Utilisation d'une dispersion colloïdale comme additif de régénération d'un GPF

La présente demande revendique la priorité de la demande de brevet français N°1760308 déposée le 1 ^er novembre 2017 et dont le contenu est intégralement incorporé par référence. En cas d'incohérence entre le texte de la présente demande et le texte de la demande de brevet français qui affecterait la clarté d'un terme ou d'une expression, il sera fait référence à la présente demande uniquement.

Domaine technique

La présente invention est relative à l'utilisation d'une dispersion colloïdale comme additif de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à essence à injection directe ou indirecte. L'invention est aussi relative à un procédé de régénération dudit filtre à particules.

Problème technique

Le marché automobile connaît actuellement le développement commercial de nouveaux moteurs à essence dits à injection directe qui présentent une consommation réduite en essence et un meilleur agrément de conduite (couple à bas régime). Pour améliorer les performances, ces nouveaux moteurs fonctionnent avec une pression d'injection en essence élevée et des des injecteurs d'essence à la géométrie adaptée. Le mélange air/essence est obtenu dans la chambre de combustion. De de fait, ce fonctionnement particulier peut entraîner des hétérogénéités dans la combustion et la formation de particules carbonées pour lesquels les normes environnementales, qu'elles soient européennes, asiatiques ou américaines, imposent des limites de plus en plus strictes. Ce fonctionnement particulier engendre également la formation de dépôts au niveau des injecteurs d'essence eux-mêmes et en aval de ceux-ci. Cet encrassement a un impact sur la combustion et partant sur les émissions primaires (c'est-à-dire les émissions en sortie moteur), notamment celles des particules carbonées, qui deviennent importantes. Un phénomène similaire avec les systèmes de combustion essence à injection indirecte a également pu être observé.

Pour répondre à la réglementation et à la durabilité des émissions, on associe aux moteurs à essence à injection directe ou indirecte, un filtre à particules adapté à ces moteurs à essence, aussi dénommé GPF (Gasoline Particulate Filter). Le fonctionnement du GPF est connu : les particules carbonées émises par le moteur s'accumulent sur le filtre et au cours de la phase de régénération, (dite de purge), par exemple lorsque la quantité de particules accumulées a atteint un seuil donné, les particules carbonées sont brûlées à l'intérieur du filtre et évacuées dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Si le fonctionnement ressemble à celui d'un DPF, il s'en distingue toutefois car à l'inverse des moteurs diesel, les moteurs à essence fonctionnent avec un rapport air/carburant plus faible, ce qui limite de ce fait la présence d'oxygène en aval de la chambre de combustion. Par conséquent, il s'avère plus difficile d'oxyder les particules carbonées qui se trouveraient déposées sur les parois du GPF.

Il est donc nécessaire de mettre au point une solution qui vise à brûler efficacement les particules carbonées qui se sont déposées sur un filtre à particules d'un moteur à essence à injection directe ou indirecte et ce quelle que soit la configuration de conduite du véhicule (altitude, climat froid,...).

Brève description de l'invention

L'invention est relative à l'utilisation d'une dispersion colloïdale comprenant des particules constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde :

- de fer et/ou de cérium ; ou

- de cérium et d'un élément E choisi dans le groupe formé des éléments suivants Al, Cu, Ti, Zr, La, Pr, Nd et Y ;

dispersées dans une phase organique liquide,

comme additif de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à essence à injection directe ou indirecte.

Le terme "dispersion colloïdale" est utilisé pour décrire des particules dispersées dans une phase liquide et ayant une dimension comprise entre 1 et 100 nm.

L'invention est aussi relative à un procédé de régénération d'un GPF d'un moteur à combustion interne fonctionnant à l'essence consistant à utiliser une essence à laquelle a été ajoutée une dispersion colloïdale comprenant des particules constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde :

- de fer et/ou de cérium ; ou

- de cérium et d'un élément E choisi dans le groupe formé des éléments suivants Al, Cu, Ti, Zr, La, Pr, Nd et Y. L'invention est donc aussi relative à un procédé de régénération d'un GPF d'un moteur à combustion interne à essence consistant à utiliser une essence dans laquelle sont dispersées des particules constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde :

- de fer et/ou de cérium ; ou

- de cérium et d'un élément E choisi dans le groupe formé des éléments suivants Al, Cu, Ti, Zr, La, Pr, Nd et Y. La régénération consiste à brûler les particules carbonées qui se sont déposées sur les parois du GPF. L'invention peut s'appliquer à un moteur à essence à injection directe dans lequel l'essence est injectée directement dans la chambre de combustion du moteur ou bien à un moteur à essence à injection indirecte dans lequel l'essence est injectée en amont dans la tubulure d'admission en amont de la soupape d'admission. Dans les moteurs à injection directe ou indirecte, l'injection d'essence est fréquemment commandée par une unité électronique en fonction de paramètres prédéfinis (par ex. le régime du moteur, la température du moteur, la charge du moteur, etc). Arrière plan technique

Des dispersions à base de fer ou de cérium sont déjà connues comme additifs pour les diesels sous le terme de FBC pour "Fuel Borne Catalyst". Les particules de fer ou de cérium qui sont présentes dans le diesel ont pour fonction de catalyser en présence d'oxygène la combustion des suies qui se sont déposées sur un filtre à particules de type DPF (Diesel Particulate Filter). Ainsi, par exemple, WO 2008/1 16550 décrit l'utilisation d'une dispersion colloïdale d'un composé du fer utilisée pour réduire l'encrassement d'injecteurs d'un moteur diesel. L'utilisation et le procédé décrits dans la présente demande sont donc différents car le filtre à particules est différent et fonctionne différemment d'un DPF.

Description détaillée

Les particules sont constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde :

- de fer et/ou de cérium ; ou

- de cérium et d'au moins un élément E choisi dans le groupe formé des éléments suivants Al, Cu, Ti, Zr, La, Pr, Nd et Y. On peut considérer que la composition des particules correspond essentiellement à un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde de fer et/ou de cérium ou de cérium et d'un élément E. Le terme "essentiellement" signifie que les particules sont constituées d'un oxyde et/ou hydroxyde et/ou un hydroxyde et peuvent contenir également des composés résiduels, issus du procédé de préparation des particules. Par exemple, dans le cas de la précipitation des particules à partir d'une solution aqueuse de nitrate ou de chlorure, les particules peuvent contenir des ions nitrate ou chlorure. De même, dans le cas où on utilise un complexant du fer ou du cérium dans la précipitation comme cela est enseigné dans la demande WO 2003/053560, les particules peuvent contenir des résidus dudit complexant.

Dans le cas de particules mixtes à base de fer et de cérium, la proportion du fer dans les particules peut varier de 0,5% à 50%, plus particulièrement de 0,5% à 25%, cette proportion étant exprimée en poids d'oxyde de fer par rapport au poids total des particules. Dans le cas de particules mixtes à base de E et de cérium, la proportion de l'élément E ou la proportion totale des éléments E dans les particules peut varier de 0,5% à 50%, plus particulièrement de 0,5% à 25%, cette proportion étant exprimée en poids du ou des oxydes de E par rapport au poids total des particules. La proportion du cérium dans les particules mixtes peut varier de 50% à 99,5%, plus particulièrement de 75% à 99,5%, cette proportion étant exprimée en poids d'oxyde de cérium par rapport au poids total des particules. On notera que dans le cas où E est le zirconium, l'hafnium est généralement également présent. Ces proportions sont données en poids d'oxyde sauf indication contraire. On considère pour ces calculs que l'oxyde de cérium est sous forme d'oxyde cérique (CeO2) et que les autres éléments sont sous les formes suivantes : AI2O3, Fe2O3, CuO, ΤΊΟ2, ZrÛ2, HfO2, La2O3, P^O , Nd2O3, Y2O3. Les proportions des éléments peuvent être obtenues à l'aide des techniques d'analyse usuelles dans les laboratoires, notamment la fluorescence X.

Dans la dispersion, les particules sont dispersées dans une phase organique liquide. De préférence, la phase organique liquide est choisie pour être compatible avec l'essence utilisée. On retiendra cependant que le problème de compatibilité ou d'interférence avec l'essence n'est généralement pas à craindre lorsque la quantité de dispersion qui est ajoutée à l'essence est faible, ce qui est généralement le cas. La phase organique liquide peut être un hydrocarbure apolaire c'est-à-dire qui présente un moment dipolaire résultant nul. A titre d'exemple de phase organique liquide, on peut citer les hydrocarbures aliphatiques comme l'hexane, l'heptane, l'octane, le nonane ; les hydrocarbures cycloaliphatiques tels que le cyclohexane, le cyclopentane ou le cycloheptane ; les hydrocarbures aromatiques tels que le benzène, le toluène, l'éthylbenzène, les xylènes, les naphtènes liquides. Conviennent également les coupes pétrolières contenant un mélange d'hydrocarbures iso- et cyclo-paraffiniques, comme l'Isopar ^® ou Tisane ^® . Par exemple, il est possible d'utiliser de l'Isopar ^® L, de Tisane ^® 175 ou de Tisane ^® 185. Conviennent aussi les coupes pétrolières contenant un mélange d'alcoylbenzènes en particulier de diméthylbenzène et de tétraméthylbenzène, comme le Solvesso ^® .

Les particules de la dispersion selon l'invention peuvent être amorphes ou cristallisées.

Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins 85%, plus particulièrement au moins 90% et encore plus particulièrement au moins 95% des particules de la dispersion sont des particules primaires. On entend par "particule primaire", une particule qui est parfaitement individualisée et qui n'est pas agrégée avec une autre ou plusieurs autres particules. Cette caractéristique peut être mise en évidence par la méthode de comptage par MET (microscopie électronique à transmission à haute résolution) décrite plus loin. Le % donné ici est un % en nombre.

Les particules de la dispersion peuvent présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes :

^■ lorsque les particules sont cristallisées, une taille moyenne ÔDRX déterminée par la technique de diffraction des rayons X inférieure ou égale à 10 nm ;

^■ une taille moyenne dMET déterminée à l'aide de la MET inférieure ou égale à 10 nm ;

^■ un diamètre hydrodynamique D _h mesuré par diffusion dynamique de la lumière, inférieur ou égal à 30 nm. dDRx correspond à la taille t du domaine cohérent calculé selon le modèle de Scherrer à partir de la largeur d'une ou de plusieurs pics de diffraction les plus intenses de l'oxyde. Il est possible d'utiliser plusieurs pics caractéristiques (2 ou 3) pour calculer ÔDRX- Dans ce cas, ÔDRX correspond à la moyenne arithmétique des tailles t correspondantes. Selon le modèle de Scherrer, une taille t est déterminée par la formule suivante :

t : taille à l'angle 2Θ (thêta) ;

k : facteur de forme égal à 0,89 ;

λ (lambda) : longueur d'onde du faisceau incident 1 ,54 Â ;

H : largeur à mi-hauteur d'un pic caractéristique ;

s : largeur due au défaut de l'optique instrumentale qui dépend de l'instrument utilisé et de l'angle Θ (thêta) ;

Θ : angle de Bragg.

La largeur instrumentale s peut être déterminée de manière connue de l'homme du métier par une analyse de LaBe.

Les particules peuvent être constituées d'un oxyde, notamment d'un oxyde de fer, notamment d'un oxyde de fer cristallisé. Lorsque l'oxyde de fer est la magnétite et/ou la maghémite et on peut retenir les pics de diffraction (440) décrits respectivement dans les fiches 01 -088-0315 et 00-039-1346 et de l'ICDD (International Center for Diffraction Data). Lorsque l'oxyde de fer est peu cristallisé, on peut retenir le pic de diffraction large situé entre 35° et 61 °.

Les particules peuvent être constituées d'un oxyde de cérium. Dans ce cas, on peut retenir les pics de diffraction décrits dans la fiche 01 -089-8436 de l'ICDD. On peut notamment retenir les pics aux angles suivants : 28,5°±0,1 ; 47,5°±0,1 et 56,3°±0,1 .

Lorsque les particules sont à base de fer et de cérium ou de E et de cérium, notamment lorsque les particules sont constituées d'un oxyde mixte de fer et de cérium ou d'un oxyde mixte de cérium et du ou des élément(s) E, les pics caractéristiques que l'on peut retenir peuvent correspondre à ceux de l'oxyde de fer ou de cérium ou de l'élément E ou peuvent être en décalage par rapport à ceux-ci.

L'analyse DRX peut être réalisée par exemple sur un appareil commercial de type X'Pert PRO MPD PANalytical composé notamment d'un goniomètre Θ-Θ, permettant la caractérisation d'échantillons liquides. L'échantillon reste horizontal pendant l'acquisition et ce sont la source et le détecteur qui se déplacent. Cette installation est pilotée par le logiciel X'Pert Datacollector fourni par le constructeur et l'exploitation des diagrammes de diffraction obtenus peut être réalisée à l'aide du logiciel X'Pert HighScore Plus version 2.0 ou supérieure (fournisseur PANalytical). di iET est calculé à partir d'une distribution des diamètres des particules déterminés à l'aide de la MET. Les particules présentent un dMET inférieur ou égal à 10 nm, dMET étant calculé à partir d'une distribution de diamètres des particules déterminés à l'aide de la MET. La méthode pour obtenir la distribution consiste à mesurer le diamètre d'au moins 300 particules sur un ou plusieurs cliché(s) de microscopie électronique (après avoir déposé la dispersion sur une membrane et avoir laissé la phase organique liquide s'évaporer). L'agrandissement du microscope qui est retenu doit permettre de distinguer nettement les images des particules sur un cliché. L'agrandissement peut être par exemple compris entre 50 000 et 1 000 000. Le diamètre d'une particule qui est retenu est celui du cercle minimum permettant de circonscrire l'intégralité de l'image de la particule telle qu'elle est visible sur un cliché MET. Le terme "cercle minimum" (en Anglais, "minimal enclosing circle") a le sens qui lui est donné en mathématique et représente le cercle de diamètre minimum permettant de contenir un ensemble de points d'un plan. Ne sont retenues que les particules dont au moins la moitié du périmètre est définie. On peut utiliser le logiciel ImageJ pour réaliser plus simplement le traitement ; ce logiciel en libre accès a été développé initialement par l'institut américain NIH et est disponible à l'adresse suivante : http://rsb.info.nih.gov ou http://rsb.info.nih.gov/ii/download.html. Après avoir déterminé les diamètres des particules retenus par la méthode ci-dessus, on regroupe lesdits diamètres en plusieurs classes granulométriques allant de 0 à 300 nm, la largeur de chaque classe étant de 1 nm (étant entendu que pour les dispersions présentant une distribution resserée, certaines des classes peuvent être vides). Le nombre de particules dans chaque classe est la donnée de base pour représenter la distribution en nombre (cumulée). A partir de la distribution, on détermine le diamètre moyen dMET qui correspond au diamètre médian tel qu'il est entendu classiquement en statistique. dMET est tel que 50% des particules (en nombre) prises en compte sur le ou les cliché(s) MET ont un diamètre plus petit que cette valeur. Le diamètre hydrodynamique D _h (diamètre médian) est mesuré par diffusion dynamique de la lumière à partir d'une distribution en nombre des tailles de particules. La mesure se fait dans la phase organique liquide de la dispersion.

Comme exemples de dispersions colloïdales, on peut mentionner celles décrites dans les demandes de brevets et brevets suivants : US 6,210,451 , EP 671205, WO 97/19022, WO 01/10545 et WO 03/053560, ces deux dernières décrivant notamment des dispersions à base de composés de cérium et de fer respectivement et contenant en outre un agent amphiphile. Les demandes WO 2012/084838 et WO 2012/084851 décrivent par ailleurs des dispersions d'un composé du fer sous forme cristallisée qui peuvent aussi être utilisées. Le brevet EP 2129751 B1 décrit quant à lui des particules d'oxyde de fer sur lesquelles est greffé un acide polycarboxylique à longue chaîne.

Les particules peuvent être constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde de fer. Ces particules peuvent être préparées selon l'enseignement de la demande internationale WO 03/053560. Les particules peuvent être constituées d'un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou un oxyhydroxyde de cérium. Ces particules peuvent être préparées selon l'enseignement de US 6,210,451 ou de EP 0671205. Plus particulièrement, les particules peuvent être à base de dioxyde de cérium et être sous forme d'aglomérats de cristallites dont le d80 (distribution en nombre) est au plus égal à 10 nm, d80 étant déterminé par comptage par microscopie électronique par transmission à haute résolution.

Les particules peuvent être sous forme d'oxyde de cérium. Ces particules peuvent être préparées selon l'enseignement des demandes internationales WO 97/19022 ou WO 01 /10545.

Pour assurer une stabilité de la dispersion, celle-ci comprend avantageusement au moins agent amphiphile dont la fonction est de stabiliser les particules. L'agent amphiphile peut être un acide carboxylique comprenant de 7 à 50 atomes de carbone, de préférence de 7 à 25 atomes de carbone. L'acide carboxylique peut être un monoacide ou un diacide. Cet acide peut être linéaire ou ramifié. Il peut être choisi parmi les acides aryliques, aliphatiques ou arylaliphatiques, portant éventuellement d'autres fonctions à condition que ces fonctions soient stables dans les milieux où l'on désire utiliser les dispersions selon la présente invention. Ainsi, on peut mettre en œuvre par exemple des acides carboxyliques aliphatiques, qu'ils soient naturels ou synthétiques.

A titre d'exemple d'acides, on peut citer les acides gras de tallol, d'huile de soja, de suif, d'huile de lin, l'acide oléique, l'acide linoléique, l'acide stéarique et ses isomères, en particulier l'acide isostéarique, l'acide pélargonique, l'acide caprique, l'acide laurique, l'acide myristique, l'acide dodécylbenzènesulfonique, l'acide éthyl-2-hexanoïque, l'acide naphténique, l'acide hexoïque. L'acide oléique ou isostéarique sont deux acides qui peuvent convenir pour stabiliser les particules. Il peut s'agir aussi des acides succiniques substitués par des groupements polybutényl, par exemple le PIBSA de formule (I) dans lequel PIB désigne un groupement polybutényl :

L'agent amphiphile peut être également le composé de formule (II) :

(II) ou encore le diacide issu du composé de formule (II).

Dans le cas des agents amphiphiles de formule (I) ou (II), l'agent peut se greffer chimiquement sur les particules. Pour cela, on peut faire réagir dans un solvant organique au reflux une dispersion d'un composé du fer qui est préparée à partir de chlorure de fer (III) et de bicarbonate de sodium et le composé de formule (I), de formule (II) ou encore le diacide issu dudit composé de formule (II), en suivant l'enseignement de l'exemple 1 de EP 2129751 B1 . Des mélanges d'acides peuvent être également utilisés, en particulier des mélanges d'acides qui contiennent des distributions en longueurs de chaînes. Par exemple, la Prisorine 3501 de Croda correspond à un mélange d'acides en C16-C22.

L'agent amphiphile peut également être choisi parmi les alkyl éthers phosphates polyoxyéthylénés. On entend ici les phosphates de formule :

Ri-O-(CH ₂ -CH2-O)n-P(=O)(OM) ₂

ou encore les phosphates de dialcoyle polyoxyéthylénés de formule :

R3-O-(CH2CH ₂ O)n-P(X)(=O)(OM) avec X= R ₂ -O-(CH ₂ CH ₂ O) _n - formules dans lesquelles :

^■ Ri , R ₂ , R3, identiques ou différents représentent un groupe alkyle linéaire ou ramifié, pouvant comprendre de 2 à 20 atomes de carbone; un radical phényle; un radical alkylaryl, plus particulièrement un radical alkylphényl, ayant notamment un groupe chaîne alkyle de 8 à 12 atomes de carbone; un groupe arylalkyle, plus particulièrement un radical phénylaryl ;

^■ n est un nombre entier représentant le nombre d'oxyde d'éthylène compris entre pouvant aller de 0 et 12;

^■ M représente un atome d'hydrogène, de sodium ou de potassium.

Le radical Ri peut être notamment un radical hexyle, octyle, décyle, dodécyle, oléyle, nonylphényle.

On peut citer comme exemple de ce type de composés amphiphiles ceux commercialisés sous les marques Lubrophos ^® et Rhodafac ^® commercialisés par Rhodia et notamment les produits ci-dessous :

- les poly-oxy-éthylène alkyl (Cs-Cio) éthers phosphates Rhodafac ^® RA 600 ;

- le poly-oxyéthylène tridécyl éther phosphate Rhodafac ^® RS 710 ou RS 410 ;

- le poly-oxy-éthylène oléocétyl éther phosphate Rhodafac ^® PA 35 ;

- le poly-oxy-éthylène nonylphenyl éther phosphate Rhodafac ^® PA 17 ;

- le poly-oxy-éthylène nonyl(ramifié) éther phosphate Rhodafac ^® RE 610.

L'agent amphiphile peut également être choisi parmi les alkyl éther carboxylates polyoxyéthylénés de formule : R ₄ -(OC ₂ H ₄ ) _n -O-R ₅ dans laquelle R ₄ est un groupe alkyl linéaire ou ramifié pouvant comprendre notamment 4 à 20 atomes de carbone, n est un nombre entier pouvant aller par exemple jusqu'à 12 et R ₅ est un reste d'acide carboxylique comme par exemple -CH ₂ COOH. A titre d'exemple, on peut mentionner pour ce type de composé amphiphile ceux commercialisé sous la marque AKIPO ^® par Kao Chemicals.

Outre les particules précédemment décrites, la dispersion peut comprendre également au moins un autre additif choisi dans le groupe formé par les inhibiteurs de corrosion, les additifs améliorant le pouvoir lubrifiant, les détergents, les antimousses, les antigels, les antioxydants, les colorants, les additifs de stabilisation, les additifs améliorant l'indice d'octane. Ces derniers additifs sont utilisés pour éviter l'usure ou le grippage des pompes à haute pression notamment et des injecteurs. Cet autre additif peut être ajouté directement à la dispersion colloïdale. Selon une variante, la combinaison des particules et de l'autre additif peut être obtenue en introduisant séparément ledit additif dans l'essence.

Ainsi, la dispersion comprend :

- les particules telles que précédemment décrites, notamment les particules d'oxyde de fer, d'oxyde de cérium, d'oxyde mixte de fer et de cérium ou d'oxyde mixte de cérium et de l'élément E ;

- au moins un agent amphiphile ;

- la phase organique liquide ;

- éventuellement un additif choisi dans le groupe formé par les inhibiteurs de corrosion, les additifs améliorant le pouvoir lubrifiant, les détergents, les antimousses, les antigels, les antioxydants, les colorants, les additifs de stabilisation, les additifs améliorant l'indice d'octane.

Selon un mode de réalisation, la dispersion ne comprend pas l'additif. Selon un autre mode de réalisation, la dispersion consiste en les particules, en au moins un agent amphiphile et en une phase organique liquide.

La dispersion est utilisée comme additif de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à essence à injection directe ou indirecte. Ce filtre à particules (appelé couramment GPF) est placé sur la ligne d'échappement et a pour fonction de réduire le nombre de particules carbonées émises par le moteur du véhicule, ceci afin de répondre aux normes environnementales sur les rejets de particules de carbone.

Le GPF est un dispositif poreux qui permet de réduire, par un mécanisme de filtration, les émissions de particules carbonées en dessous d'une limite réglementaire, par exemple de 6,0 x 10 ⁺¹¹ particules/km lorsqu'on considère le véhicule ou 6,0 x 10 ⁺¹¹ particules/kW.h lorsqu'on ne considère que le moteur, notamment en cycle dynamique (par ex. selon le cycle "World Harmonized Transient Cycle - WHTC - ou le cycle récent "European Transient Cycle" - ETC). Ce filtre à particules est donc adapté à la filtration des particules carbonées issues de la combustion de l'essence et il se différencie des filtres à particules classiques utilisés pour filtrer les particules de suies issues de la combustion du diesel (appelés aussi couramment DPF). Le GPF peut être constitué d'une céramique poreuse, d'une mousse céramique ou métallique, ou encore d'un enchevêtrement de fils céramiques ou métalliques. La géométrie du filtre (taille, surface de filtration, porosité et distribution de tailles des pores) est variable et dépend de la solution retenue par le constructeur dont les contraintes sont les suivantes :

- une réduction des émissions de particules carbonées en dessous de la valeur réglementaire ;

- une limitation de la consommation en carburant du véhicule ;

- conserver une efficacité du filtre même en présence de résidus provenant de la consommation d'huile ou d'autres fluides et des autres organes utilisés par le moteur.

Les particules de la dispersion ont pour fonction de catalyser la combustion des particules carbonées qui se sont déposées sur les parois du filtre. Les particules de la dispersion permettent de brûler les particules carbonées à une température plus basse et/ou pour une durée de régénération plus courte qu'en l'absence de particules de la dispersion. La régénération est mise en œuvre afin de brûler toutes les particules carbonées présentes sur les parois du filtre. La régénération est généralement provoquée c'est-à-dire déclenchée par un calculateur d'injection du moteur lorsqu'un paramètre représentatif de la quantité de particules carbonées dans le GPF est atteint. Chaque constructeur automobile peut choisir le mode de déclenchement adéquat. Ainsi, pour déclencher la régénération, on peut injecter de l'essence à l'entrée du GPF ou bien dans les cylindres du moteur à la fin du temps de compression de manière que l'essence ne participe pas à la combustion et soit évacuée à l'échappement. On peut également régler le fonctionnement du moteur par un réglage de l'allumage et/ou du phasage de l'injection d'essence dans le cycle de combustion de façon à dégrader le rendement de la combustion et ainsi augmenter les pertes thermiques à l'échappement. La durée de la régénération est donc variable, étant entendu qu'il est préférable que cette durée soit la plus courte possible. Il est également possible que le GPF fonctionne en continu et que les particules carbonées soient brûlées au fur et à mesure qu'elles s'accumulent sur les parois du filtre.

D'une manière générale, la température des gaz d'échappement pour un moteur essence est plus élevée que pour un moteur diesel. Les températures des gaz d'échappement d'un moteur essence peuvent être de l'ordre de 550°C à 670°C. Lors de la régénération, la température du GPF doit être quant à elle suffisante pour que les particules carbonées soient brûlées efficacement que ce soit pour une régénération déclenchée ou pour une régénération en continu. De préférence, pour une combustion des particules carbonées efficace, la température du GPF est d'au moins 200°C, voire d'au moins 400°C, voire d'au moins 450°C. Le GPF peut être disposé à plusieurs endroits de la ligne d'échappement. Il peut être en position "close-coupled" (c'est-à-dire proche du moteur) ou "sous-plancher" (c'est-à-dire dans une position sur la ligne d'échappement plus éloignée que la position close-coupled). La position "close- coupled" est avantageuse car ainsi, le GPF peut bénéficier plus efficacement de l'énergie calorique apportée par les gaz de combustion.

On notera qu'outre le GPF, la ligne d'échappement peut aussi comprendre au moins un autre dispositif permettant de réduire d'autres polluants comme le CO, les hydrocarbures imbrûlés ou les NO _x . Cet autre dispositif peut être disposé sur la ligne d'échappement avant ou après le GPF dans le sens de circulation des gaz d'échappement. La Fig. 1 représente plusieurs exemples de combinaisons d'un tel dispositif de type TWC ("Three-Way Catalyst" ou catalyseur 3-voies) avec le GPF.

Modes d'introduction de la dispersion

Ajout de la dispersion dans l'essence : la dispersion peut être ajoutée à l'essence de plusieurs façons. Elle peut être ajoutée à l'essence en continu ou en discontinu. La dispersion est ajoutée dans l'essence soit au niveau du réservoir d'essence soit dans la ligne essence basse pression (par ex. dans la ligne aller, la ligne retour, ou au niveau du filtre à carburant). La dispersion est contenue dans un réservoir embarqué. L'introduction en discontinu correspond à un ajout par intermittence de la dispersion dans l'essence, ce qui permet d'économiser la dispersion. Elle peut être ajoutée à l'essence à l'aide d'une pompe doseuse qui peut être pilotée par un système électronique embarqué (ECU en Anglais). L'ajout de la dispersion est piloté en fonction de plusieurs paramètres de l'ECU comme par exemple la quantité de particules carbonées dans le GPF, la température du GPF, le moment où la régénération est déclenchée,...

La dispersion peut également être ajoutée manuellement et en discontinu dans le réservoir d'essence. La dispersion est alors contenue dans des doses et dosettes qui sont généralement commercialisées dans les réseaux accessibles au grand public.

Quel que soit le mode d'ajout de la dispersion à l'essence, la proportion de la dispersion dans l'essence est généralement inférieure ou égale à 100 ppm, voire inférieure ou égale à 50 ppm, cette proportion étant exprimée en poids en poids des particules constituant la dispersion par rapport à l'essence juste avant son injection dans la chambre de combustion. Cette proportion peut être plus particulièrement comprise entre 1 et 50 ppm.

Introduction de la dispersion dans la ligne d'échappement : la dispersion peut également être introduite dans la ligne d'échappement, c'est-à-dire entre le collecteur d'échappement et le GPF, à partir d'un réservoir embarqué contenant la dispersion. Le point d'introduction de la dispersion peut être optimisé afin de réduire l'encrassement des pièces mécaniques présentes sur la ligne d'échappement, telles que les vannes EGR, ou les dépôts carbonnées qui pourraient venir empoisonner les catalyseurs TWC situés en amont du GPF. La dispersion peut être introduite par un moyen d'injection, tel que par exemple un injecteur. Ce mode d'introduction présente l'avantage d'utiliser efficacement la dispersion car la dispersion peut être introduite uniquement quand cela est nécessaire, ce qui permet d'en limiter la consommation. Là aussi, la dispersion peut être introduite dans la ligne d'échappement en continu ou en discontinu. Là aussi, elle peut être ajoutée à l'essence à l'aide d'une pompe doseuse qui peut être pilotée par un ECU. L'introduction est pilotée en fonction de plusieurs paramètres de l'ECU comme par exemple la quantité de particules carbonées dans le GPF, la température du GPF, le moment où la régénération est déclenchée,...

Le moteur à essence fonctionne avec une teneur en oxygène plus basse qu'un moteur diesel. Généralement, le rapport massique air/essence stoechiométrique est de 14,7:1 . En fonctionnement, le rapport peut être compris entre 10:1 et 70 :1 . Le facteur λ peut être compris entre 0,9 et 1 ,10.

Le moteur muni d'un GPF fonctionne avec une injection d'essence sous pression. La pression d'injection de l'essence peut être d'au moins 100 bar. Cette pression peut atteindre 500 bar, limitation technique actuelle mais qui pourrait devenir plus élevée avec les progrès technologiques à venir.

Exemples

On commence par imprégner des particules carbonées (suies) avec une dispersion colloïdale de CeÛ ₂ dans l'eau (15% en poids d'oxyde de Ce par rapport aux suies). On détermine ensuite la température de combustion des suies à l'aide de l'analyse thermogravimétrique (ATD-ATG). On utilise pour cela une thermobalance TGA/DCS3+ LF1 100 de Mettler reliée directement en sortie de four à un spectromètre IR de Bruker permettant de faire l'analyse des gaz de combustion.

Le programme utilisé pour l'ATG est le suivant : montée en température de l'ambiante à 150°C à 5°C/min ; isotherme à 150°C pendant 1 h ; montée en température de 150°C à 1000°C à 10°C/min. L'échantillon est balayé par un gaz au débit de 50 mL/min qui est soit de l'azote soit un mélange azote+2% O ₂ (représentatif de la composition d'un gaz d'échappement d'un moteur essence qui ne contient que quelques centaines de ppm d'0 ₂ ). L'échantillon est contenu dans un creuset d'alumine de 70 μΙ avec couvercle. On utilise la compensation mathématique de la poussée d'Archimède (équivalente à la soustraction d'un essai à blanc dans les mêmes conditions).

La Fig. 2 représente la perte de poids en % par rapport à la température en °C pour deux échantillons sous balayage d'azote :

- les suies sans oxyde de cérium (blanc) ;

- les mêmes suies avec oxyde de cérium. La Fig. 3 représente la perte de poids en % par rapport à la température en °C pour deux échantillons sous balayage du mélange azote+O ₂ :

- les suies sans oxyde de cérium (blanc) ;

- les mêmes suies avec oxyde de cérium. Ces deux figures montrent que la combustion des suies est amorcée à une température plus basse dans une atmosphère pauvre en O ₂ .