Brevet FR2946390A1 — publié le 20101210

Moteur à combustion interne et procédé de fonctionnement associé à un tel moteur [000l] La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement le domaine des moteurs à combustion interne comprenant un système de traitement des émissions polluantes tel qu'un piège à NOx à stockage/déstockage, intégré dans une ligne d'échappement d'un tel moteur. [0002] Toute combustion pauvre et incomplète entraîne la production de NOx qui sont envoyés à l'échappement. Les NOx sont des polluants particulièrement nocifs à la fois pour la santé et pour l'environnement notamment ils: - sont irritants pour les voies respiratoires, - favorisent la formation d'ozone dans les basses couches de l'atmosphère, - participent à la formation des retombées acides et à l'eutrophisation des sols. [0003] En outre, les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro (euro 5, euro 6, euro 7...etc...), relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne ces oxydes d'azote (NOx) émis et rejetés à l'échappement. [0004 Dans les moteurs Diesel à injection directe, parmi les moyens mis en oeuvre pour dépolluer les gaz d'échappement, la réduction des émissions de NOx par un piège à NOx à stockage/déstockage est une solution technique. [0005 Ainsi, on peut envisager d'utiliser un piège à NOx constitué par exemple de sulfate de Baryum destiné à absorber les NOx pendant le fonctionnement standard d'un moteur Diesel. Quand le piège est saturé, on déclenche une phase de déstockage transitoire en basculant momentanément le moteur de ce mode de fonctionnement standard à un mode de régénération à mélange riche pour produire des réducteurs comme par exemple HC et CO, ce qui permet de réduire les NOx qui sont alors désorbés du piège. Un tel système de régénération d'un piège à NOx intégré dans une ligne d'échappement d'un moteur Diesel de véhicules est notamment décrit dans FR 2 846 370. [0006i Une autre manière de réduire les NOx consiste à utiliser la réduction catalytique sélective (SCR). Dans le système SCR, l'ammoniaque est utilisé comme agent réducteur sélectif, en présence d'un excès d'oxygène, pour convertir plus de 70% (jusqu'à 95%) des NOx (NO et NO2) en N2 grâce à un système catalytique adapté. Différents précurseurs d'ammoniaque peuvent être utilisés et le plus souvent on utilise une solution aqueuse d'urée précisément dosée depuis un réservoir séparé et vaporisée dans le système d'échappement en amont du catalyseur SCR, où elle est hydrolysée en ammoniaque. Toutefois, se pose alors le problème de la gestion d'un fluide complémentaire notamment au niveau de son stockage dans le véhicule. [000n Dans le document DE 103 32 047 est décrit un procédé de réduction catalytique sélective des NOx dans les gaz d'échappement d'un véhicule comportant un moteur à combustion fonctionnant à l'hydrogène. Les NOx, en particulier lors du fonctionnement du moteur avec un rapport air-carburant d'environ 1, sont éliminés en formant de l'ammoniaque (NH3) par réaction des NOx avec de l'hydrogène provenant du réservoir de carburant et ce, sur un catalyseur de synthèse de NH3. L'ammoniaque formée est ensuite utilisée sur un catalyseur SCR pour réduire les NOx en excès qui ne sont pas captés par la synthèse de l'ammoniaque. On propose donc ici à l'aide d'un moteur fonctionnant à l'hydrogène de synthétiser � à bord � l'ammoniaque servant à la réduction catalytique sélective. Toutefois, ceci implique un fonctionnement du moteur à l'hydrogène. [0008] Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention a donc pour but de proposer un moteur à combustion interne à au moins deux cylindres dont le fonctionnement permet de respecter les normes actuelles de niveau d'émissions polluantes. En particulier, la présente invention tend à proposer un moteur à au moins deux cylindres à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, et dans lequel au moins un cylindre dudit moteur est agencé pour fonctionner en mélange riche pour produire en plus des produits de combustion habituels tels que HC, CO, CO2, NOx, 02 et N2, de l'H2 utilisable pour le post-traitement des NOx. L'invention a pour principal avantage de proposer un moteur dont le mode de fonctionnement est dédié à des émissions de NOx ultra-basses. [000s] A cet effet, l'invention vise un moteur à combustion interne qui permet de traiter les NOx présents à l'échappement et qui ont été piégés sur un piège à NOx en proposant de purger ledit piège à NOx par production d'H2, soit pour réduire directement les NOx déstockés soit pour les convertir en ammoniaque utilisable ensuite pour une réduction catalytique sélective. [ooio] L'invention concerne donc un moteur à combustion interne à au moins deux cylindres comprenant des moyens d'admission d'air, des moyens d'alimentation en carburant, des moyens d'échappement des gaz de combustion produits par les cylindres, ledit moteur comportant un premier cylindre apte à fonctionner en mélange riche afin de générer des gaz de combustion chargés en hydrogène, les moyens d'alimentation étant prévus pour alimenter au moins le premier cylindre avec un carburant secondaire à base d'un hydrocarbure, ou d'un mélange d'hydrocarbures, ayant entre 1 et 4 atomes de carbone et au moins le ou les autres cylindres avec un carburant primaire différent du carburant secondaire, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement des NOx intégrés dans le circuit d'échappement des gaz. [0011] En effet, plus le nombre d'atome de carbone d'un hydrocarbure est bas, plus le ratio entre le nombre d'atomes d'hydrogène et le nombre d'atomes de carbone est élevé, et plus l'excès de carburant se traduira, après combustion, par une présence importante d'hydrogène dans les produits de combustion. [0012] De manière avantageuse, l'hydrogène produit est utilisable pour le post-traitement des NOx. [0013] Selon une première forme de réalisation, les moyens de traitement des NOx intégrés dans le circuit d'échappement du moteur selon l'invention sont constitués d'un piège à NOx dans lequel les NOx sont réduits et stockés, le fonctionnement en mode riche dudit au moins un premier cylindre déclenchant la purge du piège à NOx à l'aide del' H2 issu de ce cylindre. [0014] Ainsi, de manière avantageuse, le fonctionnement nominal dudit premier cylindre est en mode pauvre comme les autres cylindres du moteur selon l'invention et dès qu'il passe en mode de fonctionnement riche, la production de réducteurs tels que H2 mais aussi HC, CO provoquent la purge dudit piège à NOx et leur conversion sous forme de N2. Cette production de H2 favorise avantageusement une réaction de réduction plus rapide et complète, avec un meilleur rendement de conversion que si seuls HC et CO étaient produits. [0015] Selon une deuxième forme de réalisation, les moyens de traitement des NOx intégrés dans le circuit l'échappement sont constitués d'un piège à NOx suivi en aval d'un catalyseur SCR, le fonctionnement en mode riche dudit au moins un premier cylindre déclenchant la purge du piège à NOx, le piège à NOx étant du type capable de libérer les NOx sous forme de NO2 qui sont convertis à l'aide de l' H2 issu de ce cylindre en NH3 capté par le catalyseur SCR. Ainsi, le piège à NOx lors des passages en mode de fonctionnement riche dudit premier cylindre est purgé, les oxydes d'azote étant déstockés sous la forme de NO2 non réduits et étant convertis grâce à l' H2 présent, en ammoniaque stocké ensuite sur un catalyseur SCR pour être ainsi actif pour réduire les NOx à l'échappement, notamment ceux n'ayant pas été piégés sur le piège à NOx. [0016] De préférence, le carburant secondaire est à base de méthane. En effet, en tant qu'hydrocarbure, le méthane est apte à fournir la plus grande quantité d'hydrogène dans le cadre de l'invention car il représente le meilleur ratio hydrogène /carbone. [ooi7] En outre, le moteur est du type à allumage par compression. En effet, les moteurs à allumage par compression ont les meilleurs rendements de combustion. Le premier cylindre est alimenté par un mélange de carburant primaire et de carburant secondaire, pour obtenir un mélange riche dont les produits de combustion seront, grâce à la formulation du carburant secondaire chargés en hydrogène. De manière avantageuse, le carburant primaire est à base de gazole ou de biodiesel. [0018] Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne selon l'invention, caractérisé en ce que l'on alimente au moins périodiquement le premier cylindre en mélange riche, les gaz de combustion chargés d'hydrogène produits par le premier cylindre étant envoyés dans le circuit d'échappement au moins pour purger un piège à NOx. [0019] L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un moteur selon l'invention ainsi qu'un tel véhicule comportant en outre un moteur électrique. [0020] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du moteur selon l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un piège à NOx en fonctionnement mélange pauvre. - La figure 3 est une représentation schématique du piège à NOx en fonctionnement mélange riche. [0021] Sur la figure 1 est présenté un moteur à combustion interne 1 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. [0022] Le moteur 1 est un moteur multicylindres, de préférence, du type à allumage par compression, tel qu'un moteur Diesel. Le moteur 1 comprend quatre cylindres 2, 3, 4 et 5. Les cylindres 2, 3, 4 et 5 sont alimentés en air par des moyens d'admission 6. Les moyens d'admission 6 comprennent un conduit 7 d'air principal relié à des conduits ou tubulures d'admission 8, 9, 10, 11. Les tubulures d'admission 8, 9, 10, 11 répartissent l'air du conduit 7 respectivement dans les cylindres 2, 3, 4 et 5. [0023] Les cylindres 2, 3, 4 et 5 sont alimentés en carburant par des moyens d'alimentation 12. [0024] Les moyens d'alimentation 12 comprennent un premier circuit d'alimentation 13 relié à des injecteurs 15, 16, 17, 18 implantés de manière à injecter directement ledit carburant respectivement dans les cylindres 2, 3, 4 et 5. De préférence le carburant primaire est à base de gazole ou de biodiesel. [0025] Alors que le gazole est un produit pétrolier, on entend ici par biodiesel, un biocarburant apte à faire fonctionner un moteur de type Diesel obtenu à partir d'huile végétale ou animale, transformée par un procédé chimique tel que de la transestérification en faisant réagir cette huile avec un alcool ou d'hydrogénation. Le biodiesel peut être utilisé seul dans le moteur ou mélangé avec du gazole. [0026] Les moyens d'alimentation 12 comprennent aussi un second circuit d'alimentation 14 d'un carburant secondaire relié à des injecteurs 19, 20, 21, 22. Les injecteurs 19, 20, 21, 22 sont implantés dans leur tubulure d'admission respective 8, 9, 10, 11 de manière à injecter indirectement ledit carburant secondaire dans les cylindres correspondants 2, 3, 4 et 5. On pourrait envisager également que les injecteurs 19, 20, 21, 22 sont implantés de manière à injecter directement le carburant secondaire dans les cylindres correspondants. [0027] De préférence, le carburant secondaire est à base d'un hydrocarbure ou d'un mélange d'hydrocarbures ayant entre 1 et 4 atomes de carbone et le carburant secondaire est différent du carburant primaire. De préférence encore, le carburant secondaire est à base de méthane. En pratique, un gaz naturel, tel que du gaz de ville convient donc fort bien. [0028] Par ailleurs, le moteur 1 comprend des moyens d'échappement 23 des gaz produits par la combustion du mélange d'air et de carburant introduits dans les cylindres. Les moyens d'échappement comprennent une ligne d'échappement 24 reliée à des tubulures d'échappement 25, 26, 27, 28. Les tubulures d'échappement 25, 26, 27, 28 collectent les gaz d'échappement pour les transmettre aux moyens d'échappement 23, celle-ci comportant en aval un piège à NOx 29 selon une première forme de réalisation. [0029] Ce piège à NOx 29 est représenté à la figure 2a où dans le mode de fonctionnement normal ou mode de fonctionnement en mélange pauvre dont la richesse est inférieure à 1, les NOx sont piégés selon le mécanisme et les réactions visibles sur la figure 2. [0030] De manière classique, le piège à NOx est doté d'un revêtement catalytique contenant du platine et/ou du palladium, du Rhodium et au moins un composé choisi parmi les alcalins et/ou les alcalinoterreux tels que le Baryum. La fonction du platine et/ou du palladium est de catalyser l'oxydation des hydrocarbures HC, du monoxyde de carbone CO et du monoxyde d'azote NO, le rhodium quant à lui étant destiné à catalyser la réaction de réduction des NOx en azote N2 tandis que le baryum permet d'adsorber les NOx sous forme de nitrates. [0031] Un tel piège 29 qui stocke les NOx doit être régulièrement purgé pour continuer à être efficace et les NOx libérés doivent être convertis en N2, notamment en présence de réducteurs tels que HC, CO et H2 (cf. figure 3). [0032] Dans ce mode de réalisation, la production d'H2 favorisée permet une réaction de réduction plus rapide et plus complète des NOx déstockés du piège à NOx, le rendement de conversion des NOx en N2 étant meilleur avec H2 comme agent de réduction qu'avec HC ou CO simplement. [0033] Ainsi pour favoriser la réduction des polluants NOx (NO, NO2) qui sont présents à l'échappement, on effectue périodiquement une purge du piège à NOx avec des points de fonctionnement moteur périodiques pour lesquels il est requis que les gaz d'échappement soient enrichis en hydrogène, et ainsi on alimente le premier cylindre 2 avec un mélange riche de première richesse 01 supérieure à 1, les autres cylindres 3, 4 et 5 avec un mélange pauvre de seconde richesse 02 inférieure à 1. [0034] Dans un moteur 1 tel que représenté à la figure 1, le premier cylindre est alimenté de préférence par un mélange de carburant primaire et de carburant secondaire. Plus précisément, la première richesse 01 est obtenue en admettant dans le premier cylindre 2 un mélange d'air issu de la tubulure 8 et de gaz naturel injecté par l'injecteur de gaz 19 dans les proportions requises. Le mélange est ensuite comprimé et une injection de gazole par l'injecteur 15 permet d'allumer le mélange riche. Cette injection de gazole, peut être réduite au juste nécessaire pour assurer l'allumage du mélange, ce qui est favorable au bilan d'émission de CO2 du premier cylindre 2 et donc du moteur. [0035] D'une manière générale, l'excès de carburant se traduit après combustion par la présence importante dans les produits de combustion de monoxyde de carbone (CO), et d'hydrogène (H2). L'équation de combustion d'un hydrocarbure de formule générale CnHm, avec n et m, respectivement le nombre d'atomes de carbone et le nombre d'atome d'hydrogène dans la molécule d'hydrocarbure est la suivante : CnHm+(n+(m// + 3,78N2) - al • CO2 + a2 • H20 + a3 • CO + a4 • H2 + a5 N2 (1) avec a1 à a5 les fractions molaires des produits de combustion, et c la richesse du mélange déterminé par la relation, connue en soi, suivante : MCARBURANT MAIR REEL (2) [0036] L'invention, selon ce premier mode de réalisation, permet grâce à l'usage de gaz naturel, de produire une plus grande quantité molaire d'hydrogène (H2). En effet, 10 l'avantage à générer de l'hydrogène à partir du gaz naturel est le suivant : [0037] Le gaz naturel est classiquement constitué à plus de 90% de méthane (CH4). La molécule CH4 possède un rapport H/C entre nombre d'atomes d'hydrogène (H) sur le nombre d'atomes de carbone (C) de 4, soit plus élevé que n'importe quel autre carburant à base d'hydrocarbures. A titre indicatif, le rapport H/C d'une essence est 15 typiquement compris entre 1.7 et 1.9. Le méthane est donc le composé le plus favorable pour la plus grande production de quantité molaire de H2. [0038] La présence d'hydrogène issu des gaz d'échappement du premier cylindre 2 favorise le déstockage des NOx piégés dans un piège à NOx. [0039] Pour les points de fonctionnement moteur pour lesquels des gaz 20 d'échappement enrichis en hydrogène n'est pas requis, les quatre cylindres 2, 3, 4, 5 fonctionnement à même richesse. [0040] Le second mode de réalisation du moteur selon l'invention diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend de plus dans la ligne d'échappement un catalyseur SCR en aval du piège à NOx, ce dernier étant capable de déstocker les 25 oxydes d'azote sous forme de NO2. MCARBURANT MAIR STOECHIO [0041] Ainsi, pour permettre la purge du piège à NOx comme dans le premier mode de réalisation, on requiert des points de fonctionnement moteur pour lesquels les gaz d'échappement sont enrichis en hydrogène, le premier cylindre 2 étant alimenté avec un mélange riche de première richesse 01 supérieure à 1, les autres cylindres 3, 4 et 5 étant alimentés avec un mélange pauvre de seconde richesse 02 inférieure à 1. Le piège à NOx est en mesure de déstocker des oxydes d'azote sous forme de NO2. Le NO2 déstocké du piège à NOx sans être réduit, réagit en présence de l'hydrogène selon la réaction suivante: 2NO2 + 3H2 - 2 NH3 + 2 02 . [0042] Le NH3 produit est alors stocké sur le catalyseur SCR qui est ainsi actif pour réduire les NOx à l'échappement qui n'auraient pas été piégés par le piège à NOx. [0043] Selon une variante, le moteur 1 peut être du type par allumage commandé essence. Le carburant primaire est alors une essence ou tout autre carburant adapté aux moteurs à allumage commandé tel que par exemple des mélanges comprenant de l'éthanol comme L'E85. [0044] Selon une autre variante de l'invention, les moyens d'alimentation 12 comprennent un second circuit d'alimentation 14 de carburant secondaire, tel que du gaz naturel, relié à des injecteurs 19, 20, 21, 22. Dans cette variante, chacun des injecteurs 19, 20, 21, 22 est implanté dans son cylindre correspondant 2, 3, 4 et 5 de manière à injecter directement ledit carburant. [0045] Selon une autre variante, les moyens d'alimentation 12 comprennent un second circuit d'alimentation 14 de carburant secondaire, tel que du gaz naturel, relié seulement au premier cylindre 2. Ainsi tous les cylindres sont alimentés en carburant primaire et seul le premier cylindre 2 est alimenté en carburant secondaire. Cette variante est plus économique car elle ne nécessite qu'un seul injecteur à gaz, toutefois le bilan CO2 est moins intéressant. [0046] Selon une autre variante, le gaz naturel peut être remplacé par du GPL. En effet ce carburant permet une plus grande capacité de stockage mais comme il est constitué d'hydrocarbures plus chargés en carbone que le méthane du gaz naturel, les bilans hydrogène et CO2 sont moins intéressants. [0047] L'invention a pour principal avantage de proposer un moteur dont le mode de fonctionnement est dédié à des émissions de NOx ultra-basses et d'autoriser la combustion de mélanges pauvres homogènes proches de la limite d'inflammabilité, ce qui permet de réaliser un gain notable en émission de CO2 tout en dépolluant efficacement à la source les émissions de NOx. REVENDICATIONS1. Moteur (1) à combustion interne à au moins deux cylindres (2, 3, 4, 5) comprenant des moyens (6) d'admission d'air, des moyens d'alimentation (12) en carburant, des moyens d'échappement (23) des gaz de combustion produits par les cylindres (2, 3, 4, 5), ledit moteur comportant un premier cylindre (2) apte à fonctionner en mélange riche afin de générer des gaz de combustion chargés en hydrogène, les moyens d'alimentation (12) étant prévus pour alimenter au moins le premier cylindre (2) avec un carburant secondaire à base d'un hydrocarbure, ou d'un mélange d'hydrocarbures, ayant entre 1 et 4 atomes de carbone et au moins le ou les autres cylindres (3, 4, 5) avec un carburant primaire différent du carburant secondaire, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement (29) des NOx intégrés dans le circuit d'échappement des gaz. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de traitement des NOx intégrés dans le circuit d'échappement sont constitués d'un piège à NOx (29) dans lequel les NOx sont réduits et stockés, le fonctionnement en mode riche dudit au moins un premier cylindre (2) déclenchant la purge du piège à NOx (29) à l'aide de l' H2 issu de ce cylindre (2). 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement des NOx intégrés dans le circuit d'échappement sont constitués d'un piège à NOx (29) suivi en aval d'un catalyseur SCR, le fonctionnement en mode riche dudit au moins un premier cylindre (2) déclenchant la purge du piège à NOx, ce dernier étant du type capable de libérer les NOx sous forme de NO2 qui sont convertis à l'aide del' H2 issu de ce cylindre en NH3 capté par le catalyseur SCR. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le carburant secondaire est à base de méthane. 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4,caractérisé en ce que ledit moteur est du type à allumage par compression. 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier cylindre (2) est alimenté par un mélange de carburant primaire et de carburant secondaire. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que le carburant primaire est à base de gazole ou de biodiesel. 8. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on alimente au moins périodiquement le premier cylindre (2) en mélange riche, les gaz de combustion chargés d'hydrogène produits par le premier cylindre (2) étant envoyés dans le circuit d'échappement au moins pour purger un piège à NOx. 9. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un moteur selon l'une des revendications 1 à 7.