FR2937082A1 - Bruleur pour regeneration des filtres a particules de moteur a combustion interne et la mise en temperature de systeme catalytique et ligne d'echappement integrant un tel bruleur. - Google Patents

Bruleur pour regeneration des filtres a particules de moteur a combustion interne et la mise en temperature de systeme catalytique et ligne d'echappement integrant un tel bruleur. Download PDF

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Abstract

Ce brûleur alimenté par un mélange de carburant et de comburant, est destiné à générer une flamme et corollairement de la chaleur, afin de chauffer au moins un élément de traitement ou un élément de filtration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Le brûleur comprend : ▪ un corps de brûleur (9) présentant une extrémité fermée, et du côté opposé à ladite extrémité fermée une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation desdits gaz d'échappement ; ▪ un moyen électrique d'allumage (2) dudit mélange ; ▪ des moyens (5, 6) pour injecter indépendamment l'un de l'autre le carburant et le comburant de manière pulsée dans le corps du brûleur au contact du moyen électrique d'allumage (2) selon une fréquence bien déterminée, la fréquence de commande desdits moyens étant identique.

Description

BRULEUR POUR LA REGENERATION DES FILTRES A PARTICULES DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET LA MISE EN TEMPERATURE DE SYSTEME CATALYTIQUE ET LIGNE D'ECHAPPEMENT INTEGRANT UN TEL BRULEUR DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne de façon générale un brûleur destiné à assurer la régénération des filtres à particules présents dans les moteurs à combustion interne, et 10 plus particulièrement les moteurs diesel, et notamment un micro-brûleur fonctionnant selon un procédé bien particulier qui consiste à alimenter ledit brûleur en air et en combustible par un débit pulsé, suivant une certaine fréquence, et à diriger ce mélange sur un point chaud d'allumage. L'objectif visé est d'obtenir pour chaque impulsion une richesse variable du mélange combustible/air, de manière à balayer une 15 plage de richesses la plus large possible et ainsi garantir l'allumage de ce mélange sur ce point incandescent. Ce dernier peut être constitué par une bougie d'allumage disposé sur le parcours dudit mélange.
Pour finaliser la combustion de ce mélange combustible pulsé après allumage, 20 des céramiques sous forme de nid d'abeille ou encore des grilles, voire des fibres métalliques réfractaires sont disposés sur le parcours des gaz de combustion. Avantageusement ces éléments peuvent être imprégnés d'un catalyseur du type oxydant qui favorise la combustion dudit mélange dès le démarrage de la combustion au niveau du brûleur. 25 Ce brûleur est disposé en amont d'un ensemble du type filtre à particules avec pour objectif de porter le média filtrant intégré dans ledit filtre à une température suffisante pour brûler les particules solides, telles que les suies, retenues sur ce filtre, chaque fois que nécessaire. Ce même procédé peut également être mis en oeuvre pour atteindre plus rapidement la température de fonctionnement des catalyseurs sur les moteurs automobiles, avec pour objectif d'obtenir une efficacité optimum de conversion. 30 Dans les deux cas l'objectif est de porter le filtre à particules ou le catalyseur à sa température de fonctionnement grâce à ce brûleur, qui peut être disposé directement à proximité du filtre ou du catalyseur, sans être contraint de porter tout un ensemble à cette température. Cette disposition permet une mise en température rapide pour une faible consommation de carburant.
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 thermiques, en particulier des moteurs diesel et des moteurs à mélange pauvre, rejetant le moins possible de particules non brûlées.
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 consenti 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 %.
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 en céramique, composant un filtre à particules. Pour bien fonctionner, un filtre à particules nécessite une régénération permettant de brûler les particules de carbone piégées dans ses parties filtrantes, principalement dans la cartouche de filtration à intervalle régulier. La difficulté principale concerne le démarrage de la combustion de ces particules de carbone retenues, la température des gaz d'échappement de ces moteurs diesel étant bien inférieure au 550°/600°C requise pour que cette combustion ait lieu.
De nombreux procédés ont été mis en oeuvre pour assurer la combustion de ces particules associant les effets catalytiques d'additif, ou encore la production de NO2 à partir des oxydes d'azote présent dans les gaz d'échappement, ou bien encore par la mise en place de dispositif de post injection de gazole sur un catalyseur d'oxydation disposé en amont du filtre à particules.
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 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. Même les procédés mettant en oeuvre des dispositifs de post-injection n'assurent plus dans ces conditions sévère un service satisfaisant.
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.35 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.
Plus récemment des brûleurs ont été proposés pour s'affranchir complètement des conditions de fonctionnement à basse température. Cependant, aucun d'entre eux ne permet à ce jour un fonctionnement satisfaisant pour toutes les conditions de fonctionnement. Au surplus, ces brûleurs présentent quelques défauts rédhibitoires, tels qu'une taille excessive avec souvent dans ce cas une surconsommation de gazole, la difficulté de fonctionner de manière satisfaisante lorsque le moteur est à plein régime, la stabilité de la flamme ou encore un apport en calories insuffisant.
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, les fortes turbulences associées aux régimes pulsés qui règne dans la ligne d'échappement et donc dans le brûleur rendant particulièrement instable la combustion. Des dispositifs sophistiqués de présence de flamme doivent être incorporés pour éviter les émissions parasites d'hydrocarbures qui s'en suivraient en cas d'extinction de celle-ci.
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 dispositifs de l'art antérieur.
L'objet de l'invention vise à obtenir l'augmentation de la température nécessaire à la combustion complète des particules solides ou suies déposées sur la cartouche de filtration, tout réduisant au maximum la partie des calories qui sera absorbé en amont du filtre à particules en permettant une réduction du volume des matériaux utilisés, tels que l'enveloppe et le volume du catalyseur.
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 (colmatage), 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 peut avantageusement être associée aux moyens connus déjà utilisés seuls ou en association avec d'autres dispositifs pour commencer à oxyder les suies contenues dans les gaz d'échappement à partir des températures les plus basses (100°C) et assurer une combustion complète, quelles que soient les conditions de fonctionnement. L'emploi d'un additif dans le combustible, ou le dépôt de catalyseur sur le média filtrant peuvent permettre de réduire encore le chauffage en durée et en intensité, et donc encore réduire la surconsommation.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un micro-brûleur pour la réduction quantitative, voire l'élimination des suies contenues dans les gaz d'échappement de moteurs thermiques, ce micro-brûleur débouchant directement sur la surface du média filtrant, et plus particulièrement en son centre. Il présente des dimensions réduites, ce qui le rend compact et facilement intégrable sur l'ensemble filtre à particules/ligne d'échappement d'un véhicule automobile.
Un autre objectif de l'invention est de permettre la régénération des moyens de filtration mis en oeuvre sans entraîner une 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, sans avoir à utiliser un catalyseur d'oxydation très spécifique, comme pour la post-injection, ce qui permet l'utilisation de catalyseur à faible concentration de métaux précieux puisque seule demeure la fonction d'oxydation des hydrocarbures et des oxydes de carbone résiduels à assurer n'y aura plus que la fonction oxydation des hydrocarbures et oxyde de carbone résiduels des gaz d'échappement à assurer.
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, quelle que soit 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.
Pour finir, ce micro-brûleur est avantageusement utilisé en association avec tous les nouveaux procédés catalytiques mis en oeuvre pour satisfaire les émissions imposées par les nouvelles normes, telles que l'Euro 6. En effet pour satisfaire ces émissions, il faut associer des catalyseurs de réduction des oxydes d'azote par injection d'urée aux filtres à particules et assurer un fonctionnement optimum des deux fonctions, à savoir oxydation des imbrulés de la combustion et réduction des oxydes d'azote. Ces catalyseurs de réduction des oxyde d'azote (S.C.R) ne fonctionnant qu'à une température minimum de 200°C, le fonctionnement du micro brûleur dès le démarrage du moteur permet d'atteindre cette température rapidement et de satisfaire plus facilement les niveaux d'émissions à respecter.
Toujours dans le cadre de ces nouvelles normes Euro 6, il est aussi envisagé d'associer des catalyseurs d'oxydation à des catalyseurs de réduction des oxydes d'azote. Ce faisant, et dans le même but d'atteindre rapidement les températures de fonctionnement de ces catalyseurs au démarrage, l'utilisation d'un ou de plusieurs micro-brûleurs conformes à l'invention permet de satisfaire ces normes.
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 ladite cartouche de filtration, ou à mettre en température un système catalytique, c'est-à-dire un organe de traitement desdits gaz d'échappement.
Ce brûleur est alimenté par un mélange de carburant et de comburant, destiné à générer une flamme et corollairement de la chaleur destiné à chauffer ladite cartouche de filtration ou ledit système catalytique. Il comprend un corps de brûleur présentant une extrémité fermée et du côté opposé à ladite extrémité fermée une ouverture d'évacuation susceptible d'être reliée à une conduite d'évacuation desdits gaz d'échappement. Il comprend en outre : ^ un moyen électrique d'allumage dudit mélange comburant/carburant ; ^ des moyens pour injecter indépendamment l'un de l'autre le carburant et le comburant de manière pulsée dans le corps du brûleur au contact du moyen électrique d'allumage selon une fréquence bien déterminée, la fréquence de commande desdits moyens étant identique.
En d'autres termes, le brûleur - objet de l'invention, comprend des moyens permettant de l'alimenter par un débit d'air (comburant) et de combustible pulsé à une fréquence déterminée, fonction de la taille du brûleur et du débit du mélange air/combustible, de manière à automatiquement disposer au contact du moyen électrique d'allumage, d'une richesse du combustible variable. Ce faisant, la richesse en combustible du mélange comburant/combustible passe sensiblement de l'air pur à un mélange très riche en combustible à chaque impulsion de débit, l'intérêt étant de disposer en permanence au contact du moyen électrique d'allumage et durant chaque phase une période pendant laquelle le mélange présente la bonne plage de richesse pour s'enflammer au contact dudit moyen électrique d'allumage situé sur le parcours du mélange.
Afin de conserver un effet pulsé, le moyen assurant l'injection en comburant (air) et en carburant, doit être ouvert au plus de 80 % du temps, et préférentiellement selon une durée comprise entre 10 et 50 %. 7 Selon l'invention, la fréquence de commande desdits moyens d'injection du comburant et du carburant est comprise entre 0,5 et 30 hertz.
Avantageusement, les moyens pour injecter le carburant et le comburant sont 5 respectivement constitués d'un injecteur et d'une électrovanne.
De plus, l'ajustage de la fréquence d'injection de carburant et de comburant est avantageusement réalisé au moyen d'un calculateur, le signal de la fréquence étant de forme carré. 10 Ce calculateur, pilote les débits d'injection en combustible (gazole) et en comburant (air) en fonction des signaux délivrés par des capteurs de température, l'un d'entre eux étant situé dans le corps du brûleur et le second à l'entrée du filtre à particules, et par un capteur de pression différentiel qui mesure la différence de 15 pression entre l'entrée et la sortie du filtre à particules, et donc indiquant l'évolution de la perte de charge due au colmatage du média filtrant dudit filtre par les particules solides.
Ce calculateur commande l'ouverture de l'électrovanne assurant l'arrivée d'air 20 à la bonne fréquence, ainsi que l'injecteur de combustible, de manière à ce que le mélange air/gazole présente au niveau de la résistance d'allumage à chaque phase de la fréquence des pulses conduisant à passer par une plage de richesse présentant une bonne inflammabilité.
25 Ce calculateur assure la gestion de la résistance du moyen d'allumage électrique, tant pendant le préchauffage, que durant toute la durée de fonctionnement, ainsi que l'ajustage de l'intensité du courant électrique qui alimente ladite résistance, de manière à ce que malgré la flamme, la température des filaments qui la constituent ne devienne excessive, au risque d'aboutir à sa destruction. 30 La plage optimisée de richesse du mélange comburant/carburant, pour lequel il s'allume parfaitement varie de 0,6 (pauvre, présentant un excès de comburant de 40%) à 1,2 (riche, présentant un excès de carburant de 20% par rapport au mélange stoechiométrique). 35 Selon un mode de réalisation de l'invention, le mélange de combustible et de comburant débouche au moyen d'un conduit dans une préchambre, située en amont du corps de brûleur, le moyen électrique d'allumage dudit mélange étant positionné dans la préchambre.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le brûleur comporte en outre un ou des éléments céramiques, notamment de structure en nid d'abeilles, ou des grilles ou fibres métalliques réfractaires, disposés en sortie de la préchambre ou sur le parcours de la flamme résultant du contact entre le mélange comburant/combustible et le moyen électrique d'allumage dans le corps de brûleur.
Selon un autre mode avantageux de l'invention, le mélange de combustible et de comburant débouche au sein du corps du brûleur au moyen d'au moins un conduit selon une direction essentiellement tangentielle audit corps de brûleur, de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur. Le corps du brûleur est, dans cette hypothèse, de forme essentiellement cylindrique.
Dans cette configuration, il peut en outre comprendre un deuxième conduit d'adduction du 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 là encore imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur. Cela permet de répartir de façon uniforme le mélange dans la zone d'allumage.
Cet ensemble d'alimentation muni de sa résistance d'allumage, débouche, ou avantageusement est contenu dans un tube cylindrique borgne, équipé d'une arrivée secondaire tangentielle d'air ou de mélange, et contenant des céramiques ou des éléments métalliques pour favoriser la propagation de la combustion. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le corps de brûleur peut former un cylindre droit placé horizontalement, verticalement, voire incliné si nécessaire.30 En pratique, le brûleur peut en outre comprendre deux canalisations concentriques voire plus, l'une pour l'adduction de combustible en mélange avec de l'air, l'autre ou les autres pour l'adduction d'air ou de gaz d'échappement, les canalisations étant disposées en amont du conduit d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur.
De manière pratique, le conduit d'adduction d'un mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur peut présenter une longueur déterminée de manière à permettre l'homogénéisation du mélange en amont du raccordement sur le corps de brûleur. Ainsi, le mélange devient plus facile à allumer par le moyen électrique d'allumage.
En pratique, le brûleur peut en outre comprendre un deuxième moyen électrique d'allumage, également positionné au sein du corps de brûleur, ces moyens électriques d'allumage étant constitués de bougies de chauffage conventionnelles ou de bougies à arc électrique.
Ces bougies représentent un moyen peu onéreux et de montage simple pour l'allumage du mélange. Selon l'invention, le brûleur est disposé en amont d'un filtre à particules. Cependant, il peut être monté en dérivation du conduit d'échappement, voire à l'intérieur même d'un tel conduit, ou encore être incorporé dans le filtre à particules.
25 Lorsque le brûleur est par exemple installé sur une ligne d'échappement d'un véhicule, cela permet de le piloter par l'intermédiaire de l'ordinateur de bord.
De manière pratique, le comburant peut être de l'air issu d'un organe turbocompresseur. Cela permet d'obtenir un débit d'air convenable et un mélange 30 bien homogène avec une vitesse d'air élevé pour le mélange.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 destiné à piéger les particules solides contenues dans les gaz d'échappement dudit moteur, et au moins un orifice d'échappement à l'atmosphère des gaz, situé en aval de la cartouche de filtration. Selon l'invention, cette ligne comprend au moins un brûleur tel qu'exposé ci-dessus.
Elle vise également 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 un catalyseur de réduction des oxyde d'azote ou un catalyseur d'oxydation, destiné à réduire les polluants NOx,HC,CO contenus dans lesdits gaz d'échappement, et au moins un orifice d'échappement à l'atmosphère desdits gaz situé en aval dudit catalyseur. Selon l'invention, cette ligne comprend au moins un brûleur tel qu'exposé ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins qui représentent, de façon nullement limitative, des exemples de réalisation du dispositif associant un brûleur à un système de filtration selon l'invention et dans lesquels : ^ la figure 1 est une représentation schématique visant à illustrer l'alimentation en air et en gazole dans la préchambre du brûleur conforme à l'invention pour obtenir l'allumage du mélange sur une résistance électrique incandescente ; ^ la figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel le mélange air/gazole est projeté sur la résistance contenue directement dans le corps du brûleur ; ledit brûleur est équipé d'une entrée d'air secondaire tangentielle pouvant même être utilisé pour introduire du combustible en complément ; ^ la figure 3 est une représentation schématique illustrant l'implantation du micro-brûleur de l'invention directement dans l'enveloppe contenant le système de catalyse et de filtration ; ^ la figure 4 est une représentation schématique d'un autre mode de d'implantation de la préchambre dans le corps d'un brûleur conforme à l'invention, illustrant la possibilité d'incorporer des entrées multiples du débit des gaz d'échappement, ces entrées débouchant tangentiellement dans le corps du brûleur ; ^ la figure 5 est une représentation schématique de l'implantation de ce brûleur miniaturisé dans une ligne d'échappement des gaz issus d'un moteur à combustion interne pour mettre en température un catalyseur de réduction des oxydes d'azote ou un catalyseur d'oxydation. MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, plus particulièrement décrit en relation avec la figure 1, le brûleur (9) comporte une préchambre 3 contenant une 10 bougie d'allumage 2 sur laquelle est injecté un mélange air/carburant.
Un calculateur 1 commande, à partir des informations contre-pression significative du colmatage et température d'échappement collectées par des capteurs, respectivement de température et de pression montés sur la ligne d'échappement et le 15 moteur, le démarrage du brûleur suivant la procédure décrite ci-après.
Une bougie de chauffage 2, préférentiellement du type à spires apparentes, est alimentée en énergie électrique par l'intermédiaire du calculateur 1 durant une période de préchauffage, pour amener à l'incandescence les filaments qui la constituent. Cette 20 résistance est contenue dans la préchambre 3, de manière à obliger le mélange air/gazole arrivant par un tube d'amenée 4 à la baigner complètement et à s'enflammer avant d'être éjecté vers le corps du brûleur 9.
Le débit d'air, avantageusement alimenté en air comprimé par un 25 turbocompresseur, est admis par une électrovanne 5, également commandée par le calculateur 1 sous forme d'un signal carré, du type pulsé, à une fréquence pouvant varier de 0,5 hertz à 30 hertz, et dont le pourcentage d'ouverture est proportionnel à la quantité de gazole injecté. Il cependant de ne pas dépasser 80% du temps en termes d'ouverture de l'électrovanne, afin de conserver l'effet des pulsations. 30 Le choix de la fréquence dépend de la taille du brûleur. Ainsi pour un brûleur prévu pour apporter jusqu'à 20 KW (puissance typiquement nécessaire pour équiper un moteur de l'ordre de 60 KW), contenu dans un cylindre de 45 mm de diamètre sur 120 mm de long, les meilleures résultats de combustion et de stabilité de la flamme sont 35 obtenus pour une fréquence d'injection de l'air et du carburant de 10 à 12 hertz .5 Pour un brûleur de taille plus importante, mis en oeuvre pour apporter jusqu'à 80 KW, et contenu dans un cylindre de 60 mm de diamètre sur 150 mm de long, le meilleure fonctionnement est obtenu pour une fréquence comprise entre 5 et 7 hertz.
Le gazole est alimenté à partir d'un injecteur 6, puis véhiculé par un capillaire 7 pour déboucher dans le tube d'amenée 4. L'ouverture de cet injecteur 6 est pilotée par le calculateur 1 à la même fréquence que l'électrovanne 5, son pourcentage d'ouverture étant asservi aux objectifs de température à atteindre, contrôlé par le capteur de température 8 situé dans le corps du brûleur.
Ainsi pour le démarrage, le débit d'injection du gazole est inférieur à 5% du débit nominal, ce débit de démarrage étant mis en oeuvre durant une vingtaine de secondes de manière à porter l'ensemble du corps du brûleur en température.
Puis le débit est augmenté graduellement jusqu'au débit nominal entre 20 et 40 secondes, le débit nominal étant ensuite maintenu tant que le niveau de température à l'entrée du filtre ne dépasse pas 600°C.
Ensuite, par un système de régulation tout ou rien ou proportionnel, le débit est automatiquement ajusté pour avoisiner avec la température de consigne. En effet, par rapport à cette température de consigne, deux possibilités de régulation du débit de gazole peuvent être mis en oeuvre : ^ soit réduire arbitrairement le débit de combustible (par exemple 30%), puis rétablir le débit nominal lorsque la température descend en dessous de cette température de consigne, ^ soit, de manière plus sophistiquée, commencer à réduire le débit nominal du combustible avant d'atteindre cette température de consigne et le réduire de plus en plus lorsqu'on s'en approche, et à l'inverse à nouveau augmenter ce débit de combustible lorsqu'on s'éloigne de cette température de consigne.
La préchambre 3 débouche de préférence latéralement dans le corps cylindrique du brûleur 9 partiellement représenté en section transversale.
Pour favoriser la combustion, une céramique du type nid d'abeille 10 ou une grille métallique en acier réfractaire est positionnée en face du débouché de cette préchambre 3.
La figure 3 représente l'implantation de ce brûleur schématisé directement dans le volume d'un ensemble catalyseur/filtre à particules. Ce brûleur est disposé sur le trajet des gaz d'échappement, qui arrive par la canalisation 13 dans une enveloppe 14 contenant un catalyseur 15 et un filtre à particules 16.
En amont du catalyseur, sont disposés un capteur de contre pression ou de pression différentielle 17, destiné à mesurer l'évolution du colmatage du filtre, ainsi qu'un deuxième capteur de température 308, pour réguler la température à l'entrée du système et pouvoir agir sur le débit de combustible, afin de donner au calculateur 1 les informations nécessaires à la gestion de l'allumage du brûleur.
Une plaque d'acier perforé ou un dispositif similaire 18, tel qu'un garnissage de fibres métalliques réfractaires est avantageusement disposé entre le brûleur et le catalyseur, de manière à disposer d'un flux plus homogène thermiquement.
La figure 2 représente un second mode de réalisation dans lequel le mélange air/gazole est dans ce cas là directement injecté par la canalisation 4 sur la résistance d'allumage 2, disposée directement dans le corps du brûleur 9 à proximité de l'orifice fermé du tube cylindrique constitutif dudit corps du brûleur 9. Dans ce mode de réalisation, on a représenté une canalisation d'entrée secondaire 11, destinée à permettre l'introduction d'air complémentaire, voire un mélange air/carburant.
Cette canalisation secondaire 11 débouche tangentiellement en 12 dans le corps du brûleur. Il peut être même envisagé d'injecter de manière secondaire du combustible 25 avec de l'air 206, par le tube capillaire 207 dans ce tube 11.
Dans cette configuration, il n'est pas nécessaire de procéder à l'injection d'air pulsé à fréquence variable, puisqu'il règne dans le corps du brûleur une flamme déjà stabilisée par l'injection principale du mélange air/gazole introduit de manière pulsé à 30 basse fréquence.
Des céramiques sous forme de nid d'abeille ou des fibres métalliques 10 sont disposées à proximité de la résistance 2 sur le trajet de la flamme, mais à une distance suffisante pour qu'elle ne perturbe pas la phase de démarrage. De manière connue, ces 35 céramiques ou fibres métalliques favorisent le développement de la flamme.
Un capteur de température 8 placé dans le corps du brûleur 9, avantageusement à proximité de la sortie d'évacuation des gaz, est relié au calculateur 1, afin de permettre le contrôle de la présence et de l'allumage de la flamme.
La figure 4 représente une autre possibilité d'implantation de la préchambre 3 contenant la résistance 2 avec son arrivée de mélange air/gazole 4. Dans cette forme de réalisation, la préchambre est disposée au centre du corps du brûleur et débouche dans celui-ci au niveau de son extrémité fermée. Face à la zone de débouchement de ladite préchambre 3, on positionne un déflecteur 19 ayant pour fonction de prolonger le parcours de la flamme et de la répartir sur toute la périphérie du brûleur, afin de favoriser le contact de la flamme avec les céramiques ou fibres métalliques 10.
On a également représenté au sein de cette figure 4 la possibilité d'introduire une partie du débit des gaz d'échappement issus du conduit 13 par le biais de plusieurs tubulures 11 qui débouchent tangentiellement en 12 dans le corps du brûleur 9. Ce faisant, on confère aux gaz résultant de la combustion du mélange air/gazole un mouvement de rotation et on accélère ainsi la vitesse de combustion. Par tangentiellement , on entend tangentiellement à une section circulaire du corps de brûleur 9 transversalement à l'axe de révolution du brûleur. Ainsi, quand bien même ledit mélange est déjà enflammé à ce niveau du brûleur, on optimise la propagation de ladite combustion dans toute la longueur dudit brûleur, et en raison de cette introduction tangentielle, on accélère de manière important la vitesse de combustion, typiquement de l'ordre de une à deux fois la vitesse du son.
La bougie chauffante 2, peut par exemple être du type à incandescence (c'est-à-dire du type de celles utilisées sur les chambres des moteurs diesels. Cependant, cette bougie peut également être du type à résistance apparente, ce qui permet un contact direct du mélange carburé avec le filament porté à incandescence. En tout état de cause, elle est positionnée pour être intimement baignée par le mélange de combustible et de comburant.
Selon une caractéristique de l'invention, le comburant est délivré par une électrovanne 5 commandée par un signal du type pulsé, et notamment carré, pouvant présenter une fréquence d'ouverture ajustable de 0,5 hertz à 30 hertz, la durée d'ouverture étant ajustée en fonction de la quantité de combustible injecté.
Parallèlement le combustible est injecté par un injecteur électromagnétique 6 du type de ceux utilisés sur les véhicules à injection essence. La fréquence d'ouverture de cet injecteur est exactement la même que celle de commande de l'électrovanne d'air
Ce faisant, on obtient des variations synchronisé de la richesse du mélange. 10 Compte tenu des variations de densité, la bougie chauffante, et de manière générale le moyen d'allumage électrique est baigné par de l'air pur, puis par de l'air avec de plus en plus de combustible, jusqu'à obtenir le mélange idéal pour brûler. La proportion d'air va ensuite se réduire de plus en plus pour obtenir un mélange trop 15 riche ou théoriquement la flamme devrait s'éteindre, mais c'est là qu'intervient le choix judicieux des fréquences de commande d'ouverture de l'électrovanne et de l'injecteur.
En effet si au moment où la flamme devrait s'éteindre en raison d'un excès de 20 carburant dans le mélange, une nouvelle vague d'air arrive, induisant l'activation de la flamme et ainsi de suite.
Pour mettre en régime ce brûleur, au démarrage le carburant est toujours injecté en très faible quantité pendant quelques secondes, afin que l'énergie de combustion 25 libérée mette en température les céramiques ou fibres métalliques disposées sur le parcours de la flamme, de manière à obtenir une combustion la plus propre et la plus complète possible.
Le thermocouple 8 disposé au sein du brûleur peut également être utilisé par le 30 calculateur 1 pour la montée en puissance du brûleur et le contrôle de la quantité de carburant injecté, la fréquence étant quant à elle choisie en fonction de la taille du brûleur.
Lorsque la puissance nominale du brûleur est atteinte, le niveau de température 35 détectée par le capteur de température 308 situé juste en amont du filtre à particules est pris en considération par le calculateur 1 pour ajuster le débit de carburant injecté pour réguler cette température.
Dès le démarrage du brûleur, l'apport de comburant par les tubulures 11, lorsque le brûleur en est pourvu, permet de générer au sein du brûleur des turbulences inhérentes au mouvement centrifuge d'introduction du comburant, qui contribue à améliorer la qualité de la combustion. Avantageusement, même dans le cas ou de l'air comprimé est disponible en quantité illimité, il est intéressant de disposer de plusieurs tubulures 11 pour introduire une partie des gaz d'échappement, la température de ceux-ci contribuant à améliorer la qualité de la combustion. Les tubulures 11 permettent d'introduire de l'air ou des gaz d'échappement de moteur diesel qui aujourd'hui sur les moteurs modernes, contiennent au minimum 10 % d'oxygène, et vont donc contribuer à finir la combustion
De manière similaire, pour les brûleurs de forte puissance, il est avantageux dès que le brûleur monte en puissance, d'introduire du combustible en complément par l'électrovanne 206 puis le capillaire 207 dans la tubulure 11, au niveau de laquelle se forme un aérosol en mélange avec le comburant.
En effet, afin de brûler des débits importants de mélange si l'on veut minimiser le volume du brûleur il est nécessaire d'introduire ledit mélange avec le plus de mouvement possible et à la température la plus élevée : c'est l'objectif recherché lorsque l'on injecte une proportion importante du mélange dans une flamme bien formée et suffisamment énergétique.
Au débouché de la préchambre au sein du brûleur, les éléments en céramique, notamment réalisés selon une structure en nid d'abeille, sont disposés de manière à se trouver sur le parcours de la flamme et ainsi contribuer à l'amélioration de la combustion. Ces éléments céramiques peuvent être remplacés par des structures fibreuses en métal réfractaire. Dans les deux cas, céramiques ou structures fibreuses métalliques peuvent avantageusement être imprégnées d'un dépôt catalytique du type oxydant, ce dépôt favorisant la qualité de la combustion au démarrage.30 L'allumage du brûleur par le calculateur comporte les phases consistant : ^ à alimenter électriquement la bougie chauffante 2 ; ^ après un temps prédéterminé correspondant sensiblement au temps nécessaire pour que la bougie chauffante 2 atteigne une température comprise entre 600°C et 800°C, à injecter dans la préchambre 3 un débit de mélange pulsé via le conduit tubulaire 4, en procédant sous la commande du calculateur, à des micro-injections de gazole à travers le capillaire 7 au moyen de l'injecteur 6, jusqu'à ce que le capteur de température 8 détecte une augmentation significative de la température : c'est ce capteur qui joue le rôle de détection de flamme ; par exemple le calculateur décide d'arrêter le processus si après 10 secondes, une augmentation de plus de 20°C de la température régnant dans l'enceinte du brûleur n'a pas été mesurée ; ^ la flamme en contact direct avec les éléments céramiques 10, atteint après quelques secondes seulement de fonctionnement une température très élevée favorisant une combustion parfaite. La flamme chauffe la céramique à plus de 1100°C, et c'est ensuite le rayonnement élevé provoqué par cette température de la céramique qui augmente la température du mélange avant combustion puis accélère sa combustion ; ^ à augmenter alors simultanément le débit de gazole et le débit d'air commandés par le calculateur 1, en quantité et dans des proportions telles que la température des gaz d'échappement, mesurée par le capteur de température 308 au niveau de l'entrée de la cartouche de filtration, demeure inférieure à 600°C, cette température étant contrôlée par le calculateur qui dispose par ailleurs d'informations sur les conditions de fonctionnement du moteur ; ^ à arrêter la combustion dans le brûleur par une commande du calculateur, en fonction de la durée de fonctionnement, de la mesure du colmatage par le capteur de pression 16.
Conformément à l'invention, on vise à assurer un fonctionnement et surtout un 30 démarrage corrects du brûleur, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, y compris à pleine puissance, c'est-à-dire lorsqu'il règne dans le brûleur des conditions de turbulence extrême.
Pour cela, le principe qui consiste à injecter dans une préchambre contenant une bougie chauffante, un mélange comburant/ combustible de manière pulsée à une fréquence contrôlée, permet en fait le passage au contact de cette bougie chauffante d'un mélange présentant une bonne inflammabilité à chaque pulsation, et génère ainsi à chaque pulsation un front de flamme qui se développe d'autant plus vite que la vitesse d'introduction des gaz est grande. Il ne peut donc pas y avoir interruption de la flamme puisque celle-ci est en permanence ré-allumée .
Comme indiqué dans l'état antérieur de la technique, ce micro-brûleur peut être mis en oeuvre de la même manière que pour la régénération des filtres à particules, chaque fois que les exigences en matière d'émission en polluants imposent une efficacité optimum des catalyseurs utilisés pour le post traitement des gaz d'échappement dès le démarrage des moteurs.
La figure 5 représente l'implantation de ce brûleur miniaturisé pour porter en température, dès le démarrage du moteur, les gaz d'échappement 20, afin d'élever très rapidement la température de fonctionnement de ce catalyseur 21 contrôlée par le capteur de température 508.
Ainsi le brûleur de l'invention peut avantageusement être mis en oeuvre en amont d'un catalyseur de réduction des oxydes d'azote 21 par l'injection d'ammoniac ou d'urée, car celle-ci ne peut intervenir qu'à une température minimum de 180/190 °C, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de réduire les oxydes d'azote sur ce catalyseur tant que ce minimum de température n'est pas atteint.
De la même manière, ledit brûleur peut aussi être utilisé en amont d'un catalyseur d'oxydation 21 à base de métaux précieux, tels que le platine ou le palladium, afin que la température à laquelle le catalyseur devienne efficace soit atteinte très rapidement, généralement ces catalyseurs ne commençant à être efficace qu'au voisinage des 200°C.
La très faible taille de ce brûleur 9 permettant de le disposer par exemple directement devant le catalyseur, voire dans le conduit d'arrivé des gaz d'échappement au niveau de ce catalyseur, de sorte qu'il devient alors possible de mettre en température ce catalyseur dans un temps extrêmement court, typiquement quelques secondes, à comparer à une durée de plusieurs minutes en l'absence de cet artifice.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Brûleur alimenté par un mélange de carburant et de comburant, destiné à générer une flamme et corollairement de la chaleur destiné à chauffer au moins un élément de traitement (21) ou de filtration (16) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit brûleur comprenant un corps de brûleur (9) présentant une extrémité fermée, et 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 : ^ un moyen électrique d'allumage (2) dudit mélange ; ^ des moyens (5, 6) pour injecter indépendamment l'un de l'autre le carburant et le comburant de manière pulsée dans le corps du brûleur au contact du moyen électrique d'allumage (2) selon une fréquence bien déterminée, la fréquence de commande desdits moyens étant identique.
  2. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de commande desdits moyens (5, 6) est comprise entre 0,5 et 30 hertz.
  3. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pourcentage d'ouverture des moyens (5, 6) pour injecter respectivement le carburant et le comburant est inférieure à 80 %, et préférentiellement compris entre 10 et 50 %.
  4. 4. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour injecter le carburant et le comburant sont respectivement constitués d'un injecteur (6) et d'une électrovanne (5).
  5. 5. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ajustage de la fréquence d'injection de carburant et de comburant est réalisé au moyen d'un calculateur (1), et en ce que le signal de la fréquence est de forme carré.
  6. 6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le calculateur (1) pilote les débits d'injection en combustible et en comburant en fonction des signaux délivrés par des capteurs de température, l'un d'entre eux étant situé dans le corps du brûleur (9) et le second à l'entrée du filtre à particules, et par un capteur de pression différentiel qui mesure la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre à particules, et donc indiquant l'évolution de la perte de charge due au colmatage du média filtrant dudit filtre par les particules solides.
  7. 7. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange de combustible et de comburant débouche au moyen d'un conduit (4) dans une préchambre (3) située en amont du corps de brûleur (9), et en ce que le moyen électrique d'allumage (2) dudit mélange est positionné dans la préchambre (3).
  8. 8. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément ou des éléments céramiques (10), notamment de structure en nid d'abeilles, ou des grilles ou fibres métalliques réfractaires, disposés en sortie de la préchambre (3) ou sur le parcours de la flamme résultant du contact entre le mélange comburant/combustible et le moyen électrique d'allumage (2) dans le corps de brûleur.
  9. 9. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange de combustible et de comburant débouche au sein du corps du brûleur (9) au moyen d'au moins un conduit (7) selon une direction essentiellement tangentielle audit corps de brûleur (9), de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur (9).
  10. 10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième conduit (11) d'adduction du mélange de combustible et de comburant débouchant dans le corps de brûleur (9) selon une direction essentiellement tangentielle au corps de brûleur (9), de manière à pouvoir imprimer audit mélange un mouvement tourbillonnant au sein du corps de brûleur (9).
  11. 11. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur (19), obstruant une partie substantielle du corps de brûleur (9).
  12. 12. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le comburant est de l'air issu du turbocompresseur du moteur.
  13. 13. 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 (16), destinée 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 (16), caractérisé en ce qu'elle comprend au moins un brûleur selon l'une des revendications 1 à 12.
  14. 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 un catalyseur de réduction des oxyde d'azote (21) ou un catalyseur d'oxydation (21), destinée à réduire les polluants NOx,HC,CO contenues dans lesdits gaz d'échappement dudit moteur, et au moins un orifice d'échappement à l'atmosphère desdits gaz situé en aval dudit catalyseur (21), caractérisé en ce qu'elle comprend au moins un brûleur selon l'une des revendications 1 à 12.
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