Brevet FR2795130A1 — publié le 20001222

La consommation générale d'énergie d'origine fossile par l'automobile est en croissance constante, malgré quelques ralentissements conjoncturels de cette croissance consécutifs aux crises pétrolières de 1973 et 1979 notamment. A ce jour la consommation mondiale de pétrole conduit au rejet dans l'atmosphère de l'ordre de 6,5 milliards de tonnes de carbone par an sous diverses formes. Les principaux rejets sont constitués de gaz carbonique, monoxyde de carbone, soufre, azote, hydrocarbures imbrûlés, dérivés de plomb pouvant se présenter sous forme de gaz et/ou de micro particules. On estime que la part des gaz représente 90 % de la masse globale des polluants rejetés, les particules en représentant 10%. Les effets nocifs de ces rejets peuvent se répandre sur des zones éloignées de leurs lieux de production sous l'effet des vents et courants atmosphériques, y compris en haute altitude. Certaines micro particules ont un diamètre inférieur au dixième de micron ce qui les rend insédimentables, c'est à dire incapables de se déposer au sol sous l'effet de la gravitation. Ce type de particules est, de plus, particulièrement dangereux pour la santé humaine car susceptible de pénétrer directement dans les alvéoles pulmonaires. Les conséquences de cette pollution représentent un coût considérable, bien que difficile à quantifier de manière précise car les études dans ce domaine sont encore trop rares. Une étude réalisée récemment évalue les coûts induits annuellement par les seules pollutions d'origine aérienne sur l'économie allemande au minimum à 35 milliards d'Euros. L'extension rapide observée ces dernières années du parc de véhicules à moteur de type diesel au niveau du marché grand public, parc confiné auparavant aux véhicules professionnels, a engendré une nouvelle source de pollution. Ce type de véhicules a en effet la particularité de rejeter dans l'atmosphère des particules fines que les techniques actuelles ne permettent pas de filtrer efficacement. En particulier le pot dit catalytique ne peut être utilisé pour un moteur de type diesel. Face à cette pollution on constate une sensibilisation croissante des Etats et de la population dans les pays industrialisés pour améliorer la qualité de la vie, ainsi qu'une prise de conscience qu'il est préférable de prevenir la pollution plutôt que de combattre ses effets. Différents décrets et lois destinés à limiter la pollution atmosphérique ont ainsi déjà été promulgués par les Etats individuellement ou de manière multinationale. Plus particulièrement, en ce qui concerne les pots d'échappement, divers procédés et dispositifs ont été conçus pour diminuer les nuisances liées aux moteurs thermiques, telles que le bruit, l'émission de gaz toxiques ou l'émission de particules et graisses. Parmi les techniques traditionnelles utilisées ont peut citer : . la technique la plus ancienne selon laquelle les gaz issus de la chambre de combustion du moteur passent par une succession de chicanes et de filtres mécaniques constitués de simples barrières perforées. Les pots d'échappements à chicanes simples et barrières perforées ont pour intérêt principal une grande simplicité de réalisation industrielle, donc un faible coût de production, mais ils sont quasiment transparents aux gaz toxiques, particules et graisses issus de la combustion qui se trouvent rejetés intégralement dans l'atmosphère. Cette technique à pour principal intérêt de limiter le niveau des nuisances sonores à moindre coût, la technique mise en ceuvre par les pots dit catalytiques dans lesquels une partie du monoxyde de carbone, gaz toxique, est transformée en dioxyde de carbone, vulgairement appelé gaz carbonique, moins toxique. Cette transformation se produit par une réactior chimique à haute température entre le monoxyde de carbonE et certains types de métaux, tels que le Cobalt ou lE: Platine, intégrés dans le pot. Dans les pots catalytique#E actuellement utilisés les gaz d'échappement sont pai ailleurs généralement amenés à traverser des micrc perforations destinées à retenir les particules et graisses. Les pots catalytiques permettent donc dE diminuer à la fois la quantité de monoxyde de carbone et la quantité de particules et graisses rejetées dan,# l'atmosphère, mais ils présentent les inconvénientf suivants: ils sont coûteux, principalement à cause de l'utilisation de métaux rares, - ils sont inefficaces à froid, en particulier dans le cas très courant des véhicules automobiles ne réalisant que de courts trajets en ville, - ils deviennent inefficaces après quelques dizaines de milliers de kilomètres parcourus pour cause d'obturation des micro perforations par les particules et graisses accumulées, - ils ne sont pas utilisables dans le cas des moteurs diesel à cause du niveau élevé de particules et graisses émises par ce type de moteurs qui conduirait à une obturation très rapide des micro perforations. Face aux inconvénients présentés par les techniques traditionnelles, de nouvelles techniques sont envisagées, par exemple celles qui consistent à brûler les graisses et particules à très haute température afin d'empêcher toute obturation des micro perforations par accumulation. Parmi ces techniques envisagées on peut citer : . celles réalisant un brûlage de manière continue au fur et à mesure du passage du gaz. Le brûlage des particules et graisse au fur et à mesure du passage du gaz présente l'inconvénient de conduire à une grande complexité de conception et, surtout, nécessite la dépense d'une énergie démesurée compte tenu de la nécessité de faire monter la température du gaz de 700'C environ, qui correspond à la température en sortie de la chambre de combustion, à plus de 10000C environ, et ce avec un débit dépassant largement le mètre cube par minute, . celle prévoyant un brûlage de manière épisodique par l'injection de temps à autre, en entrée du pot d'échappement et durant le fonctionnement normal du moteur, d'un combustible spécialement choisi permettant de faire monter la température du gaz vers celle nécessaire au brûlage des particules et graisses. Cette technique de brûlage épisodique par injection d'un combustible spécial présente d'une part l'inconvénient d'une grande complexité de conception pour pouvoir injecter en toute sécurité sous pression et à la température d'environ 700'C un produit hautement inflammable, d'autre part l'inconvénient de devoir organiser l'approvisionnement à grande échelle et le stockage à bord des véhicules d'un nouveau produit, susceptible d'inflammation de surcroît, - celles prévoyant un brûlage épisodique au moyen d'un courant électrique chauffant un treillis ou une feuille métallique, comme décrits par les documents EP682174, W095/6803, W092/17691 ou EP632188. Ces dispositifs de l'art antérieur sont relativement coûteux car ils sont de conceptions complexes et/ou font appel à des moyens de filtrage composés de matériaux manufacturés ainsi qu'à des moyens de contrôles électroniques, voire des moyens de ventilation. L'invention objet du présent document porte sur un dispositif destiné à être intégré dans un pot d'échappement présentant de nombreux avantages par rapport aux techniques connues. Elle permet de réaliser des pots d'échappement présentant principalement les caractéristiques suivantes : . un faible coût de production industrielle grâce à une conception mécanique simple et l'utilisation de matériaux naturels courants, . une bonne efficacité de diminution de la quantité de gaz toxiques, tels que le monoxyde de carbone, rejetés dans l'atmosphère, y compris lorsque le moteur est encore froid, grâce notamment à l'utilisation des pouvoirs catalyseurs du calcaire, . la capacité d'éviter en quasi totalité l'émission de particules et graisses dans l'atmosphère grâce à : - la capacité de brûler une grande partie des particules et graisses durant le fonctionnement normal du moteur, - la capacité de brûler périodiquement par chauffage électrique les particules et graisses résiduelles accumulées. Le dispositif selon l'invention retient provisoirement les particules et graisses résiduelles non brûlées durant le fonctionnement normal du moteur, particules et graisses qui sont brûlées de temps en temps, par exemple une fois par mois, au moyen d'une opération de pyrolyse électrique, afin d'éviter les problèmes d'obturation par accumulation tels que ceux constatés avec les pots catalytiques traditionnels. Selon une conception générale de l'invention illustrée par la figure 1 celle-ci est constituée d'une enveloppe d'ensemble (1), d'un tuyau d'arrivée des gaz (2) en provenance de la chambre de combustion, d'un tuyau de sortie des gaz (3) vers l'atmosphère, d'une unité (4) de piégeage des particules et graisses comprenant une enveloppe (5), deux barrières de micro filtration (6a et 6b), une résistance électrique (11) isolée électriquement de l'enveloppe (5) destinée à permettre de chauffer l'unité de piégeage (4) sous l'effet d'un courant électrique, des pierres (7) destinées à dégrader ou retenir les particules et graisses, d'une chambre de décompression (8), de pierres (9) destinées à transformer une partie du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, d'une barrière de maintien mécanique perforée (10), de manière optionnelle d'un bouchon de vidage des cendres (12). Selon un mode de réalisation de l'invention l'enveloppe (1), les tuyaux (2) et (3) et la barrière de maintien perforée (10) sont réalisés en acier d'un type classiquement utilisé pour réaliser les pots d' échappement, l'enveloppe (5) et les barrières de micro filtration (6a et 6b) sont réalisées en acier spécial non sujet à oxydation aux hautes températures nécessaires au brûlage des particules et graisses, crest à dire vers 10000C, la résistance électrique (11) est réalisée en tungstène, les pierres (7) sont constituées de pierres de lave poreuses ce qui permet d'assurer un filtrage de haute performance compte tenu des caractéristiques de ce type de matériaux. Ces pierres (7) ont une dimension de l'ordre de 1 à 3 centimètres de diamètre, les pierres (9) sont réalisées en calcaire naturel et ont une dimension de l'ordre de 3 à 5 centimètres de diamètre, l'isolation de la résistance (11) est réalisée au moyen d'un fourreau en céramique ou en pierre volcanique. Cette résistance peut être placée autour de l'unité de piégeage (4) comme illustré par la figure 1 ou prendre la forme d'un thermo-plongeur inséré dans l'unité de piégeage (4) comme illustré par la figure 2. Le fonctionnement de l'invention en référence à la figure 1 est le suivant : Les gaz en provenance de la chambre de combustion traversent dans un premier temps l'unité de piégeage des particules (4) donc les barrières de micro filtration (6a et 6b) ainsi que les pierres de lave(7) sur lesquelles se trouvent retenues la plupart des particules et graisses. Ces particules et graisses sont ou seront en partie dégradées durant le fonctionnement normal du moteur lorsque celui-ci fonctionne ou fonctionnera à chaud, conduisant à une température des gaz vers 7000C. Après avoir traversé l'unité de piégeage des particules (4), les gaz traversent la zone où se trouvent les pierres (9). Au contact de celles-ci, une réaction de type essentiellement catalytique se produit ayant pour effet de transformer une grande partie du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone. La présence du piège à particules (4) en amont de la zone de traitement des gaz contenant les pierres (9) permet une plus grande efficacité de celles- ci, le gaz à leur contact ayant été préalablement apuré en particules et graisses. Les gaz sont ensuite émis en direction de l'atmosphère extérieure. De manière périodique, par exemple une fois par mois ou à l'issue d'un kilométrage prédéfini, un brûlage des particules et graisses résiduelles accumulées dans le piège à particule (4) est réalisé par procédé de type pyrolyse. Pour cela, une tension fournie par une source d'alimentation externe est appliquée à la résistance (11) de manière à effectuer un chauffage des barrières de micro filtration (6a et 6b) et des pierres (7) jusqu'à atteindre une température de l"ordre de 10000C où se produit une dégradation quasi complète desdites particules et graisses, c'est à dire une transformation de celles-ci en gaz, laissant à l'issue uniquement une petite quantité de cendre dans le piège à particules. Les gaz issus de ce brûlage sont émis vers l'atmosphère, éventuellement avec l'aide du moteur mis en route en fin d'opération. Ces gaz issus du brûlage sont par ailleurs traités par les pierres (9) dont l'efficacité est d'autant meilleure que les gaz sont extrêmement chauds. En fonction du mode de réalisation choisi pour l'invention, Iropération de pyrolyse périodique pourra soit être réalisée en tout lieu disposant d'une source dralimentation électrique soit, au contraire, en des lieux spécialisés équipés de manière à assurer l'opération dans des conditions particulières de sécurité. Le brûlage en des lieux spécialisés permettrait par ailleurs de limiter les nuisances dues à des mauvaises odeurs lors du brûlage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le véhicule est pourvu d'une batterie éventuellement dédiée conçue pour fournir l'énergie électrique nécessaire aux opérations périodiques de brûlage. Le dispositif selon l'invention peut dans ce cas être conçu pour permettre le chauffage des pierres de lave (7) en ' préalable à la mise en route du moteur, afin d'éviter la faible efficacité à froid des pierres de lave (7) et des pierres en calcaire(9). Selon une forme de réalisation élaborée de l'invention, les pierres (9), se présentant par exemple sous forme de boules, sont marquées d'encoches destinées à augmenter la surface d'échange entre les pierres (9) et les gaz. Les diamètres des pierres (9) peuvent de plus être choisis évoluant dans le sens du trajet des gaz. Selon une autre forme de réalisation élaborée de l'invention l'enveloppe d'ensemble (1) est isolée de Irenvironnement extérieur au moyen par exemple d'une laine de roche ou d'un matériau de type réfractaire placé au voisinage de la zone où se situe le piège à particules (4). Cette isolation à pour finalité d'une part de minimiser les déperditions de chaleur lors des opérations de brûlage, d'autre part d'éviter de soumettre l'environnement situé à proximité du pot d'échappement à une température élevée donc susceptible de présenter un danger. Selon une autre forme de réalisation élaborée de l'invention un bouchon amovible (12) se présentant sous la forme d'une vis est placé par exemple au niveau du fond de la chambre de décompression. Ce bouchon est destiné à permettre d'évacuer les cendres résiduelles accumulées à l'issue d'une ou plusieurs opérations de brûlage. Selon une forme de réalisation simple de l'invention celle-ci n'intègre pas d'unité spécifique dédiée au piégeage des particules et graisses, les particules et graisses étant alors retenues uniquement par les barrières de micro filtrations (6a et 6b) et par les pierres (9), et les opérations de brûlages périodiques étant appliquées à l'ensemble de ces barrières (6a et 6b) et pierres (9). REVENDICATIONS 1. Dispositif de diminution de la pollution due aux gaz d'échappement destiné à être intégré dans un pot d'échappement de véhicule à moteur thermique caractérisé en ce qu'il comprend : . des barrières micro perforées métalliques (6a et 6b) et des pierres de lave poreuses (7) destinées, durant le fonctionnement normal du moteur, à retenir et à dégrader partiellement les particules et graisses présentes dans le gaz d'échappement ; . des moyens permettant de brûler périodiquement, hors fonctionnement du moteur, les particules et graisses non dégradées accumulées dans les barrières de micro filtration (6a et 6b) et les pierres de lave poreuses (7), le chauffage nécessaire étant réalisé au moyen d'un courant électrique traversant une résistance (11) ; . des pierres en calcaire (9) placées en aval des barrières micro perforées métalliques (6a et 6b) et des pierres de lave poreuses (7) destinées à diminuer la quantité de monoxyde de carbone par transformation chimique d'une partie de celui-ci en dioxyde de carbone, l'efficacité de cette transformation étant maintenue dans la durée grâce à l'épuration préalable du gaz en particules et graisses ci-dessus indiquée. 2. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pierres en calcaire (9) sont marquées d'encoches ou autres marques dans le but d'augmenter la surface d'échange entre ces pierres et les gaz. 3. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diamètre des pierres en calcaire (9) évolue-de manière croissante dans le sens du trajet des gaz. 4. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie nécessaire au brûlage périodique est fournie à la résistance (11) par une source d'alimentation électrique externe au véhicule. 5. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie nécessaire au brûlage périodique est fournie à la résistance (11) par une source d'alimentation électrique intégrée au véhicule. 6. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 5 caractérisé en ce que la résistance (11) permet, en plus des brûlages périodiques, de préchauffer les pierres de lave (7) et les barrières micro perforées (6a et 6b) en préalable à la mise en route normale du moteur afin d'éviter la faible efficacité que présentent des pierres de lave (7) froides pour retenir et dégrader les particules et graisses, ainsi que la faible efficacité que présentent des pierres calcaires (9) froides pour transformer le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone. 7. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que la résistance (11) est conçue de manière à amener la chaleur directement au c#ur de la zone où se trouvent les pierres de lave (7). 8. Dispositif de diminution de la pollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que la résistance (11) #uvre simultanément au c#ur de la zone où se trouvent les pierres de lave (7) et sur sa périphérie.