FR3006712A1 - Moteur a combustion de vehicule automobile a production d'hydrogene dans une ligne de reintroduction de gaz d'echappement - Google Patents

Moteur a combustion de vehicule automobile a production d'hydrogene dans une ligne de reintroduction de gaz d'echappement Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement dans lequel le cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) présente un mode de fonctionnement dans lequel le carburant injecté lors d'une injection pénètre dans le cylindre mais n'est pas entièrement brulé dans le cylindre.

Description

MOTEUR A COMBUSTION DE VEHICULE AUTOMOBILE A PRODUCTION D'HYDROGENE DANS UNE LIGNE DE REINTRODUCTION DE GAZ D'ECHAPPEMENT [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion de véhicules automobiles équipés d'un ou plusieurs cylindres dédié(s) entièrement ou de façon partielle à une recirculation de gaz d'échappement vers l'admission. [0002] Ce concept, connu sous le sigle D-EGR pour « Dedicated Exhaust Gas Recirculation » en anglais ou recirculation dédiée de gaz d'échappement en français, consiste à utiliser un cylindre ou plusieurs afin de recirculer les gaz d'échappement à l'admission. Ce ou ces cylindres ont un fonctionnement spécifique différent des autres cylindres non dédiés. Ils sont enrichis en carburant afin de produire dans la chambre de combustion du gaz dihydrogène H2. Le gaz dihydrogène combiné à l'EGR permet au moteur de supporter des fort taux d'EGR ainsi qu'un taux de compression potentiellement élevé. [0003] Ainsi notamment, on a proposé un moteur à quatre cylindres et à allumage commandé où un cylindre est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement à l'admission. Ce cylindre a un mode de fonctionnement spécifique par rapport aux trois cylindres : il est enrichi grâce à une mono-injection afin d'engendrer une production de gaz dihydrogène H2, elle-même augmentée par réaction chimique grâce à un catalyseur de type Water Gaz Shift en anglais ou à réaction de gaz à l'eau, situé sur la ligne EGR. Le moteur reçoit donc quels que soient la charge et le régime du moteur 25% d'EGR. L'hydrogène permet au moteur d'avoir une bonne combustion, en principe dégradée par le très fort taux d'EGR. [0004] La production de H2 est une fonction linéaire de la richesse du cylindre. Plus la richesse augmente, plus la production de H2 augmente, la pente restant droite. La production de H2 supplémentaire dans le catalyseur dédié est-dépendante de l'équation chimique suivante : CO + H2O H2 + CO2 Ce sont les CO issus de la combustion qui permettent cette réaction. Ce concept, appelé par la suite D-EGR, permet ainsi d'augmenter le rendement du moteur et donc de baisser la consommation. Ainsi, le H2 permet de compenser la dégradation de la combustion due au très fort taux d'EGR. [0005] Cependant certaines zones de régime et de charge supportent moins bien la présence de cet EGR, obligeant à augmenter la présence d'H2. Actuellement, le seul moyen est d'enrichir le cylindre dédié. Cependant, lorsque des ratés de combustion apparaissent, on peut atteindre un point où le fait d'augmenter la richesse du cylindre à une certaine valeur entraîne une impossibilité de combustion dans ce cylindre, privant ainsi le moteur d'EGR et d'hydrogène, le moteur devenant alors subitement très instable. Le seul moyen de reprendre la combustion est de modifier complètement les réglages du cylindre, par exemple par décroisement des soupapes, ce qui implique une dégradation du rendement moteur et donc une augmentation de la consommation de carburant. Ces phénomènes apparaissent principalement lors de réglages où il y a du croisement de soupape, engendrant de l'IGR pour « Internai Gas Recirculation » en anglais ou recirculation de gaz interne. L'IGR étant constitué de gaz inertes, ils viennent s'additionner aux gaz réintroduits de l'EGR, déjà nombreux. [0006] Le but de l'invention est de proposer un moteur D-EGR dans lequel on évite les ratés de combustion dus à l'EGR en évitant également des procédures de reprise de combustion néfastes au rendement du moteur. [0007] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion, un organe d'admission d'air frais en direction d'un ou plusieurs cylindres et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion dans l'organe d'admission, le moteur présentant un module de pilotage dudit au moins un cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission selon un mode de fonctionnement nominal à richesse supérieure à 1 de sorte que le cylindre produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène dans le mode nominal, le moteur étant caractérisé en ce que le module de pilotage est configuré pour piloter le cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission selon un mode de fonctionnement modifié comportant une injection de carburant en un instant choisi de telle sorte que le carburant injecté lors de cette injection pénètre dans le cylindre mais n'est pas brulé dans le cylindre. [0008] Avantageusement, le module de pilotage est configuré pour piloter le cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission sélectivement selon le mode de fonctionnement nominal ou selon le mode de fonctionnement modifié en fonction d'une fréquence d'apparitions de ratés de combustion dans le cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission. [0009] Avantageusement, le moteur comporte un catalyseur permettant une production d'hydrogène (50) par lequel passe la ligne (40) de réintroduction des gaz d'échappement. [0010] Avantageusement, le catalyseur (50) produit de l'hydrogène selon la formule : H20 [0011] Avantageusement, le catalyseur (50) produit de l'hydrogène selon la formule : 9 [0012] Avantageusement, le module de pilotage est configuré pour que le mode de fonctionnement modifié comporte une injection de carburant dont au moins une partie du carburant est brulée dans ledit cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission. [0013] Avantageusement, l'injection de carburant dont au moins une partie du carburant est brulée dans ledit cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission est une injection à richesse stoechiométrique. [0014] Avantageusement, l'injection de carburant réalisée en ledit instant choisi est une injection directe. [0015] Avantageusement, ledit cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission est un cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. [0016] Avantageusement, le moteur comporte un seul cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. [0017] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée qui représente un moteur selon un mode de réalisation de l'invention. [0018] Le moteur représenté sur la figure comporte un bloc-moteur 10 muni de quatre cylindres 11, 12, 13, 14. Le moteur comporte en outre un collecteur d'admission 20 débouchant dans chacun des cylindres 11, 12, 13 14 par une conduite d'admission respective 21, 22, 23, 24. Un collecteur d'échappement 30 collecte en outre les gaz d'échappement émanant de chacun des cylindres 11, 12 et 13. [0019] Le cylindre 14 est lui associé à un circuit 40 de réintroduction de gaz d'échappement à l'admission. Ainsi le circuit 40 prélève les gaz d'échappement du cylindre 14 et les dirige vers l'admission du moteur. Plus spécifiquement, les gaz d'échappement du cylindre 14 sont véhiculés par le circuit 40 vers le collecteur d'admission 20 en passant à travers un catalyseur D-EGR 50 et un refroidisseur D-EGR 60. [0020] Le présent moteur comporte en outre un turbocompresseur 70 entrainé par les gaz d'échappement émanant des cylindres 11, 12 et 13 et mettant en pression un flux d'air frais lequel arrive à l'admission du moteur une fois compressé. [0021] Le cylindre 14 est ici un cylindre de type D-EGR. Un module de contrôle du moteur pilote une alimentation en air et en carburant du cylindre 14 de telle sorte que le cylindre 14 est le siège d'une combustion à mélange riche, c'est-à-dire en excès de carburant par rapport à l'air. De par la richesse du mélange air-carburant, le cylindre 14 produit du gaz dihydrogène H2. Le gaz H2 ainsi produit se retrouve dans les gaz d'échappement émis par le cylindre 14 lesquels sont ensuite, selon le principe du moteur D-EGR, réintroduits à l'admission d'au moins un cylindre du moteur, ici à l'admission de l'ensemble des cylindres 11 à 14. Le moteur selon le présent exemple de réalisation ne comporte qu'un seul cylindre produisant de l'hydrogène selon le principe D-EGR. En variante le moteur peut en comporter plusieurs. [0022] Dans le présent mode de réalisation, on met en oeuvre une stratégie d'injection sur le cylindre dédié 14, laquelle est différente selon la zone du champ de fonctionnement du moteur. Lorsque le moteur fonctionne dans un mode nominal avec une stabilité correcte de la combustion, le module de contrôle du moteur, qui constitue ici le module de pilotage du cylindre 14, met en oeuvre une injection simple dans le cylindre dédié 14. Cette injection simple permet une stabilité de la combustion correcte et favorise ainsi la réaction chimique de gaz à l'eau dans le catalyseur 50 de la ligne EGR 14. L'injection simple selon le mode nominal est ici identique à celle du principe originel, elle est conservée comme décrit dans les paragraphes précédents. [0023] Sur les zones où les instabilités ne peuvent être supprimées par augmentation de richesse sans dégrader le rendement, on met en oeuvre un mode de fonctionnement modifié dans lequel l'injection sur le cylindre dédié 14 est dissociée en deux injections. On met en oeuvre une première injection qui permet une combustion à la stoechiométrie, procurant au moteur le couple nécessaire à son bon fonctionnement. On réalise en outre une deuxième injection, décalée de telle sorte qu'elle ne participe pas au couple moteur, mais qui se retrouve vaporisée par la chaleur dans la chambre de combustion. C'est cette injection qui est chargée de la production du H2. La double injection selon le mode modifié est réalisée de telle sorte que la première quantité injectée permet une combustion à la stoechiométrie, c'est-à-dire à richesse 1. Ceci permet un fonctionnement du cylindre dédié 14 lequel est identique au fonctionnement des autres cylindres, la combustion de ce cylindre 14 étant la même que celle qui a lieu dans les autres cylindres. La deuxième injection est fortement décalée par rapport au point mort-haut du cylindre. Le carburant est injecté après le point mort-bas, ce qui a pour conséquence qu'il n'y a pas d'étouffement de la combustion. Ainsi, dans ce mode de fonctionnement à double injection sur le cylindre dédié 14 la première injection se passe de façon identique aux autres cylindres, et la deuxième injection ne provoque aucune combustion. Il y a donc suppression du risque que le cylindre dédié 14 ne soit l'objet d'aucune combustion au final. En revanche, la richesse étant de 1, il n'y a presque plus de production de H2 à la source grâce à la combustion. La production de l'hydrogène se fait ici principalement dans le catalyseur 50 grâce à la deuxième injection de carburant. La vaporisation du carburant est riche en composés de formule CxHy, ci-après appelés composés HC. Ce sont ces HC qui vont réagir dans le catalyseur 50 par les réactions suivantes : [0024] x CO + [0025] [0026] La production de H2 reste suffisante pour permettre de supporter le taux élevé de l'EGR. Ainsi les instabilités sont supprimées, permettant de ne pas utiliser des réglages moteur dégradant le rendement du moteur. [0027] Le fait d'adopter deux injections, l'une pour la combustion et l'autre pour la production d'hydrogène dans le catalyseur, permet de pouvoir avoir des combustions identiques dans les cylindres, à richesse 1, abaissant les risques de disparités de couple entre les trois cylindres 11, 12, 13, et le cylindre dédié 14. On obtient également ainsi une production de H2 fournie au gaz EGR qui est identique à celle permise par une mono-injection, et on supprime les instabilités du moteur notamment lorsqu'il y a du croisement de soupape. On propose donc ici une stratégie d'injection d'un ou plusieurs cylindres d'un moteur à cylindre(s) dédié(s) à la recirculation des gaz d'échappement à l'admission laquelle stratégie permet de maximiser la quantité d'hydrogène produite. [0028] On a décrit ici un exemple de réalisation où une seule injection est mise en oeuvre pour la production d'hydrogène. Selon une variante, on réalise plusieurs injections dont le carburant n'est pas brulé. Là encore on produit des HC qui se retrouvent en quantité suffisante dans le catalyseur 50 pour produire la quantité souhaitée d'hydrogène H2. [0029] On a décrit ici un moteur à quatre cylindres. Bien entendu, en variante le nombre de cylindres du moteur est différent et plusieurs cylindres dédiés à la recirculation d'EGR tels que le cylindre 14 peuvent être adoptés.30

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion (11,12,13,14), un organe d'admission d'air frais (20) en direction d'un ou plusieurs cylindres (11,12,13,14) et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) depuis au moins un cylindre de combustion (14) dans l'organe d'admission (20), le moteur présentant un module de pilotage dudit au moins un cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) selon un mode de fonctionnement nominal à richesse supérieure à 1 de sorte que le cylindre produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène dans le mode nominal, le moteur étant caractérisé en ce que le module de pilotage est configuré pour piloter le cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) selon un mode de fonctionnement modifié comportant une injection de carburant en un instant choisi de telle sorte que le carburant injecté lors de cette injection pénètre dans le cylindre mais n'est pas brulé dans le cylindre.
  2. 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de pilotage est configuré pour piloter le cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) sélectivement selon le mode de fonctionnement nominal ou selon le mode de fonctionnement modifié en fonction d'une fréquence d'apparitions de ratés de combustion dans le cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20).
  3. 3. Moteur à combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un catalyseur permettant une production d'hydrogène (50) par lequel passe la ligne (40) de réintroduction des gaz d'échappement.
  4. 4. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le catalyseur (50) produit de l'hydrogène selon la formule :
  5. 5. Moteur à combustion selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le catalyseur (50) produit de l'hydrogène selon la formule : x 002. - -
  6. 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de pilotage est configuré pour que le mode defonctionnement modifié comporte une injection de carburant dont au moins une partie du carburant est brulée dans ledit cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20).
  7. 7. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'injection de carburant dont au moins une partie du carburant est brulée dans ledit cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) est une injection à richesse stoechiométrique.
  8. 8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection de carburant réalisée en ledit instant choisi est une injection directe.
  9. 9. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) est un cylindre (14) dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission (20).
  10. 10. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur comporte un seul cylindre (14) dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission (20).20
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