PROCEDE ET DISPOSITIF DE VALORISATION DE L'HYDROGENE PRODUIT PAR UN REFORMEUR D'UN VEHICULE [000l] La présente invention concerne un procédé de valorisation de l'hydrogène 5 produit par un reformeur embarqué sur un véhicule. L'invention concerne également le dispositif d'échappement des gaz d'un moteur thermique. [0002] Un moteur thermique comporte des cylindres dans lesquels est injecté un mélange de carburant (par exemple de l'essence ou du gasoil) et d'air frais prélevé à l'extérieur du véhicule. Avant d'atteindre les cylindres, l'air frais passe par un 10 collecteur d'admission d'air. Les gaz brûlés sortent des cylindres par un collecteur de gaz d'échappement suivi par une ligne d'échappement composée principalement d'une canalisation munie d'un pot d'échappement et généralement de catalyseurs destinés à traiter les gaz polluants tels que le monoxyde de carbone CO, les oxydes d'azote NOx et les composés organiques volatils HC (les 15 hydrocarbures non brûlés). [0003 Il est connu que l'on parvient à réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx) des moteurs thermiques en faisant recirculer une partie des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission d'air. Un tel système de recirculation des gaz est connu sous l'abréviation EGR qui signifie "Exhaust Gas Recirculation". 20 La recirculation des gaz d'échappement produit une augmentation des émissions de produits carbonés, comme les hydrocarbures imbrûlés (HC), le monoxyde de carbone (CO) ou des particules formant des suies. Même si l'ajout d'hydrogène dans les gaz d'échappement recyclés ne permet pas vraiment de réduire ces sur-émissions, il accroît nettement la stabilité de la combustion dans la chambre 25 permettant d'augmenter le taux d'EGR et ainsi de réduire les NOx ainsi que la consommation du véhicule. [0004] Le document EP 1 688 608 décrit un tel système EGR amélioré, dans lequel de l'hydrogène est produit dans la boucle EGR et mélangé à la partie des gaz d'échappement recirculée. Ainsi, le système EGR comporte un reformeur 30 d'hydrogène disposé dans la boucle de recirculation des gaz d'échappement. 2 [0005 De manière connue en soit, le reformage du carburant est obtenu en faisant réagir des molécules de carburant avec de l'eau et/ou de l'air pour produire de l'hydrogène, selon les réactions suivantes: - reformage par oxydation partielle du carburant (composition CXHy) avec de l'air 5 (02 + 3,76 N2), le carburant étant introduit sous forme de vapeur:
CXHy + x/2(02 + 3,76 N2) x CO + y/2 H2 + 1 ,88xN2 (1)
- vapo-reformage du carburant (CXHy) avec de la vapeur d'eau (H2O): 10 CXHy + x H2O xCO + (y/2 + x) H2 (2)
- réaction de gaz à l'eau, dite réaction "Water Gas Shift" ou "WGS" 15 CO + H20 CO2 + H2 (3) [0006] Le terme "reformeur" désigne dans le présent document tout dispositif capable de produire de l'hydrogène selon au moins l'une des réactions chimiques (1) à (3) ci-dessus. Un reformeur peut comporter un injecteur de carburant finement 20 atomisé et de l'eau et un mélangeur. Le carburant finement atomisé et l'eau sont mélangés dans le mélangeur aux gaz d'échappement recirculés. [0007] Dans le document EP 1 688 608, le reformeur comprend également un module catalytique capable de réaliser la réaction de vapo-reformage du carburant, selon la réaction (2) précédente. Il peut aussi comporter un second module 25 catalytique capable de réaliser la réaction de gaz à l'eau, selon la réaction (3) précédente, afin de compléter la génération d'hydrogène en oxydant le monoxyde de carbone issu du vapo-formage (réaction (2)). [0008] On remarque que l'utilisation de catalyseurs dans le document EP 1 688 608 a pour unique but de réaliser des réactions chimiques en vue de produire de 30 l'hydrogène. Cependant, une partie de cet hydrogène est non utilisé et il est donc perdu, ce qui est dommage car il pourrait être utilisé autrement, à d'autres fins que celle d'améliorer la combustion dans les cylindres. Il est aussi dommage de ne pas 3 utiliser le reformeur (alors qu'il équipe le véhicule) pour d'autres fonctions que celle initialement prévue. [0009] La présente invention propose un procédé et un dispositif permettant de valoriser l'hydrogène produit en excès dans les boucles EGR des véhicules. [ooio] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de valorisation de l'hydrogène produit par un reformeur d'un véhicule comprenant un moteur à combustion interne, muni d'un collecteur d'admission d'air et d'un collecteur d'échappement, et un pot d'échappement muni de catalyseurs pour le traitement des gaz d'échappement. Une partie des gaz d'échappement est prélevée afin d'être injectée dans le collecteur d'admission d'air. Le reformeur produit de l'hydrogène qui est ensuite mélangé aux gaz d'échappement recyclés. Selon le procédé de l'invention, une partie des gaz d'échappement prélevés et contenant de l'hydrogène fourni par ledit reformeur est envoyée à l'entrée du pot d'échappement afin d'améliorer les performances desdits catalyseurs pour le traitement des gaz d'échappement. [0011] La quantité de gaz injectée dans le collecteur d'admission d'air est avantageusement régulée en fonction des besoins du moteur, l'excès des gaz étant envoyé à l'entrée dudit pot d'échappement. [0012] L'invention concerne également un dispositif d'échappement des gaz d'un moteur thermique du type comprenant une ligne d'échappement, munie d'un pot d'échappement contenant des catalyseurs, un collecteur d'admission d'air, un collecteur d'échappement et une boucle EGR munie d'un reformeur pour la production d'hydrogène, ladite boucle étant connectée entre le collecteur d'admission d'air et le collecteur d'échappement. Selon l'invention, le dispositif comporte une canalisation ayant une extrémité connectée à ladite boucle EGR en aval dudit reformeur et une autre extrémité connectée à la ligne d'échappement en amont desdits catalyseurs. [0013] Lorsque ledit reformeur est muni d'un système catalytique, ladite canalisation peut être connectée en aval dudit système catalytique. 4 [0014] Ladite boucle EGR peut avantageusement comporter une vanne trois voies avec une entrée et une première et une deuxième sortie, ladite entrée étant connectée à la sortie dudit système catalytique, ladite première sortie étant connectée audit pot d'échappement, en amont desdits catalyseurs, par l'intermédiaire de ladite canalisation, et ladite deuxième sortie étant connectée au collecteur d'admission d'air. [0015] Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comporte une première et une deuxième boucle EGR ayant en commun une partie dudit reformeur, la première boucle EGR comprenant ladite partie commune dudit reformeur connectée au collecteur d'échappement , un premier système catalytique dont l'entrée est connectée à ladite partie commune dudit reformeur et la sortie connectée au collecteur d'admission d'air, la deuxième boucle EGR comprenant ladite partie commune dudit reformeur, un deuxième système catalytique dont l'entrée est connectée à ladite partie commune dudit reformeur en parallèle avec ledit premier système catalytique et dont la sortie est connectée au collecteur d'admission d'air, ledit dispositif comprenant ladite canalisation ayant deux extrémités, l'une étant connectée à la sortie dudit deuxième système catalytique et l'autre extrémité étant connectée à la ligne d'échappement en amont desdits catalyseurs. [0016] Ladite deuxième boucle peut avantageusement comporter une vanne trois voies ayant une entrée et une première et une deuxième sortie, ladite entrée étant connectée à la sortie dudit deuxième système catalytique, ladite première sortie étant connectée à l'entrée dudit pot d'échappement par l'intermédiaire de ladite canalisation, et ladite deuxième sortie étant connectée au collecteur d'admission d'air. [0017] Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif comporte une première et une deuxième boucle EGR séparées l'une de l'autre, chaque boucle ayant une entrée connectée au collecteur d'échappement et une sortie connectée au collecteur d'admission d'air, chaque boucle comportant un reformeur muni d'un système catalytique, la deuxième boucle comprenant une vanne placée entre le système catalytique de cette deuxième boucle et le collecteur d'admission d'air, le dispositif comportant ladite canalisation connectée entre ladite vanne et ledit pot d'échappement en amont desdits catalyseurs. [0018] Ledit pot d'échappement peut contenir au moins l'un des systèmes catalytiques suivants: un piège à NOx, un système trois voies et un système 5 DENOx de type SCR (réduction catalytique sélective). [0019] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention 10 avec une seule boucle EGR muni d'un reformeur pour une utilisation EGR et accessoirement pour la régénération des systèmes de dépollution; la figure 2 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention comportant deux boucles EGR avec un reformeur intégré, l'une des boucles servant exclusivement pour la recirculation des gaz d'échappement du 15 moteur thermique et l'autre boucle servant en partie à la régénération des systèmes de dépollution; et la figure 3 est un schéma d'un troisième mode de réalisation de l'invention comportant deux boucles EGR, chacune avec un reformeur intégré, l'une des boucles servant uniquement pour la recirculation des gaz d'échappement et l'autre 20 boucle servant en partie à la régénération des systèmes de dépollution. [0020] La présente invention a pour objectif de valoriser l'hydrogène produit par un reformeur intégré dans une boucle EGR dans un véhicule, l'hydrogène pouvant être celui produit en excès ou produit spécialement dans un autre but que l'amélioration de la combustion dans les cylindres du moteur. 25 [0021] Selon l'invention, une partie de l'hydrogène produit est récupéré afin d'améliorer l'efficacité des systèmes catalytiques pour le post-traitement des gaz d'échappement. L'hydrogène possède en effet des propriétés de réduction intéressantes pour le traitement des catalyseurs. Ainsi, cet hydrogène peut contribuer à la régénération du piège à NOx (appelé habituellement "PANOx") avec 30 suppression des purges et donc réduction de la surconsommation de carburant associée, mais aussi à la régénération de son pré-catalyseur. Le piège à NOx doit 6 en effet être "purgé" après saturation de sa surface en NOx provoquée lors des phases pauvres (fonctionnement du moteur en stratifié c'est-à-dire en excès d'air). La purge ou régénération est effectuée au moyen de passages plus ou moins fréquents à des conditions riches (d'où un surcoût de consommation de carburant) qui ont pour objectif de réduire les nitrates stockés. La présente invention permet ainsi de s'affranchir de l'un des inconvénients du catalyseur PANOx, à savoir la surconsommation de carburant liée aux purges du catalyseur. De plus, l'injection d'hydrogène permet de maintenir plus longtemps l'efficacité du système catalytique et ainsi d'offrir des opportunités d'économies techniques significatives, par exemple en réduisant la charge en métaux précieux. [0022] L'hydrogène peut également contribuer à l'amorçage du catalyseur trois voies (désigné souvent par "TWC") par la création d'un exotherme (lié à la réaction d'oxydation de l'hydrogène par l'oxygène) et l'aide à la régénération à chaud notamment après des coupures d'injection (l'hydrogène estompant l'impact des phases pauvres destructrices pour le catalyseur), [0023] Enfin l'hydrogène peut contribuer à la réduction, voire la suppression, du réservoir d'urée qui fait partie des critères dimensionnant du système "SCR" de réduction catalytique sélective, l'hydrogène venant en remplacement de l'ammoniac formé à la suite de l'hydrolyse de l'urée. La réduction des dimensions du réservoir d'urée, ou même sa suppression, représente un réel avantage. De plus, l'avantage de l'hydrogène par rapport à l'urée réside dans la diminution du risque d'émissions de NH3 en sortie du catalyseur SCR. [0024] La production d'hydrogène peut être réalisée selon l'une des réactions chimiques précédentes (1) à (3), c'est-à-dire par oxydation partielle (POx) du carburant (réaction 1), par vapo-reformage (STR) du carburant avec de la vapeur d'eau (réaction 2) et/ou par réaction de gaz à l'eau (WGS) (réaction 3). Le rendement de production en hydrogène de chacune de ces réactions dépend des conditions opératoires du système. Des conditions riches en oxygène favorisent la réaction (1) d'oxydation partielle (POx). A l'inverse, à faible teneur en oxygène et excès de réducteur (CO, HC), ce sont plutôt les deux autres réactions STR (2) et WGS (3) qui prennent le dessus. 7 [0025] Plusieurs architectures différentes peuvent être conçues pour utiliser l'hydrogène afin de traiter les catalyseurs, les figures 1 à 3 illustrant trois exemples de réalisation. [0026] Sur la figure 1, un moteur thermique 10 à quatre cylindres (mais l'invention est valable quel que soit le nombre de cylindre du moteur considéré) comporte de façon classique un collecteur d'admission d'air frais 12 et un collecteur d'échappement 14. Une ligne d'échappement 16 comprenant un pot d'échappement 18, muni de catalyseurs 20 (par exemple catalyseur trois voies, CATOx, DENOx, etc...), est relié au collecteur d'échappement 14. L'air frais pénètre par le collecteur d'admission 12 dans les cylindres du moteur 10. Du carburant est injecté dans les cylindres à l'aide d'injecteurs (non représentés). Le carburant et l'air sont brûlés; les gaz brûlés étant évacués par le collecteur d'échappement 14 et la ligne d'échappement 16 où ils sont traités par les catalyseurs 18. [0027] De façon connue, le dispositif d'échappement (qui comprend la ligne d'échappement 16 avec le pot 18 et les catalyseurs 20) comporte une boucle EGR 22 de recirculation des gaz d'échappement, la boucle EGR comprenant un reformeur 24 pour la génération d'hydrogène. Une partie des gaz d'échappement est prélevée à une sortie 26 du collecteur d'échappement 14, puis est réinjectée dans le circuit d'admission d'air frais, par exemple dans le collecteur d'admission 12. Le reformeur comporte un module 28 d'injection de carburant et d'air, suivi par un mélangeur 30. Le carburant est pulvérisé et injecté dans le mélangeur 30 sous forme d'une vapeur, cette vapeur et l'air étant mélangé dans le mélangeur 28 aux gaz d'échappement recirculés. Le reformeur 24 comporte aussi un système catalytique 32 destiné à produire de l'hydrogène par catalyse. Ce système catalytique peut comprendre plusieurs modules, chacun produisant de l'hydrogène selon l'une des réactions chimiques précédentes (1), (2) et (3), par exemple un premier module destiné à provoquer une réaction de reformage par oxydation partielle du carburant selon l'équation (1) précédente, un deuxième module destiné à provoquer une réaction de vapo-reformage de carburant selon l'équation (2) précédente et un troisième module destiné à provoquer une réaction de gaz à l'eau selon l'équation (3) précédente. 8 [0028] Selon la présente invention, le dispositif d'échappement comporte une canalisation 34 connectée à la boucle EGR 22 en aval du système catalytique 32, donc à la sortie du reformeur 24. Plus précisément, la canalisation 34 comprend deux extrémités, l'une 36 connectée à la ligne d'échappement 16 en amont des catalyseurs 20 et l'autre 38 connectée au circuit d'admission d'air frais (ici par l'intermédiaire d'une vanne 40). Le système d'échappement peut être avantageusement muni d'une vanne trois voies 40 comportant une entrée 42 et une première 44 et une deuxième 46 sorties. L'entrée 42 est reliée à la sortie du système catalytique 32, la première sortie 44 est connectée à l'extrémité 38 de la canalisation 34 et ladite deuxième sortie 46 est reliée au collecteur d'admission d'air 12. [0029] Les gaz d'échappement recirculés (prélevés à la sortie 26 du collecteur d'échappement 14) passent dans le mélangeur 30 où ils sont mélangés avec le carburant sous forme de vapeur et avec de l'air. Le mélange gaz d'échappement + air + carburant pénètre dans le système catalytique 32 où au moins l'une des réactions chimiques précédentes (1) à (3) se produit. De l'hydrogène est ainsi produit. Une partie de cet hydrogène et des gaz d'échappement issus du reformeur 24 est dirigée vers le collecteur d'admission 12 pour la fonction EGR, l'autre partie étant dirigée par la canalisation 34 vers les catalyseurs 20 afin de les traiter par l'hydrogène fabriqué dans le reformeur 24. La quantité de gaz et d'hydrogène dirigée vers le collecteur d'admission 12 dépend des besoins du moteur pour la combustion. De même, la quantité de gaz et d'hydrogène dirigée vers les catalyseurs dépend du besoin en régénération des catalyseurs. Le pilotage de ces quantités est réalisé par le contrôle moteur (non représenté) en fonction des besoins du moteur et des catalyseurs. [0030] Les figures 2 et 3 représentent deux autres modes de réalisation de l'invention. Les éléments communs au mode de réalisation de la figure 1 sont désignés par les mêmes références. [0031] Le mode de réalisation de la figure 2 se différencie du mode de réalisation de la figure 1 par le fait que le reformeur 50 comporte deux systèmes catalytiques 50 et 52 connectés en parallèle à la sortie du mélangeur 30. On a ainsi deux boucles EGR: l'une formée par un conduit 54 reliant la sortie 26 du collecteur 9 d'échappement 14 au mélangeur 30, par le mélangeur 30, le système catalytique 50 et le conduit 56 reliant ledit système catalytique 50 au collecteur d'admission 12. L'autre boucle est formée par le conduit 54, le mélangeur 30, le système catalytique 52, la vanne trois voies 40 et la canalisation 34. L'entrée 42 de la vanne 40 est reliée au système catalytique 52, la première sortie 44 de la vanne 40 est connectée à l'extrémité 38 de la canalisation 34 et la deuxième sortie 46 est reliée au collecteur d'admission 12 par l'intermédiaire du conduit 56. [0032] Les gaz circulent dans les deux boucles de la façon indiquée par les flèches sur les figures 1 à 3. [0033] On remarque que la boucle contenant le système catalytique 50 n'est utilisée que pour la fonction EGR, alors que la boucle contenant le système catalytique 52 peut être utilisée pour la fonction régénération des catalyseurs et pour la fonction EGR. [0034] Le mode de réalisation de la figure 3 utilise les mêmes références pour les éléments communs au mode de réalisation des figures 1 et 2. Le mode de réalisation de la figure 3 se différencie du mode de réalisation de la figure 2 par le fait qu'il comporte deux boucles complètement séparée: une première boucle constituée par un reformeur 60 comprenant un injecteur 62 d'air et de carburant, un mélangeur 64 et un système catalytique 66, le reformeur 60 étant connecté, d'une part à la sortie 26 du collecteur d'échappement 14 et, d'autre part, au collecteur d'admission 12 par un conduit 68. La deuxième boucle est constituée par un reformeur 70 composé d'un injecteur d'air et de carburant 72, d'un mélangeur 74 et d'un système catalytique 76. Le reformeur 70 est connecté, d'une part à une sortie 78 du collecteur d'échappement 14 et, d'autre part, à la vanne trois voies 40 dont l'entrée 42 est reliée au système catalytique 76 du reformeur 70, la première sortie 44 est connectée à la ligne d'échappement 16 en amont des catalyseurs 20 par la canalisation 34 et la deuxième sortie 46 est reliée au collecteur d'admission d'air 12 par un conduit 80. Le mode de réalisation de la figure 3 offre la possibilité de contrôler indépendamment les deux boucles EGR en fonction des besoins moteur et/ou catalyseurs (post-traitement). Les gaz circulent dans le sens indiqué par les flèches. 10 [0035} Pour les trois modes de réalisation qui viennent d'être décrits, il est avantageux de disposer d'un contrôle de richesse en entrée des catalyseurs du pot d'échappement (par exemple une sonde lambda en amont du catalyseur DENOx ou trois voies) ainsi que d'un contrôle de la quantité d'hydrogène en sortie de la boucle EGR. En effet, si les gaz d'échappement sortent du moteur à la stoechiométrie R=1, l'ajout d'hydrogène (formé à partir d'une injection secondaire de carburant dans la boucle EGR) va augmenter la richesse en entrée des catalyseurs, notamment des catalyseurs trois voies (TWC) et PANOx. Or, la réaction d'oxydation de l'hydrogène étant plus rapide que celle du CO et des hydrocarbures (HO), il y a un risque de voir l'efficacité catalytique CO/HC chuter, l'oxygène étant consommé prioritairement par l'hydrogène. On remarquera cependant qu'un fonctionnement (limité dans le temps) dans des conditions réductrices est souvent bénéfique notamment après une coupure d'injection pendant laquelle la surface catalytique s'oxyde et perd de son efficacité à convertir les polluants. [0036] Rappelons qu'en mélange pauvre (i.e. stratifié ), l'injection secondaire d'H2 sera la bienvenue pour améliorer la régénération du pré-catalyseur et surtout du PANOx. Les nitrates stockés pourront être ainsi traités (i.e. réduits) sans avoir forcément recours à des purges dédiées et très pénalisantes en termes de consommation carburant. [0037] La présente invention s'applique aussi bien aux moteurs fonctionnant à l'essence qu'aux moteurs Diesel puisque ces derniers disposent le plus souvent d'une boucle EGR pour réduire notamment les NOx à la source. [0038] On peut alors imaginer plusieurs architectures différentes dont celle qui utiliserait deux circuits, l'un pour I'EGR du moteur et l'autre pour la régénération des systèmes DENOx. Cette valorisation de l'hydrogène est d'autant plus intéressante en Diesel que ce type de moteur est confronté à des limites réglementaires de plus en plus contraignantes en NOx. [0039] Les principaux avantages de la présente invention sont les suivants: Valorisation de la production d'hydrogène en excès par rapport au besoin du moteur pour la fonction EGR, 11 Amélioration de l'efficacité du catalyseur trois voies (moteurs essence) notamment après les coupures d'injection et à froid par création d'un exotherme significatif (H2 + 02), d'où la possibilité d'un gain économique par réduction de la charge en métaux précieux.
Réduction, voire suppression, des purges liées à la régénération du piège à NOx (essence comme Diesel) d'où un gain en consommation voire un gain sur la quantité de métaux précieux à utiliser. Réduction de la dimension, voire suppression, du réservoir d'urée dans le cas de la réduction catalytique sélective (SCR) pour l'élimination des oxydes d'azote NOx, sachant que la taille du réservoir d'urée est un critère très contraignant Remplacement par l'hydrogène produit dans la boucle EGR d'une partie ou de la totalité de l'urée dans le cas de la réduction catalytique sélective (SCR), ce qui réduit les risques liés à l'encrassement de l'injecteur d'urée, à son gel, à la formation d'ammoniac NH3, etc. [0040] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.