Brevet FR2907171A1 — publié le 20080418

Piège à particules submicroniques La présente invention concerne un système de réduction de la quantité de particules solides submicroniques dans le carburant d'un moteur de véhicule automobile. L'évolution des motorisations common rail , nécessite, pour respecter des normes de dépollution mondiales futures, des solutions d'alimentation carburant à plus haute pression thermique et des injecteurs à diamètre de trous plus petits. Cette montée en thermique entraîne un vieillissement accéléré du carburant engendrant la formation de produits d'oxydation, notamment de laque et/ou de sédiments. Ceci est d'autant plus grave que le carburant contient des composés oxygénés, tels que l'éthanol pour l'essence ou des esters d'huile végétale pour le gazole. La longévité d'un moteur dépend en grande partie de la qualité de son circuit carburant. Cette qualité est accrue par une bonne filtration au carburant en épurant constamment les : particules métalliques (limaille) produites par l'usure des pièces ; produits d'oxydation des carburants (vieillissement...) ; poussières extérieures entrant dans le moteur ; et boues issues de la décomposition bactérienne des carburants. La durée de vie du moteur dépend donc aussi de la qualité de la filtration du carburant et par définition de la qualité du filtre à carburant et de la régularité de son remplacement. Les systèmes actuels de filtration de carburant pour des moteurs se composent d'un élément filtrant, aussi appelé un filtre à carburant . 100 % de l'écoulement du carburant traverse ce filtre. Le filtre est conçu pour enlever seulement les particules de grande taille parce que le filtre ne doit pas limiter l'écoulement du carburant maintenant un bas différentiel de pression à travers de filtre. Donc, le filtre se compose d'une maille très large qui laisse passer les particules plus petites que 5 à 10 microns. 2907171 2 En conséquence, la filtration est extrêmement limitée, puisque 95 % de la contamination produite dans un moteur est constituée de particules de taille inférieure à 10 microns. Ces sédiments entraînent la formation de laque qui : 5 - par un sur-épaississement au niveau des pièces mobiles des pompes par exemple génère une usure accélérée de ces pièces conduisant à une dérive de la quantité de carburant injectée, dégradant alors les prestations moteurs et les émissions ; - par usure des pièces internes de l'injecteur conduit à une dérive de 10 la quantité de carburant injectée, dégradant alors les prestations moteurs et les émissions ; - par grippage de l'aiguille injecteur entraîne un noyage cylindre et donc une casse moteur. Afin de prolonger la vie du circuit carburant, il est préférable d'enlever 15 les particules de taille inférieure à 1 micron présentes dans le carburant. L'invention a donc pour but de proposer un système de filtration des carburants permettant d'augmenter la durée de vie du moteur. Ce but est atteint par un système de filtration du carburant comportant un piège pour particules submicroniques. 20 En effet, les pièges pour particules submicroniques permettent d'éliminer les particules de petite taille du carburant sans affecter le différentiel de pression. Les pièges comprennent un matériau poreux et peuvent adsorber les particules présentant une taille et forme proche de celle de ses pores par l'effet de la force d'attraction de type Van der Waals. 25 L'invention a donc pour objet un système de filtration du carburant d'un moteur de véhicule automobile comportant un filtre à carburant caractérisé en ce que ledit système de filtration comporte un piège pour particules submicroniques particulaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée 30 qui va suivre. 2907171 3 Le piège pour particules submicroniques est constitué en tout ou partie d'un matériau poreux. Ce matériau poreux est inerte vis-à-vis du carburant et robuste au frittage et peut être choisi parmi les métaux, oxydes métalliques, polymères organiques ou inorganiques, céramiques, verres, 5 graphites ou l'une de leurs combinaisons. La surface externe des pièges pour particules peut être traitée de manière connue en soi pour modifier son affinité chimique ou sa réactivité. En particulier, il peut être avantageux de traiter la surface de certains matériaux hydrophiles pour les rendre plus hydrophobes afin d'améliorer le 10 mouillage des pièges pour particules par le carburant. La taille des particules solides adsorbées par le piège pour particules dépend essentiellement de la taille de pores du piège pour particules. Les filtres conventionnels filtrent la plupart des solides avec un diamètre au-dessus de 5 à 10 microns. Afin de pouvoir adsorber les 15 particules non retenues par le filtre à carburant, le diamètre moyen des pores du matériau est avantageusement inférieur à 10 microns. Par ailleurs, les forces d'attraction leurs dimensions sont similaires. Ainsi, le diamètre moyen des pores des pièges pour particules est choisi généralement dans la plage de 0,1 à 10, de préférence 0,5 à 5 microns. 20 La taille des pores du matériau peut présenter une distribution large ou au contraire étroite. Cependant, les matériaux poreux avec une distribution large de tailles de pores sont préférées car ils permettent de mieux s'adapter à des particules de toutes tailles et formes. Particulièrement préférés sont des matériaux poreux dont la taille de 25 pores diminue progressivement de la surface vers le centre. En effet, ce type de porosité facilite l'accumulation des particules solides au centre des billes et présente ainsi un volume poreux efficace maximal. Il réduit en outre le risque de bouchage des pores par les particules des dépôts de gomme éventuellement présents. 2907171 4 Les pièges pour particules submicroniques sont de préférence placés dans le filtre à carburant ou la pompe haute pression, et peuvent donc circuler. De préférence, ils sont situés après le filtre à carburant. De fait, les pièges pour particules peuvent fonctionner indépendamment du système 5 classique de filtration en continu ou d'un système de filtration auxiliaire. Cette caractéristique présente deux avantages. D'une part, elle permet de s'affranchir des problèmes de différentiel de pression lors de la filtration. D'autre part, les pièges pour particules exercent en circulant une action de frottement contre les parois. Cette action de frottement permet de i0 déloger des dépôts, par exemple les gommes d'hydrocarbures polymérisés et de remettre en suspension les boues sédimentées. Par voie de conséquence, les pièges pour particules particulaires sont de préférence dimensionnés de manière à ne pas bloquer les passages par lesquels le carburant circule. 15 Aussi, les pièges présentant un diamètre de 1 à 20 mm, de préférence de 3 à 7 mm, et tout particulièrement de 4 à 6 mm sont préférés. Les pièges pour particules présentent de préférence une forme sphérique ou arrondie, en particulier annulaire ou en roue de carrosse. Cette forme est préférée car elle assure une surface élevée et donc une 20 adsorption rapide des particules submicronique tout en limitant la fragmentation et le frottement entre pièges. Les pièges pour particules peuvent intégrer un élément magnétique pour mieux piéger les particules ferromagnétiques dans le carburant. Dans certains cas, l'élément magnétique permettra d'attacher certains pièges pour 25 particules contre la paroi métallique du moteur ou du circuit de carburant pour empêcher leur libre circulation. La quantité de pièges pour particules à prévoir peut varier largement et dépend essentiellement de leur porosité. En supposant un moteur contenant 30 litres de carburant, lequel 30 contient environ 0,002 % en poids de particules solides qui ne peuvent pas être filtrées par un système de filtration conventionnel, le volume de pièges pour particules submicroniques serait d'environ 60 cm3, en négligeant l'effet de densité. 2907171 5 En fonction de différents diamètres des pièges pour particules, le nombre de billes nécessaire pour atteindre ce volume est indiqué dans le tableau 1. Le nombre de billes poreuses résulte alors d'une multiplication avec la porosité de celles-ci. Les valeurs obtenues pour une porosité de 5 25 à 50 % sont portées dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 : Diamètre Volume Nombre des Nombre des Nombre des de Billes Total d'une Billes Solides Billes à 25 % Billes à 50 % (cm) bille solide = 60 cm3 Porosité avec Porosité (cm3) 60 cm3 libre avec 60 cm3 libre 0,5 0,06 1000 4000 [A 2000 confirmer] 0,1 0,52 114 456 228 Immergés dans le carburant, les pièges pour particules permettent 10 aux particules solides submicroniques de s'y adsorber par physisorption. Les particules adsorbées se trouvent alors en équilibre avec la phase liquide de carburant. Elles réduiront toutefois au minimum leur énergie propre en se logeant dans l'espace à l'intérieur des confinements les plus proches en taille de leurs propres dimensions physiques. 15 En effet, les forces d'attraction agissant entre les particules et la surface du matériau poreux sont les forces électrostatiques de Van der Waals. Plus la taille et la forme des pores approche les dimensions des particules, plus fortement les particules sont maintenues à l'intérieur des billes. Cet effet est également appelé 1 ( effet de confinement . 20 Comme les particules tendent à migrer vers l'intérieur du matériau poreux, la surface reste disponible pour l'adsorption d'autres particules. 2907171 6 Les pièges pour particules submicroniques peuvent être introduits et placés à tout endroit du circuit de carburant, par exemple dans le filtre à carburant ou dans la pompe à haute pression. Ainsi, ils peuvent être chargés lors de la vidange via les filtres à carburant ou le compartiment où 5 ils résident. Selon un mode de réalisation préféré, les pièges pour particules sont placés dans le filtre à carburant. Ils peuvent alors être aisément remplacés au moment du replacement du filtre à carburant. Les pièges pour particules dans le système décrit peuvent être des 10 pièges nouveaux ou recyclés. Le recyclage peut notamment être réalisé par un nettoyage adapté, par exemple par ultrasons. Le système de filtration décrit n'est pas spécifique à un type de moteur et peut donc être installé dans le moteur à essence ou un moteur Diesel. Cependant, le système décrit est particulièrement utile dans un 15 moteur Diesel. Cependant, le système décrit est particulièrement utile dans un moteur Diesel de type "Common Rail". Le moteur peut par ailleurs être équipé de moyens de dépollution, notamment des gaz NOx, par exemple de type "Exhaust Gas Recirculafion". Le système est particulièrement approprié pour des moteurs à 20 carburants oxygénés tel que l'éthanol ou les esters d'origine végétale, animale ou industrielles, tels les esters méthyliques d'huile de colza, esters éthyliques d'huile de soja, huile de poissons, ou les huiles issues de la récupération d'huiles de cuisine. Le système de filtration est par ailleurs compatible avec d'autres 25 moyens de séparation de composés organiques ou organométalliques, et en particulier des moyens de séparation sélectifs de composés issus du gazole. Par ailleurs, la composition du carburant n'est pas altérée, notamment en ce qui concerne les additifs. Le système décrit permet donc la filtration des particules solides 30 submicroniques du carburant sans altérer le fonctionnement du moteur. Il présente par ailleurs les avantages suivants : piégeage de particules de taille inférieure à 10 pm ; - pas de nécessité de modifier l'architecture du moteur ; 5 10 15 2907171 7 prolongation des caractéristiques physiques et chimiques du carburant ; prolongation de la capacité de filtration du circuit carburant ; prolongation de la vie du moteur en diminuant l'usure des pièces mobiles par les particules, notamment la pompe haute pression et les injecteurs ; facilité d'intégration ; pas d'augmentation de la contre pression du circuit carburant ; solution économique avec des matériaux de pièges peu coûteux ; versatilité en termes de type de moteur et type de carburant ; versatilité en termes de type de carburant ; maintenance aisée, par exemple par remplacement dans le filtre à carburant ; et durabilité accrue de la motorisation Diesel dépolluée par la limitation de l'usure circuit carburant. REVENDICATIONS . 1.- Système de filtration de carburant d'un moteur de véhicule automobile comportant un filtre à carburant, caractérisé en ce que ledit système de filtration comporte au moins un piège pour particules submicroniques particulaire. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège pour particules submicroniques est constitué en tout ou partie d'un matériau poreux. 3.- Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le piège pour particules submicroniques est disposé dans le filtre à carburant. 4.- Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le piège pour particules est de forme sphérique ou arrondie. 5.- Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau poreux est choisi parmi les métaux, oxydes métalliques, polymères organiques ou inorganiques, céramiques, verres, graphites ou l'une de leurs combinaisons. 6.- Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piège pour particules présente un diamètre de 1 à 20 mm. 7.- Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le piège pour particules est traité sur sa surface pour modifier sa polarité. 8.- Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piège pour particules présente une porosité. 9.- Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le piège pour particules intègre des éléments magnétiques. 10.- système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les pièges pour particules sont recyclés.30