Brevet FR2847948A1 — publié le 20040604

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'alimentation en carburant notamment pour le fonctionnement de moteurs thermiques de véhicules automobiles, de turbines ou de moyens 5 analogues, selon lequel le carburant est divisé au niveau d'un moyen de séparation en une première fraction de carburant sous la forme d'un résidu et une seconde fraction de carburant sous la forme d'un perméat. Etat de la technique Dans le cadre du développement de solutions permettant de 10 réduire l'émission de matières polluantes par le fonctionnement de moteurs thermiques, la recherche s'intéresse notamment au moteur Diesel pour une réduction des particules libérées par le moteur et, de façon plus intense, en ce qui concerne les oxydes d'azote. Les deux groupes de matières nocives peuvent provenir finalement de composants hétérogènes du 15 mélange combustible se trouvant dans la chambre de combustion d'un moteur. Ces défauts d'homogénéité ont leur cause principale dans le fait que le carburant est injecté à l'état liquide dans la chambre de combustion et ces défauts d'homogénéité sont liés directement au comportement de vaporisation différent, (par exemple point d'ébullition différent) ou 20 d'inflammabilité variable des différentes composantes du carburant. Dans le cas de moteurs Diesel, comme il y a des composants aromatiques du carburant, ceux-ci se distingueront par leur point d'ébullition élevé et une inflammabilité réduite. Le document US 4 814 087 décrit un système d'ali25 mentation en carburant équipé d'un module de séparation entre le réservoir de carburant et le moteur à combustion interne. Le module de séparation permet de séparer l'eau ou les particules contenues dans le carburant. Ce module de séparation améliore la qualité du carburant fourni au moteur mais ne permet pas d'éliminer suffisamment les compo30 sants hétérogènes du mélange dans la phase de combustion. Le document US 5 039 418 décrit en outre un procédé de séparation des hydrocarbures aromatiques du mélange d'hydrocarbures. Selon ce procédé, à l'aide d'une pervaporation sur une membrane sur la base de l'oxazolidone, on sépare les hydrocarbures aromatiques. Pour ce35 la, sur le côté de la membrane opposé à celui du mélange d'hydrocarbures fourni et sous l'effet de la dépression on sépare par condensation des mélanges enrichis en matières aromatiques. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif permettant de fournir du carburant qui, dans la chambre de combustion d'un moteur thermique, conduit à un mélange combustible 5 au moins en partie homogénéisé pour la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, les polluants expulsés par le moteur sous forme de particules et d'oxyde d'azote vont en diminuant. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini 1o ci-dessus, caractérisé en ce que le moyen de séparation reçoit un gaz de rinçage du côté du perméat de façon à former un mélange entre le perméat de carburant et le gaz de rinçage. L'invention concerne également un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la seconde cavité comporte une conduite 15 d'alimentation pour un gaz de rinçage et une conduite d'évacuation pour au moins un composant du carburant. Ainsi, selon le procédé et le dispositif de l'invention, le carburant est conduit sur un moyen de séparation à l'extérieur de la chambre de combustion du moteur comme par exemple une membrane, pour être 20 fractionné. Le côté de la membrane exposé au carburant est balayé par un gaz de rinçage, notamment de l'air, ou un mélange gazeux contenant de l'oxygène comme par exemple un gaz d'échappement ou gaz de combustion. Ainsi, de façon avantageuse, il est inutile d'appliquer une dépression du côté du perméat de la membrane. L'air enrichi en perméat de carbu25 rant ou le mélange de gaz riche en oxygène enrichi de manière correspondante, sont fournis au moteur à combustion interne comme composants de l'air comburant. La fraction de carburant correspondant au perméat contient de préférence des fractions de carburant inflammables, enrichies en 30 fractions aromatiques. L'avantage particulier d'une séparation de fractions de carburant inflammables, enrichies en matières aromatiques à partir du carburant et l'envoi de ces fractions dans la chambre de combustion avec l'air comburant permet aux fractions de carburant inflammables et qui ont tendance à former du noir de fumée, d'arriver dans la chambre de 35 combustion déjà à l'état gazeux ou de vapeur. Le mélange carburant-air alimentant la chambre de combustion est ainsi pratiquement complètement homogène ce qui évite la formation de composants hétérogènes dans le mélange. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses, du côté du perméat, la membrane est balayée avantageusement avec de l'air ou un mélange de gaz riches en oxygène, à la pression normale, ou sous une dépression. Cela simplifie la construction de l'unité d'alimentation en carbu5 rant car on peut supprimer un dispositif à dépression. Selon un autre développement avantageux, le module de séparation équipé de la membrane comporte un condenseur ou un matériau de stockage, en aval, qui prélève les fractions de carburant séparées par le gaz de rinçage au niveau de la membrane et assure le stockage ini0 termédiaire de ces fractions. Cela permet de créer une réserve de perméat de carburant. Il est également avantageux que le gaz de rinçage qui balaye la membrane soit conduit au moins en partie suivant un circuit fermé comportant un condenseur ou une matière de stockage. Cela permet de 15 faire fonctionner l'unité de fractionnement, de manière avantageuse dans des durées dans lesquelles le moteur thermique correspondant ne fonctionne pas ou pour lequel le fonctionnement de ce moteur avec le carburant non séparé préalablement par fractionnement est un inconvénient. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, 20 l'unité de fractionnement comporte une ou deux dérivations permettant de conduire au moins une partie du carburant, du gaz de rinçage sur l'unité de membrane, directement au moteur thermique. Ainsi, on pourra régler la transformation dans l'unité à membrane en fonction du débit de carburant ou d'air du moteur thermique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de trois exemples de réalisation d'un dispositif avec un procédé selon l'invention représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement une unité d'alimentation en car30 burant correspondant à un premier exemple de réalisation, - les figures 2 et 3 montrent chacune de façon schématique des unités d'alimentation en carburant correspondant à deux autres exemples de réalisation. Description de modes de réalisation La réalisation de principe d'une unité d'alimentation en carburant selon l'invention sera décrite ci-après. L'unité d'alimentation en carburant 10 comprend un module de séparation 12 comprenant une première cavité 14 et une seconde cavité 16. Les cavités 14, 16 sont sépa- rées l'une de l'autre par un moyen de séparation 18. Le moyen de séparation 18 est constitué de préférence sous la forme d'une membrane; mais il peut également s'agir d'une matière poreuse fonctionnant comme un filtre ou encore d'un tamis moléculaire. Le module de séparation 12 reçoit du carburant, notamment du gasoil, par l'intermédiaire d'une première conduite d'alimentation 20. La première conduite d'alimentation 20 peut être reliée par exemple à un réservoir à carburant non représenté. Une autre possibilité consiste à relier la première conduite d'alimentation 20 à une conduite de retour de 10 carburant, non représentée, par laquelle le carburant non injecté est renvoyé du moteur à combustion interne 24 dans le réservoir à carburant. De cette manière, la première conduite d'alimentation 20 fournit à la première cavité 14 du carburant déjà chauffé à une température de l'ordre de 80'C. Dans le module de séparation 12, le carburant fourni par la 15 première conduite d'alimentation 20 est soumis à un fractionnement. Une première conduite d'évacuation 22 prélève le carburant de fractionnement du module de séparation 12 et le fournit de préférence au moteur à combustion interne 24 ou le renvoie au réservoir. Le moteur à combustion 24 comporte une troisième conduite d'évacuation 29 pour évacuer les gaz de 20 combustion. Le module de séparation 12 comporte une seconde conduite d'alimentation 26 par laquelle du gaz de rinçage est fourni à la seconde cavité 16 du module de séparation 12. Le gaz de rinçage est par exemple de l'air ou un autre mélange gazeux contenant de l'oxygène. Ce mélange 25 alimente la seconde cavité 16, de préférence à la pression normale ou en surpression. Il est également possible d'assurer une certaine alimentation sous une légère dépression jusqu'à environ 900 hPa. Au contact avec le moyen de séparation 18 dans la seconde cavité 16, le gaz de rinçage absorbe des fractions de vapeur ou gazeuses 30 du carburant et quitte le module de séparation 12 par une seconde conduite d'évacuation 28. La seconde conduite d'évacuation 28 est réalisée de préférence comme conduite d'aspiration de l'air comburant ou comme composant de l'alimentation en air du moteur à combustion 24. Les conduites d'alimentation 20, 26 ou le module de sépa35 ration 12 sont par exemple équipés d'un dispositif de chauffage pour chauffer le carburant ou le gaz de rinçage fourni au module de séparation 12 à des températures de 80 à 180'C et de préférence à 160 . Il s'agit par exemple d'un dispositif de chauffage électrique. Le module de séparation 12 comporte un moyen de séparation 18 subdivisant le module de séparation 12 en une première chambre ou cavité 14 et une seconde chambre ou cavité 16. Le moyen de séparation 18 est réalisé de préférence sous la forme d'une membrane. La mas tière de la membrane est choisie pour que seulement des fractions sélectionnées du carburant, à l'état de vapeur ou de gaz, puissent passer par pervaporation de la première cavité 14 dans la seconde cavité 16. L'expression " pervaporation " désigne une opération au cours de laquelle un mélange gazeux qui s'établit au-dessus d'un mélange liquide, est sépaio ré grâce à la perméabilité différente d'une membrane appropriée. Comme matière de la membrane on choisit par exemple un polymère ne permettant le passage qu'à des fractions de carburant à très forte température d'ébullition ou inflammable. L'effet de séparation de la membrane repose notamment sur la solubilité des fractions de carburant 15 à séparer dans la matière de la membrane. Pour séparer les fractions aromatiques du carburant on utilise par exemple des membranes à base d'oxazolidone polymère comme cela a été décrit dans le document US 5 039 418, des membranes à base de polyester amide réticulé comme cela est décrit par exemple dans le document EP 456 686 ou de préférence 20 des membranes à base de polyimide. L'inflammabilité par exemple des gasoils est décrite de façon générale par le nombre de cétane. Plus ce nombre est petit et plus le composant du carburant est difficile à allumer. L'unité de réglage de carburant 10 comporte en outre une 25 dérivation 30 reliant par exemple la première conduite d'alimentation 20 à la première conduite d'évacuation 22 en contournant la première cavité 14 du module de séparation 12. Lorsque cette première conduite d'alimentation 20 est munie au point d'embranchement de la première dérivation 30 d'une soupape à trois voies, non représentée, il sera possible de 30 dimensionner la quantité de carburant alimentant le module de séparation 12 indépendamment de la quantité de carburant fournie au moteur à combustion interne 24 ou à un réservoir de carburant. En outre, l'unité d'alimentation en carburant 10 comporte de préférence une seconde dérivation 32 reliant la seconde conduite 35 d'alimentation 26 à la seconde conduite de sortie 28 en contournant la seconde cavité 16 du module de séparation 12. Une autre vanne à trois voies non représentée est montée dans la seconde conduite d'alimentation 26 au niveau du point d'embranchement de la dérivation 32 de sorte que la quantité de gaz de rinçage fournie à la seconde cavité 16 peut se commander indépendamment de la quantité de gaz de rinçage alimentant le moteur à combustion 24. En fonctionnement, on alimente la première cavité 14 par 5 une première conduite d'alimentation 20 en carburant comme par exemple du gasoil, de l'essence ou un mélange d'alcools ou encore de l'huile de chauffage. Le carburant fourni est de préférence à une température d'environ 80-180'C, de préférence 160'C pour les carburants à forte température d'ébullition comme par exemple du gasoil. Le cas échéant, avant son entrée dans la première cavité 14, on préchauffe le carburant à l'aide d'un dispositif de chauffage non représenté. S'il s'agit de carburant qui retourne au réservoir par une conduite de retour, celui-ci est en général déjà préchauffé, ce qui permet de supprimer le préchauffage supplémentaire. La première cavité 14 reçoit le 15 mélange d'alimentation en contact avec la membrane 18, si bien que les fractions de carburant, notamment aromatiques, se dissolvent dans la matière de la membrane 18 et arrivent sur le côté perméate de la membrane. La seconde cavité 16 est alimentée en gaz de rinçage venant de la seconde conduite d'alimentation 26. Le gaz de rinçage peut être de l'air ou 20 tout autre mélange gazeux, approprié, contenant de l'oxygène comme par exemple de l'air mélangé au gaz d'échappement du moteur thermique 24 ou un mélange avec les gaz cathodiques de piles à combustible. En variante, le module de séparation 12 peut être réalisé sous la forme d'un module à fibres creuses. Dans ce cas, selon une réali25 sation possible, le gaz de rinçage contourne un faisceau de fibres creuses en polymère qui reçoivent le carburant à fractionner. La figure 2 montre un autre exemple de réalisation de la présente invention. Dans cette figure, on utilise les mêmes références pour désigner les mêmes composants du dispositif qu'à la figure 1. L'unité 30 d'alimentation en carburant représentée à la figure 2 comporte une troisième conduite d'évacuation 29 avec un embranchement par lequel les gaz de combustion du moteur à combustion 24 peuvent être prélevés. Les gaz d'échappement provenant de la combustion, ainsi prélevés, sont fournis au module de séparation 12 par l'intermédiaire de la seconde conduite 35 d'alimentation 26. La seconde conduite d'alimentation est de préférence reliée comme à la figure 1 par une dérivation 32 à la seconde conduite d'évacuation 28. Le gaz de rinçage enrichi avec des fractions de carburant qui traversent la seconde conduite de dérivation 28 sous la forme d'un gaz d'échappement, réintroduit, est mélangé à l'air comburant fourni par la troisième conduite d'alimentation 34 pour alimenter le moteur thermique 24. Vis-à-vis du mode de fonctionnement continu décrit jus5 qu'alors pour le module de séparation 12, on peut également envisager un fonctionnement discontinu. C'est ainsi que par exemple en interrompant l'alimentation en gaz de rinçage vers la seconde cavité 16 du module de séparation 12 on peut bloquer le fractionnement du carburant au niveau du moyen de séparation 18. Le carburant pourra certes continuer de pas1o ser dans la première cavité 16 du module de séparation 12 mais il arrivera à l'état inchangé dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne 24. Un tel mode de fonctionnement peut être nécessaire pour certaines caractéristiques de combustion. La figure 3 montre un autre mode de fonctionnement dis15 continu selon un autre exemple de réalisation de la présente invention. Dans ce cas on utilisera également les mêmes références pour désigner les mêmes composants du dispositif qu'à la figure 1. Dans le cas de l'unité d'alimentation en carburant représentée à la figure 3, on a un premier réservoir 36 faisant partie d'une première conduite de dérivation 22 dans 20 laquelle on peut stocker de façon intermédiaire le résidu de carburant formé dans le module de séparation 12. Cela permet d'avoir une réserve de carburant libérée de composants aromatiques à forte température d'ébullition qui sont inflammables; cette séparation, au moins partielle améliore, en particulier dans les phases de démarrage et de faibles char25 ges du moteur à combustion, un fonctionnement avec très peu d'émissions polluantes. De plus, dans la seconde conduite de dérivation 28, on a intégré un condensateur 38 permettant d'extraire du gaz de rinçage enrichi en fractions de carburant à l'état de gaz ou de vapeur, le carburant 30 ainsi contenu en procédant par condensation. Le mélange gaz/liquide ainsi obtenu est fourni à un second réservoir 40. Le second réservoir 40 peut être relié à une unité de dosage et de vaporisation 42 permettant de cette manière un dosage de fraction de carburant, inflammable, riche en matières aromatiques ou à forte température d'ébullition, à l'air comburant du 35 moteur à combustion interne 24 et/ou au gaz d'échappement réintroduit. En variante du condensateur 38 on peut également prévoir dans la seconde conduite d'évacuation 28, un module avec une matière de stockage pour les fractions de carburant contenues dans le gaz de rinçage. Il s'agit par exemple d'un zéolithe qui, avec un échauffement externe, permet de restituer le carburant stocké vers le gaz de rinçage. A la fois le condensateur 38, en combinaison avec le second réservoir d'alimentation 40 et l'unité de dosage de vaporisation 42, de même que la variante de 5 module avec une matière de stockage, permettent de réaliser une réserve de composants de carburant, inflammables, riches en matières aromatiques et à forte température d'ébullition. Ces matières peuvent être fournies au moteur à combustion interne 24 avec un fonctionnement approprié comme par exemple le fonctionnement en pleine charge. L'unité d'alimentation en carburant selon l'invention ou le procédé de mise en oeuvre de cette unité ne sont pas limités dans leur application au fonctionnement combiné à des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles qui peuvent entre autre comporter une pile à combustible comme unité d'alimentation auxiliaire. Au contraire, l'unité 15 d'alimentation en carburant peut également servir à fournir des carburants liquides ou gazeux destinés à des turbines, notamment dans le domaine des centrales électriques. Dans des systèmes équipés en plus du moteur à combustion interne 24 d'une pile à combustible, par exemple d'une unité 20 d'alimentation auxiliaire (encore appelée unité APU), selon un mode de réalisation avantageux, on peut fournir le résidu de carburant généré dans le module de séparation 12 au moins de temps en temps à un réformeur de piles à combustible. L'avantage de cette solution est de transférer plus efficacement le carburant enrichi en matières aromatiques au mélange 25 contenant de l'hydrogène. REVEND I CATI ON S 10) Procédé d'alimentation en carburant notamment pour le fonctionnement de moteurs thermiques de véhicules automobiles, de turbines ou de moyens analogues, selon lequel le carburant est divisé au niveau d'un 5 moyen de séparation en une première fraction de carburant sous la forme d'un résidu et une seconde fraction de carburant sous la forme d'un perméat, caractérisé en ce que le moyen de séparation (18) reçoit un gaz de rinçage du côté du perméat 10 de façon à former un mélange entre le perméat de carburant et le gaz de rinçage. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fractionne le carburant par pervaporation sur une membrane (18) donnant un résidu de carburant et un perméat de carburant. 30) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fractionne le carburant à l'aide d'une membrane (18) en un résidu de carburant ayant un premier nombre de cétane et/ou un premier point d'ébullition et un perméat de carburant avec un second nombre de cétane et/ou second point d'ébullition, qui sont inférieurs au premier nombre de cétane ou au premier point d'ébullition. 25 40) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que du côté du perméat on sollicite la membrane (18) avec de l'air ou un mélange gazeux contenant de l'oxygène comme gaz de rinçage à la pression 30 normale ou en surpression. 50) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de rinçage est conduit au moins de temps en temps en circuit fer35 mé, le gaz de rinçage étant mis en contact avec la membrane (18) et il est séparé ensuite en aval en composants de carburant. 60) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de rinçage, après contact avec la membrane (18), passe sur un condenseur (38) qui sépare les composants gazeux contenus dans le gaz de rinçage. 70) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de rinçage, après son contact avec la membrane (18), est conduit sur une matière de stockage qui assure le stockage intermédiaire des 10 composants de carburant contenus dans le gaz de rinçage. 80) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au gaz de rinçage on mélange les gaz d'échappement d'un moteur thermi15 que (24), d'une turbine ou d'une pile à combustible, et le gaz de rinçage se compose, du côté des gaz d'échappement, d'un moteur thermique (24), d'une turbine ou d'une pile à combustible. 90) Dispositif pour fournir un carburant notamment à des moteurs à com20 bustion de véhicules automobiles, comprenant un module de séparation ayant une première cavité reliée à une conduite d'alimentation pour fournir le carburant et une conduite d'évacuation pour le carburant fractionné ainsi qu'une seconde cavité séparée par un moyen de séparation par rapport à la première cavité, caractérisé en ce que la seconde cavité (16) comporte une conduite d'alimentation (26) pour un gaz de rinçage et une conduite d'évacuation (28) pour au moins un composant du carburant. 100) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation (28) du gaz de rinçage chargé d'au moins un composant du carburant est reliée à l'air d'alimentation et/ou au système d'injection du moteur à combustion interne (24). 35 110) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation (22) est seulement reliée au réformeur d'un système de pile à combustible uniquement par le fractionnement du carburant. 120) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de séparation (12) ou la conduite d'alimentation en gaz de rinçage (26) est équipé d'un dispositif de chauffage. 130) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen de séparation (18) est une membrane en une matière qui par perméation des composants du carburant se fait en relation avec la solubilité de la matière de la membrane. 15 140) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la membrane (18) est réalisée dans une matière pour laquelle la perméation aromatique se fait de préférence avec des composants d'oxygène. 20 150) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (20) du carburant et la conduite d'évacuation (22) du carburant fractionnées sont reliées à une conduite de dérivation 25 (32) et/ou la conduite d'alimentation (26) en gaz de rinçage et la conduite d'évacuation (28) pour du gaz de rinçage chargé au moins d'un composant, sont reliées par une autre dérivation (32) . 160) Dispositif selon la revendication 9, 30 caractérisé en ce que la première et la seconde cavité (14, 16) sont réalisées avec la membrane (18) sous la forme d'un module à fibres creuses. 170) Matière de membrane pour séparer les composants d'un mélange 35 d'hydrogène, notamment de fractions aromatiques d'un carburant, caractérisée en ce que la matière de la membrane est un polyimide.