Brevet FR2848255A1 — publié le 20040611

Domaine de l'invention La présente invention concerne un véhicule comportant un dispositif pour séparer différents composants du carburant à partir d'un mélange liquide de carburant notamment d'essence ou de gazole. Etat de la technique Les véhicules actuels tels que les véhicules de tourisme ou les camions ou autres véhicules analogues émettent des quantités relativement importantes de matières polluantes pendant la phase de démarrage à froid du moteur à combustion interne fonctionnant avec io du carburant liquide. Ces composants polluants représentent une partie importante de l'émission totale de produits polluants dans certains cycles de conduite allant jusqu'à 70 % par rapport à l'ensemble du cycle. Aussi longtemps que le catalyseur des gaz d'échappement n'a pas atteint sa température de fonctionnement, il ne réduit les émissions de matières polluantes que de manière négligeable. Pour réduire les émissions de démarrage à froid, on connaît déjà par exemple un catalyseur à chauffage électrique qui permet ainsi d'atteindre sa température de fonctionnement plus rapidement que les systèmes passifs. Un autre concept consiste par exemple à utili20 ser un catalyseur amont, installé à proximité du moteur. Comme la température des gaz d'échappement est plus élevée à proximité du moteur, on atteint également plus rapidement la température de fonctionnement. Une autre possibilité de réduction des émissions consiste à utiliser certains additifs au carburant. Il est déjà connu d'utiliser des fractions appropriées de carburant comme par exemple les fractions à faible température d'ébullition du carburant comme combustible dans certaines phases de fonctionnement (voir par exemple les documents US 6 119 637 ou DE 197 13 841 Cl). Pendant la phase de démarrage à froid on arrive 30 ainsi à une meilleure combustion des émissions brutes du moteur. L'inconvénient des dispositifs et procédés connus utilisant des composants du carburant à faible température d'ébullition ou dont l'ébullition est plus facile, réside dans la demande en énergie relativement importante pour la distillation ou l'évaporation sous vide du mélange de carburant suivie d'une condensation et les moyens constructifs à mettre en oeuvre pour cela. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un véhi5 cule comportant un dispositif de séparation permettant de séparer certains composants du carburant du mélange de carburant liquide, de façon que cette séparation puisse se faire avec une consommation d'énergie relativement faible et des moyens constructifs réduits. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un véhicule du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une membrane pour la séparation en liquide/liquide d'au moins un composant liquide du carburant à partir du mélange de carburant. Ainsi, un véhicule selon l'invention se caractérise en ce 15 que le dispositif de séparation comprend au moins une membrane pour séparer au moins un composant liquide du mélange de carburant liquide en particulier sans prévoir de phase gazeuse des composants du carburant et/ou du mélange de carburant. A l'aide d'une telle membrane de séparation on peut réa20 liser une séparation précise ou définie de différents composants ou fractions du carburant et cela d'une manière pratiquement illimitée. Selon l'état de la technique, on ne peut au contraire réaliser qu'un mélange non différencié de composants d'ébullition facile à faible température d'ébullition. De plus, la sélectivité ou la précision de la 25 séparation dans l'utilisation d'une membrane ou du procédé à membrane selon l'invention permet une amélioration significative. Par rapport à la distillation utilisée selon l'état de la technique, la membrane selon l'invention consomme beaucoup moins d'énergie car entre autres il n'y a pas de vaporisation du carburant ni 30 de condensation consécutive par de l'énergie frigorifique. De plus, le dispositif avec la membrane selon l'invention peut être réalisé d'une manière beaucoup plus compacte que dans l'état de la technique. La membrane est réalisée pour séparer les composants du carburant en fonction de la taille des molécules, d'un coefficient de 35 diffusion et/ou d'une polarité. Par exemple la membrane est principa- lement réalisée en une céramique résistante de façon générale et inerte. En fonctionnement cette céramique ne gonfle ni se dissout dans les mélanges d'hydrocarbures. De plus, la membrane est constituée essentiellement d'une zéolite appliquée sur un support métallique poreux ou 5 un moyen analogue et réalisant avantageusement une séparation selon la taille des molécules à la manière d'un tamis moléculaire. La membrane peut être principalement une membrane de polymère dont la surface superficielle est le cas échéant dopée et qui permet ainsi d'une manière particulière une séparation en fonction de la polarité des diffé10 rents composants. Selon un développement particulier de l'invention, entre le dispositif et un moteur à combustion interne du véhicule, il est prévu au moins un premier élément d'alimentation pour fournir le composant du carburant au moteur à combustion interne. Ainsi on utilise à la fa15 çon d'un thermomoteur la fraction de carburant séparée de manière précise, notamment pour réduire les émissions polluantes en particulier pendant une phase de démarrage à froid. Grâce à l'utilisation de groupes ou de fractions d'hydrocarbures générés de manière précise, on peut réduire de manière significative les émissions polluantes du mo20 teur à la fois pendant la phase de démarrage à froid et pendant le fonctionnement normal dans des applications particulières. L'alimentation du moteur à combustion interne assurée de manière avantageuse avec les composants du carburant ainsi séparés de manière précise, en plus de la réduction de l'émission des matiè25 res polluantes permet en alternative ou en combinaison de séparer de manière ciblée les composants agressifs ou corrosifs contenus dans le mélange de carburant. Par exemple, si l'on utilise du gazole bio ou un carburant analogue, les composants réactifs ou acides détériorent les éléments du moteur tels que les pompes, injecteurs, etc.., à cause de 30 leur propriété corrosive. Or, grâce à la séparation selon l'invention à l'aide d'une membrane séparatrice, on extrait ces composants gênants des carburants correspondants et on les stocke de façon intermédiaire par exemple dans une unité de stockage distincte. Le cas échéant, lors de travaux d'entretien effectués sur le véhicule ou à intervalles régu35 liers, lors des inspections on peut évacuer cette unité de stockage. Pré- cisément dans cet exemple d'application, on utilise notamment des membranes séparatrices permettant de séparer de manière précise les composants du mélange de carburant en fonction de leur polarité. En outre, on évite le vieillissement et la formation de boue pour le biogazole 5 ou combustible analogue, grâce à des membranes séparatrices permettant de séparer précisément les composants responsables de cet inconvénient. En variante ou en combinaison des développements de l'invention, entre le dispositif et une unité de traitement des gaz 10 d'échappement du moteur à combustion interne du véhicule, au moins un autre second élément d'alimentation peut fournir le composant du carburant à une unité de traitement des gaz d'échappement comme par exemple un catalyseur ou un moyen analogue. Cela permet entre autres de fournir les composants du carburant ainsi séparés à une utilisation 15 en aval du moteur ou pour réduire les émissions le cas échéant pendant la phase de démarrage à froid de l'unité de traitement des gaz d'échappement et/ou une phase spéciale de traitement des gaz d'échappement. Le cas échéant, cette phase spéciale de traitement des gaz d'échappement est une phase de réduction pour réduire la veine des 20 gaz d'échappement à l'aide d'un agent réducteur. Le composant séparé de manière précise peut également servir de matière première pour la fabrication d'autres carburants ou comme agents réducteurs pour réduire les émissions d'oxydes d'azote du véhicule. Pour réduire ces émissions d'oxydes d'azote en particulier 25 dans le cas de moteurs à combustion interne utilisant un mélange pauvre comme par exemple les systèmes d'injection directe de moteurs Diesels ou de moteurs à essence, on connaît déjà le procédé SCR c'est-àdire de réduction catalytique sélective. Pour cela, il faut un agent réducteur réagissant à l'aide d'un catalyseur approprié ou d'un moyen 30 analogue avec les oxydes d'azote de la veine de gaz d'échappement pour donner de l'eau, de l'azote et du dioxyde de carbone. De façon générale on utilise de l'ammoniac ou des produits dégageant de l'ammoniac pour le procédé SCR. Le cas échéant, on peut également utiliser à cet effet des hydrocarbures. Or, les hydrocar35 bures différents ont un potentiel réducteur différent pour le procédé de réduction des émissions de matières polluantes. Dans l'application directe du carburant comme agent réducteur, on aura par exemple une augmentation de la consommation résultant de ce que certaines fractions de carburant ne conviennent pas pour réduire les oxydes d'azote 5 NO.. En séparant de manière précise les composants du carburant selon l'invention, on peut séparer de manière précise certains composants des hydrocarbures ou fractions de ceux-ci pour avoir une réduction significativement plus efficace des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement évitant efficacement l'augmentation de la consommation 10 en carburant ou la suppression des oxydes d'azote. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les composants ainsi séparés précisément sont utilisés comme matière première pour les applications les plus diverses. De manière préférentielle entre le dispositif et une unité de transformation du composant de 15 carburant pour former notamment un combustible pour une pile à combustible, il est prévu au moins un autre ou troisième élément d'alimentation pour fournir le composant du carburant à l'unité de transformation. Cela permet d'utiliser le composant de carburant séparé de manière précise comme matière première pour le reformage ou la 20 production d'hydrogène, pour un procédé de cracking ou un procédé analogue. De façon avantageuse on utilise comme matière première surtout la " coupe " inférieure c'est-àdire celle qui se volatilise le plus facilement du mélange de carburant car surtout des hydrocarbures à molécules courtes, ont une moindre tendance à déposer du carbone sur 25 les catalyseurs correspondants et on augmente ainsi de façon significative la durée de fonctionnement de ces catalyseurs. De plus, les hydrocarbures à chaîne courte ont avantageusement une plus forte teneur en hydrogène. De façon générale, selon l'invention, le véhicule peut ne 30 comporter que l'un des trois éléments d'alimentation ou tous les trois éléments pour des variantes d'application. Le dispositif comporte avantageusement plusieurs orifices de sortie pour fournir des composants différents de carburant. Par exemple les orifices de sortie peuvent être équipés des éléments d'alimentation si bien que de façon avantageuse et 35 suivant l'application respective, on utilisera un composant du carbu- rant, séparé de manière précise pour alimenter le moteur à combustion interne, pour alimenter l'unité de traitement des gaz d'échappement et/ou l'unité de conversion. Avantageusement, le dispositif comporte plusieurs unités 5 à membranes avec des membranes différentes permettant de séparer différents composants du carburant ou des fractions d'hydrocarbures et de les fournir aux applications respectives. Surtout de manière alternative on peut réaliser une membrane pour séparer plusieurs composants différents du carburant, la membrane ayant par exemple un gradient de o porosité et de polarité ou de perméabilité ou caractéristiques analogues. Par exemple à l'aide d'une membrane ayant un gradient de taille de pores et des sorties latérales correspondantes ou des orifices de sorite pour les composants ainsi séparés, répartis sur la longueur ce qui permet de fournir différents composants à l'aide d'un unique mo15 dule à membrane. Des modules à membrane appropriés peuvent être réalisés suivant une disposition ou une exécution quelconque. Le cas échéant on peut combiner des membranes de polymère organique et des membranes anorganiques en métal céramique verre ou carbone. Par 20 exemple, on peut brancher plusieurs modules à membrane en parallèle et/ou de préférence en série. Selon une application particulièrement avantageuse de l'invention, on réalise un véhicule avec un moteur Diesel et une technique de rampe commune. Du fait de la nature du système de carburant 25 existant l'installation de séparation ou l'unité à membrane selon l'invention pourront s'intégrer d'une manière particulièrement simple dans les véhicules et/ou être installées ultérieurement si bien que les moyens constructifs mis en oeuvre pour la transformation sont particulièrement réduits. En principe, le composant séparé c'est-à-dire le perméat, le résidu c'està-dire le rétentat ou certaines fractions de carburant peuvent alimenter directement l'application correspondante ou le consommateur et/ou être avantageusement stockés provisoirement pour découpler dans le temps la fabrication et la consommation des compo35 sants respectifs du carburant, par un stockage intermédiaire. De ma- nière générale on peut à la fois prévoir le perméat et le rétentat comme produits ou comme combustibles pour servir ensuite dans le véhicule. De façon générale l'invention permet d'équiper immédiatement ou ultérieurement des nouveaux véhicules avec un dispositif de 5 séparation à membrane ou des véhicules anciens, car le système ainsi présenté s'intègre d'une manière relativement simple dans les concepts de véhicules automobiles existants actuellement. Par exemple, pour générer la pression de fonctionnement du dispositif à membrane, on peut utiliser la pompe à carburant déjà prévue et/ou une pompe à haute io pression d'un système de rampe commune comme également une pompe supplémentaire. Dans les cas particuliers on pourra limiter la pression ou étrangler le milieu de fonctionnement, utiliser les organes d'étranglement existants et/ou prévoir des organes d'étranglement correspondants dans le système de membrane selon l'invention. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un premier mode de réalisation 20 de l'invention avec un module à membrane, - la figure 2 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention avec un module à membrane, - la figure 3 montre schématiquement un troisième mode de réalisation de l'invention avec un module à membrane, - la figure 4 montre schématiquement un quatrième mode de réalisation de l'invention avec un module à membrane, - la figure 5 montre schématiquement la commande des modules à membrane selon l'invention, - la figure 6 montre schématiquement un module à membrane com30 pact ou un branchement de plusieurs modules à membrane pour former différents composants de carburant. Description de divers modes de réalisation La figure 1 montre un premier mode de réalisation d'un module à membrane 1 ou d'un dispositif de séparation comportant une 35 membrane selon l'invention, pour une séparation embarquée d'un com- posant 2 d'un carburant 3. A titre d'exemple, le module à membrane 1 est monté dans un système dit à rampe commune avec un distributeur 4 ou rampe commune 4. De façon avantageuse, le dispositif de séparation selon l'invention de véhicules automobiles ou véhicules utilitaires 5 fonctionnant avec du gazole et système de rampe commune, peut s'intégrer dans le système d'alimentation en carburant existant du véhicule. Le système d'alimentation en carburant comprend notamment un réservoir 5 dans lequel le carburant 3 est prélevé par une o0 pompe 6 ou une pompe à haute pression 6 alimentant un distributeur 4. Selon la figure 1, il est prévu un organe d'étranglement amont 7 dans la direction de l'écoulement en aval du distributeur 4 et avant un embranchement 8. La dérivation 8 renvoie le carburant dans le module à membrane 1 et par un organe d'étranglement principal 9 en retour vers 15 le réservoir 5. Le module à membrane 1 sépare ou répartit le carburant 3 en un composant 2 ou perméat et en un rétentat 10. En option le rétentat 10 est renvoyé par l'organe d'étranglement principal 11 dans le réservoir à carburant 5. En variante, le rétentat 10 peut être stocké de 20 manière intermédiaire dans un réservoir auxiliaire non représenté ou un moyen analogue. D'une manière non représentée, le composant de carburant 2 est utilisé pour réduire l'émission de matières polluantes de façon interne au moteur et/ou en aval du moteur ou pour être préparé 25 par exemple pour un reformeur et/ou une installation de pile à combustible. Les figures 2 à 4 montrent d'autres modes de réalisation de l'invention. Selon la figure 2, la dérivation 8 se trouve en amont du distributeur 4 dans le sens de l'écoulement. A la figure 3 on a prévu une 30 pompe d'alimentation 12, supplémentaire et la dérivation 8 est prévue en option entre les pompes 6 et 12 ou en aval de la pompe à haute pression 6 dans le sens de l'écoulement. Selon la figure 4, le module à membrane 1 est prévu dans la conduite de retour vers le réservoir 5. De façon générale, on peut installer le module à mem35 brane 1 à un endroit approprié par exemples selon les figures 1 à 4. Cette installation peut se faire dans le système d'alimentation en carburant pour que le carburant 3 traverse un filtre à carburant non détaillé ou un moyen analogue avant d'entrer dans l'installation de séparation 1 ou module à membrane. En outre, l'emplacement dépend principale5 ment de la pression régnant dans le carburant 3. En principe, on peut utiliser le module à membrane 1 partout dans le système ou il y a une pression de carburant suffisamment élevée par exemple entre 1 et 2000 bars. Dans la mesure o la pression amont formée par la o0 pompe à carburant 6, 12 est suffisamment grande pour le module à membrane 1 et que la pompe 6, 12 ne peut être étranglée directement, on abaisse la pression amont en particulier par l'intégration de l'organe d'étranglement 7. Un autre organe d'étranglement 11 peut être prévu le cas échéant du côté du rétentat en aval du module à membrane 1 dans 15 le sens de l'écoulement, pour retenir avantageusement la pression amont. De façon générale, selon les figures 1 à 4 on a notamment un retour de carburant vers le réservoir 5 pour les fractions de carburant 10 non séparées, c'est-à-dire le rétentat 10 et/ou les courants de 20 fuite et/ ou les courants de débordement pour les fractions de carburant 2, 10 en excédant des réservoirs de stockage respectifs prévus par exemple à la fois pour stocker de manière intermédiaire le rétentat 10, les courants de fuite, le perméat 2, etc.., et qui font partie du système selon l'invention. Le retour peut être prévu avantageusement comme 25 débordement en cas de défaillance d'un composant de l'installation pour éviter que le carburant ne pollue l'environnement. La figure 5 montre le branchement du module à membrane 1 dans la variante a avec uniquement une veine partielle qui alimente le module à membrane 1; à la variante b, l'ensemble du débit de 30 carburant 3 passe dans le module à membrane 1. La figure 6 montre à la variante a un module à membrane 1 formant de nombreuses fractions différentes pour la suite de leur utilisation, séparément, à l'aide du module 1. Par exemple cela peut se faire à l'aide d'une unique membrane qui présente le cas 35 échéant un gradient de dimension de pores et des sorties latérales cor- respondantes 13 pour les fractions séparées, réparties sur toute la longueur de la membrane. On obtient ainsi différentes fractions avec un unique module 1. La préparation de fractions différentes peut également se faire par l'utilisation ou le branchement avantageux de plu5 sieurs modules à membrane 1 selon les deux variantes de la figure 6b. Pour mieux expliciter, les différents flux de perméat de la figure 6b portent les références Pl... Pn et les flux de rétentat les références Ri. Rn. De façon générale, le système de carburant du véhicule 10 selon l'invention comporte au moins un endroit avantageux selon les variantes des figures 1 à 4, un module à membrane 1. Le nombre de modules à membrane 1 ainsi que la nature, le matériau et le branchement sont définis suivant la séparation à réaliser. Le dispositif selon l'invention peut être composé d'un nombre quelconque de modules à 15 membrane 1 suivant une disposition et une réalisation quelconque et avec des matériaux appropriés comme par exemple des membranes en polymère organique ou des membranes anorganiques en métal céramique verre ou carbone...DTD: Les possibilités de branchement de plusieurs modules à 20 membrane 1 sont représentées notamment à la figure 6b dans laquelle le branchement en série constitue la réalisation la plus avantageuse. Les figures 1 à 3 montrent un unique module à membrane 1 pour des raisons de simplification. Mais ce module peut être réalisé selon l'invention notamment comme le module 1 ou résultant du 25 branchement de plusieurs modules 1 selon la figure 6. En principe l'invention permet de préparer du biogazole et des réservoirs d'alimentation pour le carburant on prévoit pour la réduction de l'émission de matières polluantes au moins un autre réservoir dans lequel on stocke de manière provisoire les composants non 30 voulus séparés du biogazole 10. Le réservoir non détaillé sera vidé à intervalles réguliers par exemple lors d'une révision ou encore son contenu sera utilisé de manière appropriée notamment dans le catalyseur des gaz d'échappement non détaillé, pour une température relativement élevée des gaz d'échappement, ce catalyseur étant par exemple un ca35 talyseur d'oxydation. Le composant sera introduit dans la veine de gaz il d'échappement par exemple à l'aide d'un injecteur et au niveau du catalyseur de gaz d'échappement, il sera oxydé principalement en dioxydes de carbone et en eau. NOMENCLATURE 1 2 3 4 5 10 6 7 8 9 15 11 12 13 module à membrane composant de carburant carburant distributeur réservoir pompe organe d'étranglement amont dérivation organe d'étranglement principal rétentat autre organe d'étranglement pompe sorties latérales P perméat 20 R rétentat REVENDICATIONS 10) Véhicule comportant un dispositif (1) pour séparer différents composants du carburant (2, 10) à partir d'un mélange liquide de carburant (3) notamment d'essence ou de gazole, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte au moins une membrane pour la séparation en liquide/liquide d'au moins un composant liquide (2, 10) du carburant à partir du mélange de carburant (3). 20) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est réalisée pour séparer les composants du carburant (2, 10) en fonction d'une taille de molécule, d'un coefficient de diffusion et/ou d'une polarité. 30) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' entre le dispositif (1) et un moteur à combustion interne du véhicule, on a au moins un premier élément d'alimentation (13) pour fournir le com20 posant de carburant (2, 10) au moteur à combustion interne. 4 ) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' entre le dispositif (1) et une unité de traitement des gaz d'échappement 25 du moteur à combustion interne du véhicule est prévu au moins un second élément d'alimentation (13) pour fournir le composant de carburant (2, 10) à l'unité de traitement des gaz d'échappement. 5 ) Véhicule selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce qu' entre le dispositif (1) et une unité de conversion pour convertir le composant du carburant (2, 10) en un combustible pour une pile à combustible, est prévu au moins un troisième élément d'alimentation (13) pour fournir le composant de carburant (2, 10) à l'unité de conversion. 35 60) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte plusieurs orifices de sortie pour fournir différents composants de carburant (2, 10). 70) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte plusieurs unités à membrane (1) avec des membranes différentes. 10 8 ) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane de séparation est réalisée pour séparer différents composants de carburant (2, 10). 15 9 ) Procédé de séparation de différents composants de carburant (2, 10) à partir d'un mélange de carburant du type (3) notamment d'essence ou de gazole d'un véhicule, caractérisé en ce qu' on utilise au moins un procédé par membrane pour la séparation liquide-liquide d'au moins un composant liquide (2, 10) du mélange de carburant (3).