Brevet FR2821118A1 — publié le 20020823

L'invention concerne un procédé de réchauffage et de maintien en température d'un pot catalytique d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile comportant un moteur thermique, tel qu'un moteur Diesel ou un moteur à essence. Les moteurs thermiques des véhicules automobiles comportent des chambres de combustion dans lesquelles un carburant, par exemple du gazole ou de l'essence, subit une combustion et produit des gaz brûlés qui sont évacués par des tubulures d'échappement du moteur et une ligne d'échappement du véhicule automobile. Les améliorations apportées, sur différents points techniques, aux moteurs thermiques de véhicule automobile ont permis de réaliser des progrès importants, quant à la combustion du carburant, de telle sorte que les gaz d'échappement ne renferment que des quantités limitées de produits polluants, tels que du monoxyde de carbone CO, des oxydes d'azote NOx, des hydrocarbures imbrûlés ou des particules de suies. Pour réduire à un niveau très faible les rejets de produits polluants dans les gaz d'échappement et en particulier les quantités de monoxyde de carbone, d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, on utilise des pots catalytiques qui sont disposés sur la ligne d'échappement, de manière à être traversés par les gaz d'échappement et à réaliser l'oxydation des produits polluants par catalyse. De tels pots catalytiques comportent généralement un corps poreux délimitant des canaux de passage des gaz qui sont revêtus de catalyseur constitué par exemple par des métaux précieux. Les pots catalytiques ne fonctionnent de manière satisfaisante pour éliminer les polluants par oxydation que lorsque leur température est supérieure à une température d'amorçage de l'oxydation catalysée des polluants. Les pots catalytiques doivent donc être réchauffés et maintenus en température pour assurer une élimination satisfaisante des polluants. L'échauffement et le maintien en température des pots catalytiques sont assurés par les gaz d'échappement qui traversent le pot catalytique. Dans certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile, par exemple lors d'un premier démarrage à froid, dans des phases d'arrêt et de redémarrage du moteur, ou encore dans des conditions de circulation à basse vitesse, par exemple dans le cas d'une circulation dans une zone ur- baine, la température des gaz d'échappement peut être insuffisante pour porter le catalyseur à une température supérieure à la température d'amor- çage de l'oxydation catalysée des polluants. Dans le cas d'un moteur Diesel, en particulier, on a proposé, dans le FR-2.688. 029, d'assurer une régulation de la température du catalyseur d'un pot catalytique, pendant une phase de démarrage du moteur et pendant une phase de fonctionnement suivant le démarrage. Le chauffage et le maintien en température du catalyseur sont réalisés par effet Joule, en faisant passer un courant électrique fourni par la batterie du véhicule automobile, à travers le catalyseur. 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 association avec la batterie du véhicule automobile pour alimenter en courant tous les consommateurs du véhicule automobile reliés au réseau de bord ainsi que d'autres organes spécifiques dont la tension d'alimentation peut être éventuellement différente de la tension habituelle d'une batterie. 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 ou un moteur à essence. De tels véhicules, appelés véhicules hybrides, peuvent être utilisés en ville, avec une propulsion purement électrique et sur route, en utilisant le moteur thermique. Les véhicules automobiles peuvent disposer de systèmes permettant d'arrêter et de redémarrer le moteur thermique suivant des conditions de roulage spécifiques par exemple un système d'arrêt du moteur du véhicule, indépendamment de demandes du conducteur. Cette fonction peut être associée à l'utilisation d'une machine électrique de propulsion. Dans tous ces cas, le moteur thermique doit être associé à une ligne d'échappement du véhicule automobile comportant un pot catalytique pour assurer un fonctionnement non polluant du moteur thermique, dans toutes les phases de roulage du véhicule automobile. Pour assurer en permanence un fonctionnement non polluant du moteur du véhicule, il est nécessaire d'assurer un réchauffage et un maintien en température du catalyseur du pot catalytique, en particulier au cours des phases de démarrage à froid, des phases d'arrêt et de redémarrage du moteur thermique et dans le cas de la circulation du véhicule en zone urbaine. Jusqu'ici, on n'avait jamais utilisé les possibilités d'une source d'énergie électrique d'un véhicule automobile comportant une pile à combustible, pour assurer le réchauffage et le maintien en température du catalyseur d'un pot catalytique. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de réchauffage et de maintien en température d'un pot catalytique d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, comportant un moteur thermique, une source d'énergie électrique et la ligne d'échappement reliée au moteur pour l'évacuation de gaz d'échappement du moteur, sur laquelle est disposé le pot catalytique de dépollution de gaz d'échappement, le réchauffage et le maintien en température du pot catalytique étant réalisés en utilisant la source d'énergie électrique, ce procédé permettant d'améliorer sensiblement les conditions de réchauffage et de maintien en température du pot catalytique. Dans ce but, la source d'énergie électrique comporte une pile à combustible et un moyen de fourniture d'hydrogène à la pile à combustible et on réalise un échange d'énergie ou de chaleur, de manière réglée, entre la source d'énergie électrique et le pot catalytique, indépendamment des cycles d'utilisation du moteur. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre d'exemple, en se référant à la figure unique jointe en annexe, un procédé de réchauffage et de maintien en température du pot catalytique d'un véhicule automobile de type hybride, comportant une source d'énergie électrique uti- lisant une pile à combustible, l'invention pouvant toutefois s'appliquer dans le cas de véhicules ne comportant pas de moteur électrique de propulsion. 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 ou le traitement des gaz d'échappement. Sur la figure, on a représenté, de manière schématique, un moteur thermique 1 et un moteur électrique 2 de propulsion du véhicule automobile par l'intermédiaire d'une transmission 3. Les gaz d'échappement du moteur thermique 1 sont évacués dans une ligne d'échappement 4 sur laquelle est intercalé un pot catalytique 5. Le pot catalytique 5 comporte une enveloppe reliée à la ligne d'échappement 4 dans laquelle est disposé un catalyseur poreux comportant des canaux de passage des gaz d'échappement revêtus de métaux ayant des propriétés de catalyse d'une réaction d'oxydation de polluants contenus dans les gaz d'échappement. Des polluants tels que le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures imbrûlés ou des oxydes d'azote NOx contenus dans les gaz d'échappe- ment sont oxydés par des gaz comburants tels que l'air en mélange avec les gaz d'échappement ou réduits à l'intérieur du pot catalytique 5. Lorsque le catalyseur est porté à une température au moins égale à la température d'amorçage des réactions d'oxydation et de réduction au contact des catalyseurs, les gaz polluants sont oxydés ou réduits à l'intérieur du pot catalytique, de sorte que ces gaz polluants sont présents dans le flux de gaz sortant du pot catalytique en très petites quantités. Le moteur électrique 2 de propulsion du véhicule automobile est alimenté 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 directement pour alimenter des équipements et composants du véhicule automobile ou pour l'entraînement du moteur électrique 2. La pile à combustible 7 est alimentée en hydrogène, soit par l'intermédiaire d'un reformeur 8 assurant la production d'hydrogène, à partir d'au moins un composant hydrogéné du carburant stocké dans un réservoir de carburant 9 alimentant le reformeur 8, soit d'une réserve de stockage d'hydrogène 20 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 (ast- kaline Fuel Cell) fonctionne en utilisant l'hydrogène issu du reformage d'hydrocarbures constituant le carburant dans le reformeur 8 ou provenant de la réserve d'hydrogène 20. Les piles à combustible SOFC fonctionnent à une température de l'ordre de 800 C avec un rendement d'environ 45 %, en ce qui concerne la puissance électrique fournie. 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, par exemple, une ligne 10 d'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement 4, en amont du pot catalytique 5. La ligne d'injection d'hydrogène 10 est re- liée au reformeur et à la pile à combustible, de manière à pouvoir alimenter la ligne d'échappement 4 en hydrogène provenant soit du reformeur 8, soit de la pile à combustible 7, soit à la fois de la pile à combustible 7 et du reformeur 8. La ligne d'injection 10 pourrait être également reliée directement à la réserve d'hydrogène 20. Un réservoir tampon 11 peut être intercalé sur la ligne d'injection 10 et relié à l'un au moins des composants constitués par la pile à combustible 7 et le reformeur 8. Le réservoir tampon 11 pourrait être également relié à la réserve d'hydrogène 20 L'hydrogène en excès produit par la pile à combustible 7 ou le refor- meur 8, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, est stocké à l'intérieur du réservoir tampon 11 et utilisé dans les phases nécessitant une injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement 4. 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 carburant du moteur thermique 7, de manière à diminuer les émissions polluantes par addition d'hydrogène dans certaines phases de fonctionnement du mo- teur (par exemple lors d'un démarrage à froid) et à introduire un élément réducteur supplémentaire dans le carburant (l'hydrogène). La chaleur produite par la pile à combustible peut être transmise au moteur thermique par l'intermédiaire d'une conduite de gaz de refroidissement, par exemple d'air ou d'eau de refroidissement 13. On obtient ainsi un fonctionnement à température plus élevée du moteur et des gaz d'échappement plus chauds, permettant d'accroître rapidement l'efficacité du système de dépollution comportant le pot catalytique 5. Il est également possible de récupérer de la chaleur perdue par la pile à combustible en utilisant un flux d'air de balayage et/ou d'eau de refroidissement qui est envoyé sur le pot catalytique, de manière à assurer un réchauffage du pot catalytique (comme représenté par la flèche 13'). Un tel mode de réchauffage par récupération de chaleur perdue par la pile à combustible peut être mis en oeuvre en particulier dans le cas de l'utilisation d'une pile SOFC fonctionnant à 800 C avec un rendement d'environ 45 %. 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 pour le chauffage par effet Joule du moteur 1 ou du pot catalytique 5, lors de phases nécessitant un réchauffement du pot catalytique 5. A cette fin, on place des résistances électriques dans ou autour du pot catalytique ou du moteur et on alimente les résistances de chauffage, par au moins un conducteur 14 de transmission de courant électrique de la pile à combustible 7. En effet, la pile à combustible 7 permet de produire une importante puissance électrique en permanence, même lorsque le moteur est arrêté. Cette puissance électrique produite par la pile à combustible est généralement supérieure ou, au moins égale à celle de la source d'énergie électrique qu'elle remplace sur le véhicule automobile (par exemple un alternateur de 1, 5 kW sous 13, 5 volts). De l'hydrogène excédentaire produit par la pile à combustible ou par le reformeur 8 ou provenant de la réserve d'hydrogène 20 peut être stocké dans le réservoir de stockage 11 pour être utilisé dans des phases d'injection d'hydrogène dans le conduit d'échappement 4. De manière à produire de l'hydrogène qui est injecté dans le conduit d'échappement 4, il est également possible de déclencher volontairement la production d'hydrogène dans le reformeur 8, l'hydrogène produit par le reformeur 8 étant alors injecté directement dans la conduite d'échappement 4. L'hydrogène injecté dans le conduit d'échappement 4 est brûlé au contact des gaz comburants contenus dans les gaz d'échappement, ce qui produit une quantité de chaleur importante et une circulation de gaz très chauds à travers le catalyseur du pot catalytique 5. On obtient ainsi un réchauffage rapide du pot catalytique. En fait, dans la mise en oeuvre du procédé de réchauffage et de maintien en température du pot catalytique, on peut utiliser, de manière indépendante ou de manière combinée, la production de chaleur par injection et combustion d'hydrogène, la production de chaleur par effet Joule à partir d'un courant électrique provenant de la pile à combustible et l'utilisation de la chaleur perdue par la pile à combustible. Un détecteur de fonctionnement 15 du pot catalytique 5 qui peut être constitué par un capteur de température indiquant la température du catalyseur est relié à une unité de commande électronique ou superviseur 16 pour assurer la commande du procédé de réchauffage et de maintien en température du pot catalytique, lorsque la température du pot catalytique est inférieure à la température d'amorçage des réactions d'oxydation ou de réduction dans le catalyseur. Le superviseur 16 est relié par des conducteurs électriques à des dé- tecteurs 17 et 18 associés à la pile à combustible et au reformeur 8 permettant de déterminer la présence d'une phase hydrogène en excès pouvant être utilisée pour l'injection dans la ligne d'échappement. Le superviseur 16 peut être relié à des moyens de commande de l'injection d'hydrogène dans la conduite 10, à partir du réservoir tampon 11 ou à partir de la pile à combustible, ou encore à des moyens de commande du reformeur 8 pour la production d'hydrogène qui est injecté, au besoin, ou même à partir de la réserve spécifique d'hydrogène 20 dans la conduite d'échappement 4 par l'intermédiaire de la conduite d'injection 10. Le superviseur 16 est également relié à des moyens de commande électrique permettant d'assurer le réchauffage électrique du catalyseur en utilisant un courant produit par la pile à combustible 7. Enfin, le superviseur 16 permet également de commander la circulation d'air ou d'eau échauffés au contact de la pile à combustible, pour le faire parvenir au contact du pot catalytique 5 pour assurer son réchauffage et son maintien en température ou au contact du moteur 1. L'hydrogène injecté dans le conduit d'échappement peut être constitué par des quantités d'hydrogène produites en excès par la pile à combustible, dans certaines phases de fonctionnement, par exemple un excès d'hydrogène imposé par les temps de réponse de la source de courant électri- que comportant la pile à combustible, lors de délestages de la puissance électrique. Des excès d'hydrogène ainsi formés sont stockés dans le réservoir tampon 11 et sont injectés à partir du réservoir tampon 11 dans la conduite d'échappement 4, par l'intermédiaire de la conduite d'injection d'hydrogène 10. L'hydrogène peut également provenir directement du reformeur 8 qui est piloté pour produire l'hydrogène nécessaire au réchauffage du pot catalytique par injection et combustion d'hydrogène dans le conduit d'échappement. Enfin, l'hydrogène peut provenir directement ou indirectement de la réserve d'hydrogène 20. Dans tous les cas, le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent d'obtenir un réchauffage et un maintien en température du pot catalytique, de manière que la température du pot catalytique soit constamment supérieure à la température d'amorçage du catalyseur dans toutes les phases de fonctionnement du moteur et quelle que soit la forme de réalisation du groupe motopropulseur. En particulier, l'invention s'applique aux véhicules hybrides comportant un moteur thermique 1 et un moteur électrique 2. Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent également d'envisager de nouvelles stratégies de commande du moteur thermique, par exemple d'augmenter la durée des temps d'arrêt du moteur thermique, dans le fonctionnement"stop and start", c'est-à-dire le fonctionnement du moteur avec arrêt et redémarrage, sans dégrader les performances du dispositif de dépollution. En effet, pendant les périodes d'arrêt du moteur thermique, la pile à combustible ou le reformeur peuvent continuer à produire de l'hydrogène qui peut être stocké et/ou utilisé directement pour réchauffer et main- tenir en température le catalyseur qui n'est plus échauffé par les gaz d'échappement du moteur thermique. Le réchauffage du catalyseur peut également, dans ce cas, être réalisé à partir du courant électrique produit par la pile à combustible ou à partir de l'air ou de l'eau de refroidissement de la pile à combustible. En allongeant les périodes d'arrêt du moteur thermique, on peut ainsi accroître les gains en consommation du véhicule automobile dans de telles stratégies"stop and start". On peut associer aux moyens de l'invention, des moyens technologi- ques permettant d'améliorer le fonctionnement du catalyseur sans contrainte d'implantation et avec un coût réduit. De telles améliorations réalisées sur le pot catalytique peuvent être par exemple relatives à la teneur en métaux précieux du catalyseur ou à l'isolation thermique du pot catalytique en évitant l'usage d'une double paroi avec une lame d'air d'isolation qui est une solution très contraignante. On peut également associer à l'invention d'autres perfectionnements qui permettent d'améliorer la tenue du catalyseur au cours du temps ou son implantation sur le véhicule automobile, le pot catalytique pouvant être disposé en un emplacement quelconque suivant la longueur de la ligne d'échappement et non plus nécessairement le plus près possible du moteur du véhicule automobile. L'utilisation du procédé et du dispositif suivant l'invention permet d'obtenir une efficacité de conversion importante dans le pot catalytique, quels que soient les perfectionnements apportés de manière supplémentaire à la technologie du pot catalytique. L'invention s'applique à tous les véhicules automobiles comportant un moteur thermique et une pile à combustible. L'invention peut également s'appliquer dans le cas de moteurs thermiques utilisés pour la propulsion navale ou de moteurs thermiques d'installations fixes ou mobiles mais non liés directement à un système de propulsion par une transmission tels que des moteurs de groupes électrogènes. REVENDICATIONS 1.-Procédé de réchauffage et de maintien en température d'un pot catalytique (5) d'une ligne d'échappement (4) d'un véhicule automobile comportant un moteur thermique (1), une source d'énergie électrique (6,7, 8) et la ligne d'échappement (4) reliée au moteur pour l'évacuation de gaz d'échappement du moteur (1) sur laquelle est disposé le pot catalytique (5) de dépollution des gaz d'échappement, le réchauffage et le maintien en température du pot catalytique (5) étant réalisés en utilisant la source d'énergie électrique (6,7, 8), caractérisé par le fait que la source d'énergie électrique (6, 7, 8) comporte une pile à combustible (7) et au moins un moyen de fourniture d'hydrogène (8,20) à la pile à combustible (7), et qu'on réalise un échange d'énergie, de manière réglée, entre la source d'énergie électrique (6,7, 8) et le pot catalytique (5), indépendamment des cycles d'utilisation du moteur. 2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on injecte de l'hydrogène dans la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5), de manière à brûler l'hydrogène dans la ligne d'échappement (4) et à échauffer le pot catalytique (5) par un courant de gaz brûlés à haute température. 3.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on injecte de l'hydrogène dans la ligne d'échappement (4), à partir de la pile à combustible (7). 4.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la pile à combustible (7) est alimentée en hydrogène par un moyen de fourniture d'hydrogène constitué par l'un au moins d'un reformeur (8) et d'une réserve de stockage d'hydrogène (20). 5.-Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la source d'énergie électrique (6,7, 8) comporte un reformeur (8) de production d'hydrogène à partir d'au moins un composant hydrogéné du carburant du véhicule automobile, fournissant de l'hydrogène à la pile à combustible (7), et qu'une partie au moins de l'hydrogène injecté dans le conduit d'échappement (4) provient du reformeur (8). 6.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise un échauffement par effet Joule du pot catalytique (8) à partir d'un courant électrique fourni par la pile à combustible (7). 7.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise le réchauffage et le maintien en température du pot catalytique (5) à l'aide d'air ou d'eau de refroidissement de la pile à combustible (7), échauffé au contact de la pile à combustible (7) et amené au contact du pot catalytique (5). 8.-Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que l'un au moins de la pile à combustible (7) et du reformeur (8) de production d'hy- drogène à partir d'au moins un composant hydrogéné du carburant du véhicule automobile 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). 9.-Dispositif de réchauffage et de maintien en température d'un pot catalytique (5) d'une ligne d'échappement (4) d'un véhicule automobile com- portant un moteur thermique (1), une source d'énergie électrique (6, 7, 8) et la ligne d'échappement (4) reliée au moteur (1) pour l'évacuation de gaz d'échappement du moteur (1), sur laquelle est disposé le pot catalytique (5) de dépollution des gaz d'échappement, le réchauffage et le maintien en température du pot catalytique (5) étant réalisés en utilisant la source d'énergie électrique (6,7, 8) du véhicule automobile, caractérisé par le fait que la source d'énergie électrique (6,7, 8) comporte une pile à combustible (7), au moins un moyen de fourniture d'hydrogène (8, 20) à la pile à combustible (7) et que le dispositif de réchauffage comporte des moyens (10, 13', 14) de transmission d'énergie entre la source d'énergie électrique (6, 7, 8) et le pot catalytique (5). 10.-Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de transmission d'énergie entre la source d'énergie électrique (6,7, 8) et le pot catalytique (5) comportent une conduite (10) d'injection d'hydrogène provenant de la source d'énergie électrique (6,7, 8) dans la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5). 11.-Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que la conduite d'injection d'hydrogène (10) dans la ligne d'échappement (4) est reliée à une extrémité opposée à son extrémité d'injection dans la ligne d'échappement (4) à l'un de la pile à combustible (7), d'une réserve de stockage d'hydrogène (20), d'un reformeur (8) de production d'hydrogène à partir d'au moins un hydrocarburant du véhicule automobile fournissant de l'hydrogène à la pile à combustible (7) et d'un réservoir tampon (11) relié à l'un au moins de la pile à combustible (7) et du reformeur (8). 12.-Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de transmission d'énergie entre la source d'énergie électrique (6,7, 8) et le pot catalytique (5) sont constitués par au moins un conducteur électrique (14) de transmission d'un courant électrique de chauffage par effet Joule du pot catalytique (5). 13.-Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de transmission d'énergie entre la source d'énergie électrique et le pot catalytique (5) sont constitués par au moins un conduit (13') de transfert d'air ou d'eau de refroidissement échauffés au contact de la pile à combustible (7) au pot catalytique (5). 14.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus une unité de commande (16) ou superviseur de la transmission d'énergie entre la source d'énergie électrique (6,7, 8) et le pot catalytique (5) relié à un capteur (15) de la température du pot catalytique (5).