L'invention concerne un système de neutralisation de gaz polluants par pyrolyse des particules et suies en suspension, rejetées notamment par les moteurs à combustion interne à essence ou diesel, ou par tous types de combustions industrielles rejetant des fumées nocives, par exemple usines d'incinération de déchets.

On sait que la combustion notamment des carburants alimentant les moteurs à combustion interne à essence ou gazoile ne peut jamais tre équilibrée et complète du fait notamment d'un manque d'air au moment des transitoires et de la présence principalement de susbstances nocives dans les gaz d'échappement telles que monoxyde de carbone CO, hydrocarbures HC non brûlés ou partiellement brûlés, oxydes d'azote NOx, substances solides comme particules et suies. L'apparition de particules ou de suies résulte d'une carburation trop pauvre en air. Elle se produit notamment aux transitoires : démarrage au passage au vert des feux de signalisation, aux changements de vitesse sur plat, en côte et aux accélérations.

On connait déjà des systèmes de traitement de ces polluants tels que les « pots catalytiques des automobiles et plus récemment des camions diesel, mettant en oeuvre des catalyseurs destinés à oxyder principalement le monoxyde de carbone, les résidus d'hydrocarbures non brûlés ou partiellement brûlés et d'oxyde d'azote NOx.

Les inconvénients présentés par ce type de système réside notamment dans la difficulté de choix d'un métal ou d'un oxyde métallique catalyseur efficace pour accélérer ces réactions.

Un catalyseur qui réduit le NOx au delà de N2, en N3H, ne conviendra pas parce que l'amoniac libéré à l'atmosphère se réoxydera en NOx. Un autre inconvénient important de ce système se manifeste au démarrage à froid du moteur à combustion interne et jusqu'à ce que le pot catalytique ait atteint sa température de fonctionnement optimal. Pendant cette période, les émissions de polluants non seulement ne sont pas réduites, mais accrues. Cet inconvénient oblige à choisir des métaux nobles et onéreux tels que par exemple le platine qui agit à plus basse température. En outre, le soufre S02 présent dans l'essence se trouve oxydé en S03 par la catalyse, ce qui génère de l'acide sulfurique. D'une façon générale, les pots catalytiques sont très onéreux, réduisent la puissance des moteurs, accroissent la consommation de carburant et ajoutent un poids supplémentaire à la masse à vide des véhicules, ils ne neutralisent qu'une partie des polluants, leur efficacité est limitée. Quant aux procédés de « lavage des gaz », ils sont excessivement onéreux

On connaît également des systèmes destinés à détruire par combustion les particules contenues dans les rejets polluants des moteurs dieseL Cette combustion laisse subsister des résidus toxiques carbonés. On connaît aussi des filtres à particules, mais ceux-ci se bouchent très vite et nécessitent soit leur changement ou l'adjonction d'un système de régénération qui en accroissent le coût.

Le problème à résoudre consiste notamment : a fournir un système simple et robuste réduisant considérablement les émissions de polluants des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne et celles des usines diverses, à un niveau très inférieur à celui déjà obtenu par les systèmes existants correspondant aux normes les plus sévères ; * à fournir ce système à un coût égal et préférablement inférieur à celui des moyens traditionnels à puissance égale ; * à éviter d'introduire une perte de charge qui accroît la consommation de carburant et réduit la puissance dans le cas des moteurs à combustion interne ; * à accroître de façon importante la longévité du système : * à réduire les émission de gaz polluants de divers processus industriels (usines d'incinération de déchets, chauffage urbain au mazout, voir chauffage domestique au mazout et tous types d'émissions de fumées nocives contenant des particules diverses en suspension pouvant tre détruites par pyrolyse).

Le système selon l'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités, de résoudre le problème posé ci-dessus et de fournir une gamme de moyens de réduction efficace des polluants rejetés par les moteurs à combustion interne, diesel ou à essence, couvrant une grande partie de la plage de puissances des moteurs fixes ou mobiles existants sur le marché, ce système étant adaptable à la pyrolyse des fumées industrielles.

Le système suivant l'invention comporte un moyen de neutralisation des gaz polluants constitué d'un four à pyrolyse agencé pour retenir et détruire les résidus de combustion incomplète, par l'intermédiaire de moyens présentant une très grande surface d'échange à température de pyrolyse avec lesdits gaz. Ladite surface d'échange et de pyrolyse étant prévue pour se mettre quasi instantanément à la température desdits gaz d'échappement dès la mise en marche du moteur à combustion interne.

Selon un premier mode de réalisation, la surface d'échange et de pyrolyse est constituée par un ensemble de sphères comportant chacune, sur toute leur surface, une pluralité d'excroissances (1,2,3) par exemple du type pointes de diamant ou similaire. Les sphères comportant chacune une pluralité d'excroissances, sont usinées dans de la roche calcaire ou de nature quelconque. Les sphères peuvent tre également obtenues par moulage de poudre minérale préférablement calcaire.

Les sphères avec leurs excroissances peuvent tre embouties en deux partie soudées, dans un métal à bon coefficient de transmission thermique, en feuille de très faible épaisseur. Ces sphères sont conditionnées à dimension et introduite dans un four à pyrolyse de dimensions corresppondantes.

Selon une seconde variante de réalisation, le moyen de neutralisation des gaz polluants présentant une très grande surface d'échange est constitué d'un empilage de plaques métalliques très minces à bon coefficient de transmission de chaleur, portant chacune, sur toute leur surface, une pluralité d'excroissances préférablement identiques, embouties en quinconce par rapport au sens de circulation des gaz. Ces plaques de pyrolyse sont introduites dans un four calorifuge de section rectangulaire ou carrée.

Selon une troisième variante de réalisation, le moyen de neutralisation des gaz polluants présentant une très grande surface d'échange est constitué d'une seule plaque de pyrolyse enroulée en spirale et introduite dans l'enceinte d'un four cylindrique calorifuge.

La mise à température de cette plaque enroulée est effectuée à la mise sous tension juste avant le démarrage du moteur, en utilisant celle-ci comme résistance électrique.

Selon une quatrième variante de réalisation, le moyen de neutralisation des gaz polluants est constitué d'un ensemble de résistances électriques interchangeables enroulées en spirale à plat et empilées dans une enceinte calorifugée. La mise à température de la surface d'échange à pyrolyse, au moment du démarrage du moteur, est effectuée par une décharge de condensateurs de capacité adéquate. Le four à pyrolyse est disposé le plus près possible du moteur et est entièrement calorifuge ainsi que le tuyau d'évacuation des gaz d'échappement entre le moteur à combustion interne et ledit four à pyrolyse pour éviter les fuites thermiques.

Le système selon l'invention est constitué de modules assemblés entre eux ou intégrés, choisis selon le débit des gaz polluants et leur nature, parmi tout ou partie des modules suivants : module de four à pyrolyse, module de filtrage des particules et HC et de purification des gaz polluants, module d'injection, d'un liquide désodorisant et neutralisant de type « RINICEOLAT de Zinc » injecté avec de l'air comprimé assurant sa vaporisation, module amortisseur sonore et de réduction de température des gaz.

Pour les débits importants ou très importants de gaz polluants, la fonction de pyrolyse est assurée par une batterie de fours comportant un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie qui coopèrent, quand c'est nécessaire, avec un extracteur de fumées.

Les avantages de la présente invention sont les suivants : Réduction très importante des polluants gazeux ; Durée de vie accrue par rapport aux pots d'échappement classiques du fait de l'absence d'humidité et de la régénération continuelle par vibrations du four à pyrolyse ; Possibilité de réaliser des systèmes extra-plats très compacts pour toutes les puissances de moteurs ; * Pas de perte de puissance des moteurs ; Pas de surconsommation de carburant ; * Peu de supplément de poids par rapport aux pots d'échappement classiques ; Est opérationnel dès la mise en route du moteur ; Convient pour tous les moteurs à poste fixe.

Utilisable pour la réduction des fumées industrielles et des installations de chauffage au mazout des immeubles.

L'invention est décrite en détail dans le texte ci-après, en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels : les figures 1 à 4 montrent des exemples schématiques de moyens de matérialisation de surfaces pseudo-sphériques d'échange et de pyrolyse du système selon l'invention pour un moteur diesel ou à essence ; * les figures 5,6 et 7 montrent en coupe des exemples schématiques de surfaces pseudo- planes d'échange et de pyrolyse du système selon l'invention pour un moteur diesel ou à essence ;

* la figure 8 montre, vue de dessus un exemple schématique de disposition d'excroissances demi-sphériques ou cylindriques selon les figures 6 et 7 destinées à retenir et cuire les particules ou HC imbrûlés ou partiellement brûlés du système selon l'invention ; * la figure 9 montre, vue de dessus, un exemple schématique de disposition d'excroissances dites en pointe de diamant selon la figure 5 destinées à retenir et cuire les particules ou HC imbrûlés ou partiellement brûlés du système selon l'invention ; la figure 10 montre partiellement un exemple schématique d'empilement de plaques métallique mince portant des excroissances cylindriques destinées à retenir et cuire les particules ou HC imbrûlés ou partiellement brûlés du système selon l'invention ; w la figure 11 montre schématiquement l'enroulement en spirale d'une plaque métallique mince portant des excroissances destinées à retenir et cuire les particules ou HC imbrûlés ou partiellement brûlés du système selon l'invention ; les figures 12 et 13 montrent schématiquement un exemple de matérialisation de surface d'échange et de pyrolyse constitué d'un ensemble de résistances électriques enroulées en spirale à plat, en coupe en vue de face et en vue de côté ; la figure 14 montre schématiquement, en coupe vue de face, un exemple de matérialisation de surface d'échange et de cuisson constitué d'un ensemble de sphères creuses métalliques, portant des excroissances, en place dans une enceinte étanche calorifugée ; la figure 15 montre schématiquement, en coupe vue de face, un exemple de matérialisation de surface d'échange et de pyrolyse constitué d'un ensemble de sphères minérales portant des excroissances, en place dans une enceinte étanche calorifugée après interposition d'une chaussette métallique et de rondelles constituées de copeaux d'acier inoxydable ; les figures 16 et 17 montrent schématiquement, en coupe en bout et en coupe vue de face, un exemple de four de cuisson comportant des surfaces d'échanges et de cuisson constituées d'un ensemble de plaques portant des excroissances, en place dans une enceinte étanche calorifugée ; * la figure 18 montre schématiquement, en vue de face, un exemple de pot catalytique de type connu ;

la figure 19 montre schématiquement, en vue de face, un exemple de pot à pyrolyse complet selon l'invention pour des véhicules poids lourd, des autobus et cars, engins de chantier...

Tel qu'il est représenté sur les figures 1 à 3, l'exemple de grande surface d'échange et de pyrolyse selon l'invention pour assécher les gaz d'échappement, retenir et effectuer la pyrolyse rapide des particules et des HC imbrûlés ou partiellement brûlés, est constitué d'excroissances usinées à la surface de sphères minérales. La forme de ces excroissances identiques est préférablement celle qui offre la plus grande surface d'échange avec les gaz Elles peuvent par exemple tre en « pointes de diamant » 2, en pointes plus aigiies 1 (pyramides isocèles), ou en demi-sphère 3 ou autres formes faciles à obtenir par usinage ou par moulage sous pression de poussières minérale comme par exemple de calcaire. Par moulage, on peut obtenir d'autres formes portant ces excroissances que la sphère, mais cette dernière est préférable car elle offre la plus grande surface d'échange à volume égal et facilite la circulation des gaz.

Sur la figure 4, on a représenté un exemple de sphère creuse en tôle mince, de l'ordre de 0,4mm d'épaisseur, portant des excroissances en pointe de diamant, embouties par moitié et soudées par exemple électriquement ou par ultra-sons. Le matériau est à choisir parmi ceux qui offrent le meilleur coefficient de transmission thermique et résiste bien à la corrosion des gaz d'échappement ou autres rejets toxiques. A titre d'exemple, le diamètre des sphères est de l'ordre de 20mm pour les véhicules légers, de 50mm pour les cars et de 60mm pour les véhicules poids lourd. La quantité des sphères est fonction du débit des polluants à neutraliser.

Les excroissances ont pour première fonction de réduire l'inertie thermique de la surface des sphères de façon telle qu'elles se mettent quasi instantanément à température des gaz d'échappement dès la mise en marche du moteur à combustion interne, les sphères n'ayant pas à tre chauffées à coeur pour tre efficaces. Elles constituent une masse d'accumulation thermique. Les excroissances ont pour seconde fonction de multiplier la surface d'échange avec les gaz et de retenir au passage les particules et les résidus imbrûlés ou partiellement brûlés. Ils se collent sur ces excroissances d'autant plus facilement que leurs dimensions sont réduites et cuisent très rapidement. Les excroissances ont pour troisième fonction de faciliter le passage des gaz en évitant de provoquer une perte de charges réduisant la puissance du moteur.

La pyrolyse des particules et des suies réduit considérablement leur volume, voire les fait disparaître quasi totalement. Après la pyrolyse, les résidus de particules ne contiennent plus de carbone toxique CO. Celui-ci se transforme en COZ non toxique. Les HC sont également transformés par la pyrolyse et perdent leur nocivité. L'humidité H20 produite par la combustion du carburant est éliminée au passage au travers des sphères. Les très faibles résidus de particules et d'HC finissent par se décoller du fait des vibrations engendrées par le roulement et par le passage des gaz, ce qui régénère en permanence les surfaces d'échange. Ce très faible volume de résidus est entraîné par la pression des gaz dans la partie filtrante suivante.

Les sphères minérales ou métalliques creuses représentent un premier moyen de matérialisation de la surface d'échange et de pyrolyse. Dans le cas particulièrement des sphères de grand diamètre, les zones de passage entre les sphères sont importantes et sont susceptibles de laisser passer des particules et suies non neutralisées ou insuffisamment neutralisées.

Les figures 5 à 11 montrent un autre mode de réalisation de très grandes surfaces d'échange beaucoup plus compactes et régulières qu'avec les sphères. Les figures 5,6 et 7 montrent des exemples d'excroissances de diverses formes comme sur les sphères : en pointe de diamant 10, en demi-sphère 11, ou cylindriques 12, embouties sur des surfaces planes, préférablement disposées en maillage 15 en quinconce selon un angle par exemple de 45° par rapport au sens 16 de passage des gaz, pour éviter les tunnels directs.

La disposition en quinconce permet d'obliger les gaz à circuler sur un parcours comportant une pluralité d'obstacles sur lesquels les particules et suies se projettent et se fragmentent du fait du choc dû à la vitesse des gaz, principalement au début du circuit, réduisent leur taille et se collent sur les excroissances à température de l'ordre de 800 à 900 degré C, sur lesquelles elles sont transformées chimiquement et réduites en résidus inertes de très faible volume. La longueur du parcours des gaz dans le four à pyrolyse est prévu de telle sorte que la quasi totalité des particules et suies soit neutralisées. Ces faibles résidus se décollent ensuite du fait des vibrations et sont évacués par la pression des gaz dans le filtre suivant.

Sur la figure 9 on a montré un exemple de disposition d'excroissances embouties en pointe de diamant sur une plaque 20. La disposition des pointes de diamant est telle qu'il ne subsiste pas de parties planes sur la plaque 20 sauf localement sur les bords.

Cette disposition offre la plus grande surface d'échange possible en permettant de limiter les vibrations. Dans le cas des pointes de diamant, on a supprimé quelques unes de celles-ci de place en place pour permettre leur empilement en laissant subsister un espace de la hauteur de ces pointes pour la circulation des gaz La hauteur des pointes ou excroissances est calculée en fonction du débit maximal des gaz d'échappement pour éviter les pertes de charge.

La figure 10 montre un empilement partiel de plaques de pyrolyse à excroissances de forme cylindrique fermée 12 également disposées en quinconce destinées à emplir complètement le four à pyrolyse.

La figure 11 montre un exemple de four à pyrolyse cylindrique 21 constitué d'une plaque de pyrolyse 22 des figures 5,6 ou 7, enroulée sans mandrin et cerclée, introduit dans 1'enceinte 23 du four comportant un calorifugeage 24, dans lequel le rouleau est emmanché à force, ou bien est introduit dans une chaussette 25 en acier inoxydable avant son introduction dans le four. La structure de ce four est identique à celle des fours des figures suivantes.

Les figures 12 et 13 montrent schématiquement en coupe vue de face et en coupe vue de côté, un exemple de four à pyrolyse 29 constitué d'une enceinte cylindrique 30 entourée d'un matériau calorifuge 31, dans laquelle on a disposé un ensemble de résistances électriques identiques 32 enroulées en spirale plates montées avec un espace 33 entre elles.

Les résistances peuvent tre assemblées de différentes manières connues de l'homme de l'art. Les flasques de fermeture d'entrée 34 et de sortie 35 des gaz forment préférablement un cône ouvrant sur les tuyaux d'entrée 36 et de sortie 37 des gaz. Le mode d'isolation électrique et les traversées de parois bien connus de l'homme de l'art n'ont pas été représentées. La température des résistances est calibrées selon la nature des polluants à réduire par pyrolyse. Le nombre de résistances et le diamètre du four sont fonction du débit de gaz. Pour assurer la maintenance de ce type de four, on a prévu des résistances interchangeables. Chaque anneau en céramique porteur d'une résistance avec ses moyens habituels d'immobilisation, comporte par exemple deux épaulements en sens inverse, ce qui permet leur emboîtement successif Les résistances sont connectées par exemple par des cosses. L'enceinte calorifugée peut tre réalisée en deux demi-coquilles permettant leur démontage et le changement de la résistance défectueuse.

Ce type de four est utilisable pour un grand nombre d'applications industrielles indépendamment de l'application aux pots d'échappement à pyrolyse des moteurs à combustion interne, notamment les grandes chaufferies à mazout qui rejettent également beaucoup de suies et contnbuent notablement à la pollution urbaine. Pour les très gros débits de fumées industrielles, par exemple dans les usines d'incinération de déchets, on a prévu des fours à pyrolyse en batterie avec un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, coopérant avec un extracteur de fumées pour éviter les contrepressions lorsque la vitesse de sortie est faible.

L'avantage de ce type de four réside dans le fait de pouvoir contrôler avec précision la température de pyrolyse en fonction des besoins.

La figure 14 montre schématiquement en coupe vue de face, un exemple de four cylindrique à pyrolyse 38 comportant une paroi cylindrique 39 entourée d'un calorifugeage 40, dont la surface d'échange est constituée d'un ensemble de sphères métalliques creuses 7 porteuses d'excroissances, conditionnées préalablement au volume du four dans un filet en acier inoxydable, mis en place avant sertissage de la paroi de fermeture 41 ou 42. Le nombre et le diamètre des sphères ainsi que le diamètre et la longueur du four sont fonction du débit des gaz et de leur nature (essence, gazoile, ou autres dans les applications autres que celles de l'automobile).

La figure 15 montre schématiquement en coupe vue de face, un exemple de four cylindrique à pyrolyse 44 comportant une paroi étanche 45 entourée d'un calorifugeage 46, dont la surface d'échange est constituée d'un ensemble de sphères minérales 1,2 ou 3, porteuses d'excroissances, conditionnées préalablement au volume du four dans un filet en acier inoxydable, et introduit dans une chaussette 47, mis en place avant sertissage de la paroi de fermeture 48 ou 49 après interposition de rondelles 50,51 constituées d'un fil en acier inoxydable enchevtré, présentant en section trois artes très tranchantes, également conditionnées préalablement dans un filet en acier inoxydable. Les particules et les suies sont fragmentées par choc sur ce fil et sur ses artes successives au travers de son enchevtrement dans la rondelle. Ce fil peut tre obtenu sous forme d'un copeau de tour continu. B est ensuite enchevtré Du fait de sa nature, cette rondelle fait fonction d'amortisseur acoustique pour abaisser le niveau sonore des gaz d'échappement.

Le nombre et le diamètre des sphères ainsi que le diamètre et la longueur du four sont fonction du débit des gaz et de leur nature (essence, gazoile ou autres dans les d'applications autres que l'automobile).

Les figures 16 et 17 montrent schématiquement, en coupe en bout et en coupe vue de face, un autre exemple de four à pyrolyse 55 comportant des surfaces d'échange constituées d'un ensemble de plaques de pyrolyse 56 selon l'une des figures 5,6 ou 7, portant des excroissances 10,11 ou 12, en place dans une enceinte étanche 57 entourée d'un calorifugeage 58 de section rectangulaire ; comportant un tuyau 59 d'entrée des gaz et un tuyau de sortie 60 déportés l'un par rapport à l'autre. Ce type de four à pyrolyse est beaucoup plus compact que les fours à sphères car tout le volume est utilisé à l'échange avec les gaz, ce qui n'est pas le cas du volume intérieur des sphères.

La figure 18 montre une configuration de pot catalytique classique comprenant un module de catalyse 65, un module intermédiaire 66 de filtrage et un module 67 amortisseur acoustique.

La figure 19 montre schématiquement la configuration la plus complète du système selon l'invention pour les moteurs de grande puissance. Cette configuration est constituée de modules assemblés entre eux par sertissage de leur tuyau d'entrée et de leur tuyau de sortie. Un mme type de module peut tre réalisé selon une gamme de longueurs et/ou de sections différentes, ce qui permet de constituer les systèmes en fonction du débit, de la nature des gaz et de la densité de leur charge en particules ou suies à cuire, pour des plages de puissance prédéterminées, par le choix de tout ou partie des modules suivants : un module 70 de neutralisation par pyrolyse ; un module 71 filtrant et purifiant les gaz, constitué par exemple d'un filtre végétal à base de tourbe, fabriqué industriellement sous forme d'agrégats de diamètre de 5 millimètres à 8 millimètres sous le nom d'« anthracnose », conditionné également dans un filet en acier inoxydable à mailles appropriées. Cette fonction pourrait également tre assurée par exemple par un papier à charbon filtrant en accordéon également conditionné en filet métallique. Ce volume de charbon filtrant a pour fonction de retenir les très fins résidus de pyrolyse en provenance des moyens précédents, de poursuivre la réduction des composants gazeux résiduels qu'ils pourraient encore contenir, et de purifier au passage, les polluants gazeux résiduels en poursuivant leur neutralisation. ; un module 72 d'injection de gaz désodorisant et neutralisant.

Ce gaz neutralisant les particules et désodorisant les gaz d'échappement est par exemple une émulsion de « RINICEOLAT de Zinc » injectée avec de l'air comprimé assurant sa vaporisation. Ce dispositif est constitué par exemple d'un réservoir contenant le gaz sous forme liquide, d'une électrovanne, d'une temporisation d'injection périodique du liquide, d'une temporisation d'injection d'air comprimé. Le gaz liquide et l'air comprimé circulant dans des tubes se rejoignant dans une canule d'injection, l'air comprimé facilitant la vaporisation quasi instantanée du gaz liquide. Le débit est par exemple pour un véhicule diesel poids lourd, de l'ordre de 12 micro litres toutes les 5 secondes, soit environ 3,6 litres pour 1.000 km à une vitesse moyenne ; un module 74 amortisseur acoustique de type connu.

La constitution du système pour les petits débits de polluants, par exemple pour les voitures de tourisme et équivalents à essence ou gazoile (petits groupes électrogènes) pourrait comporter, en configuration minimale : un module four à pyrolyse70 de capacité correspondante et un module 74 amortisseur acoustique et de refroidissement des gaz et éventuellement un module d'injection de RINICEOLAT de zinc.