Brevet FR2571429A1 — publié le 19860411

Procédé pour éliminer la suie déposée sur un filtre des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et éléments pour l'exécution de ce procédé " L'invention concerne un procédé pour éliminer la suie déposée sur un filtre des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, en ajoutant des additifs pour abaisser la température.d'al- lumage pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne, notamment les moteurs Diesel produisent, notamment en charge, des quantités importantes de suie. Ceci se manifeste particulièrement dans les véhicules automobiles. En conséquence, on a déjà cherché de différentes façons à extraire par filtrage'la suie des gaz d'échappement et à régénérer le filtre en brûlant la suie. Cette combustion peut s'effectuer pendant le fonction- nement du moteur Diesel, car ces moteurs sont exploités avec un excès d'oxygène, de sorte qu'il reste toujours de l'oxy- gène en quantité encore suffisante dans les gaz d'échappe- ment pour la combustion. Dans des conditions de fonctionnement particulières, la température des gaz d'échappement peut aussi se situer à un niveau suffisamment élevé pour que la combustion d'une couche de suie déposée surgle filtre soit automatiquement mise en route, avant que le filtre soit encrassé. De telles conditions de fonctionnement ne sont toutefois fréquemment pas souhaitables et dépendent égale- ment du hasard. En conséquence, on a été conduit, à cet effet, à amorcer sciemment la combustion de la couche de suie 2S71429 sur le filtre des gaz d'échappement, notamment lorsque la résistance du passage du filtre s'est accrue jusqu'à une valeur prédéterminée. On se reportera ici en particulier au document DE-A 30 07 642, dans lequel un filtre a été décrit, au document DE-A 30 24 539, dans lequel l'amorçage de la combustion est assuré à l'aide de micro-ondes, au document DE-A 31 11 228 par lequel il est connu d'abaisser la tempé- rature d'allumage à l'aide de chlorure cuivreux jouant le rôle d'éliminateur de suie avec des propriétés catalytiques. Dans la demande de brevet non publiée P 33 25 391.9, il est, en outre, proposé d'ajouter en plus du chlorure cuivreux, à la suie déposée sur le filtre, du nitrate d'ammonium, grâce à quoi la température d'amorçage du processus de combustion peut être encore abaissée, et ce, en fait, à une température des gaz d'échappement d'environ 280 C. Mais cette température est fréquemment encore trop élevée. I1 s'est, en outre, avéré que le chlorure cuivreux qui se dépose sous forme d'oxyde de cuivre sur le filtre fibreux peut se traduire, avec une très longue durée de fonctionnement, par un amoindrissement de la perméabilité du filtre. L'invention a pour but de créer la possibilité d'obtenir un amorçage sûr et sans problème du nettoyage du filtre par combustion sans que le filtre lui-même subisse de ce fait des altérations. Ce but est atteint, conformément à l'invention, en ce que l'allumage est provoqué par addition d'au moins un agent d'oxydation et/ou qu'une pluralité de particules d'au moins une substance combustible est amenée à l'incan- descence ou à la combustion, ces particules étant amenées sur le filtre par le courant des gaz d'échappement. Conformément à l'invention, on procède de façon à créer les conditions amorçant l'allumage de la suie sur le filtre en plusieurs points, ou en une pluralité d'emplacements séparés, à partir-desquels le front de combustion s'étend toujours davantage à l'aide de l'oxygène normalement contenu dans les gaz d'échappement, Jusqu'à ce qu'en pratique, la totalité du filtre soit nettoyée par combustion. Cela signi- fie que l'on peut renoncer à un échauffement de l'ensemble des gaz d'échappement ou bien de l'ensemble du carter du filtre jusqu'à obtenir la température d'allumage. Au con- traire, on produit sur le filtre lui- même de nombreux points de combustion ou bien des germes de combustion préalablement produits sont implantés dans la couche de suie du filtre et s'y étendent ensuite. I1 y a là une différence essentielle par rapport au procédé connu par le document DE-A 28 15 365 dans lequel un gaz inflammable introduit dans une chambre de combustion est échauffé périodiquement et chauffe les gaz d'échappement jusqu'à l'obtention de la température d'allu- mage. On produit de préférence suffisamment de- germes de combustion ou de points de combustion pour que, statisti- quement parlant, 1 à 500, notamment 5 à 100, germes de com- bustion par décimètre carré arrivent sur la surface du filtre. Même si certains d'entre eux s'éteignent, leur nombre reste encore suffisamment important pour amorcer le nettoyage du filtre par combustion. Les germes ou les points de combustion peuvent être ponctuels ou groupés sous forme de surfaces, selon que les additifs sont déposés sur le filtre de façon finement dispersee ou en portions relativement plus impor- tantes. Les germes de combustion sont notamment obtenus en faisant arriver le produit d'oxydation- en tant que tel sur la- surface de la suie du filtre et amorce la combustion de la suie au point d'impact. Mais des substances combusti- bles, éventuellement surdosées, en suspension dans les gaz d'échappement, peuvent aussi être allumées à l'aide de l'agent d'oxydation avant qu'elles aient atteint le filtre et arriver ensuite en combustion sur la surface de la suie. Par contre, le nitrate d'ammonium de l'ancienne demande de brevet non publiée, ne peut pas être considéré au sens propre comme un agent d'oxydation. L'agent d'oxydation, notamment l'ensemble des additifs, mis en oeuvre conformément à l'invention, sont de préférence des produits sans résidu, c'est-à-dire qui donnent exclusivement naissance à des produits de combustion volatils. Le produit d'oxydation et la substance combustible sont de préférence ajoutés simultanément, notamment en commun, c'est-àdire en étant mélangés ensemble. Cette adjonction s'effectue de préférence sous une forme finement dispersée. Favorisée, en outre par la turbulence des gaz d'échappement, dans le carter du filtre, une bonne répartition des points de combustion est ainsi obtenue, tout au long du filtre. Le filtre est de préférence un filtre fibreux enroulé en forme de tube de type connu. Le dosage du produit d'oxydation et/ou de la substance combustible peut s'effectuer en direction du filtre ou des filtres de façon à augmenter, si on le souhaite, le taux d'impact des différentes particules sur la surface du filtre dans une période de temps déterminée. Une fine répar- tition du produit d'oxydation et/ou de la substance combus- tible peut s'effectuer à l'aide d'une pulvérisation sous pression avec ou sans air supplémentaire. L'adjonction de la substance combustible et notamment du produit d'oxydation s'effectue de façon particulièrement avantageuse en présence d'eau. A cet effet, les substances peuvent être dispersées dans l'eau et de préférence y être dissoutes. On utilise en conséquence, de façon particulièrement avantageuse, des pro- duits d'oxydation ou des substances combustibles solubles dans l'eau. Le dosage dans l'eau est sans problème. I1 en va de même pour la conservation des substances d'addition en milieu aqueux. Les concentrations des susbstances solubles dans l'eau peuvent alors--être réglées de façon que le point de congélation, comme également le point d'ébullition, se situent en dehors des zones de température se présentant habituellement. Selon une forme de réalisation de l'invention, 2r71429 les particules de suie qui sont en suspension dans les gaz d'échappement, sont allumées par l'adjonction de l'agent d'oxydation avant qu'elles aient atteint le filtre et elles agissent ainsi de leur c8té comme germes de combustion. Ce processus peut, en outre, être envisagé pour obtenir une combustion contrô6lée des substances combustibles ajoutées à l'aide du produit d'oxydation. Les agents d'oxydation sont notamment ceux qui, aux températures considérées, ont une action oxydante supé- rieure à celle de l'oxygène. On peut utiliser des agents d'oxydation variés, les produits d'oxydation liquides ou solubles dans l'eau étant préférés. Les composés per, comme le peroxyde d'hydro- gène et notamment les peracides et, parmi eux, l'acide per- chlorique et ses combinaisons, conviennent particulièrement. En mélange avec l'acide perchlorique, les perchlorates des métaux qui présentent des propriétés catalytiques pour la combustion de la couche de suie conviennent particulièrement, notamment le perchlorate de cuivre. Le cuivre, qui peut également être ajouté sous la forme d'un autre composé, est alors dosé en quantité de façon à compenser la consommation du cuivre déjà contenu sur le filtre, aucun surdosage n'étant ainsi atteint. Il a été notamment constaté que les composés de cuivre ont un effet favorable en premier lieu pour la combustion de la suie après que l'allumage a été effectué et que l'allumage par le produit d'oxydation et/ou les germes en combustion ou bien en incandescence peut être obtenu. La substance combustible est,. de préférence, de type organique. I1 s'est avéré que des composés organiques liquides et des composés organiques solides notamment solu- bles dans l'eau, conviennent particulièrement, notamment des alcools mono ou polyvalents, des cétones, des hydroxyalcools, des acides carboxyliques mono ou polyvalents ainsi que des acides hydroxycarboxyliques, respectivement avec 3 à 15, notamment 3 à 10 atomes de carbone. On préfère, particulière- ment, les substances organiques solides, combustibles qui se décomposent par chauffage en formant des produits solides-. Des ces substances font partie notamment les hydrates de carbone, notamment les sucres, o l'on préférera à nouveau ceux qui sont très solubles dans l'eau. Utilisées en solution aqueuse, l'acide perchlo- rique et éventuellement les perchlorates ainsi que la substance combustible peuvent etre mis en oeuvre sans danger sous la forme d'une solution commune et être manipulés facilement. Le produit d'oxydation et la substance combusti- ble peuvent être mis en oeuvre en quantité stoechiomètrique. On peut également opérer avec un exces de produit d'oxydation allant jusqu'à 100 %. Par adjonction simultanée d'acide perchlorique et de sucre de canne, on obtient des résultats particulière- ment bons lorsqu'on opère avec 1 à 4 molécules/gramme d'acide perchlorique par molécule/gramme de sucre ou de préférence avec 2 à 3 molécules/gramme d'acide perchlorique par molécule/ gramme de sucre. La quantité totale de produit d'oxydation mise en oeuvre dépend en premier lieu de la surface du filtre, c'est-à-dire en règle générale du nombre et de la dimension des bougies filtrantes, et elle peut varier dans une large étendue. Normalement, des quantités de 0,1 à 1 gramme de produit d'oxydation pour 100 cm de surface de filtre suffi- sent pour l'amorçage de l'opération de combustion. Des résul- tats particulièrement bons sont obtenus lorsque le produit d'oxydation, la substance combustible, le catalyseur, notam- ment un composé du cuivre, et un composé chloré, sont présents en étant mélangés entre-eux. En conséquence, il est de pré- férence prévu au moins un additif, notamment le produit d'oxydation et/ou le composé du cuivre, un composé chloré qui, avantageusement, est au moins partiellement volatil. Lorsqu'on opère en solution aqueuse, la concen- 7 1429 tration dépend principalement de la possibilité de manipula- tion et de la stabilité thermique du mélange. Si l'on utilise comme produit d'oxydation, l'acide perchlorique, celui-ci est présent en règle générale dans la solution de dosage à une concentration de 20 à environ 70 % en poids, notamment de 40 à 70 % en poids. Un agent, ainsi que son utilisation, pour l'amor- çage de la combustion de la suie sur des filtres à gaz d'échappement constituent en outre des objets de l'invention. D'autres caractéristiques de l'invention décou- lent de la description ci-après de formes de réalisation pré- férées. Les différentes caractéristiques peuvent être utili- sées soit isolément, soit en oombinaison les unes avec les autres. EXEMPLE 1 Dans le système des gaz d'échappement d'un moteur Diesel de 70 chevaux, se trouve un carter de filtre avec 12 filtres tubulaires à lit profond en fibres minérales, qui sont 'traversés par les gaz d'échappement du moteur. Ces filtres portent sur leurs surfaces un précipité d'oxyde de cuivre. Dans un réservoir se trouve une solution aqueuse à 60 % en poids d'acide perchlorique. Après qu'à la suite d'un fonctionnement de 1 à 2 heures du moteur, la résistance de passage du filtre se soit accrue par dép6t de suie à une valeur prédéterminée de 150 mbar, 20 ml environ de la solu- tion d'acide perchlorique sont pulvérisés sous pression par l'intermédiaire de plusieurs buses dans le carter du filtre en direction des bougies filtrantes. Il se forme dans ces bougies en de nombreux points des cavités incandescentes qui -s'élargissent en quelques secondes et qui aboutissent à un nettoyage par combustion du filtre. Des recherches ont montré qu'un démarrage sûr de la combustion est obtenu, pour des températures de gaz d'échappement d'environ 200 C. EXEMPLE 2 On répète l'exemple 1 en utilisant au lieu de la solution pure d'acide perchlorique, une solution de 1 par- tie en poids d'acide perchlorique (à 60 %) et de 1 partie en poids de sucre de canne (à 40 %). La solution est ici diluée jusqu'à ce que la concentration en acide perchlorique se situe à environ 25 % en poids. La solution contient, en outre % en poids de perchlorate de cuivre. Apres la pulvérisa- tion de la solution, il se forme une violente pluie d'étin- celles qui est déposée par le courant de gaz d'échappement sur la couche de suie du filtre et y engendre un grand nombre de points de combustion selon une répartition en pratique uniforme. Même après de nombreuses répétitions du cycle, l'allumage et la combustion de la couche de suie se déroulent de façon sûre. EXEMPLE 3 Selon la même mise en oeuvre et le même dérou- lement que dans l'exemple 2, on utilise au lieu de sucre de canne de la glycérine avec la même proportion en poids. Dans ce cas, également, on obtient un allumage et une combustion surs de la couche de suie déposée. EXEMPLE 4 En répétant l'exemple 1, on introduit 20 ml d'une solution aqueuse de perchlorate de cuivre à 50 % en poids au lieu de la solution pure d'acide perchlorique. Sur la surface des bougies filtrantes revêtues de suie, il se produit en de nombreux points, un effet d'allumage net qui a pour conséquence une combustion sûre de la couche de suie. EXEMPLE 5 - En partant du moteur et de l'installation de filtres des gaz d'échappement de l'exemple 1, lorsque la résistance de passage prédéfinie de 150 mbar des bougies de filtrage est atteinte, 20 ml environ d'une solution aqueuse de 40 % en poids de sucre avec environ 5 ml d'une solution aqueuse de 30 % en poids de chlorure cuivrique sont pulvérisés 7 1429 en amont des bougies de filtrage dans le carter de filtres des gaz d'échappement. Il n'apparaît tout d'abord aucune réaction. Au bout de quelques secondes, au cours desquelles l'eau vaporisée s'évapore, environ 20 ml d'une solution aqueuse de 60 % en poids de peroxyde d'hydrogène sont pulvé- rises par des buses dans le carter du filtre. Immédiatement de nombreuses cavites incandescentes prennent naissance sur les bougies de filtration et la couche de suie se consume. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé pour éliminer la suie déposée sur un filtre des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, en ajoutant des ad- ditifs pour abaisser la température d'allumage pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, procédé carac- térisé en ce que l'allumage est provoqué par addition d'au moins un agent d'oxydation et/ou qu'une pluralité de parti- cules d'au moins une substance combustible est amenée à l'incandescence ou à la combustion, ces particules étant envoyées sur le filtre par le courant des gaz d'échappement. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est ajouté, simultanément, et notamment en commun avec l'agent d'oxydation, au moins une substance combustible. 3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que cette adjonction s'effec- tue dans le carter du filtre, notamment en direction du filtre. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 0 3, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation et/ou la substance combustible sont ajoutés en étant finement divisés. ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les particules de la sub- stance combustible sont allumées par l'agent d'oxydation avant qu'elles atteignent le filtre. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation et/ou la susbstance combustible sont ajoutés sous une forme soluble dans l'eau. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation et/ou la substance combustible s.ont ajoutés en solution aqueuse ou dans une dispersion. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que des particules de suie en suspension dans les gaz d'échappement sont allumées par le produit d'oxydation et sont déposées à l'état incandescent sur le filtre. 9 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation est un composé per, et notamment un peracide. ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que-l'agent d'oxydation est l'acide perchlorique et/ou une combistion de celui-ci. 11 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce que la combustion de la suie s'effectue de façon connue en présence d'un catalyseur, et en ce que le catalyseur, revêtant la forme d'un sel de peracide est complété par un métal présentant des propriétés catalyti- ques, notamment le perchlorate de cuivre. 12 ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que, comme substance combusti- ble, on utilise une substance solide organique, notamment une substance organique qui ne se vaporise pas à la température de gaz d'échappement, de préférence à la température de com- bustion. 13 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, comme substance combustible, on utilise un- hydrate de carbone, notamment un sucre. 14 ) Procédé selon la revendicaton 1, caractérisé en ce qu'on utilise un produit d'oxydation, notamment en solu- tion aqueuse, pour l'allumage d'une couche de suie déposée sur un filter de gaz d'échappement. ) Eléments pour provoquer la combustion de la suie sur un filtre de gaz d'échappement dans le courant des gaz 30. d'échappement, caractérisés en ce qu'ils comprennent au moins un agent d'oxydation, au moins une substance combustible suscep- tible de s'enflammer à la température des gaz d'échappement en présence de l'agent d'oxydation, et éventuellement au moins un catalyseur facilitant la combustion de la suite.