WO1998037944A1 - Filtre antipollution pour moteurs a explosion - Google Patents

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Roger Touati
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an anti-pollution filter for internal combustion engines for filtering exhaust gases in order to reduce the content of toxic emissions.
  • This type of fi'ltre is most often mounted in a muffler installed at the outlet of the engine.
  • Some exhaust pipes use monolithic ceramics with holes for filtering and removing exhaust gases.
  • catalysts are used in "catalytic converters" of automobiles in order to achieve complete and rapid oxidation of fuel that has not been burned.
  • fuel there is always unburned fuel in the exhaust gases coming out of the engine, it is a mixture of carbon monoxide, unburned hydrocarbon and nitrogen oxide which is generally called NOx.
  • NOx carbon monoxide, unburned hydrocarbon and nitrogen oxide
  • the pollution that these substances can cause is reduced if the carbon compounds are oxidized to carbon dioxide and if NOx is reduced to nitrogen.
  • it is easy to find a metal or metal oxide catalyst to accelerate these reactions it is very difficult to select the right catalysts in practice.
  • a catalyst that achieves the reduction of NOx beyond N2, especially NH3, is not desirable, because the ammonia will then be released into the atmosphere where it will be reoxidized to NOx.
  • the catalyst must work even at relatively low temperatures, especially those that are at engine start because the problem of gas emission is even worse. It is for this reason that inexpensive metals such as copper are used less than the noble and expensive metals, such as platinum: the latter are active at low temperatures.
  • WO 89/11024 describes for example a filtration device for exhaust gases.
  • This device comprises a pot containing several spaced apart separation elements.
  • Each separation element contains materials capable of trapping toxic gases, such as magnetic material (bauxite, for example) and a mixture of activated carbon, pumice, limestone aggregate and mineral wool.
  • the invention provides another solution allowing 90% elimination of toxic gas emissions.
  • the invention relates to an anti-pollution filter for internal combustion engines for filtering exhaust gases, comprising a compartment containing metamorphic rock, arranged in the passage of exhaust gases, the metamorphic rock containing from 40 to 98% of limestone.
  • the metamorphic rock occurs in crushed form.
  • the size of the crushed rock is approximately 10 to 40 mm for petrol engines and approximately 30 to 100 mm for diesel engines.
  • the compartment contains only crushed metamorphic rock.
  • the metamorphic rock is steamed.
  • the filter comprises an inlet and an outlet, a calibrated metal fiber being disposed between the inlet and the metamorphic rock.
  • a calibrated metal fiber is placed between the metamorphic rock and the outlet.
  • the metamorphic rock is separated from the metallic fiber by a perforated sheet.
  • the entrance includes a gas diffuser.
  • metamorphic rock occupies 30 to 70% of the interior volume.
  • the filter according to the invention has the advantage of being constantly regenerated and of keeping its total efficiency during the lifetime of the metallic structure of the exhaust.
  • the filter of the present invention is in the form of a cartridge composed of an assembly comprising:
  • a chemical filter 3 adapted to the retention of particles and composed of mineral aggregates of metamorphic rock, group of rocks resulting from the transformation of sedimentary or endogenous rocks preexisting containing 40 to 98% of limestone, but preferably as much limestone as possible.
  • the aggregates are calibrated and treated by steaming, which increases the porosity of the aggregates, and allows greater neutralization of toxic gases.
  • a mechanical filter 2 consisting of a fiber, for example metallic, calibrated, in one or more parts. This filter is used to retain particles.
  • An envelope 6 defining compartments containing the filter and the aggregates.
  • a system will ensure the emptying of particles and retention of particles when necessary, mainly for heavy-duty diesel engines.
  • One or more metallic or other filters 2 are therefore used depending on the use, whether it is a gasoline engine or a diesel engine.
  • the metamorphic aggregates 3 are calibrated and processed according to the power of the engines to be fitted and the type of petrol or diesel fuel.
  • One or more pipes, perforated or not, are used for decompression and uniform diffusion of the gases inside the filter depending on the vehicle to be fitted, petrol or diesel.
  • a silencer system 4 ensures the decompression of the gases.
  • a rigid outer casing 6, single or double, is used, such as is currently a conventional exhaust, or flexible for vehicles, already in circulation, to facilitate its equipment thus ensuring the maintenance of the filter.
  • the particle size of the material making up the chemical filter will be calculated according to the use.
  • a caliber from 10 to 40 mm for petrol engines and from 30 to 100 mm for diesel engines.
  • an envelope 6 is produced with a sheet of metal and given the appropriate length and shape.
  • a partition 1 is then put in place to obtain a distribution of the aggregates 3 for better cooling.
  • the partitions will be made of perforated sheet metal with fixing lugs distributed according to the design of each vehicle.
  • the gas diffuser 4 is positioned to improve the diffusion of the gases inside the exhaust.
  • the filtering material 2 is then positioned and before the treated aggregates 3 are put in place, the end of the envelope 6 is closed with a closing wall 5.
  • the diffuser 4, located at the entrance projects inside an inlet decompression chamber 7 which is delimited by the casing 6, the perforated partition 1 and the closure wall 5.
  • Metamorphic aggregates 3 are then loaded according to their particle size and the quantity determined according to the desired result. They can occupy 30 to 70% of the interior volume of the pot. Their limestone content is set at 98%.
  • the filter can be supplemented with another filter material 2 to obtain optimum retention of particles on emission.
  • a second perforated partition 1 is put in place, so that the metamorphic rock is placed between two filter materials 2 held by perforated partitions.
  • the manufacture of the filter is finished by closing 5a at the bottom of the pot.
  • the casing 6, the partition 1 and the wall 5a define an outlet decompression chamber 7a.
  • a first technical control was carried out on this vehicle fitted with a conventional pot.
  • the opacity of the exhaust gases at the outlet was measured at 7.60 K [m -1 ].
  • the conventional pot was then replaced by a pot containing a filter according to the invention.

Abstract

Filtre antipollution pour moteurs à explosion pour filtrer les gaz d'échappement, comprenant un compartiment (6, 1) contenant de la roche métamorphique (3) disposée dans le passage des gaz d'échappement, caractérisé en ce que la roche métamorphique (3) contient de 40 à 98 % de calcaire.

Description

Filtre antipollution pour moteurs à explosion.
La présente invention concerne un filtre antipollution pour moteurs à explosion pour filtrer les gaz d'échappement afin d'en réduire la teneur en émissions toxiques. Ce type de fi'ltre est le plus souvent monté dans un pot d'échappement installé à la sortie du moteur.
Certains pots d'échappement utilisent des céramiques monolithes percées de trous pour le filtrage et l'évacuation des gaz d'échappement.
Ces procédés de par même leur structure et leur rigidité d'utilisation ne permettent pas leur régénération. En effet, les trous faits dans les filtres rigides s ' encrassent rapidement et donc perdent de leur efficacité première.
D'autre part, les catalyseurs sont utilisés dans les "pots catalytiques " des automobiles afin de réaliser l'oxydation complète et rapide du combustible qui n'a pas été brûlé. Il reste toujours du combustible non brûlé dans les gaz d'échappement qui sortent du moteur, il s'agit d'un mélange de monoxyde de carbone, d'hydrocarbure non brûlé et d'oxyde d'azote qu'on appelle de façon générale NOx. La pollution que peuvent provoquer ces substances est réduite si les composés carbonés sont oxydés en dioxyde de carbone et si NOx est réduit en azote. Cependant bien qu'il soit facile de trouver un métal ou un oxyde métallique catalyseur pour accélérer ces réactions, il est très difficile de sélectionner les bons catalyseurs dans la pratique. Par exemple, un catalyseur qui réalise la réduction de NOx au-delà de N2 , notamment en NH3 , n'est pas souhaitable, parce que l'ammoniac sera ensuite libéré dans l'atmosphère où il sera réoxydé en NOx. De plus, le catalyseur doit travailler même à des températures relativement basses, notamment celles que l'on a au démarrage des moteurs, car le problème d'émission des gaz est alors encore pire. C'est pour cette raison que des métaux bon marché tels que le cuivre sont moins utilisés que les métaux nobles et chers, tels que le platine : ces derniers sont actifs à basse température. Un problème supplémentaire apparaît à cause de la présente de soufre dans l'essence, car le catalyseur utilisé pour réduire les oxydes d'azote peut également catalyser l'oxydation de SO2 en SO3 ce qui transforme le véhicule en générateur d'acide sulfurique, c'est-à-dire une version mobile et urbaine du procédé de contact .
D'autres techniques ont également déπà été utilisées dans ce but et de nombreux brevets concernant des pots d'échappement "antipolluants " ont été déposés ces derniers temps.
Le document WO 89/11024 décrit par exemple un dispositif de filtration pour gaz d'échappement. Ce dispositif comprend un pot contenant plusieurs éléments de séparation espacés. Chaque élément de séparation contient des matériaux pouvant piéger les gaz toxiques, tel qu'un matériau magnétique (bauxite, par exemple) et un mélange de charbon actif, de pierre ponce, de granulat calcaire et de laine minérale.
Un autre document US-4 578 097 décrit une installation de traitement de gaz d'échappement émis par une usine. Cette installation comprend une chambre de vapeur alimentée en eau et contenant des billes de marbre et des copeaux d'aluminium. La vapeur coagule les particules de combustion dans l'air d'échappement, ce qui permet de capturer les particules dans une section ultérieure de 1 ' installation.
La présente invention propose une autre solution permettant une élimination de 90% des émanations de gaz toxiques . Pour ce faire, l'invention a pour objet un filtre anti-pollution pour moteurs à explosion pour filtrer les gaz d'échappement, comprenant un compartiment contenant de la roche métamorphique, disposé dans le passage des gaz d'échappement, la roche métamorphique contenant de 40 à 98% de calcaire. Avantageusement, la roche métamorphique se présente sous forme concassée. Selon une forme pratique, le calibre de la roche concassée est d'environ 10 à 40 mm pour des moteurs à essence et d'environ 30 à 100 mm pour des moteurs diesel. De préférence, le compartiment ne contient que de la roche métamorphique concassée. En outre, la roche métamorphique est étuvée. Selon une autre caractéristique, le filtre comprend une entrée et une sortie, une fibre métallique calibrée étant disposée entre l'entrée et la roche métamorphique. D'autre part, une fibre métallique calibrée est disposée entre la roche métamorphique et la sortie. Avantageusement, la roche métamorphique est séparée de la fibre métallique par une tôle perforée. Selon une autre aspect, l'entrée comprend un diffuseur de gaz. En pratique, la roche métamorphique occupe de 30 à 70% du volume intérieur.
Le filtre selon l'invention a pour avantage celui de se régénérer en permanence et de garder sa totale efficacité pendant la durée de vie de la structure métallique du pot d'échappement.
La présente invention est décrite ci-après en référence à la figure unique ci-jointe qui représente une vue en section transversale à travers un filtre selon 1 ' invention. Le filtre de la présente invention se présente sous la forme d'une cartouche composée d'un ensemble comprenant :
- Un filtre chimique 3 adapté à la retenue des particules et composé d'agrégats minéraux de roche métamorphique, groupe de roches résultant de la transformation de roches sédimentaires ou endogènes préexistantes contenant de 40 à 98% de calcaire, mais de préférence le plus de calcaire possible. Les agrégats sont calibrés et traités par étuvage, ce qui augmente la porosité des agrégats, et permet une plus grande neutralisation des gaz toxiques.
- Un filtre mécanique 2 constitué d'une fibre, par exemple métallique, calibrée, en une ou plusieurs parties. ce filtre sert à la retenue des particules.
Une enveloppe 6 définissant des compartiments contenant le filtre et les agrégats. Un système assurera la vidange des particules et des retenues de particules en cas de besoin principalement pour les moteurs diesel de poids-lourds .
Un ou plusieurs filtres 2 métalliques ou autres sont donc utilisés selon l'utilisation, qu'il s'agisse d'un moteur à essence ou d'un moteur diesel.
Les agrégats métamorphiques 3 sont calibrés et traités selon la puissance des moteurs à équiper et le type de carburant essence ou diesel. Une ou plusieurs tubulures perforées ou non sont utilisées en vue d'une décompression et d'une diffusion uniforme des gaz à l'intérieur du filtre en fonction du véhicule à équiper, essence ou diesel.
Un système de silencieux 4 assure la décompression des gaz .
On utilise une enveloppe extérieure rigide 6, simple ou double, telle que l'est actuellement un classique pot d'échappement, ou souple pour les véhicules, déjà en circulation, pour faciliter son équipement assurant ainsi le maintien du filtre.
Il faut également prévoir un mécanisme de fixation et de raccordement en fonction de chacun des véhicules à équiper .
La granulométrie du matériau composant le filtre chimique sera calculée en fonction de l'utilisation. Un calibre de 10 à 40 mm pour les moteurs à essence et de 30 à 100 mm pour les moteurs diesel.
Exemple de fabrication non limitatif.
L'invention ci-dessus va maintenant être décrite en vue de la fabrication.
En fonction du véhicule à équiper, de sa marque, de sa puissance, et de sa forme, on réalise une enveloppe 6 avec une feuille de métal et on lui donne la longueur et la forme appropriée.
On met ensuite en place une cloison 1 pour obtenir une répartition des agrégats 3 en vue d'un meilleur refroidissement. Suivant les calculs pour chacun des filtres à réaliser les cloisons seront en tôle perforée avec des pattes de fixation réparties selon la conception de chaque véhicule.
On positionne le diffuseur de gaz 4 pour améliorer la diffusion des gaz à l'intérieur du pot d'échappement. On positionne ensuite la matière filtrante 2 et avant la mise en place des agrégats 3 traités, on ferme l'extrémité de l'enveloppe 6 avec une paroi de fermeture 5. Le diffuseur 4, situé a l'entrée fait saillie à l'intérieur d'une chambre de décompression d'entrée 7 qui est délimitée par l'enveloppe 6, la cloison perforée 1 et la paroi de fermeture 5.
On charge alors des agrégats métamorphiques 3 selon leur granulométπe et la quantité déterminée en fonction du résultat recherché. Ils peuvent occuper de 30 à 70% du volume intérieur du pot . Leur teneur en calcaire est fixée à 98%.
Pour certains modèles diesel, on peut compléter le filtre avec une autre matière filtrante 2 pour obtenir une retenue optimum des particules à l'émission. Dans ce cas, on met en place une deuxième cloison perforée 1, de sorte que la roche métamorphique est placée entre deux matières filtrantes 2 maintenues par des cloisons perforées.
On termine la fabrication du filtre par la fermeture 5a du fond du pot. L'enveloppe 6, la cloison 1 et la paroi 5a définissent une chambre de décompression de sortie 7a.
Afin de pouvoir apprécier l'efficacité d'un tel filtre, des tests réels ont été effectués sur un véhicule utilitaire diesel de 300 000 km.
Un premier contrôle technique a été réalisé sur ce véhicule doté d'un pot classique. L'opacité des gaz d'échappement à la sortie a été mesurée à 7,60 K [m-1].
Le pot classique a ensuite été remplacé par un pot contenant un filtre selon l'invention.
Après 33 000 km, un nouveau contrôle de l'opacité a été réalisé et il a révélé une valeur de 0,66 K [m-1] . Un second contrôle a encore été réalisé 33 000 km plus tard et l'opacité ne s'élevait qu'à 0,76 k [m-1].
Par conséquent, après 66 000 km avec un filtre selon l'invention, l'opacité des gaz reste toujours inférieure de 90% à celle initiale avec un pot classique.
Ces tests prouvent donc la réelle efficacité du filtre de 1 ' invention.

Claims

Revendica ions :
1.- Filtre anti-pollution pour moteurs à explosion pour filtrer les gaz d'échappement, comprenant un compartiment (6, 1) contenant de la roche métamorphique
(3) disposé dans le passage des gaz d'échappement, caractérisé en ce que la roche métamorphique (3) contient de 40 à 98% de calcaire.
2.- Filtre selon la revendication 1, dans lequel la roche métamorphique (3) se présente sous forme concassée.
3.- Filtre selon la revendication 2, dans lequel le calibre de la roche concassée est d'environ 10 à 40 mm pour des moteurs à essence et d'environ 30 à 100 mm pour des moteurs diesel.
4.- Filtre selon la revendication 2, dans lequel le compartiment (6, 1) ne contient que de la roche métamorphique concassée.
5.- Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la roche métamorphique (3) est étuvée .
6.- Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une entrée (5) et une sortie (5a), une fibre métallique (2) calibrée étant disposée entre l'entrée (5) et la roche métamorphique (3).
7.- Filtre selon la revendication 6, dans lequel une fibre métallique (2) calibrée est disposée entre la roche métamorphique (3) et la sortie (5a).
8.- Filtre selon la revendication 6 ou 7 , dans lequel la roche métamorphique (3) est séparée de la fibre métallique (1) par une tôle perforée (1) .
9.- Filtre selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l'entrée (5) comprend un diffuseur de gaz
(4) .
10.- Filtre selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel la roche métamorphique (3) occupe de 30 à 70% du volume intérieur.
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