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Title:
INSTALLATION FOR CLEANING EXHAUST GASES OF A DIESEL ENGINE OF AN ELECTROGEN GROUP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/098209
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an installation for cleaning exhaust gases of a Diesel engine (1) of an electrogen group by means of a particle filter (2), said installation being mounted in the exhaust duct of the engine and characterised by a particle filter (2) that is undersized in relation to the nominal flow of the fumes from the Diesel engine (1), a controlled by-pass (5) around the filter (2), and a control circuit comprising an operating sensor for the Diesel engine. Said operating sensor supplies a signal representing a parameter of the Diesel engine and generates the control signal (52, 53) on the basis of said parameter for controlling the closing of the by-pass and opening it only when the parameter of the engine has reached a certain level.

Inventors:
PERCEVAUT PIERRE (FR)
Application Number:
PCT/FR2005/050188
Publication Date:
October 20, 2005
Filing Date:
March 23, 2005
Export Citation:
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Assignee:
PERCEVAUT PIERRE (FR)
International Classes:
F01N1/24; F01N3/023; F01N3/031; F01N9/00; F02B63/04; F02D29/06; (IPC1-7): F01N3/031; F01N3/023; F02B63/04; F02D29/06
Foreign References:
US4702075A1987-10-27
US4962643A1990-10-16
DE10000921A12001-07-19
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 0121, no. 82 (M - 702) 27 May 1988 (1988-05-27)
Attorney, Agent or Firm:
Cabinet, Herrburger (Paris, FR)
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Claims:
R E V E N D I C A T I O N S
1. Installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel (1) de groupe électrogène à l'aide d'un filtre à particules (2), monté dans la conduite des gaz d'échappement du moteur, caractérisée par un filtre à particules sousdimensionné par rapport au débit nominal des fumées du moteur Diesel (1), une dérivation commandée (5), contournant le filtre, un circuit de commande ayant * un détecteur de fonctionnement du moteur Diesel fournissant un signal représentant la puissance délivrée par le moteur Diesel et gé¬ nérant le signal de commande à partir de ce paramètre pour com¬ mander la fermeture de la dérivation (5) et ne l'ouvrir que lorsque la puissance délivrée par le moteur (1) a atteint un niveau donné.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture de la dérivation (5) est réglable.
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réglage de la dérivation (5) est fonction des pertes de charge dans le fil¬ tre (2).
4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle comporte une enveloppe logeant le filtre à particules (2) et la dériva¬ tion (5), cette enveloppe ayant une entrée de fumées en sortie du moteur Diesel (1) et une sortie de fumées nettoyées.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'enveloppe est munie d'une isolation phonique. 6e) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dérivation (5) débouche dans la conduite principale en formant un Venturi. 7. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrée du filtre à particules (2) est placée dans l'axe du conduit d'entrée de l'installation et l'entrée de la dérivation (5) se situe dans la zone péri¬ phérique.
Description:
« Installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel d'un groupe électrogène » Domaine de l'invention La présente invention concerne une Installation de net- toyage des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un groupe élec¬ trogène, ou de tout autre type d'équipement intégrant un moteur thermique, à l'aide d'un filtre à particules, montée dans la conduite des gaz d'échappement du moteur. De façon plus particulière, cette installation est destinée à nettoyer ou à filtrer les gaz d'échappement émis par un moteur Diesel fixe de groupe électrogène au moment du démarrage de ce groupe car, à ce moment, l'excédent de carburant par rapport à l'air comburant se traduit par l'émission d'un panache de suies couramment dénommé panache noir ou bouffée noire. En d'autres termes, le démarrage d'un groupe électrogène à moteur Diesel génère une forte émission de particules imbrûlées, très visi¬ ble, durant la phase où la proportion air/ carburant injecté n'est pas opti¬ male, c'est à dire durant 10 à 20 secondes. Durant cette phase, les températures et débits de gaz sont relativement faibles. Lorsque le moteur atteint son régime de fonctionnement normal, qui est de 1500 ou 1800 tours par minute selon la fréquence de l'électricité produite, l'émission de particules imbrûlées est faible et de toutes façons invisible. Etat de la technique II existe différents moyens de retenir les suies ou particules solides émanant d'un moteur Diesel, notamment des filtres à particules à régénération électrique ou automatique. Dans les filtres à régénération électrique, des résistances électriques placées avant ou au cœur du filtre produisent une forte éléva- tion de température des gaz traversants, entraînant le brûlage des suies accumulées. Les filtres à régénération automatique combinent un cataly¬ seur de pré oxydation à un filtre à particules à couches poreuses ; selon une autre variante, ils sont constitués d'un filtre à particules à couches poreuses pré-imprégnées de métaux précieux à effet catalytique. Le cata¬ lyseur favorise l'oxydation du monoxyde d'azote NO en bioxyde d'azote NO2. La présence de NO2 permet d'abaisser la température de combustion des suies recueillies et l'utilisation en continu du filtre, sous réserve d'obtenir les températures d'oxydation catalytique et de combus¬ tion des suies. Ces filtres doivent être calculés à partir du débit maximum et à la température maximum des gaz d'échappement émis par le moteur. Ils nécessitent des gaz à des températures relativement éle¬ vées pour pouvoir se régénérer automatiquement, de l'ordre de 7000C pour les filtres électriques et 3200C pour les filtres à action catalytique. Or, composés de canaux à parois poreuses traversés par les gaz, ces filtres sont susceptibles de se colmater et de provoquer la casse du moteur. Ce colmatage peut intervenir si les températures des gaz d'échappement sont trop longtemps insuffisantes, ce qui est le cas de nombreux groupes électrogènes à moteur Diesel, utilisés en secours ou sécurité de réseau électrique, qui ne sont démarrés qu'une fois par mois, sans charge, durant un court laps de temps, hormis, bien entendu les démarrages liés à des coupures de courant. Le colmatage peut également intervenir par fusion du filtre à couches poreuses, si après une longue phase d'utilisation du moteur dans des conditions de températures défavorables, le moteur travaille en charge brutalement et durablement, du fait d*une coupure de courant, par exemple. L'élévation de température, considérablement amplifiée par des pertes de charges excessives, entraîne alors la combustion brutale d'une quantité importante des suies accumulées, qui peut conduire à la fusion du filtre à couches poreuses. Ce type de filtre est généralement installé sur des moteurs où une présence humaine est assurée à proximité lors de l'utilisation du moteur : véhicules et engins de chantier, permettant à l'opérateur de réa¬ gir rapidement en cas d'anomalie de fonctionnement. Mais en raison des risques ci-dessus exposés, les utilisa- teurs de groupes électrogènes sont extrêmement réticents à installer ce type de filtres, par ailleurs très coûteux, sur des équipements destinés à assurer quoi qu'il arrive la fourniture d'énergie en secours ou en sécurité (hôpitaux, centres informatiques, ...), ces moteurs fonctionnant en dehors de toute présence humaine susceptible de réagir rapidement en cas de colmatage du filtre à particules. De plus, les groupes électrogènes utilisés dans cette confi¬ guration ne sont actuellement pas astreints au respect d'une réglementa¬ tion concernant la qualité de leurs rejets gazeux. Le traitement de la bouffée noire au démarrage de ce type de moteurs n'a donc pas actuellement de solution satisfaisante But de l'invention La présente invention a pour but de développer une instal- lation de nettoyage des gaz d'échappement du type défini ci-dessus, cons¬ tituant une solution simple et économique et sûre pour le nettoyage des gaz d'échappement au cours de la phase de démarrage d'un moteur Die¬ sel, et permettant de supprimer les risques de casse du moteur liés à une éventuelle détérioration du filtre tout en assurant en plus une épuration partielle permanente des gaz d'échappement. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une installation de net¬ toyage des gaz d'échappement du type défini ci-dessus caractérisée par - un filtre à particules sous-dimensionné par rapport au débit nominal des fumées du moteur Diesel, - une dérivation commandée, contournant le filtre, - un circuit de commande ayant * un détecteur de fonctionnement du moteur Diesel fournissant un signal représentant un paramètre du moteur Diesel et générant le signal de commande à partir de ce paramètre pour commander la fermeture de la dérivation et ne l'ouvrir que lorsque le paramètre du moteur a atteint un niveau donné. L'installation selon l'invention permet d'éliminer la bouffée noire ou le panache noir au démarrage du moteur, notamment d'un mo- teur entraînant un groupe électrogène grâce à un filtre de volume considé¬ rablement réduit par rapport à ce qui serait nécessaire au regard de la puissance nominale pour le régime de fonctionnement normal du moteur. Comme la dérivation contourne le filtre, même si par accident le filtre est colmaté, le moteur ne s'étouffe pas et évite les risques de casse ou d'incidents. L'invention permet en outre d'assurer une épuration partielle permanente des gaz d'échappement tout en permettant la régénération du filtre à particules selon son mode de fonctionnement. En effet, l'invention peut utiliser un filtre à particules à régénération électrique ou automati¬ que. L'installation selon l'invention est beaucoup plus économi¬ que qu'une installation connue à la fois pour l'investissement initial et pour l'entretien puisque le filtre est sous-dimensionné et sa surface ou plus généralement son volume ne correspondent qu'à une fraction du filtre qui serait nécessaire s'il était traversé par le débit nominal des fumées. A l'entretien, l'installation selon l'invention est également beaucoup plus économique à la fois parce qu'elle supprime pratiquement tout risque de destruction du filtre, en soi coûteux, du fait du contourne- ment et parce que cela permet plus facilement une régénération du filtre et assure globalement un fonctionnement plus efficace même en régime permanent. Selon l'invention, au démarrage du moteur, le clapet de fermeture de la dérivation se trouve fermé, entraînant ainsi la filtration de la totalité du flux gazeux chargé de particules solides. Après la phase de démarrage, le clapet de fermeture s'ouvre et les gaz d'échappement s'éva¬ cuent alors par les deux sorties en même temps. La section de passage des gaz au travers de la dérivation est dimensionnée pour offrir une résistance qui impose la traversée par une partie des gaz d'échappement au travers du filtre à particules, offrant ainsi les conditions favorables à la régénération du filtre et à une épuration partielle du flux gazeux. En cas de problèmes sur le filtre à particules, par exemple un colmatage des parois, les gaz s'évacuent en totalité par la dérivation, moyennant une élévation de pression qui restera dans la limite admissible pour le moteur. Le filtre étant environné de gaz chauds poursuivra néan¬ moins son travail de régénération. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'ouverture de la dérivation est réglable ce qui permet d'équilibrer le passage direct des fumées à travers le filtre et le passage par la dérivation pour ne pas créer de passage préférentiel à travers la dérivation dans les conditions normales de fonctionnement du moteur, une fois la phase de démarrage terminée. Le réglage de la dérivation est en particulier asservi sur les pertes de charges dans le filtre, de façon que lorsque celles-ci augmentent périodiquement en fonction soit de l'encrassement du filtre avant sa régé¬ nération, soit de l'augmentation du débit de gaz, le réglage soit diminue les pertes de charge également dans la dérivation soit au contraire les augmente. Ce paramètre utilisé pour la mise en œuvre du filtre est, de préférence, le taux de charge ou puissance délivrée par le moteur. Suivant une autre caractéristique, l'installation comporte une enveloppe logeant le filtre à particules et la dérivation, cette enveloppe ayant une entrée de fumée branchée sur la sortie du moteur et une sortie de fumée nettoyée. L'installation ainsi réalisée peut se monter simplement sur l'échappement d'un moteur Diesel, notamment celui d'un groupe électrogène. De façon avantageuse, l'enveloppe est munie d'une isolation phonique. Pour favoriser le passage des fumées à travers le filtre, il est intéressant que la dérivation débouche dans la conduite principale de sortie du filtre en formant un venturi dont la dépression est appliquée à la sortie du filtre ce qui permet de récupérer une partie de l'énergie des fu¬ mées contournant le filtre pour augmenter ainsi le débit de fumées à tra¬ vers le filtre. Une organisation intéressante de l'installation consiste à placer l'entrée du filtre à particules dans l'axe du conduit d'entrée de l'installation pour favoriser l'écoulement à travers le filtre et l'entrée de dé¬ rivation dans la zone périphérique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma général de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, - la figure 2 montre un premier mode de réalisation d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement, - la figure 3 montre un second mode de réalisation d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement, - la figure 4 montre une variante du premier ou du second mode de réa- lisation. Description de modes de réalisation Selon la figure 1, l'invention concerne une installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel 1, notamment d'un groupe électrogène. S'agissant d'un moteur Diesel de groupe électrogène, il démarre très rapidement entre la vitesse nulle et sa vitesse de régime pour être stabilisé sur cette vitesse de régime correspondant au fonctionnement permanent. L'installation se compose d'un filtre à particules 2 dont la conduite d'entrée 3 est reliée à l'échappement du moteur 1 pour recevoir les gaz ou fumées à nettoyer. Une conduite de sortie 4 permet aux fumées filtrées de s'échapper à l'atmosphère. Une conduite de dérivation 5 commandée branchée sur la conduite d'entrée 3 en amont du filtre à particules 2 rejoint la conduite de sortie 4 du filtre à particules en aval de celui-ci. Cette dérivation ou con¬ duite de dérivation 5 est commandée par un clapet 6 et sa perte de charge peut être réglée par un organe de réglage 8 indépendant du clapet 6. Le réglage de la perte de charge peut également se faire à l'aide du clapet 6 mis dans une position intermédiaire entre la position fermée et la position ouverte selon un degré d'ouverture déterminé. L'installation comporte également un capteur associé au moteur 1 dont on nettoie les fumées. Ce capteur 9 détecte un paramètre de fonctionnement du moteur, par exemple la puissance délivrée par le moteur. Le capteur 9 fournit son signal SI a un circuit de commande 10 qui traite le signal et en déduit un signal de commande S2 appliqué au clapet 6 pour l'ouverture ou la fermeture du clapet et, par suite, la com¬ mande du conduit de dérivation 5 en fonction du signal du capteur. Ce circuit de commande gère le canal de dérivation selon des règles de com¬ mande, par exemple enregistrées en mémoire. Ces règles de commande peuvent être un seuil de vitesse : en dessous d'un certain seuil de vitesse de rotation du moteur 1, le circuit de commande 10 envoie un signal S2 qui ferme le clapet 6 et, par suite, le canal de dérivation 5 ; au-delà de ce seuil, le circuit 10 envoie un signal de commande S3 qui ouvre le clapet 6 et permet aux fumées de passer au moins en partie par le canal de déri¬ vation 5 en contournant le filtre 2. Le filtre à particules 2 est un filtre à régénération. Ce filtre est sous-dimensionné pour le débit nominal des fumées émises par le moteur 1 lorsque celui-ci tourne à son régime nominal. L'installation de nettoyage des gaz d'échappement selon l'invention fonctionne de la manière suivante : En général et quelle que soit la gestion de son fonctionne¬ ment, le moteur Diesel 1 est susceptible d'émettre des fumées noires au début de sa phase de fonctionnement, au moment du démarrage et peu après le démarrage, avant d'atteindre le régime permanent ou régime no¬ minal. Pendant cette phase de fonctionnement, il est important que les fumées soient nettoyées des suies et certaines réglementations im¬ posent ce nettoyage. Pendant la phase de démarrage, le conduit de déri¬ vation 5 de l'installation est fermé et toutes les fumées traversent le filtre à particules 2. Toutefois, ce filtre à particules n'est pas dimensionné pour le débit de fumée correspondant à la puissance nominale mais seulement à une fraction de cette puissance nominale. Ce dimensionnement convient parfaitement au fonctionnement du moteur en phase de démarrage. Au fur et à mesure de l'accélération du moteur 1, le rapport air/ carburant se rapproche progressivement des conditions d'une com¬ bustion normale en général stœchiométrique, et les fumées noires formées par les suies en suspension diminuent très rapidement. En d'autres termes, au début d'un démarrage du moteur 1, la quasi-totalité des fumées peut traverser le filtre à particules 2 même sous-dimensionné. Lorsque le moteur 1 atteint son régime nominal, le capteur 9 fournit un signal Sl correspondant et le circuit de com¬ mande 10 demande alors l'ouverture au moins partielle ou progressive e la conduite de dérivation 5 pour permettre au moteur de délivrer sa puis¬ sance jusqu'à atteindre sa puissance nominale. Pendant ce fonctionnement au régime nominal, une fraction importante des fumées traverse nécessairement le filtre à particules 2 qui élimine ainsi les particules restant dans les fumées. L'effet du filtre à par¬ ticules 2 est également soutenu par l'effet d'aspiration crée par le canal de dérivation 5 débouchant dans la conduite de sortie 4 du filtre à particu- les 2 en créant un effet de venturi dans cette zone 11 favorisant ainsi le passage des fumées à travers le filtre à particules 2. La figure 2 montre un mode de réalisation de l'installation présentée sous la forme d'un schéma par blocs à la figure 1. Selon ce mode de réalisation, l'installation se compose d'une enveloppe 101 logeant un filtre à particules 102 muni d'une entrée 103 en forme d'entonnoir constituant la chambre d'admission 104 dans laquelle débouche la con¬ duite de sortie 105 du moteur à combustion interne. En aval du filtre à particules 102, la sortie 106 est constituée par un canal de sortie formant une zone de venturi 107, puis une tuyère 108 pour rejoindre le diamètre de la conduite d'échappement 109. L'enveloppe 101 est munie d'une con¬ duite de dérivation 110 commandée débouchant dans l'enveloppe 101 par une entrée 111 au niveau du filtre à particules 102 pour sortir de préfé¬ rence dans l'axe par une sortie 112 dans la zone de venturi 107. Cette conduite de dérivation 110 est munie d'un clapet commandé 113 par un actionneur 114 qui permet de fermer ou d'ouvrir totalement ou partielle¬ ment la conduite de dérivation 110 et répartir les fumées de sortie du moteur entre le filtre à particules 102 et cette conduite de canal de déri- vation 110 contournant le filtre à particules. La direction d'entrée des fu¬ mées en amont du filtre dans la chambre 104 est indiquée par la flèche A. la sortie des fumées filtrées dans le diffuseur 108 puis dans la conduite 109 est indiquée par la flèche B et le mouvement d'une partie des fumées contournant le filtre 102 pour passer par la dérivation 110 est indiqué par la flèche C. Il est à remarquer que le filtre 102 est placé dans l'axe XX de l'installation et l'entrée 111 de la dérivation 110 se trouve dans la zone annulaire sensiblement au niveau du filtre 102, en aval de la cham¬ bre 104. Cette entrée 111 est constituée, dans l'exemple de réalisation, par une ouverture prévue dans la paroi latérale de l'enveloppe 101, la zone annulaire entourant le filtre 102 constituant en quelque sorte le collec¬ teur. Il est également à remarquer que l'enveloppe 101 rejoint la tuyère 108 et le conduit 109 en aval dans la partie 116 de manière à éviter toute sortie de fumée. Le conduit de dérivation 110 est représenté schématique- ment par un conduit sortant de la paroi de l'enveloppe 101 pour y repé¬ nétrer et arriver sensiblement sur l'axe XX par la sortie 112, de manière à créer l'effet de venturi dans la zone de venturi 107. L'accès au filtre à particules 102 est assuré par une trappe d'accès 115 ou couvercle d'accès équipant l'enveloppe 101 au niveau du filtre à particules 102. L'actionneur 114 du clapet 113 du canal de dérivation est de préférence un actionneur pneumatique 113 à simple effet ou à double effet. Le clapet peut en effet être rappelé dans sa position d'ouverture par un ressort et être amené à sa position de fermeture par l'actionneur à simple effet. L'actionneur peut également être à double effet pour fermer ou ouvrir le clapet du canal de dérivation. La figure 3 montre un exemple de réalisation de l'installation présentée par le schéma blocs de la figure 1. Dans un but de simplification, les éléments identiques ou analogues à ceux du mode de réalisation de la figure 2 portent ici les mêmes références. Ce mode de réalisation se distingue de celui de la figure 2 uniquement par une modifi- cation de la structure du filtre à particules. Ici, ce filtre à particules com¬ porte, dans le sens de passage des fumées (flèche A), d'abord un cataly¬ seur 201 puis une zone partiellement ouverte 202 permettant le traitement d'une partie plus importante de fumées que celle susceptible d'être admise dans le filtre 203, voire de la totalité des gaz d'échappement, quelle que soit la puissance délivrée. La zone partiellement ouverte 202 est constituée par une virole munie de trous permettant, comme indiqué, aux fumées de sortie en partie de la chambre 104 à travers le catalyseur 201 pour contourner le filtre 203 et arriver à l'entrée de la dérivation 110 en passant par les orifices de la virole 202 (ce cheminement des fumées est indiqué par la flèche D). En parallèle à ce filtre à particules 203, il y a la dérivation munie de son clapet de commande 113 ainsi que l'actionneur 114. Comme dans le premier mode de réalisation, la dérivation 110 est en partie ex- terne à la forme générale de l'enveloppe 101. L'actionneur 114 du cla¬ pet 113 commandant le conduit de dérivation 110 est, de préférence, un actionneur pneumatique à simple ou double effet. La figure 4 montre une variante de réalisation de l'installation des figures 2 et 3. Pour la présentation de cette variante, on a utilisé les mêmes références qu'aux figures 1 et 2 pour désigner les mêmes éléments. En fait, cette variante est présentée pour un filtre 102 non précédé d'un catalyseur. Toutefois, cette variante s'applique dans les mê¬ mes conditions à l'ensemble catalyseur-filtre du mode de réalisation de la figure 3. Dans cette variante, l'enveloppe est munie d'une isolation phoni¬ que 301 au niveau du filtre 102 et des parties directement en amont et en aval, de façon à réduire les nuisances phoniques du moteur du groupe électrogène au niveau de son échappement, l'ensemble pouvant ainsi remplacer purement et simplement le silencieux moteur.