FR2720441A1 - Reduction of carbonaceous particulate emissions in vehicle exhausts - Google Patents
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Abstract
Description
UN PROCEDE DE FILTRATION ET DE COMBUSTION
DE MATIERES CARBONEES ISSUES DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention a pour objet un procédé de filtration et de combustion de matières carbonées issues des moteurs à combustion inteme. L'invention conceme plus particulièrement la régulation de la perte de charge occasionnée dans les filtres par l'accumulation des suies dans les filtres.A FILTRATION AND COMBUSTION PROCESS
OF CARBON MATERIALS FROM INTERNAL COMBUSTION ENGINE
The present invention relates to a method for filtering and combustion of carbonaceous materials from internal combustion engines. The invention relates more particularly to the regulation of the pressure drop caused in the filters by the accumulation of soot in the filters.
Lors de la combustion des carburants dans les moteurs à combustion inteme et notamment lors de celle du gazole dans le moteur diesel, il se forme des matières carbonées, ci-après dénommées "suies", qui sont réputées nocives tant pour la santé des mammifères supérieurs que pour l'environnement.During the combustion of fuels in internal combustion engines and in particular diesel fuel in the diesel engine, carbonaceous materials are formed, hereinafter referred to as "soot", which are considered harmful for the health of the higher mammals. only for the environment.
Ces suies sont particulièrement abondantes dans le cas des moteurs diesels et constituent un handicap pour ce type de moteur. La plupart des solutions envisagées consistant à changer le régime du moteur ou ses paramètres de fonctionnement se heurtent à une autre contrainte, celle de ne pas augmenter l'émission de monoxyde de carbone etlou de gaz réputés toxiques et mutagènes tels que les oxydes d'azote.These soot are particularly abundant in the case of diesel engines and constitute a handicap for this type of engine. Most of the solutions envisaged to change the engine speed or its operating parameters face another constraint, that of not increasing the emission of carbon monoxide and / or gases deemed toxic and mutagenic such as nitrogen oxides. .
Compte tenu de ce qui précède, la technique la plus performante semble être l'adaptation au pot d'échappement d'un filtre susceptible d'arrêter la totalité ou tout du moins la plus grande partie des suies formées par la combustion des divers combustibles.Given the foregoing, the most efficient technique seems to be the adaptation to the exhaust pipe of a filter capable of stopping all or at least most of the soot formed by the combustion of various fuels.
On a ainsi réussi à réaliser des filtres, notamment en cordiérite, qui permettent de réduire d'au moins 85 % en masse les émissions de suies.It has thus succeeded in making filters, especially cordierite, which can reduce by at least 85% by mass soot emissions.
Le problème à résoudre réside dans l'accumulation de ces suies dans les filtres qui provoque dans un premier temps une augmentation de perte de charge et, dans un deuxième temps, un début d'obturation qui conduit à une perte de rendement du moteur à combustion inteme.The problem to be solved lies in the accumulation of these soot in the filters which initially causes an increase in pressure drop and, in a second step, a start of shutter which leads to a loss of efficiency of the combustion engine. internal.
On a essayé maintes fois des techniques de combustion de ces suies. On a ainsi proposé de provoquer la combustion de ces suies de manière intermittente soit par chauffage électrique soit par un chauffage au moyen d'un combustible allumeur fossile.Many attempts have been made to burn these soot. It has been proposed to cause the combustion of these soot intermittently either by electric heating or by heating with a fossil igniter fuel.
On a également envisagé la possibilité de puiser la chaleur nécessaire à l'allumage de ces suies dans le moteur lui-même par une habile gestion des flux de gaz de manière à chauffer les suies accumulées dans le filtre et ipso facto à provoquer leur inflammation (température de l'ordre de 500"C). It was also considered the possibility of drawing the heat necessary for the ignition of these soot in the engine itself by a skilful management of gas flows so as to heat the soot accumulated in the filter and ipso facto to cause their ignition ( temperature of the order of 500 ° C).
On a également proposé d'introduire des précurseurs de catalyseur d'inflammation dans les différents carburants, de manière à abaisser la température de l'inflammation des suies. Ces techniques, notamment celle de la combinaison de l'augmentation de la température des suies à l'aide d'un circuit adapté et transitoire des gaz d'échappement avec l'addition de précurseurs de catalyseur d'oxydation, ont permis de résoudre au moins partiellement le problème.It has also been proposed to introduce ignition catalyst precursors in the various fuels, so as to lower the temperature of the soot ignition. These techniques, in particular that of the combination of the increase of the soot temperature by means of a suitable and transient circuit of the exhaust gases with the addition of oxidation catalyst precursors, made it possible to solve the problem. less partially the problem.
Toutefois, d'une part la température d'inflammation des suies reste relativement élevée (de l'ordre de 500"C) et d'autre part les combustions intermittentes et brutales risquent d'occasionner une altération significative du filtre et de ses capacités de filtration, soit par une fissuration due au choc thermique, soit même par fusion.However, on the one hand the soot ignition temperature remains relatively high (of the order of 500 ° C) and on the other hand the intermittent and brutal combustions may cause a significant alteration of the filter and its cooling capacities. filtration, either by cracking due to thermal shock, or even by fusion.
C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de foumir un procédé de combustion des suies qui soit aussi continu que possible.Therefore, it is an object of the present invention to provide a soot burning process that is as continuous as possible.
Un autre but de la présente invention est de foumir un procédé de combustion des suies qui n'aboutisse pas à des inflammations brutales, violentes et soudaines conduisant à endommager le filtre. Pour atteindre un tel résultat, il convient d'éviter qu'au cours de la phase d'inflammation, en aucun endroit du filtre la température n'atteigne 1000"C, avantageusement 900"C, de préférence 700"C. Another object of the present invention is to provide a soot combustion process which does not result in sudden, violent and sudden ignitions leading to damage to the filter. To achieve such a result, it should be avoided that during the ignition phase, at any point in the filter the temperature does not reach 1000 ° C, preferably 900 ° C, preferably 700 ° C.
II est difficile de mesurer les températures locales, aussi a-t-on établi que ces demières contraintes correspondaient à des températures de gaz maximales, à la sortie du filtre, d'au plus 600"C environ ("environ" signifie ici que zéros, qui sont ici des zéros de position, ne sont pas des chiffres significatifs), de préférence à 500 "C environ. It is difficult to measure local temperatures, so it has been established that these last constraints correspond to maximum gas temperatures, at the filter outlet, of at most about 600 ° C ("about" means here only zeros , which are position zeros here, are not significant digits), preferably at about 500 ° C.
Ces buts, et d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints au moyen d'un procédé de filtration des gaz d'un moteur à combustion inteme, procédé qui consiste à:
introduire dans la chambre de combustion au moins un dérivé de terres rares
ou de mélange de terres rares à une concentration comprise entre 10 ppm et 500
ppm (en masse), de préférence entre 20 ppm et 200 ppm;
recueillir sur un filtre les suies produites par le moteur à combustion inteme,
la température des gaz entrant dans le filtre étant choisie dans l'intervalle 100 "C-
350 "C (les zéros de position ne sont pas des chiffres significatifs); et
laisser les suies s'accumuler jusqu'à atteindre un régime ou une fraction
notable des suies anivantes est compensée par la combustion de suies dans le
gâteau de suies sur le filtre et ne prévoir aucune régénération tant que la perte de
charge provoquées par les suies n'excède pas une valeur choisie à l'avance et
n'excédant pas 400 millibar.These and other objects which will become apparent are achieved by a gas filtration process of an internal combustion engine, which method comprises:
introducing into the combustion chamber at least one rare earth derivative
or rare earth mixture at a concentration of between 10 ppm and 500
ppm (by mass), preferably between 20 ppm and 200 ppm;
collect on a filter the soot produced by the internal combustion engine,
the temperature of the gases entering the filter being chosen in the range 100 ° C
350 "C (position zeros are not significant digits), and
let the soot accumulate until reaching a diet or a fraction
noticeable soot is compensated for by the burning of soot in the
soot cake on the filter and do not expect any regeneration as long as the loss of
charge caused by soot does not exceed a value chosen in advance and
not exceeding 400 millibar.
De manière surprenante on a pu constater qu'il n'y avait, en général, pas besoin de provoquer les régénérations lorsque l'on respectait les conditions ci dessus
La régénération allogène (ou exogène) ne peut être envisagée que lorsque l'on désire maintenir un niveau de perte de charge particulièrement bas. Comme régénération allogène il convient alors d'envisager des régénérations réalisées par une surchauffe ponctuelle, et non globale sur tout le filtre; cette possibilité n'est intéressante que parce que, selon l'invention, une surchauffe ponctuelle n'entraîne pas une régénération globale et complète du filtre.Surprisingly it was found that there was, in general, no need to cause regeneration when the above conditions were respected
Allogenic (or exogenous) regeneration can only be considered when it is desired to maintain a particularly low level of pressure drop. As allogeneic regeneration it is then necessary to consider regenerations carried out by a single overheating, and not global over the entire filter; this possibility is only interesting because, according to the invention, an overheating point does not result in a complete and complete regeneration of the filter.
Les surchauffes ponctuelles peuvent être réalisée par tout moyen connu de l'homme de métier, tel que micro-résistance réparties sur la surface du filtre, particules métalliques chauffées par courant de Foucault, mini-arc ou équivalents.Spot overheating can be achieved by any means known to those skilled in the art, such as micro-resistances distributed over the surface of the filter, metal particles heated by eddy current, mini-arc or equivalent.
Le mode de filtration selon l'invention ne fonctionne en général que pendant une partie des régimes d'un moteur, car certains des régimes engendrent des gaz de température de l'ordre de 5000C qui ipso facto réalise une régénération progressive et souvent complète du filtre.The filtration mode according to the invention generally only works during a part of the engine speeds, because some of the regimes generate gas temperature of the order of 5000C ipso facto performs a gradual regeneration and often complete filter .
II est à noter que la température des gaz entrants dans le filtre peut varier à l'intérieur du domaine de température 100-400C. Ces variations, qui peuvent être délibérément provoquées, favorisent la régénération et permettent de maintenir une perte de charge de faible valeur. It should be noted that the temperature of the gases entering the filter can vary within the temperature range 100-400C. These variations, which can be deliberately provoked, promote regeneration and maintain a low-value pressure drop.
Les terres rares préférées sont les cérium, le lanthane et les mélanges contenant du cérium et du lanthane. La teneur la plus courante du carburant en terres rares (métal) contenu est comprise entre 50 et 150 ppm.Preferred rare earths are cerium, lanthanum and mixtures containing cerium and lanthanum. The most common content of the REE fuel (metal) content is between 50 and 150 ppm.
Selon la présente invention, on peut choisir la teneur en terres rares du carburant de manière à régler la perte de charge à une valeur choisie à l'avance. On peut également jouer sur la surface filtrante, et tout en restant dans le domaine spécifié ci dessus la température.According to the present invention, the rare earth content of the fuel can be selected so as to adjust the pressure drop to a value chosen in advance. One can also play on the filtering surface, and while remaining in the above specified temperature range.
Cette valeur choisie à l'avance est de préférence comprise entre 100 et 400 millibar, de préférence entre 150 et 300 millibar. This value chosen in advance is preferably between 100 and 400 millibar, preferably between 150 and 300 millibar.
Pour obtenir de tels résultats, il est préférable que les terres rares présentes dans les suies présentent une concentration entre 500 ppm et 10 %, de préférence entre au moins 1000 ppm (masse de métal contenu par rapport à la masse totale de la suies, y compris les composés qu'elles ont adsorbés) et au plus 5 % en moyenne.To obtain such results, it is preferable that the rare earths present in the soot have a concentration between 500 ppm and 10%, preferably between at least 1000 ppm (mass of metal contained relative to the total mass of the soot, y including the compounds they adsorbed) and at most 5% on average.
Dans la plupart des moteurs commercialisés à ce jour, II est avantageux d'introduire la terre rare, ou le mélange de terres rares , avec son cortège d'impureté(s) et d'adjuvant(s), à une teneur comprise entre 10 et 1000 ppm dans le carburant Ces valeurs sont exprimées en métal contenu. Avantageusement, on utilise des teneurs de 20 à 200 ppm, de préférence de 50 à 150 ppm.In most of the engines marketed to date, it is advantageous to introduce the rare earth, or the rare earth mixture, with its procession of impurity (s) and adjuvant (s), at a content of between 10. and 1000 ppm in fuel These values are expressed as contained metal. Advantageously, contents ranging from 20 to 200 ppm, preferably from 50 to 150 ppm, are used.
Certains moteurs à explosion inteme, tels les moteurs à essence et certains moteurs diesels en cours d'essais et de développement, produisent ou devraient produire, moins de suies. Dans la mesure où seul l'effet de régénération du filtre est recherché (et non l'amélioration générale de la combustion), cela permet, de réduire les quantités de terre rare, ou de mélange de terres rares à introduire; dans le carburant, quand ce mode d'introduction a été privilégié; et d'une manière plus générale dans la chambre de combustion. Cette réduction se fait au prorata de la production de suies pour maintenir la teneur en terre rare, ou le mélange de terres rares dans lesdites suies.Some internal combustion engines, such as gasoline engines and some diesel engines being tested and developed, produce or are expected to produce less soot. Since only the regeneration effect of the filter is desired (and not the general improvement of the combustion), this makes it possible to reduce the quantities of rare earth or rare earth mixture to be introduced; in fuel, when this mode of introduction has been favored; and more generally in the combustion chamber. This reduction is done in proportion to the production of soot to maintain the content of rare earth, or the mixture of rare earths in soot.
II est avantageux que la forme sous laquelle la terre rare, ou le mélange de terres rares est introduite induise la formation d'agrégats de cristallites d'oxyde de terre rare, ou de mélange de terres rares, où la plus grande dimension dudit agrégat est comprise entre 20 angströms et 10 000 angströms, de préférence entre 100 et 5 000 angströms, pour lequel la taille des cristallites est comprise entre 20 et 250 angströms, de préférence entre 50 et 200 angströms. It is advantageous that the form in which the rare earth or rare earth mixture is introduced induces the formation of aggregates of rare earth oxide crystallites, or rare earth mixtures, where the largest dimension of said aggregate is between 20 angstroms and 10,000 angstroms, preferably between 100 and 5,000 angstroms, for which the size of the crystallites is between 20 and 250 angstroms, preferably between 50 and 200 angstroms.
L'introduction des composés à base de terres rares, seules ou en mélange, peut être réalisée notamment par l'introduction de composés à base de terres rares, seules ou en mélange, dans le carburant destiné à être introduit dans le moteur.The introduction of compounds based on rare earths, alone or in mixture, can be achieved in particular by the introduction of rare earth compounds, alone or in mixture, in the fuel to be introduced into the engine.
Une autre possibilité consiste à introduire le terres rares, seules ou en mélange, sous diverses formes par l'intermédiaire de l'air, et notamment de l'air lorsqu'il est mélangé avec des gaz d'échappement du moteur, lorsqu'une fraction des gaz d'échappement est recyclée dans le moteur. Dans ce cas, les composés des terres rares, seules ou en mélange, incorporés dans les suies recyclées sont introduits dans le moteur.Another possibility is to introduce the rare earths, alone or mixed, in various forms via the air, including air when it is mixed with engine exhaust, when a fraction of the exhaust gas is recycled to the engine. In this case, the rare earth compounds, alone or in mixture, incorporated into the recycled soot are introduced into the engine.
Un des moyens les plus pratiques pour introduire le terres rares, seules ou en mélange, dans le circuit du moteur consiste à l'introduire dans le carburant soit sous forme de sel, soit sous forme de sol. Ces composés, sels ou sols, comportent avantageusement des produits non nocifs pour la combustion ou pour l'environnement.One of the most practical ways to introduce the rare earth, alone or in mixture, into the engine circuit is to introduce it into the fuel either in the form of salt or in the form of soil. These compounds, salts or sols, advantageously comprise products that are not harmful for combustion or for the environment.
Ainsi, il est préférable que les sels ou les sols soient préparés à partir de composés hydrocarbonés tels que les sels d'acide carboné, qu'ils soient du type carboxylique ou du type composés à hydrogène mobile tels que par exemple les acétylacétonates.Thus, it is preferable that the salts or the sols are prepared from hydrocarbon compounds such as carbon-acid salts, whether of the carboxylic type or of the mobile-hydrogen compound type such as, for example, acetylacetonates.
On peut également envisager des composés de type acide à base de soufre tels que les acides sulfuriques (sulfates acides d'alcoyle ou d'aryle) ou bien des acides de type sulfonique. Toutefois ces demiers acides présentent l'inconvénient d'augmenter la teneur en soufre du carburant.It is also possible to envisage sulfur-type acid compounds such as sulfuric acids (alkyl or aryl acid sulphates) or sulphonic acids. However, these last acids have the disadvantage of increasing the sulfur content of the fuel.
D'une manière générale pour les terres rares ayant comme valence la plus élevées la valence lil, les sels d'acide carboxylique de C2 à C20, de préférence de C4 à C15, sont parmi les mieux adaptés à cet usage.In general, for the rare earths having valence lil as the highest valency, the carboxylic acid salts of C 2 to C 20, preferably C 4 to C 15, are among the most suitable for this purpose.
Pour le cérium les dérivés du cerium IV sont préférés en raison de leur stabilité et de leur aptitude à faire peu de particules.For cerium, cerium IV derivatives are preferred because of their stability and ability to make fewer particles.
II est préférable que les oxydes de terres rares ou mélanges d'oxydes de terres rares soient stables dans le carburant. Le cérium est la terre rare préférée, seule; ou en combinaison. Dans les carburants, on peut introduire le cérium soit sous la forme de sols soit sous la forme de divers sels à condition que ces demiers soient suffisamment stables dans le milieu. On peut notamment citer les sels objet de la demande de brevet européenne déposée sous le numéro 93/304760.7 et publiée sous le numéro 057 5189. It is preferred that the rare earth oxides or rare earth oxide mixtures be stable in the fuel. Cerium is the favorite rare earth, alone; or in combination. In fuels, cerium can be introduced either in the form of sols or in the form of various salts provided that the latter are sufficiently stable in the medium. The salts that are the subject of the European patent application filed under the number 93 / 304760.7 and published under the number 057 5189 are particularly noteworthy.
En effet, de manière complètement surprenante, il a pu être constaté que lorsqu'on utilisait des additifs à base de métaux de transition (c'est-à-dire des métaux dont l'une des sous-couches d est en cours de remplissage) les régénérations à basse température étaient ou bien inexistantes ou bien donnaient lieu à des inflammations brutales conduisant à des températures élevées susceptibles d'endommager les filtres.Indeed, completely surprisingly, it has been found that when using additives based on transition metals (that is to say metals which one of the underlays d is being filled ) Low temperature regenerations were either non-existent or gave rise to sudden inflammations leading to high temperatures that could damage the filters.
Au contraire, dans le cas des éléments additionnés de dérivés à base de terres rares, on atteint assez rapidement, après une phase d'accumulation dans le filtre, un état dans lequel la quantité de suies arrivant sur le filtre est compensée par de nombreuses combustions aléatoires, mais non brutale, ayant eu lieu dans la masse des suies accumulées sur le filtre.On the contrary, in the case of elements containing rare earth-based derivatives, a state is reached quite rapidly after an accumulation phase in the filter in which the quantity of soot arriving on the filter is compensated for by numerous combustions. random, but not brutal, occurred in the mass of soot accumulated on the filter.
II s'ensuit des effets athermiques peu marqués ainsi que des variations de perte de charge beaucoup plus faibles. This results in weak athermal effects as well as much lower variations in pressure drop.
Ainsi, on a pu montrer que l'utilisation d'additifs à base des éléments des terres rares conduit à un double avantage:
- en premier lieu, la limitation des excursions thermiques permet de conserver au
matériau filtrant l'intégralité de ses propriétés et notamment son efficacité de
filtration; le système a une efficacité plus durable et meilleure;
- en second lieu, le comportement en présence d'additifs à base des éléments de
terres rares permet une gestion plus souple des phénomènes de perte de
charge; en effet, dans le cas des additifs à base des éléments des métaux de
transition (notamment cuivre et fer), les régénérations sont aléatoires, violentes et
brutales, les pertes de charge évoluent de manière très brusque. Cela occasionne
des variations de puissance du moteur et nuit à la sécurité et au confort de
conduite ainsi qu'au bon fonctionnement du moteur; en revanche, dans le cas
des additifs à base des éléments des terres rares, les régénérations sont des
faible amplitude ce qui réduit les effets sur la perte de charge et les effets
thermiques. La perte de charge due au filtre se stabilise et peut être gérée sans
pénaliser la sécurité et l'agrément de conduite.Thus, it has been shown that the use of additives based on rare earth elements leads to a double advantage:
- in the first place, the limitation of thermal excursions makes it possible to keep
material filtering all of its properties and in particular its efficiency of
filtration; the system has a more sustainable and better efficiency;
- secondly, the behavior in the presence of additives based on the elements of
rare earths allows a more flexible management of the phenomena of loss of
charge; indeed, in the case of additives based on the elements of
transition (in particular copper and iron), the regenerations are random, violent and
brutal, the losses of charge evolve in a very sudden way. This causes
variations in engine power and undermines the safety and comfort of
driving and the proper operation of the engine; on the other hand, in the case
additives based on the elements of the rare earth elements, the regenerations are
low amplitude which reduces the effects on the pressure loss and the effects
thermal. The pressure loss due to the filter stabilizes and can be managed without
penalize safety and driving pleasure.
Les éléments favorisant cette régénération basse température sont la teneur en
oxygène et la teneur en composés hydrocarbonés.The elements promoting this low temperature regeneration are the content of
oxygen and the content of hydrocarbon compounds.
En ce qui conceme la teneur en oxygène, il est préférable que la teneur en oxygène soit au moins égale à 3 %, de préférence à 5 % environ.With regard to the oxygen content, it is preferable that the oxygen content is at least 3%, preferably about 5%.
En ce qui conceme la présence de composés hydrocarbonés dans les gaz d'échappement, il est préférable que la volatilité des et la teneur en composés hydrocarbonés des gaz et leur température soient telles que, à la température où les suies s'accumulent dans le filtre à particules, la teneur en composés hydrocarbonés volatils dans la suie soit au mcins égale à 10 %, de préférence un quart, plus avantageusement un demi de la masse sur sec.With regard to the presence of hydrocarbon compounds in the exhaust gas, it is preferable that the volatility of and the content of the hydrocarbon compounds of the gases and their temperature are such that, at the temperature where the soot accumulates in the filter With particulate matter, the content of volatile hydrocarbon compounds in the soot is at least 10%, preferably one quarter, more preferably one half of the dry mass.
Par volatils, on entend tous les composés hydrocarbonés, notamment ceux qui existe dans les gaz d'échappement, qui à 600 "C sont sous forme de gaz.By volatiles is meant all hydrocarbon compounds, especially those existing in the exhaust gas, which at 600 ° C are in the form of gas.
II est souhaitable que ces composés hydrocarbonés présentent un point d'ébullition compris entre 100 et 600 "C. It is desirable that these hydrocarbon compounds have a boiling point of between 100 and 600 ° C.
Cette régénération intervient en général lorsque la teneur en composés hydrocarbonés dans les gaz est supérieure ou égale à 10 ppm, de préférence supérieure à 20 ppm.This regeneration generally occurs when the content of hydrocarbon compounds in the gases is greater than or equal to 10 ppm, preferably greater than 20 ppm.
Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention.The following nonlimiting examples illustrate the invention.
EXEMPLES:
A - Description des conditions expérimentales
Le moteur utilisé est un moteur diesel atmosphérique, à quatre cylindres, à injection indirecte, de 1,696 litre de cylindrée et développant 50 kilowatts à 4400 tours par minute. Ce moteur est vendu sous la marque Volkswagen.EXAMPLES:
A - Description of the experimental conditions
The engine used is an atmospheric diesel engine with four cylinders, indirect injection, of 1.696 liters of displacement and developing 50 kilowatts at 4400 revolutions per minute. This engine is sold under the Volkswagen brand.
Les filtres mis en oeuvre sont des filtres en cordiérite produits par la Société Coming, de type Ex 47 (5,66 pouces de diamètre, 6 pouces de longueur, avec une densité de cellules de 100 cpi/17 mil). Chaque additif a été testé sur un filtre neuf. On mesure en continu lors des tests:
- la perte de charge liée au filtre (perte de charge entre entrée et sortie du filtre);
- la température des gaz à l'entrée du filtre
- la température des gaz à la sortie du filtre
- les émissions de monoxyde de carbone.The filters used are cordierite filters produced by the company Coming, type Ex 47 (5.66 inches in diameter, 6 inches in length, with a cell density of 100 cpi / 17 mil). Each additive has been tested on a new filter. We measure continuously during tests:
- the pressure drop associated with the filter (pressure drop between filter inlet and outlet);
- the temperature of the gases at the inlet of the filter
- the temperature of the gases at the outlet of the filter
- carbon monoxide emissions.
Les essais sont conduits à 2 000 tours/minute en maintenant constante la température du gaz à l'entrée du filtre dans le temps. Les essais menés à une température de 250 "C sont reportés ci-après mais des résultats similaires ont été obtenus à d'autres températures.The tests are conducted at 2,000 rpm keeping the temperature of the gas at the filter inlet constant over time. The tests conducted at a temperature of 250 ° C. are reported hereinafter, but similar results have been obtained at other temperatures.
Les essais ont été réalisés notamment avec:
- un additif à base de fer dont la teneur dans le fioul est de 20 ppm (masse);
- un additif à base de cuivre ; le taux de cuivre dans le fioul est de 20 ppm;
- deux additifs à base de cérium et terres rares ; la teneur en éléments des terres
rares (cérium) dans le fioul est de 50 ppm. The tests were carried out in particular with:
an iron-based additive whose content in the fuel oil is 20 ppm (mass);
- a copper-based additive; the copper content in the fuel oil is 20 ppm;
- two additives based on cerium and rare earths; the content of land elements
rare (cerium) in the fuel oil is 50 ppm.
Compte tenu des masses molaires respectives des éléments, les teneurs molaires, ou plus exactement atomiques, sont sensiblement du même ordre pour tous les additifs, à savoir: fer: 0,36 moles/1000 kg de fioul cuivre: 0,32 moles/1000 kg de fioul cérium: 0,36 moles/1000 kg de fioul.Given the respective molar masses of the elements, the molar contents, or more exactly atomic, are of substantially the same order for all the additives, namely: iron: 0.36 mol / 1000 kg of copper fuel oil: 0.32 mol / 1000 kg of fuel oil: 0.36 moles / 1000 kg of fuel oil.
B - Résultats
Exemple ne 1: cas de l'additif à base de fer
Les résultats sont reportés sur la figure 1. Cette figure donne d'une part l'évolution de la perte de charge en fonction du temps ainsi que la teneur en oxyde de carbone dans le gaz en sortie du filtre, ainsi que l'évolution de la température du gaz en sortie du filtre en fonction du temps. On constate que les périodes d'accumulation peuvent atteindre une durée de 35 000 secondes. La perte de charge atteint aisément 300 millibar. Lors des régénérations qui correspondent à la brutale diminution de la contre-pression, on constate une forte augmentation de la teneur en monoxyde de carbone pour les gaz en sortie du filtre. Simultanément à ces variations de teneur en monoxyde de carbone, on constate une très brusque augmentation de la température des gaz en sortie du filtre, avec des températures pouvant atteindre 700 "C, voire 800 "C, alors que la température des gaz à l'entrée du filtre n'est que de 250 "C. La variation de la contre-pression est très brutale. On peut perdre 250 millibar très rapidement lors de ces phases de régénération, et la durée des zones d'accumulation tout comme l'amplitude des variations de contre-pression semble varier de manière aléatoire. Ces graphes mettent en évidence le comportement aléatoire et brutal des régénérations, ce qui laisse supposer que le moteur sera sans doute affecté par ces brusques variations de contrepression en aval.B - Results
Example 1: Case of the iron-based additive
The results are reported in FIG. 1. This figure gives, firstly, the evolution of the pressure drop as a function of time as well as the carbon monoxide content in the gas leaving the filter, as well as the evolution of the gas temperature at the outlet of the filter as a function of time. It can be seen that the accumulation periods can reach a duration of 35,000 seconds. The pressure drop easily reaches 300 millibar. During regenerations that correspond to the sudden decrease in back pressure, there is a sharp increase in the carbon monoxide content for the gases at the outlet of the filter. At the same time as these carbon monoxide content variations, there is a very sharp increase in the temperature of the gases at the outlet of the filter, with temperatures of up to 700 ° C or 800 ° C, whereas the temperature of the gases at filter input is only 250 ° C. The variation of the backpressure is very brutal.You can lose 250 millibar very quickly during these regeneration phases, and the duration of the accumulation zones as the amplitude Backpressure variations seem to vary randomly.These graphs highlight the random and brutal behavior of the regenerations, which suggests that the motor will probably be affected by these sudden downstream counterpressure variations.
Dans cet exemple, I'additif à base de fer est le ferrocène. In this example, the iron additive is ferrocene.
Exemple ne 2: cas de l'additif à base de cuivre
Le cuivre utilisé est un carboxylate cuivrique. Les résultats sont reportés sur la figure 2.Example 2: Case of the copper-based additive
The copper used is a cupric carboxylate. The results are shown in Figure 2.
Cette figure donne d'une part l'évolution de la contre-pression en fonction du temps ainsi que la teneur en monoxyde de carbone dans le gaz en sortie du filtre, et l'évolution de la température du gaz en sortie du filtre et ce en fonction du temps.This figure gives, on the one hand, the evolution of the backpressure as a function of time as well as the carbon monoxide content in the gas leaving the filter, and the evolution of the temperature of the gas at the outlet of the filter and this according to the time.
On constate que les périodes d'accumulation peuvent atteindre 54000 secondes, soit près de 20 heures. On constate une perte de charge, ou contre-pression, pouvant atteindre 350 millibar. Lors des régénérations qui correspondent à la brusque diminution de la perte de charge, on constate une forte augmentation de la teneur en monoxyde de carbone dans les gaz en sortie du filtre. Parallèlement à ces variations de la teneur en monoxyde de carbone, on constate une très brusque augmentation de la température des gaz en sortie du filtre avec des températures pouvant atteindre plus de 800 "C, alors que la température des gaz à l'entrée du filtre n'est que de 250 "C. La variation de la contre-pression est très brutale. On peut perdre 300 millibar très rapidement lors de ces phases de régénération. La durée des zones d'accumulation tout comme l'amplitude des variations de contre-pression semblent varier de manière aléatoire. Ces graphes mettent en évidence le comportement aléatoire et brutal de ces régénérations, ce qui laisse supposer que le moteur sera affecté par ces brusques variations de contrepression en aval.It can be seen that the periods of accumulation can reach 54000 seconds, that is to say nearly 20 hours. There is a loss of load, or back pressure, up to 350 millibar. During regenerations that correspond to the sudden decrease in the pressure drop, there is a sharp increase in the carbon monoxide content in the gases at the outlet of the filter. Parallel to these variations in the carbon monoxide content, there is a very sharp increase in the temperature of the gases at the outlet of the filter with temperatures that can reach more than 800 ° C., whereas the temperature of the gases at the inlet of the filter is only 250 "C. The variation of the back pressure is very brutal. It can lose 300 millibar very quickly during these regeneration phases. The duration of the accumulation zones as well as the amplitude of the backpressure variations seem to vary randomly. These graphs highlight the random and brutal behavior of these regenerations, which suggests that the engine will be affected by these sudden downstream counterpressure variations.
Exemple ne 3: cas d'un additif à base de cérium (composé décrit dans la demande de brevet européen déposée sous le numéro 93/304760.7 et publiée sous le numéro 0575189)
Les résultats sont reportés sur la figure 3. Cette figure donne d'une part l'évolution de la contre-pression en fonction du temps ainsi que la teneur en CO dans le gaz en sortie du filtre, et l'évolution de la température du gaz en sortie du filtre en fonction du temps. On constate une période de chargement du filtre de 25 000 secondes. Au-delà, on constate que la contre-pression est pratiquement stable. Cette contre-pression se stabilise au voisinage de 200 millibar. Au moment des régénérations qui correspondent à de très faibles diminutions de la contre-pression (inférieures à 50 millibar), on constate des variations de la teneur en oxyde de carbone dans les gaz en sortie du filtre. Ces variations témoignent d'une constante activité de régénération dans le temps.Example 3: Case of a cerium-based additive (compound described in the European patent application filed under the number 93 / 304760.7 and published under the number 0575189)
The results are shown in FIG. 3. This figure gives, on the one hand, the evolution of the back pressure as a function of time as well as the CO content in the gas leaving the filter, and the evolution of the temperature of the gas output filter as a function of time. There is a filter loading period of 25,000 seconds. Beyond this, it can be seen that the back pressure is practically stable. This back pressure stabilizes at around 200 millibar. At the time of the regenerations which correspond to very small decreases in the back pressure (less than 50 millibar), there are variations in the carbon monoxide content in the gases at the outlet of the filter. These variations reflect a constant regeneration activity over time.
Parallèlement à ces variations de la teneur en monoxyde de carbone, on constate une augmentation modérée de la température des gaz en sortie du filtre avec des températures pouvant atteindre au plus 400 "C, et ce pour une température des gaz à l'entrée du filtre de 250"C. Ces graphes mettent évidence le comportement à la fois modéré et permanent des régénérations ce qui laisse supposer que le moteur et donc la violente conduite ne s'en trouveront pas altérés.In parallel with these variations in the carbon monoxide content, there is a moderate increase in the temperature of the gases at the outlet of the filter with temperatures that can reach at most 400 ° C., and this for a temperature of the gases at the inlet of the filter 250 "C. These graphs demonstrate the behavior of both moderate and permanent regenerations which suggests that the engine and therefore the violent conduct will not be altered.
Exemple ne 4: exemple d'un additif à base de sol de cérium.Example 4: Example of an additive based on cerium sol.
Ces résultats sont reportés sur la figure 4. Cette figure donne d'une part l'évolution de la contre-pression en fonction du temps ainsi que la teneur en oxyde de carbone dans le gaz en sortie du filtre, et l'évolution de la température du gaz en sortie du filtre en fonction du temps. On constate une période de chargement du filtre de 45 000 secondes. Au-delà, on constate que la contre-pression est pratiquement stable. Cette contre-pression se stabilise au voisinage de 200 millibar. Au moment des régénérations qui correspondent à des très faibles diminutions de la contre-pression (inférieures à 50 millibar), on constate des variations de la teneur en monoxyde de carbone dans les gaz en sortie du filtre. Ces variations témoignent d'une constante activité de régénération dans le temps. Parallèlement à ces variations de la teneur en monoxyde de carbone, on constate une augmentation modérée de la température des gaz en sortie du filtre avec des températures pouvant atteindre au plus 350 "C, et ce pour une température des gaz à l'entrée du filtre de 250 "C. Ces graphes mettent évidence le comportement à la fois modéré et permanent des régénérations, ce qui laisse penser que le moteur, la sécurité et l'agrément de conduite ne s'en trouvent en aucune façon altérée.These results are reported in FIG. 4. This figure gives, on the one hand, the evolution of the back pressure as a function of time as well as the carbon monoxide content in the gas leaving the filter, and the evolution of the gas temperature at the outlet of the filter as a function of time. There is a filter loading period of 45,000 seconds. Beyond this, it can be seen that the back pressure is practically stable. This back pressure stabilizes at around 200 millibar. At the time of the regenerations which correspond to very small decreases in the back pressure (less than 50 millibar), there are variations in the carbon monoxide content in the gases at the outlet of the filter. These variations reflect a constant regeneration activity over time. Parallel to these variations in the carbon monoxide content, there is a moderate increase in the temperature of the gases at the outlet of the filter with temperatures that can reach at most 350 ° C., and this for a temperature of the gases at the inlet of the filter 250 "C. These graphs show the moderate and permanent behavior of the regenerations, which suggests that the engine, the safety and the pleasure of driving are not in any way impaired.
Le nombre des particules fines formées est significativement inférieur à celui des exemples précedent.The number of fine particles formed is significantly lower than that of the previous examples.
ExemPle 5 : essais sur banc moteur en isorégime
Des essais ont été réalisés sur un moteur neuf de type F8Q 706, et le filtre à particules utilisé est un filtre à particules EBERSPACHER numéro 2626000415. Ce filtre est équipé de deux thermocouples, I'un en amont, I'autre en aval. Les essais ont été réalisés sur des filtres à particules qui ont subi plusieurs chargements et plusieurs régénérations. En effet, les premiers effets sont relativement erratiques.EXAMPLE 5: Engine bench tests in isoegime
Tests have been carried out on a new engine of the F8Q 706 type, and the particle filter used is an EBERSPACHER particle filter number 2626000415. This filter is equipped with two thermocouples, one upstream and the other downstream. The tests were carried out on particle filters which have undergone several loadings and several regenerations. Indeed, the first effects are relatively erratic.
Ces essais sont des essais sur des filtres à particules (FAP) stabilisés.These tests are tests on stabilized particulate filters (DPF).
Les essais sont réalisés en isorégime, le régime étant exprimé en nombre de tours à la minute. The tests are carried out in isoegime, the speed being expressed in revolutions per minute.
Les résultats obtenus soit sans additif, soit avec un additif à base d'octoate de lanthane introduit dans le carburant à raison de 100 ppm de lanthane sont rassemblés dans les tableaux suivants:
TABLEAU . The results obtained either without additive or with a lanthanum octoate additive introduced into the fuel at a rate of 100 ppm of lanthanum are collated in the following tables:
BOARD .
ESsais sans additif
ESsais without additives
<tb> REGIME <SEP> T. <SEP> éch. <SEP> T. <SEP> PME <SEP> dp <SEP> 02 <SEP> HC <SEP> CO <SEP> avec <SEP> ou <SEP> sans
<tb> <SEP> amont <SEP> FAP <SEP> additif
<tb> <SEP> FAP
<tb> <SEP> tr/mn <SEP> C <SEP> C <SEP> bar <SEP> mbar <SEP> % <SEP> ppm <SEP> g/h <SEP> ppm <SEP> g/h
<tb> <SEP> 1500 <SEP> 503 <SEP> 4,15 <SEP> 769 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> sans
<tb> <SEP> 2500 <SEP> 432 <SEP> 382 <SEP> 4,15 <SEP> 853 <SEP> 9,2 <SEP> sans
<tb> <SEP> 4000 <SEP> 451 <SEP> 419 <SEP> 1,55 <SEP> 1154 <SEP> 11,2 <SEP> sans
<tb> <SEP> ESSAI <SEP> A <SEP> VIDE
<tb> <SEP> avec <SEP> 150 <SEP> ppm <SEP> de <SEP> sel <SEP> de <SEP> cérium <SEP> (octoate <SEP> céreux)
<tb> <SEP> avec
<tb> REGIME <SEP> T. <SEP> éch. <SEP> T. <SEP> PME <SEP> dp <SEP> 02 <SEP> HC <SEP> CO <SEP> ou
<tb> <SEP> amont <SEP> FAP <SEP> sans
<tb> <SEP> FAP <SEP> ad
<tb> <SEP> ditif <SEP>
<tb> <SEP> tr/mn <SEP> C <SEP> C <SEP> bar <SEP> mbar <SEP> % <SEP> ppm <SEP> g/h <SEP> ppm <SEP> g/h <SEP>
<tb> <SEP> 800 <SEP> 98 <SEP> 79 <SEP> 0 <SEP> 240 <SEP> 17,50 <SEP> 138 <SEP> 2,8 <SEP> 300 <SEP> 12,3 <SEP> avec
<tb> <SEP> 1000 <SEP> 104 <SEP> 87 <SEP> 0 <SEP> 258 <SEP> 17,45 <SEP> 62 <SEP> 1,5 <SEP> 230 <SEP> 11,5 <SEP> avec
<tb> <SEP> 1500 <SEP> 126 <SEP> 114* <SEP> 0 <SEP> 360 <SEP> 17,70 <SEP> 38 <SEP> 1,60 <SEP> 250 <SEP> 21,7 <SEP> avec
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> 1500 <SEP> 125 <SEP> 119* <SEP> 0 <SEP> 426 <SEP> 17,55 <SEP> 27 <SEP> 1.1 <SEP> 240 <SEP> 1.2 <SEP> avec
<tb> <SEP> 2500 <SEP> 239 <SEP> 227* <SEP> 0 <SEP> 1156 <SEP> 15.55 <SEP> 58 <SEP> 3,8 <SEP> 320 <SEP> 42,6 <SEP> avec
<tb> <SEP> 4000 <SEP> 362 <SEP> 336* <SEP> 0 <SEP> 1133 <SEP> 13,45 <SEP> 46 <SEP> 4,6 <SEP> 220 <SEP> 44,7 <SEP> avec
<tb> <tb> REGIME <SEP> T. <SEP> ech. <SEP> T. <SEP> SMB <SEP> dp <SEP> 02 <SEP> HC <SEP> CO <SEP> with <SEP> or <SEP> without
<tb><SEP> upstream <SEP> FAP <SEP> additive
<tb><SEP> FAP
<tb><SEP> rpm <SEP> C <SEP> C <SEP> bar <SEP> mbar <SEP>% <SEP> ppm <SEP> g / h <SEP> ppm <SEP> g / h
<tb><SEP> 1500 <SEP> 503 <SEP> 4.15 <SEP> 769 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Without
<tb><SEP> 2500 <SEQ> 432 <SEP> 382 <SEP> 4.15 <SEP> 853 <SEP> 9.2 <SEP> Without
<tb><SEP> 4000 <SEP> 451 <SEP> 419 <SEP> 1.55 <SEP> 1154 <SEP> 11.2 <SEP> Without
<tb><SEP> TEST <SEP> A <SEP> EMPTY
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DE4041127A1 (en) * | 1990-12-21 | 1992-02-20 | Daimler Benz Ag | METHOD FOR REDUCING POLLUTANT EMISSIONS FROM COMBUSTION EXHAUST GASES FROM DIESEL ENGINES |
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Patent Citations (4)
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