Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention concerne un procédé d'épuration
des gaz d'échappement émis par les moteurs à cornbustion interne
du type Diésel.
On sait qu'il existe entre les gaz d'échappement émis
par les moteurs à essence et les moteurs "Diésel" des différences
importantes de nature et de composition.
Dans le premier cas, on trouve, outre de l'azote, du
gaz carbonique et de la vapeur d'eau provenant de la cornbustion
des hydrocarbures, de l'oxyde de carbone (4 à 6 %), des oxydes
d'azote (de 500 à 2000 ppm), des hydrocarbures imbrûlés (500 à
2000 ppm), des dérivés sulfurés oxydés, et du plomb, ce dernier
provenant du plornb tétraéthyle ajouté comme antidétonant.
Dans le second cas, on trouve dans les gaz d'échappe-
ment, outre de l'azote, du gaz carhonique et de la vapeur d'eau
provenant également de la combustion des hydrocarbures, une
très faible proportion d'oxyde de carbone (500 à 800 ppm, soit
près de cent fois moins que dans le premier cas), des oxydes
d'azote (de SOO à 2000 ppm), des hvdrocarbures imbrûlés (de 100
à 500 ppm), de l'oxygène (de 7 à 15 %) dû au fait que l'on
~ injecte toujours dans lex chambres de combu.stion un très large
excès d'air, et des particules noixes très fines, à raison de
40 à 70 mg environ par litre de carburant injecté dans le moteur
qui sont responsables de la couleur caractéristique et de l'opa-
cité des fumées émises par l'échappement.
Les gaz d'échappement de moteurs Diésel cons-tituent
pour l'environnement une nuisance grave en raison du nor~re
considérable, et en augmentation rapide, de véhicules équipés
de moteurs Diésel (transport de marchandises et de passagers)
et de l'utilisa-tion fréquente de compresseurs d'air ou de groupes
électrogènes mûs par des moteurs Diésel, utilisés dans les locaux
fermés ou des galeries souterraines.
Et,bien que du fait de leur faible teneur en oxyde de
23~
carbone et ~e l'absence de plomb, leur toxicité soit relativernent
faible, leur odeur nauséabonde dûe, en particulier, à des aldé-
hydes, la présence de dérivés aromatiques polycicliques dont
certains sont soupc~onnés d'etre cancérigènes, et la présence de
particules carbonacées qui opacifient rapidemen-t l'atmosphère
lorsque l'échappement se fait dans un milieu confiné, rendent
indispensables des dispositifs d'épuration de ces gaz d'échappe-
ment.
La demanderesse a découvert qu'il était po~sible, dans
certaines conditions, de mettre à profit les propriétés de
l'alumine déposée sur un substrat métallique présentant une
grande surface, pour épurer les gaz d'échappement de moteurs
Diésel, en éliminant la majeure partie des hydrocarbures imbrûlés
et des particules carbonacées, qui sont les deux constituants les
plus génants.
Il est connu que les solutions aqueuses d'aluminate
alcalin peuvent, dans certaines conditions, se décomposer en
alumine, qui précipite sous forme de trihydrate A1203, 3H20, et
en hydroxyde alcalin, soit spontanément, soit par addition de
germes qui servent d'amorce pour la réaction de décomposition.
Ces réactions sont mises en oeuvre, par exemple, dans le procédé
Bayer, qui permet d'obtenir, à partir de la bauxite, l'alumine
pure des-tinée à la fabrication de l'aluminium par électrolyse
ignée.
Il est également connu que certaines formes physiques
d'alumine présentent des propriétés catalytiques et adsorbantes
qui sont utilisées dans de nombreuses opéra-tions industrielles.
Plus récemment, à la suite de travaux visant à réduire
le niveau de pollution par les gaz d'échappement des moteurs
thermiques, on a trouvé que certaines formes d'alumine pouvaient
non seulement jouer un rale de catalyseur, mais aussi adsorber
la majeure partie du plomb entraîné sous forme de composés
~ 33'~3'~
volatifs dans les gaZ d'échappement, ledi-t plomb provenant de la
décomposition, dans les chambres de comhustion du moteur, ~es
derives de piomb tetra~alkyles ajoutes au carburant pour amélio~
rer son s<indice d'octane~, c~est a-dire sa capacité de resistance
uto~detonation.
Il a ete trouve, et c'est l'objet des brevets
~ americains 3.227.659, 3.231.520, 3.495.950, 3.362.783, au nom
de TEX~CO Inc., que les proprietés catalytiques et adsorbantes de
l'alumine etaient particulièrement efficaces lorsqu'elle etait
déposée sur un substrat métallique ~ormé d'un enchevêtrement
de fils fins, tel que de la <~laine metallique~ ou de ~a ~paille
metallique~, la texture de cet enchevêtrement etant telle qu'elle
n'oppose qu'une faible resistance au passage des gaz d'echappe-
ment, et qu'elle ne diminue que de façon insignifiante le rende-
ment du moteur.
Dans le brevet français n~ 2.335.616, la demande-
~ resse a decrit un perfectionnement aux procedes de depôt d'alu-
mine sur un substrat metallique permettant d'obtenir en continu,
et avec une régeneration simultanée de la liqueur d'aluminate,
des depôts très adherents et presentant d'excellentes propriétés
adsorbantes.
Cependant, si l'on tente.d'utiliser de tels dépôts
pour épurer les gaz d'echappement des moteurs Diesel, on cons-
tate que l'e~ficacite de l'epuration est tres faible et, en
particulier, que l'odeur desagreable et l'opacite des ~umées
~ subsistent en grande partie.
L'invention a donc pour objet un procede d'epu~
ration des gaz d'échappemcnt émis par un moteur a combustlon
interne du type Diesel caracterise en ce ~u'il comprend:
3G a) la dëposition sur un enc~evetrement de fils
metalliques,d'alumine tri.h~dratee a partir d'une solu-tion
d'aluminate alcalin;
'! i - 3 -
. . ~ ~ .
~L~1 33~3Z
b) la calcination de ladite alu~nine a~ir~ de
lui donner une surface spécif1que dlau m.oins 120 m2f~ram~e (me-
suree par la methode classique B . E . T. d'adsorption d'azote a
basse temperature selon la norme francaise AFNOR X 11.621)i
~) la mise en place ~udit enchevetrement de
fils métalliques couvert d'alumine dans le circuit d~échappement
dudit moteur, et
d) .la mise en contact des gaz d'echappement avec
ledit enc~ey~trement de fils métalliques collvert d~alumine
pendant une durée au moins égale a 0.3 seconde a une température
d'au moins 250.~C.
Lorsque ces conditlons sont réalisées, on constate
que, d~une part, les hydrocarbures imbrQlés qui se trouvent
mélanges a l'excès d'air toujours présent dans les gaz d'échap-
pement, subissent une post-combustion a peu pres totale et, en
tous les cas, d'un taux suffisant pour supprimer toute odeur
~ perceptible et que, d'autre part, les particules carbonées,
responsables de l'opacité des fuméesr sont retenues dans une
. proportion au moins egale a 70~ et pouvant atteindre 80%.
Il apparaît que,de façon tout a fait surprenante,
cette post-combustion s'opere en l'absence de tout element cata-
lyseur métallique, alors que dans les procedés antérieurs, notam-
~ ment ceux qui font l'objet des brevets français 1.047.802 et
1.400.504r et des brevets américains 3.231.520 et 3.495.950, il
etait necessaire d'introduire, dans l'alumine, des elements
catalyseurs mé-talliques, tels que du cuivre, du vanadium, du
chrome, du manganese, du platine ou du palladium, qui perdaient
progresslvement leur efficaclté par le phénomane dit ~d'empoison-
nement~>, ce qui en limitait la durée de vie de fa~on écono
miquement inacceptable.
La température au moins égale a 250~C, qui est
nécessaire pour produire la post-combustion des hydrocarbures
~ ~ - 4 -
.
~.~3~Z3Z
imbrulés, est obtenue sans dif~iculté, d~ la mise en marche
du moteur, la température des gaz. d'echappement étant noxmale-
ment superieure ~ 500~~, ce ~ui amane le pot d'echappement a une
température pouvant atteindre en~viron 380~C lorsque le moteur
travaille ~ pleine charge.
. Dans le cas o~ les conditions ambiantes pourraient
entrainer un refroidissement sensible du dispositi~ d'epuration,
il est possible de prevoir un calorifuyeage par tous moyens
connus. '
. . .
~33Z3Z
La surface spécifique de l'alumine qui doit etre au
moins égale à 120 m3/g est obtenue de fa~con connue par un choix
convenable des conditions de séchage et de calcination du
trihydrate A1203, 3H20 qui se dépose sur un substrat métallique
à partir de la solution d'aluminate alcalin.
Une montée progressive en température, de l'ambiante
à 530-550~C, permet d'obtenir une telle surface spécifique.
Il est également essentiel que la durée de contact
entre les gaz d'échappement et le dispositif d'épuration soit
suffisante et, dans tous les cas, au moins égale à 0,3 seconde
pour que le double processus de rétention des particules carbonées
et de post-combustion des hydrocarbures imbrulés, puisse se
dérouler intégralement. En pratique, cette durée est obtenue
en donnant au dispositif d'épuration un volume en rapport avec
le volume de gaz d'échappement émis par seconde.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans
toutefois la limiter.
Exemple 1
On a confectionné un dispositif d'épuration des gaz
d'échappement émis par un moteur Diésel de 6 cylindres, de 149 kw
(environ 202 CV) monté sur un banc d'essai fixe, constitué par
un cylindre de 350 mm de diamètre et de 880 mm de long, dans
lequel on a introduit 8 500 grammes de laine d'acier inoxydable
ferritique à 17 % de chrome, composée de brins élémentaires à
section sensiblement rectangulaire de 0,1 x 0,4 mm, sur lesquels
on a déposé, à partir d'une solution d'aluminate alcalin, de
facon connue, 17 00 grammes d'alumine présentant, apr~s calcina-
tion, une surface spécifique B.E.T. d'environ 140 m /gramme.
Ce cylindre a été fermé aux deux extrémités par deux éléments
de métal déploy~ à larges mailles, ayant pour seul but d'immobi-
liser la laine métallique, et a été branché dans le circuitd'échappement du moteur Diésel.
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Différents essais ont été effectués, correspondant à
des charges différentes du moteur, sous des puissances respectives
de 42, 79 et 149 kw~ La consommation du moteur était de l'ordre
de 217 grammes de carburant par kilowatt et par heure. ~u régime
maximum de 149 kw, le débit des gaz d'échappement était de 530
Nm3/heure, et la température du pot d'échappement était de 380~C
environ.
La durée de passage des gaz dans le dispositif d'épura-
tion, calculée en fonction de leur débit et du volume dudit dispo-
sitif, était d'environ 0,46 seconde.
Les gaz d'échappement sortant du dispositif d'épuration,quelle que soit la charge du moteur, ne présentaient plus ni
odeur, ni opacité appréciable. L'analyse a montré que la teneur
en hydrocarbures imbrûlés était passée de 200 ppm en amont du
dispositif de filtration à moins de 20 ppm en aval et que 77 %
des particules carbonées avaient été retenues.
La durée pendant laquelle le dispositif d'épuration
conserve son efficacité est de l'ordre de plusieurs milliers
d'heures. Au bout de ce temps, la perte de charge dans le
circuit d'échappement, qui est de l'ordre de 100 mm d'eau, pour
le cas pris en exemple, n'a pas augmenté de façon sensible.
Exemple 2
On a confectionné un dispositif d'épuration des gaz
d'échappement émis par un moteur Diésel de 150 Kw, monté sur
un locotracteur destiné à circuler dans des galeries souterraines,
constitué par la mise en série de deux cylindres de 350 mm de
diamètre et de 920 mm de longueur totale, dans lesquels on a
introduit 8900 grammes de laine d'acier inoxydable ferritique
à 17 % de chrome, composée de brins élémentaires à section
sensiblement rectangulaire de 0,1 x 0,~ rnrn, sur lesquels on a
déposé, à partir d'une solution d'aluminate alcalin, de facon
connue, 17000 grarnmes d'alumine présentan-t, après calcination,
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une surface spéci~i~ue B.E.T. d'environ 140 m /gramme.
ce cylindre a été fermé aux deux ex~rémités par deux
éléments de métal déployé à larges mailles, ayant pour seul but
d'immobiliser la laine métallique, et a été branché dans le
circuit d'échappement du moteur Diésel, avec un diffuseur évasé
à l'entrée, destiné à limiter les pertes de charge.
La durée de passage des gaz d'échappement dans ce
dispositif d'épuration était, en moyenne, de 0,6 seconde.
Dans les conditions normales d'exploitation du loco-
tracteur, on a analysé les gaz d'échappement à lientrée et à lasortie du dispositif d'épuration. Les résultats ont été les
suivants:
(ils sont donnés en parties par million)
_ Entree Sortie
monoxyde de carbone 1~5 150
oxydes d'azote 400 270
aldéhydes 20 3 à 4
indice d'opacité
mesuré à l'appareil 3 à 4 ~ 0,5
BOSCH
On constate une légère diminution de la teneur ~n Co,
dûe à une oxydatioa partielle en CO2, de la teneur en oxydes
d'azote, et une réduction d'environ 85 % de l'opacité, mesuré
l'appareil BOSCH, qui correspond à une réduction, dans une
proportion identique, de la teneur en particules carbonées
opacifiantes .
La teneur en aldéhydes, principalement responsables
de l'odeur nauséabonde des fumées a été réduite dans une propor-
tion de 80 à 85 %.
