Brevet FR2042639A1 — publié le 19710212

La présente invention se rapporte à un procéde et un dispositif pour supprimer ou au moins atténuer considérablement l'effet totique des gaz d'échappement en provenance de la combustion interne, en particulier ceux des moteurs à explosion des véhicules automobiles . Le développement considérable de la motorisation a pour effet une pollution croissante de l'atmosphère puisque les gaz d'échappement contiennent un pourcentage élevé de matières toxiques. Le composé chimique particulièrement nuisible est le monoxyde de carbon (CO) qui est contenu en un pourcentage volusétrique élevé dans les gaz d'échappement, non au-dessous de 30. la toxicité du CO résultant de sa propriété de se fixer à l'hémoglobine du sang est connue et a fait ltobjet-de nombreuses études. le formation de monoxyde de carbone, due à la combustion incomplète du carbone est un phénemène qui se produit dans les gaz d'échappement en quantité importante. Les analyses pratiques dans ce domaine ont conduit à rechercher des moyens en vue de réduire dans des proportions plus ou moins satisfaisantes la teneur en CO de ces gaz d'échap- pement. les procédés techniques visant la neutralisation de la toxicité des gaz d'échappement ne sont actuellement pas encore à point dans des conditions acceptables en raison, soit du pouvoir neutralisateur insuffisant des dispositifs préventifs proposés, soit du nombre de cas complexes nécessitant des agencements compliqués et d'un encombrement excessif entraînant un coût d'installation prohibitif sans parvenir à ga rantir uns réduction suffisante qui devrait etre de l'ordre d dtau moins 70% de CO contenu dans ces gaz d'échappement. Suivant le procédé de la présente invention il est possible de transformer, tout au moins une grande partie du CO contenue dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne en gaz carbonique (C02) qui est inoffensif et qui se transforme par oxydation com plète du carbone. 'e dispositif permettant de réaliser en pratique ce procédé est, suivant l'invention, de conceptionrelativement simple, économique au point de vue exécution et d'un encombrement réduit de manière à pouvoir s'intégrer facilement aux moteurs à combustion interne courants, en particulier aux moteurs à explosion de véhicules automobiles. les phénomènes se produisant dans ce genre de moteurs t audelà des soupapes d'échappement évacuant les gaz de combustion des cylindres sont nombreux et très complexes. La réaction chimique de la combustion du GO en C02 est donnée par l'équation laquelle, de gauche à droite, est fortement exothermique et de ce fait' favorisée par un refroidissement des gaz de réaction. Un tel refroidissement réduit également la vitesse de la réaction, -vitesse qui cependant est assujettie à une augeentation brusque et -considérable de la température d'injection de l'oxyde de carbone. Cette température sur la valeur de laquelle il existe bien des divergences au point de vue scientifique, est comprise en principe entre 610 C et 6500 C environ. le procédé proposé suivant l'invention consiste dans l'apport dtair atmosphérique dans le flux du gaz d1échappement en une quantité suffisante à assurer que l'oxygène ainsi introduit assure l'oxydation pratiquement complète du CO en C02. Cet air atmosphérique ajouté aboutit à ce flux à un endroit où celui-ci atteint pratiquement Sa tempéra- ture maximum et ou-, par la combustion, il se produit des flamines, ceci immédiatement en aval de la soupape ou des soupapes d'échappement. Cet air additionnel est préchauffé de manière que la température de son mélange avec le flux des gaz d'échappement ne s'abaisse pas au-dessous de la température dtinjection du CO. En plus il est prévu que ce mélange subisse un brassage vigoureux pour favoriser la réaction chimique escomptée. D'autre part la propriété exothermique de la réaction avec dégagement d'énergie thermique et augmentation de température où se produit la réaction est utilisée pour le préchauffage de l'air à in troduire immédiatement en aval des soupapes d'échappement. Aù point de vue quantitatif cet apport d'air atmosphérique doit etre suffisant à satisfaire les rapports stoechiométriques nécessaires au développement de cette réaction. Dans la pratique, et pour assurer un excès d'oxygène provisionnel, cet apport peut etre avantageusement de l'ordre d'au moins 3/8 du débit du flux des gaz d'échappement exprimé au terme de l'air aspiré. Matériellement cet apport peut s'effectuer avantageusement à ltaide d'une pompe ou dtun compresseur approprié, actionné par le moteur à combustion interne lui-même dont la pression de refoulement est suffisante à assurer l'écoulement de Ilair apporté à l'ambiance de réaction.Dans la pratique une pression de 0,5 kg/cm2 a la sortie de la pompe peut être considérée comme amplement suffisante. le dispositif réalisant le procédé ci-dessus comporte de préférence un récipient muni d'une ou plusieurs ouvertures d'entrée les quelles sont susceptibles d'être raccordées individuellement à l'échap- pement du moteur. Sa capacité et son agencement intérieur sont tels que la formation et le maintien d'un brassage intense dans le flux ga zeux dtéchappement est assuré. Sur ce récipient sont branchées des conduites en nombre égale à celui des passages d'échappement du moteur 8 'insérant dans ces passages et débouchant à proximité des soupapes d'échappement correspondantes.Ces conduites partent d'un système échangeur de chaleur relié à son tour au refoulement d'une pompe capable de fournir l'apport d'air nécessaire dans les conditions requises au point de vue quantité et pression. Cet échangeur de chaleur est exposé à l'énergie thermique de l'ambiance à l'intérieur du récipient dans lequel s'accomplit la- réaction de combustion dans une me sure -suffisante à ltobtention du préchauffage escompté de l'air à introduire. En conséquence, la réaction d'une combustion complète de lso2yde de carbone s'opère en cycle ouvert et sans nécessiter le recours de systèmes cataliseurs pour promouvoir et accélérer la réac tion.La réaction débute,en tirant profit de l'état d'injection existant dans la zone des soupapes d1échappement, au moment de l'injection et est assurée par le fait que le mélange du combustible (Co présent dans le flux d'échappement) et du comburant (02 présent dans l2air in troduitr est maintenu à une température supérieure à celle de l'in- section de l'oxyde de. carbone. Il a été constaté que la réaction peut même se produire à une vitesse élevée dans un temps compatible avec la durée de stationnement des réactifs dans l'ambiance à l'intérieur du récipient.Dans la pratiue la réaction peut avoir lieu d'une manière satisfaisante lorsqu'à. l'intérieur du récipient il existe un volume d'air au moins égal à la cylindrée du moteur, ce volume pouvant cependant etre plus important dans la mesure des compatibilités au point de vue des be-soins et des disponibilités dEnplacement. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un tel dispositif ainsi que des graphiques explica tifs du phénomène de réaction qui s'opère dans celui-ci. Fig. t fait voir schématiquement en coupe transversale le disposi tif combiné avec un moteur à explosion courant de véhicule automobile, Fig 2 montre le dispositif depuis le haut partiellement en coupe, Fig. 3 a trait au mebme dispositif que ci-dessus mais à une échelle amplifiée et avec plus de détails en coupe suivant le plan III-III de la Fig. 2 Fig. 4 montre graphiquement le fonctionnement de principe présenté par les températures du flux d'échappement en amont dans la zone de réaction et en aval de celle-ci > et Fig. 5 est un graphisue incluant deux diagrammes superposés représen tant tous les deux, en fonction de la température, l'allure de principe de quelques caractéristiques de la vitesse à laquelle steffectue la réaction principale, les courbes reproduites sur ces diagrammes correspondant à des phénomènes techniquement connus. Dans la forme d'exécution suivant les Fig. 1 à 3 le dispositif est par exemple combiné avec un moteur M courant de véhicule automobile à quatre cylindres disposés en "V". La disposition des cylindres et des soupapes détermine l'emplacement des conduites décrite par la suite destinées à l'apport de l'air additionnel à ltintérieur des tubulures d'échappement S jusqu'à proximité des soupapes d'échappement. Bien entendu, la disposition représentée aux Fig. 1 à 3 n'est donnée qu'à titre d'exemple et peut varier suivant le type de moteur aussi bien en forme quten nombre. Ce dernier cas se présente par exemple pour des moteurs comportant des tubulures d'échappement disposées des deux côtés de celui-ci. Dans la forme d'ewécution représentée, le dispositif comprend un récipient 10, de préférence mais non nécessairement cylindrique solidaire d'une bride 12 comportant autant de passages 14 dimensionnés et positionnés de manière à correspondre aux ouvertures d'échappement S du moteur. le récipient 10 accuse au moins une ouverture 16 pour l'évaeuation Â des gaz d'échappement à toxicité fortement atténuée.En plus, i l'intérieur de ce récipient est prévu au moins un déflecteur 18 dont le double rôle consiste à intercepter les gaz sortant des passages S et 14 pour provoquer leur brassage dtune part et subdivxsr l'intérieur du récipient en deux zones 20 et 22 d'autre part dans lesquelles zones se produit une partie de la réaction et où débute le refroidissement du mélange gazeux. L'ouverture d'échappement est située dans la zone 22. Pans chaque passage d'entrée 14 du récipient 10 est disposée une conduite tubulaire 24 dont l'embouchure 26 aboutit à proximité de la soupape d'échappement correspondante. L'ensemble de ces conduites tubulaires 24 font elles-mêmes partie du système échangeur de chialeur. Elles comprennent de préférence une partie incurvée 24a disposée partiellement dans la zone 20 et partiellement dans la zone 22 et se gref fanez 28 sur un compartiment faisant, lui aussi, partie dudit système échangeur et ayant au moins une paroi métallique commune avec le récipient 10, deci de préférence dans sa zone 22. L'intérieur de ce compartiment 30 est en communication, de préférence par l'intermédiaire de raccords appropriés 32, avec une conduite 34 au travers de laquelle en direction L est envoyé l'air additionnel fourni par une pompe à travers le raccord 36 (Fig. 1) actionnée par le moteur M -lui-même. Ainsi qu'il ressort de la Fig. 3 par ecemple, le compartiment 30 est raccordé à une conduite auxiliaire 36 pour l'envoi d'air additionnel chauffé à l'un ou à'plusieurs carburateurs existants sur le moteur dans les phases transitoires de forte dépression consécutives à la fermeture de la soupape ou du registre à papillon du carburateur lorsque le moteur possède une vitesse de rotation élevée. L'allu- re approximative du flux dans les diverses parties du dispositif est indiquée schématiquement par des petites flèches. Le flux sortant des passages d'échappement S et 14, grossièrement mélangé avec l'air additionnel sortant des débouchés 26 des conduites se trouve brasse dans la zone 20 de manière à présenter des conditions très favorables au processus de la réaction escomptée. Arrivé dans la zone 22, ce flux est brusquement refroidi par échange thermique par suite de son contact avec la partie 24a des con duites 24 et principalement par le contact avec la paroi commune sépa ratrice du compartiment 30 avant de parvenir a ltouverture d'évacuation 16 vers l'extérieur. Inversement, l'air envoyé suivant la flèche L à travers la conduite 34 dans la chambre 30 se réchauffe au contact avec cette paroi et son échauffement se poursuit dans les conduites 24, 24a dans les zones 22 et 20 ou, dans cette dernière, cet air atteint sa température maxi maie. Il a été constaté que la mise en service du dispositif amène une atténuation sensible du bruit caractéristique des moteurs à pistons parsuite de l'amortissement des ondes de choc duaux forts jets d'échappement dans la masse en tourbillonnement de la zone 20 laquelle revoit alternativement ces jets de décharge individuelS et en provoque le mélange. La courbe Tm dans le graphique de la Fig. 4 représente approxima tivement l'allure de la courbe de température en C du mélange gazeux dans le champ t à la sortie des soupapes d'échappement du moteur. Supposons par exemple que le moteur soit au régime de 3000 tours/minute, les unites indiquées sur l'absLsse de la fiez 4 représentent des centièmes de seconde. La partie pointillée de la courbe représente approximativement la varia tion de température des gaz à l'intérieur du cylindre entre le début et la fin de l'aspiration (t = 0 à 1), en phase de compression (t = 1 à 2) et dans les phases d'explosion ou de décharge (t = 2 à 4) . Le point P0 représente l'instant où le gaz s'échappe de la soupape et les points P' et P" représentent les instants où le mélange passe de la zone 20 à la zone 22 pour être évacué à travers l'ouverture de décharge lo. Il a été constaté qu'au point P les gaz d'échappement possèdent une température (légèrement supérieure à 7000C dans l'exemple) à ltintenralle Ti entre 600 C et 6500C qui est la température d'injection de l'oxyde de carbone. Au même point les gaz d'échappement se trouvent en présence de l'air amené par les conduites 24 lequel air est préchauf fé à une température @ @@ par exemple de l'ordre de 500 C. Dans ces condi- tions la température résultant du mélange ne descend jamais au-dessous de la température d'injection Ti.Au mAeme point P ce mélange de CO et Q2 est on présonce de la flamme qui jaillit au moment de l'ouverture des soupapes d'échappement du moteur à explosion avec provocation immé- diate de la réaction C0 + 1/202 C02 laquelle réaction se poursuit dans la zone 30 du dispositif. En considérant maintenant les diagrammes superposés de la Fig. Si on constate en consultant la courbe Vr de la vitesse de réaotionfex primée en cm/seo.sur l'ordonnée de droite) que dans les conditions de température aupint PO la réaction peut se poursuivre à une vitesse élevée. Grâce à la turbulence dans la zone 20 le mélange intime entre le CO et l'oxygène a lieu et la réaction stétend d'une façon pratiquement ins tentenée à toute l'étendue de cette zone. Sur cette même Fig. 5 est reprise la courbe Kp représentant la CONSTANTE DE REACTION en fonotion de la température et exprimée on valeurs de son logarithme décimal sur l'ordonnée de gauche, de la réaction principale CO + 1/2 O2 # C02 . On observe que, tout au moins jusqu'à des températures de l'ordre de 1000 C, la réaction peut intervenir favorablement à des vitesses élevées comme le démontre la courbe Vr dans l'intervalle thermique Z immédiatement supérieur à celui de la température d'injection Ti Sur la même Fig. 5 sont reportées les courbes Kp des constan- tes de réaction correspondantes d'une part à la réaction utile complémentaire C + 2 @2 O # CO2 + 2H2 et d'autre part à la réction inverse dangereuse mais inévitable CO2 + C # 2CO laquelle s'accomplit par suite de la présence de carbone à l'état libre. En raison La la faible valeur Kp de cette dernière, l'influence des cette réaction est négligeable. En se référant -au graphique de la Fig. 4 et en considérant que la réaction principale est fortement exothermique, il se produit une élévation de température ( + iN Tr) dans la masse gazeuse, température qu'il est recommandable de maintenir dans les limites de 1000 OC dans la zone thermique favorable Z de la Fig. 5 . L'change thermique est representé à la Fig. 4 par la diminution ( - # Tg) de la tempéra ture des gaz décharges à travers la zcne 22 et par l'augmentation cor respondante ( + # Ta) de la température de l'air parcourant le compartiment 30 et les conduites 24 de ltéchangeur de chaleur. Cet échange thermique préconisé par l'invention empêche en outre qu'au point P la température du mélange ne descende pas audessous de la température d'injection de l'oxyde de carbone , échange qui refroidit les gaz à évacuer-et permet en outre de maintenir dans des limites avantageuses, de préférence pas au-dessus de 1000 OC, la température dans l'ambiance de la réaction. Il convient d'éviter la formation de contre-pressions sensibles à l'échappement des gaz des cylindres du moteur. Il a été constaté qu'il suffit que la pompe(Fig.1) puisse fournir la quantité d'air nécessaire à une pression de l'ordre de 0,3 à 0,5 kg/cm2.L'admission continue de l'air pendant les phases d'aspiration, de compression et d'explosion dans lesquelles les soupapes d'échappement sont fermées et par conséquent dans les intervalles compris entre les décharges, les conduites S et 14 se saturent d'air chaud en contact avec les jets enflammés des décharges des cylindres du moteur. Il en résulte ainsi une condition particulièrement favorable pour l'amorçage immédiat de la réaction avec un excès initial important d'oxygène, cette réaction se poursuivant dans la zone 20. tes valeurs qu'il est possible de déduire du graphique de la Fig. 4 sont évidemment susceptibles de fortes variations. Ainsi, la température de décharge au point P peut être supérieure , par exemple aux régimes élevés, ou inférieure à celle indiquée. Le dispositif devra être réalisé en matériaux appropriés quant à leurrésistance mécanique et leur résistance à la chaleur. Pans ce but les parties destinées à entrer en contact avec les gaz à une température élevée et à circonscrire l'ambiance de réaction seront en acier inoxydable ou autres alliages résistants à la chaleur et à l'attaque chimique avec éventuellement un revetement intérieur de résistance élevée. En outre, le dispositif pourra être avantageusement doté d'un controleur thermique,- par exemple sous forme de thermostats en bimétal ou autre, lesquels, à leur tour, commandent des valves, des déviateurs ou autres. La pompe 36 elle-même peut entre soumise à un contrôle de Tanière à pouvoir, suivant les besoins, reduire ou suspendre temporairement l'alimentation en air additionnel et assurer au dispositif un bon fonctionnement et une longévité. REVENDICATIONS 1) Procédé supprimant l'flffet toxique des gaz -d'échappement des mo teurs à combustion interne par la transformation en gaz carb@ni- que inoffensif tC02)de la majeure partie monoxyde de carbone (CO) contenus dans ces gaz, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispo- sitif d'apport d'air additionnel en vue d'amener l'oxygène (02) en quantité suffisante pour; que celui puisse se combiner avec la ma jeure partie du monoxyde de carbone et ceci en aval à proximité de chaque soupape d'échappement, cet air étant préchauffé à une tempé rature telle que la température du mélange de celui-ci avec le gaz d'échappement ne s1abaisse pas au-dessous de la température d'in jection du CO et qu'en pl'is, par ltenvoi du mélange dans une am biance prévue en amont de la conduite d'évacuation des gaz dans l'atmosphère, il soit établi des conditions de température de sta tionnoment et de mélange intime des composants de celui-ci pour ob tenir l'oxydation rapide et aussi complète que possible suivant la réaction CO + 1/2 02 -ew C02 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'éner- gie thermique libérée au cours de cette réaction est utilisée pour le préchauffage de l'air additionnel. 3) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la tempé rature de llambiance où s'accomplit la réaction est maintenue appro ximativement entre 7000C et 1000 C. 4) Procédé suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 3, caracté risé en ce que le mélange des composants en cours de réaction est vigoureusement brassé pendant une durée au moins égale à l'inter valle entre deux décharges consécutives d'un des cylindres du mo teur. 5) Procédé suivant une ou plusieurs des revendications t à 4, carac térisé en ce que l'air additionnel est amené avec un débit au moins gal aux 3/8 de l'air aspiré par le moteur dans l'unité de temps. 6) Dispositif réalisant le procédé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un récipient muni de pas sages d'entrée susceptibles d'être raccordées à des passages de dé eharge individuels du moteur et d'au moins à une ouverture d'évacu ation vers l'extérieur des gaz brûlés et compo-rtant autant de con duites qu'il y a de passages de décharge du moteur, disposées de manière à déboucher à proximité des soupapes d'écheppement corres pendantes, une pompe aspirant l'air de ltatmosphère extérieure et ltnvoyant dans chacune de ces conduites en vue de le préchauffer en utilisant la chaleur des gaz d'échappement pénétrant dans le récipient. 7) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la capacité du récipient est au moins égale à la cylindrée du moteur. 8) Di2positif suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le récipient comporte au moins un déflecteur provoquant le brassage intense du mélange gazeux en provenance des passages de décharge du moteur. - 9) Dispositif suivant une ou plusieurs-des revendioations 6 à 8, carac térisé en ce que l'intérieur du récipient est subdivisé en deux zo nes où débouchent les passages de décharge du moteur et où est rac cordé l'orifice d'évacuation des gaz vers l'extérieur dont le re froidissement s'accomplit principalement dans la seconde de ces deux zones. 10) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 7 à 9, carac térisé en ce que pour assurer l'échange thermique un compartiment ad jacent au récipient est muni d'une paroi thermoconductrice commune avec celui-ci et raccordé par une pompe d'alimentatipn en air. 11) Dispositif suivant les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le compartiment voiaine aveo la seconde des deux zones dont est subdivisé l'intérieur du récipient. 12) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 7 à 11, ca ractérisé en ce que les conduites d'apport d'air passent à ltinté- rieur du récipient. 13) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 7 à 12, ca ractérisé en ce que la pompe d'alimentation assure dans l'unité de temps un débit au moins égal aux 3/8 de l'air aspiré par le moteur. 14) Dispositif suivant la revendication 13, caracteris-é en ce que la pompe fonctionne à une pression de refoulement de l'ordre de 0,3 à 0,5 kgJcm2. 15) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 7 à 15,ca -ractérisé en ce que la pompe est actionnée par le moteur lui-meme.