Brevet FR2863304A1 — publié le 20050610

La présente invention concerne un dispositif pour réduire les émissions polluantes d'un véhicule comportant un moteur thermique dont les gaz d'échappement sont traités par un catalyseur, le véhicule étant en outre équipé d'une pile à combustible. Le catalyseur trois voies permet de réduire les émissions polluantes de véhicules en ce qui concerne le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures non brûlés (HC) et les oxydes d'azote (Nox). Le fonctionnement du catalyseur trois voies est fortement lié à sa température. La conversion de polluants commence véritablement au-delà de 250 C (température d'amorçage). Cependant la plage de température optimale de conversion se situe entre 400 C et 800 C. La montée en température du catalyseur est assurée par les gaz chauds à l'échappement du moteur. Au démarrage du véhicule, le catalyseur est très peu efficace jusqu'à ce qu'il atteigne sa température d'amorçage. C'est une phase de fonctionnement critique en ce qui concerne les émissions polluantes des véhicules. Dans le cas des trajets relativement courts, l'essentiel des émissions polluantes a lieu durant cette phase. Une solution couramment utilisée dans les véhicules consiste à implanter deux catalyseurs: un premier catalyseur de faible volume, appelé aussi 20 catalyseur d'amorçage, et un second catalyseur, appelé aussi catalyseur principal, de volume plus important. Etant donné son faible volume, le catalyseur d'amorçage a une inertie thermique plus faible que celle du catalyseur principal. Ceci lui permet d'atteindre plus rapidement sa température d'amorçage et donc de commencer la conversion des polluants. Par contre sa capacité de conversion est limitée du fait de son faible volume. Les débits importants de polluants (i.e. charges moteur importantes) ne peuvent être traités que grâce à la capacité totale de conversion (catalyseur d'amorçage + catalyseur principal) implantée dans le véhicule. Le catalyseur d'amorçage permet donc un démarrage plus rapide de la conversion des polluants. Cependant, il reste toujours une phase où les émissions du moteur ne peuvent être traitées, entre la mise en route du moteur et l'atteinte de la température d'amorçage de ce catalyseur. Pour réduire cette phase de non conversion, une solution connue est de 35 chauffer le catalyseur par une résistance électrique alimentée par l'alternateur. On comprend cependant que la puissance de cette résistance doit être relativement limitée, étant donné la puissance délivrable par l'alternateur (typiquement 1,5 à 2 kW) et la nécessité de répondre également aux demandes de puissance des équipements électriques du véhicule. L'efficacité de cette solution s'en trouve donc limitée. Le brevet EP-1 057 998 déposé par BMW propose un dispositif basé sur un reformeur pour accélérer la montée à la température d'amorçage du catalyseur. Dans le dispositif proposé, le reformat (gaz riche en hydrogène obtenu par reformage du carburant du véhicule) est envoyé dans la ligne d'échappement du moteur thermique afin d'accélérer l'amorçage du catalyseur. L'inconvénient de cette solution est de nécessiter au préalable le conditionnement thermique du reformeur lui-même. En effet, dans le cas de l'essence, le reformeur doit être porté à une température de l'ordre de 600 C pour pouvoir produire un reformat contenant des taux extrêmement faibles de polluants (notamment CO). La mise en température du reformeur est une opération qui peut prendre plusieurs minutes. Ce délai peut réduire fortement l'efficacité du dispositif proposé par le brevet mentionné, étant donné que le dispositif ne pourrait être efficace que si son activation est fortement anticipée avant le démarrage du moteur thermique. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des solutions connues en proposant un dispositif qui permet de réchauffer beaucoup plus rapidement le catalyseur de façon à réduire considérablement l'émission de gaz polluants durant la phase de démarrage du véhicule. Suivant l'invention, le dispositif pour réduire les émissions polluantes d'un véhicule comportant un moteur thermique dont les gaz d'échappement sont traités par un catalyseur, le véhicule étant en outre équipé d'une pile à combustible, et de moyens pour chauffer ledit catalyseur est caractérisé en ce que ce catalyseur est chauffé par des moyens utilisant une partie au moins de la puissance générée par la pile à combustible. Selon une version préférée de l'invention, lesdits moyens utilisent la puissance thermique générée pour le fonctionnement de la pile à combustible. Dans le cas d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule, cette pile comprend un brûleur utilisant en tant que combustible le même que celui utilisé par le moteur thermique pour chauffer un reformeur produisant l'hydrogène nécessaire pour le fonctionnement de la pile à combustible. Dans ce cas, le catalyseur peut être chauffé par une partie de la puissance thermique générée par ledit brûleur, c'est-à-dire par les gaz chauds prélevés sur les gaz de combustion du brûleur. Les gaz chauds sont de préférence prélevés en amont d'un échangeur 5 thermique disposé entre le brûleur et le reformeur, c'est-à-dire à l'endroit où ces gaz sont le plus chaud. De préférence également, le dispositif comprend des moyens pour commander le fonctionnement du brûleur et l'envoi des gaz chauds vers le catalyseur avant le démarrage du moteur thermique, ainsi que des moyens pour commander l'arrêt de l'envoi des gaz chauds vers le catalyseur dès que le catalyseur a atteint sa température d'amorçage ou de fonctionnement optimale. Selon une variante de l'invention, les moyens pour chauffer le catalyseur utilisent la puissance électrique générée par la pile à combustible par exemple une résistance électrique alimentée par la pile à combustible. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description, ci-après: Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs: - la figure 1 est le schéma d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule, - la figure 2 est un schéma qui reprend la pile à combustible de la figure 1 associée selon l'invention au catalyseur d'amorçage d'un moteur thermique. La pile à combustible 1 représentée sur la figure 1 est destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques 2, 3, 4 d'un véhicule conventionnel. La pile 1 peut remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destinée à de nouveaux équipements électriques (ex: climatisation électrique en remplacement de la climatisation mécanique). La pile 1 comporte un reformeur 5 permettant de produire de l'hydrogène à partir du carburant 6 du véhicule. La pile à combustible permet de générer de la puissance électrique à partir de l'hydrogène fourni par le reformeur 5 et l'oxygène contenu dans l'air. Pour être opérationnel le reformeur 5 doit être au préalable chauffé. Pour chauffer le reformeur 5, un brûleur 7 alimenté en carburant en air est prévu. Les gaz chauds produits par le brûleur 7 permettent de chauffer le reformeur 5 à travers un échangeur thermique 8. En fonctionnement normal ce brûleur 7 est alimenté par l'hydrogène excédentaire provenant de la pile 1, afin de maintenir le brûleur en température. Un compresseur 9 intégré dans le système fournit de l'air sous pression au brûleur 7 et à la pile 1. La puissance électrique produite par la pile permet d'alimenter un réseau électrique auquel sont connectés les équipements électriques 2, 3, 4 du 5 véhicule (ex: climatisation électrique). Le fonctionnement de l'ensemble est contrôlé par une unité de contrôle 10. Les solutions apportées par l'invention ont pour caractéristique commune l'utilisation de la puissance thermique ou électrique générée par la pile à combustible 1, pour chauffer les catalyseurs. Dans ce qui suit nous faisons l'hypothèse de deux catalyseurs implantés dans la ligne d'échappement du moteur, le catalyseur d'amorçage et le catalyseur principal. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, cette solution consiste à chauffer totalement ou partiellement le catalyseur d'amorçage 11 et le catalyseur principal 12 de la ligne d'échappement du moteur thermique 13 par les gaz chauds 14 issus du brûleur catalytique 7 associé à la pile 1, avant le démarrage du moteur. Les émissions extrêmement faibles de ce brûleur 7 rendent cette solution possible, y compris si le véhicule se trouve dans un parking clos. Le brûleur 7 est alimenté par le carburant du véhicule durant le démarrage de la pile 1 et par de l'hydrogène excédentaire durant le fonctionnement de la pile 1. Afin de pouvoir chauffer les catalyseurs 11, 12 avant le démarrage du moteur thermique 13, la mise en route de la pile est anticipée. Autrement dit, la procédure de chauffage du reformeur 5 de la pile 1 commence avant le démarrage du moteur du véhicule. La procédure de démarrage anticipé d'un système de pile à combustible dans un véhicule a déjà fait l'objet de la demande de brevet FR-00 13337 (RENAULT). Le brevet mentionné concerne une pile à combustible destinée à la traction du véhicule mais la procédure qui y est décrite est également applicable à la pile 1 utilisée dans l'invention. Tant que le moteur thermique n'a pas démarré, une partie des gaz chauds produits par le brûleur 7 est envoyée dans la ligne d'échappement du véhicule, en amont du catalyseur d'amorçage 11. Ces gaz sont pris en amont de l'échangeur thermique 8 du brûleur 7 avec le reformeur, afin de disposer de températures élevées. L'envoi des gaz chauds 14 dans la ligne d'échappement est autorisé ou inhibé grâce à une électrovanne 15 ou un clapet motorisé. Le compresseur d'air 9 intégré dans le système permet de générer une pression suffisante au niveau des gaz chauds 14 produits par le brûleur 7, permettant à ces gaz de traverser le catalyseur d'amorçage 11 et le catalyseur principal 12. Les gaz chauds 14 permettent ainsi de monter en température les deux catalyseurs. Si le moteur thermique démarre, l'envoi des gaz 14 dans la ligne d'échappement est arrêté, le chauffage des catalyseurs étant alors pris en charge par les gaz d'échappement du moteur. L'arrêt de l'envoi des gaz chauds 14 permet par ailleurs de ne pas perturber le fonctionnement du moteur thermique par création d'une contre-pression dans la ligne d'échappement. L'arrêt de l'envoi des gaz chauds 14 a également lieu si les températures des deux catalyseurs dépassent un seuil. Plusieurs stratégies de pilotage sont possibles pour arrêter l'envoi des gaz chauds 14: - dès que le catalyseur d'amorçage 11 a atteint sa température d'amorçage (typiquement 250 C), - dès que le catalyseur d'amorçage 11 et le catalyseur principal 12 ont 15 atteint leur température d'amorçage (typiquement 250 C), - dès que le catalyseur d'amorçage 11 a atteint sa température nominale de fonctionnement (typiquement 600 C), - dès que le catalyseur d'amorçage 11 et le catalyseur principal 12 ont atteint leur température nominale de fonctionnement (typiquement 600 C). 20 L'arrêt de l'envoi des gaz chauds 14, dès que les catalyseurs 11, 12 ont atteint leur température souhaitée, permet de réduire la consommation de carburant imputable au chauffage des catalyseurs par la pile 1. On peut cependant reprendre le chauffage des catalyseurs si les températures des catalyseurs descendent en dessous d'un seuil et si le moteur n'a toujours pas démarré. Le chauffage des catalyseurs par la pile 1 sera cependant abandonné si le moteur n'a toujours pas démarré au-delà d'un délai prédéfini, afin d'éviter une consommation excessive de carburant. Plusieurs variantes de la solution proposée sont possibles: - Les gaz chauds envoyés à la ligne d'échappement sont pris non pas en amont mais en aval de l'échangeur thermique du brûleur 7 avec le reformeur. Ceci a pour avantage de ne pas entraîner de surconsommation de carburant pour le chauffage des catalyseurs, étant donné que le fonctionnement du brûleur est déjà nécessaire pour le chauffage du reformeur. L'inconvénient de cette variante est d'augmenter le temps nécessaire au chauffage des catalyseurs, les gaz étant moins chauds en aval de l'échangeur thermique. De même les températures atteintes par les catalyseurs seront moindres. - Dans un véhicule disposant d'un fonctionnement en stop&start, les gaz chauds 14 issus du brûleur 7 peuvent aussi être envoyés dans la ligne d'échappement lors des arrêts du moteur afin d'éviter le refroidissement des catalyseurs. Le fonctionnement stop&start consiste à couper le moteur durant les arrêts du véhicule (feux rouges, embouteillages, etc.) afin d'économiser du carburant. C'est notamment le cas de véhicules disposant d'alterno-démarreurs conçus pour assurer un nombre de démarrages du moteur beaucoup plus important que dans un véhicule classique. C'est généralement le cas des véhicules hybrides (double motorisation thermique et électrique). Pour ces véhicules la solution permet de garder le moteur thermique coupé durant les arrêts prolongés ou durant les roulages momentanément électriques (par exemple à faible vitesse), sans risquer le désamorçage des catalyseurs. On évite ainsi un redémarrage prématuré du moteur thermique, ce qui permet de réduire la consommation du véhicule. - La solution proposée est également applicable dans le cas où un durcissement de la réglementation sur les émissions polluantes rendrait obligatoire le pré-chauffage des catalyseurs avant d'autoriser le démarrage du moteur. La solution proposée est également applicable dans le cas où le démarrage de la pile n'est pas souhaité, par exemple si aucun système alimenté par la pile (par exemple la climatisation électrique) n'est activé. Dans ce cas, seul le pré-chauffage des catalyseurs sera réalisé; un clapet supplémentaire positionné en entrées de l'échangeur thermique 8 du reformeur 5 permettra de transmettre les gaz chauds vers les catalyseurs mais pas vers l'échangeur thermique du reformeur. - Dans le cas d'un moteur à soupapes à commande électromagnétique (moteur camless), l'envoi des gaz chauds du brûleur pourrait se faire non pas en amont du catalyseur d'amorçage mais dans le collecteur d'admission du moteur. Dans ce cas, les soupapes d'admission et d'échappement seraient toutes maintenues en position ouverte, permettant ainsi aux gaz chauds de traverser les cylindres et les catalyseurs, avant d'être évacués par l'échappement du véhicule. Ceci permettrait de pré-chauffer non seulement les catalyseurs mais aussi le moteur, facilitant ainsi le démarrage de ce dernier. Une autre version de l'invention consiste à chauffer le catalyseur d'amorçage 11 par une résistance électrique 16 (représentée en pointillés sur la figure 2) alimentée par la pile 1. La mise en oeuvre de cette solution est plus simple que dans le cas de la précédente. Par contre son efficacité est plus faible en raison du délai de démarrage du reformeur que nous avons déjà mentionné. La pile ne peut en effet générer de l'électricité qu'une fois que son reformeur a atteint sa température normale de fonctionnement, soit 600 C environ pour l'essence. Pour être efficace, cette solution nécessite donc une forte anticipation du démarrage de la pile par rapport au démarrage du moteur thermique, afin de disposer par la suite de suffisamment de temps pour chauffer le catalyseur par l'électricité générée par la pile 1. Toutefois, avec cette solution le chauffage électrique du catalyseur peut continuer après le démarrage du moteur ou durant le fonctionnement en stop&start du véhicule. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour réduire les émissions polluantes d'un véhicule comportant un moteur thermique (13) dont les gaz d'échappement sont traités par un catalyseur (11, 12), le véhicule étant en outre équipé d'une pile à combustible (1), et de moyens pour chauffer ledit catalyseur (11, 12), caractérisé en ce que ce catalyseur (11, 12) est chauffé par des moyens utilisant une partie au moins de la puissance générée par la pile à combustible (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens utilisent la puissance thermique générée pour le fonctionnement de la pile à combustible (1). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, la pile à combustible (1) comprenant un brûleur (7) utilisant en tant que combustible (6) le même que celui utilisé par le moteur thermique (13) pour chauffer un reformeur (5) produisant l'hydrogène nécessaire pour le fonctionnement de la pile à combustible (1), caractérisé en ce que le catalyseur (11, 12) est chauffé par une partie de la puissance thermique générée par ledit brûleur (7). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le catalyseur (11, 12) est chauffé par des gaz chauds (14) prélevés sur les gaz de combustion du brûleur (7). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les gaz chauds (14) sont prélevés en amont d'un échangeur thermique (8) disposé entre le brûleur (7) et le reformeur (6). 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander le fonctionnement du brûleur (7) et l'envoi des gaz chauds (14) vers le catalyseur (11, 12) avant le démarrage du moteur thermique (13). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (15) pour commander l'arrêt de l'envoi des gaz chauds (14) vers le catalyseur (11, 12) dès que le catalyseur a atteint sa température d'amorçage ou de fonctionnement optimale. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits 5 moyens utilisent la puissance électrique générée par la pile à combustible (1). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le catalyseur (11, 12) est chauffé par une résistance électrique (16) alimentée par la pile à combustible (1).