FR2928700A1 - Circuit de recirculation des gaz d'echappement pour moteur a combustion interne et moteur a combustion interne comprenant un tel circuit - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur comportant, disposés en cascade, un module (4) d'injection secondaire d'air et de carburant et un réformeur de carburant (3) constituant un système catalytique, ledit réformeur (3) comprenant des premiers moyens (301, 30a) pour provoquer une première réaction de réformage du carburant injecté dite d'oxydation partielle du carburant injecté, des deuxièmes moyens (302, 30b) pour provoquer une deuxième réaction de réformage dite de vaporéformage consommant de l'énergie dégagée par la première réaction et de l'eau, et pour provoquer une troisième réaction de réformage dite de gaz à l'eau pour produire de l'hydrogène à partir d'eau produite par la réaction de vaporéformage, les moyens provoquant les trois réactions de réformage étant agencés de manière à ce que le bilan thermique cumulé de ces réactions soit endotherme ou autotherme.

Description

CIRCUIT DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET MOTEUR A COMBUSTION INTERNE COMPRENANT UN TEL CIRCUIT

[0001] La présente invention concerne un circuit de recirculation des gaz d'échappement dit EGR selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée (pour Exhaust Gas Recirculation ), plus particulièrement un circuit de recirculation des gaz d'échappement autorisant une opération dite de réformage du carburant . Un tel circuit peut être utilisé dans un moteur à combustion interne, tel qu'un moteur de véhicule automobile. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant un tel circuit de recirculation des gaz d'échappement.

[0002] Ci-après, dans un but de simplification de la description, le circuit de recirculation des gaz d'échappement sera dénommé circuit EGR .

[0003] Dans un moteur à combustion interne, les quatre temps du cycle thermodynamique admission de gaz combustible et d'air - compression du mélange gazeux - détente due à l'explosion du mélange - échappement se déroulent successivement dans une seule et même enceinte, dite chambre de combustion interne. Les gaz introduits dans cette chambre de combustion sont constitués, d'une part, d'air et, d'autre part, de carburant, essence ou gasoil, dans des proportions dosées de manière adéquate selon les moteurs et les systèmes d'allumage utilisés. Le mélange gazeux est alors enflammé dans la chambre de combustion.

[0004] La figure 1, annexée en fin de la présente description, illustre schématiquement un circuit EGR classique selon l'art connu.

2 0 [0005] Un moteur à combustion interne 1 comprend une ou plusieurs chambres de combustion 10 situées entre un collecteur d'admission 11 et un collecteur d'échappement 12. Le collecteur d'admission 11 reçoit de l'air A à introduire dans la chambre de combustion 10. Une injection de carburant est également introduite dans la chambre de combustion, généralement par une buse d'injection (non représentée). Le collecteur d'échappement 12 reçoit les émissions de gaz produites 25 par la combustion et les dirige vers un catalyseur d'échappement 13 adapté à traiter les fumées avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure, de façon connue en soi.

[0006] La figure 1 montre aussi un circuit de recirculation EGR 100 des gaz d'échappement. Ce circuit EGR 100 constitue une liaison 105 entre le collecteur d'échappement 12 et le collecteur d'admission 11 et comporte une vanne de régulation 101 en entrée du circuit 100. Il est en effet 3 0 nécessaire de contrôler précisément le débit des gaz d'échappement réintroduits dans la chambre de combustion 10. Un débit trop important provoque une perte de puissance du moteur et cause des à coups à l'accélération, alors qu'un débit trop faible entraîne une surémission d'oxydes. Le circuit de recirculation 100 comporte aussi un refroidisseur 102, tel qu'un échangeur thermique à tubes échangeant des calories avec le liquide de refroidissement du moteur 1, afin de ne pas introduire des gaz trop chauds dans la chambre de combustion 10, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique.

[0007] Cette configuration de circuit EGR 100 est bien connue de l'Homme de Métier et il est inutile de la décrire plus avant. [0008] L'utilisation d'un circuit EGR de ce type permet aussi de réduire la quantité d'oxygène en sortie du moteur mais la réduction obtenue n'est toutefois pas suffisante pour se passer d'un dispositif additionnel de déstockage des oxydes d'azote (NOx). En outre, la combustion devient globalement plus instable si on met en oeuvre un système EGR, ce qui nécessite d'utiliser des stratégies d'injection plus complexe, impliquant, au minimum, deux injections. A leur tour, ces stratégies peuvent avoir un impact négatif sur les émissions de suies.

[0009] D'un point de vue physico-chimique, on constate que la vitesse de flamme diminue fortement avec la présence d'un système EGR. Même un recourt à une augmentation de la turbulence ne peut palier ce déficit de vitesse que l'on peut qualifier de chimique .

[0010] On a pu également constater que l'enrichissement du système EGR en hydrogène (H2) permet d'augmenter de manière importante la vitesse de flamme et ainsi de contrebalancer l'effet cinétique de la dilution due au système EGR. Cependant, d'un point de vue pratique, il paraît difficile de faire fonctionner un moteur avec deux carburants distincts, ce qui nécessiterait notamment deux réservoirs et deux systèmes de distribution du carburant également distincts.

[0011] Il est bien connu par ailleurs que les gaz d'échappement sont chauds et chargés de vapeur d'eau. On peut donc en déduire qu'il est possible de produire de l'hydrogène (H2) par une opération physico-chimique dite de réformage , autotherme voire endotherme, du carburant, de l'essence en l'occurrence.

[0012] Pour ce faire, de manière connue en soit, le réformage du carburant peut être obtenu en faisant réagir des molécules de carburant (composition CxHy) avec de l'eau (H20) et/ou de l'air (02 + 3,76 N2) pour produire de l'hydrogène (tous les produits étant introduits sous forme vapeur), selon l'une ou l'autre des réactions chimiques suivantes : • réformage par oxydation partielle du carburant (ci-après dénommé POx : CxHy + 2 (02 + 3,76 N2) 4 x CO + 2 H2 +1,88 x N2 (1) (réaction de type exothermique) 3 0 • Vaporéformage ou STR selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée pour Stream Reforming ) CxHy +x H204 xCO+(x+ ) H2 (2) 2. (réaction de type endothermique) • - Réaction dite de gaz à l'eau ou WGS selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée (pour Water Gas Shift ) CO + H2O 4 CO2 + H2 (3) (réaction de type endothermique) [0013] Le mode de production d'hydrogène (H2) mettant en oeuvre l'une ou l'autre des deux dernières réactions est particulièrement avantageux, car ces réactions sont de type endothermique. Il s'ensuit qu'elles n'induisent pas de pénalité en termes de surconsommation de carburant dans le processus d'obtention de l'hydrogène (H2). Il est donc intéressant de privilégier ces réactions si l'on désire produire de l'hydrogène (H2) dans un but de réformage du carburant.

[0014] Dans l'art connu, il a été proposé de nombreux procédés, mais qui ne permettent qu'une solution imparfaite aux problèmes posées, voire très imparfaite.

[0015] On peut citer, de façon non exhaustive, le brevet américain US-A-4 175 523 (Masaaki Noguchi et al.) qui propose un moteur à combustion interne muni d'un système EGR et d'un système de réformage catalytique de carburant. Mais ce double système est complexe et encombrant.

[0016] Par contre, dans la demande de brevet français publié sous le numéro FR 2 880 657 Al, la Demanderesse a proposé une architecture améliorée de circuit EGR autorisant un réformage du carburant efficace. La figure 2, placée en fin de la présente description, illustre schématiquement le circuit EGR enseigné par cette demande de brevet français, notamment par la figure 2 de celle-ci. On 2 0 va re-décrire succinctement cette architecture pour en montrer les caractéristiques principales. Pour une description plus détaillée de cette invention, on ce reportera avec profit à la demande de brevet précitée. En résumé, le circuit EGR, désormais référencé 100', objet de cette demande de brevet français reprend l'architecture générale d'un circuit EGR de l'art connu, par exemple celle décrite en regard de la figure 1 annexée en fin de la présente description, mais présente des spécificités qui vont 25 être précisées ci-après.

[0017] Sur la figure 2, les éléments identiques ou similaires à ceux illustrés sur la figure 1 portent les mêmes références et ne seront re-décrits qu'en tant que de besoin. En particulier, la figure 2 montre une chambre de combustion 10, d'un moteur 1, située entre un collecteur d'admission 11 et un collecteur d'échappement 12, un catalyseur d'échappement 13, et une entrée d'air A. Comme 3 0 précédemment, le circuit EGR 100' comprend une liaison 105 de flux gazeux qui s'étend entre le collecteur d'échappement 12 et le collecteur d'admission 11. La liaison de flux gazeux 105 présente une entrée 106 constituée par une simple dérivation du collecteur d'échappement 12. La liaison de flux gazeux 105 présente une sortie 107 qui comprend une vanne 101' de régulation du flux, jouant un rôle similaire à la vanne 101 de la figure 1 mais disposée en aval de la liaison 105. [0018] De façon plus spécifique, le circuit EGR 100' enseigné par la demande de brevet FR 2 880 657 Al comprend en outre un réformeur d'hydrogène 200 disposé sur la liaison 105 de flux gazeux. Le circuit EGR 100' peut comprendre, comme précédemment, un refroidisseur 102 (disposé en aval du réformeur 200). [0019] Le réformeur 200 comprend un mélangeur 210 qui reçoit le flux gazeux circulant dans la liaison 105, c'est-à-dire des gaz chauds provenant de l'échappement de la chambre de combustion, soit majoritairement de l'eau (H2O), du dioxyde des carbone (002), des traces de polluants (CO, HC, suies, NOx) et de l'air (02 + 3, 76 N2) si la combustion était en excès d'air.

[0020] Enfin, le réformeur 200 comprend aussi un système d'injection permettant d'introduire dans le mélangeur 210 du carburant finement atomisé F et de d'eau W. Il est préférable que le carburant F et l'eau W soient injectés dans le mélangeur 210 sous forme de vapeur. Pour ce faire, le carburant F et l'eau W peuvent être injectés sous forme liquide, qui est la forme sous laquelle ils sont stockés, dans un évaporateur 220 couplé au mélangeur 210 pour lui fournir le carburant F et l'eau W sous forme de vapeur. A cet effet, un échangeur de chaleur 130 peut être prévu pour chauffer l'évaporateur 220.

Toujours de façon spécifique, le réformeur 200 comprend également au moins un premier module catalytique 250 adapté à provoquer une réaction de vaporéformage du carburant selon l'équation (2) précédemment mentionnée. [0021] Le réformeur 200 peut aussi comprendre un second module catalytique 260 adapté à provoquer une réaction de gaz à l'eau selon la réaction (3) précédemment mentionnée. La vapeur 2 0 d'eau nécessaire à cette seconde réaction de réformage peut provenir d'un excès de vapeur d'eau introduite dans le mélangeur ou peut venir d'une nouvelle injection de vapeur d'eau prélevée au niveau de l'évaporateur 220. La liaison de flux gazeux 105 peut alors présenter une entrée de vapeur d'eau 108 située entre le premier et le second module catalytique, respectivement 250 et 260.

[0022] Le circuit EGR 100' fonctionne de la manière suivante : une partie des gaz issus de 25 l'échappement de la chambre de combustion 10 sont dérivés dans une liaison 105 de circuit EGR permettant la recirculation des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission 11 de la chambre de combustion 10. Une ou plusieurs unités de contrôle (non illustrées) du réformeur 200 sont prévues et permettent la commande de la vanne 101 de régulation du flux gazeux dans le circuit EGR 100', et donc de la quantité de mélange gazeux enrichis en hydrogène à ajouter, la commande de l'injection 3 0 d'eau W et de carburant F dans le mélangeur 210 afin de fournir les ingrédients nécessaires à la réaction de vaporéformage dans le premier module catalytique 250, ainsi que l'injection de vapeur d'eau V en amont du second module catalytique 260 afin de compléter la génération d'hydrogène en oxydant le monoxyde de carbone issu du vaporéformage. Les gaz prélevés du collecteur d'échappement 12 circulent donc dans le réformeur 200. Ces gaz d'échappement se mélangent aux 3 5 injections de carburant et d'eau pour former les ingrédients nécessaires aux réactions de réformage afin de fournir un gaz d'échappement directement enrichi en hydrogène (H2). [0023] Le circuit de recirculation EGR autorisant le réformage de carburant par production in situ d'hydrogène, objet de la demande de brevet français FR 2 880 657 Al précité atteint bien les buts qu'il s'est fixé.

[0024] En premier lieu, du fait de cette production d'hydrogène in situ, il n'est pas nécessaire, notamment, de disposer d'un second réservoir de carburant. En outre, le circuit de recirculation EGR 100' associé au circuit de réformage est de conception simplifiée et compacte, contrairement à l'architecture du système enseigné par le brevet américain US-A-4 175 523 précité.

[0025] Cependant, ce système comporte plusieurs inconvénients : il nécessite la présence d'un dispositif de stockage et de vaporisation d'eau et d'injection de vapeur d'eau, ne fonctionne qu'en vaporéformage et nécessite une température minimale de fonctionnement de l'ordre de 600°C (température pour effectuer le vaporéformage)

[0026] Tout au contraire, l'invention propose un circuit de recirculation EGR associé à un système de réformage pour la production d'hydrogène ne nécessitant pas l'injection de vapeur d'eau d'origine externe. En outre, l'invention vise à améliorer le système enseigné par la demande de brevet FR 2 880 657, tant d'un point vue bilan thermique que d'un point de vue efficacité en matière de dépollution, ce sans induire un surcroît notable de complexité.

[0027] En ce qui concerne le premier point, le circuit de recirculation EGR associé à un système de réformage conforme à l'invention vise à obtenir un catalyseur dit ATR selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée (pour Auto Thermal Reforming ), c'est-à-dire ne nécessitant aucun 2 0 apport d'énergie thermique externe. Pour ce faire, selon une caractéristique importante de l'invention, les trois réactions de réformage [(1) à (3)] précédemment mentionnées sont combinées de façon optimale dans le circuit de réformage, de façon à ce que le bilan thermique soit nul, pour le moins tout au plus légèrement endothermique.

[0028] En ce qui concerne le second point, le circuit de recirculation EGR associé à un système de 25 réformage conforme à l'invention permet une augmentation importante du taux de gaz réinjecté par le circuit EGR de façon à ne pratiquement plus générer d'oxydes d'azote (NOx) à la source. Il s'ensuit, de façon avantageuse, qu'il n'est plus nécessaire de les retraiter, ce contrairement à l'art connu qui nécessite, comme il a été rappelé, la mise en oeuvre d'un dispositif additionnel de déstockage des oxydes d'azote (NOx) : piège à oxydes d'azote (NOx) ou dispositif similaire. Pour le moins, pour 3 0 certains modes de fonctionnement critiques, le dimensionnement d'un tel système sera très faible, en tout état de cause bien inférieur à celui nécessité par les systèmes de l'art connu.

[0029] L'invention a donc pour objet principal un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur comprenant une liaison de flux gazeux, reliant les collecteurs d'échappement et d'admission du moteur, comportant, disposés en cascade, un module d'injection secondaire d'air et de carburant et un 35 réformeur de carburant constituant un système catalytique, ledit réformeur comprenant des premiers moyens (301, 30a) pour provoquer une première réaction de réformage du carburant injecté dite d'oxydation partielle du carburant injecté, des deuxièmes moyens pour provoquer une deuxième réaction de réformage dite de vaporéformage consommant de l'énergie dégagée par la première réaction et de l'eau, et pour provoquer une troisième réaction de réformage dite de gaz à l'eau pour produire de l'hydrogène à partir d'eau produite par la réaction de vaporéformage, les moyens provoquant les trois réactions de réformage étant agencés de manière à ce que le bilan thermique cumulé de ces réactions soit endotherme ou autotherme.

[0030] L'invention concerne aussi un moteur pour la mise en oeuvre de ce procédé.

[0031] L'invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée en se référant aux figures annexées, parmi lesquels : La figure 1 illustre très schématiquement la configuration d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement, EGR, d'un moteur à combustion interne selon l'art connu ; la figure 2 illustre très schématiquement la configuration d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement, EGR, d'un moteur à combustion interne associé à un système de réformage conforme à l'enseignement de la demande de brevet français FR 2 880 657 Al ; • la figure 3 illustre très schématiquement la configuration d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement, EGR, d'un moteur à combustion interne associé à un système de réformage selon l'invention ; • la figure 4 illustre schématiquement un exemple de réalisation de module d'injection secondaire 4 conforme à l'invention mis en oeuvre dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement de la figure 3 ; • -les figures 5 et 6, illustrent schématiquement deux exemples de configuration de catalyseurs conformes à l'invention mis en oeuvre dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement de la figure 3 [0032] Dans ce qui suit les éléments communs à plusieurs figures portent les mêmes références et ne seront re-décrits qu'en tant que de besoin.

[0033] La figure 3 illustre très schématiquement un exemple d'architecture de circuit de recirculation EGR, désormais référencé 2, associé à un système de réformage selon l'invention.

[0034] La configuration du moteur à combustion interne 1 et de ses organes principaux (chambres de combustion 10, collecteur d'admission 11, collecteur d'échappement 12) ne diffèrent en rien, a priori, de celle décrite au regard de la figure 2, elle-même très semblable en soi à celle des moteurs de l'art connu (figure 1).

[0035] De même, l'architecture du circuit de recirculation EGR 2 associé à un système de réformage, désormais référencé 2, est similaire à celle, 100', de la figure 2, en ce sens qu'elle comprend une liaison 105 de flux gazeux qui s'étend entre le collecteur d'échappement 12 et le collecteur d'admission 11, une vanne 101' de régulation du flux, un réformeur de carburant constituant un système catalytique (ci-après dénommé catalyseur pour simplifier la description), désormais référencé 3, et un module d'injection, désormais référencé 4. [0036] Enfin, comme précédemment, le circuit EGR 2 peut comprendre un refroidisseur 102 (figure 2, non représenté sur la figure 3) disposé en aval du réformeur 3.

[0037] Les deux premiers éléments, liaison 105 et vanne 101', ainsi que le refroidisseur 102, jouent un rôle semblable aux éléments de même référence de la figure 2 et ne nécessitent pas d'être redécrits en détail. [0038] Par contre, le réformeur (catalyseur) 3 et le module d'injection 4 sont spécifiques à la présente invention et leurs structures et leurs modes de fonctionnement particuliers vont être précisés ci-après.

[0039] Toujours comme précédemment, le catalyseur 3 est implanté directement au niveau du piquage de la boucle de recirculation 105 sur la partie collecteur d'échappement 12 du moteur, cela afin de conserver au maximum la température des gaz d'échappement. Avantageusement, cette zone amont du catalyseur 3 peut de plus être calorifugée. La vanne 101' est située en aval du catalyseur 3, afin d'éviter toute détente des gaz ce qui pénaliserait d'autant plus la température.

[0040] En mode de croisière du fonctionnement du moteur 1, le circuit de recirculation 105 de l'EGR 2 permet donc de faire circuler des gaz chauds provenant de l'échappement 12, soit majoritairement de l'azote (N2), de l'eau (H20), du dioxyde de carbone (CO2), des traces de polluants (CO, HC, NOx, suies), ainsi que de l'oxygène (02).

[0041] Le module d'injection secondaire 4, spécifique à l'invention, permet d'introduire dans le circuit de recirculation 105 de l'EGR 2, en amont du catalyseur 3, un mélange homogène air/carburant sous forme vapeur, typiquement chauffé à 200°C environ. Pour ce faire, des conduits 40 et 41 amène au module 4 de l'air A et du carburant F, respectivement. De façon connue en soi, ce module comprend des organes classiques nécessaires à la vaporisation de ce mélange et à son injection dans le circuit 105 de l'EGR 2. A ce stade, on peut noter que le module 4, contrairement au module 210/220 de la figure 2, ne comprend pas d'amenée d'eau.

[0042] La figure 4 illustre schématiquement un exemple de réalisation de module d'injection secondaire 4 conforme à l'invention. Il comprend un injecteur de carburant 41 connecté au réservoir de carburant du véhicule (non représenté), une pompe à air (non représentée) dont la sortie est constitué par le conduit d'amené d'air 40 et un dispositif de chauffage 42 alimenté en énergie électrique (liaison 420). Ce dispositif de chauffage 42 permet d'élever la température du mélange air/carburant à la température désirée, par exemple 200 °C. On peut également optimiser l'arrangement reformer / ligne d'échappement afin de favoriser les échanges thermiques et ainsi chauffer les éléments du reformer.

[0043] De façon avantageuse, on peut disposer, à l'intérieur du module 4, un obstacle 43, par exemple un grille de mélange 43, qui permet de rendre l'écoulement turbulent, et ainsi favoriser le mélange des différents gaz. La richesse de ce mélange secondaire est avantageusement adaptée au fonctionnement moteur à l'aide de circuits de contrôle électroniques (non représentés) dont sont pourvus les véhicules modernes, généralement connus sous l'abréviation anglo-saxonne "E.C.U." (pour "Electronic Control Unit").

[0044] Le catalyseur 3 est donc présent dans le conduit 105 de l'EGR 2, et provoque les trois réactions de réformage du carburant précédemment rappelées : • - Oxydation partielle (POx) (1) • -Vaporéformage (STR) (2) • - Réaction de gaz à l'eau (WGS) (3) [0045] La première réaction (1) consomme l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement, ainsi que l'air injecté A en amont du catalyseur 3, pour produire de l'enthalpie ainsi que de l'hydrogène (H2) en consommant une partie du carburant injecté. La quantité d'air A injectée sert ainsi à contrôler l'exotherme de cette première réaction.

[0046] La seconde réaction (2), le vaporéformage (STR), endothermique, se produit donc en consommant l'énergie dégagée par la première réaction (POx) ainsi que l'eau présente dans les gaz d'échappement, et seulement cette eau. Aucune source d'eau externe n'est nécessaire. Le monoxyde de carbone (CO) produit par cette réaction est converti en hydrogène (H2) du fait de l'excédent d'eau par réaction de gaz à l'eau (WGS), c'est-à-dire conformément à la troisième réaction (3). L'ensemble des réactions est réalisé de manière endotherme ou au moins autotherme afin de ne pas perdre une partie de l'énergie contenue dans le carburant initial. [0047] Les catalyseurs favorisant ces réactions sont généralement à base de rhodium (Rh), de palladium (Pd) et/ou de platine (Pt).

[0048] La température d'entrée du système catalytique 3 est principalement comprise entre 300 et 550°C, avec des pics à 1000°C dans le catalyseur. Un capteur de température 5 (figure 3) peut être installé en amont du catalyseur 3 pour favoriser un contrôle précis de la température.

3 0 [0049] Le catalyseur 3 peut se décliner selon différentes configurations. Pour fixer les idées, sans être exhaustif, on peut citer deux types de configurations principales : • - un pain catalytique unique, mais optimisé localement ; et • - deux pains catalytiques disposés séquentiellement, ou encore un pain unique mais présentant des zones distinctes (configuration de type dite zoning ). [0050] La première configuration (de type pain unique ) est illustrée schématiquement par la figure 5. II s'agit d'un pain de matériau catalytique de type multicouche. Sur la figure 5, on a représenté très schématiquement une portion de ce pain, référencée 30, elle-même subdivisée en une multitude de portions élémentaires multicouches de matériau catalytique 300, au sein desquelles se déroulent les trois réactions de réformage : POx (équation (1) dans la couche 301), et STR et WGS (équations (2) et (3) respectivement, dans la couche 302).

[0051] La deuxième configuration (pains catalytiques séquentiels ou avec une structure de type zoning ) est illustrée très schématiquement par la figure 6. On a représenté sur cette figure un catalyseur 3 constitué par deux pains de matériaux catalytiques en cascade, un pain 30a au sein duquel se déroule la réaction de réformage POx (équation (1)) et un pain 30b au sein duquel se déroulent les réactions de réformage STR et WGS (équations (2) et (3) respectivement).

[0052] La dernière interface avant le retour au conduit d'admission 11 (figure 3) est constituée par une vanne pilotée 101', qui permet de contrôler le débit de gaz re-circulés dans le moteur 1.

[0053] Préférentiellement, on prévoit un capteur d'hydrogène (H2) 6 (ou une sonde d'oxygène 02 proportionnelle) disposé sur la liaison 105 en sortie du catalyseur 3. Cet organe est utilisé avantageusement en complément des capteurs classiques, présents sur les moteurs de conception récente, pour ajuster au mieux les stratégies de contrôle du réformage et connaître le vieillissement du catalyseur 3, de façon connue en soi.

[0054] Le circuit EGR 2 conforme à l'enseignement de l'invention permet donc : • d'utiliser une partie de l'énergie thermique et de la vapeur d'eau contenus dans les gaz d'échappement pour réaliser des réactions de réformage du carburant, principalement par la voie du vaporéformage STR (équation (2), de type endothermique); • permet de compléter la génération d'hydrogène (H2) en faisant appel à la réaction de gaz à l'eau WGS (équation (3), également de type endothermique), ce en oxydant le monoxyde de carbone (CO) issu du réformage avec de l'eau (H2O) injectée à cette occasion, ou résiduelle d'un excès de vapeur d'eau au premier point d'injection ; et • d'obtenir le complément d'énergie nécessaire à la production d'hydrogène par STR et WGS en faisant appel à l'Oxydation partielle POx (équation (3) de type exothermique) du carburant, ce en injectant une quantité d'air en amont du catalyseur 3.

[0055] Le contrôle quantitatif de la production d'hydrogène reformé (H2) peut être réalisé à partir de la connaissance de trois informations : • - la composition des gaz du circuit EGR 2, obtenue par l'intermédiaire d'une sonde lambda 7 disposée sur le circuit d'échappement. Cette sonde 7, présente dans tous les moteurs de conception récente, permet de donner une information sur la richesse des gaz d'échappement, et de ce fait d'ajuster le besoin en air secondaire ; • - la température des gaz en entrée du catalyseur 3, permettant d'ajuster le besoin en exotherme en entrée du catalyseur 3 et donc la richesse du mélange secondaire air/carburant. Cette température est mesurée à l'aide du capteur de température 5 précité ; et • - la quantité d'hydrogène (H2) en sortie catalyseur 3, permettant d'ajuster les paramètres d'entrée du catalyseur également, mais aussi les dérives du catalyseur (encrassement, vieillissement, etc.) et donc des quantités de gaz réinjecté par le circuit EGR 3 réellement admissibles par le moteur 1, ce paramètre pouvant être mesuré par le capteur 6 précité.

[0056] Ces trois séries de signaux de mesure sont combinées et exploitées par une unité de contrôle électronique (non représentée), habituellement l'un des calculateurs numériques embarqués dans un véhicule de conception récente. [0057] Le réformage nécessite une certaine quantité d'énergie pour être réalisé. Pour ce faire, on peut mettre en oeuvre des stratégies adaptées aux situations rencontrées, notamment : • si les gaz sont froid (typiquement <450°C), afin d'amorcer le catalyseur 3, on favorise la l'Oxydation partielle POx (équation (3) de type exothermique) en admettant une forte quantité d'air secondaire ; et • si les gaz sont chaud (>450°C), on favorise au contraire un fonctionnement autotherme du catalyseur 3 en réduisant au maximum les quantités d'air secondaire.

[0058] Typiquement, la quantité d'air réinjectée permet d'atteindre des concentrations comprises dans une gamme allant de 2 à 5% d'oxygène.

[0059] Le circuit EGR conforme à l'invention qui vient d'être décrit présente de nombreux avantages.

[0060] En fonctionnement en charge partielle et en charge élevée, l'utilisation du circuit EGR enrichi en hydrogène conforme à l'invention, à richesse 1 (unité), permet des gains en consommation au minimum identiques à ceux d'un mode de fonctionnement de type IDE Stratifié .

[0061] Le diagramme de la figure 7 illustre schématiquement des courbes d'évolution typique de 3 0 gain en consommation de carburant en fonction de la charge d'un moteur, pour des fonctionnements en mode IDE Stratifié (courbe Cl) et en mode EGR + H2 (richesse 1) (courbe C2).

[0062] On constate clairement que le recours à un circuit EGR avec réformage du carburant selon l'invention est plus performant que le mode IDE Stratifié pour les zones de charges précitées.

Par contre, ce dernier mode se montre plus performant que pour des faibles charges. Or, ce sont les zones de fonctionnement à charges moyennes et fortes qui sont principalement contributrices d'émissions d'oxydes d'azote (NOx) sur un cycle d'utilisation du véhicule.

[0063] Dans une variante d'exécution préférentielle de l'invention, on combine avantageusement les deux modes de fonctionnement, EGR enrichi en hydrogène et IDE Stratifié . On obtient un fonctionnement que l'on peut qualifier d'hybride.

[0064] Ce mode de fonctionnement hybride permet avantageusement de supprimer la zone de forte émission d'oxyde d'azote (NOx) tout en maintenant ou voire en augmentant les gains en consommation de carburant. En effet, dans cette variante d'exécution préférentielle, on ne conserve le mode fonctionnement IDE Stratifiée que pour la zone de fonctionnement du moteur à faible charge pour maximiser le fonctionnement à faibles consommations. En dehors de cette zone de faibles charges, le recours à un mode de fonctionnement du moteur de type EGR + H2 (richesse 1) est plus performant en termes, et de gain en consommation, et de faible taux de pollution. La commutation entre les deux modes de fonctionnement est effectuée sur détection d'un seuil prédéterminé de la charge du moteur, ce en recourant à des capteurs classiques généralement déjà présents sur les moteurs de conception récente.

[0065] On peut aussi, et avantageusement, dissocier deux catégories extrêmes de motorisations, en fonction du type d'applications choisies : • les motorisations de type dit downsizing : sont concernés les gros véhicules munis d'un petit 20 moteur ; et, au contraire, • les motorisations de type dit upsizing : sont concernés les petits véhicules munis d'un gros moteur.

[0066] Dans le cas d'une motorisation dite downsizing , le cycle d'utilisation du véhicule ne passe que très peu par la partie faible charge précitée de la zone de fonctionnement du moteur, le mode 25 IDE Stratifié classique de ces zones et les émissions d'oxydes d'azote (NOx) de ces points de fonctionnements ne sont alors pas suffisants pour nécessiter l'utilisation d'un dispositif additionnel de déstockage d'oxydes d'azote spécifique (DéNOx), la catalyse trois voies s'avère alors tout à fait suffisante.

[0067] Dans le cas d'une motorisation dite upsizing , le cycle d'utilisation passe plus de temps 3 0 sur la partie faible charge de la zone de fonctionnement du moteur. Les émissions d'oxydes d'azote (NOx) du mode IDE Stratifié doivent alors être réduites pour maintenir opérationnel le fonctionnement du système catalytique trois voies. Un fonctionnement avec EGR enrichi en H2 est alors envisagé en complément du mode IDE Stratifié . Ce mode s'avère en réalité plus un mode typé homogène pauvre H2 , sous fort taux d' EGR , que réellement Stratifié . L'oxygène 35 contenu dans les gaz d'échappement permet alors d'améliorer la phase exothermique du système de réformage sans réelle pénalité quant au rendement. [0068] Enfin, dans des circonstances extrêmes, même si un dispositif additionnel de déstockage d'oxydes d'azote spécifique (DéNOx) devait toutefois être conservé, le dimensionnement de celui-ci serait très inférieur à un dispositif de ce type habituellement prévu dans l'art connu.

[0069] Pour les différentes possibilités qui viennent d'être décrites, le passage d'un mode spécifique de fonctionnement à l'autre, par exemple d'un mode IDE Stratifié pur à un mode EGR selon l'invention, est effectué sous la commande d'une unité de contrôle électronique (non représentée), plus connue sous l'acronyme E.C.U. (pour Electronic Control Unit ), selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée. De façon pratique, cette unité de contrôle est constituée par l'un des calculateurs numériques embarqués à programme enregistré dont est muni habituellement un véhicule de technologie récente. Un tel ordinateur est bien connu de l'Homme de métier et sa mise en oeuvre dans le cadre de l'invention ne nécessite pas de modifications substantielles. Généralement il suffit de modifier les programmes précités et, éventuellement de prévoir des circuits d'entrées/sorties spécifiques commandant des organes de changement de mode de fonctionnement (non représentés) et recevant des signaux d'états spécifiques ou de mesures délivrés par des capteurs implémentés sur le moteur et/ou le circuit EGR de l'invention, par exemple les capteurs d'hydrogène 6 (figure 3) et de température 5. Ces modifications sont également à la portée de l'Homme de Métier.

[0070] A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixée.L'invention présente de nombreux avantages qui ont été précédemment énumérés et qu'il est inutile de rappeler en totalité. On peut toutefois insister sur le fait qu'elle permet tout à la fois un gain en consommation au moins égal à celui obtenu par un mode de fonctionnement IDE Stratifié , tout en conservant de très bonnes performances en termes de taux de pollution.

[0071] L'invention n'est toutefois pas limitée aux seuls modes de réalisation et applications décrites en regard des figures 3 à 6. De même, des exemples numériques précis n'ont été donnés que pour mieux mettre en évidence les caractéristiques essentielles de l'invention et ne résultent que d'un choix technologique, en soi à la portée de l'Homme de Métier. Ils ne sauraient limiter de quelle que manière que ce soit la portée de l'invention.

Claims (14)

Revendications

1. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur comprenant une liaison de flux gazeux, reliant les collecteurs d'échappement et d'admission du moteur, comportant, disposés en cascade, un module (4) d'injection secondaire d'air et de carburant et un réformeur de carburant (3) constituant un système catalytique, ledit réformeur (3) comprenant des premiers moyens (301, 30a) pour provoquer une première réaction de réformage du carburant injecté dite d'oxydation partielle du carburant injecté, des deuxièmes moyens (302, 30b) pour provoquer une deuxième réaction de réformage dite de vaporéformage consommant de l'énergie dégagée par la première réaction et de l'eau, et pour provoquer une troisième réaction de réformage dite de gaz à l'eau pour produire de l'hydrogène à partir d'eau produite par la réaction de vaporéformage, les moyens provoquant les trois réactions de réformage étant agencés de manière à ce que le bilan thermique cumulé de ces réactions soit endotherme ou autotherme.

2. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison de flux gazeux (105) comprend une vanne de régulation de flux gazeux (101') disposée en aval du réformeur (3).

3. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la liaison de flux gazeux (105) comprend un refroidisseur (102) disposé en aval du réformeur (3).

4. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une 2 0 quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réformeur (3) est constitué par un pain unique de matériaux catalytiques constitué d'une pluralité de couches de matériaux catalytiques distincts (300) optimisés localement, une série de premières couches de matériau catalytique (301) provoquant la première réaction de réformage et une série de deuxièmes couches de matériau catalytique (302) provoquant les deuxième et troisième réactions de réformage. 25

5. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réformeur (3) est constitué par deux pains de matériaux catalytiques disposés en cascade, le premier pain de matériau catalytique (30a) provoquant la première réaction de réformage et le deuxième pain de matériau catalytique (30b) provoquant les deuxième et troisième réactions de réformage. 3 0

6. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réformeur (3) est constitué par un pain unique de matériaux catalytiques présentant deux zones de matériaux catalytiques distincts disposés en cascade, le premier matériau catalytique (30a) provoquant la première réaction de réformage et le deuxième matériau catalytique (30b) provoquant les deuxième et troisième réactions de réformage.

7. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les matériaux catalytiques sont à base de rhodium, de palladium ou de platine.

8. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le module d'injection secondaire d'air et de carburant (4) comprend un injecteur de carburant (41), une pompe à air (40), agencés pour obtenir un mélange homogène air/carburant, et un dispositif de chauffage (42) alimenté en énergie électrique (420) pour vaporiser le mélange avant injection dans la liaison de flux gazeux (105).

9. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que le module d'injection secondaire d'air et de carburant (4) comprend en outre des moyens (43) formant obstacle disposés sur le trajet du mélange vaporisé, de manière à rendre turbulent son écoulement avant injection dans la liaison de flux gazeux (105).

10. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un capteur de température (5) est disposé sur la liaison de flux gazeux (105) en amont du réformeur (3) pour mesurer la température des gaz d'échappement, de façon à ajuster le besoin en exotherme en entrée du réformeur (3) et la richesse du mélange secondaire air/carburant.

11. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un capteur d'hydrogène ou une sonde proportionnelle d'oxygène (6) est disposée sur la liaison de flux gazeux (105) pour mesurer la quantité d'hydrogène en sortie du réformeur (3), de manière à ajuster des paramètres d'entrée de ce réformeur (3) et à évaluer ses dérives dans le temps.

12. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une sonde lambda (7) est disposée sur un circuit d'échappement en sortie du collecteur d'échappement (12) pour mesurer la richesse des gaz d'échappement et ajuster les besoins en air injecté par le module d'injection secondaire d'air et de carburant (4).

13. Circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens combinant les 3 0 mesures de température, de quantité d'hydrogène en sortie du réformeur (3) et de richesse des gaz d'échappement, de manière à effectuer un contrôle quantitatif de la production d'hydrogène reformé.

14. Moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'échappement, un collecteur d'admission principal d'air et de carburant et au moins une chambre à combustion disposée entre ces deux collecteurs, un circuit de recirculation des gaz d'échappement comprenant une liaison de fluxgazeux reliant les collecteurs d'échappement et d'admission, caractérisé en ce qu'il comprend le circuit de recirculation des gaz d'échappement (2) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.