Brevet FR2643113A1 — publié le 19900817

Cette invention concerne un dispositif pour enlever les matières en particules des gaz d'échappement et des gaz de carneaux. Plus precisément, elle concerne un système permettant d'éliminer ou au moins de diminuer de façon importante l'émission de particules dans -les gaz d'échappement de moteurs Diesel ou dans les gaz de carneaux, provenant de toutes les applications impliquant la combustion de gazole ou d'huiles plus lourdes, même en mélange avec des fractions aromaticues (installations de chauffage, génerateurs d'énergie portables, centrales thermiques, etc.) ou avec du charbon. Alors que pour des raisons de simplicité on se réfèrera principalement aux moteurs Diespl dans le reste de la description, il est évident que les points examinés et les conclusions tirées se réfèrent également aux autres applications et s'y adaptent aussi bien. La combustion des hydrocarbures, partant de molécules avec environ dix atomes de carbone ou de molécules aromatiques simples, donne naissance non seulement aux produits usuels de combustion comme CO, CO2 et H20, mais également à des produits comme des composés organiques non brûlés, de la suie et des oxydes d'azote. Ceci s'applique également à la combustion du charbon, au moins en ce qui concerne la suie. La composition des gaz d'échappement peut varier considérablement, selon la quantité d'air utilisée pour la combustion. Cependant, pour un bon rendement (par exemple pour obtenir suffisamment de puissance), le rapport air-combustible est fixe autour de certaines valeurs qui rendent difficile d'éviter l'émission de particules. Le phénomène est particulièrement évident pour l'observateur dans le cas des moteurs Diesel pour automobiles, qui sont ainsi accusés de provoquer une pollution importante et de nuire sérieusement à la santé publique. De manière générale, ces accusations sont peu fondées. En fait, par rapport aux moteurs à essence, les moteurs Diesel émettent de quatre à six fois moins d'oxyde de carbone (qui est un poison puissant car il bloque l'échange de l'oxygène dans le sang), environ la moitié d'hydrocarbures non brûlés (qui sont fortement cancérigènes) et environ la moitié des oxydes d'azote (Cui sont parmi les agents responsables des pluies acides). Cependant, les moteurs Diesel émettent quelque quarante fois plus de particules de carbone (qui à long terme peuvent provoquer des bronchites et d'autres maladies des poumons), ainsi que des oxydes de soufre (également responsables des pluies acides, mais qui pourraient être élimines si le combustible Diesel était desulfurise, comme l'est l'essence>. Il faut également observer que la suie adsorbe les hydrocarbures non brûlés et agit donc comme vecteur de ces agents cancérigènes. Pour résumer, il n'y a pas de doute que la suie émise par la combustion des gazoles, des fiouls, etc., est extrêmement déplaisante et que de telles émissions doivent donc être éliminées ou au moins grandement réduites. Une certaine diminution de la quantité de particules émise par la combustion d'hydrocarbures peut être obtenue en aJustant la combustion par des moyens électroniques. Cependant, cet ajustement ne réduira la quantité de particules que d'environ 20%, ce qui n'est pas suffisant pour une large variété d'applications. De nombreux efforts ont donc été faits pour tenter de résoudre ce problème. De nombreux brevets (par exemple, J63-232817, EP 283240 et 114696, US 4622810, 4604868 et 4571938, etc.) utilisent des filtres en céramique de diverses structures qui emprisonnent mécaniquement les particules et sont régénérés périodiquement, par exemple par combustion utilisant les gaz chauds produits par un brûleur spécial ou par un courant d'air préchauffé. Le filtre est souvent également impregné d'un catalyseur, généralement le platine, pour faciliter la combustion. De cette manière, la quantité de particules est nettement réduite. Cependant, la complexité des solutions adcztées à l'heure actuelle, le coût et la fragilité des filtres en céramique, et le coût et la détérioration des catalyseurs (due par exemple & l'empoisonnement) ont rendu l'utilisation de tels filtres peu économique, en particulier pour des véhicules. Le brevet US 4741746 suggère l'utilisation d'un précipitateur électrostatique avec effet corona pour faire précipiter les particules de carbone des gaz d'échappement de moteur Diesel. Le brevet US 4587808, qui concerne également les moteurs Diesel, prévoit l'utilisation d'un dissociateur moléculaire qui, avec une charge allant Jusqu'à 150 kV, provoque la dissociation des molécules de CO, COs et NO. et des hydrocarbures non brûlés en les éléments chimiques constitutifs, et l'élimination ultérieure des particules de carbone ainsi produites, ainsi que de celles déjà présentes dans le gaz d'échappement, & l'aide d'un séparateur électrostatique et d'un cyclone. Au congrès de Paris sur la pollution de l'air provoquée par les transports en 1987, il a cependant été indiqué que lorsque des systèmes dérivés des installations industrielles sont installés dans des voitures, leur efficacité est douteuse (commn dans le cas des cyclones) ou leur taille est excessive et leur complexité prohibitive (séparateurs électrostatiques), (cf. Pollution Atmosphérique, numéro spécial, Décembre 1987, pp 268-285). Il est évident d'après ce qui précède que, dans le cas d'applications de taille limitée (comme les moteurs Diesel pour automobiles, etc., ou les installations de chauffage domestique), les problèmes techniques et économiques liés à la réduction de la teneur en particules des gaz résultant de la combustion des hydrocarbures sont loin d'être résolus. Le but de cette invention est de supprimer les défauts inhérents aux systèmes d'élimination de particules existants, en fournissant un dispositif compact, peu coûteux et simple pour la réduction d'émissions de particules dans les gaz résultant de la combustion d'hydrocarbures. Selon cette invention, on introduit dans un tuyau d'echappement dans lequel circulent les produits de combustion d'hydrocarbures un dispositif d'enlèvement des narticules caractérisé par la combinaison des éléments suivants: - Un générateur haute tension à deux pâles - Plusieurs conducteurs alternativement reliés à l'un et l'autre des pâles - Un moyen pour introduire de l'air dans ledit tuyau en amont desdits conducteurs Un moyen de régulation du moyen d'introduction d'air. Lesdits conducteurs consistent chacun en une grille métallique conductrice placée à l'intérieur dudit tuyau perpendiculairement à la direction genérale d'écoulement desdits gaz d'échappement. La dimension de la grille (ou le pourcentage de la section droite totale des filaments formant la grille à la section droite du tuyau) doit être inférieure à 50% et de préférence inférieure à 35%, mais doit être supérieure à 10%. Ces valeurs sont dictées par le besoin d'un bon équilibre entre la nécessité de ne pas obstruer indûment la section du tuyau tout en ayant une surface suffisante couverte par la décharge électrique. Egalement encore, lesdits conducteurs peuvent consister en grilles et/ou plaques et/ou fils, disposés de façon à former des éléments plats ou des tubes parallèles à la direction générale de l'écoulement des gaz d'échappement. Dans ce cas, l'espace occupe par lesdits conducteurs, tel que défini précedemment, peut être inférieur à 35% et supérieur à 4%, tandis que la grille et/ou plaques et/ou fils peuvent être parallèles a l'axe dudit tuyau sur une longueur allant jusqu'à dix fois le diamètre du tuyau. Dans ces deux versions, lesdits conducteurs peuvent avoir des pointes faisant saillie à angle droit par rapport à leur surface. La tension d'alimentation aux conducteurs doit être telle qu'elle fournit un champ électrique compris entre et 98% de celui qui provoquerait une décharge dans les gaz à la température dé fonctionnement et dans les conditions de travail appropriées. Lesdits moyens pour introduire de l'air dans ledit tuyau consistent dans une conduite à soupape et une pompe. Ledit moyen pour commander le moyen d' introduction de l'air consiste en une sonde qui analyse les gaz d'échappement et transmet les résultats à un microprocesseur qui commande la pompe et la soupape de façon à introduire la quantité désirée d'air dans le tuyau en amont desdits conducteurs, La présente invention sera maintenant décrite plus en détail avec référence au dessin annexé qui l'illustre uniquement à titre d'exemple en ne limitant en aucune façon les revendications et la portée de l'invention: la figure i donne une représentation schématique générale, la figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation dans lequel les conducteurs sont placés parallèlement à la direction générale de l'écoulement de gaz, la figure 3 est une vue en perspective et en coupe d'un mode de réalisation dans lequel les conducteurs sont placés perpendiculairement à la direction générale de l'écoulement de gaz. Si l'on considere la figure Z, une conduite 2 est introduite dans un tuyau 1 transportant des gaz d'échappement. Ladite conduite est complétée par des conducteurs (non représentés) reliés par des câbles 4 et à un genérateur de tension 3. Un microprocesseur 9 traite les signaux relatifs à la composition du gaz analysé par la sonde 6 et commande la soupape 8 sur la conduite 7 reliée à la conduite 2, pour introduire dans cette dernière la quantité désirée d'air qui est amenee par la pompe 10. En fonctionnement, la sonde 6 analyse les gaz, en particulier en ce qui concerne leur teneur en CO, COm et 02. Les signaux sont envoyés au microprocesseur 9 qui, sur la base de programmes pré-établis et d'autres informations concernant la consommation spécifique de carburant, établit la quantité de substance non brûlée et de suie et donc la quantité d'air nécessaire pour 3 leur combustion et commande en conséquence la pompe 10 et la soupape 8. En méme temps, une tension élevée est établie entre les conducteurs par le générateur de tension 3. Quand le gaz circule entre les électrodes, la suie qu'il contient abaisse la constante diélectrique du système, provoquant la décharge d'une forte étincelle sur les particules de charbon, les rendant incandescentes de sorte qu'elles sont brûlées. L'enrichissement des gaz avec de l'air et la température élevée atteinte permettent à la majeure partie des particules de carbone d'être brûlées tout en assurant une production essentiellement de gaz carbonique. A cet égard, par exemple, la très faible teneur en monoxyde de carbone des gaz d'échappement de moteurs Diesel est maintenue et, dans certains cas, est mème diminuée. Deux modes de réalisation de l'invention sont illustrés sur les figures 2 et 3. Sur la figure 2, les conducteurs sous forme de plaques plates 12, 12' et 13, sont placés parallèlement a la direction génerale d'écoulement des gaz, de gauche a droite; les câbles 4 et 5 alimentent respectivement les plaques 12, 12' et 13, le câble 5 passant & travers la paroi de la conduite 2 par une section isolée il1. Les plaques peuvent comporter des pointes en saillie 14 pour aider a la formation de décharges électriques entre les particules de carbone et les plaques elles-mêmes. Sur la figure 3, les conducteurs, sous forme de grilles-circulaires 12, 12', 13 et 13', -sont places perpendiculairement a la direction générale de l'écoulement de gaz, étant alimentés par les câbles 4 et tout en étant isolés par des isolateurs 1l qui permettent également le passage des cables 4 et 5 & travers la paroi de la conduite 2. Bien évidemment, d'autres formes et dispositions de conducteurs 12 et 13 peuvent être utilisées sans s'éloigner de.la protection conférée par l'invention. La présente invention a été essayée sur le système d'échappement d'un ensemble moteur Diesel/générateur électrique avec un moteur de 3860cm3 et un générateur estimé à 40 kW à 1500 t/mn. On fait tourner le moteur 4 1400 t/mn pendant les essais. Les conducteurs, sous forme de grille comme dans la figure 3, étaient places a des distances de 3 cm. Le diametre des quatre paires de conducteurs ét.ait inférieur de 20% au diamètre interne du tuyau d'échappement. La tension entre les conducteurs d'une paire de conducteurs était comprise entre 50 et 65 kV. La quantité d'espace occupée transversalement par chaque grille, telle que définie precédemment, se montait à 22% des sections droites du tuyau. On a fait tourner le mateur pendant une heure dans chaque essai et l'on a fait fonctionner pendant des périodes fixes le dispositif d'enlèvement des particules. Simultanément, on a prélevé des échantillons des gaz d'échappement et on a fait passer les echantillons dans un filtre tare. Après passage d'un metre cube de gaz, on pèse à nouveau le filtre avec sa charge de particules. La quantité moyenne de particules contenues dans le gaz d'échappement qui n'était pas traite seion l'inventicn était de 17,2 mg/m3, la variance étant ccmprise entre -3 et +4 qg/m3. L'insertion des paires de grilles une par une entraîne une diminution de la teneur en particules des gaz traités, allant d'environ 15% (dans le cas d'une paire de grilles avec une tension de 52 kV) à environ % (avec quatre paires de grilles et une tension de kV). REVENDICATIONS 1.- Dispositif de réduction de la teneur en particules de gaz d'échappement dans un tuyau d'échappement, - caractérisé par la combinaison des éléments suivants: - Un générateur (3) haute tension a deux pôles - Une série de conducteurs d'introduction d'air. 2.- Dispositif de réduction de la teneur en particules dans les gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conducteurs sont chacun constitués par une grille métallique conductrice (12,12',13,13'-fig.3) placée a l'intérieur dudit tuyau (2) perpendiculairement à la direction générale d'écoulement desdits gaz d'échappement. 3.- Dispositif de réduction. de la teneur en particules selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre la superficie en coupe de chaque grille et celle de la section droite du tuyau (2) est inférieur & 50% et supérieur à 10%. 4.- Dispositif de réduction de la teneur en particules selon la revendication 3, caractérise en ce que ledit rapport est inférieur & 35%. 5.- Dispositif de réduction de la teneur en particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conducteurs sont sous forme de grilles et/ou plaques et/ou fils (12,12',13-fig.2) placés parallèlement à la direction générale d'écoulement deedits gaz d'échappement. 6.- Dispositif de réduction de la teneur en particules selon la revendication 3, caractérise en ce que le rapport entre la superficie en coupe totale desdits conducteurs et celle de la section droite dudlt tuyau (2) est comprise entre 35 et 4%, lesdits conducteurs s'étendant parallèlement a l'axe dudit tuyau (2) sur une longueur allant jusqu'a dix diametres ce tuyau. 7.- Dispositif de réduction de la teneur en particules selon la revendication 1, caractérise en ce que chacun desdits conducteurs possède un grand nombre de pointes faisant saillie (14). 8.- Dispositif de réduction de la teneur en particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit génerateur (3) haute tension alimente lesdits conducteurs pour former un champ electrique compris entre 50 et 98% de celui nécessaire pour provoquer une décharge entre les conducteurs dans les conditions de fonctionnement.