Brevet FR3007469A1 — publié le 20141226

DISPOSITIF DE REINTRODUCTION DE GAZ D'ECHAPPEMENT CHARGES EN HYDROGENE [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion de véhicules automobiles dotés d'un système de recirculation des gaz d'échappement issus des cylindres vers l'admission d'air des cylindres. [0002] De tels systèmes sont bien connus sous le sigle EGR correspondant à la locution anglo-américaine Exhaust Gaz Recirculation. On a notamment proposé, dans les moteurs à plusieurs cylindres, de dédier un cylindre à la recirculation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement de ce cylindre étant totalement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur. Dans de tels moteurs, les gaz d'échappement réintroduits à l'admission sont typiquement chargés en gaz dihydrogène du fait d'un fonctionnement dans lequel le ou les cylindres dont on réintroduit les gaz d'échappement fonctionnent avec un mélange air-carburant de type riche. De tels moteurs sont connus sous l'appellation D-EGR pour Dedicated Exhaust Gaz Recirculation en anglais ou à système dédié de réintroduction ou recirculation de gaz d'échappement. [0003] L'hydrogène permet d'améliorer la stabilité de la combustion et donc la tolérance à l'EGR. Le moteur D-EGR permet de réduire les pertes par pompage à l'admission du moteur pour les points de charge partielle, et de repousser la limite à partir de laquelle apparait un cliquetis pour les points de pleine charge. Il est avantageux d'avoir une machine de suralimentation suffisamment performante pour rétablir le débit d'air nécessaire et ainsi conserver voire augmenter les performances du moteur. Le gaz dihydrogène combiné à l'EGR permet donc au moteur de supporter des fort taux d'EGR ainsi qu'un taux de compression potentiellement élevé. [0004] Plus précisément, la recirculation des gaz d'échappement permet d'améliorer le rendement thermodynamique via la réduction des transferts thermiques grâce à la réintroduction de gaz réintroduits qui sont froids, via le retardement de l'apparition du cliquetis grâce à la réintroduction d'EGR combiné à du H2, via la diminution de l'enrichissement lié à la température d'échappement grâce à la réintroduction de gaz EGR, via la diminution des pertes par pompage grâce à la réintroduction de gaz EGR, et via l'augmentation du taux de compression grâce à la réintroduction des gaz EGR combinés à du gaz dihydrogène. [0005] Néanmoins ces différents dispositifs restent complexes et coûteux. Ils sont en outre d'une précision et d'une fiabilité limitées. Un des facteurs limitant le taux d'EGR, et donc le potentiel de gain en termes d'émissions de dioxyde de carbone d'un moteur à essence, est la stabilité du moteur. Il apparaît en effet qu'un moteur à essence recourant à un système EGR conventionnel, à boucle haute pression ou basse pression, est limité techniquement par le taux d'EGR maximal tolérable par la chambre de combustion. Ce taux d'EGR maximal tolérable se caractérise par une instabilité du moteur atteignant et dépassant les limites admissibles pour un moteur moderne. L'introduction d'hydrogène dans la chambre de combustion permet d'augmenter la stabilité du moteur. Dès lors grâce à l'effet stabilisateur de l'hydrogène, il est possible d'augmenter fortement le taux d'EGR et ainsi d'augmenter le potentiel de gain en termes de réduction d'émissions de dioxyde de carbone. [0006] Cependant, les moteurs D-EGR, recourant à la production d'hydrogène via l'enrichissement d'un ou plusieurs cylindres dédiés, génèrent de fortes difficultés techniques notamment au niveau de la réponse dynamique en régime transitoire mais aussi sur le respect d'un cahier des charges du type de celui d'un moteur de série. [0007] En outre les moteurs D-EGR nécessitent un contrôle complexe afin de piloter la richesse des cylindres indépendamment les uns des autres. De plus le taux d'EGR n'est pas dosable dans ce type de moteur. [0008] Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en proposant un moteur à réintroduction de gaz d'échappement enrichi en hydrogène à l'admission qui soit à la fois stable, efficace dynamiquement et aisé à piloter. [0009] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile comprenant plusieurs cylindres de combustion, un organe d'admission d'air frais en direction d'un ou plusieurs cylindres et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion dans l'organe d'admission, le moteur comportant un aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène à l'organe d'admission, caractérisé en ce que l'aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène est configuré pour stocker l'hydrogène sur une durée supérieure à plusieurs cycles de fonctionnement du moteur. [0010] Avantageusement, l'aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte une unité de stockage d'hydrogène à nanotubes de carbone. [0011] Avantageusement, le moteur comporte au moins un élément de chauffage disposé de manière à provoquer une délivrance d'hydrogène par chauffage. [0012] Avantageusement, l'aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte un module de pilotage de délivrance d'hydrogène. [0013] Avantageusement, le module de pilotage de délivrance d'hydrogène est configuré pour tenir compte d'une détection d'élévation d'un taux de gaz d'échappement réintroduits dans l'organe d'admission et initier une délivrance d'hydrogène en cas de détection d'élévation du taux de gaz d'échappement réintroduits dans l'organe d'admission. [0014] Avantageusement, l'aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte une unité de stockage d'hydrogène et un module de dosage d'hydrogène apte à mesurer une quantité d'hydrogène délivrée par l'unité de stockage et fournie à l'organe d'admission. [0015] Avantageusement, le moteur présente au moins un injecteur d'hydrogène disposé en aval du module de dosage d'hydrogène. [0016] Avantageusement, l'aménagement de stockage et de délivrance d'hydrogène est configuré pour recevoir et stocker de l'hydrogène délivré par une source extérieure au véhicule. [0017] Avantageusement, le moteur est configuré pour présenter un mode de fonctionnement avec un taux de gaz d'échappement à l'admission des cylindres de combustion qui est supérieur à 15%. [0018] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur à combustion. [0019] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0020] - la figure 1 représente un moteur selon un mode de réalisation de l'invention ; [0021] - la figure 2 représente un système de réintroduction de gaz d'échappement à l'admission selon ce même mode de réalisation de l'invention. [0022] Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion de véhicule automobile, lequel comprend un bloc-moteur 10 formant trois cylindres de combustion 11, 12, 13. [0023] Le moteur comporte également un collecteur d'admission 20 et un collecteur d'échappement 30. Le collecteur d'échappement 30 forme une conduite d'échappement 35 laquelle dirige les gaz d'échappement vers un silencieux non représenté avant qu'ils ne soient rejetés dans l'atmosphère. Le collecteur d'échappement 30 est un organe rapporté sur le bloc moteur 10 et fixé à ce dernier par vissage, soudure, clippage ou tout autre type de fixation, aux fins de collecter les gaz d'échappement émanant d'orifices formés dans le bloc moteur pour l'introduction des gaz dans le collecteur d'échappement en provenance des différents cylindres de combustion. [0024] Le collecteur 30 présente en outre ici une conduite de réintroduction de gaz d'échappement 36 laquelle rejoint l'admission du moteur et plus particulièrement ici rejoint le collecteur d'admission 20 du moteur. Les conduites 35 et 36 prélèvent ainsi chacune une partie d'un écoulement des gaz d'échappement. L'un des deux flux est véhiculé par la conduite d'échappement 35 vers l'air ambiant et l'autre flux est véhiculé par la conduite de réintroduction 36 vers le collecteur d'admission 20 où ce flux est réintroduit dans les trois cylindres 11, 12, 13 après avoir été mélangé dans le collecteur d'admission 20 avec un flux d'air frais entrant. [0025] Le présent moteur comporte en outre un aménagement 40 débouchant dans le collecteur d'admission 20 et délivrant un flux d'hydrogène lequel vient se mélanger avec les flux entrants de gaz d'échappement et d'air frais précédemment décrits. [0026] Tel que représenté plus en détail sur la figure 2, l'aménagement 40 comprend une unité de stockage 41, en variante plusieurs telles unités de stockage. L'unité de stockage 41 est ici réalisée sous la forme d'un réservoir de stockage d'hydrogène au sein de nanotubes de carbone. L'aménagement 40 comporte en outre deux éléments chauffants 42 et 43 lesquels sont disposés de manière adjacente à l'unité de stockage 41 pour provoquer la libération d'hydrogène stocké dans l'unité 41 par chauffage de celle-ci. Une unité de contrôle dédiée 44 pilote la montée en température des éléments chauffants 42 et 43 en fonction du besoin instantané d'hydrogène dans les gaz réintroduits. Le présent module de contrôle dédié 44 permet d'ajuster le taux d'hydrogène en fonction des besoins du moteur. Un aménagement de dosage 45, également piloté par l'unité dédiée 44, effectue un dosage en temps réel d'un débit instantané d"hydrogène en aval de l'unité de stockage, lequel débit est injecté dans le collecteur d'admission 20 par un série d'injecteurs représentés sous la référence 46 sur la figure 2. [0027] En variante, l'aménagement 40 peut délivrer l'hydrogène par un piquage sur un emplacement de l'admission qui soit différent du collecteur 20 ou du plénum du moteur. Ainsi en variante l'hydrogène stocké peut être délivré par piquage en amont d'un refroidisseur d'air de suralimentation ou encore en entrée de la culasse. [0028] Le gaz dihydrogène H2 est ici approvisionné à l'unité de stockage 41 par une source extérieure au véhicule, par exemple lors d'un passage dans une station-service. Les éléments chauffants 42 et 43, ici constitués de résistances électriques, peuvent alors être utilisés pour chauffer le contenu de l'unité de stockage 41 et libérer l'hydrogène par phénomène de désorption. Les conditions de désorption sont avantageusement d'environ 100°C de température et 10MPa de pression. Cet hydrogène est ensuite dosé par le module de dosage 45 et acheminé vers le ou les injecteur(s) 46 via des canalisations intermédiaires. Tel que décrit ci-dessus, le ou les injecteurs 46 sont situés sur l'admission, avantageusement directement sur les primaires du plénum ou en entrée des soupapes d'admission comme par exemple sur des conduits de blow-by selon la terminologie anglo-américaine ou conduits de fuite. [0029] Le dispositif selon le présent mode de réalisation permet de disposer d'hydrogène à injecter dans la chambre de combustion indépendamment du fonctionnement du moteur. L'hydrogène est stocké directement dans le véhicule. Il n'est pas produit par la combustion via une combustion riche comme cela peut être le cas sur des moteurs du type D-EGR. Le présent dispositif permet donc d'injecter de l'hydrogène sur des moteurs équipés de systèmes EGR, notamment des moteurs à essence. Grâce à un tel dispositif, il est possible d'augmenter le taux d'EGR maximal tolérable notamment dans les moteurs à essence et donc le gain associé en termes de réduction des émissions de 002. [0030] Selon une variante, un autre type de stockage d'hydrogène peut être utilisé. Le système de stockage est préférentiellement un système de stockage d'hydrogène sous forme solide. [0031] On embarque donc sur un véhicule équipé d'un circuit EGR classique, à haute pression ou à basse pression, un moyen de stockage et de dosage de l'hydrogène afin de pouvoir piloter finement le taux d'hydrogène nécessaire suivant les zones du champ moteur, notamment les zones à taux de gaz d'échappement réintroduit supérieur à 15%. Ainsi le module de pilotage 44 est ici configuré pour tenir compte d'une détection d'élévation d'un taux de gaz d'échappement réintroduits, laquelle détection est réalisée par exemple par un module de contrôle du moteur. Le module de pilotage 44 initie une délivrance d'hydrogène en cas de telle détection d'élévation du taux de gaz d'échappement réintroduits à l'admission. L'invention permet donc d'utiliser des taux d'EGR supérieurs à 15% tout en garantissant la stabilité du moteur. [0032] Bien que l'on ait décrit ici un moteur sans production d'hydrogène par enrichissement de la combustion, le présent dispositif peut être combiné avec un dispositif de réintroduction de gaz d'échappement de type D-EGR, en injectant l'hydrogène par exemple sur la ligne de réintroduction des gaz d'échappement déjà enrichis en hydrogène. En variante également, de l'hydrogène peut être produit par enrichissement dans une ou plusieurs cylindres du moteur puis stocké de manière intermédiaire dans l'unité de stockage d'hydrogène pour être fourni à nouveau par l'unité de stockage d'hydrogène à l'admission du moteur. Là encore, l'unité de stockage est une unité de stockage pouvant stocker l'hydrogène pendant au moins plusieurs cycles de combustion du moteur, c'est-à-dire ici plusieurs tours de vilebrequin, de manière à piloter une délivrance de l'hydrogène de manière adaptée aux besoins instantanés du moteur. [0033] Un tel dispositif est aisément adopté par simple piquage du dispositif de stockage et d'injection d'hydrogène sur une architecture de moteur existante. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile comprenant plusieurs cylindres de combustion (11,12,13), un organe d'admission d'air frais (20) en direction d'un ou plusieurs cylindres (11,12,13) et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion (11,12,13) dans l'organe d'admission (20), le moteur comportant un aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène à l'organe d'admission (20), caractérisé en ce que l'aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène est configuré pour stocker l'hydrogène sur une durée supérieure à plusieurs cycles de fonctionnement du moteur. 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en que l'aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte une unité de stockage d'hydrogène (41) à nanotubes de carbone. 3. Moteur à combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de chauffage (42,43) disposé de manière à provoquer une délivrance d'hydrogène par chauffage. 4. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte un module de pilotage de délivrance d'hydrogène (44). 5. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module de pilotage de délivrance d'hydrogène (44) est configuré pour tenir compte d'une détection d'élévation d'un taux de gaz d'échappement réintroduits dans l'organe d'admission (20) et initier une délivrance d'hydrogène en cas de détection d'élévation du taux de gaz d'échappement réintroduits dans l'organe d'admission (20). 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène comporte une unité de stockage d'hydrogène (41) et un module de dosage d'hydrogène (45) apte à mesurer une quantité d'hydrogène délivrée par l'unité de stockage (41) et fournie à l'organe d'admission (20). 7. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il présente au moins un injecteur d'hydrogène (46) disposé en aval du module de dosage d'hydrogène (45). 8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aménagement (40) de stockage et de délivrance d'hydrogène estconfiguré pour recevoir et stocker de l'hydrogène délivré par une source extérieure au véhicule. 9. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré pour présenter un mode de fonctionnement avec un taux de gaz d'échappement à l'admission des cylindres de combustion (11,12,13) qui est supérieur à 15%. 10. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes.