Brevet FR2941499A1 — publié le 20100730

Moteur à combustion interne comportant un moyen de production d'hydrogène Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement le domaine des moteurs à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement. Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro V, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOx). Parmi les moyens mis en oeuvre pour dépolluer les gaz d'échappement, le recyclage des gaz d'échappement (EGR, pour les initiales de l'expression Exhaust Gas Recirculation) constitue, tant pour les moteurs à essence que les moteurs Diesel, une excellente méthode de réduction des émissions de NOx. Le principe de l'EGR réside dans l'introduction d'une quantité donnée de gaz d'échappement en remplacement d'une partie de l'air frais à l'admission des moteurs. Le fait de réintroduire des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur permet, par la réduction de la concentration en oxygène et de la température de combustion de limiter les réactions de formation des NOx pendant la combustion. Il existe principalement deux architectures de circuit de recirculation de gaz d'échappement. Selon une première architecture le circuit de recirculation des gaz d'échappement est du type dit � Haute Pression � (HP) lorsque, pour un moteur à combustion interne doté d'un turbocompresseur, les gaz d'échappement sont prélevés en amont de la turbine du turbocompresseur pour être réinjectés en aval du compresseur du turbocompresseur. Selon une seconde architecture le circuit de recirculation des gaz d'échappement est du type dit � Basse Pression � (BP) lorsque, pour un moteur à combustion interne doté d'un turbocompresseur, les gaz d'échappement sont prélevés en aval de la turbine du turbocompresseur pour être réinjectés en amont du compresseur du turbocompresseur. D'un point de vue physico-chimique, on constate que la vitesse de flamme diminue fortement avec la présence d'un système EGR. Même un recours à une augmentation de la turbulence ne peut pallier ce déficit de vitesse que l'on peut qualifier de � chimique �. On a pu également constater que l'enrichissement du système EGR en hydrogène (H2) permet d'augmenter de manière importante la vitesse de flamme et ainsi de contrebalancer l'effet cinétique de la dilution due au système EGR. Cependant, d'un point de vue pratique, il paraît difficile de faire fonctionner un moteur avec deux carburants distincts, ce qui nécessiterait notamment deux réservoirs et deux systèmes de distribution du carburant également distincts. Il est bien connu par ailleurs que les gaz d'échappement sont chauds et chargés de vapeur d'eau. On peut en déduire que cette vapeur d'eau peut être une source d'hydrogène. Il est connu, comme le décrit le document FR2880657, de produire de l'hydrogène (H2) par une opération physico-chimique dite de �reformage�, en faisant réagir des molécules de carburant avec une partie de la vapeur eau contenus dans les gaz d'échappement pour produire de l'hydrogène. Cependant, pour une efficacité optimale du reformage du carburant en hydrogène, il est nécessaire de conduire les réactions chimiques de reformage à température élevée, ce qui conditionne, un positionnement du système de reformage au plus près de la sortie du moteur afin de profiter d'une température de gaz d'échappement élevée ou de prévoir des systèmes de chauffage auxiliaires pour maintenir le reformeur à température. Ces systèmes de chauffages auxiliaires sont consommateur d'énergie ce qui impacte à la hausse la consommation de carburant d'un véhicule comportant un tel dispositif de reformage. De plus, dans le cas d'un moteur suralimenté, ce dispositif, en raison de la température élevée nécessaire des gaz d'échappement est principalement compatible d'une architecture EGR HP et ne pourra pas fonctionner sur une architecture EGR BP. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un moteur à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement et un moyen de production d'hydrogène ne nécessitant pas de haute température de fonctionnement. L'invention concerne donc un moteur à combustion interne comportant un moyen de production d'hydrogène à partir d'eau contenue dans des gaz d'échappement, caractérisé35 en ce qu'il comporte un condenseur pour condenser au moins une partie de l'eau contenue à l'état de vapeur dans les gaz d'échappement et que le moyen de production d'hydrogène est un électrolyseur relié au condenseur pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau condensée. L'invention a pour avantage supplémentaire de produire de l'hydrogène sans injection supplémentaire de carburant et d'eau comme cela est le cas pour du reformage. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 10 - le moteur comportant de plus un circuit de recirculation des gaz d'échappement reliant une conduite d'échappement à un conduit d'admission, le condenseur est un refroidisseur de gaz d'échappement de recirculation. On profite ainsi d'un échangeur thermique habituellement existant dans un circuit de recirculation de gaz d'échappement pour 15 réaliser la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement prélevés dans le but d'être recirculés. - la conduite d'échappement comportant un filtre à particules, le circuit de recirculation est relié à la conduite d'échappement en aval dudit filtre à particules. En effet, on assure ainsi un recyclage des gaz exempt de particules. 20 - le refroidisseur comprend une sortie d'évacuation en partie basse dudit refroidisseur pour évacuer par gravité l'eau condensée. On a ainsi un moyen simple et économique de récupération des condensats. - une pompe est comprise en amont de l'électrolyseur, pour refouler l'eau condensée par le refroidisseur. On assiste ainsi l'alimentation en eau de l'électrolyseur. 25 - un réservoir est compris entre la pompe et le refroidisseur pour stocker provisoirement l'eau condensée. - l'électrolyseur comprend une structure en U avec des sorties d'évacuation de l'oxygène et de l'hydrogène produits distinctes. En effet, les gaz s'élevant au-dessus de leur électrode d'électrolyse par la poussée d'Archimède sont ainsi gardés séparés et 30 inoffensifs. - l'hydrogène produit est réinjecté à l'admission et/ ou à l'échappement. En effet, par addition d'hydrogène à l'admission on peut doper la vitesse de combustion et à l'échappement on peut améliorer la dépollution. - L'invention peut comprendre avantageusement un capteur d'hydrogène ou une sonde 35 proportionnelle d'oxygène pour mesurer la quantité d'hydrogène injectée. L'invention a aussi pour objet un véhicule comprenant un moteur selon l'invention.5 Brève description des dessins 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 mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique partielle du refroidisseur de gaz d'échappement du circuit de recirculation. - La figure 3 est une représentation schématique d'une mode de réalisation de l'électrolyseur. Description détaillée La figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne 1 équipé d'un turbocompresseur de suralimentation 2. Le moteur 1 comprend dans l'exemple illustré quatre cylindres 3 recevant de l'air comprimé par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 4, les gaz d'échappement étant véhiculés par un collecteur d'échappement 5. Dans l'exemple illustré, les gaz d'échappement sont traités en passant successivement par un catalyseur d'oxydation 6, par un catalyseur deNOx 7, puis par un filtre à particules 8 disposé sur la ligne d'échappement 9. Le catalyseur d'oxydation 6 permet l'élimination des hydrocarbures imbrûlés HC, du monoxyde de carbone CO et l'oxydation d'une partie des oxydes d'azote NO en NO2. Le catalyseur deNOx 7 permet la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement. Le filtre à particules 8 permet de retenir les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement. La présence du catalyseur d'oxydation 6 et du catalyseur deNOx 7 n'est pas essentielle pour la réalisation de l'invention. De même d'autres organes de dépollution non représentés sur la figure 1 tels qu'un second catalyseur d'oxydation ou un catalyseur SCR permettant la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOX et un agent réducteur peuvent compléter la ligne d'échappement, pour améliorer le traitement antipollution des gaz d'échappement. Dans l'exemple illustré, qui concerne par exemple un moteur Diesel, il est prévu de recycler une partie des gaz d'échappement au moyen d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement 10 dit � basse pression �. Le circuit de recirculation 10 prélève des gaz d'échappement de la ligne d'échappement 9 du moteur 1, en aval de la turbine 11 du turbocompresseur 2, plus précisément en aval du filtre à particules 8 pour assurer un recyclage des gaz exempt de particules. Les gaz d'échappement prélevés par le circuit de recirculation alimentent un conduit d'admission 12 d'un mélange air/gaz d'échappement en amont du compresseur 13 du turbocompresseur 2. Ce circuit de recirculation 10 comprend une vanne de régulation 14 pour régler le débit des gaz d'échappement recyclés en entrée du moteur 1. Le circuit de recirculation 10 comprend également un refroidisseur 15 tel qu'un échangeur de chaleur à tubes, disposé en amont de la vanne de régulation 14, échangeant des calories avec le liquide du circuit de refroidissement pour refroidir les gaz d'échappement afin de ne pas introduire des gaz trop chauds dans les cylindres 3, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique. Un montage inverse, c'est-à-dire avec le refroidisseur 15 en aval de la vanne de régulation 14 de débit de gaz recirculés est aussi possible. Comme illustré sur la figure 2, le refroidisseur 15 comprend des tubes 16 dans lequel circulent les gaz d'échappement (flèche A). Les gaz d'échappement chaud prélevés par le circuit de recirculation 10 sont chargés de vapeur d'eau. En fonction du mode de fonctionnement du moteur, la quantité d'eau variera sensiblement linéairement en fonction de la richesse du mélange pour atteindre 7,5% massique environ à la stoechiométrie. Avantageusement, le refroidisseur 15 du circuit de recirculation 10 est utilisé dans l'invention pour sa fonction supplémentaire de condenseur. En effet, en traversant le refroidisseur 15, la température des gaz d'échappement diminue et l'excédent d'eau que les gaz ne peuvent plus contenir se condense. L'eau condensée s'écoule et s'accumule par gravité en partie basse dudit refroidisseur 15 (flèche B). Conformément à l'invention, le refroidisseur 15 comprend une sortie d'évacuation 17 en partie basse dudit refroidisseur pour permettre l'évacuation et la récupération par gravité de l'eau contenue dans les gaz d'échappement. La sortie d'évacuation 17 est reliée à un réservoir 18 (figure 1) dans lequel l'eau condensée est récoltée et stockée. Le réservoir 18 est relié à une pompe 19, telle qu'une pompe électrique, elle-même reliée à un électrolyseur 20. La pompe 19 a pour fonction de refouler l'eau du réservoir 18 vers l'électrolyseur 20. Le réservoir 18 peut servir à stocker l'eau condensée en provenance du refroidisseur 15 à un moment où l'électrolyse n'est pas requise, ou encore à envoyer vers l'électrolyseur 20 un débit d'eau supérieur à ce que peut produire au même moment le refroidisseur 15. L'électrolyseur est alimenté électriquement par une source électrique 21. La source électrique 21 peut être une batterie non représentée ici ou encore, afin de ne pas pénaliser le bilan énergétique du moteur, un dispositif de récupération d'énergie tel que à titre indicatif, le moteur étant embarqué dans un véhicule, un dispositif de récupération d'énergie à la décélération ou un dispositif de récupération d'énergie à l'échappement non explicités ici. En effet, un bilan réactionnel à partir d'une formulation générique d'un carburant commercial, gazole ou essence, nous donne : CnH, 8n + 5,48n (02 + 3,773N2) - nCO2 + 0,9nH2O + 3,773 - 54n N2 (1) Avec n=8 pour une essence et n=12 pour un diesel. Ce bilan nous permet de déduire que l'on peut avoir au mieux environ 10% en volume de vapeur d'eau dans les gaz d'échappement, soit potentiellement 10% en volume d'hydrogène. En prenant en compte le pouvoir calorifique du carburant (environ 44 kJ/kg) et celui de l'hydrogène (sensiblement 120 kJ/kg), on a donc approximativement 15% d'énergie issu de l'hydrogène lorsque le moteur utilise un taux de 35% de gaz de recirculation. Le rendement électrique d'un électrolyseur est d'environ 50% par rapport à l'énergie récupérable sous forme d'hydrogène. Donc le coût électrique maximum serait de 30% de l'énergie introduite par le carburant, donc de l'ordre de grandeur des pertes énergétiques à l'échappement ou des pertes énergétiques par le fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne actuel. Cette estimation est un maximum et en pratique les besoins en hydrogène sont moindres. On montre ainsi qu'il est possible et réaliste de trouver l'énergie nécessaire à la réalisation de l'invention par la mise en place d'un système de récupération d'énergie. La décomposition de l'eau par électrolyse de l'eau dans l'électrolyseur 20 s'effectue selon les réactions chimiques connues suivantes : Oxydation à l'anode (reliée au pôle positif du générateur) : 2 H2O (liquide) - 02 (gaz) + 4H+(aqueux) + 4e- Réduction à la cathode (reliée au pôle négatif du générateur) : 4 H2O (liquide) + 4e- - 2H2 (gaz) + 4OH-(aqueux) Avec, au global : 2 H2O (liquide) - 2H2 (gaz) + O2(gaz) Le système électrolytique produit donc de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) gazeux en utilisant l'eau des gaz d'échappement condensée. La figure 3 présente un schéma de principe d'un mode de réalisation de l'électrolyseur 20. L'électrolyseur 20 comprend une anode 27 reliée au pôle positif de la source électrique 21 et une cathode 28 reliée au pôle négatif de la source électrique 21. L'oxygène est produit à l'anode 27 tandis que l'hydrogène est produit à la cathode 28. Dans l'exemple illustré, la collecte de l'oxygène et de l'hydrogène est séparée pour empêcher l'obtention d'un mélange gazeux d'hydrogène et d'oxygène explosif. Ainsi, l'oxygène est dirigé vers une première sortie 29. Cette première sortie 29 peut être une évacuation à l'air libre ou être utilisée dans une application qui sort du cadre de cette invention. L'hydrogène est dirigé vers une seconde sortie 30 à destination des applications moteur. L'électrolyseur 20 à de plus une entrée d'eau 31 reliée à la pompe 19 (figure 1). L'électrolyseur 20 forme une structure globalement en U avec une première branche destinée à la collecte et l'acheminement de l'oxygène vers la première sortie 29 et une seconde branche destinée à la collecte et l'acheminement de l'hydrogène vers la seconde sortie 30. Il est ainsi possible de faire fonctionner des organes de moteur alimentés par cette production d'hydrogène obtenu par réaction électrolytique. A cet effet, comme illustré en figure 1, un premier système de prélèvement 22 du gaz généré par l'électrolyseur 20 relié à la seconde sortie 30 est prévu pour diriger l'hydrogène vers le conduit d'admission 12 ainsi qu'un moyen d'injection 23, tel qu'un injecteur à gaz. L'implantation du moyen d'injection 23 peut aussi être faite au niveau du collecteur d'admission 3. L'implantation précise du moyen d'injection 23 est à déterminer par l'Homme du Métier de façon à obtenir une bonne répartition cylindre à cylindre 3 du (2) (3) (4) mélange admis pour la combustion, c'est-à-dire que l'hydrogène issu de l'électrolyseur 20 soit le plus intimement mélangé possible avec l'air d'admission. Ainsi, l'introduction de l'hydrogène gazeux obtenu par réaction électrolytique à l'admission permet notamment un fonctionnement du moteur avec des niveaux d'EGR importants tout en réduisant les émissions d'oxyde d'azote et en maintenant des niveaux relativement bas d'émissions de produits carbonés (CO, HC) et de particules. Un second système de prélèvement 25 relié à la seconde sortie 30 du gaz généré par l'électrolyseur 20 est prévu pour diriger l'hydrogène gazeux vers la ligne d'échappement 9 ainsi que des moyens d'injection 26, tel que qu'un injecteur à gaz. L'implantation des moyens d'injection 26 peut être faite en amont des organes de dépollution 6, 7, 8. Il est ainsi possible d'améliorer le fonctionnement des organes de dépollution du moteur 1, par cette production électrolytique d'hydrogène comme par exemple leur réchauffage afin de les amener à une température nominale avant le démarrage du moteur 1. Il est aussi possible de faire fonctionner les organes de dépollution à régénérer, tel que par exemple le filtre à particules 9, en injectant ce mélange en amont du catalyseur d'oxydation 6. L'hydrogène est oxydé dans le catalyseur d'oxydation 6. La réaction exothermique d'oxydation du mélange permet de régénérer le filtre à particules 9. Une unité de contrôle, non représenté, est prévue. Cette unité de contrôle est généralement reliée à une unité de contrôle du fonctionnement du moteur 1. L'unité de contrôle commande l'alimentation électrique 21 de l'électrolyseur 20, la pompe 19 pour alimenter en eau l'électrolyseur 20 ainsi que les moyens d'injection 22, 25. Ainsi, on pilote les étapes de production et de distribution de l'hydrogène gazeux obtenu par électrolyse. Avantageusement, on prévoit un capteur d'hydrogène (H2) 24 (ou une sonde d'oxygène 02 proportionnelle) pour mesurer la quantité d'hydrogène injectée disposé en aval de l'électrolyseur 20, par exemple sur le premier système de prélèvement 22 ainsi que sur le second système de prélèvement 25. Ces capteurs, reliés à l'unité de contrôle, sont utilisés avantageusement en complément des capteurs classiques, présents sur les moteurs de conception récente, pour ajuster au mieux les stratégies de contrôle de l'électrolyse. Ainsi en cours du fonctionnement du moteur 1, les gaz d'échappement produits circulent du collecteur d'échappement 5 vers la ligne d'échappement 9 en traversant successivement la turbine 11 du turbocompresseur 2 et les organes de dépollution 6,7, 8. Une partie de la chaleur de ces gaz d'échappement est perdue dans le même temps par échanges thermiques. Suite au passage des gaz d'échappement dans le filtre à particules 8, le circuit de recirculation 10 en prélève une partie. La partie de gaz d'échappement prélevée traverse le refroidisseur 15 refroidi par le liquide de refroidissement moteur. La baisse de la température des gaz d'échappement dans le refroidisseur 15 à pour conséquence la condensation de la vapeur d'eau contenue dans ces gaz. L'eau condensée ruisselle et s'évacue par la sortie d'évacuation 17 pour s'accumuler dans le réservoir 18. La pompe 19, pilotée par l'unité de contrôle charge l'électrolyseur 20 en eau condensée. Alimenté par la source électrique 21, l'électrolyse est réalisée aux borne des électrodes 27, 28. L'hydrogène produit est évacué par la seconde sortie 30 vers les moyens de prélèvement 22, 25 pour être réinjecté à l'admission 12 et / ou à l'échappement 9. En choisissant de prélever les gaz d'échappement de recirculation en aval d'au moins un des organes de dépollution, ce mode de réalisation présente l'avantage de pouvoir bénéficier d'une température de gaz d'échappement réduite par les pertes thermiques subies dans la ligne d'échappement 9 entre la sortie moteur et le prélèvement. Ainsi la condensation au niveau du refroidisseur 15 est plus facile. Ce mode de réalisation décrit en figure 1 n'est aucunement limitatif. Selon une variante sans turbocompresseur 2, car celui-ci n'est pas obligatoire pour la réalisation de l'invention, les gaz d'échappement de recirculation sont prélevés en aval des organes de dépollution disposés sur la ligne d'échappement, de préférence en aval du filtre à particules 8 puis réinsérés dans le conduit d'admission 12 ou dans le collecteur d'admission 4. De plus, l'invention ne se limite pas à un moteur de type Diesel. L'invention peut aussi s'appliquer aux moteurs à essence, turbocompressés ou non, pour lesquels les gaz d'échappement de recirculation sont prélevés en aval d'au moins un des organes se dépollution disposés sur la ligne d'échappement. En effet, on profite ainsi d'une température de gaz d'échappement inférieure à celle vue en sortie de moteur, ce qui facilite la condensation de la vapeur d'eau au niveau du refroidisseur 15. De plus, selon une variante, le moyen d'injection 23 de l'hydrogène gazeux peut être implanté dans le circuit de recirculation 10, en aval du refroidisseur 15, toutefois ce mode de réalisation limite l'usage de l'invention aux points de fonctionnement moteur avec recirculation de gaz d'échappement. L'invention a pour avantage d'utiliser une source d'eau déjà existante dans le véhicule, jusque là inutilisée et sans impact sur l'environnement. S'agissant de plus d'un système d'approvisionnement en eau autonome, il n'est plus besoin de faire le remplissage d'un réservoir. L'invention a pour avantage supplémentaire de permettre l'élimination de l'eau condensée générée par des échangeurs thermiques dont l'accumulation peut constituer en soi un problème technique. Revendications1. Moteur à combustion interne comportant un moyen de production d'hydrogène à partir d'eau contenue dans des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte un condenseur pour condenser au moins une partie de l'eau contenue à l'état de vapeur dans les gaz d'échappement et que le moyen de production d'hydrogène est un électrolyseur (20) relié au condenseur pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau condensée. 2. Moteur selon la revendication 1, comportant un circuit de recirculation des gaz d'échappement (10) reliant une conduite d'échappement (9) à un conduit d'admission (12), caractérisé en ce que le condenseur est un refroidisseur (15) de gaz d'échappement de recirculation. 3. Moteur selon la revendication 2, la conduite d'échappement (9) comportant un filtre à particules (8), caractérisé en ce que le circuit de recirculation (10) est relié à la conduite d'échappement (9) en aval dudit filtre à particules (8). 4. Moteur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que le refroidisseur (15) comprend une sortie d'évacuation (17) en partie basse dudit refroidisseur (15) pour évacuer par gravité l'eau condensée. 5. Moteur selon l'une quelconques des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en amont de l'électrolyseur (20), une pompe (19) pour refouler l'eau condensée par le refroidisseur (15) vers ledit électrolyseur. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend entre la pompe (19) et le refroidisseur (15) un réservoir (18) pour stocker provisoirement l'eau condensée. 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrolyseur (20) comprend une structure en U avec des sorties (29, 30) d'évacuation de l'oxygène et de l'hydrogène produits distinctes. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'hydrogène produit est réinjecté à l'admission (12) et/ ou à l'échappement (9). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur d'hydrogène ou une sonde proportionnelle d'oxygène (24) pour mesurer la quantité d'hydrogène injectée. 10. Véhicule automobile comprenant un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.