Brevet FR2481945A1 — publié le 19811113

La présente invention concerne un procédé de neutralisa- tion des effluents nocifs des gaz de combustion des moteurs thermi ques9 tels que les moteurs à combustion interne (moteurs à essence et moteurs diesel notamment), c'est-à-dire un procédé transformant lesdits effluents gazeux nocifs en gaz non toxiques avec un taux de conversion élevé. Elle a également pour objet les dispositifs mettant ce procédé en oeuvre et les installations ou véhicules compor- tant de tels disoositifs. Les effluents gazeux nocifs engendres par les moteurs ther- miques sont principalement des oxydes d'azotes comme l'oxyde nitreux ou protoxyde d'azote NO et le peroxyde d'azote FIO, ~ de l'oxyde de carbone CO ; des oxydes de soufre, comme l'anhydride sulfureux S02 ou l'anhydride sulfurique 533, et leurs dérivés ; des hydrocarbures imbrûlés ou produits par condensation et/ou cyclisation, lors de la combustion, à partir d'hydrocarbures plus-legers e et le plomb et ses dérivés. Les procédés actuellement utilises pour réduira la quantite de ces produits nocifs et diminuer ainsi la pollution atmosphéri- que due aux gaz d'échappement des moteurs précités reposent sur 12u- tilisation de masses catalytiques ou font appel à des masses absous bantes. Les masses catalytiques à base de métaux nobles déposes sur supports inertes transforment certains produits nocifs, en présenne d'air ou d'oxygène en excès, à température suffisamment élevée, de l'ordre de 400 à 500e C lorsqu'on utilise de l'air, selon les réactions Une partie des hydrocarbures CY Hy peut aussi entre oxydée0 Les oxydes d'azote NOz sont, suivant la nature du cataly saur, soit réduits en azote, sot oxydés davantage lorsque cela est possible, soit encore fixés sur les hydrocarbures. Un tel procédé présente les inconvénients suivants 1) les métaux nobles utilisés, par exemple platina et platina rhodié, sont costaux 2) cas catalyseurs nécessitent l'utilisation de carburants exempts de soufre OU peu soufrés, et ne contenant pas de plomb(supercarburant inutilisable) poison classique des catalyseurs, ce qui limite considérablement le champ d'appli cation dudit procédé 3) l'efficacité des masses catalytiques dépend de la températu re des gaz d'échappement, de sorte que, dans le cas des moteurs diésels ou cette température est trop faible, le procédé ne permet pas d'éviter la pollution de l'atmosphère;; 4) cette efficacité est aussi réduite par la présence de déri vés halogénés, par exemple chlorés, utilisés comme additifs détergents dans le carburant, étant donné que ces dérivés favorisent les réactions d'addition et non les réactions d'oxydation. 5) la mise en oeuvre des masses catalytiques entraîne une im portante perte de charge dans le circuit des. gaz d1échappe- ment C100 à 200 mm d'eau) et par conséquent une baisse de rendement du moteur correspondant à une surconsommation de carburant de l'ordre de 5 à 8 #. Selon le procédé utilisant des masses absorbantes, généralement à base de fer et éventuellement d'alumine, on adsorbe les composés organiques aromatiques volatils, tels qu'aldéhydes et alcools, formés lors de la combustion de gazole ; ce procédé présente un certain intérêt, compte tenu de l'absence de composés no- cifs de l'azote, dans ce cas, puisqu'il élimine les odeurs et réduit-les risques d'incendie, par exemple en forêt, par les gaz d'échappement, mais il n'est pas applicable aux moteurs utilisant l'essence puisqu'il n'élimine alors pas les composés les plus nocifs. Le procédé selon l'invention permet dE remédier aux inconvénients des procédés connus exposés ci-dessus par le fait qu'il est treks efficace, qu'il est applicable à tout type de carburant contenant ou ne contenant pas d'additifs, qu'il n'entraîne aucune perte de charge sensible dans les tuyauteries d'échappement en évitant ainsi toute surconsommation de carburant et qu'il n'est pas coûteux, Ce procédé est essentiellement caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un excès d'air dans lesdits gaz d'échappement de façon à obtenir un mélange intime puis à soumettre ledit mélanqe à une irradiation par le rayonnement ultraviolet de longueur d'onde comprise entre environ 1 300 et 3 150 , de préférence entre 1 450 et 3 oeo A, pendant au moins 0,1 seconde. Le rayonnement ultraviolet mis en oeuvre appartint à l'ultraviolet moyen (2 800 - 3 150 At, à l'ultraviolet lointain C1 850 - 2 000 à 2 800 A) et/ou à la zone de Schumann (en dessous de 1 850 A) ; dans ces conditions, ce rayonnement, en agissant sur l'air mélangé au gaz d'échaooemant, produit de l'oxygène naissant ou oxygène monoatomique, suivant la réaction 02 0 + 0. En outre, le peroxyde d'azote et le protoxyde d'azote sont décomposés selon les réactions suivantes Par contre l'énergie ultraviolette reçue par les gaz d'échappement ne permet pas de scinder les molécules d'azote et d'oxyde de carbone CO.L'azote monoatomique formé et l'oxygène monoatomique non utilisé se retrouvent finalement sous forme d'azote et d'oxygène diatomiques. L'oxygène naissant ainsi libéré sert à oxyder l'oxyde de carbone en gaz carbonique et les hydrocarbures en gaz carbonique et eau. Cependant, comme l'oxygène naissant est très réactif, mais présente une durée de vie très courte, il faut que l'arrivée de l'excès d'air ait lieu de telle sorte qu'il soit intimement mélangé aux gaz d'échappement du moteur avant de parvenir dans la zone où s'effectue l'irradiation ultraviolette ; en d'autres termes, l'introduction de l'excès d'air dans les gaz d'échappement doit s'effectuer suffisamment en amont de ladite zone, en mettant éventuellement en oeuvre, conformément à la présente invention, des moyens de brassage du mélange gaz d'échappement - air, par exemple des chicanes et/ou un venturi, dans la section de tuyauterie d'échappement où circule le mélange air - gaz d'échappement. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on soumet l'air à incorporer dans les gaz d'échappement à l'action d'effluves électriques, afin qu'il contienne de l'ozone qui favorise les réactions d'oxydation de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures. La source de rayonnement ultraviolet utilisée est de préférence une lampe à vapeur de mercure, avantageusement du type à basse pression, qui émet dans l'intervalle 1 400 - 3 000 (intensité maximale de l'émission pour 2 537 A), la mise en oeuvre d'une basse pression permettant, de manière en soi connuede diminuer l'absorption du rayonnement ultraviolet par la vapeur émettrice on seut aussi avantageusement utiliser les lampes à étincelle dans lesquelles le spectre d'étincelles (raies d'ions)se superpose aux raies de l'arc (production de rayonnement ultraviolet delongueur d'onde inférieure à 1 850 ). Bien entendu, bien d'autres sources sont utilisables, notamment l'arc à charbons métallisés (ultraviolet moyen) la lampe à hydrogène et les arcs polymétalliques (ultraviolet lointain), ainsi que la lampe à hydrogène et la lampe au xénon (zone de transition entre l'utraviolet lointain et la zone de Schumann). Ces sources peuvent être alimentées par des batteries d'accumulateurs,ce cequi permet, dans le cas d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, d'alimenter ladite source par la batterie d'accumulateurs du véhicule. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité comprend, sur le trajet des tuyauteries d'échappement du moteur thermique, d'amont en aval, une section amont de tuyauterie où circulent les gaz d'échappement, qui est éventuellement munie des moyens de brassage précités et à laquelle se raccorde une tuyauterie d'admission d'air, une chambre de réaction sur la oaroi de laquelle est adaptée au moins une source de rayonnement ultraviolet de longueur e d'onde comprise entre 1 300 et 3 150 A et une section aval d'échappement desdits gaz, ce dispositif étant de préférence adapté sur l'extrémité aval desdites tuyauteries d'échappement. Selon une caractéristique de l'invention, la source de rayonnement ultraviolet est protégée par un ou plusieurs joints anti-vibrations placés entre la section amont précitée et la chambre de réaction et entre la section aval précitée et ladite chambre de réaction ; on peut aussi, selon une variante conforme à l'invention, interposer un joint annulaire anti-vibrations entre la chambre de réaction et la source de rayonnement ultraviolet. La chambre de réaction précitée est avantageusement pourvue d'un revêtement réfléchissant le rayonnement ultraviolet (nickel, oxyde de magnésium, etc) de telle sorte que celui-ci traverse plusieurs fois ladite chambre, dans le sens transversal, ce qui permet, pour un diamètre donné de celle-ci, d'augmenter l'énergie radiante reçue par le mélange gazeux ou bien, pour une même dose d'irradiation, d'utiliser une chambre de réaction de olus faible diamètre. Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise plusieurs sources de rayonnement ultraviolet placés en parallèle, c'est-à-dire à une me#e distance de l'entrée de la chambre de réac- tioni st/ou en séria, c'est-à-dire échelonnées le long de ladite chambre de réaction, sur le trajet du mélange gazeux précité Dans le cas d'un véhicule automobile de carectéristiquas moyennes, la puissance électrique consommée par la source unique ou la puissance totale des différentes sources pour produire les effets désirée dans les gaz d'échappement est inférieurs à 100 W,ce qui per- met par exemple d'alimenter une source, telle qu'une lampe à vapeur de mercure, émettant un rayonnement de l'ordre de 1,4 à 2,8 . 10 7 quants d'énergie par seconde et par centimètre utile de longueur de la source. D'autres caractéristiques, objets ouavantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre non limitatif, an référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe lcngitudinele axiale d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention et - la figure 2 représente1 également en coupe longitudinale axia- les un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'in- vention. On voit sur la figure 1 un dispositif pour la neutralisa- tion des affluents nocifs des gaz d'échappement d'un moteur thermi- que qui comprend, sur le trajet de la tuyauterie d'échappement de ce moteur, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une section amont 1 de tuyauterie où circulent lesdits gaz d'échappement et à laquelle se raccorde une tuyauterie d'admission d'air 2, une chambre de réaction 3 sur la paroi de laquelle est adaptée une source de rayonnement ultraviolet 4 et une section aval 5 d'échappement desdits gaz ;; la tuyauterie d'admission d'air 2 débouche dans l'axe de la section amont 1 au niveau daun renflement intérieur 6 de ladite section, formant venturi, ce qui permet l'aspiration de l'air, amené par la tuyauterie 2, par le courant des gaz d'échappement s la tu yauterie d'admission d'air 2 débouche, à son extrémité amont, dans l'atnosohere, directement ou par l'intermédiaire d'un dispositif producteur d'effluves électriques à l'effet de former de l'ozone dans l'air parcourant ladite tuyauterie 2. La chambre de réaction 3 est de forme générale cylindrique, dans sa partie centrale, d'un diamètre d'environ 150 à 200 mm, la longueur de cette chambre étant d'environ 300 à 500 mm, afin que , compte tenu du débit et de le vitesse des gaz d'échappement mélangés à l'air, ces derniers soient soumis à l'action du rayonnement ultraviolet de la source 4 pendant au moins environ 0,1 seconde. La source 4 est par exemple constituée par une lampe à vapeur de mercure dont la paroi est formée par un tube de quartz droit, comme dans l'exemple représenté, ou courbe, selon une variante conforme à l'invention ; cette lampe est montée, par l'intsrmé- diaire de bras de support 7 dans un renfoncement de la paroi latérale de la chambre de réaction 3 et elle est alimentée an énergie électrique par les conducteurs 8 traversant les passages isolants 9. La puissance du rayonnement émis par cette lampe, exprimée en quanta d'énergie est d'environ 2,1 x 10 par seconde et par centimètre utile (mesuré suivant la longueur de la lampe) ; la puissance de cette lampe est inférieure à 100 W (tension efficace de fonctionnement : 10 volts par centimètre ; tension de démarrage : 100 volts). Lv source 4 est protégée ici par deux joints anti-vibrations ; le joint 10 est un joint annulaire placé entre des brides appartenant respectivement à la section amontl et à la chambre de réaction 3, tandis que le joint 11 est un joint annulaire placé entre des brides aspartenant resnectivement à la section aval 5 et à la chambre de réaction 3 ; bien entendu ces joints sont en un élastomère pouvant supporter la température des gaz d'échappemant. Pour favoriser le brassage du mélange air - gaz d'échappement et obtenir un mélange intime avant son exposition auSayonnament ultraviolet dans la chambre de réaction 3, le dispositif comporte, à l'en rée de celle-ci, des chicanes 12. Le dispositif du mode de réalisation de la figure 2 comprend, de maniera tout à fait analogue à la figure 1, une section amont 1' de tuyauterie d'échappement à laquelle se raccorde la tuyauterie d'admission d'air 2' et qui est munie de chicanes 12', une chambre de réaction 3' et une section aval de tuyauterie d'échaspe- ment 5', cette dernière comportant ici des chicanes 13. L'irradiation ultraviolette est ici réalisée oar deux sources 14 et 14', constituéesD,r exemole par des lampes à valeur de mercure dont la parti est un tube de quartz, comme représenté ces deux lampes sont disposées en séries, c'est-à-dire que le mélange gazeux passe successivement, en cheminant dans la chambre de réaction 3', sous le rayonnement de la lampe 14 puis sous le rayonnement de la lampe 14' ; ces lampes sont ici montées sur des opercules de support, respectivement 15 et 15',engagés dans des ouver- tures oonvenables de la paroi latérale de la chambre de réaction 3' ; des joints annulaires en élastomère, resoactivement 16 et le̲, prorogent ici les lampes 14 et 14' des vibrations Chaque joint est intercalé entre la paroi latérale de la chambre 3' et un rebord périphérique, 15a ou 15'a, de l'opercule 15 ou 15 Les lampes 14 et 14' sont alimentées électriquement par des conducteurs tels que 17 traversant des passages isolants tels que 18 et elles sont supportées par les opercules oar l'intermédiaire de bras tels que 19. Le diamètre de la chambre de réaction est ici inférieur à celui de la chambre de réaction 3 du dispositif de la figure 1, par exemple environ 60 mm au lieu de 150 à 200 mm et la surface interne de cette chambre de réaction 3' est munie d'un revêtement 20 réfléw chissant le rayonnement ultraviolet, par exemple à base de nickel ou d'oxyde de magnésium, de telle sorte que le rayonnement#émis par les lampes 14 et 14' traverse plusieurs fois le tube dans le sens transversal de celui-ci et que l'énergie radiante reçue par le mélange gazeux soit augmentée, ce qui compense la diminution de section transversale par rapport au cas de la figure 1 9 en effet, du fait de la diminution de section transversale, la vitesse linéaire du mélange gazeux dans la chambre de réaction 30 est plus élevée que dans la chambre de réaction 3 et la durée de séjour de chaque quantite élémentaire de mélange y est plus faible ; par contre, chaque quantité élémentaire reçoit de l'énergie radiante à un taux plus élevé, puisque le rayonnement réfléchi par ras parois latérales de la chambre de réaction 3' s'ajoute au rayonnement reçu directement d'une lampe (on suppose ici que l'énergie radiante émise par les deux lampes 14 et 14' est du même ordre de grandeur que celle émise par la lampe unique 4 du dispositif de la figure 1) Les dispositifs des figures I et 2 conviennent en particulier pour l'équipement d'un véhicule automobile usuel, le diamètre de la section amont 1 ou 1 et de la section aval 5 ou 5 r ayant le dismetre habituel du tuyau d'échappement d'un tel véhicule ; la surface de la section tranayarsale de la tuyauterie d'admission 2 ou 2' est avantageusement de l'ordre de 5 % de la section transversale de la tuyauterie des gaz d'échappement; bien entendu, les lampes telles que 4. 14 et 14' peuvent être alimentées par la batterie d'accumulateurs du véhicule. Le débit ou quantité d'air à introduire est de l'ordre de 2 % à 10 en volume par rapport au débit ou quantité de gaz de combustion; par exemple. pour un moteur à combustion interne à quatre temps fonction nant à l'essence7 de cylindrée moyenne t7 à 8 chevaux fiscaux). produisant 70 à 90 litres ramenés aux conditions normales de pression et de température) de gaz d'échappement par seconde, à une vitesse linéaire de 40 à 60 m/s dans la tuyauterie d'échappement. la quantité optimale d'air à introduire conformément à l'invention est de 4 - 8 % en volume par rapport au volume des gaz d'échappement (conditions normales. Il #va de soi que la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui ont été donnés à titre purement explicatif. En conséquence, tous moyens équivalents aux moyens ou modes de réalisation décrits, modifications ou variantes de ces moyens ou modes de réalisation font également partie de la présente invention telle que définie par les revendications ci-après. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de neutralisation des effluents nocifs contenus dans les gaz d'échappement des moteurs th rmiques, notamment les moteurs à combustion interne tels que moteurs à essence et moteurs diesels, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un excès d'air dans lesdits gaz d'échappement de façon à obtenir un mélange intime,pui5 à soumettre ledit mélange à une irradiation par le rayonnement ultraviolet de longueur d'onde comprise entre environ 1 aoe et 3 150 A, de préférence entre 1 450 et 3 000 , pendant au moins 0,1 seconde. 2. Procédé de neutralisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un rayonnement producteur d'oxygène naissant 3 Procédé de neutralisation salon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme source de rayonnement ultraviolet une lampe à vapeur de mercure, de préférence basse pression, un arc électrique, une lampe à hydrogène, une lampe au xénon ou une lampe à étincelle 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air introduit dans les gaz d'échappement a été préalablement enriche an ozone en soumettant ledit air à des effluves électriques 5.Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet des tuyauteries d'échappement d'un moteur thgrmique, d'amont en aval, une section amont de tuyauterie où circulant les gaz dBéchappement et à laquelle se raccorde une tuyauterie d'admission d'air, une chambre de réaction sur la oaroi de laquelle est adaptée au moins une source de rayonnement ultraviolet de longueur d'onde comprise entre l 300 et 3 150 et une section aval d2échappem.-nt desdits gaz, ce dispositif étant de préférence adapté sur l'extrémité aval desdites tuyauteries d' échappement 5 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé an ce que la source précitée est protégée par un ou plusieurs joints anti-vibrations placés entra la section amont et la chambre de réac tion précitées et entre la section aval et la chambre de réaction récitées et /ou entra ladite source et ladite chambre de réaction, cette source étant notamment une lampe à vapeur de mercure basse pression alimentée, dans le cas d'un véhicule automobile, par la batterie d'accumulateurs dudit véhicule. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé an ce que la chambre de réaction précitée est pourvue d'un revêtement réfléchissant le rayonnement ultraviolet de telle sorte que celuici traverse plusieurs fois ladite chambre et augments l'énergie radiante reçue par le mélange gazeux. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la section amont précitée comporte des moyens de brassage du mélange gaz d'échappement - air constitués notamment car des chicanes et/ou un venturi. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs sources de rayonnement ultraviolet nlacées an parallèle ou en série sur le trajet du mélange gazeux précité. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la puissance de rayonnement ultraviolet émise par la source précitée est de l'ordre de 1,4 à 2,8 . 1013 quanta d'énergie par seconde et par centimètre utile de longueur de ladite source.