FR2849468A1 - Systeme de depollution des gaz d'echappement pour un vehicule a moteur thermique - Google Patents

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Abstract

Le système de dépollution des gaz d'échappement pour un véhicule à moteur thermique (1) ayant une ligne d'échappement équipé d'un pot catalytique (3) comportant un catalyseur d'oxydation comporte un reformeur (4) produisant un mélange gazeux à base d'hydrogène à partir de carburant contenu dans un réservoir à carburant (2) du véhicule, un réservoir de stockage de reformât (6) connecté d'une part avec le reformeur (4) et d'autre part avec le pot d'échappement catalytique (3), pour stocker temporairement du dit mélange gazeux, et des moyens de pilotage (5, 61, 7) pour commander l'alimentation du réservoir de stockage (6) en mélange gazeux à partir du reformeur, pour assurer la conservation du dit mélange gazeux dans ledit réservoir et pour piloter une injection du mélange gazeux dans le pot d'échappement, ceci afin d'assurer une élévation de température rapide du pot catalytique suffisante pour amorcer le catalyseur lors des démarrages du moteur.

Description

Système de dépollution des gaz d'échappement pour un
véhicule à moteur thermique La présente invention concerne un système de dépollution des gaz d'échappement pour un véhicule à moteur thermique, notamment à moteur diesel, ainsi qu'un véhicule équipé de ce système.
Il est bien connu d'utiliser à cette fin des dispositifs catalytiques comportant notamment un catalyseur d'oxydation, tels que connus classiquement sous le nom de pots d'échappement catalytiques. Ces 10 pots d'échappement catalytiques ont notamment pour but de réduire l'émission et le rejet dans l'atmosphère d'hydrocarbones HC et de monoxydes de carbone CO. Ils ne peuvent toutefois assurer cette fonction qu'à partir d'une température minimale 15 appelée température d'amorçage, qui est de l'ordre de 1800C à 2000C pour permettre l'oxydation de ces composés HC et CO avant leur rejet.
On connaît aussi par ailleurs des dispositifs 20 catalytiques, couramment appelés "Nox-traps", destinés à piéger les oxydes d'azote NOx afin de diminuer le taux de ces NOx dans les gaz d'échappements émis. On connaît encore des systèmes appelés filtres à particules, destinés à collecter 25 les suies issues de la combustion du carburant. On sait qu'il est nécessaire de régénérer périodiquement ces pièges à oxydes d'azote et ces filtres à particules, qui s'encrassent normalement au cours de leur fonctionnement, et qu'il est donc nécessaire de 30 nettoyer plus ou moins fréquemment au cours de la vie du véhicule pour assurer leur fonctionnement optimal.
Ces opérations de régénération sont classiquement réalisées en portant ces dispositifs à des températures élevées, de l'ordre de 6000C et 5 plus, nécessaires pour soit brler les suies des filtres à particules, soit réduire les oxydes d'azote par des gaz réducteurs obtenus à partir du moteur.
Il est connu d'obtenir ces températures élevées 10 par les gaz d'échappement eux-mêmes, par un réglage adéquat du moteur, c'est à dire en le faisant fonctionner volontairement et temporairement en mélange riche.
On pourrait aussi envisager d'obtenir la température d'amorçage du catalyseur par des moyens similaires, mais cela impliquerait notamment une consommation accrue de carburant et un accroissement d'hydrocarbures imbrlés fournis par le moteur, 20 contraire au but visé du catalyseur.
Par ailleurs, les normes futures de dépollution dans le secteur de l'automobile imposent de réduire les émissions des moteurs thermiques de véhicule au 25 démarrage, alors même que la ligne d'échappement n'a pas encore eu le temps d'être échauffée par les gaz d'échappement du moteur, et donc que la température du pot d'échappement catalytique est inférieure à sa température d'amorçage.
Il a déjà été proposé, par exemple par le document W099/00588, d'assurer une température suffisante d'un pot catalytique par une injection d'hydrogène dans le dispositif catalytique, pour favoriser la montée en température du catalyseur d'oxydation. En fait, l'injection directe d'hydrogène sur le catalyseur d'oxydation provoque une oxydation de l'hydrogène en eau qui se produit très facilement 5 sur catalyseur Palladium ou Platine et qui de plus est complète, tout l'hydrogène étant transformé en eau. L'exothermicité de cette réaction est très importante et contribue donc à une élévation de la température du catalyseur plus rapide, ce qui permet 10 d'assurer une sorte de préchauffage du pot catalytique au-delà de sa température d'amorçage avant même que le dit pot soit suffisamment chauffé par les gaz d'échappement du moteur.
Dans le système proposé par le document précité, l'hydrogène est obtenu par électrolyse d'eau stockée dans un réservoir prévu à cet effet sur le véhicule. Compte tenu de l'importante consommation d'énergie électrique nécessaire pour effectuer cette 20 électrolyse, des systèmes de régulation sont prévus.
Par ailleurs, de manière générale et en particulier dans le domaine des piles à combustibles, il est aussi connu d'obtenir de l'hydrogène par un 25 reformeur, et dans le cas de l'utilisation sur un véhicule automobile, ce reformeur est embarqué sur le véhicule pour pouvoir produire l'hydrogène requis de manière autonome. On notera ici que le reformeur embarqué peut être aussi utilisé pour la régénération 30 d'un filtre à particule catalysé, la désulfuration des pièges à oxyde d'azote, et la réduction de ces oxydes en azote gazeux, grâce à l'apport thermique de la combustion de l'hydrogène.
Ce type de reformeur embarqué utilise le carburant stocké normalement dans le réservoir à carburant du véhicule pour produire de l'hydrogène, selon des mécanismes connus. Un tel reformeur, connu 5 de l'homme du métier, est en quelque sorte un brleur catalytique fonctionnant à une température de l'ordre de 8001C, pourvu d'un purificateur, et qui transforme le carburant en un fluide gazeux à base d'hydrogène.
L'hydrogène, ou le gaz contenant de l'hydrogène, ainsi produit par le reformeur peut donc être utilisé en injection dans le pot catalytique.
Mais pour que l'injection d'hydrogène ait un effet optimal, il faut qu'elle soit effectuée dés le 15 démarrage du moteur, donc en particulier alors que le moteur et le pot catalytique sont encore froids. Il faudrait donc pratiquement que le démarrage du reformeur se fasse dans les dix secondes à partir du démarrage du moteur, cette période étant optimum du 20 point de vue de la dépollution, ce qui suppose l'utilisation d'une technologie alternative à celle du reformeur précédemment mentionné fonctionnant par transformation du carburant, et qui ne permet pas de fournir l'hydrogène souhaité dés le démarrage du 25 moteur.
On pourrait alors envisager d'utiliser par exemple une technologie de type reformeur à plasma, mais celle ci est très coteuse en électricité, comme 30 l'électrolyse précédemment mentionnée.
L'invention a donc pour but de proposer un système de dépollution permettant d'assurer une dépollution efficace d'un moteur thermique, en particulier dans les premiers instants suivant son démarrage. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour 5 objet un système de dépollution des gaz d'échappement pour un véhicule à moteur thermique ayant une ligne d'échappement équipé d'un pot catalytique comportant un catalyseur d'oxydation, caractérisé en ce qu'il comporte un reformeur produisant un mélange gazeux à 10 base d'hydrogène, appelé reformât, à partir de carburant stocké dans le réservoir à carburant du véhicule, un réservoir connecté d'une part avec le reformeur et d'autre part avec le pot d'échappement catalytique, pour stocker temporairement du dit 15 mélange gazeux, et des moyens de pilotage pour commander l'alimentation du réservoir en mélange gazeux à partir du reformeur, pour assurer la conservation du dit mélange gazeux dans le dit réservoir et pour piloter une injection du mélange 20 gazeux dans le pot d'échappement.
Ainsi, le réservoir peut être alimenté en hydrogène sous pression par le reformeur pendant les phases d'utilisation normale du véhicule, alors qu'il 25 n'y a pas de besoins d'hydrogène, et rester ainsi rempli et sous pression jusqu'à une phase de fonctionnement nécessitant l'apport d'hydrogène, en particulier donc pour un prochain démarrage du moteur. Dés le démarrage, le reformât ainsi stocké peut alors être injecté dans le pot catalytique encore froid pendant la mise en action (10 secondes environ) du reformeur embarqué, et en quantité requise pour assurer un échauffement très rapide du pot catalytique, comme cela a été expliqué précédemment.
La température d'amorçage du catalyseur d'oxydation est ainsi atteinte rapidement, et la dépollution est 5 optimale pratiquement dés le démarrage du moteur. Une fois la mise en action du reformeur embarqué terminée et le réservoir vidé, le reformeur embarqué prend le relais via le réservoir pour maintenir l'activité du catalyseur pendant une durée d'au moins 90 secondes. 10 Ensuite, l'inertie liée à l'hydrogène ainsi que la thermique plus élevée délivrée par le moteur, permettent de conserver une température suffisante au fonctionnement du catalyseur.
Pour assurer la gestion de la production d'hydrogène, le système comporte préférentiellement un calculateur, qui est couplé ou qui peut être intégré à un calculateur de gestion générale du moteur, pour d'une part piloter le fonctionnement du 20 reformeur pour le rechargement du réservoir en fonction des conditions de fonctionnement du moteur thermique, et d'autre part pour piloter l'injection de reformât dans le pot catalytique dés le démarrage et en quantité contrôlée notamment en fonction de la 25 température atteinte du catalyseur d'oxydation.
L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de dépollution tel que défini précédemment. 30 Selon d'autres dispositions particulières, le reformeur embarqué peut aussi être utilisé pour la régénération d'un filtre à particule ou la désulfuration d'un piège à oxydes d'azote d'un moteur thermique diesel du dit véhicule. Le reformeur et le réservoir seront alors dimensionnés de manière à permettre de fournir l'hydrogène requis pour ces opérations tout en assurant le stockage, avant arrêt 5 du moteur, d'une quantité suffisante pour assurer l'échauffement du pot catalytique lors d'un démarrage ultérieur. Dans ce cas, on pourra par exemple dimensionner 10 le reformeur de manière à ce qu'il ait une capacité de production d'hydrogène suffisante pour assurer les régénérations évoquées ci-dessus, éventuellement en y ajoutant une quantité stockée préalablement dans le réservoir, le réservoir étant alors seulement utilisé 15 comme conduit de transport intermédiaire d'hydrogène ou tout au plus comme source d'appoint. Par contre, en dehors de ces périodes, le réservoir sera isolé et le fonctionnement du reformeur assuré le mieux possible jusqu'à ce que la quantité de reformât 20 stocké soit suffisante pour assurer un redémarrage ultérieur en cas d'arrêt voulu ou imprévu du moteur.
On pourra aussi par exemple prévoir qu'il subsiste toujours une quantité ou une pression minimale d'hydrogène dans le réservoir, pour parer à de telles 25 éventualités.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un système conforme à l'invention et de sa mise en 30 òuvre.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels la figure unique est une vue schématique d'un système selon l'invention adapté pour un véhicule à moteur diesel.
Le moteur diesel 1 est alimenté en carburant à 5 partir d'un réservoir de carburant 2. Une ligne d'échappement raccordée au moteur comporte notamment un pot d'échappement catalytique 3.
Le véhicule comporte par ailleurs un reformeur 10 4 alimenté en carburant à partir du réservoir 2 et en énergie électrique à partir de l'installation électrique classique du véhicule, non représentée.
Par ailleurs, le reformeur est piloté par le calculateur 5 de gestion du moteur, ou par un 15 calculateur associé.
La sortie du reformeur est reliée à un réservoir de reformât 6 par l'intermédiaire d'un dispositif anti-retour 61 destiné à empêcher le 20 passage du reformât contenu sous pression dans le réservoir vers le reformeur lors des périodes de nonfonctionnement de ce dernier.
Une sortie du réservoir de reformât est 25 raccordée au pot d'échappement 3 par l'intermédiaire d'une vanne pilotée 7 commandée par le calculateur 5.
Le réservoir de reformât est par ailleurs pourvu de capteurs, par exemple un capteur de 30 pression 62 également raccordé au calculateur 5, pour fournir à ce dernier une information sur la quantité de reformât stocké. Le pot catalytique est aussi pourvu de capteurs tels que le capteur de température 31, pour fournir au calculateur 5 une information notamment sur la température du pot catalytique et permettre ainsi de piloter la vanne pilotée 7 d'injection d'hydrogène.
Le fonctionnement du système de dépollution sera aisément compris. Le reformeur embarqué 4, piloté par le calculateur 5, remplit avec du reformât sous pression le réservoir de stockage 6, la vanne 7 étant fermée, lors des périodes de roulage du 10 véhicule ou au moment de l'arrêt de celui-ci, pour assurer un stockage d'une quantité minimale de reformât, comme indiqué précédemment. Le réservoir reste ensuite rempli avec le reformât sous pression jusqu'au prochain redémarrage du moteur, grâce au 15 dispositif anti-retour 61, la vanne 7 restant fermée.
Dés que le démarrage du moteur est commandé, le calculateur commande la mise en action du reformeur embarqué 4 et l'ouverture de la vanne 7 et provoque 20 ainsi l'injection d'hydrogène dans le pot catalytique 3 de la ligne d'échappement, l'ouverture de la vanne étant régulée par le calculateur en fonction notamment de la température mesurée dans le pot. Une fois la mise en action du reformeur embarqué terminée 25 et le réservoir vidé, le reformeur embarqué prend le relais via le réservoir pour maintenir l'activité du catalyseur pendant une durée d'au moins 90 secondes.
Ensuite, l'inertie liée à l'hydrogène ainsi que la thermique plus élevée délivrée par le moteur 30 permettent de conserver une température suffisante au fonctionnement du catalyseur. Une fois la température d'amorçage du pot catalytique conservée, l'injection peut être réduite puis interrompue. Un nouveau cycle de remplissage du réservoir peut alors être commandé en fonction de la gestion du moteur.
Le réservoir de reformât peut par ailleurs être 5 également connecté, par des vannes pilotées adéquates, commandées par le calculateur 5, à un filtre à particules ou à un piège à NOx pour utiliser l'hydrogène produit par le reformeur pour la régénération de ces dispositifs optionnels, non 10 représentés.
On rappellera seulement ici que le reformeur embarqué peut être aussi utilisé pour la régénération du filtre à particules catalysé, la désulfatation des 15 pièges à NOx et la réduction des NOx en N2 sur le piège à NO. avec l'apport d'énergie thermique par l'hydrogène: - Dans le cas de la régénération du filtre à particules, la combustion des suies nécessite des 20 températures de l'ordre de 600 OC. L'injection d'hydrogène va permettre d'atteindre ces températures sans assistance du contrôle moteur, en particulier sans ajout de carburant dans le cylindre, c'est-àdire sans ou post-injection, ou bien en utilisant un 25 compromis entre injection de H2 et contrôle moteur pour minimiser la surconsommation induite par la post-injection. - Dans le cas de la désulfatation du piège à 30 NO, : le piège à NO, en fonctionnement pauvre-riche s'empoisonne peu à peu par l'adsorption de sulfates.
Pour retrouver une efficacité optimale, il est alors nécessaire de le désulfater par un traitement thermique à 650 0C environ suivant le catalyseur il utilisé. L'injection d'hydrogène en amont du convertisseur catalytique va permettre d'atteindre cette température sans assistance du contrôle moteur, c'est-à-dire de post-injection, ou bien en utilisant 5 un compromis entre injection de H2 et stratégie de contrôle moteur, favorable à une minimisation de la surconsommation. - Dans le cas de la réduction des NO, en N2 10 sur le piège à NO., le passage en phase riche pour réduire les NO, adsorbés en azote se fait par une stratégie contrôle moteur, par exemple par postinjection. L'injection d'hydrogène peut contribuer à enrichir le milieu en composé réducteur du fait de sa 15 réaction très rapide avec l'oxygène piégé sur le piège à NO,. De ce fait, la quantité de réducteurs à introduire via le contrôle moteur sera plus faible.
D'autre part, l'hydrogène peut agir comme réducteur des NO, en diminuant la teneur en oxygène piégé sur 20 le piège à NO.par un contrôle moteur spécifique.
En fonction de l'utilisation qu'on souhaite faire du système selon l'invention, un dimensionnement judicieux du reformeur embarqué et du 25 réservoir de stockage de reformât sera nécessaire.
Par exemple, il pourra être nécessaire de fournir: - une quantité d'hydrogène comprise entre 1,5 g et 2 g est nécessaire pour chaque démarrage d'un moteur thermique Diesel, pendant une durée d'au moins 30 environ 100 secondes, - une quantité d'hydrogène d'environ 20 g est nécessaire, tous les 300 km, pour la régénération du filtre à particules d'un moteur thermique Diesel, - une quantité d'hydrogène de 15 g est nécessaire périodiquement pour la désulfatation du piège à NO, d'un moteur thermique Diesel.
Compte tenu de cela, le volume du réservoir de stockage de reformât 6 dépendra de la quantité d'hydrogène, donc de reformât, à stocker pendant la mise en action du reformeur embarqué 4 et donc, bien sr, des caractéristiques propres du moteur et aussi 10 de la température et de la pression qui seront utilisées dans le système. La pression minimale d'injection dans le pot catalytique est de l'ordre de 500 millibars, ce qui correspond à la pression dans la ligne d'échappement à pleine charge du moteur. La 15 pression de stockage pourra donc être de quelques bars, et compte tenu d'une température en sortie du reformeur de l'ordre de 8000C, il a été calculé que le volume requis du réservoir de reformât pourrait être inférieur à 10 litres. Ces valeurs sont bien sr 20 données uniquement à titre d'exemple. Dans tous les cas, les valeurs de température et de pression devront être choisies de manière que le volume du réservoir reste suffisamment petit pour que son encombrement reste acceptable dans un véhicule 25 automobile.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Système de dépollution des gaz d'échappement pour un véhicule à moteur thermique (1) ayant une ligne d'échappement équipé d'un pot catalytique (3) comportant un catalyseur d'oxydation, caractérisé en 5 ce qu'il comporte un reformeur (4) produisant un mélange gazeux à base d'hydrogène à partir de carburant contenu dans un réservoir à carburant (2) du véhicule, un réservoir de stockage de reformât (6) connecté d'une part avec le reformeur (4) et d'autre 10 part avec le pot d'échappement catalytique (3), pour stocker temporairement du dit mélange gazeux, et des moyens de pilotage (5, 61, 7) pour commander l'alimentation du réservoir de stockage (6) en mélange gazeux à partir du reformeur, pour assurer la 15 conservation du dit mélange gazeux dans le dit réservoir et pour piloter une injection du mélange gazeux dans le pot d'échappement.
2. Système de dépollution des gaz d'échappement 20 selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif anti-retour (61) entre le reformeur (4) et le réservoir de stockage de reformât (6).
3. Système de dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne pilotée (7) en sortie du réservoir de stockage (6).
4. Système de dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur (5), qui est couplé ou qui est intégré à un calculateur de gestion générale du moteur, pour piloter le fonctionnement du reformeur (4) pour le rechargement du réservoir de stockage (6) en fonction des conditions de fonctionnement du 5 moteur thermique (1), et d'autre part pour piloter l'injection de reformât dans le pot catalytique (3) dés le démarrage et en quantité contrôlée notamment en fonction de la température atteinte du catalyseur d'oxydation.
5. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de dépollution selon l'une
quelconque des revendications précédentes.
6. Véhicule automobile selon la revendication 5, caractérisé en ce que la ligne d'échappement comporte un filtre à particule et/ou un piège à oxydes d'azote, relié(s) au réservoir de stockage (6) par des vannes pilotées par le calculateur (5) pour 20 utiliser l'hydrogène produit par le reformeur (4) pour la régénération du dit filtre à particule et/ou piège à oxydes d'azote.
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