FR2904656A1 - Dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d'un vehicule automobile et procede associe. - Google Patents

Dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d'un vehicule automobile et procede associe. Download PDF

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Abstract

Dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module 12 élémentaire d'élimination des polluants délimitant intérieurement un conduit 14 pour les effluents gazeux et pourvu d'une première électrode externe 22, d'une seconde électrode interne 24 entre lesquelles est appliquée une impulsion électrique, et d'au moins un photocatalyseur 34, 36 en matériau diélectrique recouvrant l'une des deux électrodes et comprenant une surface de réception et d'élimination 40 des polluants.

Description

Dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d'un véhicule automobile et procédé associé
L' invention concerne le traitement de composants polluants contenus dans un milieu gazeux et, en particulier, le domaine des dispositifs de filtrage des effluents gazeux d'un véhicule automobile.
Plus particulièrement, l 'invention se rapporte à un dispositif de traitement de polluants notamment par un moyen d' élimination photocatalytique des composants polluants contenus dans des effluents gazeux.
Une première application intéressante du dispositif concerne le traitement d' un mélange gazeux destiné à être puisé à l ' intérieur de l ' habitacle d ' un véhicule automobile.
En effet, les normes anti-pollution européennes sont à l ' heure actuelle de plus en plus contraignantes en ce qui concerne le traitement des polluants, tels que les composés organiques volatils (COV) et le dégagement d'odeurs désagréables.
Les COV peuvent se dégager à partir des produits et matériaux utilisés pour puiser de l ' air à l 'intérieur de l 'habitacle. Les odeurs peuvent, quant à elles, se développer dans un dispositif de chauffage/climati sation utilisé dans le véhicule. En effet, à l ' intérieur d 'un tel dispositif, des micro-organismes peuvent proliférer, ce qui entraîne la formation d'odeurs désagréables qui se trouvent ensuite véhiculées à l ' intérieur de l ' habitacle lors de son fonctionnement. Une seconde application intéressante du dispositif concerne l ' épuration de gaz d'échappement issus du moteur à combustion interne du véhicule automobile.
Cette application est intéressante dans la mesure où l 'on sait que l 'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, enparticulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère.
Parmi les systèmes connus pour réduire considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l ' atmosphère, et satisfaire aux normes antipollution, on peut citer le filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur.
En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d' échappement qui le traversent. Cependant, au fur et à mesure de l 'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contrepression importante à l 'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances.
A cet égard, des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter ainsi une élévation importante de la contre-pression à l 'échappement et un éventuel colmatage du filtre.
Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules jusqu' à une température de l 'ordre de 570 °C à 650 °C, températures à partir desquelles les particules de carbone retenues dans le filtre se consument instantanément.
Pour ce faire, on peut procéder à une injection retardée du carburant, ou post-injection, dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement.
Toutefois, une telle injection retardée présente l ' inconvénient d' élever la température des gaz d' échappement très en amont du filtre à particules, ce qui est susceptible d'engendrer une fatigue mécaniqueet de provoquer un phénomène de dilution du gasoil dans l 'huile de lubrification du moteur.
De plus, afin de réduire la quantité de polluant émis dans l 'atmosphère, on peut également prévoir un dispositif de traitement des gaz d 'échappement monté sur la ligne d' échappement. Un tel dispositif de traitement peut être pourvu d 'un catalyseur d' oxydation et d ' un injecteur de carburant disposé en amont du catalyseur d'oxydation, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Un catalyseur d'oxydation permet d'oxyder en CO2 et H2O les produits résiduels de combustion du type HC/CO. Le catalyseur d'oxydation est efficace lorsque sa température est élevée. Toutefois, à froid, il ne fonctionne pas de façon satisfaisante. Il existe donc un risque de pollution d ' autant plus élevé que le trajet moyen d 'un véhicule est généralement court.
Dans le but d 'éviter une telle pollution, il est souhaitable de permettre, dès le démarrage du véhicule ou encore pendant des situations urbaines embouteillées, un traitement des produits résiduels du type HC/CO qui soit efficace. A cet égard, la demande de brevet US 2003/0140622 décrit un système de traitement des gaz d'échappement d 'un moteur à combustion de type Diesel, le système étant pourvu d'un catalyseur d'oxydation positionné dans la ligne d'échappement du moteur, et d'un réacteur plasma relié à une conduite débouchant dans la ligne d 'échappement en amont dudit catalyseur d'oxydation, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Le réacteur plasma permet une injection de gaz dans la ligne d'échappement de manière à obtenir une conversion préalable des NOx avant leur entrée au niveau du catalyseur d'oxydation.Ce système présente l 'inconvénient de ne pas permettre une augmentation significative de la température des gaz d'échappement, ce qui réduit l'efficacité du catalyseur d'oxydation.
Pour une application concernant l ' épuration d' un mélange gazeux destiné à être puisé à l 'intérieur de l ' habitacle du véhicule automobile, il a également été proposé des dispositifs de traitement similaires qui comportent notamment un générateur plasma et un photocatalyseur disposé en aval dudit générateur, en considérant le sens de circulation du mélange gazeux. Pour plus de détails, on pourra se référer au dispositif décrit dans le document US 2005/0142047.
On connaît également par le document US 2005/0058582, un dispositif de chauffage/climatisation comportant un filtre électrostatique, un générateur de plasma et un catalyseur d' oxydation, disposés d' amont en aval, en considérant le sens de circulation des gaz.
Ces dispositifs présentent l ' inconvénient de ne pas permettre une activation satisfaisante du catalyseur afin d'obtenir une bonne efficacité de traitement des polluants véhiculés par les gaz. Au vu de ce qui précède, le but de l 'invention est de pallier les inconvénients liés à la réalisation des dispositifs de traitement antérieurs.
En particulier, le but de l ' invention est de fournir un dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux qui soit particulièrement efficace.
La présente invention a également pour but de prévoir un dispositif qui puisse être utilisé pour le traitement d'un mélange de gaz destiné à être puisé à l 'intérieur de l'habitacle du véhicule automobile.La présente invention a encore pour but de prévoir un dispositif apte à traiter des gaz d'échappement issus du moteur à combustion interne du véhi cule.
La présente invention a enfin pour but de prévoir un dispositif de traitement de polluants qui soit particulièrement compact.
Selon un premier aspect, l 'invention a donc pour objet un dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d'un véhicule automobile, qui comprend au moins un module élémentaire d ' élimination délimitant intérieurement un conduit pour les effluents gazeux.
Le module est pourvu d'une première électrode externe, d 'une seconde électrode interne entre lesquelles est appliquée une impulsion électrique, et d' au moins un photocatalyseur en matériau diélectrique recouvrant l 'une des deux électrodes et comprenant une surface de réception et d 'élimination des polluants.
Avec un tel di spositif, il devient dès lors possible d'obtenir un traitement des polluants qui soit particulièrement simple et efficace, et ce, avec un unique moyen.
La demanderesse a déterminé que l 'utilisation d'un photocatalyseur en matériau diélectrique à l 'intérieur même d'une décharge à barrière diélectrique permet d'accroître l 'efficacité de traitement des polluants contenus dans les effluents gazeux.
En effet, l 'utilisation d 'un photocalyseur disposé radialement et axialement entre les électrodes permet d'abaisser la température d'activation de celui-ci. L'impulsion électrique créée entre les deux électrodes favorise en effet l 'excitation du photocatalyseur, ce qui diminue encore la température à laquelle il est particulièrement efficace.Par ailleurs, avec cette disposition dans laquelle le photocatalyseur constitue le matériau diélectrique de la décharge à barrière diélectrique, la dimension axiale de la surface catalytique est relativement importante. Ainsi, on obtient une surface d' élimination active de grande dimension axiale sans augmenter l ' encombrement du dispositif.
Avantageusement, le dispositif comprenant des premier et second photocatalyseurs recouvrant les première et seconde électrodes, respectivement. L'utilisation de deux photocatalyseurs recouvrant chacun une des électrodes permet d' accroître la fiabilité du dispositif. En effet, avec cette disposition, en fonctionnement, l 'état des deux électrodes est préservé pendant une durée plus importante.
En outre, l 'utilisation de deux photocatalyseurs permet d' accroître la surface active de réception, d' absorption et d' élimination des polluants.
De préférence, le ou les photocatalyseurs sont de forme générale tubulaire.
Dans un mode de réalisation préféré, les première et seconde électrodes sont coaxiales.
Le dispositif peut comprendre en outre une source de rayonnement additionnelle disposée radialement entre la première électrode externe et la seconde électrode interne.
Avantageusement, la dimension axiale du ou des photocatalyseurs est sensiblement égale à celle des première et seconde électrodes.
Le dispositif peut comprendre, en outre, un absorbant disposé en aval des première et seconde électrodes, en considérant le sens de circulation des effluents gazeux à l'intérieur du module.Dans un mode de réalisation, plusieurs modules élémentaires d'élimination des polluants sont montés en parallèle sur le flux des effluents gazeux.
Selon un second aspect, l ' invention a également pour objet un procédé de traitement des polluants contenus dans des effluents gazeux d' un véhicule automobile, dans lequel on applique une impulsion électrique aux bornes de deux électrodes d'une décharge à barrière diélectrique comprenant au moins un photocatalyseur en matériau diélectrique recouvrant l 'une des deux électrodes et comprenant une surface de réception et d 'élimination des polluants.
Les effluents gazeux peuvent être les gaz d'échappement du moteur à combustion interne du véhicule automobile, ou encore le mélange de gaz destiné à être puisé à l 'intérieur de l 'habitacle du véhicule. La présente invention sera mieux comprise à l 'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux selon un premier mode de réalisation de l ' invention, la figure 2 est une vue en coupe selon l ' axe II-II de la figure 1 , et la figure 3 est une vue en coupe d' un dispositif de traitement selon un deuxième mode de réalisation de l 'invention. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d' un véhicule automobile, désigné par la référence numérique générale 10.Ce dispositif peut être utilisé pour le traitement des polluants, tels que les COV et les odeurs, contenus dans mélange de gaz destiné à être puisé à l 'intérieur d 'un habitacle d 'un véhicule automobile. Ce dispositif peut également être utilisé pour le traitement des polluants contenus dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne du véhicule, et notamment pour le traitement des particules de carbone.
Ce dispositif 10 comprend essentiellement un module 12 élémentaire de traitement délimitant intérieurement un conduit 14 pour les effluents gazeux, à l 'intérieur duquel les polluants véhiculés par lesdits effluents vont être éliminés.
Le conduit 14, délimité par une paroi générale cylindrique, d 'axe général axial 16, est muni de deux extrémités ouvertes mutuellement opposées 18 et 20 pour la fixation du dispositif à une canalisation dans laquelle circulent les effluents gazeux à traiter.
Plus précisément, l 'extrémité ouverte 18 est destinée, dans le cas d' une application pour le traitement des gaz d'échappement du moteur, à être directement raccordé en sortie du collecteur d'échappement du moteur à combustion interne, l 'extrémité 20 étant, quant à elle, destinée à être raccordée à une conduite d'évacuation des gaz d'échappement.
De manière à permettre l 'élimination des polluants véhiculés par les effluents gazeux pénétrant dans le conduit 14 par l 'extrémité 18, le dispositif 10 comprend notamment des première et seconde électrodes, référencées respectivement 22 et 24.
La première électrode 22 externe présente une forme générale tubulaire et est coaxiale avec l'axe 16. La première électrode 22 est fixée contre la paroi externe du conduit 14, par tout moyen approprié. Elle s'étend sur la majeure partie de celui-ci.La seconde électrode 24 interne présente également une forme générale tubulaire, coaxiale avec l 'axe 16. Les première et seconde électrodes 22 et 24 sont donc coaxiales entre elles.
La seconde électrode 24 interne est ici montée sur la paroi interne d' un tube 26 fermé à chacune de ses extrémités et monté à l ' intérieur du conduit 14. La seconde électrode 24 présente une dimension axiale égale à celle de la première électrode 22, et est alignée axialement par rapport à celle-ci.
En d'autres termes, la première électrode 22 externe entoure radialement la seconde électrode 24 interne.
Le tube 26 est coaxial à l 'axe 16 du conduit 14. Il présente une dimension radiale relativement réduite par rapport à celle du conduit
14 de manière à ménager un espace radial tubulaire entre la paroi externe de celui-ci et la paroi interne du conduit 14 pour l ' écoulement des effluents gazeux. Le tube 26 est fixe relativement au conduit 14.
La première électrode 22 externe est reliée électriquement à une source d' alimentation électrique en tension alternative, symbolisée par la référence 28, par l ' intermédiaire d' une connexion 30. La source d'alimentation 28 est également reliée à la seconde électrode 24 interne par l ' intermédiaire d' une connexion 32 s' étendant radialement dans le conduit 14.
Des isolateurs (non représentés) sont disposés sur le conduit 14 et le tube 26 de manière à isoler électriquement la paroi de ces deux éléments de l ' électrode 24 interne. Pour l ' élimination des polluants véhiculés par les effluents gazeux, le dispositif 10 comprend encore des premier et second photocatalyseurs 34, 36 associés aux première et seconde électrodes 22, 24, respectivement.Le premier photocatalyseur 34 externe présente une forme générale tubulaire et est coaxial avec l ' axe 16. Il est fixé contre la paroi interne du conduit 14, par tout moyen approprié. Le photocatalyseur 34 comprend une dimension axiale sensiblement égale à celle de la première électrode 22 externe, et est aligné axialement sur celle-ci. Le photocatalyseur 34 est ainsi situé entièrement à l'intérieur du conduit 14. Il comprend des extrémités ouvertes mutuellement opposées de manière à permettre le passage des effluents gazeux. D' une manière analogue, le second photocatalyseur 36 interne présente une dimension axiale sensiblement égale à celle de la seconde électrode interne 24, et est fixé sur la paroi externe du tube 26. Le second photocatalyseur 36 présente donc une forme générale tubulaire. Il est aligné axialement par rapport à la seconde électrode 24 interne. Le premier photocatalyseur 34 entoure ainsi radialement le second photocatalyseur 36 et la seconde électrode interne 24. Le second photocatalyseur 36 entoure radialement quant à lui la seconde électrode interne 24. Avantageusement, les photocatalyseurs 34 et 36 comprennent du dioxyde de titane (TiO2). En fonctionnement, les effluents gazeux chargés de polluants pénètrent dans le conduit 14 par l 'extrémité ouverte 18, et s' écoulent sensiblement axialement à l ' intérieur de celui-ci jusqu'au voisinage des première et seconde électrodes 22 et 24. A partir de celles-ci, les effluents gazeux sont ionisés, les polluants étant ainsi chargés électriquement. Les polluants sont alors déviés radialement vers l 'intérieur ou l ' extérieur, en direction du second photocatalyseur 36 ou du premier photocatalyseur 34.
De manière à permettre une déviation vers l 'extérieur des polluants, la première électrode externe 22 est maintenue à unn potentiel nul, la seconde électrode interne 24 est portée à un potentiel positif ou négatif.
La différence de potentiel créée entre les première et seconde électrodes 22 et 24 induisent la présence d'un champ électrique dans le conduit 14. Si ce champ électrique possède une intensité suffisante, en particulier au très proche voisinage de l 'électrode interne 24, il se produit alors une ionisation partielle ou totale des gaz, compris axialement et radialement entre les électrodes interne 24 et externe 22. L' utilisation de photocatalyseurs 34 et 36, recouvrant respectivement la première électrode 22 et la seconde électrode 24, permet de couper le courant ainsi créé entre lesdites électrodes, de manière à limiter les pertes nécessaires à l 'ionisation des gaz, et éviter le passage à l ' arc en conservant un champ électrique fort. Un tel passage à l 'arc serait susceptible d'endommager les électrodes externe 22 et interne 24.
Dans ces conditions, le champ électrique quasiment homogène dans l 'espace inter-électrodes dévie les polluants chargés qui migrent radialement vers le premier photocatalyseur 34 au niveau d'une surface 40 de réception et d'élimination des polluants constituée par la paroi interne ou alésage du photocatalyseur 34. Cette surface 40 cylindrique présente donc une dimension axiale sensiblement équivalente à celle de la première électrode 22.
Bien entendu, il est également envisageable de prévoir une alimentation des première et seconde électrodes 22 et 24 afin que les polluants chargés se dirigent radialement vers l 'intérieur en direction du second photocatalyseur 36. Dans ces conditions, une surface 42 de réception et d 'élimination des polluants est constituée par la paroi extérieure cylindrique de celui-ci.Le champ électrique est hétérogène uniquement à proximité des première et seconde électrodes 22 et 24. Les polluants chargés et déposés sur la surface 40 s' agglomèrent par interaction électrostatique et par les forces de Van der Waals, et sont ensuite éliminés par les réactions d' oxydo-réduction se produisant au niveau de cette surface du premier photocatalyseur 34.
En effet, la décharge créée entre les première et seconde électrodes 22 et 24 crée un plasma comportant des électrons qui par un processus d' échange d' énergie provoquent la production de radicaux fortement réactifs capables d' initier, au niveau des surfaces 40 et 42 des photocatalyseurs 34 et 36, des réactions d'oxydation avec les polluants à éliminer.
En outre, la création du plasma génère également un rayonnement ultraviolet (UV) entre les électrodes 22 et 24, ce qui permet d' augmenter localement la température entre celles-ci et d'exciter les photocatalyseurs 34 et 36. En d'autres termes, la température des photocatalyseurs 34 et 36 s' élève et leur efficacité augmente.
En d' autres termes, après avoir obtenu la capture au niveau des surfaces de réception 40, 42 des premier et second photocatalyseurs 34 et 36 en matériau diélectrique, par l 'intermédiaire d'une impulsion électrique de collecte entre les première et seconde électrodes 22 et 24, les photocatalyseurs 34 et 36 permettent l ' établissement de réactions d' oxydoréduction entre les polluants à éliminer et les espèces actives du milieu généré par l' impulsion électrique de collecte, qui sont des réactions se produisant à la surface des surfaces 40 et 42. Ainsi, on obtient au niveau de l ' extrémité ouverte 20 des effluents gazeux dans lesquels les polluants ont été sensiblement diminués.Les surfaces de réception 40, 42 des premier et second photocatalyseurs 34 et 36 forment donc des surfaces d'absorption des polluants.
La prévision d'une décharge à barrière électrique qui soit pourvue de photocatalyseurs 34, 36 agissant comme matériau diélectrique de la décharge permet d 'obtenir un traitement des polluants véhiculés par les effluents gazeux avec un unique dispositif, de manière particulièrement efficace et économique.
En effet, la demanderesse a déterminé qu'avec des photocatalyseurs 34 et 36 qui sont ainsi disposés à l ' intérieur même de la barrière à décharge diélectrique, l ' efficacité d'élimination des polluants est sensiblement accrue.
De manière à accroître l 'activation thermique des photocatalyseurs 34 et 36, le dispositif 10 comprend également une pluralité de filaments 38 de plasma disposés radialement entre lesdits premier et second photocatalyseurs 34 et 36. Les filaments 38 de plasma sont répartis sur la majeure partie de la longueur axiale de ces photocatalyseurs 34 et 36. Les filaments de plasma constituent ainsi une source de rayonnement, ici ultraviolet, additionnelle. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, un absorbant 42 est fixé sur la paroi interne du conduit 14, à proximité de l 'extrémité ouverte 20. Cet absorbant 44 peut par exemple être un catalyseur réalisé en dioxyde de manganèse (MnO2) ou encore une couche de zéolyte.
Cet absorbant 44 disposé en aval des électrodes 22 et 24, en considérant le sens de circulation des effluents gazeux à l 'intérieur du conduit 14, permet encore d' accroître l ' efficacité du dispositif 10.Bien que dans les modes de réalisation précédemment décrits, un seul module 12 élémentaire de traitement a été représenté, on conçoit aisément que le dispositif 10 puisse comprendre une pluralité de modules 12 montés en parallèle sur le flux d' effluents gazeux à traiter, de manière à accroître l'efficacité globale du dispositif.
Grâce à l 'invention, on obtient un dispositif de traitement des polluants qui comprend au moins un module élémentaire d'élimination, délimitant intérieurement un conduit pour les effluents gazeux à traiter, qui est pourvu d 'un réacteur à plasma comprenant une première électrode externe, une seconde électrode interne entre lesquelles est appliquée une impulsion électrique, et au moins un photocatalyseur en matériau diélectrique recouvrant au moins l 'une des deux électrodes pour l 'élimination des polluants.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de traitement de polluants contenus dans des effluents gazeux d' un véhicule automobile, caractérisé en ce qu' il comprend au moins un module ( 12) élémentaire d' élimination des polluants délimitant intérieurement un conduit ( 14) pour les effluents gazeux et pourvu d' une première électrode externe (22), d' une seconde électrode interne (24) entre lesquelles est appliquée une impulsion électrique, et d' au moins un photocatalyseur (34, 36) en matériau diélectrique recouvrant l ' une des deux électrodes et comprenant une surface de réception et d' élimination (40) des polluants.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1 , comprenant des premier et second photocatalyseurs (34, 36) recouvrant les première et seconde électrodes, respectivement.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le ou les photocatalyseurs (34, 36) sont de forme générale tubulaire.
  4. 4. Dispositif selon l ' une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et seconde électrodes sont coaxiales.
  5. 5. Dispositif selon l 'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une source de rayonnement additionnelle disposée radialement entre la première électrode externe et la seconde électrode interne.
  6. 6. Dispositif selon l' une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la dimension axiale du ou des photocatalyseurs est sensiblement égale à celle des première et seconde électrodes.
  7. 7. Dispositif selon l' une quelconque de revendications précédentes, comprenant en outre un absorbant (44) disposé en avaldes première et seconde électrodes, en considérant le sens de circulation des effluents gazeux à l ' intérieur du module.
  8. 8. Dispositif selon l 'une quelconque de revendications précédentes, comprenant plusieurs modules élémentaires d'élimination de polluants montés en parallèle sur le flux des effluents gazeux.
  9. 9. Procédé de traitement de polluants contenues dans des effluents gazeux d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'on applique une impul sion électrique aux bornes de deux électrodes d'une décharge à barrière diélectrique comprenant au moins un photocatalyseur en matériau diélectrique recouvrant l 'une des deux électrodes et comprenant une surface de réception et d'élimination (40) des polluants.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les effluents gazeux sont les gaz d 'échappement d'un moteur à combustion interne du véhicule automobile.
    1 1. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les effluents gazeux sont le mélange de gaz destiné à être puisé à l 'intérieur de l 'habitacle du véhicule automobile.
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