Brevet FR3155258A1 — publié le 20250516

La présente invention concerne un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne (1) relié à une ligne d’échappement (2), le moteur à combustion interne étant configuré pour fonctionner à l’hydrogène, caractérisé en ce que la ligne d’échappement (2) est équipée d’un unique organe de dépollution consistant en un piège à oxydes d’azote (2b). Figure 1 MOTEUR A HYDROGENE ET SA LIGNE D’ECHAPPEMENT La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne. Plus particulièrement, l’invention a pour objet un moteur à hydrogène et sa ligne d’échappement. Un des enjeux majeurs de l’industrie automobile consiste à réduire toujours d’avantage les rejets dans l’atmosphère d’éléments polluants contenus dans les gaz d’échappement émis par les moteurs. A titre d’exemple, la combustion de carburant diesel, par un moteur à combustion pauvre, engendre l’émission de monoxyde de carbone, d’hydrocarbures, de particules de suie ou encore des oxydes d’azote désignés couramment par l’acronyme NOx. Les moteurs à combustion interne alimentés par de l’hydrogène représentent une solution alternative au moteur alimenté en carburants d’origine fossile d’un côté et au tout électrique de l’autre. Des premières expérimentations consistaient par exemple à utiliser des moteurs Diesel adaptés avec leur système de dépollution d’origine à savoir : un catalyseur d’oxydation ou DOC (pour l’expression anglaise « Diesel Oxidation Catalyst ») et un filtre enduit d’une imprégnation SCR (pour l’expression anglaise « Selective Catalytic Reduction ») ou SCRF (pour l’expression anglaise « Selective Catalytic Reduction on Filter ») et un ASC (pour l’expression anglaise « Ammonia Slip Catalyst ») pour répondre notamment aux futures exigences de la norme antipollution Euro7 sur l’ammoniac. Avec une telle ligne d’échappement la dépollution des NOx est satisfaisante. Cependant une telle ligne d’échappement reste chère et complexe, notamment du fait de son système de conversion des oxydes d’azote (SCR ou SCRF) et des diagnostics associés. On connait par ailleurs du document CN116641776A un système de traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne alimenté par de l’hydrogène utilisant un catalyseur « trois-voies » en bout de ligne d’échappement et un système complexe de by-pass. Il existe donc un besoin pour un système simple et peu onéreux de traitement des oxydes d’azote provenant d’un moteur à combustion interne alimenté à l’hydrogène. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne relié à une ligne d’échappement, le moteur à combustion interne étant configuré pour fonctionner à l’hydrogène, caractérisé en ce que la ligne d’échappement est équipée d’un unique organe de dépollution consistant en un piège à oxydes d’azote. L’effet technique est d’obtenir un système de dépollution compact et dimensionné au juste nécessaire lorsque le moteur fonctionne à l’hydrogène. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : Dans un mode de réalisation, le piège à oxydes d’azote est disposé à proximité de la sortie d'échappement du moteur à combustion interne. Dans un mode de réalisation, l’ensemble moteur comprend des moyens d’injection d’hydrogène disposés dans la ligne d’échappement en amont du piège à oxydes d’azote et un réservoir d’hydrogène relié fluidiquement à ces moyens d’injection. Dans un mode de réalisation, le réservoir d’hydrogène est relié fluidiquement à un système d’injection en hydrogène du moteur à combustion interne. Dans un mode de réalisation, l’ensemble moteur comprend une unité de commande configurée pour piloter les moyens d’injection d’hydrogène de sorte à introduire dans la ligne d’échappement un excès d’hydrogène afin de régénérer le piège à oxydes d’azote et pour piloter dans le même temps le fonctionnement du moteur à combustion interne à une richesse inférieure à 1. Dans un mode de réalisation, l’ensemble comprend un capteur d’oxydes d’azote disposé dans la ligne d’échappement en aval du piège à oxydes d’azote relié à l’unité de commande pour lui fournir une mesure d’oxydes d’azote, cette unité de commande étant configurée pour piloter les moyens d’injection d’hydrogène de sorte à introduire dans la ligne d’échappement un excès d’hydrogène afin de régénérer le piège à oxydes d’azote si la mesure du capteur d’oxydes d’azote atteint un seuil limite prédéfini. Dans un mode de réalisation, le moteur à combustion interne est à allumage par compression, avec un taux de compression compris entre 12 et 13. Dans un mode de réalisation, la ligne d’échappement est équipée de plus d’un filtre à particules disposé en aval du piège à oxydes d’azote. Dans un mode de réalisation, le filtre à particules est disposé à proximité de la sortie d'échappement du moteur à combustion interne, en aval du piège à oxydes d’azote. Dans un mode de réalisation, la ligne d’échappement est équipée de plus d’un catalyseur d’élimination de l’ammoniac disposé en aval du filtre à particules. L’invention a aussi pour objet un véhicule comprenant un ensemble moteur selon l’une des variantes précédemment décrites. Dans un mode de réalisation dans lequel le véhicule est équipée de la ligne d’échappement avec le catalyseur d’élimination de l’ammoniac, ce catalyseur d’élimination de l’ammoniac est disposé sous un plancher de ce véhicule. L’invention a aussi pour objet une installation stationnaire comprenant un ensemble moteur selon l’une variantes précédemment décrites. 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 : FIG. 1 : cette figure représente un premier exemple de réalisation de moteur à combustion interne reliée à une ligne d’échappement selon l’invention. FIG. 2 : cette figure représente un second exemple de réalisation de moteur à combustion interne reliée à une ligne d’échappement selon l’invention. FIG. 3 : cette figure représente un troisième exemple de réalisation de moteur à combustion interne reliée à une ligne d’échappement selon l’invention. FIG. 4 : cette figure illustre schématiquement les réactions de stockage et de réduction des oxydes d’azote dans un piège à oxydes d’azote. La FIG. 1 présente un premier mode de réalisation d’un ensemble moteur selon l’invention. Cet ensemble moteur comprend un moteur à combustion interne 1 relié à une ligne d’échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 est configuré pour fonctionner avec de l’hydrogène en tant que carburant. Le moteur à combustion interne 1 peut être un moteur à allumage commandé ou à allumage par compression. Dans le cas où le moteur à combustion interne 1 est un moteur à allumage par compression, le taux de compression est de préférence compris entre 12 et 13. L’ensemble moteur de l’invention convient pour équiper un véhicule, par exemple pour sa propulsion, ou encore une installation stationnaire tel qu’un groupe électrogène. Le moteur à combustion interne 1 est alimenté en hydrogène à partir d’un réservoir 3 contenant de l’hydrogène. Le réservoir 3 peut être un réservoir stockant l’hydrogène par exemple sous forme gazeuse sous pression ou sous forme liquide ou encore sous forme dite solide via des hydrures. Le réservoir 3 est relié fluidiquement, via une conduite 4 d’alimentation en hydrogène, à un système d’injection de l’hydrogène, non représenté, cet hydrogène étant destiné à être introduit dans les chambres de combustion 1a du moteur à combustion interne 1. Dans ce premier exemple de réalisation, la ligne d’échappement 2 est équipée d’un unique organe de dépollution. Conformément à l’invention, cet organe de dépollution consiste en un piège à oxydes d’azote 2b. La ligne d’échappement 2 comprend un collecteur d’échappement 2a fixé au moteur à combustion interne 1. En définissant l’amont et aval relativement au sens d’écoulement des gaz d’échappement dans la ligne d’échappement 2, le piège à oxydes d’azote 2b est disposé dans la ligne d’échappement 2 en aval du collecteur d’échappement 2a. La ligne d’échappement 2 comprend également des moyens d’injection d’hydrogène 2d, ici également reliés fluidiquement au réservoir 3 d’hydrogène via une conduite 5 d’alimentation en hydrogène. Ainsi, le réservoir 3 est commun à tous les moyens d’injection en hydrogène de l’ensemble moteur. Les moyens d’injection d’hydrogène 2d sont disposés en amont du piège à oxydes d’azote 2b, autrement dit entre la sortie moteur et ce piège à oxydes d’azote 2b. La ligne d’échappement 2 est encore équipée d’un capteur d’oxydes d’azote 2e. Le capteur d’oxydes d’azote 2e est disposé dans la ligne d’échappement 2 en aval du piège à oxydes d’azote. Le collecteur d’échappement 2a et l’organe de dépollution 2b de la ligne d’échappement 2 peuvent être reliés entre eux au moyen de conduits d’échappement 2f. L’ensemble moteur comprend encore une unité de commande 6, tel qu’un calculateur électronique, configurée pour le pilotage du moteur à combustion interne 1. A cet effet, l’unité de commande 6 comprend les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis pour le pilotage du moteur à combustion interne 1 (injection, combustion, etc…), des moyens d’injection d’hydrogène 2d à l’échappement et du capteur d’oxydes d’azote 2e. En fonctionnement, le moteur à combustion interne 1, puisqu’il est alimenté en hydrogène n’émet quasiment que des oxydes d’azote avec un peu de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrûlés provenant par exemple du lubrifiant qui brûle dans la chambre de combustion. Conformément à l’invention un piège à oxydes d’azote 2b est capable de réduire les émissions d’oxyde d’azote mais également d’oxyder le peu d’émissions de monoxyde de carbone, CO, et d’hydrocarbures imbrûlés, HC. Ceci évite d’ajouter un dispositif dédié supplémentaire tel qu’un catalyseur d’oxydation. En effet, comme également, illustré sur la FIG. 4 , les formulations catalytiques de pièges à oxydes d’azote contiennent en général : Une phase à base de platine, Pt, pour oxyder l’oxyde d’azote, NO, en dioxyde d’azote, NO 2 , Une phase de stockage du dioxyde d’azote, NO 2 sous forme de NO 3 - à base de Baryum, Ba, ou de Potassium, K, Une phase à base de rhodium, Rh, pour réduire le dioxyde d’azote, NO 2 , en azote, N 2 de manière sélective, Une phase d’échange d’oxygène via un matériau à capacité de stockage d’oxygène, OSC (pour l’expression anglaise « Oxygen Storage Capacity »). En pauvre, c’est-à-dire avec une richesse R inférieure à 1, on stocke les oxydes d’azote, NOx contenus dans les gaz d’échappement émis sous forme de NO 3 - . D’abord, la phase de platine, Pt, oxyde les oxydes d’azote, NO, en dioxyde d’azote, NO 2 , selon la réaction suivante : Puis la phase de stockage Ba ou K permet le stockage du dioxyde d’azote, NO 2 sous forme de NO 3 - : En riche, c’est-à-dire avec une richesse R supérieure à 1, autrement dit en excès d’hydrogène, on utilise cet hydrogène en excès H 2 comme réducteur pour réduire les oxydes d’azote, NOx, stockés sous forme de nitrates sur les sites du baryum, Ba, ou du potassium, K, pour restituer de l’azote et de l’eau suivant les réactions suivantes : puis Dans ce piège à oxydes d’azote 2b, la phase, ici en platine, Pt, qui permet d’oxyder les oxydes permet également d’oxyder le monoxyde de carbone, CO et les hydrocarbures imbrulés, HC, en CO 2 et en H 2 O. Ainsi, le piège à oxydes d’azote 2b stocke sur les sites d’adsorption du baryum, Ba, ou du potassium, K, les dioxydes d’azote émis par le moteur sous forme de nitrates. Une fois que tous les sites d’adsorption du baryum ou du potassium ont été utilisés, le piège à oxydes d’azote 2b n’est plus efficace et laisse passer les émissions d’oxydes d’azote. Il faut alors le régénérer pour libérer de nouveau des sites d’adsorption et convertir les oxydes d’azote en azote grâce au rhodium associé dans l’imprégnation au platine. Lorsqu’il est nécessaire de régénérer le piège à oxydes d’azote 2b, c’est-à-dire quand le capteur d’oxyde d’azote 2e positionné en aval piège à oxydes d’azote 2b, mesure un certain niveau d’oxydes d’azote, par exemple un seuil limite L nox prédéfini, mémorisé dans l’unité de commande 6, cette unité de commande 6 qui a reçu l’information du capteur d’oxyde d’azote 2e active, via les moyens d’injection 2d, l’arrivée par le conduit 5 de l’hydrogène en amont du système de dépollution composé du piège à oxydes d’azote 2b. La régénération du piège à oxydes d’azote 2b est indépendante du fonctionnement du moteur à combustion interne 1 grâce à l’alimentation via le conduit 5 différent du conduit 4 d’alimentation en hydrogène du moteur à combustion interne 1. Ainsi, le moteur à combustion interne 1 peut continuer à fonctionner en mélange pauvre (richesse R H . La quantité d’hydrogène à injecter dépend de la quantité maximum d’oxydes d’azote, L nox , que le piège à oxydes d’azote 2b est capable de stocker. On peut ainsi prévoir que cette quantité d’hydrogène, qui peut se traduire en un temps d’injection d’hydrogène, varie en fonction du vieillissement du piège à oxydes d’azote 2b et soit mémorisé dans l’unité de commande 6. Une fois cette limite L H atteinte, l’introduction d’hydrogène dans la ligne d’échappement 2 directement en aval du moteur à combustion interne 1 et en amont piège à oxydes d’azote 2b est stoppée jusqu’au prochain besoin de régénération du piège à oxydes d’azote 2b. Pour cet ensemble moteur décrit à la FIG. 1 , on peut prévoir de disposer le piège à oxydes d’azote 2b à proximité de la sortie d'échappement du moteur à combustion interne, ou en «close-coupled» selon la terminologie anglo-saxonne. Ce terme anglais désigne en effet une disposition près du collecteur d'échappement 2a du moteur. Une telle position du piège à oxydes d’azote 2b en «close-coupled» présente l'avantage pour ce dernier de monter rapidement en température et de devenir opérationnel très rapidement après le démarrage du moteur 1. La FIG. 2 présente un second mode de réalisation d’un ensemble moteur selon l’invention. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce qu’un filtre à particules 2c est disposé en plus dans la ligne d’échappement 2, en aval du piège à oxydes d’azote 2b, autrement dit le piège à NOx est le premier organe de dépollution destiné à être traversé par les gaz d’échappement. Pour cet ensemble moteur décrit à la FIG. 2 , on peut prévoir de disposer le piège à oxydes d’azote 2b et le filtre à particules 2c à proximité de la sortie d'échappement du moteur à combustion interne, ou en «close-coupled» selon la terminologie anglo-saxonne. La FIG. 3 présente un troisième mode de réalisation d’un ensemble moteur selon l’invention. Ce troisième mode de réalisation diffère du second mode de réalisation en ce qu’un catalyseur d’élimination de l’ammoniac 2g est disposé en plus dans la ligne d’échappement 2, en aval du filtre à particules 2c. Un tel catalyseur est aussi appelé par l’acronyme ASC (pour l’expression anglaise « Ammonia Slip Catalyst ». En effet, la quantité introduite d’hydrogène en amont du piège à oxydes d’azote 2b lors de la phase de régénération doit être proche de la quantité nécessaire à convertir l’ensemble des nitrates stockés (autrement dit de la limite L H ), le risque étant de former de l’ammoniac si la quantité introduite d’hydrogène est plus élevée. Aussi pour éviter ce risque, il peut être judicieux d’ajouter en aval du filtre à particules 2c un tel ASC, avant le silencieux, pour éliminer tout ammoniac résiduel. Dans le cas où l’ensemble moteur décrit à la FIG. 2 équipe un véhicule automobile on peut prévoir de déporter le catalyseur d’élimination de l’ammoniac 2g sous le plancher du véhicule, afin de libérer de l’espace autour du moteur à combustion interne 1. L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits au figures 1 à 3. En variante non représentée on peut prévoir un ensemble moteur que décrit à la FIG. 1 équipé de plus d’équipé d’un catalyseur d’élimination de l’ammoniac disposé en aval du piège à oxydes d’azote. Cette variante ne comprend donc pas de filtre à particules. L’invention a pour avantage de s’affranchir d’un système d’élimination des oxydes d’azote, NOx, tel qu’un catalyseur de réduction catalytique, SCR, ou un catalyseur de réduction catalytique sur filtre SCRF, avec son système d’injection d’additif et son réservoir d’additif. L’invention représente donc une solution moins onéreuse et plus simple à contrôler et à piloter. L’invention, grâce à un nombre d’organes de dépollution réduit permet d’avoir un système de dépollution plus compact et de faire un gain en masse. Ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne (1) relié à une ligne d’échappement (2), le moteur à combustion interne étant configuré pour fonctionner à l’hydrogène, caractérisé en ce que la ligne d’échappement (2) est équipée d’un unique organe de dépollution consistant en un piège à oxydes d’azote (2b). Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège à oxydes d’azote (2b) est disposé à proximité de la sortie d'échappement du moteur à combustion interne (1). Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’injection (2d) d’hydrogène disposés dans la ligne d’échappement (2) en amont du piège à oxydes d’azote (2b) et un réservoir d’hydrogène (3) relié fluidiquement à ces moyens d’injection (2d). Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réservoir d’hydrogène (3) est relié fluidiquement à un système d’injection en hydrogène du moteur à combustion interne (1). Ensemble selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de commande (6) configurée pour piloter les moyens d’injection (2d) d’hydrogène de sorte à introduire dans la ligne d’échappement (2) un excès d’hydrogène afin de régénérer le piège à oxydes d’azote (2b) et pour piloter dans le même temps le fonctionnement du moteur à combustion interne (1) à une richesse inférieure à 1. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un capteur d’oxydes d’azote (2e) disposé dans la ligne d’échappement (2) en aval du piège à oxydes d’azote (2b) relié à l’unité de commande (6) pour lui fournir une mesure d’oxydes d’azote, cet unité de commande (6) étant configurée pour piloter les moyens d’injection (2d) d’hydrogène de sorte à introduire dans la ligne d’échappement (2) un excès d’hydrogène afin de régénérer le piège à oxydes d’azote (2b) si la mesure du capteur d’oxydes d’azote (2e) atteint un seuil limite (L NOx ) prédéfini. Véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble moteur selon l’une des revendications précédentes. Installation stationnaire, caractérisée en ce qu’elle comprend un ensemble moteur selon l’une des revendications 1 à 6.