Brevet FR2943381A1 — publié le 20100924

REFORMEUR ET LIGNE D'ECHAPPEMENT COMPORTANT UN TEL REFORMEUR L'invention concerne un réformeur et une ligne d'échappement 5 comportant un tel réformeur. Comme décrit dans le document de brevet FR 2 900 196, une ligne d'échappement peut être équipée d'un piège à oxydes d'azote en tant que dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement suivi d'un filtre à particules. 10 Dans les conditions normales de fonctionnement d'un moteur, le piège à oxydes d'azote stocke les oxydes d'azote, monoxyde NO et dioxyde NO2, émis par le moteur. La capacité de stockage étant limitée, il est nécessaire de purger le piège périodiquement, afin d'éliminer les oxydes d'azote stockés sous forme d'azote en élevant la richesse de 15 l'échappement à une richesse très légèrement supérieure à 1. Un réformeur est un dispositif qui permet de transformer un réducteur, en général un hydrocarbure, en un mélange, appelé réformat, riche en hydrogène et en monoxyde de carbone. Par ces propriétés réductrices, le réformat permet de purger les oxydes d'azote 20 stockés dans le piège à oxydes d'azote, en transformant les oxydes d'azote en azote. Le réformeur peut être déporté de la ligne d'échappement et alimenté en air au moyen d'un compresseur d'air par exemple et en hydrocarbure via un circuit autonome. 25 Un tel réformeur comporte donc dans un boîtier, une canalisation d'alimentation de gaz, par exemple de l'air, un dispositif d'injection de réducteur, en général un hydrocarbure, et un catalyseur de réformage suivi d'une canalisation de sortie de gaz vers l'amont du dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur, par 30 exemple un piège à oxydes d'azote. L'objet de l'invention est d'homogénéiser au mieux les concentrations d'hydrocarbure dans le gaz à la face d'entrée du catalyseur et donc d'optimiser la production de réformat. Pour ce faire, l'invention propose un réformeur destiné à produire un réformat dans un ligne d'échappement de moteur automobile et comportant dans un boîtier, une canalisation d'alimentation de gaz, un dispositif d'injection de réducteur et un catalyseur de réformage suivi d'une canalisation de sortie de gaz vers l'amont d'un dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comporte entre ledit dispositif d'injection de réducteur et ledit catalyseur de réformage un dispositif mélangeur du gaz. Il est ainsi réalisé une bonne répartition du réducteur dans le gaz sur toute la section du boîtier et du catalyseur de réformage. Ainsi le catalyseur de réformage est exploité sur toute sa section de façon optimale. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif mélangeur est constitué de plusieurs parois transversales alternées disposées dans ledit boîtier et formant une trajectoire à chicanes pour le gaz. De préférence, ledit boîtier est de section circulaire et les dites parois ont un bord libre dirigé vers l'intérieur du boîtier, en forme d'arc de cercle. Avantageusement, ledit dispositif d'injection de réducteur est disposé sur ladite canalisation d'alimentation de gaz et ledit boîtier présente un diamètre augmentant progressivement en amont du dit dispositif mélangeur. Ledit dispositif d'injection de réducteur est, avantageusement, un dispositif d'injection de vapeur de réducteur. Ledit réducteur peut être du carburant. L'invention concerne également une ligne d'échappement de moteur automobile comportant une conduite d'échappement en sortie de ce moteur, un dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement et un réformeur tel que précisé ci-dessus, caractérisée en ce que ladite canalisation d'alimentation de gaz du réformeur est connectée à ladite conduite d'échappement en amont du dit dispositif catalytique de traitement, en un emplacement dit piquage. Grâce à cet agencement, il n'est pas utilisé de pompe à air encombrante, nécessitant de l'énergie électrique et constituant un coût 10 supplémentaire de l'installation. Selon un mode de réalisation préféré, ladite conduite d'échappement comporte une vanne commandée disposée entre ledit piquage et ledit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement. 15 La commande de ladite vanne peut être effectuée au moyen d'un capteur de pression disposé en amont de la vanne et d'un capteur de pression disposé en aval de la vanne. De préférence, ledit réformeur comporte une sonde de richesse en aval du dit catalyseur de réformage. 20 Avantageusement, ledit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement comporte à son entrée des gaz d'échappement un clapet de dérivation de ces gaz d'échappement vers une canalisation secondaire d'échappement débouchant en aval du dit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement. 25 Ledit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement est, avantageusement, un piège à oxydes d'azote. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un 30 réformeur conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif mélangeur faisant partie de ce réformeur. La figure 3 est une vue en coupe d'une utilisation préférée d'un réformeur conforme à l'inventeur. La figure 4 est un organigramme de commande d'un réformeur conforme à l'inventeur. La figure 5 est une vue schématique d'une ligne d'échappement conforme à l'invention. La figure 6 est un organigramme de commande de la richesse 10 d'un réformeur conforme à l'inventeur. Les figures 7A à 7B représentent une ligne d'échappement conforme à l'invention aux différents stades de fonctionnement du réformeur. Comme illustré sur la figure 1, l'invention concerne un réformeur 15 1 destiné à produire un réformat dans une ligne d'échappement de moteur automobile. Il comporte dans un boîtier 2 cylindrique, une canalisation d'alimentation de gaz 3, un dispositif d'injection de réducteur 4, de préférence du carburant, et un catalyseur de réformage 5 suivi d'une canalisation de sortie de gaz vers l'amont d'un dispositif 20 catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur. Le réformeur comporte entre le dispositif d'injection de réducteur 4 qui est, avantageusement, un dispositif d'injection de vapeur de réducteur et le catalyseur de réformage 5 un dispositif mélangeur du gaz 6. 25 Ce dispositif mélangeur 6 est constitué de plusieurs parois 6A à 6D transversales alternées disposées dans le boîtier 2 et formant une trajectoire à chicanes pour le gaz en amont du catalyseur de réformage 5. Le dispositif mélangeur est représenté en perspective sur la 30 figure 2. Il comporte une enveloppe 6E de section circulaire qui est destinée à être fixée contre la face interne du boîtier 2 et les parois 6A à 6D ont un bord libre dirigé vers l'intérieur du boîtier, en forme d'arc de cercle. Ces parois sont donc en forme de croissant de lune et sont fixées par leur bord le plus long à la face interne de l'enveloppe 6E. Disposées alternativement d'un côté et de l'autre du boîtier 2, ces parois forment donc une trajectoire à chicanes pour le gaz chargé de carburant, en amont du dispositif d'injection de carburant 4. Ce dispositif d'injection de réducteur 4 est disposé sur la canalisation d'alimentation de gaz 3 et le boîtier 2 présente un diamètre augmentant progressivement en amont du dispositif mélangeur 4 pour atteindre son diamètre maximal constant au niveau du dispositif mélangeur 6. Chargé en vapeur de carburant par le dispositif d'injection de réducteur 4 dans la canalisation 3, le gaz est donc tout d'abord détendu lors de son passage vers la section maximale du boîtier puis est forcé à la trajectoire en chicanes par le dispositif mélangeur 6 et arrive ainsi dans le catalyseur de réformage 5 avec une répartition optimale du carburant sur toute la section du boîtier 2 et du catalyseur de réformage 5. Ainsi le catalyseur de réformage 5 est exploité sur toute sa section de façon optimale. Ce réformeur comporte également une bougie d'allumage 7 assurant la mise en témpérature du réformeur. Selon une utilisation préférée de l'invention, ce réformeur 2 est alimenté en gaz d'échappement. Comme représenté sur la figure 3, l'invention concerne donc également une ligne d'échappement de moteur automobile comportant une conduite d'échappement 10 en sortie de ce moteur, un dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement et un réformeur 1, la canalisation d'alimentation de gaz du réformeur étant connectée à la conduite d'échappement 10 en amont du dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement, en un emplacement dit piquage 11. La conduite d'échappement 10 comporte une vanne 12 commandée disposée entre le piquage 11 et le dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement et destinée à commander le passage du gaz d'échappement dans cette conduite ou dans la canalisation 3 du réformeur. Pour pouvoir réformer le carburant, par exemple du gazole, par le catalyseur 5, il faut que celui-ci soit à une température suffisante : T_réformage. La température du catalyseur peut être contrôlée au moyen d'un thermocouple localisé en aval du catalyseur, voire directement placé dans le catalyseur. Si la température du catalyseur est inférieure à la température de réformage, T_réformage, on procède à une phase de combustion préalablement à la phase de réformage. Ce processus est schématisé sur la figure 4. Dans le cas, où le catalyseur de réformage est amorcé (T>T_amorçage), on procède directement à l'oxydation du carburant injecté sur le catalyseur 5 de la façon suivante : on agit sur l'actuateur de la vanne 12 pour générer la perte de charge permettant d'alimenter le réformeur en gaz d'échappement au débit souhaité, typiquement 10 kg/h. On injecte simultanément du carburant au moyen du dispositif d'injection 4. Le débit de carburant injecté est piloté pour que la richesse du mélange (carburant/gaz d'échappement) soit inférieure à 1. Le carburant s'oxyde alors sur le catalyseur 5 et provoque la montée en température de ce dernier. Dans le cas, où le catalyseur de réformage n'est pas amorcé (T Le débit des gaz d'échappement à faire passer dans le catalyseur de réformage est donné par la formule suivante : V OP Drefnrmage = / k T avec : - Dreformage débit dans le réformeur que l'on veut 10 Le contrôle du débit nécessite que la perte de charge générée par le volet 12 soit suffisamment importante pour être mesurable mais pas trop pour limiter l'effet sur le moteur des pertes de charges générées par la géométrie de la ligne et par les autres systèmes de dépollution 15 présents dans la ligne. En effet, une perte de charge trop importante induirait une surconsommation du moteur non négligeable. Néanmoins, un compromis peut être obtenu et on peut donc contrôler le débit des gaz d'échappement alimentant le dispositif de réformage en faisant varier la perte de charge induite par le volet, c'est-à-dire en modifiant le 20 degré de fermeture du volet. Le volet est mis en mouvement au moyen d'un actuateur électrique non représenté. Un asservissement de position du volet permet d'obtenir la surpression correspondant au débit de réformage souhaité, environ 10 kg/h, pour une température donnée et indépendamment du débit 25 moteur. Par ailleurs, il est important de bien contrôler la richesse du mélange carburant / gaz d'échappement. Dans la phase de chauffage du catalyseur, si la richesse est trop élevée, à savoir supérieure à 1, alors des hydrocarbures imbrûlés sont obtenir, environ 10kg/h - k _ AP l'amont et l'aval du volet - T température en amont du volet constante perte de charge dans la ligne entre émis et ces émissions sont indésirables car elles s'ajoutent aux émissions d'hydrocarbures émis par le moteur. Si la richesse est trop faible, typiquement inférieure à 0,8, la montée du catalyseur en température est moins rapide. Dans la phase de réformage, si la richesse est trop élevée, typiquement supérieure à 2,5, alors des hydrocarbures peuvent ne plus être réformés et être émis par le réformeur et ces émissions sont indésirables, car elles s'ajoutent aux émissions d'hydrocarbures émis par le moteur. Si la richesse est trop faible, typiquement inférieure à 1,5, pendant une durée de réformage importante supérieure à 15 secondes, la température interne du catalyseur peut devenir critique avec un risque d'endommagement du catalyseur. La régulation de la richesse peut être effectuée en boucle fermée et peut l'être grâce à deux types de capteurs, tous deux schématisés sur la figure 5 et dont le processus de contrôle est schématisé sur la figure 6. Le réformeur peut comporter une sonde de richesse 13 en aval du catalyseur de réformage 5. Dans ce cas, l'information de richesse est directement disponible, moyennant le délai de réponse de la sonde de richesse. Une mesure de l'exotherme T1, T2 peut être effectuée entre l'amont et l'aval du catalyseur de réformage. Dans ce cas, on remonte directement à la richesse du mélange par une relation reliant la différence de température entre l'amont et l'aval du catalyseur et la richesse. Les températures sont mesurées par des thermocouples positionnés en amont et en aval du catalyseur de réformage. Les figures 7A à 7B représentent une ligne d'échappement conforme à l'invention aux différents stades de fonctionnement du réformeur 1. Cette ligne d'échappement de moteur automobile comporte donc une conduite d'échappement 10 en sortie de ce moteur et équipée d'une vanne 12, un dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement, de préférence un piège à oxydes d'azote 14, et le réformeur 1 conforme à l'invention connecté à la conduite d'échappement 10 en amont du piège à oxydes d'azote 14, en l'emplacement dit piquage 11. Comme déjà vu plus haut, deux capteurs de pression 15 assurent la commande de la vanne 12. En amont du piège à oxydes d'azote 14, la conduite d'échappement 10 débouche dans un clapet bypass 16 qui permet au moyen d'un clapet le passage du gaz d'échappement dans le piège à oxydes d'azote 14 ou dans une conduite secondaire d'échappement 17 disposée en parallèle du piège à oxydes d'azote 14. Le réformeur 1 est suivi d'une canalisation de sortie 18 de gaz vers l'amont du piège à oxydes d'azote 14, cette canalisation 15 débouchant entre le clapet bypass 16 et le piège 14. Dans la phase de stockage des oxydes d'azote émis par le moteur, le réformeur 1 étant à l'arrêt, comme illustré sur la figure 7A, le volet 12 est dans une position qui permet de limiter au maximum la perte de charge entre l'amont et l'aval du volet. Cette perte de charge 20 est quasi nulle, si bien que le débit de gaz d'échappement à travers le catalyseur de réformage 5 est quasi nul. La position du bypass 16 est telle que la totalité des gaz d'échappement passe à travers le piège à oxydes d'azote 14 qui stocke les oxydes d'azote émis par le moteur. Dans la phase de stockage des oxydes d'azote émis par le 25 moteur, lors de la mise en température du catalyseur de réformage, comme illustré sur la figure 7B, le volet 10 est dans une position qui permet de générer une perte de charge entre l'amont et l'aval du volet suffisante pour faire passer une partie des gaz d'échappement à travers le catalyseur de réformage 5, typiquement 10 kg/h. On injecte alors du 30 carburant au moyen du dispositif d'injection 4. Le débit de carburant injecté est piloté pour que la richesse du mélange (gazole/gaz d'échappement) reste inférieure à 1. La richesse est contrôlée par la sonde de richesse 13 qui est positionnée en aval du catalyseur de réformage 5. Simultanément, on alimente électriquement la bougie d'allumage 7 qui génère une étincelle et permet d'initier la combustion du carburant. Lorsque la température du catalyseur est suffisante (T=T_amorçage), on stoppe la combustion du carburant en arrêtant la bougie d'allumage 7, tout en continuant l'injection de carburant qui s'oxyde alors directement sur le catalyseur de réformage 5. Lorsque la température du catalyseur de réformage est suffisante pour pouvoir réformer le carburant (T=T_réformage), on stoppe l'injection de carburant. Le réformeur est alors prêt à réformer du carburant. Durant toute la durée de la mise en température du catalyseur de réformage, la position du bypass 16 est telle que totalité des gaz d'échappement passe à travers le piège à oxydes d'azote 14, ce qui permet le stockage des oxydes d'azote émis par le moteur. Dans la phase de production de réformat et de purge du piège à oxydes d'azote , comme illustré sur la figure 7C, le volet 10 est encore dans une position qui permet de générer une perte de charge entre l'amont et l'aval du volet suffisante pour faire passer une partie des gaz d'échappement à travers le catalyseur de réformage 5, typiquement 10 kg/h. Dans la phase de réformage, le débit de carburant, de préférence du gazole, est tel que la richesse du mélange gazole / gaz d'échappement est supérieure à 1. Le gazole injecté dans le réformeur lest donc réformé et se convertit en un mélange de gaz constitué principalement de H2 et de CO. Les réactions de réformage du gazole sont principalement : • Oxydation partielle : CH1,84 + 1/2 02 > 0,92H2 + CO • Vaporéformage : CH1,84 + H20 > CO + 1,92H2 • Réformage à sec : CH1,84 + CO2 > 2CO + 0,92H2 La position du volet du bypass 16 est alors telle que la totalité des gaz d'échappement ne passe plus à travers le piège à oxydes d'azote 14. Les gaz d'échappement sont déviés vers la conduite de dérivation 17. Dans cette position de bypass 16, le mélange de gaz issu du réformeur 1 passe à travers le piège à oxydes d'azote 14 grâce à la canalisation 18 reliée en amont du piège à oxydes d'azote 14. Les constituants actifs de ce mélange gazeux, H2 et CO, réagissent alors avec les oxydes d'azote stockés par le piège à oxydes d'azote 14, ce qui permet de purger le piège à oxydes d'azote 14 et de réduire les oxydes d'azote stockés en azote. REVENDICATIONS1. Réformeur (1) destiné à produire un réformat dans un ligne d'échappement de moteur automobile et comportant dans un boîtier, une canalisation d'alimentation de gaz (3), un dispositif d'injection de réducteur (4) et un catalyseur de réformage (5) suivi d'une canalisation de sortie de gaz (18) vers l'amont d'un dispositif catalytique de traitement (14) des gaz d'échappement d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comporte entre ledit dispositif d'injection de réducteur (4) et ledit catalyseur de réformage (5) un dispositif mélangeur du gaz (6). 2. Réformeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dispositif mélangeur est constitué de plusieurs parois (6A à 6D) transversales alternées disposées dans ledit boîtier et formant une trajectoire à chicanes pour le gaz. 3. Réformeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit boîtier (2) est de section circulaire et les dites parois (6A à 6D) ont un bord libre dirigé vers l'intérieur du boîtier, en forme d'arc de cercle. 4. Réformeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif d'injection de réducteur (4) est disposé sur ladite canalisation d'alimentation de gaz (3) et ledit boîtier (2) présente un diamètre augmentant progressivement en amont du dit dispositif mélangeur (6). 5. Réformeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif d'injection de réducteur (4) est un dispositif d'injection de vapeur de réducteur. 6. Réformeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit réducteur est du carburant. 7. Ligne d'échappement de moteur automobile comportant une conduite d'échappement (10) en sortie de ce moteur, un dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement (14) et un réformeur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite canalisation d'alimentation de gaz du réformeur (3) est connectée à ladite conduite d'échappement (10) en amont du dit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement (14), en un emplacement dit piquage (11). 8. Ligne d'échappement selon la revendication précédente, caractérisée que ladite conduite d'échappement (10) comporte une vanne commandée (12) disposée entre ledit piquage (11) et ledit dispositif catalytique de traitement (14) des gaz d'échappement. 9. Ligne d'échappement selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la commande de ladite vanne (12) est effectuée au moyen d'un capteur de pression (15) disposé en amont de la vanne et d'un capteur de pression (15) disposé en aval de la vanne. 10.Ligne d'échappement selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que ledit réformeur (1) comporte une sonde de richesse (13) en aval du dit catalyseur de réformage (5). 11.Ligne d'échappement selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que ledit dispositif catalytique de traitement (14) des gaz d'échappement comporte à son entrée des gaz d'échappement un clapet bypass (16) de dérivation de ces gazd'échappement vers une canalisation secondaire d'échappement (17) débouchant en aval du dit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement. 12.Ligne d'échappement selon l'une des revendications 7 à 11, 5 caractérisée en ce que ledit dispositif catalytique de traitement des gaz d'échappement (14) est un piège à oxydes d'azote.