Brevet FR2891315A1 — publié le 20070330

Procédé de réduction des émissions de gaz nocifs par un moteur à combustion interne [0001] La présente invention concerne un procédé de réduction des émissions de gaz nocifs générés par un moteur à combustion interne à allumage commandé (moteurs Otto ou encore plus communément appelés moteurs essence ). L'invention concerne également un moteur ayant une consommation en carburant réduite. 2] Pour réduire significativement la pollution ambiante, notamment celle imputable aux moteurs à combustion interne utilisés sur la quasi totalité des véhicules automobiles, il est indispensable de limiter au maximum les rejets dans l'atmosphère des gaz d'échappement, notamment les rejets nocifs de particules, d'hydrocarbures imbrûlés, de monoxyde de carbone et des oxydes d'azote (mono et dioxydes, plus généralement notés NOx). 3] Avec la sévérité accrue des normes et une sensibilité de plus en plus grande du public à ces questions, la limitation des rejets constitue aujourd'hui un enjeu majeur en terme de compétitivité ou tout simplement de survie si les véhicules produits ne sont pas en conformité avec les normes. 4] Le traitement des rejets polluants pour les motorisations essence est essentiellement obtenu au moyen des pots dits catalytiques qui équipent de nos jours la plupart des véhicules. Avec ces pots catalytiques, les gaz nocifs sont transformés chimiquement, notamment en dioxyde de carbone (CO2), diazote (N2) et en vapeur d'eau (H2O) non toxiques. 5] Les pots catalytiques placés dans la ligne d'échappement sont le plus souvent des pots dits 3 voies qui permettent à la fois l'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et la réduction en diazote des oxydes d'azote. 6] Une autre approche vise à la réduction en amont de la quantité de gaz nocifs produits. 25 En effet, si on considère que le carburant est essentiellement constitué d'octane, la réaction d'oxydation théorique peut s'écrire: 2C8H18+2502 16CO2+18H2O donc 228 g de carburant brûlent dans 800 g d'oxygène; ou autrement dit dans 3478 g d'air. En considérant que l'air est constitué à 23% en masse d'oxygène; autrement dit pour 1 g de carburant, il faut 15,5 g d'air pour une combustion dans des conditions stoechiométriques. Un mélange comportant moins de 15,5 g d'air pour 1 g de carburant est qualifié de mélange pauvre, un mélange comportant plus de 15,5 g d'air est riche. Conventionnellement, un mélange stoechiométrique est considéré de richesse 1, une richesse inférieure à 1, ou pauvre par exemple de 0,8, correspondant donc pour le carburant réputé constitué à 100% d'octane à un rapport de 0,8 g de carburant pour 15,5 g d'air) ou riche si l'air est en déficit, une richesse de 1,1 correspondant alors à 1,1 g de carburant pour 15,5 g d'air. 7] Lorsque le mélange est pauvre, l'excès d'air doit favoriser la combustion complète du carburant et contribuer notamment à la réduction des imbrûlés et du monoxyde de carbone. Toutefois, si la richesse est inférieure à 0,8, le mélange devient peu inflammable et les ratés de combustion augmentent, résultant paradoxalement dans une augmentation des imbrûlés. 8] Par ailleurs, si on se place dans des conditions moyennement pauvres (rapport entre 0,8 et 1), bien qu'un gain appréciable soit observé en ce qui concerne les imbrûlés et le monoxyde de carbone, les rejets de monoxyde d'azote restent sensiblement les mêmes que dans le cas d'un mélange stoechiométrique. De plus, le pot catalytique n'est plus placé dans des conditions optimales de fonctionnement donc non seulement la quantité de monoxyde d'azote à traiter est sensiblement identique mais de plus, son traitement est moins performant. Dans ces conditions, il est préférable d'utiliser un mélange air/carburant proche du rapport stoechiométrique. 9] Pour réduire les émissions d'oxyde d'azote, il est aussi connu de diluer le mélange frais avec des gaz d'échappement, soit en réglant l'admission et l'échappement d'une manière telle que le mélange air/carburant est admis dans la chambre de combustion alors qu'une partie des gaz brûlés du cycle précédent est encore dans cette chambre (technique connue le plus souvent sous son acronyme anglo-saxon IGR (Internal Gas Recirculation), soit en réintroduisant au niveau de l'admission une fraction des gaz d'échappement et en prévoyant pour ce faire un circuit de re-circulation, technique connus sous l'acronyme anglo-saxon EGR (External Gas Recirculation), cette dernière technique ayant l'avantage de permettre un reconditionnement thermique des gaz. 0] Les gaz d'échappement réintroduits ou laissés dans la chambre de combustion ne brûlent pratiquement pas tout en occupant une partie du volume de la chambre de combustion. Ils contribuent de ce fait à une réduction de la température dans la chambre de combustion, réduction de température qui s'accompagne d'une moindre génération de monoxyde d'azote. 1] Mais diminuer la température dans la chambre de combustion revient à nouveau à se placer dans des conditions moins favorables à la combustion du carburant, avec en corollaire une augmentation des émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés. 2] La présente invention a donc pour but un moyen pour réduire la quantité de gaz 5 toxiques produite par un moteur à combustion interne. 3] L'invention a pour premier objet une méthode pour limiter les émissions polluantes d'un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant un enrichissement en hydrogène directement dans la chambre de combustion. 4] L'adjonction d'hydrogène au mélange air/carburant permet d'utiliser un mélange plus pauvre, par exemple avec des richesses de simplement 0,5. Ceci est donc très favorable à une combustion complète du carburant, avec une très faible production de monoxyde de carbone. De plus, un mélange très pauvre correspond à une charge très diluée par l'air excédentaire, ce qui entraîne également une réduction drastique des pertes par pompage à l'admission. 5] La dilution du mélange peut être également obtenu par un taux élevé de recyclage des 15 gaz avec pour avantages une réduction des émissions de NOx et des pertes par pompage et l'utilisation toujours permise de la catalyse 3 voies. 6] Dans une première variante de l'invention, l'adjonction d'hydrogène est obtenue par un apport direct de celui-ci, injecté à partir d'un réservoir de stockage ou d'une unité de production embarquée solution bien sûr préférable du point de vue de la sécurité (même s'il doit être souligné que les volumes d'hydrogène requis sont relativement faibles) [0017] Selon une autre variante de l'invention plus particulièrement préférée, l'hydrogène est directement produit dans la chambre de combustion. Autrement dit, les conditions d'un reformage sont créées dans la chambre même, avec simplement si besoin une injonction complémentaire d'eau ou de carburant (sous forme liquide ou gazeuse). 8] D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent: [0019] Figure 1: un schéma illustrant l'évolution de la production de gaz nocifs en fonction de la richesse du mélange air/carburant pour un moteur conventionnel à allumage commandé. 0] Figure 2: un schéma montrant un cycle de fonctionnement du moteur permettant la 30 mise en oeuvre d'une des variantes de l'invention. 1] La figure 1 montre l'évolution des concentrations d'imbrûlés 1, de monoxyde de carbone 2 et d'oxydes d'azote 3 dans les gaz d'échappen-ent d'un moteur à allumage commandé conventionnel, alimenté par des mélanges stoechiométriques (richesse 1, soit un volume d'essence pour 15 volumes d'air), appauvris (richesse entre 0,7 et 1) ou au contraire enrichis. A noter que dans ce schéma, des échelles différentes ont été utilisées pour les différents polluants. 2] Pour des mélanges inférieurs à la stoechiométrie, il ne se forme pratiquement pas de monoxydes de carbone. Par contre les émissions augmentent très fortement dès que le mélange est enrichi. Pour les imbrûlés, une courbe similaire est observée pour les mélanges moyennement pauvres ou riches mais avec les mélanges dont la richesse est inférieure à 0,8, on observe une remontée des imbrûlés, essentiellement du fait des ratés de combustion. 3] Pour bs oxydes d'azote, on a une courbe en cloche, avec un pic au voisinage d'une richesse 1. Il est donc pratiquement impossible de se placer dans des conditions optimales pour minimiser l'ensemble des polluants. 4] L'invention est basée sur la considération que l'adjonction d'hydrogène à un mélange air/carburant permet d'étendre la limite pauvre d'inflammabilité des carburants et donc d'utiliser des mélanges avec un déficit important en carburant par rapport aux conditions stoechiométriques, avec les avantages précités en terme de réduction des émissions. En effet, l'hydrogène présente une très grande vitesse de flamme (170cm/s dans l'air à richesse 1) et une large plage d'inflammabilité (de 4 à 74,5%vol à 25 C et 1 bar) ce qui aide l'initiation rapide d'une flamme stable et maintient la combustion en mélange très pauvre, par exemple d'une richesse de 0,5 ou même inférieure, avec une réduction drastique de la production du monoxyde d'azote comme on peut l'extrapoler à partir de la figure 1. 5] La synthèse de l'hydrogène peut être obtenue selon des procédés bien connus en 25 raffinage, comme par exemple le vapocraquage. 6] Le vapocraquage consiste à transformer les charges légères d'hydrocarbures (température d'ébullition CO+3H2 CO+H2Ot-> CO2+H2 [0027] Un excès d'eau permet d'éviter la formation de dépôts de coke dans la chambre de combustion dus à la réaction de cokage: (2 CO H CO2 + C), favorisée par une baisse de température et une augmentation de pression. 8] Une autre technologie est celle dite d'oxydation partielle, qui permet de traiter n'importe quelle charge gazeuse, liquide ou solide. Elle consiste à introduire un hydrocarbure, un oxydant et éventuellement un modérateur de température (H2O). La réaction globale s'écrit sous forme simplifiée CnHm +n/2O2HnCO+m/2H2ou CnHm + n/2 (02+3,78N2) H n CO + m/2 H2 + 1,89n N2 [0029] Là encore, une augmentation de la quantité d'eau permet d'éviter la formation de 15 carbone, favorisée par un faible rapport C/H de la charge. 0] Le reformage autotherme est une autre voie de synthèse constituée par la combinaison du procédé par vapocraquage et du procédé par oxydation partielle. Le carburant est mélangé avec de l'air et de l'eau et 1'exothermicité de l'oxydation partielle apporte la quantité d'énergie (chaleur) nécessaire au processus endothermique de vaporeformage. 1] Les techniques de synthèse de l'hydrogène mentionnées ci-dessus peuvent être aisément mises en oeuvre avec des réacteurs embarqués dans le véhicule, comme mentionné par exemple dans le document FR-A-2 839 583 décrivant l'utilisation d'un réacteur embarqué pour alimenter en hydrogène la pile à combustible d'un véhicule. Il est aussi possible de procéder au réformage des gaz brûlés, solution dans laquelle la chaleur et l'eau sont directement puisés dans les gaz d'échappement afin d'éviter un surcoût énergétique comme décrit dans la demande de brevet français 0500253 au nom de la demanderesse et dont le contenu est ici incorporé par référence. 2] D'autres voies de synthèses existent, notamment des voies basées sur la pyrolyse ou craquage thermique bien connues impliquant une décomposition sous l'action de la chaleur en l'absence d'air ou d'oxygène d'un hydrocarbure saturé en une paraffine et une oléfine qui vont ensuite conduire à des produits légers variés qui eux- mêmes par déshydrogénation vont former outre l'hydrogène des sous-produits gênants tels que le benzène.mais elles s'avèrent peu compatibles avec une application automobile. 3] D'un point de vue pratique, il est toutefois préférable de synthétiser l'hydrogène 5 directement dans la chambre de combustion. 4] Dans un moteur thermique à quatre temps, on a successivement une phase d'admission, pendant laquelle le piston descend et aspire le mélange air/carburant, une phase de compression allumage, correspondant à la remontée du piston pour venir comprimer le mélange air/carburant puis à l'allumage par une bougie qui va déclencher la combustion, une phase de combustion détente, avec une redescente du piston suite à l'énergie dégagée par la combustion ayant entraînée une élévation de la pression et enfin une phase d'échappement pendant laquelle la remontée du piston force l'évacuation des gaz brûlés. Ces quatre temps sont illustrés figure 1 où dans la partie basse, on a représenté la course du piston avec les points morts hauts et bas respectivement notés PMH et PMB. 5] Si la soupape d'échappement est refermée avant que la totalité des gaz brûlés ne soit évacuée de la chambre de combustion, par exemple au niveau du point A, le piston étant en phase de course ascendante (A*PMHref), il se produit alors une compression de ces gaz brûlés résiduels constitués majoritairement de diazote (N2), d'eau (H2O), de dioxyde de carbone (CO2), de traces de polluants (CO, HC, Suies, N0x) et dans l'hypothèse d'un mélange pauvre, d'air en excès (essentiellement 02 et N2) . 6] La compression des gaz brûlés résiduels entraîne une élévation de leur température, qui passe ainsi d'environ 200 C à 800 C, c'est-à-dire un niveau de température compatible avec les réactions de reformage. Pour favoriser les réactions de reformage, il est préférable que la quantité d'eau présente soit en excès par rapport à la quantité stoechiométrique requise par la réaction de vaporeformage. La vapeur d'eau est un produit de la réaction de combustion et est donc directement présente dans la chambre de combustion. Un complément en vapeur d'eau peut également être apporté aux moyens d'injecteurs, analogues aux injecteurs de carburant, associés à un réservoir d'eau spécifique. 7] Pour initier la réaction de reformage, une injection d'une faible dose de carburant est de préférence prévue pendant la phase de recompression. L'invention est de ce fait particulièrement adaptée aux moteurs à injection directe déjà équipés d'injecteurs débouchant dans la chambre de combustion. Cet apport de carburant (noté Il sur la figure 2) peut être effectué pendant toute la phase de re-compression (A-*B). 8] Après le point mort haut (PMHref), en fin de la phase de recompression, la course descendante du piston produit la détente du mélange (PMHref-*B). On se dirige alors vers la phase d'admission du cycle considéré pour laquelle on retardera suffisamment l'ouverture des soupapes d'admission pour que les réactions de reformage du carburant aient le temps de s'opérer. Ceci est illustré dans le schéma de la figure 2 par le point B qui montre que l'admission en air frais (ou en mélange air frais/carburant si le moteur n'est pas du type injection directe) est retardée par rapport au point mort haut PMHref. 9] L'admission de mélange frais par les soupapes d'admission pourra ensuite s'effectuer pendant le reste de la course descendante du piston (B-*PMBadm). Autour du point mort bas de cette phase d'admission, les soupapes d'admission sont fermées et le mélange est alors comprimé pendant la phase ascendante du piston (PMBadm-* PMHcomb). 0] Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord, les émissions de monoxyde d'azote peuvent être drastiquement diminuées sans augmenter pour autant les taux d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone. En effet, comme l'hydrogène présente une large plage d'inflammabilité, il devient possible de fonctionner avec des mélanges air/carburant très dilués sans ratés de combustion. De même, il devient possible de fonctionner avec des mélanges très pauvres (avec des richesses par exemple comprises entre 0,5 et 1, de préférence entre 0,5 et 0,8, c'est-à-dire à des niveaux particulièrement bas pour des moteurs essences qui rappelons-le, utilisent typiquement des mélanges ayant une richesse voisine de 1). Les mélanges les plus pauvres étant utilisés avec des motorisations n'utilisant pas ou pratiquement pas le recyclage des gaz d'échappement. 1] De façon générale, les richesses préconisées s'appliquent à tous les carburants 25 compatibles avec des moteurs essence , donc avec des carburants ayant un indice d'octane relativement élevé et avec les carburants alternatifs tels que des alcools (biocarburants). 2] Le mode de fonctionnement en mélange très dilué se poursuit dans la limite de production d'hydrogène dont le système est capable. Pour augmenter la charge, une injection complémentaire 12 de carburant peut être effectuée, autour du point mort haut de la compression (PMHcomb), le système d'injection (12) peut compléter la charge combustible de la chambre, ce qui correspond alors à un mode de combustion pseudostratifiée. 3] La présente invention permet de plus des économies de carburant (et donc indirectement une diminution des polluants par kilomètre parcouru). Cette économie tient à ce qu'une partie de l'énergie de la réaction de combustion, sous forme d'eau et de température, et récupérée dans les gaz recyclés pour améliorer le pouvoir calorifique du carburant. Ainsi, la combustion d'une mole d'isooctane dégage une énergie de 5100 KJ. Le reformage complet de ce carburant, dans l'hypothèse d'un rendement de 100%, produit 25 moles d'hydrogène dont la combustion à l'air dégage une énergie de 6000 kJ (25 X 240 KJ/mol) soit un gain énergétique de 20%. 4] Finalement, il peut être noté que la re-compression des gaz brûlés autour du point mort haut permet non seulement d'atteindre des températures favorables aux réactions de reformage du carburant, mais crée aussi des conditions favorables à une injection directe dans la chambre de combustion, sans impact sur les parois de celle-ci, comme détaillé dans la demande de brevet français publiée sous le n FR0201735. 9 Revendications 1. Procédé de réduction des émissions de gaz nocifs par un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant un enrichissement en hydrogène dans la chambre 5 de combustion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est alimenté par un mélange air-carburant pauvre. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la richesse du mélange est comprise entre 0,5 et 1 de préférence encore comprise entre 0, 5 et 0,8. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange air-carburant est dilué par recyclage d'une partie des gaz d'échappement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape d'injection de l'hydrogène dans la chambre de combustion. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant la formation 15 d'hydrogène par reformage du carburant dans la chambre de combustion. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le s conditions de reformage sont obtenues par la re-compression d'une partie des gaz brûlés en provoquant la fermeture de la soupape d'échappement pendant la phase d'échappement. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par une injection d'eau additionnelle dans 20 la chambre de combustion. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé par une injection de carburant Il pendant la phase de re-compression des gaz brûlés. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé de plus par une injection de carburant 12 pendant la phase finale de la phase de compression.