FR2865239A1 - Dispositif de filtration des gaz d'echappement pour moteur diesel associant un additif de combustion compose de nano-particules et un filtre a particules a surface de filtration variable - Google Patents

Dispositif de filtration des gaz d'echappement pour moteur diesel associant un additif de combustion compose de nano-particules et un filtre a particules a surface de filtration variable Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif dans lequel tout ou partie des particules contenues dans les gaz d'échappement sont retenues sur des moyens de filtration et sont brûlées grâce à l'action d'un catalyseur de combustion contenu dans le combustible et se présentant sous forme de nano-particules dispersées dans un liquide hydrocarboné, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter par une pompe de dosage (2) automatiquement et séquentiellement dans le combustible l'additif en fonction des conditions réelles d'utilisation, caractérisé aussi en ce que ce dispositif automatique d'additivation soit associé à des moyens (13) pour obstruer au moins une partie des moyens de filtration (10) dès que la température des gaz d'échappement à filtrer devient inférieure à une température de 200 /250°C, de manière à limiter, voire à éviter, le refroidissement de la partie obstruée et à la maintenir à une température supérieure à 300°C jusqu'au moment où cette température pourra dépasser 400°C par les moyens mis en oeuvre et permettre alors une régénération accélérée de cette partie obstruée des moyens de filtration.

Description

DISPOSITIF DE FILTRATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR
DIESEL ASSOCIANT UN ADDITIF DE COMBUSTION COMPOSE DE NANO-
PARTICULES ET UN FILTRE A PARTICULES A SURFACE DE FILTRATION
VARIABLE
La présente invention concerne de façon générale le domaine des filtres à particules et de façon plus particulière, un dispositif de filtration de gaz d'échappement pour moteur diesel.
De façon plus particulière, la présente invention concerne un dispositif de filtration des gaz d'échappement pour moteur diesel associant un additif améliorant de combustion sous forme de nano-particules contenu dans le carburant à concentration évolutive et un moyen de filtration desdits gaz d'échappement sur un média filtrant à surface de filtration variable, dans lequel est disposé un moyen de catalyse associé ou non à une post injection du gazole avec ou sans son système de recirculation des gaz d'échappement. Cet additif à base de nano-particules étant préférentiellement ajouté au gazole de combustion automatiquement et séquentiellement en fonction des conditions de fonctionnement.
La réduction des émissions polluantes produites par les moteurs à explosion et en particulier les moteurs diesels, est un des objectifs que se sont fixés les pouvoirs publics. A cette fin, l'instauration de normes toujours plus draconiennes, impose aux constructeurs automobiles de développer des moteurs présentant des émissions de polluants de plus en plus réduites, afin de limiter les rejets de particules imbrûlées. La modification de la combustion des moteurs n'étant plus suffisante pour atteindre ces faibles niveaux, l'utilisation complémentaire de dispositifs de filtration des gaz d'échappement sera indispensable pour retenir ces particules et satisfaire les normes.
Ainsi, afm de réduire l'émission de gaz polluants imbrûlés et de particules solides, les constructeurs automobiles ont mis au point et ont généralisé l'utilisation des pots catalytiques ou catalyseurs, 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, le palladium, le rhodium et autres métaux.
Ces pots catalytiques comportent désormais en plus un filtre à particules qui a pour fonction de retenir les particules de carbone, constituant les particules imbrûlées émises par le moteur. Toutefois, une difficulté supplémentaire est apparue lors de l'utilisation de tels filtres, qui consiste à trouver des solutions pour que ces particules de carbone piégées sur le filtre puissent brûler ou s'oxyder au fur et à mesure qu'elles se déposent afin d'éviter le colmatage de ce dernier.
Toutes les techniques de filtres à particules pour moteur diesel, utilisées aujourd'hui ou en cours de développement, sont toutes confrontées au problème majeur de la combustion incomplète des particules retenues sur le média filtrant. En effet pour des conditions d'utilisations urbaines la température des gaz d'échappement atteinte est insuffisante pour provoquer cette combustion et limiter le colmatage du filtre induit.
Sans assistance chimique, les particules de carbone issues de la combustion du gazole ne commencent à s'oxyder significativement qu'audessus de 500 C, ces températures ne sont jamais atteintes dans les conditions de roulage urbain, sur les moteurs d'autobus et autres engins de livraison, il est donc nécessaire de faire appel obligatoirement à un procédé chimique pour réduire cette température d'oxydation.
A défaut d'assistance chimique, il s'ensuit un colmatage du filtre qui, outre le fait qu'il entraîne une perte de charge au niveau du moteur et donc un mauvais fonctionnement de celui-ci, provoquera des réactions violentes liées à la combustion instantanée de ces particules de carbone en concentration excessive dans le filtre, lorsque le dérèglement du moteur par augmentation de la température d'échappement entraînera le démarrage violent de cette combustion. La combustion rapide d'une grande masse de particules génère en effet une température bien supérieure à 1000 C et conduit généralement à une destruction du filtre par choc thermique ou même fusion du média filtrant, les températures obtenues étant trop élevées localement.
Pour obtenir l'oxydation de ces particules en continu, plusieurs systèmes sont déjà utilisés.
Ainsi, certains systèmes proposent de disposer en amont du filtre à particules, un moyen de catalyse d'oxydation permettant la transformation du monoxyde d'azote NO, contenu dans les gaz d'échappement, en dioxyde d'azote NO2 à partir de 250 C.
Cette technique, appelée "Continuous Regenerating Trap" (C.R.T.), allie les effets du filtre à particules et du catalyseur d'oxydation du NO.
Ce moyen est constitué par un support catalytique sur lequel est fixé le catalyseur, qui est généralement un métal précieux tels que le platine ou le rhodium. Le NO2 produit par l'action de ce dernier possède la propriété d'oxyder les particules de carbone à partir de 250 C. Toutefois le bon fonctionnement du filtre dépend de la température moyenne atteinte et du rapport de particules émises par rapport au NO2 formé. Pour assurer un bon fonctionnement des filtres, ce système C.R.T. nécessite une oxydation régulière du carbone, qui limite la perte de charge du filtre en éliminant le risque de régénération non contrôlé et exothermique.
Un tel fonctionnement n'est obtenu que lorsque les gaz d'échappement ou l'enceinte de combustion présentent une température supérieure à 250 C pendant au moins 30 % du temps de fonctionnement du véhicule et qu'en plus à aucun moment le déficit de NO2 formé soit important par rapport au carbone présent.
De plus l'oxydation du carbone par le NO2 est notablement réduite dès que la concentration de soufre dans le combustible présente une teneur supérieure à 50 ppm, en effet le NO2 formé réagissant préférentiellement avec le SO2 pour former une molécule de SO3, cette molécule de SO3 se transformant en (H2SO4) acide sulfurique qui se dépose sur le carbone pour en inhiber son oxydation ou sa combustion jusqu'à plus de 550 C Une accumulation importante de carbone dans le filtre conduisant inévitablement à des réactions violentes lors de la combustion. Ces réactions consistent en la combustion, trop rapide d'une grande masse de particules, ce qui conduit généralement à une destruction du filtre par choc thermique, les températures obtenues étant très élevées localement et pouvant même dépasser la température de fusion du média filtrant du type cordiérite souvent utilisé.
Il existe un moyen similaire constituant une variante de ce dernier, dans lequel le catalyseur est déposé directement sur le filtre à particules. Toutefois, seuls certains matériaux constituant le filtre à particules sont aptes à fixer les catalyseurs. C'est le cas notamment de la cordiérite. Or, les matériaux de ce type sont connus pour être particulièrement sensibles à l'augmentation de température et aux chocs thermiques. Il apparaît alors que des augmentations brutales de température qui peuvent se produire dans le filtre à particules lorsqu'il est colmaté, sont susceptibles d'entraîner une détérioration irréversible de ce dernier. II est alors nécessaire de remplacer le filtre à particules et plus généralement le dispositif d'échappement, ce qui représente un coût tout à fait rédhibitoire. Ce type de média filtrant catalysé présentant exactement les mêmes inconvénients que la catalyse par le NO2, puisque aucun moyen n'est mis en oeuvre pour interdire une sur concentration des particules charbonneuses, suite à des durées de fonctionnements excessives à basses températures ou à des déréglages moteur rendant ainsi la catalyse insuffisante.
D'autres techniques de régénération font appel à l'utilisation d'additifs organométalliques rajoutés au gazole tel que le cérium, fer, strontium, calcium ou autres de manière à associer les particules de carbone former à l'oxyde métallique qui est un catalyseur et d'obtenir ainsi une oxydation de celle-ci à plus basse température.
Ces techniques permettent d'obtenir une combustion du carbone totale aux environ de 450 C au lieu des 500 à 550 C requis sans additif, en catalysant la combustion des matières charbonneuses. En pratique l'association de catalyse par le NO2 associé à l'utilisation d'additif organométallique permet de satisfaire plus facilement les cas d'utilisation sévère évoqués ci-dessus, sans pour autant éviter un inconvénient majeur de ces techniques qui est la contribution importante au colmatage du média filtrant des oxydes de métaux formés, ce colmatage pouvant même être accéléré dans le cas où les températures atteintes seraient insuffisantes. Cette contribution au colmatage conduisant à la nécessité de régénération et de nettoyage de ce média filtrant à une fréquence plus importante ou même à un colmatage prématuré.
Sur voiture avec un additif à base d'oxyde de cérium utilisé à des concentrations dans le gazole comprise entre 25 et 30 ppm, il a été observé des colmatages de filtre importants à des kilométrages voisins de 70000 km, kilométrages bien insuffisant par rapport aux durées de vie sans intervention des moteurs envisagées.
D'autres techniques ont consisté à expérimenter des dispositifs basés sur des moyens de chauffage complémentaires du type brûleurs, résistances électriques ou autres. Ces moyens de chauffage complémentaire sont mis en oeuvre uniquement lorsque la cartouche présente un début de colmatage, se traduisant par une augmentation de la perte de charge. Un tel dispositif de régénération est mis en oeuvre avec le moteur en marche, c'est à dire en présence d'un débit de gaz d'échappement important. Un tel dispositif nécessite donc une puissance de chauffage importante pour simultanément porter à la bonne température les gaz d'échappement et la masse de la cartouche filtrante.
Dans un tel contexte technique, l'objectif de la présente invention est de fournir un dispositif de filtration de gaz d'échappement (en particulier de moteurs diesel) qui remédiera aux inconvénients des différentes techniques existantes, en optimisant la filtration des gaz d'échappement, par exemple de moteurs diesels, notamment en termes de régénération des moyens de filtration, de façon à apporter une solution satisfaisante au problème du colmatage des moyens de filtration par des particules de carbone.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de filtration de gaz d'échappement intégrant une régénération régulière, performante et continue permettant une oxydation à partir de 300 C et une combustion complète à moins de 400 C, de sorte que l'on évite ainsi tout risque d'accumulation de particules dans les moyens de filtration et donc tout risque de régénération incontrôlée.
Encore, un autre objectif de l'invention, est de fournir un dispositif de filtration de gaz d'échappement dans lequel la régénération intégrée n'entraîne pas de surconsommation significative de carburant et plus généralement, n'entraîne pas de surcoût financier pour l'utilisateur.
Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de filtration de gaz d'échappement dans lequel la régénération intégrée n'entame pas la performance 35 du moteur, notamment par des pertes de charge, dues à la contre-pression exercée par les gaz d'échappement sur le moteur, du fait d'un colmatage du dispositif de filtration.
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui concerne tout d'abord un dispositif de filtration des gaz d'échappement émis par un moteur diesel. Ce dispositif de filtration de gaz d'échappement, dans lequel tout ou partie des particules contenues dans lesdits gaz d'échappement, sont retenues sur des moyens de filtration et sont brûlées grâce à la présence d'un catalyseur de combustion introduit sous forme de nano-particules. Ce catalyseur étant introduit de préférence dans le combustible de manière à ce qu'il se présente sous forme de nano-particules très dispersées et répartie de façon homogène dans les particules de carbone formées. L'utilisation d'additif de combustion sous forme de nano-particules permettant de réduire notablement la concentration d'additif nécessaire pour obtenir l'efficacité optimum, mais surtout il a aussi été observé que pour la même nature de catalyseur les mêmes vitesses de réaction étaient obtenues pour des températures inférieures de 50 à 100 C et pour des concentrations en métal de dix à vingt fois plus faibles. L'utilisation d'additif dans le gazole sous forme de nano-particules éliminent en faite complètement les inconvénients qui étaient habituelle d'observés avec ces additifs organométalliques, c'est à dire la contribution importante de ces additifs au colmatage du filtre. Ce sont, la concentration utilisée notablement plus faible ainsi que la taille bien inférieure au dixième de micron de ces nano-particules qui en est la raison majeure.
Ce dispositif associe avantageusement des moyens pour obstruer au moins une partie du média filtrant dès que la température des gaz d'échappement à filtrer devient inférieure ou égale à une température seuil de l'ordre de 200 C de manière à limiter, voire à éviter, le refroidissement de la partie obstruée et à la maintenir à une température supérieure ou égale à 300 C. Cette partie isolée étant à nouveau remis dans le circuit dès que la température des gaz d'échappement redeviendra supérieure à cette température de 300 C. La possibilité de maintenir une partie du média filtrant à une température supérieure à 300 C, permettra sur cette partie d'avoir une oxydation accélérée des particules de carbone, mais aussi d'avoir une température proche de l'auto-inflammation de ces particules imprégnées de nano-particules de catalyseur, cette température étant comprise entre 380 et 410 C au lieu des 500/550 C en l'absence de ce catalyseur. Le passage de 300 à 400 C de cette partie du média filtrant étant obtenu soit par injection complémentaire de gazole dans les gaz d'échappement lors des fonctionnements à pleine charge, soit par obstruction contrôlée du débit total des gaz d'échappement. L'augmentation de contre pression ainsi obtenue permettant une augmentation de plus de 100 C des gaz d'échappement pour des fonctionnements à pleine charge.
La possibilité d'utiliser un gazole additivé par des nano-particules d'oxydes métalliques à des conditions de températures favorables du média filtrant, ( Températures élevées plus de 300 C pendant plus de 30% du temps), permet une réduction importante de la teneur en additif tout en obtenant une combustion encore plus complète du carbone déposé. Aucun colmatage du média filtrant n'étant observé et le même niveau de contre pression étant conservé durant toute son existence. La possibilité d'avoir une température supérieure à 300 C pendant au moins 30 % du temps sur le média filtrant grâce à l'utilisation d'une surface de filtration variable permet de réduire significativement la teneur en additif et de travailler à la limite d'efficacité de catalyse de l'additif sans pour cela perdre en efficacité. Cette concentration d'additif pouvant encore être réduite par une additivation en continu du gazole du réservoir, conduisant à une concentration dans le gazole comprise entre 1 et 20 ppm voir plus si nécessaire, cette concentration d'additif variable conduisant à une efficacité supérieure de catalyse, et à une concentration moyenne au moins deux fois plus faible que la teneur nécessaire si le gazole contient une concentration constante.
Il s'agit donc selon l'invention de filtrer, sur un moyen de filtration, les gaz d'échappement issus de la combustion d'un moteur diesel à partir d'un gazole contenant des nano-particules de catalyseur introduit dans le carburant de manière automatique et géré par un calculateur, de façon à ce que cet additif catalyseur présente une concentration optimisée fonction des matières charbonneuses produites au cours de la combustion, de manière à avoir l'effet catalytique désiré mais sans excès de catalyseur pour en réduire au maximum les effets négatifs. L'injection de l'additif directement dans le réservoir ou préférentiellement sur la canalisation de retour du gazole au réservoir en provenance de la pompe à injection étant réalisée par une pompe doseuse commandée par le calculateur à une fréquence proportionnelle au temps de fonctionnement sous charge du moteur.
Une variante de cette additivation consistant à ce que le calculateur prenne en compte l'évolution de la contre pression mesurée en amont du filtre à particules pour augmenter ou réduire la quantité d'additif injecté.
Selon cette invention les gaz d'échappement issus de la combustion d'un gazole contenant des nano-particules sont filtrés sur un moyen de filtration similaire à celui décrit dans le brevet français N 02 06533 et constitué par exemple d'au moins deux cartouches disposées dans une enveloppe, une des deux cartouches étant mise hors circuit chaque fois que le moteur fonctionne sans charge ou au ralenti afin de maintenir dans la cartouche isolée et sans débit, une température suffisante pour provoquer une vitesse de régénération en continu significative, chaque fois que le moteur sera à nouveau sollicité avec des gaz d'échappement chauds. Chaque cartouche est de préférence à tour de rôle mise hors circuit pour qu'elle se régénère en continu.
Selon un mode préféré de mise en oeuvre, les moyens de filtration sont constitués d'au moins deux -de préférence au moins trois- cartouches filtrantes, équipées chacune d'un obturateur, deux des trois cartouches que comptent de préférence les moyens de filtration constituant la partie obstruée des moyens de filtration quand la température devient inférieure à une température de l'ordre de 200 C.
Selon un autre de ses aspects, le dispositif comprend un système de postinjection de gazole dans les gaz d'échappement, par l'intermédiaire d'un pulvérisateur, de préférence en amont du dispositif de filtration et des catalyseurs, pilotée par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur, et qui sera mis en oeuvre pour atteindre la température d'auto inflammation du carbone déposé sur le filtre, ce système de post-injection de gazole étant éventuellement associé à la fermeture des clapets pour en augmenter son effet.
Selon une variante intéressante, l'invention a pour objet un dispositif de filtration de gaz d'échappement comportant au moins un moyen de catalyse, des moyens de filtration desdits gaz d'échappement, disposés dans une enceinte réactionnelle dans la trajectoire du flux des gaz d'échappement produits par un moteur, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le moyen de filtration est constitué par au moins deux ensembles comprenant chacun un support de catalyseur accolé à une cartouche filtrante équipée d'un moyen d'obstruction du débit.
Avantageusement, le dispositif comprend un moyen de recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur dont le fonctionnement est associé à la coupure du débit dans une ou plusieurs des cartouches chaque fois que le moteur est non accéléré, de manière à ce que l'augmentation de contre pression générée ouvre automatiquement un clapet qui permette cette recirculation des gaz d'échappement, ce système de recirculation des gaz d'échappement étant éventuellement associés au système de post injection du gazole.
Selon une caractéristique préférée du dispositif de l'invention, chacune des cartouches filtrantes dispose d'un moyen d'obstruction du débit, disposé en amont ou en aval, piloté par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur, de manière à isoler au moins une cartouche chaque fois que la position d'accélérateur sera à zéro (non accéléré).
Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif selon l'invention, le moyen de filtration est constitué d'au moins trois cartouches avec un moyen d'obstruction du débit sur chacune d'elle, piloté par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur, de manière à isoler à tour de rôle, au moins deux cartouches lorsque le moteur est non accéléré, et d'isoler la cartouche qui filtrait les gaz en position non accélérée, chaque fois que le moteur sera accéléré.
Dans le mode préféré de réalisation, le moyen de filtration est constitué par un ensemble d'au moins deux unités filtrantes équipées chacune d'un moyen d'obstruction piloté par un calculateur qui prendra en compte les conditions de fonctionnement moteur.
Selon une caractéristique remarquable de l'invention, lesdites unités filtrantes intégreront chacune en amont une galette de catalyseur de préférence sur support métallique.
Le catalyseur est un catalyseur d'oxydation conventionnel à base de platine et autres métaux précieux, terres rares et autres ingrédients, rentrant habituellement dans la composition de tel catalyseur, de manière à obtenir une oxydation totale des hydrocarbures et du CO.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de filtration comporte un système permettant le recyclage des gaz d'échappement chaque fois que la capacité de filtration sera réduite, profitant ainsi de l'augmentation de la contre-pression occasionnée par cette restriction pour diriger à travers un clapet anti-retour une partie des gaz d'échappement non filtré dans le conduit d'admission.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de filtration comporte plus de trois cartouches et un nombre suffisant de manière que pour des conditions de fonctionnement pleine charge une ou plusieurs cartouches soient isolées, cette ou ces cartouches étant réservées à la filtration des gaz à charge partielle ou au ralenti. L'objectif étant de maintenir à température élevée, le média filtrant et le catalyseur de chacune des cartouches utilisées à pleine charge. La ou les cartouches utilisées au ralenti seront permutées avec une ou des autres lorsqu'un début de colmatage sera détecté.
Dans un mode de réalisation intégrant les aspects positifs du média filtrant à volume variable et celui des additifs contenant des nanoparticules, le dispositif de filtration à volume variable sera constitué de cartouches catalysés avec le système d'obstruction mais sans le catalyseur d'oxydation spécifique habituellement utilisé. Le catalyseur déposé sur le média filtrant étant du type de celui associant des métaux précieux platine, palladium, rhodium à des métaux plus classiques tels que le fer, chrome, nickel, calcium, strontium baryum et des terres rares tels que le cérium 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 de filtration selon l'invention et dans lesquels: La figure 1, selon un mode préféré de réalisation de l'invention, représente une vue générale du système comprenant le dispositif d'additivation des nano- particules dans le combustible et le dispositif de filtration avec deux cartouches, chacune ayant en amont un catalyseur d'oxydation sur support métallique et en aval un clapet commandé pour obstruer complètement lorsque nécessaire le débit des gaz à filtrer. Le dispositif de filtration étant associé à un système d'injection de gazole.
La figure 2 représente une vue générale du dispositif d'additivation de l'additif contenant les nano-particules dans le circuit gazole avec son réservoir de stockage de l'additif.
La figure 3 représente une vue générale du dispositif de filtration avec deux cartouches et qui incorpore un système de recirculation des gaz d'échappement.
La figure 4 représente une variante du dispositif de filtration incorporant trois cartouches catalysés sans système d'injection gazole et avec recirculation.
La figure 5 représente une vue générale schématique du dispositif de filtration avec toutes les variantes incorporées dans l'environnement moteur.
Le système qui permet la mise en oeuvre du dispositif de filtration selon l'invention est représenté de façon détaillée à la figure 1, selon un mode préférentiel. Dans ce système, collaborent différents éléments mécaniques du véhicule, qui font ou non-partie du dispositif de filtration et qui concourent à la régénération.
Le système d'injection de l'additif objet de l'invention est représenté schématiquement et il est associé à un filtre à particules à surface de filtration variable.
Le dispositif d'injection de l'additif se différencie par rapport aux systèmes habituellement utilisés par une additivation en continu et non à chaque plein, permettant ainsi une variation de la concentration de l'additif dans le gazole et une réduction significative de son volume nécessaire. Ce dispositif est constitué d'un réservoir de faible volume d'additif 1, permettant une injection d'un volume calibrée d'additif à partir d'une pompe volumétrique 2, commandé par le calculateur l'injection 3 directement dans la canalisation de retour du gazole 4 en provenance du système d'injection du combustible dans le moteur 5, conduisant ainsi à une bonne homogénéisation de l'additif avec le gazole du réservoir 6. La fréquence de cette injection dépendra des conditions d'utilisation moteur et intégrera en quelque sorte une cartographie théorique représentative des émissions de particules charbonneuses, mais aussi de l'évolution réelle de la contre pression du filtre mesuré à partir du capteur de pression 7 disposé en amont du filtre à particules. Les possibilités de variation de la concentration de l'additif dans le gazole du réservoir de combustible sont pratiquement infinies, ainsi en fonction de la fréquence à laquelle seront pratiquées les injections et de la fréquence du plein de ce réservoir, il sera possible de faire varier cette concentration pratiquement entre 2 et 30 ppm voir plus.
Ce système d'additivation automatique est associé à un filtre à particules du type à surface de filtration variable dans lequel les gaz d'échappement en sortie du moteur sont introduits dans le dispositif par la tubulure 8, puis sont dirigés vers chaque galette de catalyseur sur support métallique 9, pour être filtrés sur les deux cartouches de filtration 10, ces cartouches seront de préférence en carbure de silicium, mais pourront aussi être constitué d'un média partant filtrant en cordiérite ou autres matériaux céramiques. Elles seront disposées à l'intérieur d'une enceinte 11 et isolées de celle-ci par l'intermédiaire d'un isolant 12, de manière à ne pas être refroidi par l'air ambiant.
Des clapets 13 seront disposés en sortie de ces cartouches filtrantes de manière à pouvoir isoler totalement chaque cartouche et obstruer totalement le canal de sortie. Ces clapets seront commandés par des vérins pneumatiques 14, les gaz d'échappement étant ensuite dirigés vers la sortie 15.
Le dispositif fonctionnera de la manière suivante, chaque fois que la position de l'accélérateur reviendra à la position zéro (non accéléré), un détecteur de position non décrit enverra l'information à un calculateur, celui-ci commandera alternativement chaque vérin pour obstruer totalement une des deux cartouches et n'en utiliser qu'une seule pour ces conditions de fonctionnement particulières. Le média filtrant de la cartouche obstruée par le clapet conservera ainsi la température élevée qu'il aatteint lors de la dernière accélération, le clapet ne s'effaçant pour la remettre en fonctionnement que lorsque le moteur sera à nouveau sollicité, donc à nouveau à des températures de gaz d'échappement élevées. Pour permettre à chacune d'elles de pouvoir se régénérer dans de bonnes conditions, ce sera la même cartouche qui sera obstruée pendant un temps compris entre 5 et 60 minutes et alternativement. Pour commander cette rotation d'autres possibilités sont envisageables, tel que mesurer la contre pression au ralenti sur la cartouche utilisée et commander les ouvertures de tous les clapets dès qu'un niveau prédéterminé de la contre pression est atteint et les fermer à l'inverse lorsque la valeur de contre pression mesurée passe en dessous de ce niveau. De la même manière pour les moteurs suralimentés cette commande des clapets pourra être faite en suivant par un capteur la pression de suralimentation, le ou les cartouches seront obstruées dès la valeur de pression de suralimentation se rapprochera de la pression atmosphérique, par exemple à +50 mb, à l'inverse cette fermeture interviendra lorsque la pression de suralimentation passera en dessous de ce seuil.
Sur cette figure 1, la variante du dispositif représentée montre la possibilité d'incorporer un système d'injection de gazole en amont du dispositif de filtration, commandé à partir des informations collecter sur les capteurs de pression 7 et de température 16, disposé en amont des filtres, le calculateur pourra adapter la meilleure stratégie pour conserver en parfait état de propreté de chacun des filtres en injectant une quantité dosée de gazole à travers le pulvérisateur 17, alimenter en air 18 et par un injecteur de gazole 19. Ces injections ayant pour but d'augmenter la température des gaz d'échappement lorsque le moteur est à pleine puissance, de manière à atteindre la température d'auto inflammation du carbone sur le média filtrant, température voisine de 400 C grâce à l'action catalytique des nano-particules, et brûler totalement les particules déposées. Ces injections pourront par exemple être mises en oeuvre chaque fois qu'une augmentation anormale de la contre pression du filtre sera détectée. Cette température d'auto inflammation de 400 C des particules en présence d'additif étant d'autant plus facilement atteinte que déjà une partie du média filtrant sera à une température voisine de 300 C et que l'injection de gazole sera effectuée dans des gaz d'échappement à plus de 300 C, c'est l'association de cet additif à un système de filtration à surface variable qui permettra d'obtenir à chaque injection de gazole la combustion complète du carbone déposé.
Sur la figure 2 est représenté un exemple de mise en oeuvre du système de l'injection de l'additif dans le gazole. Une pompe volumique 2, à piston ou du type péristaltique ou de tous autres types, commandée par le calculateur 3, permettra à une fréquence variable d'injecter un micro volume d'additif en provenance du mini réservoir 1 dans la canalisation de retour 4 allant au réservoir de gazole 6, cette fréquence pourra être fonction des conditions réelles d'utilisation du moteur, conditions qui pourront être par exemple significatives des particules de carbone émises, mais aussi de l'évolution de la contre pression mesurée en amont du filtre. Le calculateur à partir du capteur de contre pression 7 du filtre, de la pression de suralimentation et du régime moteur déterminera la fréquence des injections d'additif qui sera préférentiellement injecté sur la canalisation de retour 4 du gazole de la pompe à injection 5 du moteur. Le retour du gazole au réservoir se faisant à un débit élevé, il favorisera à chaque injection, une bonne homogénéisation de l'additif dans tout le gazole contenu dans le réservoir 6.
Au lieu de n'avoir qu'une injection automatique d'additif qui ne dépend que du temps de fonctionnement, il pourra aussi être avantageux d'associer ce principe à celui plus classiquement utilisé qui consiste à additivé le réservoir à chaque plein par détection et reconnaissance du volume de gazole à partir de la sonde de niveau 20 du réservoir principal qui sera relié et géré par le calculateur. Ce système autorisera une réduction encore plus significative de la consommation en additif, ce qui permettra d'avoir pratiquement un réservoir d'additif assurant l'additivation à vie du système. Cette réduction de consommation de l'additif permettra de réduire de façon drastique la quantité de résidu formée dans le média filtrant et liée à décomposition de l'additif, réduisant ainsi le colmatage et permettant d'augmenter les intervalles entre régénération hors du véhicule voir de les supprimer.
Dans ce cas là, lors des pleins, il ne sera effectué qu'une additivation à quelques ppm, 3 ppm dans le cas de l'additif RHODIA EOLYS, le complément se faisant de façon automatique, fonction des conditions d'utilisation et de l'évolution de la contre pression du filtre, on peut imaginer que pour des conditions de fonctionnement optimum et sans évolution de la contre pression du filtre il n'y a pas lieu de procéder à des injections d'additif intermédiaires, avec ce mode de gestion la consommation d'additif étant sensiblement réduite de plus de 50%.
Les figures 3 et 5 montrent la possibilité de disposer en plus d'un système de recyclage des gaz d'échappement qui se met en oeuvre automatiquement, par le conduit 21, en direction du collecteur d'admission 23, chaque fois que l'un des clapets 13 est obstrué, et que l'augmentation de contre pression induite conduit à établir un débit à travers la soupape 22, ces conditions correspondent à une position d'accélérateur zéro, moteur sans charge, et donc à une température de gaz d'échappement faible.
Le recyclage permettra de réduire le débit de gaz d'échappement filtré à travers la cartouche qui restera en action dans ces conditions et donc de réduire son refroidissement. De la même manière, l'introduction de gaz d'échappement chauds en mélange avec l'air d'admission dans le collecteur en 23, après le compresseur du turbo 24, à travers le moteur 25, conduiront à une augmentation importante de la température des gaz d'échappement évacués par Le turbo 26 à travers la tubulure 27, pouvant la porter au ralenti des 90 à 100 C habituels à plus de 160 C à l'entrée du dispositif de filtration 28.
La soupape 22 est du type clapet anti-retour présentant une section de passage importante ou mieux du type à lames permettant un débit pour quelques millibars de surpression. Le dimensionnement de la soupape 22 et du conduit 21 allant au collecteur d'admission 23 est tel que cet ensemble permet un recyclage des gaz d'échappement compris entre 30 à 60% du débit pour des conditions de fonctionnement au ralenti.
Dès que le moteur sera sollicité, la pression dans le collecteur d'admission dépassera la contre-pression à l'entrée du filtre, obstruant le clapet 22 et interrompant 30 automatiquement le débit de recyclage des gaz d'échappement.
La figure 4 est une variante qui montre la possibilité d'utiliser trois cartouches de filtration 29 au lieu de deux, associées à la suppression du catalyseur d'oxydation grâce à l'imprégnation du média filtrant directement par une solution à base de catalyseur d'oxydation. Cette solution étant rendue possible avec de bonne performance grâce à l'association du procédé à surface de filtration variable et l'utilisation d'additif de combustion à base de nano-particules, en effet l'additif de combustion à base de nano-particules assurant une oxydation du carbone à des températures inférieure à 350 C éliminant ainsi le risque de concentration du carbone sur le média filtrant catalysé.
L'absence de catalyseur d'oxydation spécifique monté en amont du filtre interdira toute fois la possibilité d'avoir une post injection de gazole, en effet il ne sera pas possible d'obtenir un taux de conversion du gazole voisin de 100% sur le catalyseur déposé sur le média filtrant, ce type de support n'ayant pas la même efficacité vis à vis de l'oxydation du gazole injecté directement.
Pour compenser cet inconvénient, il sera facile de commander par le calculateur, la fermeture de tous les clapets dans des conditions de fonctionnement pleine charge et lorsque des niveaux de contre pression élevés auront été détectés, la contre pression supplémentaire ainsi généré comprise entre 200 et 400 mb entraînera une augmentation de plus de 100 C de la température des gaz d'échappement, permettant ainsi de dépasser les 400 C, température ou en présence d'additif spécifique il y a auto-inflammation des particules de carbone.
En effet avec un dispositif comprenant trois cartouches, il est possible d'introduire une variante supplémentaire dans le pilotage d'isolement de chacune des cartouches en utilisant les informations contre pression ou pression de suralimentation et température, données au calculateur par les sondes suivant une stratégie exposée ci-après.
Par exemple chaque fois que la position de l'accélérateur reviendra à zéro deux des trois cartouches seront obstruées et le débit des gaz dans cette position ne passera que par une cartouche. La remise en débit de ces deux cartouches ne se fera lors de l'accélération suivante que progressivement, l'information contre pression filtre ou pression de suralimentation sera prise en compte pour déterminer le moment opportun pour remettre en circuit ces cartouches. Par exemple le calculateur déclenchera l'ouverture du clapet d'une première cartouche dès qu'un niveau de contre pression de 100 mbar sera détecté, l'ouverture du clapet de la deuxième cartouche s'effectuant si ce niveau de contre pression de 100 mbar persiste.
En fonction du type de moteur utilisé ce niveau de contre pression pourra être différent de la valeur de 100 mbar que nous avons pris pour exemple.
Une variante de la stratégie décrite précédemment pourra être d'utiliser en plus l'information température pour par exemple chaque fois que cette température sera inférieure à 250 C ou à 300 C, décider de la fermeture d'une ou de plusieurs cartouches pour un niveau de contre pression et indépendamment des autres conditions d'utilisation.
Comme on l'a vu l'objectif de chacun des clapets qui équipent chaque cartouche est de pouvoir les isoler pour conserver le niveau de température élevé obtenu lors de la pleine charge du moteur précédente et éviter qu'elles se refroidissent sur la charge partielle ou le ralenti qui suit, cette température élevée favorisant les réactions de combustion, il y aura un intérêt majeur à conserver clapet fermé un faible débit de gaz d'échappement pour entretenir ces réactions de combustion qui sont très exothermiques et qui contribueront à élever même ces températures. Ce fonctionnement sera possible en réalisant des clapets pourvus d'un trou calibré de faible diamètre de moins de 1 à quelques millimètres, dont la dimension sera fonction de la cylindrée du moteur pour laisser passer le débit nécessaire.
De la même manière, une efficacité supérieure de réduction des hydrocarbures sur les cycles officiels de pollution a été observée grâce au maintien en température d'au moins une des galettes de catalyseur pour les dispositifs où chaque cartouche est équipée de son catalyseur.
Une variante de ce pilotage pour un système comportant au moins trois cartouches, et dont le dimensionnement de chacune d'elle sera prévue pour que la filtration des gaz d'échappement pour des conditions de pleine charge puisse s'effectuer sur seulement deux d'entre elle, consistera à spécialiser deux des cartouches au fonctionnement pleine charge et une réservée au fonctionnement au ralenti et aux charges partielles de manière à maintenir à haute température, le média filtrant et le catalyseur des cartouches utilisés aux conditions pleine charge, et obtenir une réduction maximum de tous les polluants. Pour permettre à chacune d'elles de pouvoir se régénérer dans de bonnes conditions, le calculateur changera la cartouche utilisée exclusivement au ralenti et la remplacera par une utilisée pleine charge, dès qu'un niveau de contre pression sera détecté.
Le bon fonctionnement du dispositif associé aux moyens catalytiques et d'assistances décrit précédemment et à l'utilisation d'un additif sous forme de nanoparticules ne nécessitent pas nécessairement l'utilisation d'un gazole à teneur en soufre limité de 50 ppm, l'utilisation d'additif sous forme de nano-particules permettant de se satisfaire de gazole contenant jusqu'à 500 ppm de soufre en adaptant la quantité d'additif injecté dans le combustible.
A titre d'exemple, voici la description du dispositif utilisé sur un moteur de bus de 250 ch effectuant un service journalier de 135 km à 15 km/h de moyenne et avec une consommation moyenne de 47 litres aux 100 km et dont le plein est réalisé chaque jour au retour du service et dont le réservoir contient 230 litres. Le système d'injection étant constitué d'une seringue volumétrique à commande pneumatique et introduisant à chaque injection un centimètre cube d'additif dans la canalisation de retour du gazole au réservoir. Pour une fréquence d'additivation de lcm3 toutes les 90 minutes et correspondant à une consommation d'additif de 2222 cm3 pour 50000 km, voici ci- dessous un tableau représentatif de l'évolution de la concentration d'additif en fonction du kilométrage parcouru et du gazole restant dans le réservoir. Sachant que le calculateur pourra dans l'hypothèse d'une augmentation de la contre pression réduire le temps entre deux injections jusque par exemple et ponctuellement le passer à 60 mn au lieu des 90 mn initial et obtenir ainsi une concentration d'additif supérieure dans le réservoir qui augmentera ainsi l'efficacité de catalyse de l'additif.
L'additif utilisé était d'origine RHODIA (Eolys TM DPX10) et présentait la composition suivante: 8 % d'ion Fer plus cérium sous forme d'oxydes de taille nanométrique.
Kilomètre Réservoir ppm additif Kilomètre Réservoir ppm additif 0 230 7 Plein 230 7,4 22,5 219 7,38 22,5 219 7,75 209 7,77 45 209 8,15 67,5 198 8,19 67,5 198 8,56 188 8,63 90 188 9,00 112,5 177 9,09 112,5 177 9,46 167 9,59 135 167 9,96 157,5 156 10,12 157,5 156 10,49 Plein 230 7,4 Plein 230 7,7 De la même manière ce dispositif pourra s'appliquer aux moteurs diesel des véhicules de tourisme, la gestion de l'ouverture et de la fermeture des clapets sur chaque cartouche se faisant directement à partir du calculateur qui équipe ces moteurs à injection directe à rampe commune. Cette fermeture pouvant de la même manière que celle décrite précédemment être programmée au ralenti et aux faibles charges. Les températures atteintes sur ce type de moteur, plus de 450 C pour les fonctionnements pleine charge, permettront de pouvoir maintenir pratiquement en permanence une des deux cartouches à une température supérieure à celle où la réaction de combustion en présence de ce catalyseur est instantanée, et de lui conserver un niveau de contre-pression non significatif. Il ne sera alors pas nécessaire d'avoir une post-injection de gazole, ce qui simplifiera un peu la réalisation du dispositif.
La nature chimique des additifs utilisables pour ce type d'application seront des associations entre différents groupes par exemple le sodium du groupe lA avec le fer du groupe 8 ou encore le strontium ou le calcium du groupe 2A avec le fer du groupe 8 plus du cérium du groupe des Lanthanides, de la même manière d'autres associations pourront être envisagées, la règle à appliquer étant de choisir des éléments qui sous leur forme oxyde ou sulfate ne présentent pas de caractères de toxicité.
D'une façon générale les alcalins et alcalino-terreux associés à des oxydes de fer et de l'oxyde de cérium sont connus pour présenter une action catalytique d'oxydation marquée vis à vis du carbone, leur action sera renforcée s'ils peuvent être incorporés dans le processus de combustion sous forme de nano-particules

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de filtration de gaz d'échappement, dans lequel tout ou partie des particules contenues dans lesdits gaz d'échappement, sont retenues sur des moyens de filtration à surface de filtration variable et sont brûlées grâce à l'action d'un catalyseur de combustion sous forme de nano-particules, caractérisé en ce que cet additif est incorporé automatiquement dans le combustible du réservoir et indépendamment des pleins et qu'il soit associé à un dispositif qui consiste essentiellement à obstruer au moins une partie des moyens de filtration dès que la température des gaz d'échappement à filtrer devient inférieure ou égale à une température seuil de 200 à 250 C, de manière à limiter, voire à éviter, le refroidissement de la partie obstruée et à la maintenir à une température supérieure ou égale à 300 C voisine de la température de régénération en présence des additifs à base de nano-particules.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additivation est réalisée séquentiellement à partir d'une pompe doseuse (2) dans le circuit de retour du gazole en provenance de la pompe à injection (5) commandé par un calculateur (3) à partir des informations moteur telles que la durée de fonctionnement aux différents régimes, de la charge, de la pression de suralimentation, de la température des gaz d'échappement, de l'évolution de la contre pression du filtre significative de son niveau de colmatage.
3. Dispositif selon les revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'additivation soit d'abord effectuée à partir d'une pompe doseuse (2) dans le circuit de retour du gazole en provenance de la pompe à injection (5) commandé par un calculateur (3) à chaque plein en combustible du réservoir à partir des informations fournies par la jauge, la teneur en additif ajouté correspondant à une concentration de 30 à 80 % plus faible que la teneur habituellement nécessaire, le complément se faisant par des injections séquentielles si une augmentation de la contre pression du filtre est enregistré.
4. Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'additif utilisé soit une composition liquide de particules nanométriques comprise entre 0,001 et 0,111. intimement dispersé dans un liquide hydrocarboné et compatible avec une additivation directe dans un combustible du type gazole.
5. Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'additif soit directement composé d'anions sous forme d'oxydes ou de sels, seul ou en mélange du type métaux, métalloïdes, alcalins ou alcalino-terreux, lanthanides sous forme de nanoparticules et finement dispersé dans un liquide hydrocarboné.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtration sont constitués d'au moins deux -de préférence au moins trois- cartouches filtrantes, équipées chacune d'un obturateur (13), deux des trois cartouches que comptent de préférence les moyens de filtration constituant la partie obstruée des moyens de filtration quand la température est inférieure à 200/250 C.
7. Dispositif de filtration de gaz d'échappement selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que les moyens de filtration (3), comporte au moins un moyen de catalyse (9) desdits gaz d'échappement, disposés dans une enceinte réactionnelle (12) dans la trajectoire du flux des gaz d'échappement produits par un moteur (8), ledit dispositif étant caractérisé en ce que le moyen de filtration (10) est constitué par au moins deux ensembles comprenant chacun un support de catalyseur (9) accolé à une cartouche filtrante équipée d'un moyen d'obstruction du débit (13).
8. Dispositif selon les revendications 1 et de 6 à 7, caractérisé par la mise en place d'un système de post-injection de gazole dans les gaz d'échappement, par l'intermédiaire d'un pulvérisateur (17), en amont du dispositif de filtration et des catalyseurs, pilotée par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 et de 6 à 8, caractérisé par la mise en place d'un moyen de recirculation des gaz d'échappement (22) à l'admission du moteur (23) dont le fonctionnement est associé à la coupure du débit dans une ou plusieurs des cartouches chaque fois que le moteur est non accéléré, de manière à ce que l'augmentation de contre pression générée ouvre automatiquement un clapet qui permette cette recirculation des gaz d'échappement, ce système de recirculation des gaz d'échappement étant éventuellement associé à un système d'injection du gazole (17),
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 et de 6 à 9, caractérisé en ce que chacune des cartouches filtrantes dispose d'un moyen d'obstruction du débit (13), disposé en amont ou en aval, piloté par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur, de manière à isoler au moins une cartouche chaque fois que la position d'accélérateur sera à zéro (non accéléré) et toutes les cartouches partiellement pendant la durée de l'injection du gazole.
11. Dispositif selon les revendications 1, 6, 9, 10, caractérisé en ce que le moyen de filtration est constitué d'au moins deux cartouches imprégnés directement par une solution catalytique (29) associées avec un moyen d'obstruction du débit (13) sur chacune d'elle, piloté par un calculateur électronique qui prendra en compte toutes les conditions de fonctionnement moteur, de manière à isoler à tour de rôle, au moins une cartouche lorsque le moteur est non accéléré, et toutes les cartouches partiellement pendant la durée de l'injection du gazole.
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