Brevet FR2504191A1 — publié le 19821022

La présente invention concerne un procédé de trai- tement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion inter- ne, pour favoriser la séparation de ces mêmes gaz des matières polluantes qui, autrement, seraient déchargées dans l'atmos- phère sous forme de particules solides contenant du plomb provenant des additifs contenus dans les carburants. Ces particules se trouvent à l'état fondu ou à l'état de vapeurs tant que la température des gaz d'échap- pement reste élevée et se solidifient progressivement au fur et à mesure que la température diminue Par conséquent, si elles ne sont pas retenues, elles sortent dans l'atmos- phère sous forme de particules solides qui, si elles sont de dimensions inférieures au micron, restent suspendues dans l'air, tandis que si elles sont de dimensions supérieures elles se déposent au sol dans des délais qui dépendent de ces mêmes dimensions. Pour limiter la sortie dans l'atmosphère de ces particules polluantes, on a proposé des filtres ou "pièges" qui retiennent les particules solides contenant-du plomb. Dans de nombreux cas ces filtres sont du type à inertie et retiennent les particules les plus lourdes. Dans certains types de ces filtres à inertie, dits "filtres à cyclone", on induit un tourbillon dans le flux de gaz qui les traverse, de sorte que, sous l'effet deta force centrifuge, les particules les plus lourdes contenues dans les gaz sont projetées vers les parois et retenues dans des cavités ou évidements prévus à cet effet Dans d'autres types de filtres à inertie on obtient une séparation analo- gue des particules polluantes contenues dans les gaz d'échap- pement, par effet d'inertie en créant des brusques changements de direction du flux des gaz Naturellement, aussi bien dans les premiers-types de filtres que dans les seconds la sépara- tion des particules polluantes s'effectue d'autant plus facilement que leurs dimensions sont plus importantes En effet, au fur et à mesure que les dimensions augmentent, la force centrifuge ou la force d'inertie, proportionnelle au 2504 191 cube des dimensions, prévaut sur la force aérodynamique qui, elle, est proportionnelle au carré de ces mêmes dimensions. C'est la raison pour laquelle, ainsi qu'il est connu, on prévoit en amont de ces filtres à cyclone ou à inertie des dispositifs "agglomérateurs" constitués par une capacité dans laquelle un écheveau de fils ou un ensemble de t 8 les métalliques provoque des variations continues de la direc- tion des gaz qui les traversent Dans ce cas, les éventuelles particules solides se déposent par effet d'inertie d'abord sur les surfaces des fils ou des t 8 les métalliques et ensui- te sur les particules qui se sont déjà déposées Grâce à cette agglomération des petites particules, on obtient des particules de dimensions de plus en plus importantes qui, à un certain moment, sous l'effet des actions aérodynamiques, des vibrations, etc, se détachent de l'écheveau et peuvent être ainsi séparéoe plus facilement du gaz dans le filtre à cyclone ou à inertie situé en aval. Naturellement, si, pendant que les gaz d'échappement traversent l'agglomérateur, les sels de plomb sont encore sous forme de Vapeur, l'efficacité de l'agglomérateur est alors réduite C'est la raison pour laquelle l'aggloméra- teur a été jusqu'ici/dans une zone du conduit d'échappement au niveau de laquelle ces sels sont déjà sous forme de particules solides. En ce qui concerne l'efficacité de cet ensemble agglomérateur-filtre connu, il s'est avéré expérimentalement que le plomb contenu dans les gaz d'échappement est retenu en moyenne dans la mesure de 50 % Afin d'améliorer ce pourcen- tage La demanderesse a procédé à des recherches et à des enquêtes expérimentales dans le but d'approfondir le rapport entre l'état physique des sels de plomb et leurs possibilités d'agglomération. Les résultats des recherches ont confirmé que l'ag- glomération ne se produit pas non seulement si les sels sont à l'état de vapeur, mais également s'ils sont à l'état de condensat encore très liquide Ces mêmes recherches ont 2504 191 toutefois permis d'établir que, lorsque ces sels se trouvent à l'état liquide déjà très dense et pâteux, l'agglomération est beaucoup plus intense que dans le cas o ils sont déja solidifiés Bien entendu, l'état physique des sels dépend de leur température, qui est sensiblement celle des gaz bru- lés qui les contiennent Généralement, aux faibles puissances des moteurs automobiles pendant la circulation urbaine (qui est la plus nuisible-au niveau de la pollution), les gaz se refroidissent très rapidement dans le conduit d'échappement et parviennent par conséquent à l'agglomérateur (dans la zone o son installation est possible, qui est celle du pre- mier pot d'échappement) à une température à laquelle les sels de plomb se sont déjà solidifiés. On a par conséquent expérimenté un procédé pour le traitement des gaz de combustion déchargés par un moteur à combustion interne, qui a permis d'augmenter d'une manière inattendue l'efficacité de l'agglomérateur et qui, de ce fait, favorise la séparation des matières polluantes présentes dans les gaz d'échappement sous forme de particules solides. A la suite de recherches expérimentales, on a pu constater que ces résultats peuvent être obtenus grâce à un traitement des gaz de la combustion qui consiste à contrôler l'échange thermique avec l'extérieur afin de conditionner la température de ces mêmes gaz avant leur entrée dans l'agglo- mérateur de particules, en la maintenant dans une plage optimale comprise entre 330 C et 380 C, de façon que, tout au moins dans les conditions normales d'utilisation urbaine du véhicule, la température d'entrée dans l'agglomérateur soit la température optimale pour l'agglomération. Do A cette température, les particules contenant du plomb sont en quasi totalité à l'état pâteux ou liquide très dense et se trouvent par conséquent dans les meilleures con- ditions pour adhérer les unes aux autres ainsi qu'aux surfa- ces rugueuses du matériau métallique dont est rempli l'agglo- mérateur, en grossissant rapidement avant leur solidification. 2504 191 La description qui va suivre, en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. La figure unique représente schématiquement, à titre d'exemple nullement limitatif, un système d'échappement d'un moteur à combustion interne, pour mettre en oeuvre le procédé de traitement des gaz de combustion prévu par la présente invention. Sur la figure unique, la référence 10 désigne un moteur à combustion interne à quatre cylindres en ligne (non représentés) La référence 11 désigne globalement le système d'échappement, représenté seulement en partie, de ce même moteur Ce système d'échappement comprend un collecteur 12 raccordé à la culasse du moteur et un conduit d'acheminement 13 qui est à son tour raccordé au collecteur 12 et à un ag- glomérateur de particules, 14. Le collecteur 12 et le conduit 13 (représentés en coupe) sont calorifugés au moyen de revêtements en matériau isolant désignés par les références 15 et 19, mais il va de soi que l'on pourra adopter d'autres moyens d'isolation appropriés, tels que par exemple de revêtements avec matelas d'air ou gaz stagnant. Sur cette même figure, la référence 16 désigne une portion de conduit d'échappement qui relie l'agglomérateur 14 à un filtre à inertie désigné par la référence 17, tandis que la référence 18 désigne une portion de conduit d'échap- pement reliée à la partie terminale du système d'échappement (non représenté). Les gaz brûlés (gaz de combustions produits par le moteur sont acheminés à travers le collecteur 12 et le conduit 13 vers l'agglomérateur 14 dans lequel ils rentrent à une température d'environ 350 C, c'est-à-dire à une terracture comprise dans la plage optimale allant de 330 comme pré- vu par le procédé de traitement selon la présente invention. 2504 191 A la température d'environ 3500 C la quasi totalité des particules présentes dans les gaz de combustion est à l'état pâteux, de sorte qu'elles se trouvent dans les meil- leures conditions pour grossir en passant à travers l'agglo- mérateur 14, car c'est à cette température qu'est maximale leur tendance à adhérer les unes aux autres lorsqu'à l'inté- rieur de l'agglomérateur elles vont heurter les surfaces rugueuses du matériau métallique dont cet agglomérateur est rempli Par conséquent, avant leur solidification, qui se produit à l'intérieur de ce même agglomérateur, les particu- les contenant du plomb atteignent les dimensions les plus -favorables pour être séparées des gaz d'échappement au cours de leur passage suivant dans le filtre à inertie 17, de sorte que les gaz brlés sortent dans le conduit 18 débarrassés des particules solides contenant du plomb, lesquelles sont rete- nues par le filtre 17. Les essais effectués avec des systèmes d'échappe- ment dans lesquels on a réalisé le procédé qui vient d'être décrit ont permis dé constater que grâce à ce dernier on parvient à obtenir une réduction considérable des émissions de particules solides dans l'atmosphère, en atteignant un rendement de l'ordre de 80 à 90 %. Ltimportance du calorifugeage nécessaire pour obtenir cette température est sensiblement différente d'un véhicule à l'autre et d'un moteur à l'autre Elle sera assez faible si la longueur du conduit entre moteur et agglomérateur est petite et/ou si le rapport entre puissance maximale du moteur et poids du véhicule est peu élevé (c'est-à-dire s'il ne faut qu'un faible appel de puissance en circulation ur- baine) Dans le cas contraire cette importance du calorifu- geage sera évidemmenvplus grande. Par ailleurs, ce même procédé basé sur le condition- nement de la température des gaz avant leur entrée dans l'ag- glomérateur 14, pourra être réalisé sur un système d'échap- pement analogue à celui qui vient d'être décrit, mais doté d'un collecteur 12 et d'un conduit 13 partiellement C 544 191 calorifugés ou même dépourvus de calorifugeage Dans ce dernier cas, les paramètres de projet du collecteur et du conduit (matériaux, dimensions, longueur du tuyau entre la culasse du moteur et l'agglomérateur, lorsque les en- combrements le permettent, etc) seront choisis de manière à maintenir la température des gaz d'échappement à l'entrée de l'agglomérateur dans les limites de la plage optimale de 330 " C à 380 C, et, par exemple, à une valeur de températu- re d'environ 350 C comme dans le système qui vient d'être décrit. Le procédé pour le contrôle de la température à l'entrée de l'agglomérateur pourra aussi être mis en oeuvre avec un dispositif plus sophistiqué qui, par exemple, serait doté, en dérivation du conduit 13, d'un conduit de by-pass dépourvu de calorifugeage et doté de moyens du genre valve ou vanne reliés à un capteur de la température des gaz à l'entrée de l'agglomérateur. Si la température des gaz à l'entrée de l'agglo d- rateur dépasse la valeur maximale de ladite plage optimale, ce capteur commande alors les moyens du genre valve de façon à fermer le conduit calorifugé et à ouvrir le conduit de dérivation dans lequel les gaz d'échappement sont soumis à un refroidissement contr 8 lé différent de celui qu'ils subissent dans le conduit 13, cela afin qu'ils continuent à entrer dans l'agglomérateur 14 en étant à la température optimale. 1504 191 REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement des gaz de combustion produits par un moteur à combustion interne, pour favoriser la séparation de ces mêmes gaz des matières polluantes qui se solidifient sous forme de particules, ei particulier sous forme de particules contenant du plomb provenant des additifs contenus dans les carburants, ledit procédé étant caractérisé par la suite d'opérations suivante faire affluer les gaz dans un conduit ( 13) à travers lequel est effectué un échange de chaleur avec l'extérieur, de manière à amener les gaz à une température comprise entre 7 _ 300 C et 3800 C; faire passer les gaz sortant de ce même conduit à travers un agglomérateur ( 14) dans lequel les substances polluantes dispersées dans les gaz forment des particules grossies et solidifiées par agglomération des particules élémentaires présentes dans les gaz à la sortie dudit con- duit; faire passer les gaz sortant dudit agglomérateur ( 14) à travers un filtre à inertie ( 17) dans lequel les particules agglomérées sont séparées desdits gaz et sont retenues. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une opération de conditionnement de la température des gaz issus du moteur, de façon qu'à l'entrée dudit agglomérateur cette température ait une valeur d'environ 550 C. D Dispositif d'échappement pour moteur à combus- tion interne, pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1 ou 2, ce dispositif comportant un collec- teur ( 12) et un conduit ( 1 i) d'acheminement des gaz de combustion produits par ce même moteur à un agglomérateur ( 14) de particules et à un filtre à inertie ( 17), ce dis- positif étant caractérisé par le fait aie ledit collecteur ( 12) et ledit conduit d'acheminement ( 1 _) sont calorifugés 2504 '191 (en 15,19) au moins en partie, de façon à obtenir avec l'extérieur un échange thermique tel que la température de ces mêmes gaz soit diminuée tout en étant maintenue dans une plage optimale correspondant à une valeur comprise entre 330 C et 380 C à l'entrée de l'agglomérateur. 4 Dispositif dtéchappement selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit collecteur ( 12) et ledit conduit d'acheminement ( 13) sont au moins en partie calorifugés de manière à maintenir la température des gaz à l'entr'e dudit agglomérateur à une valeur d'environ 350 C. Dispositif d'échappement pour moteur à combus- tion interne, comprenant un collecteur ( 12) et un conduit ( 13) d'acheminement des gaz de combustion produits par ce même moteur vers un agglomérateur ( 14) à particules et un filtre à inertie ( 17), caractérisé par le fait que ledit collecteur et ledit conduit d'acheminement sont conçus pour réaliser un échange thermique permettant de diminuer la température de ces mêmes gaz, en la maintenant dans une plage optimale comprise entre 330 C et 380 C à l'entrée dudit agglomérateur. 6 Dispositif d'échappement selon la revendication , caractérisé par le fait que ledit collecteur ( 12) et ledit conduit d'acheminement ( 13) sont conçus pour obtenir une diminution de la température des gaz, en la maintenant à une valeur d'environ 350 C à l'entrée dudit agglomérateur ( 14). 7 Dispositif d'échappement selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un conduit dç 1:,y-pass en dérivation dudit conduit d'acheminement ( 13), ledit conduit en dérivation étant doté de moyens du genre valve fonctionnellement reliés à un capteur de la températu- re des gaz d'échappement à l'entrée de i'agguomérateur, de façon que ces moyens du genre valve soient cor:nmandés dans le sens de l'ouverture de ce conduit en dérivation lorsque la température des gaz excède le maximum de ladite plage de température optimale.