Brevet FR2760791A1 — publié le 19980918

I Etat de la technique La présente invention concerne un procédé pour réduire les composants polluants de gaz d'échappement de mo- teurs à combustion interne, équipant notamment des véhicules automobiles, selon lequel le moteur à combustion interne re- çoit un gaz à teneur en oxygène (02) augmentée, obtenu à par- tir de l'air atmosphérique par au moins une membrane perméable seulement à la molécule d'oxygène (02), cette mem- brane étant placée dans une chambre. Environ 80 % de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbure (HC) de l'émission totale d'un moteur à com- bustion interne à essence sont émis après un démarrage à froid, sensiblement pendant les 120 secondes après le démar- rage. Cela résulte d'une conversion défectueuse des émissions brutes du moteur par un catalyseur qui ne fonctionne pas en- core à sa température normale. Pour remédier à cette diffi- culté, il faut réduire le temps de réponse du catalyseur, c'est-à-dire le temps nécessaire au catalyseur pour atteindre sa température de fonctionnement ou température normale. Pour raccourcir le temps de mise en oeuvre du catalyseur on con- naît des dispositifs de chauffage du catalyseur. On peut également raccourcir le temps de réponse du catalyseur par un enrichissement en oxygène (02) de l'air frais alimentant le moteur à combustion interne. Un tel enri- chissement en oxygène augmente en effet la température des gaz d'échappement dans le cas d'une valeur Lambda constante car on diminue la quantité d'azote (N2) à chauffer pendant la combustion. Cela raccourcit le temps de réponse du cataly- seur. En même temps, la composition du carburant dans le mo- teur à combustion interne est améliorée ce qui diminue l'émission de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures. Les deux effets conduisent ainsi à une réduction significative des émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures en aval du catalyseur en phase de démarrage à froid. Un procédé d'enrichissement de l'air frais en oxygène (02) fourni au moteur est décrit par exemple dans le document DE 44 04 681 Cl. Ce document prévoit d'associer au moins un canal en forme de chambre qui conduit le mélange oxygène-azote-air et de le relier à un canal de gaz d'échappement lui-même relié à la chambre de combustion; ce canal comporte une cloison perméable à l'oxygène ou pour l'emmagasiner. Seul l'oxygène du mélange d'air (oxygène-azote) est fourni aux gaz de combustion renvoyés dans la chambre de combustion. La difficulté de ce procédé est qu'il assure en continu un enrichissement en oxygène 02 de l'air alimentant le moteur bien qu'un tel enrichissement ne soit nécessaire de préférence que pour certains états de fonctionnement du mo- teur par exemple le démarrage à froid. De plus, le stockage de l'air enrichi en oxygène 02, est limité. Il est également connu d'enrichir en oxygène l'air frais aspiré par de l'oxygène pur (02); cet oxygène provient d'un réservoir en forme de bouteille de gaz sous pression, montée à demeure dans le véhicule et que l'on rem- plit dans des stations équipées de manière appropriée. L'inconvénient de cette solution est de nécessiter l'installation d'une infrastructure très compliquée qui aug- ment le coût de fonctionnement. La présente invention a pour but de développer un procédé permettant de réduire la teneur en composants pol- luants des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne selon le type défini ci-dessus, pour permettre d'une manière techniquement simple, d'assurer l'enrichissement en oxygène en fonctionnement, et cela suivant les états de fonctionne- ment. Avantages de l'invention Ce problème est résolu selon un procédé de réduc- tion des composants polluants des gaz de combustion émis par des moteurs à combustion interne correspondant au type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le gaz quittant la chambre avec une teneur en oxygène (02) augmentée est stocké provi- soirement, selon l'état de fonctionnement du moteur, à pres- sion augmentée dans un récipient embarqué dans le véhicule pour être ultérieurement mélangé à l'air aspiré au cours d'un autre cycle de fonctionnement. Le stockage intermédiaire de l'air enrichi en oxygène 02, selon l'état de fonctionnement ainsi que le mé- lange de cet air enrichi en oxygène, ajouté également suivant les états de fonctionnement à l'air aspiré lors d'un cycle de fonctionnement ultérieur, présente l'avantage particulière- ment important que d'une part, l'air enrichi en oxygène (02) ne soit généré que dans certains états de fonctionnement choisis et que d'autre part, seulement dans de tels états de fonctionnement, cet air enrichi alimente le moteur à combus-10 tion interne, lorsque cela est nécessaire, pour réduire l'émission de composants polluants. D'une manière théorique, l'oxygène peut être ob- tenu dans les états de fonctionnement très différents; de même, il peut être mélangé à l'air frais alimentant le moteur à combustion interne dans des états de fonctionnement quel- conques. Un mode de réalisation particulièrement avanta- geux prévoit que les gaz quittant la chambre avec une teneur en oxygène (02) augmentée, soient stockés de façon intermé- diaire dans le réceptacle, sous pression, lorsque le moteur à combustion interne est chaud, et que les gaz stockés de façon intermédiaire, et ayant une plus forte teneur en oxygène (02) soient mélangés à l'air aspiré du moteur à combustion interne au cours d'un ou plusieurs états de fonctionnement suivants: en phase de démarrage à froid, en phase de ralenti et en phase de réchauffage. L'obtention d'un gaz enrichi en oxygène 02 et son stockage intermédiaire sous pression pendant l'état de fonc- tionnement à chaud du moteur à combustion interne est une so- ) lution avantageuse car un moteur à combustion interne, chaud, présente usuellement le taux d'émission de composants pol- luants le plus faible de son fonctionnement. L'état de fonc- tionnement chaud, c'est-à-dire l'état de fonctionnement permanent du moteur à combustion chaud convient ainsi pour le stockage intermédiaire du gaz enrichi en oxygène 02. L'addition du gaz enrichi en oxygène 02 à l'air aspiré par le moteur à combustion interne dans les états de fonctionnement: phase de démarrage à froid, phase de ralenti et phase de réchauffage, offre le très grand avantage de di- minuer significativement les émissions de composants pol- luants, notamment l'émission de monoxyde de carbone et des hydrocarbures de carbone par une augmentation de la tempéra- ture des gaz d'échappement et une amélioration de la conver- sion du carburant. Sur le strict plan des principes, on peut utili- ser les membranes les plus différentes. C'est ainsi que l'on peut par exemple utiliser des membranes d'oxyde de zirconium I) (ZrO2) ou des membranes fonctionnant sous pression des matiè- res conductrices mélangées comme par exemple de la Perovski- te. De telles membranes en céramique nécessitent des températures élevées pour arriver à un enrichissement signi- ficatif en oxygène; cette température est de préférence su- périeure à 400 C. Un mode de réalisation avantageux du procédé pré- voit ainsi de récupérer l'énergie de chauffage nécessaire au chauffage de la membrane ainsi qu'au chauffage du flux de gaz traversant la membrane, en partie avec l'énergie thermique 2() des gaz d'échappement. Un mode de réalisation particulièrement avanta- geux prévoit en outre de fournir l'énergie nécessaire au chauffage de la membrane ainsi que celle nécessaire au chauf- fage de la veine de gaz traversant la membrane au moins en partie par un échange thermique entre les gaz quittant la chambre et les gaz arrivant dans la chambre. Ainsi, l'énergie thermique des gaz enrichis en oxygène 02 quittant la chambre est utilisée d'une manière particulièrement économique pour chauffer l'air arrivant dans la chambre et augmenter le ren- dement de l'enrichissement en oxygène 02. Si l'on utilise des membranes d'oxyde de zirco- nium (ZrO2) on produit la conduction ionique de l'oxygène (02 par une différence de tension appliquée à la membrane. Il est nécessaire pour cela, de fournir de l'énergie électrique à la membrane. Un mode de réalisation avantageux du procédé pré- voit ainsi d'obtenir l'énergie électrique destinée à la mem- brane par conversion de l'énergie cinétique récupérée sur le véhicule, notamment lors du freinage. Cela permet d'utiliser pleinement l'énergie généralement dilapidée lors des opéra- tions de freinage sous forme d'énergie dissipée. Dans le cas de membranes en céramique à conduc- tion mélangée, il faut une chute de pression partielle au ni- veau de la membrane sous la forme d'un travail de pompage ou de compression. Un mode de réalisation très avantageux du procédé, prévoit ainsi que le travail de pompage ou de com- pression qu'il faut fournir à la membrane pour créer une chute de pression partielle s'obtient par conversion de10 l'énergie cinétique à absorber du véhicule de préférence au moment d'une opération de freinage. Il suffit pour cela d'une simple liaison appropriée entre le frein et une pompe/un com- presseur ce qui peut se réaliser d'une manière très simple. Il est particulièrement avantageux que dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, l'énergie néces- saire au chauffage de la membrane et de la veine de gaz tra- versant la membrane de même que l'énergie électrique à fournir à la membrane ou l'énergie mécanique soient des éner- gies de récupération fournies par les véhicules, par exemple les gaz d'échappement ou au cours d'opérations de freinage, que l'on intègre ainsi au moins en partie dans le bilan éner- gétique de la fabrication de l'air enrichi en oxygène. Dessins D'autres caractéristiques avantageuses apparaî- tront dans la description suivante des dessins d'un exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention représenté dans l'unique figure annexée. Description de l'exemple de réalisation On utilise des membranes en céramique par exemple en oxyde de zirconium (ZrO2) ou encore en des matières con- ductrices mélangées, comme de la Perovskite. Ces matières sont des conducteurs ioniques d'oxygène; en présence d'une force d'entraînement appropriée, il y a diffusion des ions en oxygène à travers les matières de la membrane en céramique. Dans le cas de l'oxyde de zirconium, la conduc- tion ionique de l'oxygène est produite par une différence de tension appliquée à la membrane. Le transport des charges avec les ions d'oxygène à travers la membrane est obtenu par un courant entre les électrodes par une liaison conductrice extérieure ou entre les deux faces de la membrane. La tension électrique peut réaliser une compression de l'oxygène pur (02) à des pressions supérieures à 10 bars sans nécessiter de travail mécanique de pompage supplémentaire. Dans le cas des céramiques à conduction de mé- lange, on utilise une chute de pression partielle d'oxygène obtenue de la manière décrite ci-après aux bornes de la mem- brane comme force d'entraînement. Les deux matières de la membrane présentent des taux de perméation intéressants pour une utilisation efficace et de ce fait économique, seulement aux températures élevées, notamment à des températures supérieures à 400 C. Le déroulement du procédé se décrit de la manière suivante: A l'aide des membranes en céramique décrites ci- dessus, à bord d'un véhicule automobile, dont le moteur à combustion interne est chaud, et en se reportant par exemple au document DE 44 04 681 Cl, on sépare de l'oxygène (02) comme cela a été décrit et on stocke provisoirement cet oxy- gène sous une pression élevée, par exemple dans une bouteille à gaz (étapes S3, S4, S5). Dans une phase de démarrage à froid, ultérieure ou une phase de chauffage consécutive ou aussi dans une phase de ralenti (étape SI), on ajoute l'oxygène ainsi stocké de façon intermédiaire à l'air aspiré puis on fournit ce mélange comme air aspiré alimentant le moteur (étape S2). Cela permet d'avoir une teneur en oxygène et un débit massique d'oxygène dans l'air aspiré en fonction des exigences du moteur, c'est- à-dire dépendant de l'état de fonctionnement du moteur et d'assurer cette amélioration de façon optimale pour la con- sommation et l'émission dans les états de fonctionnement évo- qués ci-dessus (phase de démarrage à froid, phase de réchauffage, phase de ralenti). De manière avantageuse, l'énergie nécessaire à la séparation de l'oxygène est fournie directement par le véhi- cule. On utilise pour cela des énergies de récupération (étape S3). Ainsi, à titre d'exemple, l'énergie de chauffage nécessaire au chauffage de la membrane en céramique et de la veine de gaz séparée qui traverse la membrane, est fournie en partie par l'énergie thermique des gaz d'échappement et en5 partie par l'échange de chaleur entre les gaz enrichis en 02 et ceux appauvris en 02 qui passent dans la chambre ainsi que de l'air frais passant dans la chambre pour le chauffer. Dans le cas également d'une céramique en oxyde de zirconium (ZrO2) l'énergie électrique nécessaire est fournie l0 par l'utilisation des énergies de récupération du véhicule. Ainsi par exemple, pendant une opération de freinage, en con- vertissant l'énergie cinétique par des générateurs appropriés on obtient de l'énergie électrique. Dans le cas de céramiques en oxyde de zirconium, les générateurs sont conçus pour qu'ils génèrent des intensités très fortes sous des tensions très faibles (environ 1 Volt). Dans le cas de l'utilisation d'une membrane en une céramique à conduction mélangée, il faut que la chute de pression partielle soit établie sur la membrane; celle-ci doit être fournie sous la forme d'un travail de pompage ou de compression. Ce travail de pompage ou de compression peut être fourni par une liaison appropriée entre une pompe ou un compresseur et le frein, en utilisant de l'énergie récupérée pendant une opération de freinage. Dans la mesure o l'on ne dispose pas d'énergie de récupération (étape S6) ou si la bouteille de gaz sous pression dans laquelle a été placé l'oxygène enrichi, est pleine (étape S7), on fait fonctionner le véhicule selon son cycle de fonctionnement usuel, c'est-à-dire son mode de fonc- tionnement usuel jusqu'à ce qu'il soit terminé (étapes S8, S9). Le procédé décrit ci-dessus permet avec une con- sommation minimale en énergie, de mélanger de l'air enrichi en oxygène de l'air aspiré en phase de démarrage à froid, en phase de réchauffage ou en phase de ralenti. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé pour réduire les composants polluants de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, équipant no- tamment des véhicules automobiles, selon lequel le moteur à5 combustion interne reçoit un gaz à teneur en oxygène (02) augmentée, obtenu à partir de l'air atmosphérique par au moins une membrane perméable seulement à la molécule d'oxygène (02), cette membrane étant placée dans une chambre, caractérisé en ce que1M le gaz quittant la chambre avec une teneur en oxygène (02) augmentée est stocké provisoirement, selon l'état de fonc- tionnement du moteur, à pression augmentée dans un récipient embarqué dans le véhicule pour être ultérieurement mélangé à l'air aspiré au cours d'un autre cycle de fonctionnement. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz quittant la chambre avec une teneur en oxygène (02) augmentée, sont stockés de façon intermédiaire sous pression dans un réservoir lorsque le moteur à combustion interne est chaud, et les gaz stockés de manière intermédiaire, ayant une teneur en oxygène (02), augmentée, sont mélangés à l'air as- piré alimentant le moteur à combustion interne au cours d'un ou plusieurs états de fonctionnement suivants: en phase de démarrage à froid, en phase de ralenti, en phase de chauf- fage. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'énergie de chauffage nécessaire au chauffage de la membrane ainsi qu'au chauffage de la veine de gaz traversant la mem- brane provient au moins en partie, de l'énergie thermique des gaz d'échappement. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'énergie de chauffage nécessaire au chauffage de la membrane ainsi qu'au chauffage de la veine de gaz traversant la mem- brane est récupérée au moins en partie par échange de chaleur entre la veine de gaz quittant la chambre et la veine de gaz arrivant dans la chambre. 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'énergie électrique fournie à la membrane est obtenue par conversion d'énergie cinétique à récupérer du véhicule, de préférence au cours d'une opération de freinage.() 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le travail de pompage ou de compression qu'il faut fournir pour créer une chute de pression partielle sur la membrane,15 est obtenu par conversion de l'énergie cinétique à récupérer du véhicule de préférence au cours d'une opération de frei- nage.