Brevet FR2941015A1 — publié le 20100716

DISPOSITIF ET PROCEDE DE RECIRCULATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A REFORMEUR D'HYDROGENE [0001] La présente invention concerne un dispositif et un procédé de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne à reformeur d'hydrogène. Elle concerne également un ensemble moteur muni d'un tel dispositif. [0002 Dans un moteur à combustion interne, les quatre temps du cycle thermodynamique, comprenant (1) l'admission d'un mélange gazeux comportant du gaz combustible et de l'air, (2) la compression du mélange gazeux, (3) la détente due à l'explosion du mélange et (4) l'échappement, se déroulent successivement dans une chambre de combustion du moteur. Les gaz introduits dans cette chambre de combustion sont constitués d'une part d'air et d'autre part de carburant, selon des proportions dosées de manière adéquate en fonction des moteurs et des systèmes d'allumage utilisés. Le mélange gazeux est alors enflammé dans la chambre de combustion. [0003] Il est connu, pour des moteurs à allumage commandé et à allumage par compression, de faire recirculer au moins une partie des gaz d'échappement vers l'admission d'air de la chambre de combustion pour réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et la consommation de carburant. [0004] L'invention s'applique donc en particulier aux moteurs à combustion interne essence ou Diesel pour véhicules automobiles dotés d'un circuit de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée d'un collecteur d'échappement et est ramenée dans un collecteur d'admission de la chambre de combustion du moteur. Cette partie des gaz d'échappement dérivée dans le circuit de recirculation est dite recirculée. [0005 Ce type de moteur a été introduit pour réduire les émissions d'oxyde d'azote formées lorsque la température dans la chambre de combustion devient trop élevée. Au-delà de 1300 °C environ, les atomes d'azote et d'oxygène peuvent se combiner entre eux dans la chambre de combustion pour former des molécules d'oxyde d'azote qui, combinées avec des molécules hydrocarbonés (HCx) en présence de soleil, produisent un brouillard polluant. [0006] La quantité d'oxyde d'azote peut être réduite en réduisant la température de combustion, en particulier en faisant recirculer des gaz d'échappement dans la chambre de combustion. En effet, les gaz d'échappement ont déjà brûlé et sont riches en di-azote (N2) et en dioxyde de carbone (CO2). Les gaz d'échappement recyclés diluent donc la charge combustible, ce qui entraîne un ralentissement et un refroidissement de la combustion. [0007] Cependant, la recirculation des gaz d'échappement produit une dégradation de la combustion par une augmentation des émissions de produits carbonés, comme les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO). Elle produit également une dégradation de la stabilité du moteur. D'un point de vue physico-chimique, la vitesse de flamme diminue fortement avec la présence de gaz recyclés et même une augmentation de turbulence ne peut pallier ce déficit de vitesse de flamme. Les gains apportés par cette recirculation des gaz d'échappement sont donc limités par la quantité maximale de gaz d'échappement admissible par le moteur. [0008] Pour résoudre ce problème, il a été montré qu'une adjonction de gaz riche en hydrogène (H2) dans le collecteur d'admission de la chambre de combustion, lors d'une recirculation des gaz d'échappement, permet de ne pas dégrader la combustion, d'augmenter le rendement du moteur sans dégradation des émissions d'hydrocarbures imbrûlés (HC), de monoxyde de carbone (CO) et de suies par une augmentation de la vitesse de flamme. Comme les gaz d'échappement sont chauds et chargés de vapeur d'eau, il est alors possible d'envisager de produire de l'hydrogène par reformage, autotherme voire endotherme, de carburant. [0009] La demande de brevet français publiée sous le numéro FR 2 880 657 propose donc un moteur à combustion interne comportant un circuit de recirculation de gaz d'échappement et un reformeur d'hydrogène conçu pour enrichir en hydrogène les gaz d'échappement recyclés par reformage catalytique de carburant. Grâce à cet enrichissement en hydrogène des gaz recirculés, leur quantité peut être augmentée sans dommage pour le fonctionnement du moteur. Le rendement du moteur est ainsi amélioré tout en limitant les émissions de produits carbonés. [ooi o] Le reformage catalytique de carburant est obtenu en faisant réagir des molécules de carburant (de composition CxHy) avec de l'eau (H20) et/ou de l'air (02 +3,76N2), tous les produits étant sous forme vapeur, pour produire de l'hydrogène selon, principalement, les trois réactions chimiques suivantes : - oxydation partielle du carburant : (1) CxHy + x/2 (02 + 3,76 N2) ù x CO + y/2 H2 +x/2 3,76 N2 - vapo-reformage du carburant : (2) CxHy + x H2Où x CO + (x + y/2) H2 - réaction de gaz à l'eau : (3) CO+xH20ùCO2+H2 [0011] Le chemin a privilégié pour la production de l'hydrogène reste celui des réactions (2) et (3) parce que ces deux réactions sont endothermiques alors que la réaction (1) est exothermique. En effet, les réactions (2) et (3) n'induisent pas de pénalité de surconsommation de carburant dans le processus d'obtention de 15 l'hydrogène. En outre la réaction (2) est particulièrement favorisée par des températures élevées et un excès de vapeur d'eau. On cherche donc au moins à équilibrer la consommation d'énergie de l'oxydation partielle du carburant avec les deux autres réactions pour obtenir un fonctionnement autotherme. [0012] Le reformeur d'hydrogène décrit dans le document FR 2 880 657 comprend 20 un dispositif d'injection de carburant et d'eau dans le circuit de reformage. Il ne prévoit pas d'injection d'air, partant du principe que de l'air est déjà présent dans les gaz d'échappement. Cependant cet air n'est pas toujours suffisant et un ajout d'air peut être nécessaire lors de phases de fonctionnement à basse température, de régénération ou d'amorçage. 25 [0013] Dans ces situations, il peut donc être utile de prévoir une injection supplémentaire d'air dans le dispositif d'injection du reformeur d'hydrogène. Cependant, l'utilisation de cette injection supplémentaire d'air est assez problématique en termes de coût et d'implantation. [0014] Pour mieux profiter des avantages en termes de dépollution que procure un 30 dispositif de recirculation de gaz d'échappement à reformeur d'hydrogène, il peut être souhaité de prévoir un dispositif qui permette de s'affranchir des problèmes et contraintes précités. [0015] L'invention a donc pour objet un dispositif de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne, comportant un circuit de recirculation dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée et ramenée dans un collecteur d'admission d'une chambre de combustion du moteur, et un reformeur d'hydrogène conçu pour enrichir en hydrogène les gaz d'échappement recirculés, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de réglage de la proportion d'air d'un mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion en fonction d'une quantité d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement recirculés pour leur enrichissement par le reformeur d'hydrogène. [0016] Ainsi, sans nécessiter l'ajout d'une injection supplémentaire d'air dans le reformeur d'hydrogène, un dispositif selon l'invention permet de régler la quantité d'air présent dans les gaz d'échappement recyclés pour une optimisation du reformage catalytique de carburant, en enrichissant ou en appauvrissant le mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion du moteur. En effet, on notera par exemple qu'une richesse de 0,9 du mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion ne pénalise pas la combustion mais induit déjà environ 3% d'oxygène dans les gaz d'échappement, ce qui constitue une quantité notable pour un bon fonctionnement du reformeur d'hydrogène. [0017] De façon optionnelle, un dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon l'invention peut comporter un dispositif de détection d'une quantité d'air présent dans les gaz d'échappement, et le dispositif de réglage de la proportion d'air peut être commandé en fonction de la quantité d'air mesurée par le dispositif de détection. [0018] De façon optionnelle également, le dispositif de détection est une sonde lambda placée dans une ligne d'échappement du moteur entre le collecteur d'échappement et un catalyseur d'échappement apte à traiter les gaz d'échappement avant leur expulsion vers l'extérieur. [0019] De façon optionnelle également, le reformeur d'hydrogène comporte un dispositif d'injection de carburant et un catalyseur apte à provoquer une réaction d'oxydation partielle du carburant injecté, une réaction de vaporéformage du carburant injecté et une réaction de gaz à l'eau. [0020] De façon optionnelle également, le reformeur d'hydrogène est disposé dans le circuit de recirculation. [0021] De façon optionnelle également, une vanne de régulation de la quantité de gaz d'échappement recirculés est disposée dans le circuit de recirculation en aval du reformeur d'hydrogène dans le sens de circulation des gaz. [0022] De façon optionnelle également, un dispositif de refroidissement est disposé dans le circuit de recirculation. [0023] De façon optionnelle également, le dispositif de refroidissement est disposé en aval du reformeur d'hydrogène dans le sens de circulation des gaz. [0024] L'invention a également pour objet un ensemble moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion, un collecteur d'admission de la chambre de combustion, un collecteur d'échappement de la chambre de combustion, et un dispositif de recirculation de gaz d'échappement tel que défini précédemment. [0025] Enfin, l'invention a également pour objet un procédé de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne, comportant une étape de dérivation, à l'aide d'un circuit de recirculation, d'une partie des gaz d'échappement à partir d'un collecteur d'échappement vers un collecteur d'admission d'une chambre de combustion du moteur, et une étape d'enrichissement en hydrogène des gaz d'échappement recirculés, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de réglage de la proportion d'air d'un mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion en fonction d'une quantité d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement recirculés pour leur enrichissement en hydrogène. [0026] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé dans lequel la figure 1 unique représente schématiquement un ensemble moteur à recirculation de gaz d'échappement selon un mode de réalisation de l'invention. [0027] L'ensemble moteur à combustion interne représenté sur la figure 1 comporte un moteur à combustion interne comprenant une chambre de combustion 10 à quatre cylindres 121, 122, 123, 124. Ce moteur est par exemple un moteur essence, mais l'invention s'applique également à un moteur Diesel. Ce moteur comprend en outre un collecteur d'admission 14 et un collecteur d'échappement 16 fournissant des gaz d'échappement à une ligne 18 d'échappement du moteur. [0028] La ligne d'échappement 18 comporte un catalyseur d'échappement 20 adapté pour traiter les gaz d'échappement avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure, de façon connue. Elle peut également comporter, en amont du catalyseur d'échappement 20 dans le sens d'écoulement des gaz, un dispositif 22 de détection d'une quantité d'air présent dans les gaz d'échappement. Ce dispositif de détection 22 est par exemple une sonde d'échappement, généralement qualifiée de sonde lambda. [0029] Le collecteur d'admission 14 est alimenté en gaz de combustion par une ligne 24 d'alimentation en air frais A venant de l'extérieur, généralement appelée ligne d'admission. Une injection de carburant est également introduite dans la chambre de combustion 10, généralement par une buse d'injection (non représentée). [0030] L'ensemble moteur de la figure 1 comporte en outre un circuit 26 de recirculation dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée du collecteur d'échappement 16 de la chambre de combustion 10 et est ramenée dans le collecteur d'admission 14. Il peut en outre comporter un dispositif de suralimentation comprenant un turbocompresseur non illustré dans cette représentation schématique et le circuit de recirculation 26 peut être à haute température et haute pression ou basse température et basse pression selon les endroits où il se raccorde aux collecteurs d'échappement 16 et d'admission 14. Les gaz recyclés par le circuit de recirculation 26 sont mélangés à l'air frais A entrant dans le collecteur d'admission 14. [0031] On notera que la sonde lambda 22 est disposée en aval du circuit de recirculation 26 dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. [0032] De façon classique, le débit des gaz s'écoulant dans ce circuit de recirculation 26, et donc la composition du mélange air frais / gaz recyclé, est régulé par une vanne 28 disposée dans le circuit de recirculation 26. Il est en effet nécessaire de contrôler précisément le débit des gaz d'échappement recyclés : un débit trop important provoque une perte de puissance du moteur, alors qu'un débit trop faible entraîne une surémission d'oxydes d'azote. [0033] Le circuit de recirculation 26 peu aussi comporter un refroidisseur 30 tel qu'un échangeur thermique à tubes échangeant de la chaleur avec le liquide de refroidissement du moteur, afin de ne pas introduire des gaz recyclés trop chauds dans la chambre de combustion 10, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique. [0034] Enfin, le circuit de recirculation 26 comporte un reformeur d'hydrogène 32 conçu pour enrichir en hydrogène les gaz d'échappement recyclés. [0035] Plus précisément, ce reformeur d'hydrogène 32 comporte un dispositif 34 d'injection de carburant C et un catalyseur 36 apte à provoquer une réaction d'oxydation partielle du carburant injecté C (équation 1), une réaction de vaporeformage du carburant injecté C (équation 2) et une réaction de gaz à l'eau (équation 3). [0036] Pour injecter le carburant C à l'état gazeux dans le circuit de recirculation 26, le dispositif d'injection 34 comporte en outre un dispositif, notamment un dispositif électrique, de chauffage T de ce carburant C. Le catalyseur 36 est de type classique et ne sera pas détaillé : il peut comporter notamment un ou deux modules de catalyse pour provoquer les trois réactions précitées. De façon optionnelle non illustrée, le dispositif d'injection 34 pourrait être adapté pour l'injection supplémentaire de vapeur d'eau si elle n'était pas toujours en quantité suffisante dans les gaz recyclés. [0037] Le reformeur d'hydrogène 32 est disposé, dans le circuit de recirculation 26, en amont du refroidisseur 30. En effet, il est avantageux de conserver au maximum la température des gaz d'échappement dans le catalyseur 36. Il est aussi pour cette même raison disposé en amont de la vanne de régulation 28, afin d'éviter toute détente des gaz pénalisant d'autant plus la température. [0038] Pour optimiser la réaction d'oxydation partielle du carburant injecté C dans le catalyseur 36, la quantité d'oxygène présente dans les gaz recyclés est régulée par un réglage de la richesse du mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion 10. [0039] A cette fin, l'ensemble moteur représenté sur la figure 1 comporte un dispositif 38 de réglage de la proportion d'air du mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion. Ce dispositif 38 est plus particulièrement un dispositif de réglage de la quantité d'air A admise dans la ligne d'alimentation 24. Il est donc commandé en fonction de la quantité d'oxygène souhaitée dans le circuit de recirculation 26 pour un enrichissement en hydrogène optimal. [0040] De façon optionnelle, ce dispositif de réglage 38 est relié à la sonde lambda 22 pour un ajustement de la quantité d'air A à admettre en fonction de la quantité d'air mesurée dans les gaz d'échappement par la sonde lambda 22. [0041] Un procédé de recirculation des gaz d'échappement mis en oeuvre par l'ensemble moteur décrit précédemment comporte donc les étapes suivantes : dérivation El, à l'aide du circuit de recirculation 26, d'une partie des gaz d'échappement à partir du collecteur d'échappement 16 vers le collecteur d'admission 14 de la chambre de combustion 10 du moteur, enrichissement E2 en hydrogène des gaz d'échappement recyclés dans le reformeur catalytique de carburant 32 du circuit de recirculation 26, et réglage E3 de la proportion d'air du mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion 10 en fonction de la quantité d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement recyclés pour leur enrichissement en hydrogène par le reformeur 32. [0042] Il apparaît clairement que le dispositif de recirculation décrit précédemment permet d'optimiser l'enrichissement en hydrogène des gaz recyclés dans toutes les phases de fonctionnement du moteur, sans nécessiter l'ajout d'une injection supplémentaire d'air dans le reformeur d'hydrogène. Cela permet donc sans complication supplémentaire d'augmenter sensiblement la proportion de gaz recyclés dans la chambre de combustion 10 pour une optimisation de la consommation en carburant et donc une optimisation de l'émission de CO2, et une diminution des émissions polluantes de NOx. Ces émissions polluantes sont tellement réduites que l'on peut se passer d'un système spécifique de dépollution des NOx, même avec un mélange pauvre fourni en entrée de la chambre de combustion, [0043] En outre, le réglage de la quantité d'oxygène ajoutée dans les gaz d'échappement et donc dans la partie recyclée via un réglage de la richesse du mélange fourni en entrée de la chambre de combustion moteur est non seulement simple et peu coûteux à mettre en oeuvre, mais s'avère également simple à contrôler. Ce contrôle est par exemple réalisé par un contrôle de la quantité d'air frais et de la masse de carburant injectées, sans avoir besoin de mesurer quoi que ce soit au niveau du circuit de recirculation 26 et de l'entrée du reformeur 32. [0044] On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications au mode de réalisation exposé dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.20 REVENDICATIONS1. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne, comportant :un circuit de recirculation (22) dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée et ramenée dans un collecteur d'admission (14) d'une chambre de combustion (10) du moteur ; un reformeur d'hydrogène (32) conçu pour enrichir en hydrogène les gaz d'échappement recirculés, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (38) de réglage de la proportion d'air (A) d'un mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion (10) en fonction d'une quantité d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement recirculés pour leur enrichissement par le reformeur d'hydrogène (32). 2. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon la revendication 1, comportant un dispositif (22) de détection d'une quantité d'air présent dans les gaz d'échappement et dans lequel le dispositif (38) de réglage de la proportion d'air est commandé en fonction de la quantité d'air mesurée par le dispositif de détection (22). 3. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de détection (22) est une sonde lambda placée dans une ligne d'échappement (18) du moteur entre un collecteur d'échappement (16) du moteur et un catalyseur d'échappement (20) apte à traiter les gaz d'échappement avant leur expulsion vers l'extérieur. 4. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le reformeur d'hydrogène (32) comporte un dispositif (34) d'injection de carburant (C) et un catalyseur (36) apte à provoquer une réaction d'oxydation partielle du carburant injecté (C), une réaction de vaporéformage du carburant injecté (C) et une réaction de gaz à l'eau. 5. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le reformeur d'hydrogène (32) est disposé dans le circuit de recirculation (26). 6. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon la revendication 5, dans lequel une vanne (28) de régulation de la quantité de gaz d'échappementrecirculés est disposée dans le circuit de recirculation (26) en aval du reformeur d'hydrogène (32) dans le sens de circulation des gaz. 7. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un dispositif de refroidissement (30) est disposé dans le circuit de recirculation (26). 8. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon les revendications 5 et 7, dans lequel le dispositif de refroidissement (30) est disposé en aval du reformeur d'hydrogène (32) dans le sens de circulation des gaz. 9. Ensemble moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion (10), un collecteur d'admission (14) de la chambre de combustion, un collecteur d'échappement (16) de la chambre de combustion, et un dispositif de recirculation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne, comportant une étape (El) de dérivation, à l'aide d'un circuit de recirculation (26), d'une partie des gaz d'échappement à partir d'un collecteur d'échappement (16) vers un collecteur d'admission (14) d'une chambre de combustion (10) du moteur, et une étape (E2) d'enrichissement en hydrogène des gaz d'échappement recirculés, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape (E3) de réglage de la proportion d'air d'un mélange d'air et de carburant fourni en entrée de la chambre de combustion (10) en fonction d'une quantité d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement recirculés pour leur enrichissement en hydrogène.