Brevet FR2298702A1 — publié le 19760820

L'invention a pour objet un équipement pour moteur à combustion interne avec générateur d'ozone pour réduire la teneur des produits polluants contenus dans les gaz d'échappement de moteur. L'adjonction d'un agent oxydant, tel que de 11 ozone ou de l'eau oxygénée a déjà été proposée (brevets français 1 514 773 et 2 143 997). Il est-en effet connu que l'adjonction d'un agent oxydant au comburant permet d'obtenir une meilleure combustion et par conséquent de diminuer la teneur des produits toxiques (CO, HC et NOx) dans les gaz d'echappement. Il est cependant nécessaire d'ajouter dans le comburant une quantité appréciable d'agent oxydant pour diminuer de façon sensible la teneur de ces produits et dans le cas où l'on ajoute de l'ozone, il est nécessaire d'en 3 ajouter au minimum 300 à 400 mg par m d'air et par minute pour obtenir des résultats susceptibles d'être mesurés. Le but de la présente invention est de proposer un équipement avec générateur d'ozone et son alimentation électrique pour moteur à combustion interne permettant de réduire sensiblement la teneur des produits toxiques dans les gaz d'échappement. L'équipement selon l'invention est caractérisé en ce que le générateur d'ozone comprend au moins une plaque formant une électrode de masse réalisée en matériau électriquement conducteur et disposée parallèlement et à faible distance d'une deuxième plaque formant une électrode de tension réalisée en un matériau diélectrique, les plaques étant placées dans le chemin de passage de l'air entrant dans le moteur et l'électrode de tension étant reliee à une alimentation électrique comprenant un transformateur de haute tension pulsée, le générateur formé des plaques et son alimentation électrique étant dimensionnés pour produire entre 0,5 et 2 grammes d'ozone par mètre cube d'air entrant dans le moteur et par minute. Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, le générateur d'ozone est formé d'électrodes de masse et de tension et est placé dans le filtre à air du moteur, la première électrode adjacente au couvercle du filtre à air étant une plaque circulaire d'un diamètre plus petit que l'élément filtrant circu laire disposé dans le boîtier du filtre à air, les autres électrodes ayant le même diamètre que la première et étant per@ées d'un trou central dont le diamètre est sensiblement égal à celui de l'orifice de sortie du filtre à air. Les électrodes de tension sont alimentées en impulsions électriques par un transforl.mateur haute tension, lui-même comman-dé soit par un alternateur entraîné par le moteur, soit par un oscillateur. Les électrodes de masse peuvent être réalisées en acier inox et les électrodes de tension en un diélectrique te que de l'époxy ou un matériau à base de verre ou de caoutchouc avec une adjonction de silicone. L'adjonction d'au moins 500 mg d'ozone par m3 et par minute permet le recyclage des gaz d'échappement C'est pourquoi l'équipement comprend un pot d'échappement centrituge permettant la récupération des poussières et le cyclage d'environ 20% des gaz d'échappement. Le pot d'échappement comparer, en so. milieu un cyclone mettant les gaz d'échappement en rotation autour de la tubulure de sortie du pot, qui pénètre dans le pot selon son grand axe, les poussières étant récupérées dans un boîtier plate à la périphérie du pot et les imbrulés amenés dans le circuit d'entrée du moteur grâce à une tubulure additionnelle sortant également à la périphérie du pot après tue les k , ient éte débarrassés des poussières. La majeure partie des imbrûlés est ainsi récupérée, d'où une sensible économie d'es@ence. Le dessin représente, à titre d'exemple, un mode d'exécution d'un équipement avec générateur d'ozone selon l'invention pour un moteur à combustion monté sur un véhicule automobile. La fig. 1 est une vue schématique de dessus, capot ouvert, de la partie avant d'un véhicule automobile, dans laquelle est monté un moteur de 960 cc équipé d'un générateur d'ozone et d'un dispositif de recyclage des imbrûlés, a fig. 2 est une vue de dessus du générateur d'ozone monté à l'intérieur du filtre a air du moteur, la fig. 3 est une coupe selon la ligne III-III de la fig. 2, à travers le filtre à air et le générateur d'ozone, la fig. 4 est une coupe à travers le pot d'échappement du moteur présentant un pot de récupération des poussières et une tubulure de recyclage des imbrûlés, et la fig. 5 est une vue schématique de dessùs de la partie avant, capot ouvert, d'un véhicule automobile entraîné par un moteur Diesel équipé d'un générateur d'ozone. Comte représenté schématiquement dans la fig. 1, l'emplacement avant I du véhicule comprend un moteur à explosion 2 avec son ventilateur 3 et ses tubulures d'admission 4 et d'échappement 5 reliées respectivement à un filtre à air 6 par l'intermédiaire d'un carburateur non représenté et à un pot dléchappe- ment 7. Le pot d'échappement 7 qui sera décrit plus en détail en regard des fit. 4 et 5 comprend un tube de sortie des gaz 7a et un pot additionnel de récupération des poussières 8, duquel sort une tubulure de r recyclage des imbrûlés 9 débouchant au bas du filtre à air au-- essus du carburateur non représenté dans la fig. 1.Il va de soi que le moteur 2 peut être alimenté en essence par une pompe à a injection remplaçant le carburateur habituelle ment placé sous le filtre à air. Dans ce cas, la tubulure de recyclage des imbrûlés pourra déboucher dans le filtre à air 6 ou dans la tub''u - e d'admission 4. Le iltre à air comprend un élément filtrant annulaire 10 et un générateur d'ozone 11 placé dans et au milieu de l'élé- ment filtrant 10 dans le chemin de passage de l'air apres que celui-ci ait traverse l'élément filtrant 10 pour entrer dans le carburateur ntn représenté. Le générateur d'ozone est alimenté par un transforma teur haute tension 12 présentant deux enroulements 13 et 14, l'enroulement 14 étant d'une part mis à la masse en 15 et d'autre part relié au générateur d'ozone 11 par une conduite haute ten sion 16. L'enroulement 13 est alimenté par une des phases de l'alternateu 17 du véhicule automobile. Cette phase devra cepen dant êÎt"'re s', eptible de' livrer plus de courant que les deux phases res,t pour ne pas déséquilibrer l'alternateur qui doit remplir sa fonction normale de charge de la batterie du véhicule. La phase reliée au transformateur haute tension 12 devra donc être renforc cée. Il est évidemment possible-d1utiliser les trois phases de l'@alternateur 17 pour alimenter- un transformateur haute tension 12 conçu pour livrer une sortie à une phase. De tels transformateurs haute tension existent dans le commerce et pourront être utilisés, Dans ce cas, l'alternateur 17 devra être d'un modèle plus puissant que celui normalement utilisé pour le moteur, car il aura en plus de sa fonction-de charge de la batterie et d'aliment,ation de tous les accessoires de la voiture, la fonction d'alimentation du générateur d'ozone. I1 est finalement évident que l'alimentation du transformateur haute tension 12 peut être réalisée par exemple à l'aide d'un oscillateur adéquat. Les tensions de fréquence utilisées pour alimenter le générateur d'ozone ll seront indiquées plus loin. Les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue de dessus du générateur d'ozone ll et une coupe à travers le filtre à air 6 contenant le générateur 11. On remarque dans la fig. 3 le filtre à air 6 avec son boîtier inférieur 18 présentant en son milieu un orifice de sortie d'air 19 avec un joint 20 et un orifice latéral d'entrée d'air 21. te boîtier 18 comprend un élément filtrant 22 et est fermé par un couvercle 23, un joint d'étanchéité 24 étant disposé entre le haut du boîtier 18 et le couvercle 23, Le générateur d'ozone ll placé dans le boîtier 18 et entouré par l'élément filtrant 22 est constitué de deux électrodes de mass-e 25 et 26 et d'une électrode haute tension 27. L'électrode 25 se présente sous forme d'une plaque circulaire en acier inoxydable d'un diamètre légèrement inférieur à celui de l'élé- ment filtrant 22 contenu dans le bottier 18 du filtre.L'électrode 26 est une plaque de forme annulaire également en acier. inoxydable, de même diamètre que la plaque circulaire' 25', le trou central de l'électrode 26 ayant sensiblement la même dimension que l'orifice de sortie 19 du boîtier 1. L'électrode hauté tension 27 est constituez d'une plaque annulaire 28 en acier inoxydable, recouverte sur tous ses côtés d'un coude de matériau diélectrique 29, tel que de I'epoxy. La plaque 27 recouverte de sa couche d'époxy présente sensiblement les mêmes dimensions que la plaque 26. Il est évident que l'acier inoxydable constituant les plaques 25 à 2 t 'eut, être remplacé par tout matériau électrique-ment conduct + et non oxydable et que l'epoxy constituant la plaque 27 peut être remplacé par tout diélectrique adéquat. D'autre part, la plaque 27 peut être une simple plaque annulaire en matériau diélectrique sans le noyau conducteur 28. Les plaques 25 à 27 sont maintenues ensemble et parallèles entre ell es par des entretoises 30, 31 et 32 (voir également Fig. 2) en matériau isolant. De plus, les plaques 25 et 26 sont réliées entre elles par un fil de liaison de masse 33 et la -plaque - es',-, eliée au fil à haute tension 16 (Fig. 1) connecté à l'enroulement 14 du transformateur 12, le fil 16 étant en contact avec la plaque en acier inoxydable 28 entourée par le diélectrique 29. Le générateur d'ozone formé des trois plaques 25 à 27 maintenues ensemble par les entretoises 30, 31 et 32 est fixé sur le fond du boîtier 18 à l'aide de pattes de fixation, 34 (Fig. 3) électriquement conductrices.Le boîtier 18 présente finalement une tresse de masse 35 permettant de mettre à la masse le boîtier ainsi que les électrodes de masse 25 et 26, la liaison électr entre le boîtier et les électrodes de masse étant éta blie par les pattes de fixation 34 et le fil de liaison de masse 33. Le générateur qui vient d'être décrit est formé de trois plaques et presente par conséquent deux zones d'effluvage, c'està-dire la zone située entre les plaques 25 et 27 (Fig. 3) et la zone situàe entre les plaques 27 et 26. L'air aspiré dans le filtre à air 6 pénètre dans ledit filtre par l'orifice d'entrée 21 comme représenté par les flèches 36, traverse l'élément filtrant 22, passe dans les deux zones d'effluvage formées par les plaques 25, 27, respectivement 27 26 où il est enrichi en ozone pour ressortir en 37 par l'orifice de sortie 19. Il est évident que l'on peut prévoir un générateur avec un plus grand nombre de zones d'effiuvage.Il suffit pour cela d'ajouter des plaques annula es supp plémentaires sous la plaque 26 en prévoyant alternat tiveme - -' ue'd"électrode haute tension recouverte d'un diélectrique suivie d'une autre plaque annulaire d'électrode de masse en acier inoxydable, etc. Toutes les plaques d'électrode de masse setent reliées ensemble par des fils de liaison de masse et toutes les plaques d'électrodes haute t-ension seront reliées en parallèle avec la transformation haute tension. Comme mentionné plus haut, les plaques d'électrode de masse seront réalisées en un matériau conducteur non oxydable, tel que de l'acier inox et les plaques d'électrode haute tension en un diélectrique tel que de l'epoxy ou un diélectrique à base de verre ou de caoutchouc avec du silicone. La plaque de l'electro- de de haute tension en matériau di électrique peut ou non contenir un noyau de matériau conducteur, tel que de l'acier inox Comme représenté dans la fig. 3 du dessin, les bords des plaques seront de préférence arrondis et ne présenteront pas d'arête vive de manière à éviter l'amorçage d'arcs electriques. Les surfaces- de l'électrode de haute tension seront de préférence recouvertes d'une mince pellicule de matériau hydrophobe, par exemple du silicone, de manière à éviter la formation de goutelettes d'eau et par conséquent l'amorçage qui dêtériorerait la surface du diélectrique. L'espace entre les plaques des électrodes est variable évidemment en fonction de la tension appliquée. A titre d'exemple de très bons résultats d 'effluvage ont été obtenus atue une tension de 10.000 volts et un écart de 3,5 mm. Grâce aux essais effectués jusqu' ce jour, tous les paramètres permettant d'obtenir une production optimum d'ozone avec le générateur décrit plus haut sont parfaitement connus. Ces paramètres sont: 1) la tension entre les plaques 2) l'écartement des plaques 3) la surface des plaques 4) la fréquence de la tension appliquée 5) la vitesse de passage de l'air entre les plaques (ou quantité d'air à ioniser) La quantite d'ozone produit se calcule en gramme par 3 min et par m d'air. La tension électrique est déterminée par des impératifs extérieurs. L'écartement des plaques est déterminé par la tension. La surface des plaques est calculée en fonction de la vitesse de passage de l'air dans les zones d'effluvage, car la transformation en ozone de l'oxygène ambiant ne se fait correctement qu'à des vitesses maximales de l'ordre de 5 m/sec. Le rapport vitesse de l'air / surface a donc une grosse importance dans type de générateur. Enfin, la fréquence a un role déterminant Si 4 une fréquence f = 50 périodes/sec. nous avons 100 mg d'ozone, l'expérience-nous a prouvé que pour f = 500 périodes/sec. nous aurons 1.000 mg d'ozone, c'est-à-dire 10 foisplus. par contre, ceci n'est plus vrai au-delà de 7 à 800 périodes/sec. et l'explication donnée est la suivante : lorsque la fréquence dépasse 800 périodes/sec, le temps d'étincelage est trop court pour que la transformation d'O2 en O3 se fasse correctement. La fréquence appliquée au générateur ne doit donc pas dépasser 800 périodes/sec. Une Renault R5 avec un moteur de 960 cc a été équipée avec un générateur semblable à celui décrit en regard des fig 2 et 3 mais avec six zones d'effluvage, c'est-à-dire avec quatre plaques d'él ectrodes de masse entre lesquelles étaient disposées trois plaques d'électrode haute tension, le tout étant monté dans le filtre à air du véhicule. Ces plaques avaient un diamètre total de 17. etun trou central d'un diamètre de 7 cm. Elles étaient séparé s par un écartement de 3,5 mm et alimentées avec un alternateur de manière å produire une tension -de environ 10.000 volts, de manière à produire environ 1,0 gramme d'ozone par min et par m3 d'air entrant dans le moteur. Le moteur tournant à 2000 tours/min, on a mesuré dans les gaz d'échappement les quantitués suivantes de gaz toxiques: 'CO- = 460 ppm CO, = 160.000 ppm NO = 65 ppm HC = 85 ppm On remarque immédiatement que les quantités données ci dessus sont nettement en dessous des normes les plus sévères per mises par la a oi américaine. Il doit cependant être mentionné que ces résultats ont été obtenus avec le moteur représenté dans la fig. 1, moteur -qui était muni d'un recyclage des imbrulés. En effet, la production d'ozone permettant une meilleure combustion et par conséquent un recyclage des gaz d'échappement allant jusqu'à 25%. La voitu re; représentée,'dans la fig. 1 présente donc un pot d'échappement permettant le recyclage et représenté en détail dans la fig. 4. Le pot de la fig. 4 se présente sous la forme d'une pièce circulaire allongée fermée 38, dans laquelle pénètre jusqu'en son milieu une tubulure de sortie 39. Adjacente à l'extrémité de la tubulure de sortie 39 est placée une paroi circulaire de séparation 40 munie d'ouvertures radiales formées en repliant des ailettes 41 selon un sens de rotation sur la paroi circulaire 40, de manière à, mettre en rotation l'air traversant le cyclone formé des ailettes 41. La partie avant du pot de la fig. 5 comprend encore une paroi de séparation 42 percée de trous 43 et formant dans la partie avant une chambre de résonance 44 et une chambre d'entrée des gaz d'échappement 45 dans laquelle débouche une tubulure d'entrée 46.A l'arrière du pot au-dessous de la tubulure de sortie 39 se trouve une tubulure de sortie additionnelle 47 débouchant dans un pot de récupération des poussières 48. Le pot 48 est constitué d'un couvercle 49 soudé sur la tubulure additionnelle 47 et recevant un boîtier inférieur 50- desti- né à recueillir'les poussières. Le haut du boîtier 50 est encore muni d'une couronne de déflexion 51 présentant un orifice central 52 situé légèrement au-dessous de la tubulure additionnelle 47. Au-dessus de la couronne de déflexion 51 est fixée une tubulure de recyclage des imbrûlés 53 allant vers l'entrée du carburateur sous le filtre à air. Le pot d'échappement qui vient d'être décrit fonctionne comme suit: Les gaz d'échappement entrent par l'orifice 46 dans la chambre 45 communiquant avec la chambre de résonance 44, de sorte qu'un écoulement sensiblement continu des gaz vers l'arrière du pot puisse être obtenu. En quittant la chambre 45 pour passer de l'autre coté de la paroi 40, les gaz sont mis en rotation selon un mouvement circulaire par les ailettes 41 et les poussières et particules en suspension dont les imbrûlés, dirigées vers l'ar- '-rière du pot pour descendre dans la tubulure additionnelle 47. Les poussieres tomberont dans le boîtier 50 du pot 48 et les imbrûlés avec environ 15 à 20% des gaz d'échappement seront recycles dans la' t " 1admission par l'intermédiaire de la tubulure de recyclage 53. La tubulure de sortie principale 39 étant située sur le grand axe du pot 39 seulement des gaz d'échappement relativement propres s serort libérés dans l'atmosphère puisque toute les particules en suspen i'on seront dirigées contre les parois du pot grâce à- la force centrifuge créée par le mouvement circulaire des gaz. Il est à préciser ici qu'un recyclage de l'ordre de 20% des gaz d'échappement serait impossible sans l'adjonction d'ozone - Des essais ont montré que le moteur s'arrête si l'ali- mentation du générateur d'ozone est coupée. Le recyclage est cependant très intéressant, car il permet une réduction sensible de la consommat tion d'essence. Dans l fig. 5, le moteur 55 est un moteur Diesel, dont la tubulure d' ?dmission 56 est reliée à un filtre à air 57 comprenant un él ent filtrant 58 et un générateur d'ozone 59 semblable à celt décrit dans le mode d'exécution des fig. 1 à 4. Une tubulure d'échappement 60 est reliée à un pot 61 presentant une tubulure de sortie 62. Une pompe à injection 63 alimente en fuel les cylindres du moteur à l'aide de conduite 64. Le générateur d'ozone 59 est comme dans le mode d'execution des fig. 1 à 4 alimenté en impulsion haute tension par un transformateur haute tension 65 commandé par un oscillateur 66, livrant des impulsion - 4 rées d'une fréquence de 500 périodes/sec. es critères de production d'ozone sont pour le mode d'exécution de la fig. 5 exactement les mêmes que ceux décrits en regard,du ode d'exécution des fig. 1 à 4. On a constaté avec une alim - ation en ozone de 1,5 g/m3 et par minute, une diminu-- tion importa e des fumées contenues dans les gaz d'échappement. Dans l'exemple concret d'un équipement de Renault 5 décrit plus hau t",- le générateur et son alimentation électrique limensionnés pour obtenir une quantité d'ozone de l gram mepar - - et- nute d'air entrant dans le moteur. I1 est évi- dent que plus on produit d'ozone, plus la combustion est meilleure, ceci étant valable jusqu'à,une limite maximum. I1 a été trouvé que l'on pouvait produire jusqu'à deux grammes d'ozone par mètre cube et par minute sans craindre des détériorations du moteur. I1 est cependant évident que plus on, veut produire d'ozone, plus l'alimentation électrique du générateur est importante et plus le prix de revient de l'équipement est élevé. Avec une production 3 de 0,5 gramme d'ozone par m et par minute, les constituants toxi- ques des gaz d'échappement d'un moteur de Renault 5 sont ,déjà en dessous des normes définies par la loi américaine (test CVS). La quantité d'ozone qui devra être produite sera donc définie en fonction du véhicule à équiper et le générateur et son alimentation électrique seront dimensionnés pour produire entre 0,5 et 2 grammes d'ozone par m3 et par minute, de manière à rester en dessous des normes permises par les lois des pays où le véhicule sera livré. REVENDICATIONS 1. - uipement pour moteur à combustion interne avec générateur d'ozone pour réduire la teneur des produits polluants contenus dan l,es gaz d'échappement de moteur, caractérisé en ce que le générateur d'ozone comprend au moins une plaque formant une électrode de masse réalisée en matériau électriquement con- - ducteur et disposée parallèlement et à faible distance d'une deuxième p plaque formant une électrode de tension réalisée en un matériau diélectrique, les plaques étant placées dans le chemin de passage de l'air entrant dans le moteur et l'électrode de tension étant reliée à une alimentation électrique comprenant un transformateur de haute tension pulsée, le générateur formé des plaques et son alimentation électrique étant dimensionnés pour produire entre 0,5 et 2 gramm-es d'ozone par mètre cube d'air entrant dans le mate, ,et par minute 2. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gé raseur comprend plusieurs électrodes de masse et plusieurs électrodes de tension, chaque électrode haute tension étant disposée entre deux électrodes de masse. 3. équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur d'ozone est formé d'électrodes de masse et de tension et est placé dans le filtre à air du moteur, la pre mièvre électrode adjacente au couvercle du filtre à air étant une plaque circulaire d'un diamètre plus petit que l'élément -filtrant circulaire disposé dans le boîtier du filtre à air, les autres électrodes ayant le même diamètre que la première et étant percées d'un tr-ou central, dont le diamètre est sensiblement égal à celui de l'orifice de sortie du filtre à air. 4. 4. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que-les électrodes de tension sont alimentées en impulsions électriques~ S r un transformateur haute tension. 5. Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transformateur haute tension est alimenté par l'alter- nageur du mo' - 6. Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le, transformateur est alimenté par un 'oscillateur. 7. Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transformateur est agencé pour livrer des impulsions de 10.000 volts souks une fréquence allant jusqu'à 800 périodes / sec., l'écartement entre les électrodes du générateur étant de 3,5 mm. 8. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de masse sont en acier inox. 9. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de tension sont en époxy. 10. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de tension sont.en un matériau dérivé du verre ou du caoutchouc avec du silicone. 11. Equipement selon la revendication I, caractérisé en ce que les électrodes de tension sont formées d'une plaque de matériau conducteur enrobée dans un diélectrique. 12. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un pot d'échappement centrifuge permettant la récupération des poussières et le recyclage d'environ 20% des gaz d'échappement. 13. Equipement selon la revendication 12, 'caractérisé en ce que le pot d'échappement comprend en son milieu un cyclone mettant les gaz d'échappement en rotation autour de la tubulure de sortie du pot, qui pénètre dans le pot selon son grand axe, les poussières étant récupérées dans un boîtier placé à la péri phérie du pot et les imbrûlés amenés dans le circuit d'entrée du moteur grâce à une tubulure additionnelle sortant également à la périphérie du pot après que les gaz aient été débarrassés des poussières.