Brevet FR2809765A1 — publié le 20011207

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES DISPOSITIF PERMETTANT LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE L'invention se rapporte à un procédé de régénération de filtres à particules pour un moteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles produisent des gaz d'échappement contenant des particules dont l'effet est indésirable pour l'environnement. Ces particules se forment à partir résidus du combustible lui même, mais aussi à partir des additifs chimiques ajoutés dans ledit combustible dont combustion n'a pas été complète. L'élimination de ces particules issues des moteurs de combustion est devenue un enjeu majeur du point vue de la santé publique et de l'environnement compte tenu de l'accroissement des maladies respiratoires qui ont leur origine dans la dégradation de la qualité de l'air. Depuis quelques années, des solutions pour essayer de résoudre le problème posé par les émissions de particules dans l'air ambiante à partir des moteurs de combustion ont été apportées. Par exemple, filtres à particules ont été insérés dans les conduits des d'échappement en aval des moteurs combustion, pour retenir ces particules et empêcher leur relargage dans l'air ambiant. Ces techniques présentent cependant quelques inconvénients du fait de l'encrassement rapide du filtre. fur et à mesure de leur utilisation, une partie infime des particules déposées sur les filtres est éliminée combustion sur le propre filtre, grâce aux températures élevées des gaz d'échappement qui le traversent. Cependant, la plus grande partie de ces particules ne peut pas être éliminée et en s'accumulant finit boucher filtre et empêcher l'évacuation des gaz de combustion. Des procédés permettant la régénération des filtres à particules ont été envisagés. Ces procédés augmentent 'efficacité de la combustion des particules sur le propre filtre, essentiellement selon deux approches différentes. Selon la première approche, la combustion des particules retenues sur le filtre est améliorée en augmentant température dudit filtre, par exemple, par la mise en oeuvre de dispositifs chauffants autour des filtres tels que des résistances électriques ou des brûleurs. Cette approche présente des nombreux inconvénients En premier lieu, l'apport supplémentaire d'énergie, nécessaire à la combustion, sous forme de chaleur est onéreux, d'autre part, les températures élevées utilisées en permanence, conduisent rapidement à la dégradation des filtres qui présentent alors une durée de vie réduite. deuxième approche a consisté à développer des procédés de diminution de la température à laquelle les particules peuvent être éliminées. Cette diminution de la température de combustion des particules sur le filtre a été obtenue par l'ajout, dans le carburant, de différents additifs, par exemple des composés organo-métalliques. Ces composés organo-métalliques jouent le rôle un catalyseur, favorisant la combustion des particules déposés sur le filtre. Cependant, leur utilisation peut parfois aboutir à des inflammations brutales des particules sur le filtre qui de ce fait subit importants chocs thermiques. De plus, ces composés organométalliques produisent, lors de leur combustion, des dépôts supplémentaires de particules métalliques sur le filtre et présentent l'inconvénient majeur d'augmenter considérablement le coût du procédé. Le brevet américain US No. 5 055 divulgue un type particulier de composés chimiques dont 'utilisation en tant qu'additifs ajoutés dans carburant permet de réduire le taux de particules issu de combustion des moteurs diesel, sans inconvénients liés à l'utilisation de dérivés organo métalliques. Ces additifs comprennent des composés 1, diol aliphatiques ayant de 6 à 24 atomes de carbone. Ces composés, constitués seulement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène présentent l'avantage de ne produire de résidus additionnels lors de leur combustion. Toutefois, ces composés 1,2 diol aliphatiques dont la chaîne aliphatique est supérieure à six atomes de carbone présentent plusieurs inconvénients, outre leur potentiel cancérigène, leur manipulation demande des précautions, leur dosage n'est pas aisé et manque de précision du fait de leur état physique, car ils sont pratiquement solides à la température ambiante. Leur utilisation est ainsi limitée à des doses infimes, de l'ordre de 500 à 5000 ppm, pour une réduction du taux de particules tout de même limitée. La Demanderesse qui effectue des recherches dans domaine de la régénération des filtres à particules a maintenant conçu un procédé qui a pour objet régénération desdits filtres avec des compos' ions comportant des molécules dont la manipulation s'effectue sans encourir des risques et pour lesquelles le dosage est aisé et le coût modéré. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un procédé de régénération d'un filtre à particules placé la conduite d'échappement des gaz émis par un moteur à combustion interne, caractérise en ce que les particules retenues dans le filtre sont brûlés en présence d'au moins une molécule bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles. Le procédé de l'invention remarquable en ce qu'il permet d'éliminer la quasi totalité des particules issues de la combustion de façon à disposer d'un filtre propre. La Demanderesse a constaté que ces additifs ainsi ajoutés ont pour effet diminution importante de la température de combustion des particules sur les filtres. La Demanderesse a observé que de façon surprenante, les molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles permettant de diminuer plus efficacement la température de combustion des particules sur le filtre sont à l'état liquide à température ambiante. Avantageusement ces molécules ont un poids moléculaire inférieur à 100. Parmi les molécules de bas poids moléculaire comportant deux groupements hydroxyles, l'invention envisage de préférence des composés organiques et avantageusement le glycérol et compositions le contenant. Les molécules chimiques utilisées dans procédé de la présente invention présentent en outre l'avantage de ne pas produire de cendres lorsqu'elles se décomposent par effet de la chaleur et donc de produire des résidus lors de leur combustion. De plus, elles ne sont pas cancérigènes, fait de leur état liquide à température ambiante elles peuvent être manipulées et dosées facilement enfin le glycérol est produit industriellement en très grande quantité, en tant que déchet issu de la production de l'ester méthylique de colza. La Demanderesse à utilisé ces molécules ajoutées soit directement dans la tubulure des gaz échappement, immédiatement en amont du filtre à particules, soit dans l'air d'admission du moteur, en amont de la chambre de combustion. Le procédé de 'invention accepte donc au moins les deux modes réalisation suivants. Un premier mode de réalisation du procédé de l'invention consiste en l'apport, continu ou non molécules de bas poids moléculaire comportant moins deux groupements hydroxyles, dans la tubulure des gaz d'échappement en amont du filtre à particules. Dans ce mode de réalisation, l'apport de molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est effectué sous la forme@d'une solution dont la concentration en molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est comprise entre 30% et 100% en volume, tout préférentiellement comprise entre 45% et 55% en volume. La concentration de molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles dans le tube d'échappement, en amont du filtre particules est avantageusement comprise entre un volume de 0,05 1 et 0,5 1 pour un volume de 360.000 litres de gaz d'échappement, de préférence comprise entre 0,1 1 et 0,2 1 pour 360.000 litres de gaz d'échappement. Dans ce premier mode de réalisation, la solution comprenant les molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est apportée à un débit compris entre 0,1 et 1 1 /h, de préférence de 0,3 1/h. Un second mode de réalisation du procédé de l'invention consiste en l'apport des molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles en amont de la chambre combustion, avantageusement dans le carburant. Dans ce mode de réalisation, l'apport de molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est effectué sous la forme d'une solution dont la concentration en molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est comprise entre 1% et 4% du volume de carburant, tout préférentiellement entre 1,5% et 2% du volume de carburant. L'invention concerne également un carburant dans lequel sont présentes des molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles avantageusement à une concentration comprise entre 1% et 4% en volume tout préférentiellement entre 1,5% et 2% en volume. L'invention concerne aussi un dispositif d'injection en continu ou en discontinu des molécules de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles permettant un dosage précis et variable de la quantité injectée ainsi qu'un pilotage de marche/arrêt. Ledit dispositif comprend une centrale de commande d'un injecteur électromagnétique refroidi par eau. Le dispositif selon 'invention comporte également de moyens de régulation de pression pilotés et asservis au moteur permettant ajuster la pression d'injection de l'additif en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, telle l'évolution de la contre-pression d'échappement avec le chargement du filtre à particules. L'invention concerne encore une tubulure de gaz d'échappement munie d'un dispositif d'injection défini ci-dessus. D'autres avantages caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture des exemples qui suivent montrant l'effet d'une molécules utilisées selon le procédé de l'invention le glycérol, sur la température, mesurée à l'entrée filtre à particules et sur la perte de charge à travers le filtre à particules. 1) Protocole expérimental. Le protocole expérimental a été réalisé sur un moteur type turbo-diesel à injection directe électronique en utilisant un filtre à particules en cordiérite. La solution utilisée dans les essais est formulée à partir de glycérol pur à 90% pour obtenir une solution de travail contenant 50% en volume de glycerol dilué dans de l'eau déminéralisée. La figure 1 représente un schéma d'installation du dispositif ci-dessus. 2) Résultats . La figure 2 présente la comparaison, en termes perte de charge sur le filtre, exprimée en bar, en fonction du temps pour un filtre n'ayant pas subi d injection d'additif ou bien ayant subi une injection de glycérol. Pour un débit d'additi à travers filtre de 300 ml/heure. La figure 3 illustre les températures atteintes à l'entrée du filtre en fonction de l'aj ou non additifs en amont du filtre. La température maximale après addition de glycérol est inférieure a 400 C. La demanderesse a observé lors de ses études portant sur la régénération des filtres à particules, l'efficacité de certaines molécules de petite taille comportant de groupements hydroxyles. Le mécanisme d'action des ces molécules est probablement lié à leur structure chimique. Le principe de base consisterait en une libération de radicaux hydroxyles à froid, entraînant une baisse de la température nécessaire la combustion spontanée des suies déposées sur les filtres. Cette libération à froid se produirait dès 300 C ou 400 C, alors que ce même radical ne se fabrique dans une flamme à hydrocarbures classique qu'au-dessus de 1000 C , et ne serait possible que pour des molécules du type polyol et comportant un groupement OH sur chaque atome de carbone. La température à laquelle se produit le phénomène dépend d'une part des conditions de la pression partielle d'oxygène régnant dans la conduite d'échappement, d'autre part du débit des suies. Ces deux paramètres sont des variables qui dépendent du fonctionnement du moteur, notamment de son régime et de sa charge. REVENDICATIONS 1) Procédé de régénération filtre à particules placé dans la conduite d'échappement des gaz d'un moteur à combustion interne, consistant à brûler les particules retenues dans ledit filtre émises lors de combustion d'un carburant dans le moteur, en présence d'un additif, caractérisé en ce que ledit additif contient au moins une molécule de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la molécule bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est une molécule organique constituée d'une chaîne aliphatique ramifié ou non, possédant au moins trois atomes de carbone. 3) Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la molécule de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles à un poids moléculaire inférieur a 100. 4) Procédé selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la molécule bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est le glycérol. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé ce que la molécule de bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est ajoutée dans le carburant avant l'arrivée de celui-ci dans la chambre de combustion. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la molécule comportant au moins deux groupements hydroxyles de bas poids moléculaire est ajoutée dans la tubulure d'échappement des gaz, en amont du filtre à particules. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité ajoutée la molécule de bas poids moléculaire comportant deux groupements hydroxyles est comprise entre 30% et 0%,en volume, dé préférence entre 45% et en volume. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce l'apport la molécule organique comportant au moins deux groupements hydroxyles de bas poids moléculaire est réalise en continu. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce l'apport la molécule organique comportant au moins deux groupements hydroxyles de bas poids moléculaire est réalise de manière intermittente, pendant des durées limitées. 10) Carburant susceptible d'être utilisé dans le procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il contient au moins une molécule bas poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles. 11) Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon les revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte de moyens permettant un dosage précis et variable de la quantité de solution d'additif injectée, de moyens permettant un pilotage de marche/arrêt, de moyens de commande d'un injecteur électromagnétique, de moyens de régulation de pression pilotés et asservis au moteur. 12) Dispositif selon la revendication 11 caractérise en ce qu les moyens de régulation de pression pilotés et asservis au moteur ajustent la pression injection de l'additif en fonction de l'évolution de la contre-pression d'échappement avec le chargement filtre à particules. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce l'injection de la molécule organique de poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est réalisée de manière continue. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce l'injection de la molécule organique de poids moléculaire comportant au moins deux groupements hydroxyles est réalisée de manière intermittente, pendant des durées limitées. 15) Tubulure de gaz d'échappement comportant un dispositif selon les revendication 11 à 14.