Brevet FR2910531A3 — publié le 20080627

FR 2910531 A3 20080627 FR 0655704 A 20061220 DISPOSITIF DE GENERATION D'AMMONIAC L'invention concerne un groupe motopropulseur de véhicule automobile, du type comportant un moteur à combustion interne relié à un circuit d'admission et à un circuit d'échappement, le circuit d'échappement comportant un système de post-traitement et un tuyau d'échappement. De façon à réduire les émissions de substances polluantes telles que notamment les oxydes d'azote, les hydrocarbures io imbrûlés, les suies polluantes (ou particules) et les oxydes de carbone, le circuit d'échappement peut être équipé d'au moins un système de post-traitement tel qu'un catalyseur, un filtre à particules. L'efficacité d'un catalyseur situé dans la ligne d'échappement est très faible dans certaines conditions de fonctionnement du 15 moteur et notamment lors de son démarrage à froid. En effet, un tel système de post-traitement nécessite une température minimale d'amorçage pour traiter les substances polluantes qui le traversent. Tant que cette température minimale d'amorçage n'est pas atteinte, la quasi-totalité des substances polluantes produite par le moteur est 20 relâchée dans l'atmosphère. Pour amorcer un catalyseur, plusieurs solutions sont possibles, par exemple l'injection d'air au voisinage des soupapes d'échappement. Mais cette solution est assez coûteuse car elle nécessite l'utilisation d'une pompe supplémentaire dimensionnée uniquement pour les premières secondes où le 25 système est actif. Quant au filtre à particules, il fonctionne de manière discontinue. Il piège les particules mais ne les traitent que lors des phases de régénération. Lorsque le filtre est chargé en suies, cela entraîne une augmentation de la pression en amont de la ligne 30 d'échappement susceptible d'entraîner une surconsommation importante du moteur. Pour être régénéré, ce filtre nécessite des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux de thermique et/ou de richesse nécessaires. Pour atteindre les températures nécessaires à la régénération du filtre, il est possible 2910531 - 2 d'injecter du dihydrogène dans le circuit d'échappement au moyen d'un réformeur tel que décrit dans la demande US2003/0200742. Cette stratégie a l'inconvénient de prévoir un dispositif annexe pour le stockage du dihydrogène, qui peut s'avérer compliqué et 5 encombrant. L'invention a pour objet de fournir un procédé et un dispositif améliorés aptes à amorcer au moins un système de post-traitement dans un groupe motopropulseur. A cet effet, l'invention propose un groupe motopropulseur du io type ci-dessus caractérisé en ce qu'il dispose d'un dispositif de génération d'ammoniac pour amorcer le système de post-traitement, le dispositif comportant : - au moins un moyen de chauffage et - au moins un réservoir rempli d'au moins un 15 composé et en ce que le composé est de formule générale : Ma(NH3)nXZ où M est un cation ou un groupe de cations choisi parmi les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition ou une combinaison de ces derniers tels que NaAI, Kal, K2Zn, CsCu, K2Fe, X est un anion ou un groupe d'anions choisi 20 parmi fluorure, chlorure, bromure, iodure, nitrate, thiocyanate, sulfate, molybdate, phosphate, a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par molécule de sel et n est le nombre de coordinance de 2 à 12. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le moyen de 25 chauffage est au moins une partie du tuyau d'échappement positionné à proximité du réservoir. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le moyen de chauffage est une résistance électrique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le réservoir est 30 dans le circuit d'admission, par exemple en amont du collecteur d'admission ou en amont de la chambre de combustion du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le réservoir est dans le circuit d'échappement, par exemple en aval du collecteur d'échappement. 2910531 - 3 Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'invention propose un procédé de génération de dihydrogène dans un groupe motopropulseur à partir d'un dispositif de génération d'ammoniac, 5 caractérisé en ce que : - le réservoir est chauffé de façon à décomposer le composé en ammoniac puis en dihydrogène et en diazote par un moyen de chauffage, - le dihydrogène dégagé est injecté dans le circuit io d'admission par un moyen d'injection. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'invention propose un procédé de génération d'ammoniac dans un groupe motopropulseur à partir d'un dispositif de génération d'ammoniac, caractérisé en ce que : 15 - le réservoir est chauffé de façon à décomposer le composé en ammoniac en dihydrogène et en diazote par un moyen de chauffage, - le dihydrogène dégagé est injecté dans le circuit d'échappement par un moyen d'injection. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées. La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention d'un groupe motopropulseur comportant un dispositif de 25 génération d'ammoniac. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention d'un groupe motopropulseur comportant un dispositif de génération d'ammoniac. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les 30 mêmes chiffres de référence. Tel que représenté aux figures 1 et 2, un groupe motopropulseur est désigné de façon générale par la référence 1 et dont la structure générale connue ne sera pas entièrement détaillée ci-après. 2910531 -4 Le groupe motopropulseur 1 comporte un moteur à combustion interne 4, à quatre cylindres 2 de type suralimenté, un circuit d'admission, un circuit d'échappement, un système de commande et un circuit de 5 génération d'ammoniac. Le circuit d'admission comporte un conduit d'admission 9, un boîtier papillon 13, un collecteur d'admission 8, un filtre à air 10 et un refroidisseur intermédiaire 16. Le conduit d'admission 9 guide l'air io d'admission introduit par le filtre à air 10 vers le collecteur d'admission 8. Le collecteur d'admission 8 est raccordé au moteur 4 pour alimenter les cylindres 2 en air. Le boîtier papillon 13 est disposé en amont du collecteur d'admission 8 et permet d'augmenter ou de diminuer la quantité d'air is circulant dans les cylindres 2. Le compresseur 15a d'un turbocompresseur 15 et un refroidisseur intermédiaire 16 sont disposés dans le conduit d'admission entre le filtre à air 10 et le boîtier papillon 13. Le refroidisseur intermédiaire 16 est disposé 20 dans le conduit d'admission 9 en aval du compresseur 15a. L'air d'admission nettoyé par un filtre à air 10 s'écoule vers le compresseur 15a à travers le conduit d'admission 9 pour y être comprimé. Puis, il est refroidi dans le refroidisseur intermédiaire 16 et parvient au 25 collecteur d'admission 8 selon un débit contrôlé par le boîtier papillon 13. Le système de commande non représenté comporte une unité de commande électronique UCE. Différents capteurs sont connectés à l'UCE. Leurs signaux de sortie 30 sont exploités par l'UCE pour commander des moyens de commande tels que le boîtier papillon 13. Le circuit d'échappement forme un passage de gaz d'échappement à travers lequel le gaz d'échappement en provenance de chaque cylindre 2 est éjecté vers l'extérieur 2910531 -5 du corps du moteur 4. Ce circuit d'échappement comporte un collecteur d'échappement 18, qui est relié au moteur 4 et à la turbine 15b du turbocompresseur 15, ce circuit comporte également un système de post-traitement. Un 5 tuyau d'échappement 19 relie la turbine 15b au système de post-traitement et se poursuit en aval du système de post-traitement. Le système de post-traitement 3 peut comporter par exemple un filtre à particules et/ou un catalyseur. Le circuit de génération d'ammoniac comporte au io moins un moyen d'injection 22, tels qu'une vanne, un injecteur commandé par l'UCE et comporte un dispositif de génération d'ammoniac 20. Un tuyau 23 relie le réservoir 21 au moyen d'injection 22. Le dispositif 20 comporte un réservoir 21, et au moins un moyen de chauffage 19, 24. 15 Le réservoir 21 comporte au moins un composé, un sel ammine à cations et anions complexes, qui peut libérer de l'ammoniac, puis du dihydrogène H2 et du diazote N2 lors d'une réaction thermique. Le composé est de formule générale : Ma(NH3)nXz où M est 20 un cation ou un groupe de cations choisi parmi les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition ou une combinaison de ces derniers tels que NaAI, Kal, K2Zn, CsCu, K2Fe, X est un anion ou un groupe d'anions choisi parmi fluorure, chlorure, bromure, iodure, nitrate, thiocyanate, sulfate, molybdate, phosphate, 25 a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par molécule de sel et n est le nombre de coordinance de 2 à 12. Ce composé peut être utilisé sous forme solide (pastille, poudre) à température et pressions ambiantes (20 C, 1 bar). Sous 30 l'effet de la température de chauffage atteinte par au moins un moyen de chauffage 19, 24, ce composé peut se décomposer en ammoniac NH3. Ce dernier peut ensuite se décomposer en H2 et N2 à l'aide d'un support catalytique dont la phase active peut être composée de nanoparticules dispersées de Co3Mo3N, Ru, Co, Ni ou 2910531 -6 Fe ou un mélange de ces derniers. Ces deux réactions peuvent se dérouler dans le même réservoir 21. Selon un autre mode de réalisation possible, un support catalytique chauffé peut être ajouté en aval du réservoir 21. 5 La température de chauffage choisie est au moins supérieure à 20 C et peut aller jusqu'au point de fusion du composé. La température de chauffage peut être choisie entre 100 et 500 C, par exemple 300 C. Le dihydrogène et le diazote peuvent être injectés dans le io groupe motopropulseur de manière contrôlée par le moyen d'injection 22. Le dihydrogène peut réagir avec du dioxygène pour produire une réaction exothermique. Le diazote peut permettre de diluer le mélange pour obtenir un meilleur gain en consommation. De plus, le dioxygène qui réagit avec le dihydrogène ne peut pas réagir 15 avec le diazote pour former de l'oxyde d'azote. Le dispositif 20 comporte également au moins un moyen de chauffage 19, 24. Dans les modes de réalisation représentés aux figures 1 et 2, le dispositif 20 comporte deux moyens de chauffage 19, 24 qui sont à proximité d'une partie de la paroi extérieure du 20 réservoir 21. Le dispositif 20 peut comporter différents types de moyens de chauffage 19, 24. Un moyen de chauffage peut être un moyen de chauffage par échange thermique avec un fluide tel qu'un tuyau d'échappement 19. Le réservoir 21 peut être positionné à proximité du tuyau d'échappement 19 de telle façon que les gaz 25 d'échappement traversant le tuyau d'échappement 19 peuvent chauffer le réservoir 21. Un moyen de chauffage peut être un moyen de chauffage par effet joule, tel qu'une résistance électrique 24. Cette dernière est placée sur au moins une partie d'une paroi du réservoir 21, par exemple une paroi latérale. Les moyens de 30 chauffage par effet joule 24 peuvent être alimentées par un seul système ou séparés en plusieurs modules alimentés séparément en fonction de la quantité restante de produit à chauffer. Le chauffage par effet joule 24 permet un chauffage instantané mais dépend d'une source d'énergie supplémentaire. En 2910531 -7 revanche, le chauffage par échange thermique 19 avec un fluide chaud ne dépend pas d'une source d'énergie supplémentaire, mais profite de l'énergie thermique produite lors du fonctionnement du groupe motopropulseur 1. 5 L'association de ces deux types de chauffage 19, 24 permet de générer de l'ammoniac tout au long du fonctionnement du moteur avec un bilan énergétique optimisé. Lors du démarrage à froid du moteur 1, quand le fluide chauffé lors du fonctionnement du moteur 1 est encore froid, les moyens de chauffage par effet joule 24 chauffent io le réservoir 21 et permettent ainsi une génération d'ammoniac dès le démarrage du moteur 1. Lorsque le fluide atteint la température nécessaire pour la génération d'ammoniac, le chauffage par effet joule 24 peut être coupé. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif 15 de génération d'ammoniac 20 est dans le circuit d'admission. Tel que représenté à la figure 1, le dispositif 20 est en amont du collecteur d'admission 8. Le dihydrogène généré peut alors être mélangé avec le dioxygène de l'air 20 d'admission, décrit ci-dessus. Le dihydrogène peut être injecté en amont ou en aval du boîtier papillon 13, par le moyen d'injection 22. Tel que représenté à la figure 1, le dihydrogène est injecté en aval du boîtier papillon 13. Le diazote peut également être injecter pour permettre de diluer le 25 mélange et ainsi obtenir un meilleur gain en consommation. Le mélange du dihydrogène avec le dioxygène de l'air d'admission est une réaction exothermique ce qui permet d'obtenir une élévation de température permettant de favoriser la préparation du mélange air/carburant et la 30 stabilité du moteur 4. Ainsi, cela permet de d'accroître la température dans le circuit d'échappement. Selon un autre mode de réalisation, la chambre peut être dimensionnée de telle façon que le diydrogène soit 2910531 -8 injecté directement dans la chambre de combustion du moteur 4. Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif de génération d'ammoniac 20 est dans le circuit 5 d'échappement. Tel que représenté à la figure 2, le dispositif 20 est en aval du collecteur d'échappement 18. Le dihydrogène est injecté en amont du système de post-traitement 3 par le moyen d'injection 22. Le dihydrogène généré peut alors être mélangé avec le dioxygène de l'air io disponible dans le tuyau d'échappement. Dans le cas d'un mélange riche (coefficient d'air inférieur à 1), de l'air peut être injecté par un système d'injection à l'échappement. Le mélange du dihydrogène avec le dioxygène de l'air est une réaction exothermique. L'énergie dégagée entraîne une 15 élévation de température permettant d'amorcer le système de post-traitement 3. L'utilisation du composé permet de stocker, libérer et brûler du dihydrogène et ainsi de profiter de la réaction exothermique du dihydrogène avec le dioxygène pour 20 obtenir une montée en température du système de post-traitement 3. Cette utilisation est simple car le composé est stable et manipulable dans des conditions de température et de pression ambiantes. Pour réalimenter le dispositif 20 en NH3, de 25 l'ammoniac sous forme gazeux ou de l'ammoniaque sous forme liquide peut être ajouté à température ambiante dans le réservoir 21 pour permettre au sel une absorption de l'ammoniac. Cette invention n'est pas limitée aux deux modes de 30 réalisation décrits et illustrés qui ont été donnés à titre d'exemple. Cette invention peut s'appliquer à des moteurs essence, diesel, à aspiration naturelle, à aspiration suralimentée. REVENDICATIONS 1. Groupe motopropulseur (1) de véhicule automobile, du type comportant un moteur (4) à combustion interne relié à un circuit d'admission et à un circuit d'échappement, le circuit d'échappement comportant un système de post-traitement (3) et un tuyau d'échappement (19), caractérisé en ce qu'il dispose d'un dispositif de génération d'ammoniac (20) pour amorcer le système de post-traitement io (3), le dispositif (20) comportant : - au moins un moyen de chauffage (19, 24) et - au moins un réservoir (21) rempli d'au moins un composé et en ce que le composé est de formule générale : Ma(NH3)nXZ où M est un cation ou un groupe de cations choisi parmi les métaux 15 alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition ou une combinaison de ces derniers tels que K2Zn, CsCu, K2Fe, X est un anion ou un groupe d'anions choisi parmi fluorure, chlorure, bromure, iodure, nitrate, thiocyanate, sulfate, molybdate, phosphate, a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par 20 molécule de sel et n est le nombre de coordinance de 2 à 12. 2. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de chauffage est au moins une partie du tuyau d'échappement (19) positionné à proximité du 25 réservoir (21). 3. Groupe motopropulseur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de chauffage est une résistance électrique (24). 4. Groupe motopropulseur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (21) est dans le circuit d'admission, par exemple en amont du collecteur d'admission (8) ou en amont de la chambre de combustion du moteur (4). 2910531 -10- 5. Groupe motopropulseur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (21) est dans le circuit d'échappement, par exemple en aval du collecteur 5 d'échappement (18). 6. Procédé de génération de dihydrogène dans un groupe motopropulseur (1) à partir d'un dispositif de génération d'ammoniac (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce Io que: le réservoir (21) est chauffé de façon à décomposer le composé en ammoniac puis en dihydrogène et en diazote par un moyen de chauffage (19, 24) le dihydrogène dégagé est injecté dans le circuit d'admission 15 par un moyen d'injection (22). 7. Procédé de génération d'ammoniac dans un groupe motopropulseur (1) à partir d'un dispositif de génération d'ammoniac selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que : 20 le réservoir (21) est chauffé de façon à décomposer le composé en ammoniac en dihydrogène et en diazote par un moyen de chauffage (19, 24) le dihydrogène dégagé est injecté dans le circuit d'échappement par un moyen d'injection (22). 25