Brevet FR2943734A1 — publié le 20101001

PROCEDE DE REGENERATION D'UN MODULE CATALYTIQUE DE VAPOREFORMAGE DANS UNE BOUCLE DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT ET DISPOSITIF CATALYTIQUE DE VAPOREFORMAGE. [000l] La présente invention concerne un procédé de régénération d'un module catalytique de vaporéformage placés dans une boucle de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur thermique, essence ou Diesel. L'invention concerne également un dispositif catalytique de vaporéformage placé dans une boucle de recirculation des gaz d'échappement. [0002 Dans les moteurs thermiques, de l'air prélevé à l'extérieur pénètre dans un collecteur d'admission d'air puis est introduit dans les cylindres. Du carburant (essence ou gasoil) est injecté dans les cylindres. Le mélange carburant / air est enflammé et les gaz brûlés sont acheminés vers une boucle de gaz d'échappement en passant par un collecteur d'échappement. [0003 Il est connu de prélever une partie des gaz d'échappement à une sortie du collecteur d'échappement et de les recirculer par une boucle appelé boucle EGR (pour � Exhaust Gas Recirculation� en anglais) pour les injecter dans le collecteur d'admission d'air. La recirculation de ces gaz d'échappement a pour but de diminuer les émissions d'oxydes d'azote. [0004] La figure 1 illustre schématiquement le principe d'une boucle EGR. Un moteur à combustion interne 10, muni de plusieurs cylindres, comporte un collecteur d'admission d'air 11 qui reçoit de l'air A et un collecteur de gaz d'échappement 12. Des injecteurs (non représentés) injectent du carburant pulvérisé dans les cylindres. Le mélange air / carburant est enflammé. Les gaz brûlés dans les cylindres sont évacués par le collecteur d'échappement connecté à une ligne de gaz d'échappement 14 muni d'un pot d'échappement 13, lequel comporte souvent des catalyseurs. Une boucle EGR 15 constitue une liaison 16 qui permet de recirculer une partie des gaz d'échappement du collecteur d'échappement 12 vers le collecteur d'admission 11. Cette boucle EGR est composée principalement d'une vanne de régulation 17, permettant de contrôler précisément le débit de gaz d'échappement 2 injectés dans le collecteur d'admission 11, et d'un refroidisseur 18 afin de ne pas introduire des gaz trop chauds dans les cylindres. Un contrôleur (non représenté) permet de réguler les débits de fluides dans la boucle EGR. [0005] Cependant la recirculation des gaz d'échappement produit une augmentation des émissions d'éléments polluants, notamment les produits carbonés, comme les hydrocarbures imbrûlés (HC) ou le monoxyde de carbone (CO), et des suies. Pour pallier cet inconvénient, il a été montré qu'une admission de gaz riche en hydrogène dans le collecteur d'admission d'air, lors d'une recirculation des gaz d'échappement, permet de réduire ces émissions d'éléments polluants. [0006 Ainsi, la demande de brevet EP 1 688 608 propose une boucle EGR munie d'un système 19 comprenant un module catalytique de vaporéformage et des moyens d'injection, dans ledit module, d'un mélange d'eau et de carburant sous forme de vapeurs. Ce système produit de l'hydrogène qui est mélangé aux gaz d'échappement recirculés avant leur introduction dans le collecteur d'admission d'air. De manière connue, le reformage du carburant est obtenu en faisant réagir des molécules de carburant avec de l'eau et/ou de l'air pour produire de l'hydrogène. Les vapeurs d'eau peuvent se trouver dans les gaz d'échappement en quantité suffisante pour que la réaction de vaporéformage se produise : dans ce cas, il n'est alors pas nécessaire d'injecter de l'eau. [0007] Ce système présente cependant l'inconvénient d'un empoisonnement relativement rapide du module catalytique. En effet, lors de la réaction de vaporéformage, du carbone se dépose sur le catalyseur de vaporéformage, ce qui diminue considérablement l'efficacité du catalyseur. [0008] La présente invention propose un procédé et un dispositif permettant la 25 régénération du catalyseur de vaporéformage dans une boucle EGR d'un moteur thermique, essence ou Diesel. [0009] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de régénération d'un module catalytique de vaporéformage dans une boucle EGR d'un moteur thermique, selon lequel des gaz d'échappement circulant dans ladite boucle EGR sont mélangés 30 à de l'hydrogène produit par ledit module catalytique par réaction de vaporéformage de carburant injecté dans ladite boucle EGR. Selon l'invention, le procédé consiste : 3 • à diviser le flux des gaz d'échappement recyclés dans la boucle EGR en deux branches ; • à placer un système catalytique de vaporéformage dans chacune des deux branches, ledit module catalytique étant alors constitué par lesdits deux systèmes catalytiques montés en parallèle; • à injecter de l'air et du carburant en amont desdits systèmes catalytiques ; et • à moduler les débits d'air et/ou de carburant injectés de façon à faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage pendant lequel de l'hydrogène est produit par vaporéformage du carburant ou en mode de fonctionnement en régénération pendant lequel l'un desdits systèmes catalytiques est régénéré, lorsque l'un desdits systèmes fonctionnant en mode de réaction de vaporéformage l'autre système fonctionne en mode de régénération. [ooio] Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on passe du mode de fonctionnement en régénération en mode de fonctionnement en réaction de réformage de l'un desdits systèmes catalytiques en diminuant la quantité d'air injecté dans ledit système catalytique. [0011] Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, on passe du mode de fonctionnement en réaction de vaporéformage en mode de fonctionnement en régénération de l'un desdits systèmes catalytiques en arrêtant d'injecter du carburant dans ledit système catalytique ou en augmentant le débit d'air dans ledit système catalytique. [0012] L'invention concerne également un dispositif catalytique de vaporéformage placé dans une boucle EGR d'un moteur thermique, le dispositif comportant des moyens d'injection de carburant et d'air dans ladite boucle EGR. Selon l'invention, le dispositif comporte deux systèmes catalytiques montés en parallèle dans ladite boucle EGR en aval desdits moyens d'injection, et des moyens pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de réformage pendant lequel de l'hydrogène est produit par vaporéformage du carburant ou en mode de fonctionnement en régénération pendant lequel l'un desdits systèmes 4 catalytiques est régénéré, lorsque l'un desdits systèmes fonctionne en mode de réaction de vaporéformage l'autre système fonctionne en mode de régénération. [0013] Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage et en mode de régénération peuvent comporter une vanne munie d'une entrée recevant de l'air et deux sorties, l'une des sorties étant connectée en amont de l'un desdits systèmes catalytiques et l'autre sortie étant connectée en amont de l'autre système catalytique. [0014] Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage et en mode de régénération peuvent comporter une vanne munie d'une entrée recevant du carburant et deux sorties, l'une étant reliée en amont de l'un desdits systèmes catalytiques et l'autre sortie étant reliée en amont de l'autre système catalytique. [0015] Les vannes de ces modes de réalisation peuvent être commandées par un contrôleur, par exemple le contrôleur gérant habituellement les flux dans la boucle EGR. [0016] Le dispositif peut comporter une vanne de by-pass placée en amont desdits systèmes catalytiques et munie d'une entrée et de deux sorties, l'entrée recevant les gaz d'échappement circulant dans la boucle EGR, l'une des sorties étant reliée à l'entrée de l'un desdits systèmes catalytiques et l'autre sortie étant reliée à l'entrée de l'autre desdits systèmes catalytiques. [0017] Ladite entrée de la vanne de by-pass peut aussi recevoir du carburant, en plus des gaz d'échappement. [0018] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 montre, selon l'art antérieur, une boucle EGR munie d'un dispositif de vaporéformage ; • la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention ; et • la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention. 5 [0019] Sur la figure 2, une partie d'une boucle EGR est représentée. Les gaz d'échappement recyclés, provenant du collecteur d'échappement d'un moteur thermique essence ou Diesel, circulent dans une canalisation 20 dans le sens de la flèche 21. Du carburant, sous forme de vapeurs, est également injecté dans cette canalisation 20, à l'aide d'un injecteur non représenté. Ces gaz et le carburant pénètrent à l'entrée 23 d'une vanne de by-pass 22 munie de deux sorties 24 et 25. Chacune de ces sorties est connectée à un conduit, respectivement 26 et 27. Le conduit 26 relie la sortie 24 de la vanne de by-pass 22 à l'entrée 28 d'un premier système catalytique 29. Le conduit 27 relie la sortie 25 de la vanne de by-pass 22 à l'entrée 30 d'un deuxième système catalytique 31. Les sorties 32 et 33 des systèmes catalytiques respectivement 29 et 31 sont reliées à une canalisation 34, laquelle est connectée au collecteur d'admission d'air du moteur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'éléments classiques d'une boucle EGR comme par exemple un refroidisseur. [0020] Les systèmes catalytiques sont donc connectés en parallèle dans la boucle 20 EGR et forment deux branches distinctes. [0021] Les systèmes catalytiques comportent chacun un ou plusieurs catalyseurs provoquant une réaction de vaporéformage en présence de carburant et d'eau, ce qui produit de l'hydrogène. Les catalyseurs sont habituellement à base de métaux précieux, tels que le platine ou le rhodium. La quantité de carburant injecté dans la 25 canalisation 20 est suffisante pour qu'une réaction de vaporéformage puisse se produire dans les systèmes catalytiques 29 et 31. Les vapeurs d'eau habituellement présentes dans les gaz d'échappement sont généralement en quantité suffisante pour produire une réaction de vaporéformage. Si ce n'était pas le cas, il serait possible d'injecter des vapeurs d'eau en amont des systèmes catalytiques 29 et 31. 30 [0022] De l'air peut être apporté aux entrées des systèmes catalytiques 29 et 31 par une conduite 35 reliée à l'entrée 36 d'une vanne 37 munie de deux sorties 38 et 39. 6 La sortie 38 est reliée à l'entrée 28 du système catalytique 29 par l'intermédiaire d'une canalisation 40. Symétriquement, la sortie 39 est reliée à l'entrée 30 du système catalytique 21 par l'intermédiaire d'une canalisation 41. Le débit d'air amené aux systèmes catalytiques peut être réglé à l'aide de la vanne 37. [0023] Cette dernière, ainsi que la vanne de by-pass 22, sont contrôlées par un contrôleur 42, par exemple le contrôleur réglant les débits de fluides dans la boucle EGR. [0024] On remarque que le dispositif de la figure 2 se compose principalement de deux branches symétriques 44 et 45 composées chacune d'un conduit (respectivement 26, 27) et d'un système catalytique (respectivement 29, 31), les branches étant connectées en parallèle dans la boucle EGR, entre les conduites 20 et 34. [0025] Selon le procédé de l'invention, les systèmes catalytiques fonctionnent alternativement en mode de réaction de vaporéformage (pendant lequel de l'hydrogène est produit par le système catalytique) et en mode de régénération du système catalytique pendant lequel de l'air circule dans le système catalytique. Lorsque l'un des systèmes fonctionne en réaction de vaporéformage, l'autre système fonctionne en régénération. Lors de la régénération, le carbone déposé sur le catalyseur de vaporéformage est brûlé grâce à l'oxygène de l'air selon la réaction : C+1/202 CO2 [0026] On notera que l'air injecté peut aussi, dans certains cas (pour les moteurs essence par exemple), favoriser la réaction de vaporéformage dans la boucle EGR. [0027] Le dispositif représenté sur la figure 2 comporte donc deux systèmes catalytiques de vaporéformage 29 et 31 connectés en parallèle, une vanne de by- pass 22 permettant de distribuer le flux de gaz de recyclage entre les deux systèmes catalytiques et une vanne 37 permettant de distribuer l'air dans les deux conduites d'injection 26 et 27 agencées en parallèle en amont des systèmes catalytiques de vaporéformage 29 et 31 et en aval de la vanne de by-pass 22. [0028] Selon le procédé de l'invention, les deux systèmes catalytiques fonctionnent 30 alternativement soit en réaction, soit en régénération. 7 [0029] A titre d'exemple, lorsque le système catalytique 29 fonctionne en réaction de vaporéformage, 100% du flux de la canalisation 20 est injecté dans le conduit 26 (et donc 0% dans le conduit 27) et (100 ù x)% du débit d'air est injecté dans la canalisation 40. Le système catalytique 31 fonctionne alors en régénération, x% du débit d'air étant injecté dans la canalisation 41. [0030] Lorsque le système catalytique 29 est en régénération et le système catalytique 31 en réaction de vaporéformage, les flux sont inversés : 100% du flux de la canalisation 20 est injecté dans le conduit 27, (100 ù x)% du débit d'air dans la canalisation 41 et x% dans la canalisation 40. [0031] Le pourcentage du flux d'air x utilisé pour la régénération des systèmes catalytiques de vaporéformage dépend du type de moteur thermique. Par exemple, pour un moteur essence, x peut être compris entre 99 et 60, de préférence entre 95 et 70 et plus particulièrement entre 90 et 80. Pour un moteur Diesel, tout le flux d'air peut être dirigé vers le système catalytique devant fonctionner en mode de régénération, la réaction de vaporéformage pouvant se produire sans un apport d'air autre que celui contenu dans les gaz d'échappement. [0032] La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Le dispositif représenté est destiné, tout comme le dispositif de la figure 2, à être inséré dans une boucle EGR. Les éléments communs aux dispositifs des figures 2 et 3 portent les mêmes numéros de référence. Le dispositif de la figure 3 comporte deux branches 50 et 51, chacune comprenant un système catalytique de vaporéformage respectivement 29 ou 31 et un conduit 26 ou 27 reliant l'entrée 28 ou 30 du système catalytique respectivement 29 ou 31 à la canalisation 20. Les deux branches 50 et 51 sont connectées en parallèle entre la canalisation 20 et la canalisation 34. [0033] Des moyens 52 permettent d'injecter de l'air dans la canalisation 20. La quantité d'air injecté est suffisante pour obtenir des réactions de vaporéformage et de régénération des catalyseurs de vaporéformage. Des moyens 53 et 54 (des injecteurs par exemple) permettent d'injecter du carburant (des hydrocarbures), sous forme de vapeurs, dans les conduits respectivement 26 et 27, donc en amont des systèmes catalytiques et en aval des moyens d'injection d'air 52. Les moyens d'injection de carburant sont contrôlés par un contrôleur 55, par exemple le contrôleur contrôlant les 8 débits de fluide dans la boucle EGR. L'injection de carburant est utilisée pour produire de l'hydrogène par vaporéformage sur les catalyseurs. [0034] Les gaz d'échappement 56 pénètrent par la canalisation 20 et sortent du dispositif par la canalisation 34 dans le sens de la flèche 57. [0035] Le dispositif fonctionne de la façon suivante : • Au départ, les moyens d'injection 53 et 54 injectent la même quantité de carburant dans les canalisations 26 et 27. Les deux systèmes catalytiques 29 et 31 fonctionnent alors en mode de vaporéformage. • Après quelques minutes de fonctionnement, l'un des systèmes catalytiques de vaporéformage, par exemple le système 29, est mis en mode de fonctionnement en régénération en arrêtant l'injection de carburant dans la conduite 26, l'autre système catalytique 31 continuant de fonctionner en mode de vaporéformage. • Après une durée t correspondant à la fin de la régénération du système catalytique 29, l'injection de carburant est rétablie à sa valeur nominale dans la 15 conduite 26. La durée t peut être par exemple de l'ordre de la minute. • Le système catalytique de vaporéformage 31 est alors mis en fonctionnement en mode de régénération en supprimant l'injection de carburant dans la conduite 27. • Après une durée t' correspondant à la fin de la régénération du système 20 catalytique 31, l'injection de carburant est rétablie à sa valeur nominale dans la conduite 27. Le temps t' peut être égal au temps t et donc, à titre d'exemple, être de l'ordre de la minute. [0036] L'alternance des cycles de fonctionnement réaction de vaporéformage / régénération est poursuivie par réitération des séquences précédentes. 25 [0037] Le procédé de l'invention est non intrusif vis-à-vis du moteur, tout en minimisant la surconsommation de carburant puisque les conditions de fonctionnement du moteur (y compris la richesse du mélange alimentant le moteur) ne sont pas affectées par la mise en oeuvre du procédé. Le procédé s'applique quelque soit le régime de fonctionnement du moteur. [0038] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Procédé de régénération d'un module catalytique de vaporéformage dans une boucle EGR d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il consiste : • à diviser le flux des gaz dans la boucle EGR en deux branches (44, 45, 50, 51) ; • à placer un système catalytique de vaporéformage (29, 31) dans chaque branche, ledit module catalytique étant alors constitué par lesdits deux systèmes catalytiques (29, 31) montés en parallèle ; • à injecter de l'air (35, 52) et du carburant (53,54) en amont desdits systèmes catalytiques ; et • à moduler les débits d'air et/ou de carburant injectés pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage pendant lequel de l'hydrogène est produit ou en mode de fonctionnement en régénération pendant lequel l'un desdits systèmes catalytiques est régénéré, l'un desdits systèmes fonctionnant en mode de réaction de vaporéformage lorsque l'autre est régénéré. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on passe du mode de fonctionnement en réaction de vaporéformage en mode de fonctionnement en régénération de l'un desdits systèmes catalytiques en arrêtant d'injecter du carburant dans ledit système catalytique. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on passe du mode de fonctionnement en réaction de vaporéformage en mode de fonctionnement en régénération de l'un desdits systèmes catalytiques en augmentant le débit d'air dans ledit système catalytique. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on passe du mode de fonctionnement en régénération en mode de fonctionnement en réaction de réformage de l'un desdits systèmes catalytiques en diminuant la quantité d'air injecté dans ledit système catalytique. 5. Dispositif catalytique de vaporéformage placé dans une boucle EGR d'un moteur thermique, le dispositif comportant des moyens d'injection de carburant (53,54) et d'air (35,52) dans ladite boucle EGR, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte deux systèmes catalytiques de vaporéformage (29, 31) montés enparallèle dans ladite boucle EGR en aval desdits moyens d'injection, et des moyens (22, 37) pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de réformage et en mode de régénération, lorsque l'un desdits systèmes fonctionne en mode de réaction de vaporéformage l'autre système fonctionne en mode de régénération. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage et en mode de régénération comportent une vanne (37) munie d'une entrée recevant de l'air et deux sorties (38, 39), l'une (38) des sorties étant connectée en amont de l'un (29) desdits systèmes catalytiques et l'autre sortie (39) étant connectée en amont de l'autre système catalytique (31). 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire fonctionner lesdits systèmes catalytiques alternativement en mode de réaction de vaporéformage et en mode de régénération comportent des moyens (53,54) d'injection de carburant en amont de chacun desdits systèmes catalytiques. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection (35, 53, 54) sont contrôlés par un contrôleur (42, 55). 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de by-pass (22) placée en amont desdits systèmes catalytiques (29,31) et munie d'une entrée (23) et de deux sorties (24,25), l'entrée (23) recevant les gaz d'échappement circulant dans la boucle EGR, l'une (24) des sorties étant reliée à l'entrée (28) de l'un (29) desdits systèmes catalytiques et l'autre sortie (25) étant reliée à l'entrée (30) de l'autre (31) desdits systèmes catalytiques. 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite entrée (23) de 25 la vanne de by-pass reçoit les gaz d'échappement recyclés dans la boucle EGR et du carburant.