FR3125298A1 - Utilisation d’une composition d’additifs pour réduire les émissions des véhicules Diesel - Google Patents

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Abstract

La présente invention a pour objet l’utilisation, pour réduire les émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, d’une composition d’additifs comprenant :(i) un ou plusieurs additifs choisi(s) parmi les composés ayant dans leur structure au moins un groupement alkyl-phénol ; et(ii) un ou plusieurs additifs améliorant l’indice de cétane ;dans laquelle le ratio massique de la quantité d’additif(s) (i) sur la quantité d’additif(s) (ii) est compris dans la gamme allant de 1:3 à 3:1. La présente invention porte également sur une méthode de diminution des émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, mettant en œuvre cette composition d’additifs.

Description

Utilisation d’une composition d’additifs pour réduire les émissions des véhicules Diesel
La présente invention concerne l’utilisation d’une composition d’additifs particuliers pour réduire les émissions de polluants des véhicules équipés de moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel.
La présente invention concerne également un procédé ou une méthode de réduction des émissions de polluants des véhicules équipés de moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel, mettant en œuvre cette composition d’additifs dans un carburant.
ETAT DE L'ART ANTERIEUR
Les normes européennes et mondiales en matière de pollution applicables aux véhicules légers comme aux poids lourds, ont imposé des contraintes de plus en plus sérères sur les niveaux d’émissions des véhicules équipés de moteurs à allumage par compression (moteurs Diesel).
De manière connue en soi, parce que la combustion d’un carburant dans un moteur alternatif est imparfaite, ces moteurs émettent au cours des cycles de combustion des composés polluants de différentes natures. Il existe en particulier quatre polluants réglementés : trois gazeux (le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote et les hydrocarbures imbrûlés) et les particules solides. Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz toxique par inhalation qui peut être mortel à certaines concentrations, les oxydes d’azote (NOx) sont souvent associés aux problèmes de pollutions locales urbaines et les hydrocarbures imbrûlés sont eux issus de la combustion incomplète de certains composés. Les particules solides proviennent également de la combustion incomplète du carburant, au départ de composés riches en carbone (comme les aromatiques) sur lesquels d’autres composés se condensent pour former une suie solide.
Les exigences modernes de réduction et de contrôle de ces émissions ont conduit les constructeurs de moteurs et de véhicules à mettre en place des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement en sortie des moteurs. Ces systèmes de post-traitements incluent différentes technologies parmi lesquelles on distingue notamment :
- les dispositifs de réduction catalytique sélective connus sous l’appellation SCR (Selective Catalytic Reduction ou réduction catalytique sélective en français), qui permettent de réduire les oxydes d'azote NO et NO2(couramment dénommés NOx) sur un dispositif catalytique dans lequel ils sont mis en contact avec un agent réducteur,
- les dispositifs « piège à NOx » (LNT) qui agissent par adsorption des NOx puis réduction lorsque les conditions sont réunies (fonctionnement en mélange riche) ;
- les dispositifs de recirculation des gaz d'échappement connus sous l’appellation EGR (Exhaust Gas Recirculation ou recirculation de gaz d'échappement en français), et
- les dispositifs de type filtres à particules couramment dénommés FAP. On peut également citer les systèmes dits SCRoF (SCR on Filter) ou SCRF ou SDPF qui combinent, au sein d’un seul élément, les fonctions de réduction des NOx par SCR et de filtration des particules. Ces divers dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement peuvent être installés seuls ou en combinaison, dans la mesure où ils n'agissent pas toujours sur les mêmes polluants présents dans les gaz d'échappement.
Ainsi, des solutions au problème de la réduction des émissions polluantes des véhicules ont été essentiellement recherchées du côté des constructeurs. Il faut cependant souligner que les niveaux d’émissions réels des véhicules mêmes les plus récents, soumis aux nouveaux tests les plus stricts à la suite du Dieselgate, ne sont pas nuls. De même, il a été montré que ce type de véhicule pouvait encore émettre des niveaux élevés de polluants dans certaines conditions de roulage réel (très urbain) ou selon le type de système de dépollution (étude IFPEN pour le Ministère de Transition Ecologique fin 2020 sur des véhicules Euro 6D-Temps). Les études ont également montré que pour les véhicules plus anciens, les niveaux réels d’émissions pouvaient être très largement supérieurs à ceux attendus en dehors du cycle d’homologation européen antérieur (NEDC). Il peut donc s’avérer particulièrement intéressant d’abaisser les niveaux réels d’émissions au-delà des traitements effectués dans les véhicules.
On connait par ailleurs l’utilisation de divers types d’additifs dans les carburants alimentant ces moteurs. Ces additifs sont des composés chimiques qui sont incorporés en faible quantité aux carburants, afin d’en améliorer les performances intrinsèques. On peut citer par exemples les additifs de tenue à froid (visant à améliorer la tenue des carburant aux basses températures), les additifs réducteurs de dépôts (visant à réduire l’effet encrassant des carburants dans les moteurs au cours de la combustion), les additifs procétane (visant à augmenter l’indice de cétane et donc les performances énergétiques des carburants), etc…
Toutefois, les fabricants d’additifs n’ont que très peu cherché à résoudre la problématique de la maitrise des émissions polluantes. Au contraire, il est généralement considéré que les additifs n’ont pas ou peu d’impact sur les émissions polluantes.
Ainsi, la publication intitulée « The characteristics of performance and exhaust emissions of a diesel engine using a biodiesel with antioxidants”, Bioresource Technology 101 (2010), S78-82, relate les résultats d’une étude portant sur l’effet sur la stabilité à l’oxydation, la performance moteur et les émissions polluantes, d’additifs anti-oxydants connus (notamment des composés à groupement alkyl-phénol) dans des carburants à base de biodiesels. Les auteurs concluent que ces additifs n’ont que très peu d’effets sur les émissions.
Par ailleurs, les polluants sont souvent traités de manière individuelle, c’est-à-dire qu’une technologie donnée ne permet de réduire qu’un seul type de polluant, par exemple les NOx et pas les autres (par exemple le monoxyde de carbone, les particules, les hydrocarbures imbrulés,…). Différentes technologies doivent donc être juxtaposées pour parvenir à satisfaire aux exigences réglementaires.
La publication SAE 2000-01-1853 renseigne par exemple sur le bénéfice en CO et HC lié à l’utilisation du procétane mais révèle une légère hausse des NOx. La publication SAE 2009-01-2697 étudie l’impact de l’indice de cétane sur un moteur Cummins 6,7L et confirme une hausse des NOx lié aux indices de cétane élevés (ajustés par emploi de procétane).
Il subsiste donc le besoin de mettre au point des solutions complètes, qui permettent de traiter plus globalement les émissions polluantes. Ces solutions doivent être compatibles avec les solutions existantes. Elles doivent être efficaces, quelle que soit la technologie du moteur, l’efficacité réelle du système de post-traitement et/ou la nature du carburant notamment son origine (pétrolières et/ou biosourcée). Ces solutions ne doivent pas non plus être apportées au détriment des autres propriétés attendues liées à l’emploi d’additifs de performance dans les carburants de qualité supérieure (propreté moteur, anticorrosion, antimousse…), qui doivent être maintenues.
OBJET DE L’INVENTION
La Demanderesse a maintenant découvert que l’utilisation d’une composition d’additifs particulière, basée sur l’association d’un additif à groupement alkyl-phénol avec un additif procétane dans des proportions bien définies, présentait une efficacité importante et inattendue sur la réduction des émissions polluantes des carburants utilisés dans les moteurs Diesel, et procurait un effet de diminution simultanée d’au moins deux types de polluants incluant les quatre types de polluants principaux que sont les oxydes d’azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés et les particules solides.
La présente invention a ainsi pour objet l’utilisation, pour réduire les émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, d’une composition d’additifs comprenant :
(i) un ou plusieurs additifs choisi(s) parmi les composés ayant dans leur structure au moins un groupement alkyl-phénol ; et
(ii) un ou plusieurs additifs améliorant l’indice de cétane ;
dans laquelle le ratio massique de la quantité d’additif(s) (i) sur la quantité d’additif(s) (ii) est compris dans la gamme allant de 1:3 à 3:1.
L’incorporation dans un carburant pour moteur Diesel de cette composition d’additifs permet d’obtenir une réduction significative des niveaux d’émissions polluantes par rapport au même carburant ne contenant pas ces additifs. De manière particulièrement inattendue, la réduction est obtenue simultanément pour plusieurs types d’agents polluants incluant au moins les oxydes d’azote, le monoxyde de carbone et/ou les hydrocarbures imbrûlés.
Selon un mode de réalisation préféré, l’invention permet de réduire simultanément les émissions d’oxydes d’azote, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrûlés.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, l’invention permet de réduire en outre les émissions de particules solides.
La composition d’additifs selon l’invention est efficace dans les différents types de carburants destinés aux moteurs Diesels, également dénommés gazoles, qu’ils soient d’origine pétrolière ou non, incluant les carburants issus en tout ou partie de la biomasse.
Elle permet également d’apporter les propriétés requises pour un carburant gazole, et de maintenir d’excellents niveaux de performance en termes de propreté du moteur et des injecteurs, d’indice de cétane, de performances anti-mousse et anti-corrosion notamment.
L’invention a également pour objet un procédé ou méthode de diminution des émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, comprenant l’ajout audit carburant d’une composition d’additifs telle que définie ci-avant.
D’autres objets, caractéristiques, aspects et avantages de l’invention apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description et des exemples qui suivent.
Dans ce qui va suivre, et à moins d’une autre indication, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans les expressions « compris entre » et « allant de … à …».
Par ailleurs, les expressions « au moins un » et « au moins » utilisées dans la présente description sont respectivement équivalentes aux expressions « un ou plusieurs » et « supérieur ou égal ».
Enfin, de manière connue en soi, on désigne par composé ou groupe en CNun composé ou un groupe contenant dans sa structure chimique N atomes de carbone.

Claims (17)

  1. Utilisation, pour réduire les émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, d’une composition d’additifs comprenant :
    (i) un ou plusieurs additifs choisi(s) parmi les composés ayant dans leur structure au moins un groupement alkyl-phénol ; et
    (ii) un ou plusieurs additifs améliorant l’indice de cétane ;
    dans laquelle le ratio massique de la quantité d’additif(s) (i) sur la quantité d’additif(s) (ii) est compris dans la gamme allant de 1:3 à 3:1.
  2. . Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le ou les additifs (i) sont choisis parmi les composés (i)a) comprenant un ou deux noyau(x) phénolique(s) substitué(s) par un ou plusieurs groupes alkyle choisis parmi les groupes méthyle et t-butyle, et de préférence parmi les méthyl-t-butyl phénols, les diméthyl-t-butyl phénols, les éthyl-t-butyl phénols, les t-butyl phénols, les di-t-butyl phénols, les tri-t-butyl phénols, les di-t-butyl-di-méthyl phénols, et leurs mélanges.
  3. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le ou les composé(s) (i)a) sont choisis parmi les (di)tert-butyl phénols, les méthyl-tert-butylphénols et les di-méthyl-tert-butylphénols, leurs mélanges, et leurs produits de condensation deux à deux, tels qu’en particulier le 2,6-di-t-butyl-4-méthyl phénol (BHT), le 2,4-diméthyl-6-t-butyl phénol, le 2,5-diméthyl-4-t-butyl phénol, le 2,6 et le 2,4 di-t-butyl phénol, le 2,4,6-tri-t-butyl phénol, leurs mélanges, et leurs produits de condensation deux à deux.
  4. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les additifs (i) sont choisis parmi les résines alkylphénol-aldéhydes modifiées (i)b) susceptibles d’être obtenues par réaction de Mannich d'une résine de condensation alkylphénol-aldéhyde :
    • avec au moins un aldéhyde et/ou une cétone ayant de 1 à 8 atomes de carbone, de préférence de 1 à 4 atomes de carbone;
    • et au moins un composé hydrocarboné ayant au moins un groupement alkylpolyamine, ayant entre 1 et 30 atomes de carbone, de préférence entre 4 et 30 atomes de carbone,
    ladite résine de condensation alkylphénol-aldéhyde étant elle-même susceptible d'être obtenue par condensation :
    • d'au moins un alkylphénol substitué par au moins un groupement alkyle, linéaire ou ramifié, ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence un monoalkylphénol,
    • avec au moins un aldéhyde et/ou une cétone ayant de 1 à 8 atomes de carbone, de préférence de 1 à 4 atomes de carbone.
  5. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les résines alkylphénol-aldéhyde modifiées sont susceptibles d'être obtenues à partir de p-nonylphénol, de formaldéhyde et d'au moins un composé hydrocarboné comprenant au moins un groupement alkylpolyamine.
  6. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que les résines alkylphénol-aldéhyde modifiées sont susceptibles d'être obtenues à partir d'au moins une alkylpolyamine ayant au moins deux groupements amine primaire, et au moins une chaîne grasse ayant de 12 à 24 atomes de carbone, de préférence de 12 à 22 atomes de carbone.
  7. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition d’additifs comprend un ou plusieurs composés (i)a) comprenant un ou deux noyau(x) phénolique(s) substitué(s) par un ou plusieurs groupes alkyle choisis parmi les groupes méthyle et t-butyle, et une ou plusieurs résines alkylphénol-aldéhydes modifiées (i)b).
  8. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou les additifs (ii) sont choisis parmi les alkyl-nitrates, les peroxydes d’aryle et les peroxydes d’alkyle, et de préférence parmi les alkyl-nitrates de formule R-NO3avec R un radical alkyle comprenant de 2 à 12 atomes de carbone, plus préférentiellement de 4 à 8 atomes de carbone, et mieux encore l’additif (ii) est l’éthyl-hexyl-nitrate.
  9. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ratio massique de la quantité d’additif(s) (i) sur la quantité d’additif(s) (ii) est compris dans la gamme allant de 1 :2,5 à 2,5 :1, de préférence de 1 :2 à 2 :1 et plus préférentiellement de 1 :1 à 1,5 :1.
  10. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition d’additifs comprend en outre un ou plusieurs additif(s) (iii) réducteur(s) de dépôts, de préférence choisi(s) dans le groupe constitué par les amines, les succinimides, les alkénylsuccinimides, les polyalkylamines, les polyalkyles polyamines, les polyétheramines, les sels d’ammoniums quaternaires, et les dérivés du triazole ; plus préférentiellement parmi les polyisobutylènes succinimides fonctionnalisés par un groupement ammonium quaternaire, les amides d’acides gras fonctionnalisés par un groupement ammonium quaternaire et leurs dimères tels que les composés di-(alkylamido-propyl-ammonium quaternaire), les alkylamidoalkyle bétaïnes à chaîne grasse et les dérivés de triazole ; et plus préférentiellement encore parmi les polyisobutylènes succinimides fonctionnalisés par un groupement ammonium quaternaire et les polyisobutylènes succinimides fonctionnalisés par un groupement triazole.
  11. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le ratio entre la teneur pondérale totale en composés (i) ayant dans leur structure au moins un groupement alkyl-phénol d’une part et la teneur pondérale totale en additif(s) réducteur(s) de dépôts (iii) d’autre part va de 1:60 à 1:2, de préférence de 1:20 à 1:3.
  12. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition d’additifs comprend au moins un solvant choisi parmi les alcools, de préférence au moins un monoalcool en C1 à C8, et plus préférentiellement choisi parmi l’éthanol et l’éthyl-2-héxanol.
  13. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant est choisi parmi les gazoles, les biodiesels, les gazoles de type Bxcontenant x% (v/v) d’esters d’huiles végétales ou animale avec x un nombre supérieur à zéro et inférieur ou égal à 100, les huiles végétales hydrotraitées (HVO), et leurs mélanges.
  14. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour réduire simultanément les émissions d’oxydes d’azote, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrûlés.
  15. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour réduire en outre les émissions de particules solides.
  16. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur à allumage par compression est un moteur Diesel hybride ou un moteur Diesel à injection directe, de préférence un moteur Diesel à injection directe et plus préférentiellement un moteur Diesel à système d’injection Common-Rail.
  17. Méthode de diminution des émissions d’oxydes d’azote et d’au moins un type d’agent polluant choisi parmi le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés lors de la combustion d’un carburant liquide dans un moteur à combustion interne à allumage par compression, comprenant l’ajout audit carburant d’une composition d’additifs telle que définie dans l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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