Brevet FR2515258A1 — publié le 19830429

Pour réduire la teneur de composants nuisibles dans les gaz d'échappement de moteurs à allumage com- mandé il est connu de soumettre le courant de gaz d' échappement à une post-combustion catalytique sur des catalyseurs pour gaz d'échappement ou bien de régler la composition du mélange carburant-air envoyé au mo- teur, au moyen de capteurs de mesure disposés dans le courant des gaz d'échappement, à savoir ce qu'on appel- le des sondes X, qui disposent également d'une zone active du point de vue catalytique et réagissent à la teneur en oxygène et en hydrocarbures non brûlés. Mais dans le cas de l'utilisation de carburants contenant du plomb, ces catalyseurs sont rendus inac- tifs pendant un bref intervalle de temps par les parti- cules de substances polluantes situées dans les gaz d' échappement, notamment des particules de plomb, mais également des particules de soufre ou de suie C'est pourquoi il a déjà été proposé d'éliminer ces particu- les du courant des gaz d'échappement par séparation par dépôt ou précipitation électrostatique (demande de brevet allemand miseà l'inspection publique sous le No 10 17 147 ou demandes de brevets allemands publiées sous les N O 21 39 775 et 17 51 135). La séparation par précipitation des particules de plomb à partir du courant des gaz d'échappement au moyen de filtres électrostatiques n'a pas encore abou- ti au succès souhaité Même dans le cas de filtres en soit très efficaces pour des vitesses élevées des gaz d'échappement et une charge intense des filtres, des particules déjà séparées par précipitation, qui endom- magent alors le catalyseur, sont à nouveau arrachées de la surface du filtre Un démontage régulier du fil- tre et le nettoyage de ce dernier sont par conséquent nécessaires. C'est pourquoi le but de la présente invention est de trouver un procédé utilisant un filtre électrosta- tique et au moyen duquel les catalyseurs situés dans le courant des gaz d'échappement peuvent être protégés vis- à-vis de l'empoisonnement provoqué par des particules de substances polluantes. Ce problème est résolu à l'aide d'un procédé pour protéger des catalyseurs situés dans le courant des gaz d'échappement de moteurs à allumage commandé, vis-à-vis d'un empoisonnement provoqué par des particules de substan- ces polluantes déposées, au moyen d'une séparation par précipitation électrostatique, caractérisé en ce que la précipitation électrostatique n'est réalisée que pour des températures du courant des gaz d'échappement, pour lesquelles des particules de substances polluantes ont une action nuisible sur le catalyseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description donnée ci-après. On a trouvé que les particules de substances pol- luantes endommagent le catalyseur uniquement à l'inté- rieur d'une plage déterminée de températures, tandis qu'en dehors de cette plage de températures, il ne se produit aucun endommagement ou bien seulement un endom- magement tout-à-fait réduit C'est en fonction de cette dépendance vis-à-vis de la température, que les particu- les de substances polluantessont séparées par précipita- tion uniquement à l'intérieur de la plage des températu- res nuisibles En dehors de cette plage de températures nuisibles, il ne se produit aucune précipitation et les particules de substances polluantesdéjà séparées sont éli- nées de l'électrode de précipitation par le courant des gaz d'échappement et les mouvementsd'ébranlement et de chaos du véhicule L'élimination est particulièrement intense lorsque l'on inverse la polarité du système de précipitation et que les particules séparées par préci- pitation sont repoussées par l'électrode de précipita- tion Cette disposition a pour effet que la surface du filtre est régénérée en permanence, qu'il ne se produit aucune surcharge du filtre et que lors de la séparation par précipitation, on est toujours en présence d'un fil- tre possédant une surface fraîche. L'application d'une charge aux particules de substances nuisibles s'effectue dans le champ électro- statique d'une voie de charge en amont du catalyseur, au moyen d'une source de haute tension du type usuel dans le cas de la séparation par précipitation élec- trostatique des particules moyennant l'utilisation dl un courant en continu et décrite de façon détaillée par exemple dans Perry, Chemical Engineers Handbook, McGraw Hill 1973, pages 20-103 à 20-105 La production du champ électrique ionisant est réalisée avantageusement entre une électrode formée d'un fil et disposée concen- triquement au tuyau d'échappement et le tuyau d'échappe- ment agissant en tant que contre-électrode (électrode de séparation) Afin d'accroître le rendement, l'électrode forme d'un fil peut être équipée de soies, de pointes et analogues Dans le cas de tuyaux d'échappement pos- sédant des diamètres assez importants, on peut égale- ment utiliser plusieurs électrodes formées d'un fil. La haute tension appliquée à l'électrode formée d'un fil est comprise entre environ 10 et 40 k V Au-dessous de 10 k V, l'action est trop faible alors qu'au-dessus de 40 k V, le risque d'une formation d'étincelles augmen- te Comme contre-électrode ou électrode antagoniste, au niveau de laquelle les particules de substances polluan- tes sont séparées par précipitation, on utilise le tuyau d'échappement La longueur de la voie de précipitation est fonction de la vitesse des gaz, du potentiel appli- qué, du diamètre du tuyau d'échappement et de la mobi- lité des particules de substances polluantes et peut être calcule moyennant l'utilisation des formules con- nues (par exemple voir le document Perry cité plus haut). Etant donné que la charge électrostatique de par- ticules est fonction de la température, la voie de char- ge est disposée de façon appropriée en un emplacement du tuyau d'échappement, au niveau duquel la température des gaz d'échappement ne dépasse pas 8000 C et au niveau duquel les gaz d'échappement ne sont pas encore suffisamment chauds pour réagir avec le catalyseur des gaz d'échappe- ment ou au niveau de la sonde À De préférence les par- ticules sont chargées négativement étant donné que, dans le cas d'une charge négative, il est possible d'obtenir des potentiels nettement supérieurs Une formation éven- tuelle d'ozone a une influence supplémentaire positive sur l'odeur et la composition des gaz d'échappement. Le catalyseur est disposé en arrière de la voie de séparation par précipitation sur le trajet du tuyau des gaz d'échappement Le catalyseur peut être chargé par voie électrostatique éventuellement avec la même po- larité que les particules de substances polluantes, afin de repousser de sa surface, des particules de substances polluantes qui n'ont pas été séparées par précipitation. Comme catalyseurs on utilise habituellement des catalyseurs à base de platine, de rhodiumou de palladium. La plage des températures, dans laquelle les particules de substances nuisibles contenues dans les gaz d'échappe- ment agissent de façon nuisible sur le catalyseur, dépend de la nature de ce dernier et doit être déterminéepour chaque cas par des essais, ce qui cependant ne présente aucune difficulté pour un spécialiste Dans le cas des catalyseurs usuels à base de platine pour des gaz d'échap- pement, il ne se produit pratiquement plus aucun endom- magement des catalyseurs au-dessous d'une température des gaz d'échappement d'environ 200 'C Au-dessus de cette li- mite inférieure de température, le dispositif de sépara- tion par précipitation peut être en permanence en service. )ans le cas de températures très élevées, le rendement de séparation par précipitation diminoefortement, mais il ne se produit également plus aucun endommagement des catalyseurs de sorte que pour éviter des décharges élec- triques disruptives, il peut être avantageux d'arrêter le fonctionnement du dispositif de séparation par pré- cipitation. Exemple Dans un tuyau d'échappement possédant un diamè- tre intérieur de 9 cm on a fait passer un courant de gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, dans lequel on a utilisé de l'essence possé- dant une teneur en plomb de 0,4 g/l Le courant des gaz d'échappement possédait un débit de 900 m 3 /h, ce qui correspondait à une vitesse de circulation d'en- viron 60 km/h pour une voiture de tourisme de classe moyenne Dans le tuyau d'échappement on avait disposé un fil d'une longueur de 90 cm, tendu au centre du tuyau d'échappement et possédant un diamètre de 0,2 cm. On a appliqué au fil une tension continue de -13 k V alors que le tuyau d'échappement était au potentiel 0 V La longueur du tuyau d'échappement depuis le dé- but de la voies de charge jusqu 'au catalyseur était égale à 90 cm Le catalyseur des gaz d'échappement était constitué par une couche active du point de vue catalytique à base de platine et était placé sur un support en acier en forme de nid d'abeilles. La précipitation électrostatique des particu- les de substances polluantes n'a été réalisée que lors- que la température des gaz d'échappement se situait en- tre 300 et 6000 C En dehors de ces températures des gaz d'échappement, qui ont été déterminées par une sonde thermique disposée directement en amont du catalyseur, aucune précipitation n'a ét é réalisé _ On a simulé un fonctionnement cyclique avec des phases d'arrêt, de ra- lenti, d'accélération et de circulation (conformément à la norme allemande DIN 70 030, partie 1, pour la déter- mination de la consommation urbaine, comme cela est éga- lement usuel dans le fonctionnement d'un véhicule automo- bile dans la pratique. Lors de l'utilisation du procédé conforme à 1 ' invention, après un laps de temps de temps de 50 h on n'a pratiquement encore pu déterminé aucune altéra- tion de l'action du catalyseur. Sans précipitation électrostatique, le cataly- seur était déjà fortement endommagé au bout de 10 h. Dans le cas d'unbranchement permanent du fil- tre électrostatique, comme cela est connu d'après 1 ' état de la technique, le rendement du filtre a dimi- nué fortement par suite de la surcharge des surfaces de précipitation au bout d'environ 15 h, ce qui est mis en évidence par une détérioration notable de la puissance du catalyseur. REVENDICATIONS 1 Procédé pour protéger des catalyseurs situés dans le courant des gaz d'échappement de moteursà allu- mage commandé vis-à-vis d'un empoisonnement dû au dépôt de substances polluantes, au moyen d'une séparation par précipitation électrostatique, caractérisé en ce que la précipitation électrostatique n'est Ééaliséeque pour des températures du courant des gaz d'échappement, pour lesquelles les particules de substances polluantes exer- cent une action nuisible sur le catalyseur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en dehors de la plage des températures nuisi- bles, les particules de substances polluantes séparées par précipitation sont éliminées par inversion de la polarité de l'électrode de précipitation. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce qu'aucune précipitation électrostatique n'est réalisée au-dessous d'une tempé- rature d'environ 200 'C.