Brevet FR2839340A1 — publié le 20031107

O une matrice en polymere. Domaine de ['invention La presente invention concerne un dispositif de combustion pour generer de ltenergie par combustion d'un carburant, comprenant une installation de combustion notamment un moteur a essence ou un moteur s diesel equipe d'une installation de nettoyage des gaz d'echappement pour convertir les composants des gaz d'echappement avec un combustible. Etat de la technique Suivant le developpement des connaissances, pour proteger la sante et ltenvironnement, la reglementation concernant les emissions o des vehicules automobiles et autres moteurs a combustion interne est de plus en plus stricte. Pour respecter cette reglementation on prevoit diffe- rentes mesures par exemple sur les vehicules automobiles. Jusqu'a present, par exemple pour le traitement des gaz d'echappement (postcombustion) en particulier les gaz d'echappement maigres de vehicules on a utilise le procede de reduction catalytique se- lective (procede appele parfois en abrege procede SCR) pour eliminer les oxydes d'azote (NOx). Comme agent reducteur on utilise de ['ammoniac (NHs) que lton fait reagir avec les oxydes d'azote des gaz d'echappement pour obtenir selectivement de l'azote et de l'hydrogene. Par exemple pour o executer le procede SCR on peut stocker directement de ['ammoniac de facon embarquee sous forme d'ammoniac liquefie sous pression. Generer NHs a partir d'une solution aqueuse d'uree dans un catalyseur d'hydrolyse en amont du catalyseur SCR est une proposition largement developpee. De plus les conditions telles que ['amelioration de la secu 2s rite et/ou du confort augmentent si bien que des equipements supple- mentaires vent de plus en plus prevus dans les vehicules. Ces equipements necessitent en general de l'energie electrique pour remplir leur fonction, cette electricite devant etre fournie en plus de celle deja ne- cessaire. Selon l'etat de la technique, la fourniture de cette energie neces saire est frequemment liee a une augmentation de la consommation de carburant et/ou des emissions polluantes. But de ['invention La presente invention a pour but de developper un dispositif de combustion pour generer de ltenergie par combustion d'un carburant dans une unite de combustion, notamment un moteur essence ou un moteur diesel avec une installation de nettoyage des gaz d'echappement pour convertir la partie des gaz d'echappement avec un combustible, et permettant de fournir de l'energie relativement ecologique pour differentes applications. Expose et avantages de ['invention A cet effet ['invention concerne un dispositif de combustion s du type defini cidessus, caracterise par au moins une unite generant de l'hydrogene pour convertir le combustible au moins en partie en un com bustible contenant de lhydrogene. L'invention permet ainsi avantageusement de faire reagir le premier combustible existent dans un carburant contenant de l'hydrogene io ou de convertir en plus un second combustible et l'eventuel residu de fa Ocon ecologique. Une unite de stockage ou d'accumulation correspondante permet de decoupler la generation du combustible contenant l'hydrogene le cas echeant par rapport a la consommation et d'assurer un stockage intermediaire. En variante ou en combinaison on peut egalement prevoir une conversion directe energetique du combustible contenant lthydrogene. Selon une variante avantageuse de ['invention il est prevu au moins une unite d'exploitation ou de traitement de l'hydrogene pour exploiter le com bustible contenant lydrogene. L'hydrogene peut etre exploite du point de vue energetique de differentes manieres d'une faOcon particulierement eco logique. A titre d'exemple on peut par exemple traiter l'hydrogene a ['aide d'un bruleur a activite catalytique, d'une machine de combustion separee ou d'une pile a combustible pour recuperer l'energie par combustion du combustible contenant l'hydrogene. 2s En particulier dans un dispositif de combustion selon ['invention il est prevu un moteur a combustion interne distinct pour bru ler le combustible. Le combustible peut etre exploite de faOcon alternative au mode d'exploitation envisage ci-dessus. Avantageusement, pour generer de ltenergie electrique on entraine un generateur electrique a ['aide d'un moteur a combustion in terne distinct. L'energie electrique peut servir par exemple a l'alimentation d'accessoires d'un vehicule. L'unite d'exploitation ou de traitement de lthydrogene est realisee de preference sous la forme d'une installation a pile a combustible 3s generant de l'energie electrique. Ce moyen permet notamment une reali sation avantageuse d'un systeme d'alimentation auxiliaire (encore appele systeme APU) pour assurer l'alimentation electrique des accessoires d'un vehicule ou d'un equipement analogue. Par exemple il est prevu au moins une unite de stockage ou d'accumulation pour stocker de l'energie electrique permettant un decou- plage avantageux entre la generation et la consommation d'energie electri- que. Cela permet notamment de dimensionner avantageusement les s etapes de procede en amont ou les composants du systeme comme par exemple la fourniture de combustible, la generation dydrogene ou analo- gue. Selon un developpement particulierement avantageux de ['invention, le combustible contient au moins en partie de ['ammoniac. Ce o moyen permet d'utiliser le procede SCR deja habitue! dans le cadre de ['invention. De faOcon correspondante on peut utiliser un procede confirme y compris les composants associes a ce procede, ce qui ameliore la secu- rite de fonctionnement et aboutit a une realisation economiquement parti- culierement avantageuse de ['invention. i5 Selon une variante avantageuse de ['invention il est prevu au moins une unite generant du combustible a partir d'une matiere pre miere. C:ette unite separee generant le combustible peut le cas echeant avoir une charge catalytiquement active et/ou un dispositif de chauffage pour transformer la matiere premiere en un combustible. Le combustible et/ou la matiere premiere se transforme par exemple au moins en partie en ammoniac. De faOcon avantageuse on genere ['ammoniac notamment par hydrolyse ou thermolyse de la matiere premiere en dehors et/ou a l'interieur du courant de gaz d'echappement. De maniere preferentielle, la matiere premiere se presente 2s au moins en partie sous la forme d'une solution aqueuse d'uree, d'uree solide, de carbamate d'ammonium ou d'acide isocyanique. La matiere premiere peut le cas echeant etre enrobee ou melangee a une matiere de support pour faciliter les manipulations. Avantageusement il est prevu au moins un dispositif de stockage ou d'accumulation pour recevoir la ma tiere premiere. Les matieres premieres en general solides et/ou liquides pour les produits gazeux a obtenir comme par exemple ['ammoniac, le dioxyde de carbone et/ou de la vapeur d'eau vent separees par un dispo sitif separateur realise de facon avantageuse. 3s L'utilisation d'une solution aqueuse d'uree (HWL) permet de realiser le generateur de combustible sous la forme d'une chambre de reaction relativement simple, chauffee. De maniere preferentielle, ['unite generant l'hydrogene com- porte au moins un dispositif de chauffage pour le combustible. A ['aide du dispositif de chauffage selon ['invention on peut par exemple convertir ['ammoniac par thermolyse en un hydrogene et azote. La conversion ou decomposition thermique de ['ammoniac se fait a des temperatures d'environ 500 C en ['absence de catalyseur. On utilise par exemple des catalyseurs a base de fer et/ou de ruthenium. Au cas ou lton genere par exemple ['ammoniac a partir d'une matiere premiere donnant notamment comme sous-produit du dioxyde de carbone et de l'eau, ltequilibre de la 0 reaction n'est pas modifie de maniere significative par la thermolyse de ['ammoniac. Le cas echeant on adapte les catalyseurs utilises. De plus les composants non transformes de la matiere pre- miere ou ammoniac ne se repercutent pas de maniere negative sur la con- version de l'hydrogene prevue eventuellement ensuite dans une installation a pile a combustible ou installation de combustion selon ['invention. Selon une variante particuliere de ['invention il est prevu au moins un element de dosage pour closer le combustible dans ['installation de nettoyage des gaz d'echappement et/ ou dans ['unite generant de o l'hydrogene. A ['aide d'un tel element de dosage on peut avantageusement avoir une regulation et/ou une commande separee du ou des differents combustibles ou courant de combustible contenant de l'hydrogene suivant la demande du consommateur respectif. Un element de dosage approprie permet d'adapter avanta :5 geusement la generation de combustible au consommateur tres largement independent c'est-a-dire surtout a ['installation de nettoyage des gaz d'echappement et a ['unite generant lthydrogene. Par exemple on repartit le debit de matiere premiere entre au moins deux courants partiels reali- ses par un element de dosage ou une vanne regulee de maniere appro o price. La commande de ['element de dosage se fait avantageuse- ment a ['aide d'un appareil de commande qui determine par exemple ['importance ou la quantite des courants partiels entre autres a ['aide de capteurs appropries ou de taux de consommation. De plus l'appareil de commande correspondent permet de former la somme des courants partiels des matieres premieres pour de- terminer la consommation globale. Actuellement il est deja habitue! dans les applications aux vehicules automobiles de determiner le courant par tiel pour le procede SCR selon un algorithme. Le courant partiel generant l'energie electrique est determine par exemple suivant la consommation en energie electrique de ['ensemble de ['installation ou du vehicule. Cette consommation est donnee de maniere habituelle dans les vehicules ac fuels par le systeme de gestion du reseau embarque. Ainsi pour determi- ner les courants partiels ou la demande de consommation on peut utiliser des composants existent deja, ce qui permet une realisation particuliere- ment economique de ['invention. Selon un developpement particulier de ['invention, o ['installation a pile a combustible est prevue en amont de ['installation de nettoyage de s gaz d'echapp ement dans le s ens de circulation a carburant ou combustible. L'unite generant l'hydrogene qui se trouve avantageuse- ment en amont de ['installation a pile a combustible dans le sens de pas- sage du carburant peut grace a cette me sure transformer le cas echeant seulement une certaine fraction du debit global de fonctionnement en un courant de combustible contenant de l'hydrogene. Cela signifie que ['unite generant l'hydrogene fournit en sortie un melange de matieres compre- nant a la fois le combustible ou ammoniac et le carburant contenant l'hydrogene selon des proportions avantageuses. o Une unite generant l'hydrogene, fonctionnant de maniere appropriee et dans laquelle il y a senlement une transformation partielle du combustible peut avantageusement etre realisee en technique de pro cede, de facon avantageuse par rapport a celle realisee en une conversion pratiquement complete. L'unite generant l'hydrogene peut etre realisee et s fonctionner d'une maniere beaucoup plus economique. L'hydrogene contenu dans le melange est transforme en energie electrique par ['installation a pile a combustible. Ensuite selon cette variante de ['invention on peut utiliser le combustible ou ['ammoniac contenu dans le melange de matieres dans ['installation de nettoyage des so gaz d'echappement qui se trouve en aval de ['installation a pile a combus- tible pour convertir les residue des gaz d'echappement ou reduire les oxy- des d'azote. Selon un mode de realisation avantageux de ['invention, ['unite d'exploitation ou de traitement de l'hydrogene est realisee sous la s forme d'une installation de combustion. Cette installation permet par exemple d'utiliser l'hydrogene genere notamment pour la phase de demar- rage a froid et/ou la phase de charge maximale de ['installation de com- bustion. Cela permet de reduire de facon significative les emissions des gaz d'echappement polluants au cours de la phase de demarrage et/ou pendant le fonctionnement a la charge maximale. De maniere generale ['invention permet de diminuer a la fois les emissions en oxyde d'azote et les emissions de dioyde de carbone no- s tamment si l'on utilise le systeme APU. En principe, la transformation du carburant contenant de l'hydrogene avec ['ammoniac permet de generer un combustible particulie- rement pauvre en monoxyde de carbone. Les piles a combustible utilisees actuellement en particulier les piles a combustible basse temperature 0 comme par exemple les piles a combustible PEM ou analogues ont avan- tageusement un comportement de demarrage a froid et reagissent de fa- con generale sur le monoxyde de carbone par une reduction du fonctionnement ou par ltempoisonnement de la membrane. Selon ['invention pour les installations a pile a combustible il ntest pas neces saire de prevoir des procedes compliques de reformage et/ou de nettoyage. On reduit ainsi les moyens constructifs et economiques de conversion se- lon ['invention a un niveau relativement faible. Dessin Un exemple de realisation de la presente invention sera de crit a ['aide du dessin dans lequel: - - l'unique figure est un schema par blocs d'un dispositif de combustion selon ['invention. Description du mode de realsation Selon la figure, les gaz d'echappement 2 d'un moteur a combustion interne 1 vent depollues par un catalyseur SCR 62. Ce cataly- seur recoit un courant d'ammoniac 26 fourni par un dispositif de dosage d'ammoniac 30 dans la veine de gaz d'echappement 2 pour etre avanta- geusement melange a ces gaz diechappement. Le dispositif de dosage 30 comprend en particulier un element de dosage 31 pour regler la quantite d'ammoniac ajoute a la veine de gaz d'echappement 2. Le dispositif de do- sage 30 comprend egalement une unite de melange non representee en detail de facOon a arriver a un melange ou une mise en turbulence et/ou une diffusion pratiquement reguliere de la veine d'ammoniac 26 avec la veine de gaz d'echappement 2. Le dispositif melangeur est par exemple 3s realise comme melangeur statique. En plus du catalyseur SCR 62 on prevoit le cas echeant un catalyseur d'oxydation prevu en amont du dispositif de dosage 30 dans le sens de l 'ecoulement et un catalyseur de blo cage d 'ammoniac en aval de celui-ci. A ['aide d'un generateur d'ammoniac 10, par transformation d'une matiere premiere 15 ou d'un premier carburant stocke dans s l'accumulateur 14, par exemple HWL ou carbamate d'ammonium ou ana logue, on forme de ['ammoniac 26, 28 dans un reacteur 12. Si l'on utilise HWL on aura un reacteur 12 relativement simple constitue par un reser voir 12 chauffe. En plus de la conversion chimique d'une matiere premiere o 15 pour generer de ['ammoniac 26, 28 on peut egalement utiliser la de sorption de milieu de stockage d'ammoniac ou la synthese comme procede generant ['ammoniac 10. L'ammoniac fourni par le reacteur 12 selon la figure est re parti en particulier par une vanne de regulation 22 en deux courants par tiers 26, 28. La vanne 22 est commandee de preference par une unite de commande 24. Cette unite de commande 24 est un composant du dispo sitif de commande 20 prevu pour repartir la veine de produit contenant de ['ammoniac en courants partiels 26, 28 et le cas echeant fait partie d'un systeme de gestion du reseau embarque equipant deja les vehicules. o Le courant partiel 28 est fourni a un generateur dthydrogene 40 et/ou a un moteur a ammoniac non represente en detail selon ['invention. Le generateur d'hydrogene 40 convertit ['ammoniac 28 avant tout par thermolyse en hydrogene 44 et azote. Les composants contenus le cas echeant dans le courant d'ammoniac 28, generes par le 2s reacteur 12 tels que du dioxyde de carbone et/ou de l'eau ne modifient pas de maniere significative l'equilibre de la reaction dans le generateur dydrogene 40. La garniture catalytique prevue eventuellement dans le generateur dydrogene 40 se choisit de faOcon correspondante. Dans le sens de l'ecoulement en aval du generateur d'hydrogene 40 la figure montre une pile a combustible 50 pour generer de l'energie electrique. Cette pile comprend en particulier un accumula teur electrique 54 par exemple un accumulateur et/ou un element ayant une capacite electrique relativement elevee. Dans la conception de ['installation pour un point de fonctionnement repondant a une demande 3s de puissance electrique d'environ 0,5 KW il faudra pour un rendement de la pile a combustible d'environ 50 %, fournir environ 2,4 g NHa/min. Selon une variante de ['invention, la pile a combustible 50 peut etre installee entre le generateur d'hydrogene 40 et le catalyseur CSR 62 selon un montage en eerie. Pour expliciter cette variante de ['invention on a represente schematiquement la liaison 5 prevue en option. Dans ce cas le dispositif de commande 20 ne fait en general pas de repar tition de la veine contenant de ['ammoniac en courant partiels 26, 28 mais un dosage de la quantite de la veine d'ammoniac 28. Dans ce cas il n'y a pas de courant partiel 26. En principe le couplage direct des procedes chimiques sur tout dans des reacteurs 12, 40 entre eux et ceci sur deux consommateurs differents 50, 62 avec une dynamique variant de facon importante dans le io temps necessite des moyens de regulation relativement importants et un dimensionnement de taille en general importante des equipements con cernes. Pour cette raison il est en general avantageux de prevoir des ele ments de stockage entre les differents reacteurs 12, 40, et entre les reacteurs 12, 40 et les consommateurs 50, 62. A ces accumulateurs on peut le cas echeant associer des dispositifs de recharge et/ou de decharge tels que des pompes, des elements de commande ou de regulation ou des moyens analogues. Pour des raisons de clarte, la figure unique montre un senl accumulateur 54 pour generer le courant 50. De facaon generale, la combinaison de plusieurs accumula teurs et de strategies de regulation correspondantes permettent de decou pler les sous-systemes 10, 20, 40 et 52 pratiquement de la dynamique des consommateurs 50, 62. L'utilisation d'un accumulateur dthydrogene entre le gene rateur dthydrogene 40 et ['installation a pile a combustible 50 permet de reduire la taille et le poids de l'accumulateur electrique 54 ou d'eviter le cas echeant celui-ci completement. La demande en ammoniac 26 pour le procede SCR dans le catalyseur SCR 62 est exposee a de fortes variations dans le temps car les quantites NOx contenues dans les gaz d'echappement 2 et ainsi la de mande en ammoniac varie dans le domaine de la seconde du fait de la dy namique du moteur a combustion interne 1. Pour realiser un systeme avec une dynamique d'ammoniac correspondante on peut avantageuse ment realiser un dosage quantitatif 30 aussi proche que possible du point de dosage. Le cas echeant on peut prevoir un accumulateur de pres sion notamment avec une pompe ou un moyen analogue dans le sens du courant d'ammoniac 26 en amont du dispositif de dosage 30. Dans les systemes correspondents avec pratiquement un niveau de pression cons tant, on ameliore de maniere significative le fonctionnement d'une vanne de gaz 31 ou le dosage du courant d'ammoniac 26 dans les gaz d'echappement 2. Pour commander la vanne 22 ou le systeme generateur s d'ammoniac 10 on pent par exemple utiliser comme grandeur de regula- tion la pression dans l'accumulateur d'ammoniac sons pression evoquee cidessus. Pour cela on relic avantageusement un capteur de pression du systeme accumulateur a ['unite de commande 24. NOMENCLATURE 1. Moteur a combustion interne 2. Gaz d'echappement 5. Liaison 10. Generateur NH3 12. Reacteur 14. Accumulateur/ reservoir lo 15. Matiere premiere 20. Dispositif de commando 22. Vanne 24. Unite de commando 26. Courant d'ammoniac 28. Courant d'ammoniac 30. Dispositif de dosage 31. Element de dosage 40. Generateur H2 44. Hydrogene 50. Installation de pile a combustible 52. Pile a combustible 54. Accumulateur 62. Catalyseur SCR REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de combustion pour generer de l'energie par combustion d'un carburant, comprenant une installation de combustion (1) notam ment un moteur a essence ou un moteur diesel (1) equipe d'une installa tion de nettoyage des gaz d'echappement (30, 62) pour convertir les composants des gaz d'echappement avec un combustible (26), caracterise par au moins une unite generant de l'hydrogene (40) pour convertir le com bustible (26, 28) au moins en partie en un combustible (44) contenant de o l'hydrogene. 2 ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, caracterise par au moins une unite d'exploitation d'hydrogene (50) pour exploiter le com bustible (44) contenant de l'hydrogene. 3 ) Dispositif de combustion selon la revendication 2, caracterise en ce que ['unite d'exploitation d'hydrogene (50) est une installation a pile a com o bustible (50) generant de l'energie electrique. 4 ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, caracterise en ce que le combustible (26, 28) contient au moins en partie de ['ammoniac (26, 28). ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, caracterise par au moins une unite generant du combustible (10) pour generer le com bustible (26, 28) a partir d'une matiere premiere (15). 6 ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, caracterise en ce que le combustible (15, 26, 28) est au moins en partie convert) en ammoniac (26, 28). 7 ) Dispositif de combustion selon la revendication 5, caracterise en ce que la matiere premiere (15) est formee au moins en partie d'une solution eau- uree, d'uree, de carbamate d'ammonium et/ou d'acide isocyanique. 8 ) Dispositif de combustion selon la revendication 5, caracterise par au moins un dispositif de stockage (14) pour recevoir la matiere premiere (15). 9 ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, o caracterise par au moins un element de dosage (22, 31) pour closer le combustible (26, 28) dans ['installation de nettoyage des gaz d'echappement (3O, 62) et/ou pour ['unite generant l'hydrogene (40). 10 ) Dispositif de combustion selon la revendication 1, caracterise en ce que ['unite generant l'hydrogene (40) comprend au moins un dispositif de chauffage pour chauffer le combustible (28). 11 ) Dispositif de combustion selon la revendication 3, caracterise en ce que ['installation a pile a combustible (50) est prevue en amont de ['installation de nettoyage des gaz d'echappement (3O, 62) dans le sens de l'ecoulement du combustible (28) ou du carburant (44). 12 ) Dispositif de combustion selon la revendication 2, caracterise en ce que ['unite d'exploitation d'hydrogene (50) est realisee comme moteur a com bustion interne distinct pour bruler le carburant (44) contenant de l'hydrogene. 13 ) Dispositif de combustion selon la revendication 2, caracterise en ce que ['unite d'exploitation de l'hydrogene (50) est une installation de combus tion (1). 14 ) Vehicule notamment vehicule automobile comportant un dispositif de combustion, caracterise en ce que le dispositif de combustion est realise scion l'une des revendications 1 a 13.