Brevet FR2821116A1 — publié le 20020823

L'invention concerne un procédé et un dispositif de régénération d'un filtre à particules de séparation de particules de suie d'un gaz d'échappe- ment d'un moteur thermique, par exemple d'un moteur Diesel et en particulier d'un filtre à particules placé sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile comportant un moteur thermique et, de préférence, un moteur Diesel. Les moteurs thermiques et en particulier les moteurs Diesel comportent des chambres de combustion dans lesquelles un carburant, par exemple du gazole, subit une combustion et produit des gaz brûlés qui sont évacués par des tubulures du moteur et une ligne d'échappement. Dans le cas des moteurs Diesel en particulier, l'amélioration de l'aérothermie des chambres de combustion et l'accroissement de la pression d'injection ont permis de réaliser des progrès considérables, quant à la combustion du carburant, de telle sorte qu'on obtient une combustion pratiquement complète, au moins dans certaines phases de fonctionnement du moteur. De ce fait, les rejets de produits polluants dans les gaz d'échappement sont considérablement réduits. Cependant, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, la combustion est incomplète, ce qui a pour conséquence de provoquer la formation de particules de suie qui sont entraînées par les gaz d'échappement. Pour éliminer ces particules entraînées par les gaz d'échappement, dans le cas de véhicules automobiles de conception récente, on réalise une filtration des gaz d'échappement qui est pilotée en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. On élimine ainsi une proportion très importante des particules, de sorte que les gaz rejetés à la sortie de la ligne d'échappement présentent une très faible teneur en particules. Pour effectuer la filtration pilotée des gaz d'échappement, on utilise un filtre à particules (FAP) qui est intercalé sur la ligne d'échappement, généralement dans la partie à haute température de la ligne d'échappement proche du moteur. Les filtres à particules comportent un corps de filtration conçu pour arrêter les particules de suies, disposé à l'intérieur d'une enveloppe de filtre reliée à la ligne d'échappement. La difficulté majeure, dans l'exploitation des filtres à particules, réside dans la régénération du filtre, lorsqu'il est chargé en particules de suies. En effet, lorsque le filtre à particules a été utilisé pendant un certain temps, il se trouve chargé en particules déposées dans les porosités du corps de filtration, de sorte qu'il introduit une perte de charge accrue sur la circulation des gaz d'échappement et assure de manière moins efficace la filtration des particules contenues dans les gaz d'échappement. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre à particules. Cette régénération est effectuée en brûlant les suies à l'intérieur du filtre à particules, en bénéficiant de la température élevée des gaz d'échappement dans le filtre à particules et de la présence d'air atmosphérique comburant dans les gaz d'échappement. Toutefois, les gaz d'échappement des moteurs Diesel ont une température qui n'est pas suffisante pour assurer la combustion des particules, au moins dans certaines phases d'utilisation du moteur thermique, par exemple dans le cas d'un moteur de véhicule automobile, lors d'une phase de circulation en zone urbaine. La température des gaz d'échappement n'est pas alors suffisante pour amorcer la régénération par combustion des particules. Pour abaisser la température de combustion des particules, il est connu d'utiliser des produits catalyseurs, généralement sous la forme d'oxydes métalliques tels que la cérine. Des additifs contenant des catalyseurs ou des produits destinés à former des catalyseurs lors de la combustion du carburant sont injectés dans le carburant utilisé pour l'alimentation du moteur. Les produits catalyseurs ou destinés à former des catalyseurs sont coûteux et doivent être introduits en quantité dosée dans le carburant du véhicule automobile. Il est donc nécessaire de prévoir un entretien particulier du véhicule pour assurer la présence d'additifs de combustion des suies dans le carburant, par exemple de faire le plein d'un réservoir de cérine destinée à être injectée dans le carburant, avec une certaine périodicité, par exemple tous les 80.000 km. De plus, les additifs de combustion tels que la cérine sont prohibés par certaines réglementations. Les véhicules automobiles comportent une source d'énergie électrique qui peut être constituée par exemple, de manière classique, par un al- ternateur et une batterie d'accumulateurs qui sont utilisés pour différentes fonctions sur le véhicule automobile. Dans des véhicules de conception moderne ou d'avenir, on a prévu d'utiliser une source électrique constituée par une pile à combustible qui peut être utilisée en remplacement de la batterie et/ou de l'alternateur du véhicule automobile, ou encore dans certains types de véhicules modernes pour alimenter en courant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile. Des véhicules automobiles présentant des conditions d'utilisation particulièrement souples et adaptables peuvent comporter à la fois un moteur thermique et un moteur électrique, le moteur thermique pouvant être par exemple un moteur Diesel. De tels véhicules appelés véhicules hybrides peuvent être utilisés en ville, avec une propulsion purement électrique et sur route, en utilisant le moteur thermique. Dans ce cas, ou plus généralement dans le cas de tout véhicule comportant un moteur thermique et en particulier un moteur Diesel, il peut être souhaitable de placer un filtre à particules, sur la ligne d'échappement du moteur pour assurer un fonctionnement non polluant dans toutes les phases d'utilisation du véhicule. En dehors de l'utilisation de moteurs thermiques tels que des moteurs Diesel pour la propulsion de véhicules automobiles, il peut être nécessaire également d'utiliser des filtres à particules pour réaliser l'épuration des gaz d'échappement des moteurs. Des filtres à particules peuvent s'avérer utiles sur un conduit d'échappement de moteurs de propulsion navale ou même sur des moteurs thermiques fixes, par exemple des moteurs de groupes électrogènes. Dans le cas général d'un moteur thermique comportant une ligne ou conduite d'échappement sur laquelle est placé un filtre à particules, on doit effectuer périodiquement la régénération du filtre à particules (FAP), pour assurer un fonctionnement satisfaisant du filtre à particules sur de longues périodes d'utilisation. Il est souhaitable de réaliser cette régénération du FAP sans introduire d'additif tel que la cérine dans le carburant utilisé par le moteur thermi- que. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de régénération d'un filtre à particules pour la filtration de particules de suie d'un gaz d'échappement d'un moteur thermique disposé sur une ligne d'échappement du moteur thermique, ce procédé permettant une régénération efficace du filtre à particules sans utiliser d'additif introduit dans le carburant du moteur thermique. Dans ce but, on réalise la régénération du filtre à particules en injectant et en brûlant de l'hydrogène dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules, de manière à élever la température dans le filtre à particules jusqu'à un niveau assurant la combustion des particules, indépendamment des cycles d'utilisation du moteur. L'invention s'applique en particulier au cas d'un filtre à particules placé sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile qui comporte le moteur thermique comme moyen de propulsion et une source d'énergie électrique comportant une pile à combustible ; dans ce cas, une partie au moins de l'hydrogène injecté dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules, provient de la pile à combustible ou d'un moyen d'alimentation de la pile à combustible en hydrogène. L'invention est également relative à un dispositif de régénération d'un filtre à particules pour la filtration des gaz d'échappement d'un moteur thermique placé sur une ligne d'échappement du moteur thermique et comportant un moyen de fourniture d'hydrogène constitué par l'un au moins d'un moyen de stockage et d'un moyen de production d'hydrogène et une conduite d'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement, reliée à une première extrémité à la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules, et, à une seconde extrémité opposée à la première, au moyen de fourniture d'hydrogène. Dans le cas où le filtre à particules est placé sur la ligne d'échappement d'un véhicule automobile comportant le moteur thermique comme moyen de propulsion et une source d'énergie électrique comprenant une pile à combustible, le moyen de fourniture d'hydrogène peut comporter l'un au moins de la pile à combustible, d'un réformeur d'alimentation de la pile à combustible en hydrogène et d'un réservoir tampon de stockage d'hydrogène. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant à la figure jointe en annexe, un procédé de régénération des suies d'un moteur thermique par un procédé suivant l'invention et le dispositif utilisé. La figure unique est un schéma montrant les différents éléments fonctionnels d'un véhicule automobile comportant une pile à combustible, ces éléments étant utilisés pour la propulsion du véhicule automobile, l'alimentation électrique de composants ou équipements du véhicule automobile, ou le traitement des gaz d'échappement. Sur la figure, on a représenté de manière schématique un moteur thermique 1 de propulsion du véhicule automobile, par l'intermédiaire d'une transmission 3. Les gaz d'échappement du moteur thermique 1 qui est un moteur Diesel dans l'exemple décrit sont évacués dans une ligne d'échappement 4 sur laquelle est intercalé un filtre à particules 5. Le véhicule automobile comporte des composants et équipements qui sont alimentés en courant électrique par une batterie d'accumulateurs 6 dont la charge peut être assurée par l'intermédiaire d'une pile à combustible 7. La pile à combustible 7 peut être également utilisée pour assurer directement l'alimentation électrique des composants et équipements du véhicule automobile. La pile à combustible 7 est alimentée en hydrogène, soit par l'intermédiaire d'un réformeur 8 assurant la production d'hydrogène, à partir d'au moins un hydrocarbure ou autre composant hydrogéné, du carburant stocké dans un réservoir de carburant 9 alimentant le réformeur 8, soit d'une réserve de stockage d'hydrogène 2 montée sur le véhicule. La pile à combustible qui peut être de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ou SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ou AFC (Alkaline Fuel Cell) fonctionne en utilisant l'hydrogène issu du reformage d'hydrocar- bures constituant le carburant, dans le réformeur 8, ou en utilisant l'hydrogène issu de la réserve de stockage 2 présente sur le véhicule. Les piles à combustible SOFC utilisent une station de reformage simplifiée alors que les piles PEMFC, qui sont plus sensibles aux impuretés, utilisent un gaz hydrogéné ou reformat comportant de l'hydrogène de grande pureté. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on prévoit une ligne 10 d'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement 4, en amont du filtre à particules 5. La ligne 10 d'injection d'hydrogène est reliée au réformeur, à la pile à combustible et au réservoir de stockage d'hydrogène 2, de manière à pouvoir alimenter la ligne d'échappement 4 en hydrogène provenant soit du réformeur 8, soit de la pile à combustible 7, soit à la fois de la pile à combustible 7 et du réformeur 8, soit encore de la réserve de stockage d'hydrogène 2 montée sur le véhicule automobile. La réserve d'hydrogène 2 peut être constituée par exemple par une réserve de stockage cryogénique d'hydrogène sous forme liquide contenu par exemple dans un réservoir calorifuge ; une réserve d'hydrogène sous pression, par exemple à l'intérieur d'un tube ou d'une bouteille ou encore une réserve d'hydrogène stockée dans un matériau tel qu'un hydrure métallique ou constitué de nano-tubes en carbone, c'est-à-dire de carbone sous forme de petits tubes ayant un diamètre interne très faible dans lesquels est contenu et stocké de l'hydrogène. Un réservoir tampon 11 peut être intercalé sur la ligne d'injection 10 et relié à l'un au moins de la pile à combustible et du réformeur, l'hydrogène en excès produit par la pile à combustible 7 ou le réformeur 8 dans certaines phases de fonctionnement du moteur étant stocké à l'intérieur du réservoir tampon 11 et utilisé dans les phases nécessitant une injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement. L'hydrogène peut être amené dans le réservoir tampon 11 à partir de la réserve d'hydrogène 2 qui peut être reliée au réservoir tampon 11 et par son intermédiaire à la ligne d'injection d'hydrogène 10. La réserve d'hydrogène 2 peut être, de manière alternative, reliée directement à la ligne d'injection 10. Il peut être avantageux, de prévoir une conduite de liaison 12 entre la conduite d'injection d'hydrogène 10 et une conduite d'alimentation en carbu- rant du moteur thermique 7, afin de diminuer les émissions polluantes du moteur thermique dans certaines phases de fonctionnement. La chaleur produite par la pile à combustible peut être transmise au moteur thermique par l'intermédiaire d'une conduite de gaz 13. On obtient ainsi une élévation de température plus rapide lors de certaines phases de fonctionnement du moteur, comme par exemple les premiers démarrages, ce qui permet d'accroître rapidement l'efficacité du système de dépollution. Comme représenté par la flèche 14, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, la pile à combustible 7 peut produire une énergie électrique excédentaire qui peut être utilisée par exemple pour le chauffage du moteur ou du filtre à particules 5, lors des phases de régénération du filtre par combustion des suies. Un détecteur de fonctionnement 15 du filtre à particules 5 qui peut être constitué par exemple par un capteur de pression indiquant l'état d'encrassement du filtre est associé au filtre à particules 5 et relié à une unité de commande électronique ou superviseur 16 pour assurer la commande de l'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement, lorsque la régénération du filtre à particules 5 est devenue nécessaire. Le superviseur 16 est relié par des conducteurs électriques à des détecteurs respectifs 17 et 18 associés à la pile à combustible 7 et au réformeur 8, permettant de déterminer la présence, dans la pile à combustible 7 ou le réformeur 8, d'une phase hydrogène en excès pouvant être utilisée pour l'injection dans la ligne d'échappement. Le superviseur 16 peut être également relié à des moyens d'injection du réservoir de stockage 11 et de la réserve d'hydrogène 2, tels que des électrovannes qui peuvent être ouvertes pour réaliser l'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement 4, en amont du filtre à particules 5, lorsque le filtre est encrassé, soit à partir du réservoir de stockage 11, soit directement à partir de la réserve d'hydrogène 2. Lorsque le capteur 15 détecte un encrassement du filtre à particules 5, le signal transmis au superviseur 16 permet de réaliser une injection d'hy- drogène dans la ligne d'injection 10 et dans la ligne d'échappement 4 du moteur thermique 1, soit à partir de la réserve 2, soit à partir du réservoir tam- pon 11, soit directement à partir du réformeur 8 et/ou de la pile à combustible 7 dans le cas où le superviseur 16 a détecté la présence de phases hydrogène en excès dans le réformeur 8 et/ou la pile à combustible 7. L'injection d'hydrogène peut être effectuée simultanément à partir de plusieurs moyens de fourniture d'hydrogène constitués par les moyens de stockage ou de production d'hydrogène embarqués sur le véhicule automobile. Dans certaines phases, par exemple lorsque la pile à combustible ne fournit pas de courant électrique, des quantités de phase hydrogène en excès peuvent être disponibles. Le réformeur 8 peut également être piloté par le superviseur 16 pour produire de l'hydrogène destiné à être injecté dans le conduit d'échappement 4. L'hydrogène en excès dans la pile à combustible 7 ou produit par le réformeur 8 peut être stocké dans le réservoir tampon 11 et utilisé de manière différée pour l'injection dans le conduit d'échappement 4, lorsqu'on a détecté un encrassement du filtre à particules 5. Lorsque de l'hydrogène est introduit dans le conduit d'échappement 4, les gaz d'échappement à haute température renfermant des gaz comburants et en particulier de l'air atmosphérique provoquent la combustion de l'hydrogène avec un très fort dégagement de chaleur. Les gaz de combustion à haute température traversant le filtre à particules 5 provoquent la combustion des suies et donc la régénération du filtre à particules 5. La combustion d'hydrogène ne produit pas d'oxyde de carbone ni d'hydrocarbures ni de particules. Le procédé suivant l'invention permet donc d'obtenir une régénération du filtre, sans utiliser d'additifs de catalyse qui sont nécessaires habituellement pour réaliser la combustion des particules déposées dans le filtre à particules, à la température des gaz d'échappement du moteur. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. L'injection d'hydrogène peut être réalisée uniquement à partir d'une réserve d'hydrogène, par exemple embarquée sur un véhicule ayant ou non une pile à combustible, dont le moteur thermique assure la propulsion. On peut réaliser la commande de l'injection d'hydrogène à partir d'une réserve d'hydrogène, de la pile à combustible, du réformeur ou d'un réservoir tampon par des moyens différents de ceux qui ont été décrits, comportant des moyens électroniques de type quelconque commandés à partir de signaux de mesure définissant l'état du filtre à particules, de la pile à combustible, du réformeur ou d'un réservoir tampon. L'invention s'applique principalement aux véhicules automobiles comportant un moteur Diesel mais elle peut s'appliquer également dans le cas de véhicules automobiles comportant un moteur à essence et dans le cas de moteurs thermiques utilisés pour la propulsion navale ou de moteurs thermiques d'installations fixes ou mobiles mais non directement liés à un système de propulsion par l'intermédiaire d'une transmission, tels que des moteurs de groupes électrogènes. L'invention s'applique également dans le cas de véhicules automobiles de type dit"hybride"comportant un moteur thermique, par exemple un moteur Diesel, et un moteur électrique alimenté en courant par une batterie et/ou une pile à combustible pouvant assurer la propulsion du véhicule automobile, par l'intermédiaire d'une transmission, commandés de manière que le moteur thermique ou le moteur électrique soit utilisé pour la propulsion, suivant les conditions de roulage du véhicule automobile. REVENDICATIONS 1.-Procédé de régénération d'un filtre à particules (5) pour la filtration de particules de suie de gaz d'échappement d'un moteur thermique disposé sur une ligne d'échappement du moteur thermique (1), caractérisé par le fait qu'on réalise la régénération du filtre à particules (5) en injectant et en brûlant de l'hydrogène dans la ligne d'échappement (4), en amont du filtre à particules, de manière à élever la température dans le filtre à particules jusqu'à un niveau assurant la combustion des particules, indépendamment des cycles d'utilisation du moteur. 2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une partie au moins de l'hydrogène injecté dans la ligne d'échappement provient d'une réserve de stockage d'hydrogène (2). 3.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la réserve d'hydrogène (2) est constituée par l'un des moyens de stockage suivants : réserve de stockage cryogénique d'hydrogène sous forme liquide, réserve de stockage d'hydrogène sous pression, réserve de stockage d'hydrogène dans un matériau tel qu'un hydrure métallique ou constitué de nano-tubes en carbone. 4.-Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, de régénération d'un filtre à particules (5) placé sur une ligne d'échappement (4) d'un véhicule automobile comportant le moteur thermique (1) comme moyen de propulsion et une source d'énergie électrique comprenant une pile à combustible (7), caractérisé par le fait qu'une partie au moins de l'hydrogène injecté dans la ligne d'échappement (4) provient de la pile à combustible (7) ou d'un moyen (8,2) d'alimentation de la pile à combustible en hydrogène. 5.-Procédé de régénération suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la pile à combustible est de l'un des types suivants : PEMFC, SOFC, AFC. 6.-Procédé de régénération suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que la pile à combustible (7) est alimentée en hydrogène, soit par une réserve de stockage d'hydrogène (2) embarquée dans le véhicule, soit par un réformeur (8) de production d'hydrogène à partir d'au moins un composant hydrogéné d'un carburant, et qu'une partie au moins de l'hydrogène injecté dans le conduit d'échappement (4) provient de l'un au moins de la réserve d'hydrogène (2) et du réformeur (8). 7.-Procédé de régénération suivant l'une quelconque des revendications 4,5 et 6, caractérisé par le fait que l'un au moins de la pile à combustible (7), du réformeur (8) et de la réserve de stockage d'hydrogène (2) est relié à un réservoir tampon (11) de stockage d'hydrogène et que l'hydrogène injecté dans le conduit d'échappement (4) provient du réservoir tampon (11). 8.-Dispositif de régénération d'un filtre à particules (5) pour la filtration de gaz d'échappement d'un moteur thermique (1) disposé sur une ligne d'échappement (4) du moteur thermique (1), caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen de fourniture d'hydrogène constitué par l'un au moins d'une réserve de stockage et d'un moyen de production d'hydrogène et une conduite (10) d'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement (4) reliée à une première extrémité à la ligne d'échappement (4), en amont du filtre à particules (5) et à une seconde extrémité opposée à la première, au moyen de fourniture d'hydrogène (2,7, 8,11). 9.-Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que le moyen de fourniture d'hydrogène comporte au moins une réserve de stoc- kage d'hydrogène (2) de l'un des types suivants : réserve de stockage cryo- génique d'hydrogène sous forme liquide, réserve de stockage d'hydrogène sous pression, réserve de stockage d'hydrogène dans un matériau tel qu'un hydrure métallique ou constitué de nano-tubes en carbone. 10.-Dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 8 et 9 d'un filtre à particules (5) placé sur la ligne d'échappement (4) d'un véhicule automobile comportant le moteur thermique (1) comme moyen de propulsion et une source d'énergie électrique (7,8) comportant une pile à combustible (7), caractérisé par le fait que le moyen de fourniture d'hydrogène comporte l'un au moins de la pile à combustible (7), d'un réformeur (8) d'alimentation de la pile à combustible (7) en hydrogène, d'une réserve de stockage d'hydrogène (2) et d'un réservoir tampon (11) de stockage d'hydrogène. 11.-Dispositif de régénération suivant la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il comporte une unité de commande (16) reliée à un capteur (15) de l'état d'encrassement du filtre à particules (5) et à au moins un capteur (17, 18) de détection d'un excès d'hydrogène dans la pile à combustible (7,8), de manière à commander l'injection d'hydrogène par la conduite d'injection (10) dans la conduite d'échappement (4), en amont du filtre à particules (5). 12.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé par le fait que la source d'énergie électrique (6,7, 8) comportant une pile à combustible (7), comporte un réformeur (8) pour la production d'hydrogène à partir de carburant, un réservoir tampon (11) et des moyens (16) de commande d'une injection d'hydrogène à partir de l'un au moins de la pile à combustible (7) du réformeur (8) de la réserve de stockage (2) d'hydrogène et du réservoir tampon (11). 13.-Dispositif de régénération suivant la revendication 12, caractérisé par le fait que l'unité de commande (16) est reliée à au moins un capteur (15) de détection du niveau d'encrassement du filtre à particules (5) et à au moins un capteur (17,18) de détection d'un excès d'hydrogène dans la pile à combustible (7,8)