FR2957383A1 - Moteur a combustion interne comprenant un moyen de production d'hydrogene dispose dans le flux principal de gaz d'echappement - Google Patents

Moteur a combustion interne comprenant un moyen de production d'hydrogene dispose dans le flux principal de gaz d'echappement Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'admission (3) d'air et un collecteur (4) d'un flux principal de gaz d'échappement provenant d'au moins une chambre (2) de combustion, un circuit (5) de recirculation d'une fraction du flux principal de gaz d'échappement comportant une liaison (6) de flux gazeux s'étendant du collecteur (4) d'échappement au collecteur (3) d'admission, un moyen (9) de production d'hydrogène par reformage catalytique d'un carburant disposé sur la liaison (6) de flux gazeux, caractérisé en ce que le moyen (9) de production d'hydrogène est en outre disposé dans le flux principal de gaz d'échappement.

Description

Moteur à combustion interne comprenant un moyen de production d'hydrogène disposé dans le flux principal de gaz d'échappement.
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement le domaine des moteurs à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement.
Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro 5 ou Euro 6, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOx).
Parmi les moyens mis en oeuvre pour dépolluer les gaz d'échappement, le recyclage des gaz d'échappement (EGR, pour les initiales de l'expression Exhaust Gas Recirculation) constitue, tant pour les moteurs à essence que les moteurs Diesel, une excellente méthode de réduction des émissions de NOx. Le principe de l'EGR réside dans l'introduction d'une quantité donnée de gaz d'échappement en remplacement d'une partie de l'air frais à l'admission des moteurs. Le fait de réintroduire des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur permet, par la réduction de la concentration en oxygène et de la température de combustion de limiter les réactions de formation des NOx pendant la combustion.
Cependant, la recirculation des gaz d'échappement produit une dégradation de la combustion par une augmentation des émissions de produits carbonés, comme les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO). Elle produit également une dégradation de la stabilité du moteur. Les gains apportés par cette recirculation des gaz d'échappement sont donc limités par la quantité maximale de gaz d'échappement admissible par le moteur.
Pour résoudre ce problème, il a été montré qu'une adjonction de gaz riche en hydrogène (H2) dans le collecteur d'admission de la chambre de combustion, lors d'une recirculation des gaz d'échappement, permet d'améliorer la tolérance à l'EGR. Comme les gaz d'échappement sont chauds et chargés de vapeur d'eau, il est alors possible d'envisager de produire de l'hydrogène par reformage catalytique des gaz d'échappement recirculés.
Il est connu du document FR2880657 de produire de l'hydrogène (H2) par une opération physico-chimique dite de «reformage», en faisant réagir des molécules de carburant avec une partie de la vapeur eau contenus dans les gaz d'échappement pour produire de l'hydrogène. Cependant, pour une efficacité optimale du reformage du carburant en hydrogène, il est nécessaire de conduire les réactions chimiques de reformage à température élevée, ce qui conditionne, un positionnement du système de reformage au plus près du collecteur d'échappement du moteur afin de profiter d'une température de gaz d'échappement élevée. Une telle condition de positionnement est cependant contraignante dans un environnement moteur où l'espace libre est de plus en plus restreint. Afin de maintenir la température élevée nécessaire à la conduite des réactions chimiques de reformage, on peut aussi prévoir des systèmes de chauffage auxiliaires pour maintenir le reformeur à température. Ces systèmes de chauffages auxiliaires sont cependant consommateurs d'énergie ce qui impacte à la hausse la consommation de carburant d'un véhicule comportant un tel dispositif de reformage.
De manière connue en soi, le reformage de carburant est obtenu en faisant réagir des molécules de carburant (composition CXHy dans le cas d'un hydrocarbure) avec de l'eau (H2O) et/ou de l'air (02 + 3,76N2) pour produire de l'hydrogène, selon les principales réactions chimiques suivantes : Oxydation partielle, le carburant étant introduit sous forme de vapeur : CXHy + x/2 (02 + 3,76N2) ù x CO + y/2 H2 + 1,88xN2 (1) Vaporeformage, le carburant réagissant avec de la vapeur d'eau : (2) CXHy + x H2O ù x CO + (y/2 + x) H2 Reformage à sec, le carburant réagissant avec du dioxyde de carbone : (3) CXHy + x CO2 ù 2x CO + y/2 H2 Réaction de gaz à l'eau : (4) CO+H2OùCO2+H2 Il est bien connu que de toutes ces réactions, les réactions de vaporeformage et de reformage à sec sont des réactions efficaces mais très endothermiques qui entrainent une 30 35 baisse de la température dans le catalyseur ce qui se traduit par une diminution très significative de son efficacité.
L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un moteur à combustion interne doté d'un circuit EGR comprenant un dispositif de reformage catalytique qui permet d'avoir une réaction de reformage catalytique efficace, de conception compacte et simplifiée.
L'invention concerne donc un moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'admission d'air et un collecteur d'un flux principal de gaz d'échappement provenant d'au moins une chambre de combustion, un circuit de recirculation d'une fraction du flux principal de gaz d'échappement comportant une liaison de flux gazeux s'étendant du collecteur d'échappement au collecteur d'admission, un moyen de production d'hydrogène par reformage catalytique d'un carburant disposé sur la liaison de flux gazeux, caractérisé en ce que le moyen de production d'hydrogène est en outre disposé dans le flux principal de gaz d'échappement, afin de maintenir le moyen de production d'hydrogène aux températures élevées nécessaires à son bon fonctionnement .
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Selon une variante, le moyen de production d'hydrogène est disposé à l'intérieur du collecteur d'échappement, pour des raisons de compacité.
Selon une variante, la liaison de flux gazeux présente une entrée constituée par une 25 dérivation du collecteur d'échappement repassant dans le collecteur d'échappement en formant une boucle de retour extérieure au collecteur d'échappement.
Selon une variante, le collecteur d'échappement est composé d'au moins deux parties complémentaires assemblées afin de permettre la mise en place, préalablement à 30 l'assemblage des parties complémentaires, du moyen de production d'hydrogène à l'intérieur dudit collecteur.
Selon une autre variante, le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend un moyen d'injection de carburant disposé sur la liaison de flux gazeux, en amont du moyen 35 de production d'hydrogène.20 Dans cette variante, de préférence, le moyen d'injection de carburant est disposé au niveau de la boucle de retour extérieure.
Selon une autre variante, le moyen de production d'hydrogène par reformage catalytique comprend un module catalytique destiné à provoquer une réaction de vaporeformage.
Dans cette variante, le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend un moyen d'injection d'eau disposé en amont du moyen de production d'hydrogène.
De préférence, le moyen d'injection d'eau est disposé au niveau de la boucle de retour extérieure.
Selon encore une autre variante, le moyen de production d'hydrogène par reformage catalytique comprend un module catalytique destiné à provoquer une réaction de reformage à sec.
Selon une variante, le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend une vanne de régulation du flux gazeux disposée sur la liaison de flux gazeux, en aval du moyen de production d'hydrogène. Selon une variante, le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend un refroidisseur disposé sur la liaison de flux gazeux, en aval du moyen de production d'hydrogène.
25 De préférence, le carburant est un carburant appartenant au groupe des carburants usuels, notamment de l'essence, du gazole et/ou au groupe des combustibles disponibles, notamment du butane, du propane commercial et/ou au groupe des gaz naturels et/ou au groupe des alcools.
30 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence à la figure unique dans laquelle : 35 - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne doté d'un circuit EGR comprenant un module catalytique à l'intérieur du collecteur d'échappement.
Description détaillée La figure 1 présente un mode de réalisation préféré du moteur 1 à combustion interne de l'invention. Le moteur 1 comprend au moins une chambre de combustion 2 située entre un collecteur d'admission 3 et un collecteur d'échappement 4, une entrée d'air A, une sortie de gaz d'échappement E.
La figure 1 montre aussi un circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement encore nommé circuit EGR. Ce circuit 5 EGR comprend une liaison 6 de flux gazeux qui s'étend entre le collecteur d'échappement 4 et le collecteur d'admission 3. Avantageusement, la liaison 6 de flux gazeux présente une entrée 7 constituée par une dérivation du collecteur d'échappement et une sortie 8 débouchant du coté du collecteur d'admission 3.
20 Le moteur 1 produit donc un flux principal de gaz d'échappement chauds provenant des chambres 2 de combustion qui traverse le collecteur d'échappement 4 et s'évacue par la sortie de gaz d'échappement E. Une fraction de ce flux principal passe dans le circuit EGR par la liaison 6 de flux gazeux pour être réinjecté au niveau du collecteur d'admission par la sortie 8. 25 Le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement comprend un moyen de production d'hydrogène 9 par reformage catalytique d'un carburant disposé sur la liaison 6 de flux gazeux, de préférence dans le flux principal de gaz d'échappement.
30 Dans ce mode de réalisation préféré, le moyen de production d'hydrogène 9 par reformage catalytique est disposé à l'intérieur du collecteur d'échappement 4. Pour ce faire, comme le montre la figure 1, la liaison 6 de flux gazeux repasse de préférence dans le collecteur d'échappement 4 en formant, une boucle de retour 14 extérieure au collecteur d'échappement 4. 35 Afin de permettre la mise en place du moyen de production d'hydrogène 9 dans le collecteur d'échappement 4, il est prévu que le collecteur d'échappement soit par exemple15 composé d'au moins deux parties complémentaires enveloppant, après assemblage, le moyen de production d'hydrogène 9. Les deux parties complémentaires peuvent être par exemple deux demi-coques soudées ensemble après le positionnement préalable du moyen de production d'hydrogène 9 à l'intérieur du collecteur d'échappement. Le volume intérieur du collecteur est prévu de manière à recevoir le moyen de production d'hydrogène 9 et à permettre la circulation du flux principal de gaz d'échappement autour dudit moyen 9 sans pertes de charge conséquentes.
Il est prévu que le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement comprenne un moyen d'injection 13 disposé sur la liaison 6 permettant d'introduire dans ladite liaison 5 de flux gazeux un carburant finement pulvérisé afin de favoriser son évaporation grâce à la chaleur des gaz d'échappement recirculés. Le moyen d'injection 13 de carburant est disposé en amont du moyen de production d'hydrogène 9. Pour des raisons de simplicité d'implantation, le moyen d'injection 13 de carburant est disposé au niveau de la boucle 14 de retour extérieure au collecteur 4 d'échappement.
Pour des raisons pratiques, de préférence, le carburant est un carburant appartenant au groupe des carburants usuels, notamment de l'essence, du gazole et/ou au groupe des combustibles disponibles, notamment du butane, du propane commercial et/ou au groupe des gaz naturels et/ou au groupe des alcools.
De préférence, en raison de l'efficacité des réaction de conversion, le moyen de production d'hydrogène 9 par reformage catalytique comprend un module catalytique 13 destiné à provoquer une réaction de vaporeformage. Le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement comprend une vanne 10 de régulation du flux gazeux disposée sur la liaison 6 de flux gazeux, en aval du moyen de production d'hydrogène 9. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le contrôle du débit de gaz d'échappement recirculés vers le collecteur d'admission 3 est assuré en fin de liaison. 30 Le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement peut comprendre un refroidisseur 11 disposé en aval du moyen de production d'hydrogène par reformage catalytique de carburant. La réaction de vaporeformage étant fortement endothermique, le flux gazeux peut être considérablement refroidi en sortie du moyen de production d'hydrogène par 35 reformage catalytique. Un refroidisseur peut néanmoins être prévu pour assurer le cas échéant un refroidissement supplémentaire.25 Une unité de contrôle (non représentée) est prévue pour commander la vanne 10 de régulation de flux de gaz d'échappement dans le circuit 5 EGR. Cette vanne détermine la quantité de gaz d'échappement recirculés introduits dans le collecteur d'admission 3. Or la quantité de gaz recirculés détermine la quantité d'hydrogène à ajouter, c'est-à-dire la quantité de carburant à reformer. L'unité de contrôle commande aussi l'injection de carburant afin de fournir la quantité nécessaire à reformer.
Ainsi les gaz d'échappement prélevés du collecteur d'échappement 4, soit majoritairement de l'eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) des traces de polluants (CO, HC, suies, NON) et de l'air (02+3,76 N2) si la combustion était en excès d'air se mélangent aux injections de carburant pour former le mélange d'ingrédients nécessaires aux réactions de reformage afin de fournir un gaz d'échappement directement enrichi en hydrogène.
Le principe de l'invention réside dans l'intégration de la boucle EGR et de son moyen de reformage catalytique dans le collecteur d'échappement. Dans cette configuration, les gaz d'échappement qui entrent dans le collecteur d'échappement chauffent en permanence le moyen de production d'hydrogène par reformage catalytique, ce qui permet de conserver des températures élevées dans ce catalyseur car la baisse de température liée au caractère endothermique des réactions catalytiques est compensée par l'apport des calories en continue par les gaz d'échappement.
Le mode de réalisation illustré en figure 1 n'est pas limitatif de l'invention. Dans une variante du premier mode de réalisation illustré en figure 1, où le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement comprend un module de reformage catalytique par vaporeformage, le circuit 5 EGR peut comprendre un moyen d'injection d'eau (non représenté) finement pulvérisée, disposé sur la liaison 6 de flux gazeux en amont du moyen de production d'hydrogène 9. On vient ainsi, le cas échéant, compléter l'apport en eau des gaz d'échappement recirculés afin d'assurer correctement la réaction de vaporeformage. Avantageusement, pour des raisons de simplicité d'implantation, le moyen d'injection d'eau est disposé au niveau de la boucle 14 de retour extérieure.
Dans un second mode de réalisation préféré, le module de reformage catalytique 9 peut être un module catalytique destiné à provoquer une réaction de reformage à sec, la réaction de reformage à sec étant aussi fortement endothermique. Dans ce second mode de réalisation, la réaction de reformage à sec constant en une réaction entre le carburant et le dioxyde de carbone, il n'est pas nécessaire de prévoir un moyen d'injection d'eau comme pour la variante précédente.
Dans une variante du premier mode de réalisation illustré en figure 1, le circuit 5 de recirculation des gaz d'échappement peut comprendre, en plus du module de reformage catalytique par vaporeformage, un module de reformage catalytique par réformage à sec. Dans cette variante, on peut aussi prévoir un moyen d'injection d'eau.
Dans une autre variante, le moyen de production d'hydrogène 9 du circuit EGR peut être disposé dans le flux principal de gaz d'échappement, non plus dans le collecteur d'échappement même, mais dans un élément d'échappement creux par exemple disposé à la suite du collecteur d'échappement. Cette variante est cependant légèrement moins efficace car le moyen de production d'hydrogène 9 étant plus éloigné que dans le cas où il est disposé à l'intérieur du collecteur d'échappement, la température des gaz d'échappement y est moindre, de même pour l'efficacité du reformage.

Claims (13)

  1. Revendications1. Moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'admission (3) d'air et un collecteur (4) d'un flux principal de gaz d'échappement provenant d'au moins une chambre (2) de combustion, un circuit (5) de recirculation d'une fraction du flux principal de gaz d'échappement comportant une liaison (6) de flux gazeux s'étendant du collecteur (4) d'échappement au collecteur (3) d'admission, un moyen (9) de production d'hydrogène par reformage catalytique d'un carburant disposé sur la liaison (6) de flux gazeux, caractérisé en ce que le moyen (9) de production d'hydrogène est en outre disposé dans le flux principal de gaz d'échappement.
  2. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (9) de production d'hydrogène est disposé à l'intérieur du collecteur (4) d'échappement.
  3. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison (6) de flux gazeux présente une entrée (7) constituée par une dérivation du collecteur (4) d'échappement repassant dans le collecteur (4) d'échappement en formant une boucle (14) de retour extérieure au collecteur (4) d'échappement.
  4. 4. Moteur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le collecteur (4) d'échappement est composé d'au moins deux parties complémentaires assemblées afin de permettre la mise en place, préalablement à l'assemblage des parties complémentaires, du moyen (9) de production d'hydrogène à l'intérieur dudit collecteur (4).
  5. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (5) de recirculation des gaz d'échappement comprend un moyen d'injection (13) de carburant disposé sur la liaison (6) de flux gazeux, en amont du moyen (9) de production d'hydrogène.
  6. 6. Moteur selon la revendication 5 et la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'injection (13) de carburant est disposé au niveau de la boucle (14) de retour extérieure.
  7. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (9) de production d'hydrogène par reformage catalytique comprend un module catalytique (12) destiné à provoquer une réaction de vaporeformage.
  8. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit (5) de recirculation des gaz d'échappement comprend un moyen d'injection d'eau disposé en amont du moyen (9) de production d'hydrogène.
  9. 9. Moteur selon la revendication 8 et la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'injection d'eau est disposé au niveau de la boucle (14) de retour extérieure.
  10. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (9) de production d'hydrogène par reformage catalytique comprend un module catalytique (12) destiné à provoquer une réaction de reformage à sec.
  11. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (5) de recirculation des gaz d'échappement comprend une vanne (10) de régulation du flux gazeux disposée sur la liaison de flux gazeux, en aval du moyen (9) de production d'hydrogène.
  12. 12. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (5) de recirculation des gaz d'échappement comprend un refroidisseur (11) disposé sur la liaison (6) de flux gazeux, en aval du moyen (9) de production d'hydrogène.
  13. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carburant est un carburant appartenant au groupe des carburants usuels, notamment de l'essence, du gazole et/ou au groupe des combustibles disponibles, notamment du butane, du propane commercial et/ou au groupe des gaz naturels et/ou au groupe des alcools.
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