Brevet FR2789119A1 — publié le 20000804

Le monde entier cherche à éliminer la pollution atmosphérique d'origine automobile. Le catalyseur " 3 voies" n'a apporté ici qu'une solution imparfaite, mais qui peut être améliorée, Voici comment: Dans le brevet français N 98.10515, déposé le 18 août 1998 au nom de l'inventeur des présentes, nous avons décrit un procédé d'épuration des gaz d'échappe- ment des véhicules à moteur, consistant à mettre ces gaz en contact avec du carbonate de calcium (CaCO3). Puis faisant application de ce procédé, nous avons, dans le brevet français N 98.14021 déposé, le 6 novembre 1998, toujours au nom de l'inventeur des pré- sentes, décrit un épurateur des gaz d'échappement des véhicules à moteur à base de carbonate de calcium pul- vérisé (CaC03). Ce faisant, nous visions à neutraliser après coup, la pollution engendrée par les véhicules qui s'avèrent être polluants après usage. Présentement, nous envisageons de neutraliser la pollution (atmosphérique en particulier) engendrée par les véhicules neufs sortant d'usine; autrement dit de compléter l'épuration des gaz d'échappement concomitam- ment avec l'épuration effectuée par le pot catalytique. Il s'aqit d'une épuration simultanée et complémentaire à base de carbonate de calcium pulvérisé. C'est un procédé qui concerne plus précisémment la fabrication des véhicules équipés de moteur à explo- s ions. Ceci dit, il convient de rappeler que le pot cataly- tique, tel qu'il est fabriqué actuellement pour équiper les véhicules à moteur, est le résultat d'une technique élaborée année après année. Succinctement, nous rappellerons que la catalyse des gaz d'échappement des moteurs à explosions a été progres- sivement améliorée: - une voie: réduction des oxydes d'azote: NO - deux voies: " des oxydes de carbone:CO et d'azote: NO(double catalyse) - trois voies: élimination simultanée de CO,NO et HC (hydrocarbures imbrulés associés à des oxydes métal- liques) avec,toutefois, la nécessité d'un contrôle permanent pour éviter tantôt l'excès d'air, tantôt l'excès de carburant, si l'on ne veut pas voir diminuer l'efficacité du catalyseur. Il ne peut être question de modifier la catalyse "3 voies", c'est-à-dire modifier le pot catalytique dont sont équipés actuellement les véhicules à moteur sortant d'usine. La présente invention conserve le pot catalytique tel qu'il est. Mais, tel qu'il est, même avec élimina- tion simultanée de CO,NO,et HC, le pot catalytique engendre une pollution atmosphérique qui devient inquié- tante, surtout dans les villes: à telle enseigne qu'en France, à l'aube de l'année 1999, Le Gouvernement, envisageant, les années à venir la construction des véhicules à moteur fonctionnant aux hydrocarbures (essence et gas-oil), préconise la crois- sance Zéro. à telle enseigne encore que les Gouvernements de plusieurs pays en sont réduits à limiter la circulation des véhicules équipés de moteurs à explosions dans des villes réputées très polluantes comme Mexico, Jakarta, Téhéran, Rome (pour ne citer que celles-ci). Il convient, dès lors, d'examiner de quelle façon, en conservant la catalyse 3-voies, il serait possible de neutraliser la pollution atmosphérique qu'elle engendre, surtout dans les villes. Ceci nous amène à mettre en relief les points faibles de cette catalyse et à examiner s'il n'est pas possible d'y remédier. Deux constatations s'imposent: 1/ Le pot catalytique 3-voies subit à l'usage une usure qui lui fait perdre ses performances. 2/ Ce pot catalytique est sans action sur les polluants, tant qu'il n'a pas atteint une température minimale de 200 à 300 C, ce qui demande environ 2 minutes (120 secondes). Autrement dit, l'amorçage des catalyseurs est trop long: 120 secondes environ. Nous ne nous étendrons pas sur les mécanismes qui sont à l'origine de la perte de performances des cata- lyseurs. Ces mécanismes sont connus. Rappelons seulement qu'ils peuvent être d'origine: - chimique: empoisonnements - mécanique: chocs thermiques, attrition - thermique: frittage, alliages, oxydations - ou bien la suite de réactions secondaires: encras- sement par dépôt de carbone. Le tout sans parler de la nécessaire vigilance perma- nente pour éviter tantôt l'excès d'air, tantôt l'excès de carburant, si l'on ne veut pas voir diminuer l'effi- cacité du catalyseur. Par contre, le temps d'amorçage des catalyseurs nécessite un développement auquel nous allons procéder ci-après. Compte tenu de ce qui vient d'être énoncé, nous con clurons en disant que: " LE CATALYSEUR IDEAL SERAIT CELUI " - qui ne peut être atteint par aucun des mécanismes " de désactivation précités. " - qui absorberait les mêmes gaz toxiques que le " catalyseur 3 voies dont le temps d'amorçage serait nul " - qui aurait, de plus, sur l'homme et l'environ- " nement des effets bénéfiques. Tel semble bien être le cas du carbonate de calcium pulvérisé. Pour nous en convaincre, examinons, une à une chacune des 4 propositions formulées. 1/ Mécanismes de désactivation La dissociation du carbonate de calcium pulvé- risé fonctionne ici à l'image d'une catalyse à lit flui- disé, dans laquelle le catalyseur prend la forme d'une suspension de poudre flottant dans le fluide contenant les gaz à traiter. Telle quelle, il ne semble pas qu'elle puisse être affectée par l'un des mécanismes précités. 2/ Absorption des mêmes gaz toxiques Le catalyseur 3 voies permet l'élimination quasi- complète des 3 polluants règlementés: - oxyde de carbone: CO - " d'azote: NO - HC, c'est-à-dire les hydrocarbures imbrulés mélanges à des oxydes métalliques, avec, nous l'avons dit, nécessite d'un contrôle perma- nent pour prévenir tantôt l'excès d'air, tantôt l'excès de carburant qui pourrait affecter l'efficacité du cata- lyseur et engendrer une formation parasite d'ammoniac. Le carbonate de calcium, c'est connu depuis plus d'un siècle en chimie, absorbe, lors de sa dissociation, les 3 polluants précités: CO,NO et HC, avec cette préci- sion que cette absorption concerne les oxydes métal liques qui,associés aux carburants imbrulés, forment précisément ce qu'il est d'usage de désigner sous le vocable de: "HC". Mais dans quelles mesures les hydrocarbures imbrulés sont-ils toxiques lorsque les oxydes métalliques auxquels ils sont associés dans les gaz d'échappement sont absorbes par le carbonate de calcium ? L'ammoniac atmosphérique NH3 constitue une source importante indirecte d'oxydes d'azote. Elle a pour origine, notamment, les épandages d'en- grais et les déjections animales; mais aussi, il faut le dire, un deréglage éventuel des systèmes cataly- tiques. Or, il n'est pas inutile de signaler qu'à partir de 460 à 490 C, l'ammoniac est absorbé par le carbonate de calcium. 3 - Temps d'amorçage C'est là ou réside la principale faiblesse du cata- lyseur 3 voies et o un catalyseur, comme le carbonate de calcium pulvérisé, pourrait suppléer cette faiblesse en fonctionnant simultanément et de façon, en quelque sorte, complémentaire. En effet, le catalyseur 3 voies, pour être opérant, doit atteindre, avons-nous dit, une température de à 300 C, ce qui demande environ 2 minutes après le démarrage du moteur. Et pendant ces deux minutes, que se passe-t-il ? Pour s'en rendre compte, il faut considérer un véhi- cule démarrant en ville et ne circulant qu'en ville, car c'est en ville que se situe d'abord la pollution atmosphérique. D'après les satistiques, la durée du trajet urbain de chaque véhicule est, en moyenne, de 13 minutes, 13 minutes pendant lesquelles le catalyseur 3 voies ne reste inactif que 2 minutes. Et pendant ces 2 minutes, les statistiques indiquent que la pollution engendrée est de: - CO: 50 % -NO: 50% - HC: 75 % en prenant pour base la pollution totale engendrée pendant toute la course qui aura duré 13 minutes. On est donc nécessairement amené à envisager une seconde catalyse, venant compléter la première et dont le catalyseur serait opérant les 2 premières minutes o le pot catalytique 3 voies ne fonctionne pas encore. C'est surtout l'objet de la présente invention. Ajoutons qu'en dehors des 2 minutes d'amorçage, le carbonate de calcium pulvérisé pourra aussi, éventuel- lement, suppléer le pot catalytique atteint de l'un des mécanismes de désactivation envisagée supra. Mais tout ceci suppose que le carbonate de calcium pulvérisé est opérant, de son côté, bien avant les 2 minutes qui suivent la mise en marche du moteur. Pour être précis, combien de secondes faudra-t-il attendre pour voir s'opérer la dissociation du carbo- nate de calcium en présence de CO, de NO,et de HC, à compter du démarrage du moteur ? Dès le démarrage du moteur, les gaz sortent du col- lecteur à une température de 900 à 1000 C, puis sortent dans l'air à la température avoisinant 400 C. Cette diminution de la température est la conséquence des transferts thermiques à la paroi du circuit d'échap- pement, à la distance séparant le collecteur d'échap- pement et le pot, et enfin aux caractéristiques du pot lui même (isolation et conductivité thermiques). Compte-tenu de ce qui vient d'être dit et de la place du réacteur (figure jointe) sur le tuyau d'échappement, la température de dissociation de la poudre de CaC03, 550' C, sera atteinte en quelque 10 secondes, une accé- lération du moteur au point mort pendant quelque 10 secondes ne sera pas indispensable (pour provoquer un "choc thermique",mais seulement souhaitable. Mais comment a été déduite cette température de 550 C nécessaire à la dissociation du CaC03 ? Les seuls éléments en la possession de l'inventeur sont des analyses chimiques datant du siècle dernier, faites en laboratoires, sur du CaC03, non pas pulvérisé, mais concassé. Ces analyses indiquent toutes que la dissociation du CaC03, en présence de CO et de NO, commence à 600 , mais que cette température peut être abaissée à l'aide d'un adjuvant tel que: - NaCl: chlorure de sodium (sel) - ou CaCl " "I calcium additionnés, l'un ou l'autre, à raison de 1 à 2%. Les auteurs ajoutent, toutefois, que cette tempé- rature de 600 est fonction: - de la vitesse de chauffe, - de l'état de cristalisation du CaCO3, - et de la masse de CaC03. Il précisent aussi que la vapeur d'eau peut être considérée comme un second adjuvant venant se conjuguer avec celui choisi. Or, ici, il faut noter que les gaz d'échappement contiennent de 10 à 12% de vapeur d'eau. Quant aux oxydes métalliques absorbés par le CaC03 (mélangés ici aux hydrocarbures imbrulés), toutes les analyses précitées indiquent que le carbonate de calcium réagit en leur présence à des températures très infé- rieures aux 600 C précités. Pour être complet, il faut préciser que le carbonate de calcium pulvérisé employé ici est une poudre très fine dont les grains ont un diamètre moyen de 1,7 t i, et qu'on peut, dès lors, les considérer comme des aérosols en puissance soustraits à la loi de la pesanteur. 4 - Effets bénéfiques sur l'homme et l'environne- ment du CaC03 pulvérisé dont les grains peuvent devenir des aérosols On connait les effets néfastes sur l'homme et son environnement des gaz polluants répandus par les moteurs à explosions (pollution atmosphérique notamment). Par contre, on aperçoit moins les effets bénéfiques des particules de carbonate de calcium, répandues dans l'air sous la forme d'aérosols. Au début de son expérimentation, une invention nou- velle ne maitrise jamais tous les effets qu'elle produit, surtout dans le domaine des gaz d'échappement. Il sera donc possible qu'un mauvais réglage entraine en suspension, dans les gaz résiduels éjectés, des par- ticules de CaCO3. Quelles en seraient les conséquences ? - Sur la visibilité. Les particules étant, par hypothèse, d'un diamètre moyen de 1,7 [ 1Til s'agira d'une brume (et non d'un brouil- lard) venant troubler l'atmosphère et diminuer la visi- bilité sans l'abaisser au dessous de 1 Km. A noter, toutefois, que cet inconvénient disparai- trait en employant une poudre plus fine (diamètre moyen des grains 0,10 P1n/), car alors les grains de poudre étant devenus transparents, ne diffuseront plus la lumière par une suspension trouble. - Sur l'environnement... Le CaC03 pulvérisé ne pourra qu'avoir un effet bené- fique sur les plantes dont la teneur en calcium est de 1 à 2 %. D'ailleurs le carbure de calcium CaC2 n'est-il pas déjà employé en composition comme engrais azoté ? Sur les hommes. L'élément calcium est indispensable à la vie. En respirant, un certain temps, des aérosols con- tenant cette fine poudre de CaC03, on retrouvera cette substance dans le sang. Il y a lieu de remarquer cependant que la cartouche filtrante (que nous allons décrire infra) aura surtout pour fonction d'épurer les gaz au démarrage, ceux-ci devant être épurés ensuite par le pot catalytique. Il en résultera que la consommation en poudre sera faible et la cartouche de petite taille. D E S C R I P T I 0 N Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé con- sistant à combiner les effets du catalyseur 3 voies avec ceux du carbonate de calcium pulvérisé est schéma- tisé sur la figure unique jointe au présent brevet. Cette figure comporte 4 éléments: 1 - Un réacteur en métal dans lequel auront lieu les réactions chimiques conduisant à l'élimination des gaz toxiques: sur la figure, il prend la forme du petit cylindre M K J H, sorte de manchon dans lequel les gaz d'échappement arrivent en G et les gaz résiduels sont expulsés en X. Comme nous le voyons sur la figure, ce réacteur est incorporé au tuyau d'échappement du véhicule, mais se trouve en aval du pot catalytique, c'est-à-dire entre ce dernier et la sortie des gaz dans l'air, car les gaz d'échappement sont purgés d'abord par le pot cata- lytique. 2 - Une cartouche filtrante comportant en tête une vis sans fin (A) et coiffée d'un bouchon P Cette cartouche est introduite dans une gaine (C) en métal dont le rôle est double: 5. maintenir la cartouche en position verticale et per- pendiculaire à la direction du fluide des gaz d'échappe- ment. servir de régulateur à l'intensité des grains de poudre pulsés par les gaz. A cette fin, elle possède intérieurement une vis sans fin s'adaptant à celle (A) de la cartouche. Cette gaine est solidaire du réacteur sur lequel elle est fixée. Elle occupe l'espace Q T S F en pénétrant dans le réacteur en Z D A l'intérieur de cette gaine, la cartouche occupe l'espace E B U V N O étant précisé que: la partie de la cartouche E B N O est un cylindre métallique auquel est jointe une partie grillagée B U V N (mailles de 2 à 3 mm) de côté) 0 3 - un filtre séparateur (L I) en grillage (mailles de 2 à 3 mm de côté) ou en tole perforée (ouvertures de 2 à 3 mm de diamètre occupe toute la surface de la coupe du cylindre en L I 4 - Une chambre de compression des gaz occupe tout le volume M L I H Ajoutons que la partie L K J I peut se concevoir amovible et servir de vanne d'épuration (comme prévu audit brevet N 98.14021) pour enlever la suie et les sédiments exposés F 0 N C T I 0 N N E M E N T Les gaz d'échappement sont épurés 2 fois: - d'abord par le pot catalytique 3 voies - ensuite par le réacteur fonctionnant au CaCO3 pulvé- risé. Le pot catalytique et le réacteur fonctionnent simul- tanément et sont complémentaires. La cartouche filtrante est d'abord garnie d'un condi- tionnement contenant la poudre de (CaCO3) additionnée d'un adjuvant (sel) destiné à abaisser la température de dissociation. Il est à noter que cette poudre de CaC03 employée est très fine:diamètre moyen des grains:l,7 Fk 11)ce qui a pour conséquence d'empêcher la poudre de sortir spontanément des mailles de la cartouche. En effet, les grains sont soustraits à la pesanteur; mais, par contre, ils restent soumis à la force de gravitation:les grains s'attirent et ne passent plus spontanément au travers des mailles de la cartouche dont ils ne sont extraits que par le souffle des gaz. Conséquence: si le moteur s'arrête, le souffle des gaz aussi et la cartouche ne se vide pas. Autrement dit, la cartouche ne se vide que si le moteur tourne. Chronologiquement, voici comment les choses se passent: Ouvrir le coffre. La cartouche filtrante est engagée dans sa gaine verticalement. Etant donné les risques d'incendie et d'explosion résultant de la confusion par un pompiste du tuyau du réservoir d'essence avec la gaine de la cartouche filtrante, il a été prudent d'imposer l'ouverture du coffre pour avoir accès à la cartouche. Enlever le bouchon de la cartouche. Introduire le conditionnement précité. Reboucher la cartouche. Mettre le moteur en marche. Accélérer 10 secondes au point mort pour provo- quer le "choc thermique" de la dissociation de la poudre de CaC03 absorbant les gaz toxiques, CO et NO notamment. Et alors de 2 choses l'une: ou bien les gaz résiduels sortent du tuyau d'échappe- ment sans aucune suspension de poudre. Les gaz toxiques ont été éliminés en totalité ou en grande partie. ou bien les gaz résiduels sortent du tuyau d'échap- pement avec, en suspension, des particules de poudre: le mélange est trop riche en poudre et ces particules deviennent des aérosols sans danger,mais qui peuvent occasionner, non pas quelque brouillard (les particules ont, par hypothèse, un diamètre moyen de 1,7 h M et sont trop fines),mais un peu de brume ne venant pas perturber la visibilité et disparaissant très vite au gré des vents. Cette formation de particules disparait en action- nant la vis sans fin (A) qui rendra plus ou moins concentrée en poudre le mélange poudre-gaz d'échappe- ment. En effet, les gaz sortent en G. Leur souffle pulse la poudre de CaC03 en dehors du grillage T U V S, de la cartouche. Les gaz se mélangent à la poudre, se compriment et passent enfin au travers du filtre séparateur (LI). Ajoutons pour terminer que le dispositif est bon marché et qu'il en est de même de la consommation de poudre. -'-/7 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Procédé d'épuration des gaz d'échappement des vehi- cules à moteur, caractérisé en ce qu'il consiste à sou- mettre simultanément, dès le démarrage du moteur, les gaz à épurer et à la catalyse 3 voies et au phénomène de dissociation du CaCO3 pulvérisé, mais de façon que le fluide contenant les gaz à traiter passe en premier lieu dans le catalyseur 3 voies et, ensuite seulement, dans le réacteur contenant la poudre de (CaC03) O10 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épuration, réalisée au moyen du phénomène de dissociation du CaCO3 pulvérisé, a lieu à l'aide d'un réacteur métallique contenant: !15 - du carbonate de calcium pulvérisé (CaC03) - une cartouche filtrante chargée de poudre de CaCO3 - une chambre de compression des gaz - et un filtre-séparateur - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la poudre de CaC03 employée contient éventuellement un adjuvant (comme du chlorure de sodium (NaCl)ou chlorure de calcium (CaCl) à l'effet de faire baisser la température de dissociation de la poudre de CaCO3 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la poudre employée est très fine et que le diamètre moyen des grains (de 1,7/t) peut contribuer à les transformer en aérosols. 5' - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le réacteur est incorporé au tuyau d'échappement du vehicule et reçoit les gaz déjà traités par le catalyseur 3 voies. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la cartouche filtrante: a une forme cylindrique propre à recevoir les recharges de CaCO3, sous forme de conditionnements. possède une gaine destinée à la maintenir en une position propre à sa destination. 15. comporte une vis sans fin pour faire varier son enfoncement dans le réacteur et avoir ainsi un rôle de régulateur de débit de poudre de CaCO3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le filtre-séparateur est en métal et est constitué soit d'un grillage (mailles de 2 à 3 mm de côté) soit d'une tôle perforée (ouvertures circulaires de 2 à 3 mm de diamètre). Sa fonction, comme son nom l'indique, est de séparer les grains de poudre adhérant encore aux gaz toxiques traités. 8 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la cartouche filtrante comporte une partie en tôle non perforée et une partie en grillage ou tôle perforée (destinée à être exposée au souffle des gaz d'échappement) susceptible, en recevant les gaz, de les laisser passer avec les parti- cules de poudre qu'ils pulsent, étant entendu que les grains de poudre d'un diamètre moyen de 17 Vne passent pas spontanément (sans l'aide du souffle des gaz) au travers de mailles de 2 à 3 mm de côté ou d'ouvertures circulaires de la tôle de 2 à 3 mm de diamètre. 9 - Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que la poudre de CaCO3 destinée à remplir la cartouche est livrée en doses ou condition- nements tout préparés en sachet de papier dont la forme et les dimensions permettent leur introduction immédiate dans la cartouche. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le réacteur peut se diviser en deux parties détachables l'une de l'autre, permettant alors de purger le réacteur de la suie et sédiments déposés.