Brevet FR3151041A1 — publié le 20250117

La présente invention porte sur un procédé de réduction des émissions d’un moteur à combustion interne, en particulier un moteur à allumage commandé à essence, à hydrogène, au gaz naturel ou au biogaz ou un moteur à allumage par compression, comprenant l’injection, dans la chambre de combustion du moteur ou en amont de celle-ci, d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde La présente invention porte en outre sur l’utilisation de ladite composition aqueuse pour réduire les émissions polluantes, telles que les émissions de particules. Procédé de réduction des émissions d’un moteur à combustion interne comprenant l’injection d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde La présente invention porte sur un procédé de réduction des émissions d’un moteur à combustion interne, en particulier un moteur à allumage commandé notamment à essence, à hydrogène, au gaz naturel ou au biogaz ou un moteur à allumage par compression, comprenant l’injection, dans la chambre de combustion du moteur ou en amont de celle-ci, d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde. La présente invention porte en outre sur l’utilisation de ladite composition aqueuse pour réduire les émissions polluantes, telles que notamment les émissions de particules. Les normes européennes et mondiales en matière de pollution applicables aux véhicules légers comme aux poids lourds, ont imposé des contraintes de plus en plus sérères sur les niveaux d’émissions des véhicules équipés de moteurs à combustion interne, tels que les moteurs à allumage commandé par exemple à essence, à hydrogène, au gaz naturel ou au biogaz ou les moteurs à allumage par compression. On peut notamment citer les émissions de particules parmi les émissions polluantes les plus réglementées. De manière connue en soi, tous les moteurs à combustion interne émettent des particules à des niveaux plus ou moins élevés, y compris les moteurs alimentés par de l’hydrogène. Ces particules proviennent de la combustion du carburant et/ou de la combustion d’une partie de la composition de lubrifiant employés pour lubrifier le système de motorisation. Actuellement, les solutions existantes pour réduire les émissions des particules polluantes consistent en un post-traitement des gaz d’échappement. En outre, peu de solutions de pré-traitement des carburants par des additifs visent à permettre la réduction des émissions polluantes. L’emploi de ces additifs vise plutôt à améliorer les performances des moteurs. La demande WO2020159392 propose d’ajouter à l’air une composition aqueuse comprenant des sels de métaux de transition à un état d’oxydation élevé afin de réduire les émissions polluantes. La présence de composés métalliques dans la chambre de combustion n’est pas souhaitable car elle favorise la formation de dépôts qui peuvent provoquer des points chauds, sources de phénomène de pré-allumage. Par ailleurs, l’injection de composés métalliques dans la chambre de combustion est susceptible de conduire à des émissions de substances métalliques à l’échappement dont la nocivité sur les organismes vivant est soulevée. Il existe un réel besoin de mettre au point une solution simple permettant de réduire efficacement les émissions polluantes, en particulier les particules. La présente invention concerne les moteurs à combustion interne, en particulier les moteurs à allumage commandé à essence, à hydrogène, au gaz naturel ou au biogaz et les moteurs à allumage par compression. La Demanderesse a découvert que la mise en œuvre d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde dans un moteur à combustion interne permettait d’atteindre les objectifs précités. En particulier, elle a découvert que l’injection dans le moteur d’au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde en solution dans l’eau permet de réduire les émissions polluantes, notamment les émissions de particules. La présente invention a donc pour objet un procédé de réduction des émissions d’un moteur à combustion interne comprenant l’injection, dans la chambre de combustion du moteur ou en amont de celle-ci, d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde. Le procédé selon la présente invention permet de réduire les émissions polluantes, en particulier les émissions de particules, et ce de façon simple et efficace. En outre, la composition aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention est simple à formuler, et à utiliser. La présente invention porte en outre sur l’utilisation d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde, pour réduire les émissions polluantes, en particulier les émissions de particules. De plus, la Demanderesse a constaté que le procédé selon la présente invention permet en outre de prévenir et/ou réduire les phénomènes de pré-allumage dans les moteurs à combustion interne, notamment les moteurs à allumage commandé. Le procédé selon la présente invention permet ainsi d’améliorer le fonctionnement du moteur, de prolonger sa durée de vie et d’obtenir un gain de rendement du moteur. Ce phénomène de pré-allumage est bien connu dans les moteurs à allumage commandé à essence, gaz et à biogaz. Il est également très présent dans les moteurs à allumage commandé à hydrogène, l’hydrogène brûlant très vite et n’ayant pas besoin de beaucoup d’énergie pour s’auto-enflammer. La réduction de ce phénomène permet un impact positif sur l'efficacité et les performances du moteur en permettant de réduire une augmentation de température et de pression dans la chambre de combustion à un moment prématuré du cycle du moteur. D’autres objets, caractéristiques, aspects et avantages de l’invention apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description et des exemples qui suivent. Dans la suite du texte, on désignera plus simplement sous l’appellation « composés aptes à libérer du formaldéhyde », ou encore « composés précurseurs de formaldéhyde », des composés, distincts du formaldéhyde, aptes à générer du formaldéhyde. De préférence, cette libération de formaldéhyde est réalisée dans les conditions de température et de pression rencontrées dans la chambre de combustion du moteur. Ces composés sont décrits plus particulièrement dans la suite du texte. Dans ce qui va suivre, et à moins d’une autre indication, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans les expressions « compris entre » et « allant de … à … ». Par ailleurs, les expressions « au moins un » et « au moins » utilisées dans la présente description sont respectivement équivalentes aux expressions « un ou plusieurs » et « supérieur ou égal ». Eau La composition mise en œuvre selon le procédé de l’invention est aqueuse, c’est-à-dire qu’elle comprend de l’eau. De préférence, on utilise de l’eau déminéralisée. De préférence, la teneur en eau est comprise entre 60 et 98% en masse, plus préférentiellement entre 70 et 95% en masse, et mieux entre 75 et 90% en masse, par rapport à la masse totale de la composition aqueuse. Composés aptes à libérer du formaldéhyde La composition aqueuse mise en œuvre dans le procédé de l’invention comprend au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde (CH 2 O). De préférence, le ou les composés choisis sont aptes à libérer du formaldéhyde dans les conditions de température et de pression de la chambre à combustion ou la chambre à compression du moteur à combustion interne. L’homme du métier est à même de choisir un ou plusieurs composés précurseurs de formaldéhyde selon l’invention, permettant de générer du formaldéhyde dans les conditions de la chambre de combustion du moteur, dans lequel la composition aqueuse est destinée à être mise en œuvre. Plus particulièrement, la température dans la chambre de combustion d’un moteur peut être supérieure ou égale à 200 °C, en particulier comprise entre 250 °C et 800 °C et notamment entre 300 °C et 600 °C. La pression au sein de la chambre de combustion peut quant à elle varier de 5.10 4 Pa à 200.10 5 Pa, en particulier de 2.10 5 Pa à 180.10 5 Pa. Le ou les composés précurseurs de formaldéhyde selon l’invention peuvent être ainsi plus particulièrement aptes à générer/libérer, par décomposition thermique, du formaldéhyde dans des conditions de température supérieure ou égale à 200°C et de pression supérieure ou égale à 5.10 4 Pa. A titre d’exemples, le ou les composés aptes à libérer du formaldéhyde peuvent notamment être choisis parmi les composés N-méthylols tels que la diméthylol urée, la triméthylol urée, la diméthylol guanidine, la triméthylol mélamine, l’hexaméthylol mélamine ; la 1,3,5,5-tetraméthylimidazolidine-2,4-dione ; le bisulfite formaldéhyde de sodium ; la méthénamine ; les formes polymérisées du formaldéhyde telles que le paraformaldéhyde ; les trioxanes et les dérivés de trioxane ; et les mélanges de ces composés. Selon un mode de réalisation particulier, le composé apte à libérer du formaldéhyde utilisé selon l’invention est choisi parmi la méthénamine, le paraformaldéhyde et les trioxanes, en particulier le 1,3,5-trioxane. De préférence, le composé apte à libérer formaldéhyde selon l’invention est un trioxane, en particulier le 1,3,5-trioxane. Les composés précurseurs de formaldéhyde requis selon l’invention peuvent être disponibles dans le commerce, ou encore préparés selon des méthodes de synthèse connues de l’homme du métier, notamment à partir de formaldéhyde. A titre d’exemple, le trioxane peut être produit par trimérisation du formaldéhyde en mettant en œuvre des catalyseurs acides. Il est entendu que, dans le cadre de la présente invention, un précurseur de formaldéhyde peut être sous la forme d’un mélange de différents précurseurs de formaldéhyde, en particulier tels que définis précédemment. De préférence, le ou les composés aptes à libérer du formaldéhyde sont présents en une teneur allant de 0,5 à 25% en masse, plus préférentiellement de 0,75 à 20% en masse, plus préférentiellement encore de 1 à 10% en masse, par rapport à la masse totale de la composition aqueuse. Dans un mode de réalisation particulier, le 1,3,5-trioxane est présent en une teneur allant de préférence de 0,5 à 25% en masse, plus préférentiellement de 0,75 à 20% en masse, plus préférentiellement encore de 1 à 10% en masse, par rapport à la masse totale de la composition aqueuse. Autres additifs La composition aqueuse mise en œuvre dans le procédé de l’invention peut éventuellement comprendre en outre un ou plusieurs additifs additionnels, différents des composés aptes à libérer du formaldéhyde décrits ci-avant. Ce ou ces additifs additionnels peuvent être par exemple choisis, de manière non limitative, parmi les additifs détergents, les additifs anti-corrosion, les biocides, les additifs anti-gel, les additifs anti-oxydants, les additifs anti-usure, les additifs modificateurs de frottement, et leurs mélanges. Ces additifs additionnels peuvent être présents en quantité allant, pour chacun, de 0,01 à 3% en masse (chacun), de préférence de 0,05 à 1% en masse (chacun), par rapport à la masse totale de la composition aqueuse selon l’invention. Selon un mode de réalisation, la composition aqueuse mise en œuvre dans le procédé de l’invention ne comprend pas d’additifs additionnels, différents des composés aptes à libérer du formaldéhyde. Dans ce mode de réalisation, la composition aqueuse est donc juste constituée d’eau et du ou des composés aptes à libérer du formaldéhyde. Le procédé Le procédé selon l’invention s’applique à tout moteur à combustion interne. Dans un premier mode de réalisation, le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé, de préférence choisi parmi un moteur à allumage commandé à essence, un moteur à allumage commandé à hydrogène, un moteur à allumage commandé au gaz naturel et un moteur à allumage commandé au biogaz. Dans ce mode de réalisation, la composition telle que définie ci-avant est injectée dans le moteur alimenté par une composition de carburant choisie parmi une composition d’essence, de l’hydrogène, du gaz naturel ou du biogaz. Dans le cas d’une composition de carburant hydrogène, l’hydrogène est de préférence produit par électrolyse de l’eau à partir d’électricité à faible impact CO 2 , par reformage du gaz naturel avec captage du CO 2 émis, ou encore par décomposition du gaz naturel en carbone solide et hydrogène. L’hydrogène peut également provenir de source fossile sans captation du CO 2 comme le gaz naturel ou le charbon. L’hydrogène peut également provenir de source biogénique produit par des organismes biologiques ou par décomposition de matières organiques. Enfin l’hydrogène peut également provenir de source géologique naturelle et produit dans le sous-sol terrestre. Dans un second mode de réalisation, le moteur à combustion interne est un moteur à allumage par compression, ou moteur Diesel. Dans ce mode de réalisation, la composition telle que définie ci-avant est injectée dans le moteur alimenté par une composition de carburant qui peut notamment être choisie parmi les gazoles (ou carburant dit « Diesel ») et les biogazoles (ou carburant dit « bio-Diesel ») et leurs mélanges. Dans une variante de ce mode de réalisation, le moteur à allumage par compression est un moteur à carburation mixte (également dénommé couramment moteur « dual fuel »). Dans cette variante, la composition aqueuse telle que définie ci-avant est injectée dans le moteur alimenté par une combinaison d’au moins deux compositions de carburant différentes notamment de type gazole/essence, gazole/GPL, gazole/GNV, gazole/éthanol, gazole/ammoniac. Dans le cas d’un moteur marin, le moteur est alimenté au moyen d’une combinaison de type fioul lourd / gaz naturel, fioul lourd / méthanol, fioul lourd / ammoniac. Dans un troisième mode de réalisation, le moteur à combustion interne, en particulier le moteur à allumage commandé, est associé à un moteur électrique, il s’agit alors d’un moteur dit hybride. Selon le procédé de l’invention, l’injection de la composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde peut être réalisée soit en amont de la chambre de combustion du moteur, notamment dans le circuit d’admission du mélange d’air et de carburant du moteur à combustion interne (injection indirecte), soit directement dans la chambre de combustion du moteur (injection directe). Dans le cas d’un mode d’injection indirecte, la composition aqueuse est pulvérisée de préférence dans le circuit d’admission d’air et de carburant et se mélange à l’air présent avant d’être admis dans la chambre de combustion ou la chambre de compression du moteur. Dans le cas d’un mode d’injection directe, la composition aqueuse est pulvérisée directement dans la chambre de combustion ou la chambre de compression du moteur et se mélange à l’air présent dans ladite chambre. Cette injection peut être faite en utilisant des moyens connus en soi tels qu’une buse d’injection qui permet de pulvériser la composition en amont de la chambre de combustion du moteur, notamment dans le circuit d’admission d’air, ou directement dans la chambre de combustion. La quantité de composition injectée est déterminée par le pilotage de la durée d’ouverture de l’injecteur, compte tenu du débit volumique de l’injecteur et la masse volumique du fluide injecté. La présente invention porte en outre sur l’utilisation de la composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde, telle que définie ci-avant, pour réduire les émissions polluantes d’un moteur à combustion interne. En particulier, la présente invention porte sur l’utilisation de la composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde, telle que définie ci-avant, pour réduire les émissions de particules. Les niveaux d’émissions de particules peuvent être notamment mesurés conformément aux méthodes définies dans la réglementation européenne ECE-R83.05. Cette réglementation définit une procédure d’essai harmonisée pour l’homologation des véhicules en Europe et la mesure des différents types d’émissions. Cette réglementation est définie en référence à un test standardisé dénommé WLTP (de l’anglais « World harmonized Light duty Test Procedure »), qui est une procédure d’essai harmonisée au niveau mondial. Dans cette procédure, les émissions sont mesurées en utilisant des analyseurs d’émissions de haute précision pendant des cycles d’essais définis dénommés WLTC (de l’anglais « World harmonized Light duty Test Cycle »), WHTC (de l’anglais « World Harmonized Transient Cycle ») ou NEDC (de l’anglais « New European Driving Cycle ») selon le type et la norme du véhicule (Euro 6 ou Euro VI). L’utilisation de la composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde, telle que définie ci-avant, permet également de prévenir et/ou diminuer le pré-allumage dans un moteur à combustion interne, de préférence dans un moteur à allumage commandé. Les exemples ci-après sont donnés à titre d’illustration de l’invention, et ne sauraient être interprétés de manière à en limiter la portée. Exemples Exemple 1 : Emission de particules Les compositions A1 à A3 selon l’invention et C1 comparative ont été préparées à partir des ingrédients dont les teneurs sont indiquées dans le tableau ci-dessous (% en masse) : A1 A2 A3 C1 eau 99 95 90 100 1,3,5-trioxane 1 5 10 - La procédure d’essai utilise un moteur mono-cylindre de 1,3L de cylindrée (course : 135 mm, alésage : 110 mm), 4 soupapes, équipé d’une suralimentation en air par compresseur et muni d’un système à allumage commandé par bougie. De l’hydrogène sous forme gazeuse et de pureté supérieure à 99,995% est utilisé comme carburant et injecté de façon indirecte dans la chambre de combustion à l’aide d’un injecteur de gaz placé sur le circuit d’admission en air du moteur. Un injecteur de solution aqueuse est également installé sur le circuit d’air du moteur afin d’injecter chaque composition testée (A1, A2, A3 et C1) à un débit contrôlé par une pompe à engrenage et un débitmètre massique sous une pression de 10 bar. Un compteur de particules en masse est installé sur la ligne d’échappement du moteur pour caractériser la quantité massique de particules émises par le fonctionnement du moteur pour les différentes compositions testées. Le point de fonctionnement choisi dans cet exemple cible les valeurs suivantes : 900 tr/min, pression moyenne indiquée de 11,5 bar, pression air admission de 2,5 bar, température air admission de 42°C, ratio air/carburant lambda de 2,4. Les essais sont réalisés pour un ratio du débit massique en composition testée sur le débit massique en hydrogène (H 2 ) de 0,2. Les valeurs d’émissions de particules pour les différentes compositions testées sont regroupées dans le tableau 2 ci-après. A1 A2 A3 C1 Concentration en particules (µg/m 3 ) 11,5 14 11 20,4 Les compositions A1, A2 et A3, comprenant du 1,3,5-trioxane, permettent de réduire les émissions de particules, et donc d’améliorer les performances environnementales, par rapport à une composition comparative C1 ne comprenant que de l’eau. Exemple 2 : Pré-allumage Les compositions A4 selon l’invention et C2 et C3 comparatives ont été préparées à partir des ingrédients dont les teneurs sont indiquées dans le tableau ci-dessous (% en masse) : A4 C2 C3 eau 99 100 67,5 1,3,5-trioxane 1 - - urée - - 32,5 L’impact sur le pré-allumage a ensuite été mesuré. On utilise un moteur mono-cylindre de 0,5L de cylindrée (course : 108 mm, alésage : 75 mm), 4 soupapes, équipé d’une suralimentation en air par turbochargeur et muni d’un système à allumage commandé par bougie. De l’hydrogène sous forme gazeuse et de pureté supérieure à 99.995% est utilisé comme carburant et injecté directement dans la chambre de combustion à l’aide d’un injecteur gaz. Le point de fonctionnement utilisé est réglé à 2000 tr/min de vitesse de rotation, une charge moteur de 8 bar (8. 10 5 Pa) de Pression Moyenne Effective (PME) et avec une richesse du mélange carburant air/hydrogène de 0,4. Un système d’injection en phase liquide est installé sur le circuit d’admission et relié à une pompe de débit ajustable ainsi qu’à un réservoir. Les compositions décrites le Tableau 3 sont introduites dans ce réservoir liquide avec un débit de 1kg/h. L’apparition du pré-allumage dans la chambre de combustion est identifiée à l’aide d’un capteur de pression cylindre mesurant la pression au cours du cycle de combustion. La fréquence de pré-allumage est définie par le nombre de cycle de pré-allumage rapporté à 100 cycles moteur. Pour chaque composition testée, une caractérisation de la fréquence de pré-allumage est réalisée sur une configuration moteur sans injection de ladite composition dans le circuit d’admission d’air du moteur puis une autre caractérisation de pré-allumage dans la même configuration moteur est réalisée avec un débit d’injection de 1kg/h de ladite composition dans le circuit d’admission d’air du moteur. L’impact sur le pré-allumage de la composition testée est défini par l’écart de fréquence de pré-allumage entre la configuration avec injection et sans injection rapportée à la fréquence de pré-allumage sans injection : - une valeur négative indique une réduction de la fréquence de pré-allumage grâce à la composition testée, - une valeur positive indique une augmentation de la fréquence de pré-allumage et donc une dégradation des conditions de combustion. Les résultats sont indiqués dans le Tableau 4 ci-dessous : A4 C2 C3 Impact sur le pré-allumage -100% -10% > +800% La composition comparative C2 (comprenant uniquement de l’eau déminéralisée) génère une réduction de la fréquence de pré-allumage du moteur de 10%. Cette composition C3 correspond à une composition déjà mise en œuvre par l’homme du métier dans diverses applications industrielles. La composition comparative C3, à base d’urée, est une composition bien connue pour les systèmes de dépollution SCR et largement utilisé dans l’industrie des transports. Cette composition entraîne une augmentation de la fréquence de pré-allumage de plus de 800%, donc une nette dégradation des conditions de combustion. La composition A4 selon l’invention quant à elle permet de réduire la fréquence de pré-allumage de100%. Procédé de réduction des émissions d’un moteur à combustion interne comprenant l’injection, dans la chambre de combustion du moteur ou en amont de celle-ci, d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les composés aptes à libérer du formaldéhyde sont choisis parmi les composés N-méthylols tels que la diméthylol urée, la triméthylol urée, la diméthylol guanidine, la triméthylol mélamine, l’hexaméthylol mélamine ; la 1,3,5,5-tetraméthylimidazolidine-2,4-dione ; le bisulfite formaldéhyde de sodium ; la méthénamine ; les formes polymérisées du formaldéhyde telles que le paraformaldéhyde ; les trioxanes et les dérivés de trioxane ; et les mélanges de ces composés. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé apte à libérer du formaldéhyde est un trioxane. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé apte à libérer du formaldéhyde est le 1,3,5-trioxane. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les composés aptes à libérer du formaldéhyde sont présents en une teneur allant de 0,5 à 25% en masse, de préférence de 0,75 à 20% en masse, plus préférentiellement de 1 à 10% en masse, par rapport à la masse totale de la composition aqueuse. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition comprend en outre un ou plusieurs additifs additionnels choisis parmi les additifs détergents, les additifs anti-corrosion, les biocides, les additifs anti-gel, les additifs anti-oxydants, les additifs anti-usure, les additifs modificateurs de frottement, et leurs mélanges. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’injection de la composition aqueuse est réalisée directement dans la chambre de combustion du moteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’injection de la composition aqueuse est réalisée en amont de la chambre de combustion du moteur, notamment dans le circuit d’admission du mélange d’air et de carburant du moteur à combustion interne. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé, de préférence choisi parmi un moteur à allumage commandé à essence, un moteur à allumage commandé à hydrogène, un moteur à allumage commandé au gaz naturel ou un moteur à allumage commandé au biogaz. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à allumage par compression. Utilisation d’une composition aqueuse comprenant au moins un composé apte à libérer du formaldéhyde, telle que définie dans l’une quelconque des revendications 1 à 6, pour réduire les émissions polluantes d’un moteur à combustion interne. Utilisation selon la revendication 11, pour réduire les émissions de particules.