FR3025257A1 - Moteur a combustion a reintroduction de gaz d'echappement a rendement ameliore - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant une enveloppe (51) encapsulant un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage (52) et un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53).
Description
1 MOTEUR A COMBUSTION A REINTRODUCTION DE GAZ D'ECHAPPEMENT A RENDEMENT AMELIORE [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion de véhicules automobiles dotés d'un système de recirculation des gaz d'échappement issus d'au moins un cylindre vers l'admission d'air des cylindres. [0002] De tels systèmes sont bien connus sous le sigle EGR correspondant à la locution anglo-américaine Exhaust Gaz Recirculation. On a notamment proposé, dans les moteurs à plusieurs cylindres, de dédier un cylindre à la recirculation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement de ce cylindre étant totalement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur. Dans de tels moteurs, les gaz d'échappement réintroduits à l'admission sont typiquement chargés en gaz dihydrogène du fait d'un fonctionnement dans lequel le ou les cylindres dont on réintroduit les gaz d'échappement fonctionnent avec un mélange air-carburant de type riche. De tels moteurs sont connus sous l'appellation D-EGR pour Dedicated Exhaust Gaz Recirculation en anglais ou à système dédié de réintroduction ou recirculation de gaz d'échappement en français. [0003] Le concept D-EGR permet ainsi de générer des gaz EGR dopés en hydrogène en faisant fonctionner un cylindre en mode riche, avantageusement une richesse de l'ordre de 1,5. Cet hydrogène permet d'améliorer la stabilité de la combustion et donc la tolérance à l'EGR. Il permet aussi de supporter des taux de compression fortement augmentés, qui engendrent en principe du cliquetis, par rapport aux moteurs standards conventionnels, soit une compression de plus de 13 :1 contre 11 :1 au maximum sur un moteur conventionnel. Ce type de moteur permet ainsi d'augmenter le rendement et ainsi de baisser la consommation. [0004] Cette production de H2 est en outre augmentée par réaction chimique grâce à un catalyseur situé sur la ligne EGR. Le catalyseur H2 peut être un catalyseur en céramique qui produit de l'hydrogène soit par conversion des hydrocarbures, c'est dire par réaction de reformage, soit par réaction du monoxyde de carbone en présence d'eau, c'est-à-dire par la réaction connue sous l'appellation de « réaction de gaz à l'eau » ou « Water Gas Shift » en anglais. [0005] La principale limite du système D-EGR est le taux d'EGR fixe. Quelle que soit la zone d'utilisation en régime et en charge du moteur, il est de 25% dans le cadre d'un moteur à quatre cylindres avec un cylindre dédié à la recirculation. La production de H2 est limitée quant à elle à l'enrichissement maximal supportable par la chambre de combustion du cylindre dédié. 3025257 2 [0006] Pour rappel, plus le taux de compression est élevé, plus le rendement du moteur est bon. Or cette combinaison d'un taux d'EGR élevé et d'une teneur donnée en hydrogène permet de définir le taux de compression maximal du moteur où le cliquetis ne dépasse pas les limites supportées par le moteur. En revanche, les risques de cliquetis 5 sont augmentés, principalement dans la zone de faibles régimes et fortes charges. Des architectures ont été proposées pour réguler l'EGR afin d'abaisser son taux maximal, soit 25% dans le cas d'un moteur à quatre cylindres avec un seul cylindre dédié à l'EGR à un taux plus faible, voire nul. Cependant il n'a pas été proposé jusqu'à présent de moyen d'augmenter le taux d'EGR. 10 [0007] Le but de la présente invention est de proposer un moteur à recirculation des gaz d'échappement, notamment de type D-EGR, dans lequel le taux de compression puisse être augmenté en produisant de l'hydrogène en plus grande quantité. [0008] 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 15 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 comportant en outre un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage lequel est disposé sur la ligne de réintroduction de gaz d'échappement, le moteur comprenant une enveloppe encapsulant 20 le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage de telle sorte que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage ainsi encapsulé forme un organe, notamment configuré pour être monté de manière monobloc sur la ligne de réintroduction de gaz d'échappement, tel que la ligne de réintroduction de gaz d'échappement comporte un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par 25 réaction de gaz à l'eau et le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau est également encapsulé dans la dite enveloppe. Les deux sites peuvent ainsi se trouver l'un à la suite de l'autre dans l'enveloppe, les gaz d'échappement rentrant au contact du premier site puis du second site selon leur sens d'écoulement général dans la ligne de réintroduction des gaz d'échappement. 30 [0009] Avantageusement, le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage et le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau sont formés par un même bloc de matière poreuse continue (par exemple matrice minérale de type céramique) lequel bloc comporte au moins deux zones imprégnées respectivement en au moins une substance catalysant la réaction de reformage et au 35 moins une substance catalysant la réaction de gaz à l'eau. 3025257 3 [0010] Le terme « substance » se comprend comme un élément ou un composé ou un mélange d'au moins deux d'entre eux notamment déposés dans ou sur la porosité d'une matrice inerte (matrice céramique ou métallique par exemple) sous forme d'une composition catalytique liquide qu'on vient ensuite sécher ou calciner. 5 [0011] Avantageusement, le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de reformage est situé en amont du site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau en référence à un sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne de réintroduction des gaz d'échappement. [0012] Avantageusement, le site de réaction catalytique production d'hydrogène par 10 réaction de gaz à l'eau est constitué d'un matériau imprégné de platine. [0013] Avantageusement, le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de reformage est constitué d'un matériau imprégné de rhodium. [0014] Avantageusement, le moteur comporte au moins un cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. 15 [0015] Avantageusement, le moteur comporte un seul cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. [0016] Avantageusement, ledit au moins un cylindre dont des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission est un cylindre à fonctionnement à richesse supérieure à 1 de sorte qu'il produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène. 20 [0017] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur à combustion. [0018] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0019] - la figure 1 représente un moteur selon un mode de réalisation de l'invention, 25 [0020] - la figure 2 représente un catalyseur de production d'hydrogène selon ce même mode de réalisation de l'invention. [0021] Le moteur représenté sur la figure 1, ici à allumage commandé, comporte un bloc-moteur muni de quatre cylindres 11, 12, 13, 14. Le moteur comporte en outre un répartiteur d'admission 20 débouchant dans chacun des cylindres 11, 12, 13 14 par une 30 conduite d'admission respective 21, 22, 23, 24. Un collecteur d'échappement 30 collecte les gaz d'échappement émanant de chacun des cylindres 11, 12 et 13. [0022] Le cylindre 14 est associé à une conduite 40 de réintroduction de gaz d'échappement à l'admission. Ainsi la conduite 40 prélève les gaz d'échappement du cylindre 14 et les dirige vers l'admission du moteur. Plus spécifiquement, les gaz 3025257 4 d'échappement du cylindre 14 sont ici véhiculés par la conduite 40 vers le répartiteur d'admission 20. [0023] 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 5 14 est le siège d'une combustion à mélange riche, c'est-à-dire en excès de carburant par rapport à l'air, ici selon une richesse d'environ 1,5. 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, 10 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. [0024] Dans l'architecture du système D-EGR proposée ici, la conduite de réintroduction de gaz d'échappement 40 comporte en outre un catalyseur de production d'hydrogène 50 15 et un refroidisseur de gaz d'échappement 60. Le catalyseur de production d'hydrogène 50 selon le présent mode de réalisation est représenté à la figure 2 et sera décrit plus en détail ci-dessous. [0025] Le présent moteur comporte en outre un turbocompresseur 70 lequel est entrainé par les gaz d'échappement émanant des cylindres 11, 12 et 13 et met en pression un flux 20 d'air frais lequel arrive à l'admission du moteur une fois comprimé. Le turbocompresseur 70 fournit l'air frais sous pression via une conduite 71 à un mélangeur 80 dont le rôle est de mélanger l'air sous pression et les gaz d'échappement de la conduite de réintroduction 40. Un refroidisseur d'air de suralimentation est disposé en aval du mélangeur 80 de sorte que le mélange circule dans le refroidisseur d'air de suralimentation et débouche une fois 25 refroidi dans le répartiteur d'admission 20. [0026] Tel que représenté sur la figure 2, le catalyseur présente une enveloppe 51 ayant ici une géométrie cylindrique selon un diamètre d'environ 100 mm et un volume d'environ un litre. Cette enveloppe 51 comporte deux embouchures, l'une d'entrée et l'autre de sortie, réalisées au deux extrémités de l'enveloppe. Le catalyseur comporte un pain de 30 matière poreuse laquelle se distribue en deux imprégnations 52 et 53. Le catalyseur 50 est ici un catalyseur réalisé par une imprégnation par zones. La première imprégnation 52 est une imprégnation destinée à générer du reformage. Elle est chargée en métaux précieux destinés à provoquer le reformage, notamment en rhodium. Elle occupe dans cet exemple un volume de 0.5 Litres. Les autres 0.5 litres sont ici occupés par une imprégnation 53 qui 35 favorise la réaction de gaz à l'eau ou water gaz shift selon la terminologie anglo-saxonne.
3025257 5 L'imprégnation 53 est pour cela chargée en métaux précieux catalysant la réaction de gaz à l'eau, par exemple le platine. Le présent catalyseur comporte donc deux types d'imprégnations. Dans la première moitié l'imprégnation 52 génère du reformage et dans la deuxième moitié l'imprégnation 53 génère la réaction de gaz à l'eau. 5 [0027] Un avantage d'avoir une telle double imprégnation est d'utiliser les produits de la première réaction comme réactifs de la deuxième réaction. Ainsi le monoxyde de carbone produit lors du reformage est utilisé dans la réaction de gaz à l'eau pour maximiser la quantité de H2 produite dans le catalyseur. [0028] Les réactions se produisant dans les deux zones d'imprégnation 52 et 53 sont les 10 suivantes : [0029] Une première réaction endothermique, dite de reformage vapeur ou SR pour Steam Reforming selon la terminologie anglo-saxonne, est la suivante : Cx Hy + x H2O -> x CO + (x + y/2) H2 [0030] Une deuxième réaction endothermique, dite de reformage à sec, ou DR pour Dry 15 Reforming selon la terminologie anglo-saxonne, est la suivante : Cx Hy + x CO2 -> 2x CO + y/2 H2 [0031] Une troisième réaction exothermique, dite de réaction de gaz à l'eau ou Water Gas Shift (WGS) selon la terminologie anglo-saxonne, est la suivante : CO + H2O 4--> CO2 + H2 20 [0032] Ce type d'imprégnation permet d'avoir une température plus adaptée pour les réactions. Le reformage permet de baisser la température des gaz et favorise ainsi la formation d'hydrogène lors de la réaction de gaz à l'eau, qui, elle, est exothermique et évite la formation de méthane. [0033] En plus l'imprégnation par zones permet de maximiser la production de H2 sur 25 différents points de fonctionnement du moteur. Si le moteur se situe sur un point de fonctionnement qui génère beaucoup d'hydrocarbures, c'est l'imprégnation pour le reformage qui produit essentiellement l'hydrogène et si le point de fonctionnement génère beaucoup de monoxyde carbone c'est l'imprégnation pour la réaction de gaz à l'eau qui produit essentiellement l'hydrogène. 30 [0034] Une telle imprégnation par zones permet ainsi de mettre en oeuvre les deux réactions, c'est à dire la réaction de reformage et la réaction de gaz à l'eau qui permettent de produire de l'hydrogène, et ce dans le même catalyseur. Il en résulte un gain de place et de facilité au montage puisque les deux organes complémentaires 52 et 53 se trouvent dans une même pièce prévue pour être montée en un seul bloc sur le véhicule. 3025257 6 [0035] De plus, grâce à un tel système on augmente la production d'hydrogène, autorisant ainsi d'augmenter le taux de compression, permettant ainsi d'augmenter le rendement du moteur sans subir les risques de casse mécanique. [0036] L'invention présente l'avantage de pouvoir être mise en oeuvre sans modification 5 lourde de l'architecture moteur. Avantageusement, on modifie les pistons de manière à permettre une meilleure tenue aux pressions plus élevées, et on ajoute des papillons sur chaque primaire des cylindres non dédiés, lesquels papillons se trouvent facilement chez de nombreux fournisseurs.
Claims (9)
- 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 comportant en outre un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage (50,52) lequel est disposé sur la ligne de réintroduction (40) de gaz d'échappement, le moteur comprenant une enveloppe (51) encapsulant le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage (52) de telle sorte que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage (52) ainsi encapsulé forme un organe, notamment configuré pour être monté de manière monobloc sur la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40), caractérisé en ce que la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) comporte un site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53) et le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53) est également encapsulé dans ladite enveloppe (51).
- 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par reformage (52) et le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53) sont formés par un même bloc de matière poreuse continue (52,53) lequel bloc (52,53) comporte au moins deux zones (52,53) imprégnées respectivement en au moins une substance catalysant la réaction de reformage (52) et au moins une substance catalysant la réaction de gaz à l'eau (53).
- 3. Moteur à combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de reformage (52) est situé en amont du site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53) en référence à un sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne de réintroduction des gaz d'échappement (40). 3025257 8
- 4. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de gaz à l'eau (53) est constitué d'un matériau (53) imprégné de platine. 5
- 5. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le site de réaction catalytique de production d'hydrogène par réaction de reformage (52) est constitué d'un matériau imprégné de rhodium.
- 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que le moteur comporte au moins un cylindre (14) dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission (20).
- 7. 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 15 réintroduits dans l'organe d'admission (20).
- 8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un cylindre (14) dont des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) est un cylindre à fonctionnement à richesse 20 supérieure à 1 de sorte qu'il produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène.
- 9. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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