Brevet FR3084373A1 — publié le 20200131

Description Titre de l'invention : Utilisation d'esters gras volatils particuliers dans des moteurs à essence pour réduire les émissions [0001] La présente invention se rapporte à l'amélioration de qualité de l'essence en particulier à la réduction des émissions d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures imbrulés et de particules des moteurs à essence. [0002] Les moteurs à essence sont aujourd'hui préférés aux moteurs Diesel parce qu'ils émettent moins de substances nocives. Ils sont destinés à être utilisés en très large majorité. Or, ils émettent tout de même des oxydes d'azote, des hydrocarbures imbrulés et des particules qui sont dangereuses pour l'environnement et pour la santé humaine et animale. [0003] Actuellement, aucune solution satisfaisante n'est proposée qui permette de réduire l'ensemble de ces émissions par les moteurs à essence. [0004] L'objectif de l'invention est de trouver un produit utilisable à l'échelle industrielle, capable de réduire à la fois les émissions d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures imbrulés et de particules des moteurs à essence. [0005] Pour y répondre la présente invention propose d'utiliser des esters particuliers. [0006] Des esters ont déjà été utilisés dans des carburants fossiles. En particuliers les esters d'huiles végétales ou de graisses animales ont été mélangés au gazole. Ces esters, sont des esters dits « longs » (16 à 20 atomes de carbone) ou « moyens » (8 à 16 atomes de carbone). [0007] Toutefois, ces esters ne permettent pas de répondre à l'objectif de l'invention car ils ne peuvent pas être utilisés en mélange avec l'essence par suite d'une volatilité insuffisante. De plus, aucun ester n'a été utilisé jusqu'à présent en mélange avec de l'essence pour réduire les émissions de façon significative. [0008] Or, selon l'invention, de façon surprenante, l'utilisation d'un ou plusieurs esters d'acides gras volatils "courts" de longueurs de chaînes comprises entre 3 et 8 atomes de carbone dans de l'essence permet de réduire les émissions à la fois d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures imbrulés et de particules des moteurs à essence. De plus, de façon avantageuse, l'utilisation selon l'invention permet de façon simultanée d'augmenter l'indice d'octane de l'essence. [0009] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description de l'invention en détails qui va suivre. Définitions [0010] Par « acide gras volatil » au sens de l'invention on entend un acide gras organique linéaire de un à six atomes de carbone : acides formique, acétique, proprionique, 2 butyrique, valérique et caproïque et leurs isomères. [0011] Par « ester d'acide gras volatil court » ou « ester court » au sens de l'invention on entend un ester formé par la réaction d'un acide gras volatil sur un alcool de telle sorte que la longueur de chaîne de carbone de cet ester soit comprise entre 3 et 8 atomes de carbone. [0012] Par « indice d'octane de l'essence » au sens de l'invention on entend de manière générale, soit l'indice d'octane Ron, soit l'indice d'octane Mon. [0013] Par « indice d'octane recherche » de l'essence ou « indice Ron » au sens de l'invention on entend un indice mesuré selon la méthode NF EN ISO 5164 :2005. [0014] Par « indice d'octane moteur » de l'essence ou « indice Mon » au sens de l'invention on entend un indice est mesuré selon la méthode NF EN 150 5163 :2005. [0015] Par « incorporation d'un composé au taux de x% en volume dans l'essence» (en particulier par « incorporation d'esters au taux de x% en volume dans l'essence) au sens de l'invention on entend la constitution par tout moyen approprié d'un mélange par addition d'un volume de x% du composé (par exemple d'esters) et d'un volume de 1-x% d'essence, celle-ci pouvant elle-même comprendre d'autres additifs. [0016] Par « utilisation d'un composé au taux de x% en volume de l'essence» (en particulier par « utilisation d'esters au taux de x% en volume de l'essence) au sens de l'invention on entend l'utilisation dans un moteur d'un mélange du composé (par exemple d'esters) et d'essence obtenu par incorporation au taux de x% en volume dans l'essence. [0017] Par « hydrocarbures imbrulés » au sens de l'invention on entend des composants comprenant exclusivement des atomes de carbone et d'hydrogène émis par un moteur. Les hydrocarbures imbrulés comprennent le méthane CH4 et les autres hydrocarbures imbrulés aussi appelés « hydrocarbures non méthaniques ». Description détaillée de l'invention [0018] L'invention a donc pour objet l'utilisation d'au moins un ester d'acide gras volatil de longueur de chaîne comprise entre 3 et 8 atomes de carbone dans de l'essence pour moteur à essence pour réduire les émissions d'oxyde d'azote et d'hydrocarbures imbrulés et préférentiellement également pour réduire les particules des moteurs à essence. [0019] Préférentiellement le ou les esters d'acides gras volatils de longueurs de chaînes comprises entre 3 et 8 atomes de carbone sont utilisés au taux d'au moins 15% en volume de l'essence, encore plus préférentiellement au taux d'au moins 30%, et selon un mode de realisation particulièrement adapté au taux d'au moins 50%. Ces ratios permettent d'obtenir des résultats particulièrement efficaces en termes de réduction des émissions d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures imbrulés et de particules des moteurs à 3 essence. [0020] Le ou les esters d'acides gras volatils courts utiles selon l'invention peuvent être choisis parmi les esters suivants : methyl acetate, methyl proprionate, methyl butyrate, methyl valerate, methyl hexanoate, ethyl acetate, ethyl proprionate, ethyl butyrate, ethyl valérate, ethyl hexanoate, propyl acétate, propyl propionate, propyl butyrate, propyl valerate, butyl acétate, butyl proprionate, butyl butyrate, et leurs mélanges. [0021] Le ou les esters utiles selon l'invention sont préférentiellement obtenus en tout ou partie à partir de biomasse (acides gras volatils d'origine biomasse et/ou alcools d'origine biomasse) selon tout procédé adapté. Ils peuvent notamment être obtenus par fermentation de biomasse (fermentation anaérobie pour les acides gras volatils courts et fermentation alcoolique ou acéto-butanolique pour les alcools). [0022] Les esters d'acides gras volatils de longueurs de chaînes comprises entre 3 et 8 atomes de carbone dans de l'essence pour moteur à essence permettent notamment et peuvent être utilisés de façon à : - diminuer l'émission d'oxydes d'azote par les moteurs à essence d'au moins 20% du taux d'incorporation de l'ester dans l'essence soit par exemple une diminution d'au moins 10% pour 50% d'esters incorporé dans l'essence (l'émission d'oxydes d'azote peut être en particulier mesurée selon une méthode répondant aux exigences du règlement européen Euro 6 c'est à dire le règlement 459/2012 du 29 mai 2012) ; et/ou - diminuer l'émission d'hydrocarbures imbrulés par les moteurs à essence d'au moins 20% du taux d'incorporation de l'ester dans l'essence soit par exemple une diminution d'au moins 10% pour 50% d'esters incorporé dans l'essence (l'émission d'hydrocarbures imbrulés peut-être en particulier mesurée selon une méthode répondant aux exigences du règlement européen Euro 6 c'est à dire le règlement 459/2012 du 29 mai 2012) ; et/ou - - diminuer l'émission de particules en masse et en nombre par kilomètre parcouru par les moteurs à essence d'au moins 25% du taux d'incorporation de l'ester dans l'essence soit par exemple une diminution d'au moins 12,5% pour 50% d'esters incorporé dans l'essence (l'émission de particules en masse et en nombre par kilomètre parcouru par les moteurs à essence peut-être en particulier mesurée selon une méthode répondant aux exigences du règlement européen Euro 6 c'est à dire le règlement 459/2012 du 29 mai 2012). Avantageusement, l'utilisation selon l'invention peut également permettre en plus des utilisations précédemment enoncées : - - d'augmenter l'indice d'octane « recherche » de l'essence d'au moins 2 points, préférentiellement d'au moins 3 points ; et/ou - - d'augmenter l'indice d'octane « moteur » de l'essence d'au moins 2 points, préférentiellement d'au moins 3 points. 4 [0023] Ces utilisations sont très avantageuses et permettent d'obtenir une essence qui présente un impact négatif sur l'environnement fortement diminué en comparaison aux essences actuellement utilisées. [0024] En combinaison avec les esters courts, il est possible d'utiliser d'autres additifs de l'essence, de façon à augmenter les effets des esters d'acides gras volatils et à agir en synergie. Il est notamment possible d'ajouter à l'essence, en plus des esters d'acides gras volatils, un ou plusieurs alcanes de longueurs de chaines comprises entre 4 et 10 atomes de carbone. Ces alcanes peuvent être d'origine pétrolière ou issus d'une biomasse. Préférentiellement les alcanes utilisés selon l'invention sont issus d'une biomasse. Ces alcanes, en combinaison avec les esters courts, permettent de diminuer encore plus les émissions d'oxyde d'azote et d"hydrocarbures imbrulés. Ces alcanes sont préférentiellement choisis parmi l'octane, l'isooctane, le décane et leurs mélanges. En effet, ces alcanes ont tendance à améliorer la combustion du mélange. De façon préférée, ces alcanes sont utilisés à un taux d'incorporation compris entre 0 et 50% en volume de l'essence. Préférentiellement ils sont produits à partir d'acides gras volatils par une électrolyse dite "de Kolbe". [0025] En plus des esters courts et des éventuels alcanes, il est possible d'ajouter en combinaison un ou plusieurs autre(s) produit(s) sont ajouté(s) à l'essence, lesdits produits étant choisis parmi : - - les additifs améliorant l'indice d'octane, comme par exemple des composés organo- métalliques tels que MMT et le Ferrocene, ou des ethers tels qu'ETBE ou TAME ou des hydrocarbures aromatiques tel que le toluène, - les additifs améliorant de lubrification, comme par exemple des esters moyens tels que l'hexyl valérate, l'hexyl caproate ou des esters plus longs, - - les produits réduisant les températures de combustion, comme par exemple les composes azotés tels que les amines, l'urée ou l'ammoniac éventuellement mélangé(s) à de l'eau, - les esters avec une chaîne de carbone supérieure à 8, - les alcools comme par exemple l'iso-propanol, le butanol, l'hexanol ou l'octanol, - - et leurs mélanges. [0026] Ces additifs permettent en particulier et en combinaison avec les esters d'acides gras volatils de réduire encore les émissions d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures imbrulés. [0027] L'invention est à présent illustrée par des exemples et des résultats d'essais. Exemples [0028] Exemple 1 : Utilisation de 15% d'éthyl butyrate dans de l'essence Ron 95 (85% essence - 15% éthyl butyrate) [0029] Exemple 2 : Utilisation de 30% d'éthyl butyrate dans de l'essence Ron 95 (70% essence - 30% éthyl butyrate) [0030] Exemple 3 Utilisation de 30% d'éthyl butyrate et de 10% d'iso-octane dans de l'essence Ron 95 (60% essence 30% éthyl butyrate - 10% d'iso-octane) [0031] Exemple 4 : Utilisation de 50% d'éthyl butyrate et de 20% d'iso-octane dans de l'essence Ron 95 (30% essence 50% éthyl butyrate - 20% d'iso-octane) Résultats d'essais [0032] L'objectif des essais réalisés est d'évaluer l'effet de l'utilisation d'esters d'acides gras volatils à courtes chaînes dans l'essence sur les émissions d'oxyde d'azote, d'hydrocarbures imbrulés et de particules des moteurs à essence, et également sur l'indice d'octane de l'essence. [0033] Les essais d'émissions ont été réalisés sur un moteur monocylindre à allumage commandé EP6 avec les compositions des exemples 1 à 4 en comparaison avec l'essence Ron 95 seule. [0034] Les mesures d'indice d'octane Ron ont été réalisés au laboratoire selon les normes réglementaires des spécifications françaises des carburants. [0035] Le protocole opératoire des essais est décrit ci-après : 8 points moteur par mélange de carburant réalisés pour couvrir une utilisation représentative d'un cycle de conduite : - - 1500 tr/min, 4, 8, 12 bar et max de PMI - - 2000 tr/min, 4, 8, 12 bar et max de PMI Pour chaque point moteur, l'avance à l'allumage est optimisée pour obtenir que la PMI (pression moyenne indiquée) soit maximale. La richesse du mélange est régulée à 1. Une attente de quelques minutes est imposée afin de stabiliser la thermique moteur et les émissions à l'échappement. L'analyse des particules est faite sur sonde PBS PEGASOR. [0036] Les résultats relatifs aux émissions d'oxyde d'azote sont présentés dans le Tableau 1. [0037] 6 [Tableaul] Emissions moyennes d'oxydes Pourcentage de baisse par d'azote (ppm) rapport à l'essence Ron 95 Ron 95 4428,5 Exemple 1 4280,8 3,3% Exemple 2 4138,8 6,5% Exemple 3 4023,3 9,1% Exemple 4 3839,7 13,3% [0038] Les résultats relatifs aux émissions d'hydrocarbures imbrulés sont présentés dans le Tableau 2. [0039] [Tableau2] Emissions moyennes Pourcentage de baisse par d'hydrocarbures imbrulés (ppm) rapport à l'essence Ron 95 Ron 95 3070,2 Exemple 1 2832,8 7,7% Exemple 2 2779,5 9,5% Exemple 3 2761,5 10,1% Exemple 4 2695,7 12,2% [0040] Les résultats relatifs aux émissions de particules sont présentes dans le Tableau 3. [0041] [Tableau3] Emissions de particules (masse Pourcentage de baisse par en mg/m3) rapport à l'essence Ron 95 Ron 95 0,01 Exemple 1 Non détectable Exemple 2 Non détectable Exemple 3 Non détectable Exemple 4 Non détectable [0042] Les résultats relatifs à l'indice d'octane sont présentés dans le Tableau 4. [0043] 7 [Tableau4] Indice d'octane Ron Ron 95 95,1 Exemple 1 98,1 [0044] Ces résultats montrent bien que l'utilisation d'esters d'acides gras volatils à courtes chaînes permet à la fois : - - de réduire les émissions d'oxydes d'azote - - de réduire les émissions d'hydrocarbures imbrulés - - de réduire les émissions de particules. Elle permet également d'augmenter de manière très significative l'indice d'octane de l'essence. 8