Brevet FR2837404A1 — publié le 20030926

caisson (9). Domaine de l' invention La présente invention concerne un dispositif de traite ment des gaz d'échappement d'une installation de combustion compor tant une unité de transformation à activité catalytique, avec un s dispositif de chauffage pour chauffer l'unité de transformation avec un combustible contenant de l'hydrogène. Etat de la technique En fonction de la progression de l'état des connaissances, pour protéger la santé et l'environnement, les règles législatives concer o nant l'émission des moteurs de véhicule deviennent de plus en plus strictes. Pour respecter cette réglementation, en plus de l'utilisation de carburant modifiée de manière appropriée, on élimine les composants no cifs des gaz d' échapp ement par une unité de transformation à activité catalytique, c'est-à-dire un catalyseur. s Ces catalyseurs existent toutefois des conditions de tem pérature de fonctionnement déterminées pour fonctionner correcte ment; or, no tamment au démarrage à fro id d ' une installation de combustion par exemple d'un moteur à essence ou d'un moteur Diesel, ces conditions n'existent pas en général. De manière détaillée, actuellement dans les véhicules, on chauffe le gaz d'échappement lors de la phase de démarrage à l'aide d'un enroulement chauffant installé dans la conduite de gaz d'échappement en amont du catalyseur et ainsi on chauffe en plus et plus rapidement la charge catalytiquement active du catalyseur. s Dans les véhicules actuels, on prévoit également des me sures à l'intérieur du moteur comme par exemple le changement de l'angle d'allumage pour créer des gaz d'échappement plus chauds grâce au retard de l'allumage; ces gaz chauds traversant ensuite le cataly seur, le réchauffent plus fortement. I1 est également prévu d'alimenter le o catalyseur avec un gaz d'échappement riche en insufflant de l'air auxi liaire ou air secondaire de façon qu'en augmentant le taux de réaction des gaz combustibles avec l'oxygène, on chauffe en plus les gaz d'échappement et ainsi indirectement le catalyseur. I1 est également connu de chauffer de manière très rapide s par une alimentation en hydrogène. Ces dispositifs déjà connus de chauffage des gaz d'échappement ou du catalyseur sont toutefois des solutions relative ment compliquées et se traduisent par une augmentation génante de la consommation en carburant et/ou présentent des résistances thermi s ques gênantes. But et exposé de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispo sitif de traitement des gaz d'échappement d'une installation de com bustion à l'aide d'une unité de transformation à activité catalytique, o comportant un dispositif de chauffage pour chauffer l'unité de trans formation avec un combustible contenant de l'hydrogène et permettant de réduire de manière signiflcative les moyens systématiques à mettre en _uvre, permettant en outre d'améliorer considérablement le com portement du catalyseur pour le démarrage à froid et de réduire de fa çon significative en particulier l'émission de matières polluantes par l'installation de combustion pendant sa phase de démarrage à froid. Ce problème est résolu par un dispositif selon l'invention, caractérisé en ce qu'au moins l'installation de combustion est réalisée comme installation d'alimentation pour fournir le combustible conte nant de l'hydrogène à l'unité de transformation. Comme l'installation de combustion est réalisée comme dispositif d'alimentation, on aura avantageusement la conduite de gaz d'échappement existante, comme conduite servant à l'alimentation du combustible contenant l'hydrogène ou du carburant vers l'unité de transformation. On élimine ainsi une conduite d'alimentation distincte, nécessaire dans l'état de la technique pour fournir le combustible con tenant l'hydrogène à l'unité de transformation. Selon l'art antérieur, il faut une conduite d'alimentation relativement longue, car en général l'unité de transformation en particulier dans le cas de véhicules se trouve éloignée de l'installation de combustion. Pour cette raison, on réduit de manière importante les moyens constructifs pour l'alimentation en combustible contenant l'hydrogène vers l'unité de transformation, ce qui donne un mode de réalisation particulièrement économique selon l'invention. De façon avantageuse, contrairement au fonctionnement " normal N de l'installation de combustion, on évite l'allumage dans les cylindres, car sinon l'hydrogène du combustible serait transformé chi miquement et ne serait plus disponible pour chauffer l'unité de trans s formation ou n'alimenterait cette unité que sous forme de chaleur. Selon l'invention, l'installation de combustion peut étre réalisée comme installation d'alimentation " passive >; le dispositif d'alimentation permet principalement un passage du combustible con tenant l'hydrogène à travers l'installation de combustion vers l'unité de o transformation. Le cas échéant, les soupapes d'admission et d'échappement ou des moyens analogues seront ouverts simultanément pour que le combustible de préférence mis en pression puisse traverser un cylindre ou un moyen analogue. L'installation de combustion peut étre avantageusement s réalisée comme dispositif d'alimentation " actif >>, et étre utilisée par exemple comme une pompe ou analogue, pour pomper de façon active le combustible contenant l'hydrogène vers l'unité de transformation. Dans ce mode de réalisation de l'invention en particulier si l'on utilise un moteur à pistons alternatifs, le combustible contenant l'hydrogène o est aspiré pendant la phase d'aspiration pour étre fourni à l'unité de transformation ou catalyseur au cours de la phase de refoulement. Ain si de façon avantageuse en accordant de manière appropriée la ferme ture et l'ouverture des soupapes, on favorise le passage. Dans cette variante de l'invention, on élimine avantageusement une unité distincte s assurant la mise en pression pour l'alimentation de l'unité de trans formation en combustible. Cela réduit avantageusement les moyens constructifs. En principe, on peut prévoir une unité de commande électrique, avantageuse entre autres pour commander les éléments de so dosage appropriés ou des soupapes, les bougies d'allumage, le réservoir, les conditions de compression ou éléments analogues. Par exemple à l'aide de capteurs, on détermine avantageusement un paramètre de fonctionnement de l'unité de transformation et/ou de l'installation de combustion comme par exemple la température et cette information est fournie à l'unité de commande qui agit sur l'ensemble de l'installation de combustion. De manière préférentielle, en amont de l'installation de combustion selon le sens de l'écoulement des fluides, on a un élément s d'alimentation fournissant le combustible. Cela permet de fournir le combustible contenant de l'hydrogène d'une manière particulièrement simple à l'installation de combustion. D'une manière préférentielle, l'élément d'alimentation comporte au moins deux branchements d'alimentation l'un pour le combustible et l'autre pour le carburant de o l'installation de combustion. L'utilisation d'un élément d'alimentation correspondant avec au moins deux branchements d'alimentation per met de supprimer avantageusement tout élément supplémentaire, c'est à-dire que l'on utilise les indecteurs ou moyens analogues, existant avec le cas échéant une modification réduite dans le cadre de l'invention. s A l'aide de cette variante, on permet l'utilisation de com posants standard déjà existants comme par exemple les indecteurs bi carburants (BFE). De tels indecteurs bicarburants sont utilisés pour l'alimentation en carburant et celle d'un carburant de démarrage de l'installation de combustion. Le cas échéant, on utilise un carburant de o démarrage contenant de l'hydrogène, à point d'ébullition relativement bas et/ou un carburant de démarrage contenant de l'hydrogène et dont l'ébullition est relativement facile. Ainsi à l'aide de carburants de démarrage correspon dants, on améliore les émissions des gaz d'échappement surtout pen s dant la phase de démarrage à froid de l'installation de combustion. Selon l'invention, pendant la phase de chauffage de l'unité de transformation, c'est-à-dire à partir du démarrage jusqu'à at teindre une température de fonctionnement prédéterminée ou jusqu'à la fin d'une durée donnée, on utilise l'installation de combustion comme dispositif d'alimentation fournissant, le combustible contenant de l'hydrogène à l'unité de transformation. De préférence, ensuite notam ment à l'aide de l'unité de commande, on prévoit une phase de chanf fage de l'installation de combustion. On permet ainsi avantageusement l'allumage du carburant fourni, du combustible contenant de 3s l'hydrogène ou d'un mélange carburant-combustible. Selon une variante particulière de l'invention, il est prévu un réservoir de préférence mis en pression pour fournir le combustible contenant l'hydrogène. Ce réservoir peut être réalisé de manière à pou voir être rechargé. En variante ou en combinaison, selon un développe ment préférentiel de l'invention, il est prévu au moins une unité générant le combustible contenant l'hydrogène. Grâce à cette unité, on peut supprimer complètement le réservoir ou le dimensionner de ma nière beaucoup plus petite sans réduire la disponibilité du combustible contenant de l'hydrogène. L'unité génère de préférence le combustible o contenant l'hydrogène au cours d'une phase de fonctionnement parti culière. De manière avantageuse, l'unité est une unité d'électrolyse. Cela permet par l'électrolyse de l'eau avec le courant élec trique, de générer le combustible contenant l'hydrogène. L'eau comme matière première de l'électrolyse présente des propriétés particulière ment avantageuses pour l'environnement et la sécurité et son coût est réduit. Le courant électrique nécessaire à l'électrolyse peut être fourni par exemple dans une phase de fonctionnement particulière à l'unité d'électrolyse en particulier par le générateur de l'installation de com bustion et/ou le cas échéant un accumulateur d'énergie électrique. De manière préférentielle, l'unité d'électrolyse est une unité d'électrolyse à membrane permettant d'utiliser les composants standards du commerce et le combustible contenant de l'hydrogène est généré par exemple sous une pression allant jusqu'à 30 bars. De ma :5 nière avantageuse, le combustible contenant de l'hydrogène est fourni le cas échéant uniquement par l'ouverture et la fermeture d'au moins un organe de dosage comme par exemple un indecteur ou un moyen analo gue pour alimenter l'installation de combustion ou l'unité de transfor mation. En variante à l'utilisation de l'unité d'électrolyse, on peut régénérer le combustible contenant l'hydrogène par une unité de refor mage ou un moyen analogue qui transforme au moins partiellement le carburant de l'installation de combustion. Le cas échéant, on peut utili ser des étages de reformage-nettoyage déjà connus comme par exemple des unités de décalage ou moyens analogues pour augmenter la teneur en hydrogène dans le produit de reformage. Une addition dosée de ré format contenant de l'hydrogène ou le cas échéant du monoxyde de carbone peut modifier le comportement de l'installation de combustion dans certains états de fonctionnement comme par exemple pendant le s démarrage à froid et/ou la phase de charge maximale. De façon avantageuse, il est prévu au moins un réservoir pour stocker le combustible contenant l'hydrogène. Cet élément de stockage est réalisé en particulier pour le stockage intermédiaire du combustible contenant de l'hydrogène, que l'on aura ainsi formé. Par o exemple pendant le fonctionnement de l'installation de combustion, on peut avec l'énergie générce, et sans être soumis à une pression dynami que, dans le temps, générer le combustible contenant de l'hydrogène et le stocker provisoirement dans le réservoir. Le cas échéant, au point de meilleur fonctionnement du moteur ou de l'unité génératrice, on peut ainsi générer le combustible contenant de l'hydrogène avec un rende ment pratiquement optimum et le stocker provisoirement, par exemple lorsque le moteur tourne à vide. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, il est prévu au moins une unité générant de ia pression o pour mettre en pression la combustion contenant de l'hydrogène. Le combustible contenant l'hydrogène fourni par l'unité qui le génère peut être mis en pression par une pompe à membrane ou moyen analogue pour être stocké provisoirement dans le réservoir. Pour utiliser le combustible contenant l'hydrogène selon s l'invention, on peut fournir le combustible mis en pression, sans néces siter d'énergie relativement importante, pour améliorer le comportement au démarrage à froid de l'unité de transformation et/ou à l'installation de combustion. Le cas échéant, le réservoir ou l'élément de stockage peuvent être remplis de combustible contenant de l'hydrogène avant le premier démarrage de l'installation de combustion. De manière préfé rentielle, le réservoir est en même temps réalisé comme élément de stockage. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure annexée qui est un schéma par blocs. s Description de l'exemple de réalisation La figure montre sous la forme d'un schéma par blocs un moteur à combustion interne 1 relié à un réservoir à carturant 2 par exemple un réservoir à essence ou à gaz-oil, un générateur 3, une batte rie 4 avec un accumulateur et un catalyseur 5. o Le générateur 3 est couplé par une liaison mécanique 6 et génère de l'énergie électrique pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne 1. Cette énergie électrique alimente par une ligne 7, la batterie 4 et/ou un électrolyseur 8 ou d'autres consommateurs élec triques 9 par exemple pour la climatisation, l'équipement d'informations s et d'entretien, le réglage des sièges, les lève-vitres etc. L'électrolyseur 8 peut également recevoir l'énergie électri que de la batterie 4. L'électrolyseur 8 se transforme d'une manière non détaillée notamment dans un fluide contenant de l'hydrogène qui ali mente par l'intermédiaire de conduites 13, 14 et un réservoir 10 et/ou o directement le moteur à combustion interne 1 pour arriver selon l'invention au catalyseur 5. La conduite 13 comporte de manière géné rale une pompe pour comprimer l'hydrogène. Le moteur à combustion interne 1 est commandé selon l'invention par une unité de commande électrique non détaillée de façon s à ne pas brûler de carburant dans le moteur 1 mais de faire traverser le fluide contenant de l'hydrogène en ne modifiant si possible pas sa forme chimique. Ce fluide contenant de l'hydrogène est fourni à une installa tion de combustion 12 du commerce ou à la conduite de gaz d'échappement 11 équipant déjà le véhicule pour arriver sur le cataly so seur 5 de préférence pendant la phase de démarrage à froid de celui-ci; ainsi, il permet de chauffer extrêmement rapidement la charge catalyti quement active du catalyseur pour atteindre la température nécessaire au fonctionnement. Cela améliore de manière significative le comporte ment de démarrage à froid du catalyseur et de l'ensemble de l'installation de combustion 12 sans nécessiter de moyens constructifs importants. Par exemple lors du démarrage de l'installation de com bustion 12, on actionne un démarreur ou une clé de contact et dans s une première phase relativement courte, on chauffe d'une manière ex trême rapide le catalyseur 5 selon l'invention en lui fournissant un fluide contenant de l'hydrogène pour atteindre très rapidement sa tem pérature de fonctionnement. Cette phase supplémentaire par rapport à l'état de la technique n'est pas perceptible pour celui qui actionne le o démarreur ou est à peine perceptible. Dans une seconde phase suivante, on fournit de préfé rence le carburant du réservoir 2 au moteur à combustion interne l; mais il est également envisageable de fournir le combustible contenant de l'hydrogène au moteur à combustion interne 1. Le cas échéant, on s peut fournir le combustible contenant de l'hydrogène selon un rapport prédéterminé en méme temps que l'on fournit le carburant proprement dit, ce qui permet d'agir de manière avantageuse sur les gaz d'échappement du moteur thermique 1. Pour l' alimentatio n du fluid e conten ant de l'hydro gène o et/ou du carburant, on peut utiliser par exemple des composants clas siques du commerce comme les indecteurs bicarburant, si bien qu'il ne faut aucun injecteur supplémentaire pour introduire le fluide contenant de l'hydrogène dans le moteur à combustion interne 1. De plus cela permet de commander avantageusement le réglage des composants ou s la réalisation des phases de fonctionnement souhaitée. En principe par cette alimentation particulièrement sim ple selon l'invention d'un combustible contenant de l'hydrogène vers l'unité de transformation ou le catalyseur 5, on améliore l'émission des gaz d'échappement contenant des produits polluants en particulier pendant la phase de démarrage à froid de l'installation de combustion 12. On arrive ainsi de manière significative en dessous des limites ex trémement strictes concernant actuellement l'émission des gaz d'échappement. 3s g NOMENCLATURE 1 Moteur à combustion interne 2 Réservoir de carburant s 3 C; énérateurélectrique 4 Batterie Catalyseur 6 Liaison 7 Conduite lo 8 Electrolyseur, unité de production 9 Consommateur 1 0 Réservoir 11 Conduite de gaz d'échappement 12 Installation de combustion l: 13 Ligne d'alimentation 14 Ligne d'alimentation w R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif (12) de traitement des gaz d'échappement d'une installa tion de combustion (1) comportant une unité de transformation (5) à activité catalytique, avec un dispositif de chauffage pour chauffer l'unité de transformation (5) avec un combustible contenant de l'hydrogène, caractérisé en ce qu' au moins l'installation de combustion (1) est réalisée comme installation d'alimentation (1) pour fournir le combustible contenant de l'hydrogène à l'unité de transformation (5). 2 ) Dispositif (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins dans la direction de l'écoulement, en amont de l'installation de combustion (1), il est prévu un élément d'alimentation pour fournir le combustible. 3 ) Dispositif (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'alimentation comporte au moins deux branchements pour l'alimentation de combustible et pour l'alimentation de carburant de l'installation de combustion (1). 4 ) Dispositif (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'alimentation est un injecteur. ) Dispositif (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est prévu au moins une unité (8) pour générer le combustible conte nant de l'hydrogène. 6 ) Dispositif (12) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de production (8) est une unité d'électrolyse. 7 ) Dispositif (12) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité d'électrolyse est une unité d'électrolyse à membrane (8). 8 ) Dispositif (12) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de production (8) comprend au moins une unité de reformage pour convertir au moins partiellement le carburant. o 9 ) Dispositif (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte au moins un réservoir ( 10) pour recevoir le combustible contenant de l'hydrogène. 10 ) Dispositif (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un dispositif générant la pression (8) pour mettre en pres sion le combustible contenant de l'hydrogène. 1 1 ) Dispositif (12) selon la revendication 1, caractérisé par une unité de commande électrique pour commander l'élément d'alimentation, l'unité de production (8) ou de mise en pression (8) et/ou le réservoir (10). 12 ) Véhicule équipé d'un dispositif (12) de traitement des gaz d'échappement d'une installation de combustion (1), avec un dispositif de chanffage pour chauffer une unité de transformation (5) à activité catalytique avec un combustible contenant de l'hydrogène, caractérisé en ce que le dispositif (12) est réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13 ) Procédé de traitement des gaz d'échappement d'une installation de combustion (1) à l'aide d'une unité de transformation (5) à activité ca r talytique, avec un dispositif de chauffage pour chauffer l'unité de transformation (5) utilisant un combustible contenant de l'hydrogène, ., caracterse en ce que dans une phase de chauffage de l'unité de transformation (5), on utilise l'installation de combustion (1) comme dispositif d'alimentation fournis sant le combustible contenant de l'hydrogène à l'unité de transforma tion (5).