FR2993933A1 - Moteur a combustion interne muni d'un systeme de recirculation des gaz d'echappement a production d'hydrogene augmentee - Google Patents

Moteur a combustion interne muni d'un systeme de recirculation des gaz d'echappement a production d'hydrogene augmentee Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un moteur (1) à combustion interne comportant: - un collecteur (8) d'admission d'air, - un collecteur (17) d'échappement, - une pluralité de cylindres (2.1-2.4) ayant chacun une chambre (5.1-5.4) de combustion, - un conduit (22) de recirculation pour réinjecter au moins une partie des gaz d'échappement issus de la chambre (5.4) de combustion d'au moins un des cylindres (2.4) à l'intérieur du collecteur (8) d'admission d'air, et - un catalyseur (33) installé sur le chemin du conduit (22) de recirculation apte à transformer en hydrogène un mélange d'eau et de monoxyde de carbone. Conformément à l'invention, le moteur (1) comporte en outre un injecteur d'eau (39) installé en amont dudit catalyseur (33) pour augmenter sa production d'hydrogène. L'invention a également pour objet le véhicule et le procédé de production d'hydrogène mis en oeuvre par le moteur à combustion interne selon l'invention correspondants.

Description

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MUNI D'UN SYSTEME DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT A PRODUCTION D'HYDROGENE AUGMENTEE [0001] L'invention porte sur un moteur à combustion interne muni d'un système de recirculation des gaz à production d'hydrogène augmentée, ainsi que sur le véhicule et le procédé de production d'hydrogène correspondants. [0002] 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 des enceintes des cylindres du moteur thermique, dites chambres de combustion. Les gaz introduits dans ces chambres de combustion sont constitués d'une part d'air et d'autre part d'essence ou de gasoil, selon des proportions dosées de manière adéquate suivant les moteurs et les systèmes d'allumage utilisés. Le mélange gazeux est alors enflammé dans la chambre de combustion. [0003] Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules et du dioxyde de carbone). Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. [0004] Une grande partie des polluants générés par un moteur à combustion interne est due à une combustion incomplète du carburant. Pour réduire les rejets polluants pénétrant dans la ligne d'échappement, il est connu de faire recirculer les gaz d'échappement vers l'admission d'air de la chambre de combustion. Un tel système est connu sous l'acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas Recirculation ». [0005] Certains systèmes connus, tels que le système décrit dans le document US2009/0308070, comportent un conduit de recirculation apte à réinjecter la totalité des gaz d'échappement issus de la chambre de combustion d'un des cylindres à l'intérieur du collecteur d'admission du moteur. Une telle architecture permet d'avoir naturellement et de manière continue une forte recirculation des gaz d'échappement. Pour un moteur ayant un cylindre dédié à l'EGR, le taux de recirculation des gaz d'échappement augmente en même temps que diminue le nombre de cylindres. Ainsi, le taux de recirculation est de 25% pour un moteur à quatre cylindres et de 33% pour un moteur à trois cylindres. [0006] Une des conséquences de la mise en oeuvre d'un système EGR est que le mélange admis dans les chambres de combustion est appauvri en oxygène, ce qui dégrade la combustion. Pour remédier à ce problème, le document US2009/0308070 décrit la mise en oeuvre d'un catalyseur de type WGS ("Water Gas Shift" en anglais) permettant de produire de l'hydrogène par la réaction des gaz d'échappement. Une telle production d'hydrogène est basée sur la réaction chimique suivante, dite de "gaz à l'eau": CO + H20 CO2 + H2. [0007] Le monoxyde de carbone (CO) provient de la combustion du carburant dans le moteur, tandis que l'eau (H20) est un des composants du carburant. Si la quantité de monoxyde de carbone peut être augmentée par un accroissement de la richesse du mélange air-carburant, la quantité d'eau disponible est dépendante de la quantité de carburant et ne peut pas être augmentée. La production d'hydrogène est donc limitée. [0008] L'invention vise à augmenter de manière simple la production d'hydrogène dans un système de type EGR. [0009] A cet effet, l'invention propose d'introduire un injecteur d'eau en amont du catalyseur afin de majorer la quantité d'eau qui pourra réagir avec le monoxyde de carbone et donc de maximiser la production d'hydrogène. [0010] L'invention a donc pour objet un moteur à combustion interne comportant: - un collecteur d'admission d'air, - un collecteur d'échappement, - une pluralité de cylindres ayant chacun une chambre de combustion, - un conduit de recirculation pour réinjecter au moins une partie des gaz d'échappement issus de la chambre de combustion d'au moins un des cylindres à l'intérieur du collecteur d'admission d'air, et - un catalyseur installé sur le chemin du conduit de recirculation apte à transformer en hydrogène un mélange d'eau et de monoxyde de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un injecteur d'eau installé en amont dudit catalyseur pour augmenter la production d'hydrogène du catalyseur. [0011] Selon une réalisation, l'injecteur d'eau est situé sur le chemin du conduit de recirculation. [0012] Selon une réalisation, l'injecteur d'eau est installé dans une culasse du moteur. [0013] Selon une réalisation, le catalyseur est du type WGS (Water Gas Shift). [0014] Selon une réalisation, l'injecteur d'eau est du même type que les injecteurs utilisés pour injecter de l'ammoniac dans des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. [0015] Selon une réalisation, le moteur comporte en outre un système de commande apte à commander l'injecteur d'eau pour produire une quantité d'eau en fonction d'une quantité de monoxyde de carbone présente à l'intérieur du conduit de recirculation en amont du catalyseur de manière à maximiser la production d'hydrogène du catalyseur. [0016] L'invention a également pour objet un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne selon l'invention. [0017] L'invention concerne en outre un procédé de production d'hydrogène mis en oeuvre avec le moteur à combustion interne selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - déterminer, à l'aide d'une cartographie, une quantité de monoxyde de carbone présente dans le conduit de recirculation correspondant à un couple de régime de fonctionnement du moteur et de niveau de richesse d'un mélange air-carburant, et - commander une injection d'une quantité d'eau en fonction de la quantité de monoxyde de carbone précédemment déterminée de manière à maximiser la production d'hydrogène du catalyseur. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0019] La figure 1 montre une représentation schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention muni d'un système de recirculation des gaz d'échappement permettant d'augmenter la production d'hydrogène; [0020] La figure 2 montre un diagramme des étapes principales du procédé de production d'hydrogène selon l'invention mis en oeuvre avec le moteur à combustion interne de la figure 1. [0021] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0022] La figure 1 montre un moteur 1 à combustion interne à quatre cylindres 2.1-2.4 turbocompressé. Le moteur 1 comprend un bloc moteur 3 dans lequel sont ménagés des chambres 5.1-5.4 de combustion des cylindres 2.1-2.4. [0023] Un collecteur 8 d'admission reçoit de l'air à introduire dans les chambres 5.1-5.4 de combustion. L'air d'admission est aspiré depuis l'extérieur du véhicule, par l'intermédiaire d'un filtre à air (non représenté). Le sens de déplacement de l'air d'admission est symbolisé par les flèches 11. Une vanne 12 assure la gestion du débit d'air introduit dans les chambres 5.1-5.4 de combustion en fonction des conditions de fonctionnement du moteur 1. [0024] Une injection de carburant à l'intérieur les chambres 5.1-5.4 de combustion est effectuée au moyen d'injecteurs référencés 14.1-14.4. En outre, dans le cas d'un moteur à essence, des bougies 16.1-16.4 permettent d'enflammer le mélange gazeux d'air et de carburant à l'intérieur des chambres 5.1-5.4 de combustion. [0025] Par ailleurs, un collecteur 17 d'échappement reçoit les émissions de gaz produites par la combustion et les dirige vers un catalyseur d'échappement 19 adapté à traiter les polluants avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure de façon connue en soi. Le sens de circulation des gaz d'échappement est représenté par les flèches 20. [0026] Les cylindres 2.1-2.3, qui fonctionnent de manière classique, présentent chacun une entrée (associée à au moins une soupape d'entrée) en relation avec le collecteur 8 d'admission et une sortie (associée à au moins une soupape de sortie) en relation avec le collecteur 17 d'échappement. Le cylindre 2.4, dit cylindre dédié à l'EGR, présente une entrée reliée au collecteur 8 d'admission et une sortie reliée également au collecteur 8 d'admission par l'intermédiaire d'un conduit 22 de recirculation des gaz. Le conduit 22 assure ainsi la réinjection de la totalité des gaz d'échappements issus de la chambre 5.4 de combustion du cylindre 2.4 dédié à l'EGR à l'intérieur du collecteur 8 d'admission d'air. Le sens de circulation des gaz dans le conduit 22 est indiqué par les flèches 24. En variante, le conduit 22 assure la réinjection d'une partie seulement des gaz d'échappement issus de la chambre 5.4 de combustion du cylindre 2.4. [0027] Le moteur 1 comporte en outre un turbocompresseur 23 comprenant un étage 25 de compression et un étage 26 de détente. L'étage 25 de compression comprime l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des chambres 5.1-5.4 de combustion. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation une turbine de l'étage 26 de détente qui entraîne alors en rotation une turbine de l'étage 25 de compression par l'intermédiaire d'un arbre 29 d'accouplement reliant les deux turbines entre elles. L'écoulement des gaz d'échappement permet ainsi de réaliser une compression des gaz au niveau de l'admission. [0028] Un premier 31 et un second 32 échangeurs thermiques sont destinés à refroidir, respectivement, l'air entrant dans le collecteur 8 d'admission et les gaz circulant dans le conduit 22 afin d'éviter d'introduire des gaz trop chauds dans les chambres 5.1-5.4 de combustion, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique. [0029] Un catalyseur 33 est installé sur le chemin du conduit 22 de recirculation. Ce catalyseur 33 est apte à transformer en hydrogène un mélange d'eau et de monoxyde de carbone suivant la réaction chimique suivante: CO + H20 CO2 + H2, dite "de gaz à l'eau". On améliore ainsi la combustion à l'intérieur des chambres des cylindres 2.1-2.4. [0030] De préférence, le catalyseur 33 est du type WGS ("Water Gas Shift" en anglais).
En variante, le catalyseur 33 est un catalyseur trois voies ou prend la forme de tout autre catalyseur permettant de réaliser la réaction de gaz à l'eau présentée ci-dessus. [0031] Par ailleurs, un injecteur d'eau 39 est positionné en amont du catalyseur 33 pour augmenter la production d'hydrogène du catalyseur 33. Il est à noter que les termes "amont" et "aval" sont entendus par rapport au sens de circulation des gaz à l'intérieur du conduit 22 représenté par les flèches 24 sur la figure 1. [0032] En l'occurrence, l'injecteur d'eau 39 est situé sur le chemin du conduit 22 de recirculation. En variante, l'injecteur d'eau 39 est placé dans la culasse du moteur. En fait, l'injecteur d'eau 39 peut être positionné à n'importe quel emplacement situé en amont du catalyseur 33 adapté à la mise en oeuvre du procédé. L'injecteur d'eau 39 est du même type que les injecteurs utilisés pour injecter de l'ammoniac dans des systèmes de post- traitement des gaz d'échappement bien connus de l'homme du métier. [0033] Le moteur 1 comporte également un calculateur 40, dit calculateur de commande moteur, en relation avec une mémoire 41 contenant des instructions pour gérer la commande des différents éléments de l'architecture du moteur. Le calculateur 40 et la mémoire 41 forment le système de commande du moteur 1. [0034] Plus précisément, le calculateur 40 assure la commande des injecteurs 14.1-14.4 et le cas échéant (pour les moteurs à essence) des bougies 16.1-16.4 d'allumage indépendamment les uns des autres. Le calculateur 40 assure également la commande de l'injecteur d'eau 39 afin de gérer la quantité d'eau injectée en amont du catalyseur 33. Par ailleurs, la mémoire 41 stocke une cartographie Cl établissant une correspondance entre des quantités de monoxyde de carbone présentes dans le conduit 22 de recirculation et des couples de régime de fonctionnement du moteur et de niveaux de richesse d'un mélange air-carburant. Les quantités de monoxyde de carbone auront pu être mesurées au préalable sur banc moteur en fonction des conditions de fonctionnement du moteur pour établir la cartographie Cl. [0035] On décrit ci-après, en référence avec la figure 2, les différentes étapes du procédé de production d'hydrogène mis en oeuvre par le moteur 1 à combustion interne selon l'invention. [0036] Dans une première étape 101, le calculateur 40 détermine, à l'aide de la cartographie Cl, une quantité de monoxyde de carbone présente dans le conduit 22 de recirculation correspondant à un couple de régime de fonctionnement du moteur et de niveau de richesse d'un mélange air-carburant. [0037] En prenant en compte la réaction de gaz à l'eau précitée et à partir de la quantité de monoxyde de carbone précédemment déterminée, le calculateur 40 détermine, dans une étape 102, une quantité d'eau permettant de maximiser la production d'hydrogène du catalyseur 33. [0038] Le calculateur 40 commande alors dans une étape 103 l'injecteur d'eau 39 pour introduire la quantité d'eau précédemment déterminée à l'intérieur du conduit 22 de recirculation en amont du catalyseur 33. Le cas échéant, il sera possible de réguler l'injection d'eau à l'intérieur du conduit 22 par rapport à la quantité d'eau déterminée dans l'étape 102 et utilisée comme valeur de consigne. [0039] L'homme du métier pourra bien entendu modifier l'architecture présentée dans les figures sans sortir du cadre de l'invention décrite ci-dessus. Ainsi, il pourra ainsi notamment modifier le nombre de cylindres 2.1-2.4 du moteur ainsi que le nombre de cylindres dédiés à l'EGR.5

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS: 1. Moteur (1) à combustion interne comportant: - un collecteur (8) d'admission d'air, - un collecteur (17) d'échappement, - une pluralité de cylindres (2.1-2.4) ayant chacun une chambre (5.1-5.4) de combustion, - un conduit (22) de recirculation pour réinjecter au moins une partie des gaz d'échappement issus de la chambre (5.4) de combustion d'au moins un des cylindres (2.4) à l'intérieur du collecteur (8) d'admission d'air, et - un catalyseur (33) installé sur le chemin du conduit (22) de recirculation apte à transformer en hydrogène un mélange d'eau et de monoxyde de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un injecteur d'eau (39) installé en amont dudit catalyseur (33) pour augmenter la production d'hydrogène du catalyseur (33).
  2. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur d'eau (39) est situé sur le chemin du conduit (22) de recirculation.
  3. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur d'eau (39) est installé dans une culasse du moteur.
  4. 4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le catalyseur (33) est du type à réaction de gaz à l'eau.
  5. 5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de commande (40, 41) apte à commander l'injecteur d'eau (39) pour produire une quantité d'eau en fonction d'une quantité de monoxyde de carbone présente à l'intérieur du conduit (22) de recirculation en amont du catalyseur (33) de manière à maximiser la production d'hydrogène du catalyseur (33).
  6. 6. Véhicule équipé d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes.
  7. 7. Procédé de production d'hydrogène mis en oeuvre avec le moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:- déterminer (101), à l'aide d'une cartographie (Cl), une quantité de monoxyde de carbone présente dans le conduit (22) de recirculation correspondant à un couple de régime de fonctionnement du moteur et de niveau de richesse d'un mélange air-carburant, et - commander (102, 103) une injection d'une quantité d'eau en fonction de la quantité de monoxyde de carbone précédemment déterminée de manière à maximiser la production d'hydrogène du catalyseur (33).
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