la durée de fonctionnement, de la mesure du colmatage de la cartouche de filtration 5 par le capteur de pression 11 et/ou de la température mesurée en aval du dispositif de filtration 4,5 vers la tubulure d'échappement 13.
Conformément à l'un de ses objectifs, l'invention vise à assurer un fonctionnement et surtout un démarrage corrects du brûleur quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. En particulier, le brûleur objet de l'invention permet d'allumer le mélange malgré un moteur à pleine puissance, c'est- à-dire lorsqu'il règne dans le brûleur des conditions de turbulence fluidique extrême, puisque les gaz d'échappement circulent alors dans la ligne d'échappement à vitesse et à débit élevés.
Pour cela, l'intérieur du corps du brûleur 2 présente un élément obturateur 3 disposé sensiblement horizontalement sur les figures lA et 1B. L'élément obturateur 3 est situé dans un plan situé à un niveau inférieur à l'orifice 14 de raccordement du conduit 7 sur le brûleur 2. Conformément à une forme de réalisation de l'invention, l'élément obturateur 3 comporte un disque présentant un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du corps de brûleur 2 et positionné perpendiculairement à l'axe de révolution, du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur 2. De plus, ce disque est percé de plusieurs trous (ici 2, et de 1 à 10 environ suivant le diamètre du brûleur). Dans l'exemple des figures, le diamètre de chacun
18 des trous est de 7 mm. De manière générale, on peut choisir le nombre et les diamètres des trous en proportion des dimensions du corps de brûleur 2.
L'élément obturateur 3 remplit deux fonctions contribuant à l'objectif précité.
Tout d'abord, l'élément obturateur 3 obstrue une partie substantielle du corps de brûleur 2 de manière à ménager une cavité 15 sous sa surface dans laquelle règne une turbulence contrôlée, en brisant les flux de gaz d'échappement.
Deuxièmement, il permet d'accrocher et de stabiliser la flamme au cours du fonctionnement, c'est-à-dire de la combustion du mélange d'air et de gazole. Le verbe accrocher traduit le phénomène par lequel la flamme se concentre et se stabilise autour de cet élément obturateur 3, avant de se propager vers le reste du corps de brûleur 2 par l'intermédiaire des trous du disque. Une fois que la flamme s'est durablement établie dans tout le corps de brûleur 2, la température peut y dépasser 1000 C pour atteindre typiquement 1300 C à 1400 C.
De plus, l'élément obturateur 3 définit une cavité 15 dans laquelle on peut loger la bougie chauffante 8 destinée à l'allumage, tout au moins sa partie active, comme l'illustre la figure 1A, ainsi que le capteur de température 9 comme le montrent les figures 2A, 2B, 6 ou 7. La bougie 8 est ainsi positionnée du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur 2, à une distance déterminée de l'ouverture du conduit 7 de façon à allumer le mélange.
Dans l'exemple des figures, le capteur de température 9 est positionné dans le corps du brûleur à proximité de l'élément obturateur 3, de façon à détecter l'allumage du mélange, puis à ajuster la richesse de celui-ci pour optimiser la température et la durée de combustion des particules solides retenues dans la cartouche de filtration 5.
Dans l'exemple décrit ici, des résultats très satisfaisants ont ainsi été obtenus en disposant le capteur de température 9 dépassant par rapport à l'extérieur du élément obturateur 3 et à l'opposé du point de raccordement du conduit 7 dans le brûleur 2. Un tel positionnement permet en effet d'obtenir une température de flamme dépendant de la richesse du mélange lorsque le brûleur est en régime permanent .
A titre d'exemple non limitatif, un fonctionnement satisfaisant du brûleur avec un allumage performant a été obtenu avec un brûleur présentant les dimensions suivantes : un brûleur 2 cylindrique de 60 mm de diamètre interne alimenté en air par
19 un tube tangentiel rectiligne 7 de 8 mm de diamètre interne, recevant un capillaire 6 de 1 mm de diamètre interne autorisant un débit maximal de gazole de 150 cm3/min, ce qui représente une puissance de l'ordre de 85 kW. La partie du brûleur 2 située au-dessus de l'élément obturateur 3 possède une longueur de 150 mm. L'élément obturateur 3 est situé à 5 mm sous le raccordement du conduit 7 dans le brûleur 2 ; il présente un diamètre de 59 mm et il est percé de deux trous de 8 mm de diamètre. La surface de l'élément obturateur 3 délimite, avec le fond du brûleur 2, une cavité 15 présentant une hauteur de 25 mm. Dans le présent exposé, le terme cylindre est employé dans son acception commune et il désigne donc un cylindre droit à base circulaire.
Dés que le brûleur atteint son régime permanent, le débit d'air est ajusté par le calculateur 10 de manière à maintenir la flamme à l'intérieur du cylindre défini par le corps de brûleur 2. Les fortes turbulences et le niveau élevé de température régnant à l'intérieur du brûleur favorisent une combustion rapide se produisant sur une dizaine centimètres à l'intérieur de ce cylindre.
Sur la figure 1B est représentée une variante où le brûleur est disposé directement à l'intérieur de la ligne d'échappement. Une telle implantation du brûleur permet d'en récupérer intégralement toute la chaleur dégagée au cours de la combustion du mélange amené par le conduit 7.
Avec un brûleur présentant la structure représentée sur les figures 2A et 2B, analogue à celui décrit en relation avec les figures 1, le brûleur 2 peut être disposé horizontalement comme illustré. Néanmoins, il peut aussi être disposé verticalement, auquel cas il est indispensable de disposer la bougie d'allumage 8 sur le fond du corps de brûleur 2 pour obtenir un bon allumage. Sur les figures 2A et 2B, l'orifice 14 représente le raccordement du conduit 7 dans le brûleur 2, en l'occurrence une intersection entre deux cylindres de diamètres différents.
Sur la figure 2B est représenté une variante dans laquelle une partie du carburant est directement injecté, durant la phase d'allumage, à travers une bougie chauffante débouchant dans la cavité 15 cette bougie peut être du même type que celle utilisé dans les brûleurs additionnel de circuit de chauffage d'automobile. Une telle injection permet de contrôler la richesse du mélange est de le répartir au sein de la cavité définie par l'élément obturateur 3.
20 Pour un brûleur fonctionnant verticalement, on peut envisager une structure telle que celle représentée sur les figures 3, 4 et 5. Cette structure est analogue à celles illustrées par les figures 1, 2A et 2B. Elle présente cependant la particularité d'avoir un élément obturateur- accrocheur de flamme 3 composé d'un tube cylindrique non débouchant perforé latéralement, dont l'extrémité supérieure est en fait recouverte par un disque plein. De plus, l'enceinte définie par ce tube loge au moins une bougie de chauffe 8, centrée ou non sur le socle du brûleur 2.
L'élément obturateur 3 est ici constitué d'un tube en inox de 1,5 mm d'épaisseur et de 35 mm de diamètre interne, recouvert d'un disque plein. Le tube peut être bouché à son extrémité inférieure par le socle du brûleur. La surface cylindrique, ou latérale, de l'élément obturateur 3 est percée de quatre trous de 8 mm de diamètre disposés deux à deux en regard et à deux hauteurs différentes. Ces trous permettent à la flamme de se propager dans tout le corps de brûleur 2.
D'autres géométries sont possibles pour les composants du brûleur, sans pour autant sortir du cadre de cette invention. Ainsi, des résultats similaires à ceux précédemment indiqués ont été obtenus en utilisant un parallélépipède à section carrée de 34 mm x 34 mm, centré sur l'axe de révolution du corps de brûleur 2, également bouché à ses extrémités et présentant seulement deux trous de 8 mm de diamètre percés mutuellement en regard.
L'utilisation de ces enceintes de section circulaire et carrée conduit à des résultats similaires quant à la qualité de l'allumage. Ainsi, avec un brûleur de 60 mm de diamètre interne sur 170 mm de hauteur, disposé perpendiculairement sur la section d'entrée d'un filtre à particules d'un moteur Renault Trucks Euro 2 MIDS 620*45 de 270 CV, le brûleur peut être effectivement allumé depuis le régime de ralenti jusqu'au régime de puissance maximale, et ce, pour des températures de gaz d'échappement compris entre 80 C et 400 C. La bougie chauffante utilisée est de marque BERU comme celles qui équipent les moteurs Renault 1,9 DCI 120 CV.
Par ailleurs, selon une autre forme de réalisation de l'invention, il est possible, pour réaliser la phase d'allumage, de monter plusieurs bougies de chauffage dans l'enceinte du brûleur, comme le montre la figure 5A. Les bougies supplémentaires peuvent être disposées à l'intérieur ou à l'extérieur de la cavité délimitée par l'élément obturateur 3.
21 De plus, la mise en place d'un textile de céramique 201, tissu, feutre ou mat près de, ou en contact avec, la bougie de chauffage favorise la phase d'allumage du mélange, car il est apte à capter et à concentrer le mélange de gazole. Il peut être disposé comme représenté sur la figure 5A, c'est à dire logé entre la paroi du corps de brûleur 2 et la bougie de chauffage 8 au moins sur une partie de la circonférence latérale du corps de brûleur 2. De même, ce textile de céramique 201, pourrait être incorporé sur les brûleurs décrits en relation avec les figures 2A et 2B Il pourrait mettre être envisagé d'utiliser comme deuxième bougie une bougie conventionnelle à étincelle ou à arc électrique, du type de celles utilisées dans les moteurs à allumage commandé, disposée sensiblement comme la deuxième bougie 81 représentée sur la figure 5B.
Pour des raisons d'encombrement, on peut par ailleurs réaliser l'adduction du mélange carburé à l'intérieur du brûleur 2 par un tube 16 raccordé sur le bord du fond du brûleur 2 comme le montre la figure 4. Un tel conduit d'adduction du mélange est constitué d'un tuyau 16 s'étendant le long des parois latérales à l'intérieur du corps du brûleur 2 et parallèlement à l'axe de révolution, le tuyau 16 présentant une extrémité coudée à angle droit débouchant tangentiellement au corps de brûleur 2. Un tel tuyau 16 comporte un orifice latéral 17 qui débouche tangentiellement au corps de brûleur 2 et permet d'envoyer le mélange carburé selon la direction D. Dans l'exemple de la figure 4, le brûleur présente les mêmes dimensions que précédemment. Ainsi, le tube 16, en inox, a un diamètre interne de 8 mm avec un orifice de 4 mm de diamètre débouchant tangentiellement sur la paroi du brûleur 2. Un tel tuyau 16 permet de diminuer l'encombrement du brûleur, facilitant ainsi l'accessibilité et la fabrication du brûleur.
Sur la figure 6 est représentée, conformément à une caractéristique de l'invention, une variante dans laquelle un revêtement thermiquement isolant 180 revêt le brûleur 2, de façon à conserver la chaleur produite par la flamme au sein du brûleur et à minimiser les échanges thermiques de la paroi du brûleur 2 avecl'extérieur . Ce revêtement peut être un métal réfractaire du type inconel ou une céramique telle que cordiérite, mullite, alumine etc. De plus, il est aussi possible d'utiliser un revêtement céramique 180 associé à un fourreau 181 en acier réfractaire de faible épaisseur, c'est-à-dire entre 0,5 mm et 1,5 mm, de manière à protéger la céramique des chocs thermiques. Une telle isolation thermique permet d'atteindre plus rapidement la
22 température d'oxydation et/ou de combustion des particules solides dans la cartouche de filtration 5, tout en économisant le combustible injecté dans le brûleur.
Ainsi, compte tenu de la rapidité de la combustion et du maintien à une température élevée des parois, il est possible de brûler toute sorte de combustible liquide voire solide, sans nécessairement apporter de fort excès d'air. L'utilisation d'un brûleur 2 plus long permet en effet d'allonger le temps de combustion du mélange pour parachever la combustion.
Pour favoriser la combustion et l'allumage, un brûleur objet de l'invention peut trouver avantageusement application pour le séchage de céréale ou de végétaux, où l'air est généralement réchauffé par du gaz naturel. Dans ce cas, pour limiter ou annuler les émissions parasites, un revêtement catalytique peut avantageusement être déposé sur la paroi externe du brûleur 2. Un tel revêtement catalytique permet d'oxyder les dernières traces d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone (CO). En outre, on peut disposer un catalyseur en sortie du brûleur, sous forme de nid d'abeille pour en augmenter la surface d'échange.
Pour les applications présentant de très fortes turbulences, le brûleur objet de l'invention peut être équipé d'un élément obturateur sous forme d'un disque définissant un clapet 18, tel que représenté sur la figure 7. Conformément à l'invention, le clapet 18 commandé par un vérin 19 obstrue substantiellement le corps de brûleur 2, en l'occurrence l'orifice d'évacuation du brûleur, de façon limiter la turbulence des écoulements gazeux dans le brûleur. Lors du démarrage, le vérin 19 commandant ce clapet 18 peut être simplement commandé par une dérivation de l'air d'alimentation du brûleur. Puis, lorsque la flamme est détectée par le capteur thermique 9, être placé en position libre, ou au point mort , c'est-à-dire sans différence de pression entre ses chambres. Avantageusement, ce clapet 18 peut être associé à un élément obturateur 3 tel que décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 à 6.
Par ailleurs, dans la forme de réalisation illustrée par la figure 7, le fond du brûleur 2 est en portion de sphère. Le capteur de température 9 est disposé, à l'instar de celui représenté sur les figures 2, sur le fond du brûleur 2. La bougie d'allumage 8 est quant à elle disposée sur le côté ou au centre selon que le brûleur est destiné à fonctionner horizontalement ou verticalement.
23 Par ailleurs, il est nécessaire de prévoir une source d'air comprimé pour alimenter les brûleurs montés sur les lignes d'échappement des moteurs de bus, de poids lourds et autre moteurs diesel de forte puissance. Pour cela, dans toutes les conditions de fonctionnement, on peut employer de l'air stocké à environ 10 bar dans le réservoir destiné à alimenter les accessoires du véhicule.
Lorsqu'une telle source d'air comprimé n'est pas disponible, on peut prévoir de monter un surpresseur voire même d'utiliser l'air du circuit de suralimentation du moteur, comme cela est illustré par les figure 8 et 9. Ainsi, l'air comprimé est prélevé dans un turbocompresseur 20 au niveau de l'admission du moteur au moyen d'un conduit de dérivation 21 apte à dériver le débit d'air nécessaire à l'alimentation du brûleur. Un régulateur 22 contrôle le débit d'air dans ce conduit de dérivation 21 de manière à réguler, sous la commande du calculateur 10, la quantité d'air entrant dans le dispositif de filtration.
En variante, comme le montre la figure 9, on peut disposer un réservoir d'air comprimé 23 pour alimenter, encore par l'intermédiaire d'une dérivation 21 provenant du turbocompresseur et d'un clapet anti-retour 24. Le débit d'alimentation du brûleur est également ajusté par le régulateur de débit 22, qui peut être par exemple une vanne à ouverture variable. Pour augmenter le débit d'air par utilisation de l'air de suralimentation, il est également possible d'utiliser une petite machine turbosoufflante disposée entre le réservoir d'air comprimé 23 et le régulateur de débit 22 pour augmenter le débit et la pression disponible dans le conduit de dérivation 21. La machine turbosoufflante peut par exemple être constituée d'une pompe à palettes, alimentée électriquement et générant une différence de pression de 400 mbar.
Par ailleurs, de nombreux moteurs diesel sont équipés en série d'un catalyseur destiné à réduire les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone (CO), de manière à respecter les normes d'émissions. Alternativement, les moteurs diesel, tels que ceux conformes à la norme dite EURO 4, peuvent être équipés d'un système de réduction des oxydes d'azote dit SCR incorporant un catalyseur de dénitrification dit DéNox , apte à réduire, d'une part, les oxydes d'azotes (NOx) au moyen d'injection d'urée, outre l'emploi d'un catalyseur d'oxydation pour réduire les éventuels excès d'urée, et, d'autre part, les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone (CO) restant des gaz d'échappement. Un dispositif de filtration comportant seulement un brûleur conforme à la présente invention permettra donc,
24 dans de telles applications, de proposer un ensemble sans catalyseur d'oxydation, simple et économique.
Ainsi, le brûleur illustré par la figure 10 est disposé entre deux cartouches de filtration 5 comprenant chacune une cartouche filtrant conventionnel, débouchant sur la face d'entrée de chacune des cartouches, lesquelles sont de plus équipées d'un clapet d'obstruction 25 commandé par un vérin 26 à motorisation pneumatique ou électrique. Le clapet d'obstruction 25 permet de procéder à la régénération d'une cartouche après l'autre par combustion des particules de carbone retenues sur leurs cartouches filtrantes, évitant ainsi des températures de sortie excessives. Chacune des cartouches de filtration 5 est équipée d'un capteur de température 27, remplissant une fonction analogue à celle ducapteur de température 9 illustré sur la figure 1. En outre, un capteur de température 273 disposé sur la conduite de sortie du brûleur permet en outre de contrôler précisément les températures de sorties des gaz d'échappement en commandant l'obstruction du clapet 25 de la cartouche de filtration 5 à régénérer.
Comme précédemment, un capteur de pression mesure la contre pression due aux pertes de charge par colmatage des cartouches de filtration 5, de manière à indiquer le niveau de colmatage des cartouches de filtration. Au-delà d'un seuil de colmatage déterminé, le calculateur commande le démarrage du brûleur de manière à régénérer le filtre. Pour cela, le procédé de démarrage comporte les étapes consistant : ^ à alimenter la bougie chauffante 8 ; ^ à injecter un débit d'air au moyen du conduit 7 ; ^ à fermer l'un des deux clapets 25 commandés par un vérin 26 ; après un temps prédéterminé correspondant sensiblement au temps nécessaire pour que la bougie chauffante 8 atteigne une température suffisante comprise entre 600 C et 800 C, procéder, sous la commande du calculateur 10, à des micro-injections de gazole à travers le capillaire 6 et le tube 7 au moyen de l'injecteur 14, jusqu'à ce que le capteur de température 9 détecte une augmentation significative de la température régnant dans l'enceinte 2 du brûleur ; ^ à maintenir la combustion tant que les températures mesurées par les capteurs de températures 27 à la sortie de la cartouche filtrante sont inférieures à 500 C, seuil au-delà duquel se produit la combustion du carbone dans la cartouche de 35 filtration correspondante ;
25 ^ après dépassement de ce seuil, à commander par l'intermédiaire du calculateur simultanément l'arrêt du brûleur et l'ouverture du clapet 25 de la cartouche de filtration 5 obstruée.
Par la suite, la combustion se poursuit dans la cartouche de filtration 5, mais sans néanmoins atteindre une température de gaz rédhibitoire au niveau de la sortie de la cartouche filtrante, puisque les gaz de combustion du carbone issus d'une cartouche de filtration 5 se mélangent avec ceux provenant de la cartouche de filtration 5 voisine dans laquelle aucune réaction de combustion n'est démarrée. En effet, la régénération de l'autre cartouche de filtration ne sera initiée qu'ultérieurement et après un temps, programmé dans le calculateur, suffisamment long pour que la combustion sur la cartouche de filtration 5 soit complète ou jusqu'à égalité des températures mesurées par les sondes 27.
Ainsi, selon un tel procédé, la puissance du brûleur n'est utilisée que pour chauffer une seule cartouche à la fois, ce qui réduit notablement sa durée de fonctionnement et, partant, la quantité de combustible consommée pour cette opération.
Par exemple, dans le cas d'un moteur de 177 kW fonctionnant à demi-charge, avec des températures de gaz d'échappement en entrée de 300 C et en attendant, lors de chaque combustion, que la température de la cartouche filtrante soit comprise entre 295 C et 300 C, des essais ont été conduits selon deux procédés différents.
Tout d'abord, le procédé décrit ci-dessus de régénération à tour de rôle des cartouches de filtration 5 a été mis en oeuvre. Puis, on a à régénéré simultanément les deux cartouches de filtration 5. Pour chaque essai, le brûleur est arrêté lorsque la température mesurée en aval de la cartouche de filtration 5 filtrant atteint 500 C. La cartouche de filtration 5 employé dans le cadre de ces essais est en carbure de silicium et chaque cartouche présentait un diamètre de 143,8 mm pour une longueur de 254 mm.
Ainsi, pour une puissance de brûleur correspondant à une consommation de gazole de 50 cm3/min, on obtient les durées de fonctionnement suivantes : Pour un fonctionnement à tour de rôle, la durée a varié de 20 à 25 s, et la température de sortie ne dépasse pas 470 C, température correspondant sensiblement au cas où le brûleur est arrêté avec ouverture simultanée du clapet
26 obstruant l'autre cartouche de filtration 5. Peu après, cette température avoisine 450 C durant la combustion du carbone puis, à la fin de la combustion, redescend au niveau de la température d'entrée des gaz d'échappement, soit environ 300 C ; Lorsque les deux cartouches sont en communication, les durées de combustion complète sont comprises entre 85 et 100 s. Il a été même observé des différences de réchauffage entre les deux cartouches de filtration 5. Les écarts ainsi observés sur la durée sont dus au fait que le brûleur n'est arrêté que lorsque la température en sortie est supérieure à 500 C sur les deux cartouches de filtration 5. Pour le même niveau de colmatage des cartouches, c'est-à- dire 6 g/1 il a été mesuré des pics de température dépassant 650 C.
Ces essais montrent par conséquent que la régénération du filtre à tour de rôle permet de réduire significativement la surconsommation de gazole nécessité pour chaque combustion. Ainsi, dans l'exemple ci-dessus, la surconsommation est divisée par deux.
De plus, en termes de sécurité, comme on l'a vu précédemment, les clapets 25 permettent aussi sur le plan sécurité de réduire les températures de sorties de façon importante et, partant, de s'affranchir d'une importante isolation thermique de la ligne de sortie. Ce dispositif à clapet peut donc être avantageusement incorporé aux dispositifs comprenant un brûleur.
Selon une caractéristique préférée du dispositif objet de l'invention, chacune des cartouches de filtration 5 dispose d'un moyen d'obstruction du débit, disposé en amont ou en aval, et piloté par au moins un calculateur intégrant les conditions de fonctionnement du moteur, de manière à isoler au moins une cartouche de filtration 5 chaque fois que la position d'accélérateur est à zéro (non accéléré).
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on peut avantageusement mettre en oeuvre le brûleur objet de l'invention sur une machine destinée à régénérer les cartouches de filtrations de filtres à particules pour les rénover après que le véhicule a parcouru plusieurs dizaines de milliers de kilomètres. En effet, même si la combustion du carbone est parfaitement réalisée au niveau du dispositif de filtration, après plusieurs milliers de kilomètres les cendres provenant de la combustion de l'huile du moteur, voir les additifs de combustion utilisés, tendent à colmater progressivement les porosités de la cartouche filtrante. C'est pourquoi une
27 régénération effectuée sur une machine, avec un dispositif soufflant de l'air chaud à contre-courant du sens de fonctionnement, permet de régénérer convenablement la cartouche filtrante hors du véhicule.
Une telle machine à régénérer les filtres à particules est illustrée par la figure 11, dans laquelle le brûleur 2 fonctionne en position horizontale au sein d'une chambre 32, elle-même alimentée par une machine turbosoufflante d'air 31. Le débit de la turbosoufflante et la puissance du brûleur 2 sont pilotés par un calculateur (non représenté) de façon à ajuster la température en sortie de la chambre 32 à une température de consigne indiquée par le capteur de température 28. Le principe consiste à augmenter progressivement la température de l'air au sein du brûleur jusqu'à une température voisine de celle où se produit la combustion du carbone, c'est à dire 500 C sans additif ou 350 à 400 C avec additif.
En sortie d'une cartouche de filtration à régénérer 29, on dispose un deuxième capteur de température 30 de manière à comparer en permanence la température au niveau de la sortie 13 avec la température d'entrée mesurée par le capteur 28. Dans le cas où la température de sortie dépasse la température d'entrée, des moyens sont mis en oeuvre pour ralentir la combustion dans le filtre, comme la réduction du débit d'air, la réduction de la puissance du brûleur. Ce procédé de ralentissement de la combustion permet de brûler tout le carbone et les résidus contenus dans le filtre sans atteindre des températures excessives pouvant mettre en péril l'intégrité et la longévité de la cartouche filtrante.
Une fois la phase de combustion terminée, la température de la cartouche filtrante augmente jusqu'à une température comprise entre 650 et 700 C de façon à réduire tous les résidus en cendres. Ensuite, un débit important est généré par la machine turbosoufflante de façon à extraire ces cendres de la cartouche filtrante à rénover. Les gaz chauds sont évacués par une canalisation 34 thermiquement isolée comportant un filtre spécial 35 de grande capacité apte à stopper toutes les cendres et résidus. En aval de ce filtre spécial est disposé un catalyseur d'oxydation 36 pour oxyder les hydrocarbures et le monoxyde de carbone (CO) éventuellement formés durant la phase de combustion. Les gaz sont enfin évacués par un conduit 37.
Le brûleur objet de la présente invention permet donc de réduire, voire d'éliminer, des particules solides contenues dans une cartouche de filtration tout en utilisant un catalyseur à faible concentration en métaux précieux. En effet, un tel
28 brûleur permet une combustion complète du gazole sans émissions parasite d'hydrocarbures ni de monoxyde de carbone, contrairement aux dispositifs où l'on injecte du gazole directement sur le catalyseur.
D'autres modes de réalisation de l'invention sont possibles sans pour autant sortir du cadre de cette invention. Ainsi, comme le montre la figure 3, le brûleur peut comprendre un deuxième conduit d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant, débouchant dans le corps de brûleur également selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur, de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant symétrique au sein du corps de brûleur.

Claims (19)

REVENDICATIONS
1. Brûleur destiné à chauffer au moins une cartouche de filtration (5) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à une température supérieure à la température d'oxydation et/ou à la température de combustion des particules solides piégées dans ladite cartouche de filtration (5), ledit brûleur comprenant un corps de brûleur (2), ledit corps de brûleur (2) présentant une extrémité fermée et présentant du côté opposé à ladite extrémité fermée une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation desdits gaz d'échappement ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre : ù au moins un conduit (7) d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur (2) selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur (2), de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur (2) ; ù un moyen électrique d'allumage (8) dudit mélange positionné au sein du corps de brûleur (2) ; ù un élément obturateur (3, 18) obstruant une partie substantielle du corps de brûleur (2), de manière à limiter les turbulences susceptibles d'être engendrées par lesdits gaz d'échappement sur les écoulements de fluides au sein du volume du corps de brûleur (2) délimité par ledit élément obturateur (3, 18).
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface interne des parois latérales dudit corps de brûleur (2) est régulière et présente globalement une symétrie de révolution.
3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément obturateur comporte un disque (3) présentant un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne dudit corps de brûleur (2) et positionné perpendiculairement à l'axe de révolution, du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur (2).
4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit disque (3) est percé d'une pluralité de trous dont le nombre et/ou les diamètres sont proportionnels au diamètre du disque (3), lesdits trous étant destinés à permettre la propagation de la flamme de combustion du mélange dans l'ensemble du volume du corps de brûleur (2).
5. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément obturateur comprend en outre un cylindre droit dont une extrémité est recouverte par ledit disque et dont l'autre extrémité est recouverte par l'extrémité fermée du corps de brûleur (2), ledit cylindre droit étant percé d'une pluralité de trous dont le nombre et/ou les diamètres sont proportionnels au diamètre du disque (3), lesdits trous étant destinés à permettre la propagation de la flamme de combustion du mélange dans l'ensemble du volume du corps de brûleur (2).
6. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément obturateur est constitué d'un clapet (18) disposé à l'extérieur du volume du corps de brûleur (2) près de ladite ouverture d'évacuation, la superficie dudit clapet (18) correspondant sensiblement à la superficie interne du corps de brûleur (2), ledit clapet (18) étant monté mobile sous l'action d'un organe tel qu'un vérin (19).
7. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux canalisations (6, 7) concentriques, l'une pour l'adduction (6) de combustible et l'autre pour l'adduction de comburant, lesdites canalisations (6, 7) étant disposées en amont dudit conduit (7).
8. Brûleur selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit conduit d'adduction du mélange est constitué d'un tuyau s'étendant le long desdites parois latérales à l'intérieur du corps du brûleur (2) et parallèlement à l'axe de révolution, ledit tuyau présentant une extrémité coudée à angle droit.
9. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième moyen électrique d'allumage (80) également positionné au sein du corps de brûleur (2), ledit premier et ledit deuxième moyens électriques d'allumage (80) étant constitués respectivement par une bougie de chauffage et par une bougie à arc électrique conventionnelles ou par au moins deux bougies de chauffage.
10. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième conduit (7) d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur (2) selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur (2), de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant symétrique au sein du corps de brûleur (2).
11. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de commande (10) destiné à piloter les débits d'injection en combustible et en comburant en fonction des signaux délivrés par un capteur de température (9) situé dans le corps de brûleur (2) et par un capteur de pression indiquant la perte de charge due au colmatage par lesdites particules solides de ladite cartouche de filtration (5).
12. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comburant est de l'air issu d'un turbocompresseur équipant ledit moteur. 25
13. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un textile de céramique (201), sous forme de mat, de tissu ou de feutre, est disposé du côté de l'extrémité fermée du corps de brûleur (2) et au contact d'au moins un moyen électrique d'allumage (8,80), ledit textile de céramique (201) étant 30 apte à capter et à concentrer ledit mélange de manière à favoriser son allumage.
14. Ligne d'échappement de moteur à combustion interne, comprenant au moins un orifice d'entrée des gaz issus de ladite combustion interne, au moins une cartouche de filtration (5) destiné à piéger les particules solides contenues dans lesdits gaz d'échappement dudit moteur et au moins un orifice d'échappement à l'atmosphère desdits gaz situé en aval de ladite cartouche de filtration (5), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un brûleur selon l'une des revendications précédentes.
15. Ligne d'échappement selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit brûleur est disposé en amont de ladite cartouche de filtration (5), à l'intérieur ou à l'extérieur de ladite ligne d'échappement ou à proximité de ladite cartouche de filtration (5).
16. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 14 à 15, caractérisé en ce qu'elle comporte : ù au moins deux cartouches de filtration, ledit brûleur étant logé entre les deux cartouches de filtration ; ù deux clapets (26) permettant d'arrêter les flux de gaz d'échappement parvenant respectivement à chaque cartouche de filtration, de manière à brûler et/ou oxyder lesdites particules alternativement dans chaque cartouche de filtration.
17. Procédé de chauffage d'au moins une cartouche de filtration (5) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à une température supérieure à la température d'oxydation et/ou à la température de combustion des particules solides piégées dans ladite cartouche de filtration (5), au moyen d'un brûleur comprenant un corps de brûleur (2) présentant une symétrie de révolution, ledit corps de brûleur (2) présentant une extrémité fermée et présentant du côté opposé à ladite extrémité fermée une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation desdits gaz d'échappement ;caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant : ù à injecter, selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur (2), un mélange de combustible et de comburant, de manière à imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur (2) ; ù à alimenter en courant un moyen électrique d'allumage (8) positionné au sein du corps de brûleur (2), de manière à allumer ledit mélange, ledit corps de brûleur (2) comprenant un élément obturateur (3,
18) obstruant une partie substantielle du corps de brûleur (2) de manière à limiter les turbulences susceptibles d'être engendrées par lesdits gaz d'échappement sur les écoulements de fluides au sein du volume du corps de brûleur (2) délimité par ledit élément obturateur (3, 18) ; ù à interrompre l'injection de mélange après que ladite température d'oxydation et/ou ladite température de combustion a(ont) été atteinte(s) pendant une durée fonction de paramètres tels que la charge supportée par le moteur et la perte de charge due au colmatage du médium filtrant par ces particules solides. 18. Procédé de chauffage selon la revendication 17, caractérisé en ce que le combustible et le comburant sont mélangés selon des proportions stoechiométriques.
19. Machine à régénérer les cartouches de filtration de filtres à particules, caractérisé en ce qu'elle comporte un brûleur selon l'une des revendications 1 à 13 et un emplacement destiné à recevoir au moins une cartouche de filtration (29) à régénérer.
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