EP1688608A1 - EGR system - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un circuit de recirculation des gaz d'échappement. Un tel circuit peut être utilisé dans un moteur à combustion interne, tel qu'un moteur de véhicule automobile.The present invention relates to an exhaust gas recirculation circuit. Such a circuit can be used in an internal combustion engine, such as a motor vehicle engine.
Dans un moteur à combustion interne, les quatre temps du cycle thermodynamique - admission de gaz combustible et d'air, compression du mélange gazeux, détente due à l'explosion du mélange, échappement - se déroulent successivement dans une seule et même enceinte, dite chambre de combustion. Les gaz introduits dans cette chambre de combustion sont constitués d'une part d'air et d'autre part d'essence ou de gasoil, selon des proportions dosées de manière adéquate selon les moteurs et les systèmes d'allumage utilisés. Le mélange gazeux est alors enflammé dans la chambre de combustion.In an internal combustion engine, the four stages of the thermodynamic cycle - admission of fuel gas and air, compression of the gas mixture, expansion due to the explosion of the mixture, exhaust - take place successively in one and the same enclosure, so-called combustion chamber. The gases introduced into this combustion chamber consist on the one hand of air and on the other hand of gasoline or gas oil, in proportions proportionally dosed according to the engines and ignition systems used. The gas mixture is then ignited in the combustion chamber.
Il est connu, pour des moteurs à allumage commandé et à allumage par compression, de faire re-circuler les gaz d'échappement vers l'admission d'air de la chambre de combustion pour réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx). Un tel système est connu sous l'acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas Recirculation ».It is known for spark ignition and compression ignition engines to recirculate the exhaust gases to the combustion chamber air inlet to reduce nitrogen oxide (NO) emissions. x ). Such a system is known by the Anglo-Saxon acronym EGR for "Exhaust Gas Recirculation".
La figure 1 illustre schématiquement le principe d'un système EGR. Un moteur à combustion interne comprend une ou plusieurs chambres de combustion 10 situées entre un collecteur d'admission 11 et un collecteur d'échappement 12. Le collecteur d'admission 11 reçoit de l'air A à introduire dans la chambre de combustion 10. Une injection de carburant est également introduite dans la chambre de combustion, généralement par une buse d'injection (non représentée). Le collecteur d'échappement 12 reçoit les émissions de gaz produites par la combustion et les dirige vers un catalyseur d'échappement 13 adapté à traiter les fumées avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure, de façon connue en soi.Figure 1 schematically illustrates the principle of an EGR system. An internal combustion engine comprises one or
La figure 1 montre aussi un circuit de recirculation des gaz d'échappement 100. Ce circuit EGR constitue une liaison 105 entre le collecteur d'échappement 12 et le collecteur d'admission 11 et comporte une vanne de régulation 101 en entrée du circuit 100. Il est en effet nécessaire de contrôler précisément le débit des gaz d'échappement réintroduits dans la chambre de combustion 10. Un débit trop important provoque une perte de puissance du moteur et cause des à coups à l'accélération, alors qu'un débit trop faible entraîne une surémission d'oxydes d'azote.FIG. 1 also shows an exhaust
Le circuit de recirculation 100 comporte aussi un refroidisseur 102, tel qu'un échangeur thermique à tubes échangeant avec le liquide de refroidissement du moteur, afin de ne pas introduire des gaz trop chauds dans la chambre de combustion 10, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique.The
Les systèmes EGR ont été introduits dans les années 70 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 (NOx) qui, combinées avec des molécules hydrocarbonés (HCx) en présence de soleil, produisent un brouillard polluant, connu sous le terme de « smog ».EGR systems were introduced in the 1970s to reduce the nitrogen oxide emissions formed when the temperature in the combustion chamber becomes too high. Above 1300 ° C, the nitrogen and oxygen atoms can combine with each other in the combustion chamber to form nitrogen oxide (NO x ) molecules which, combined with hydrocarbon molecules ( HC x ) in the presence of sun, produce a polluting fog, known as "smog".
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 recirculés diluent donc la charge combustible, ce qui entraîne un ralentissement et un refroidissement de la combustion.The amount of nitrogen oxide can be reduced by reducing the combustion temperature, in particular by recirculating exhaust gases into the combustion chamber. Indeed, the exhaust gases have already burned and are rich in di-nitrogen (N 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ). The recirculated exhaust gas thus dilutes the fuel charge, resulting in slowing and cooling of the combustion.
Cependant, la re-circulation des gaz d'échappement produit une augmentation des émissions de produits carbonés, comme les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO), ou des particules (PM, pour Particle Matter en anglais).However, the recirculation of exhaust gases produces an increase in emissions of carbonaceous products, such as unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), or particulates (PM, for Particle Matter in English).
Pour pallier cet inconvénient, 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 réduire les émissions d'hydrocarbures imbrûlés (HC), de monoxyde de carbone (CO) et de suies.To overcome this drawback, it has been shown that an addition of hydrogen-rich gas (H 2 ) in the intake manifold of the combustion chamber, during a recirculation of the exhaust gas, reduces emissions unburned hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and soot.
Le document US-A-4 175 523 propose un moteur à combustion interne avec un système EGR et un système de reformage catalytique du carburant. Lorsque le moteur tourne à bas régime, la chambre de combustion reçoit seulement le mélange air/carburant et la recirculation des gaz d'échappement. Pendant le fonctionnement à bas régime, le système EGR est bridé, c'est-à-dire qu'il ne peut fournir qu'un débit de gaz d'échappement recirculés limité à une valeur prédéterminée. Lorsque le moteur tourne à haut régime le carburant reformé, riche en hydrogènes libres, est ajouté au mélange air/carburant et à la recirculation des gaz d'échappement. Pendant le fonctionnement à haut régime, le système EGR fournit un débit de gaz d'échappement recirculés supérieur à ladite valeur prédéterminée.US-A-4 175 523 proposes an internal combustion engine with an EGR system and a catalytic reforming system of the fuel. When the engine is running at low speed, the combustion chamber receives only the air / fuel mixture and the exhaust gas recirculation. During low speed operation, the EGR system is flanged, i.e. it can only provide a recirculated exhaust gas flow rate limited to a predetermined value. When the engine is running at high speed the reformed fuel, rich in free hydrogen, is added to the air / fuel mixture and to the recirculation of the exhaust gas. During high speed operation, the EGR system provides a recirculated exhaust gas flow rate greater than said predetermined value.
Le rendement de puissance du moteur est ainsi amélioré tout en limitant les émissions de produits carbonés.The power output of the engine is thus improved while limiting the emissions of carbon products.
De manière connue en soit, 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, selon les réactions chimiques suivantes :
- reformage par oxydation partielle du carburant (composition CxHy) avec de l'air (O2 + 3,76N2), le carburant étant introduit sous forme de vapeur :
CxHy + x/2 (O2 + 3,76N2) → x CO + y/2 H2 + 1,88xN2 (1)
- vapo-reformage du carburant (CxHy) avec de la vapeur d'eau (H2O) :
CxHy + x H2O → x CO + (y/2 + x) H2 (2)
- réaction de gaz à l'eau, dite « Water Gas Shift reaction » :
CO + H2O → CO2 + H2 (3)
- reforming by partial oxidation of the fuel (composition C x H y ) with air (O 2 + 3.76N 2 ), the fuel being introduced in the form of steam:
C x Hy + x / 2 (O 2 + 3.76N 2 ) → x CO + y / 2H 2 + 1.88xN 2 (1)
- vapo-reforming the fuel (C x H y ) with water vapor (H 2 O):
C x H y + x H 2 O → x CO + (y / 2 + x) H 2 (2)
- gas reaction to water, called "Water Gas Shift reaction":
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
En évitant la réaction de méthanisation, consommatrice d'hydrogène
CO + 2H2 → CH4 + 1/2 O2
Avoiding the methanation reaction, hydrogen-consuming
CO + 2H 2 → CH 4 + 1/2 O 2
Cette réaction de méthanisation peut être évitée en favorisant la réaction de gaz à l'eau qui élimine le CO, par exemple en se plaçant en excès d'eau.This methanation reaction can be avoided by promoting the reaction of gas with water which removes CO, for example by placing in excess of water.
La réaction de reformage la plus efficace pour produire de l'hydrogène est la réaction de vapo-reformage qui présente le rendement le plus élevé. Cette réaction de vapo-reformage est favorisée par des températures élevées et un excès de vapeur d'eau.The most efficient reforming reaction for producing hydrogen is the steam reforming reaction which has the highest efficiency. This vapo-reforming reaction is favored by high temperatures and an excess of water vapor.
Ainsi, le document FR-A-2 839 583 décrit une installation de pile à combustible pour un véhicule automobile comprenant, en plus du moteur à combustion interne, une pile à combustible fonctionnant avec un fluide contenant de l'hydrogène. L'hydrogène nécessaire au bon fonctionnement de la pile à combustible est généré de façon embarquée sur le véhicule, à l'aide d'un reformeur. Le reformeur est adapté è fournir un fluide enrichi en hydrogène à partir d'un mélange contenant des hydrocarbures.Thus, document FR-A-2 839 583 describes a fuel cell installation for a motor vehicle comprising, in addition to the internal combustion engine, a fuel cell operating with a fluid containing hydrogen. The hydrogen necessary for the proper functioning of the fuel cell is generated on board the vehicle, using a reformer. The reformer is adapted to provide a hydrogen enriched fluid from a mixture containing hydrocarbons.
Le document FR-A-2 839 583 propose de placer un échangeur de chaleur sur la conduite des gaz d'échappement du moteur à combustion interne pour chauffer un fluide caloporteur destiné à chauffer le reformeur. L'énergie thermique nécessaire à une réaction optimale de reformage est donc fournie par la chaleur des gaz d'échappement.The document FR-A-2 839 583 proposes placing a heat exchanger on the exhaust gas duct of the internal combustion engine to heat a heat transfer fluid intended to heat the reformer. The thermal energy required for an optimal reforming reaction is therefore provided by the heat of the exhaust gas.
Ce document FR-A-2 839 583 ne décrit cependant aucun système EGR associé au moteur à combustion interne.However, this document FR-A-2 839 583 does not describe any EGR system associated with the internal combustion engine.
Par ailleurs, le double système d'EGR et de reformage du carburant décrit dans le document US-A-4 175 523 précité est complexe et encombrant. En effet, les deux systèmes comportent des circuits de flux gazeux distincts l'un de l'autre. En particulier, le gaz reformé riche en hydrogène est stocké dans un réservoir et introduit dans le collecteur d'admission de la chambre de combustion seulement lorsque le moteur dépasse un certain régime, alors que les gaz d'échappement sont recirculés dans la chambre de combustion quel que soit le régime de fonctionnement du moteur.Moreover, the dual system of EGR and fuel reforming described in US-A-4 175 523 cited above is complex and cumbersome. Indeed, the two systems comprise separate gas flow circuits from one another. In particular, the reformed gas rich in hydrogen is stored in a tank and introduced into the intake manifold of the combustion chamber only when the engine exceeds a certain speed, while the exhaust gas is recirculated in the combustion chamber. regardless of the operating speed of the engine.
Il existe donc un besoin pour un circuit de recirculation associé à un circuit de reformage de carburant qui soit de conception simplifié et plus compact.There is therefore a need for a recirculation circuit associated with a fuel reforming circuit which is of simplified design and more compact.
A cet effet, l'invention propose un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant :
- une liaison de flux gazeux adaptée à s'étendre entre un collecteur d'échappement et un collecteur d'admission d'air d'une chambre de combustion du moteur ;
- un reformeur d'hydrogène disposé sur la liaison de flux gazeux.
- a gas flow connection adapted to extend between an exhaust manifold and an air intake manifold of a combustion chamber of the engine;
- a hydrogen reformer disposed on the gas flow connection.
Selon les modes de réalisation, le circuit de recirculation selon l'invention présente en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la liaison de flux gazeux présente une entrée constituée par une dérivation du collecteur d'échappement ;
- la liaison de flux gazeux présente une sortie comprenant une vanne de régulation du flux ;
- le circuit comprend un refroidisseur disposé en aval du reformeur ;
- le reformeur comprend un mélangeur adapté à recevoir le flux gazeux, une injection de carburant et une injection d'eau ; et au moins un premier module catalytique adapté à provoquer une réaction de reformage du carburant ;
- le reformeur comprend en outre un évaporateur adapté à recevoir une injection de carburant et une injection d'eau et adapté à fournir au mélangeur le carburant et l'eau sous forme de vapeurs ;
- le circuit comprend un échangeur de chaleur adapté à chauffer l'évaporateur, ledit échangeur comprenant des conduites de circulation d'un fluide caloporteur constitué au moins en partie par le flux gazeux ;
- le circuit présente un obstacle disposé sur la liaison de flux gazeux en amont du premier module catalytique ;
- le mélangeur est adapté à recevoir en outre une injection d'air ;
- le reformeur comprend en outre un second module catalytique adapté à provoquer une réaction de gaz à l'eau ;
- la liaison de flux gazeux présente une entrée de vapeur d'eau située entre le premier et le second module catalytique ;
- le premier module catalytique comprend au moins un parmi les catalyseurs du groupe : Ru, W, Rh, Ir, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag ;
- le second module catalytique comprend un premier pain catalytique comprenant au moins un parmi les catalyseurs du groupe : Pt, Fe203, FeCr ; et un second pain catalytique comprenant au moins un parmi les catalyseurs du groupe : Pt, CuO/ZnO ;
- the gas flow connection has an inlet constituted by a bypass of the exhaust manifold;
- the gas flow connection has an output comprising a flow control valve;
- the circuit comprises a cooler disposed downstream of the reformer;
- the reformer comprises a mixer adapted to receive the gas flow, a fuel injection and a water injection; and at least a first catalytic module adapted to cause a reforming reaction of the fuel;
- the reformer further comprises an evaporator adapted to receive a fuel injection and a water injection and adapted to supply the mixer with fuel and water in the form of vapors;
- the circuit comprises a heat exchanger adapted to heat the evaporator, said exchanger comprising circulation pipes for a coolant constituted at least in part by the gas stream;
- the circuit has an obstacle disposed on the gas flow connection upstream of the first catalytic module;
- the mixer is adapted to further receive an air injection;
- the reformer further comprises a second catalytic module adapted to cause a gas reaction to water;
- the gas flow connection has a water vapor inlet located between the first and the second catalytic module;
- the first catalytic module comprises at least one of the group: Ru, W, Rh, Ir, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag;
- the second catalytic module comprises a first catalytic bread comprising at least one of the catalysts of the group: Pt, Fe 2 O 3, FeCr; and a second catalytic bread comprising at least one of the catalysts of the group: Pt, CuO / ZnO;
L'invention concerne aussi un moteur à combustion interne comprenant:
- une chambre de combustion ;
- un collecteur d'admission d'air ;
- un collecteur d'échappement ;
- un circuit de recirculation selon l'invention.
- a combustion chamber;
- an air intake manifold;
- an exhaust manifold;
- a recirculation circuit according to the invention.
Selon les modes de réalisation, le moteur selon l'invention présente en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- des moyens adaptés à prélever une partie de l'hydrogène produit par le reformeur du circuit de recirculation ;
- une pile à combustible alimentée au moins en partie par de l'hydrogène prélevé du circuit de recirculation ;
- un module de post-combustion à l'échappement adapté à être chauffé par une alimentation en hydrogène prélevé du circuit de recirculation ;
- des pièges à oxyde d'azote (NOx) à l'échappement, lesdits pièges étant adaptés à être régénérés au moins en partie par de l'hydrogène prélevé du circuit de recirculation ;
- une unité de contrôle adaptée à commander une vanne de régulation du flux gazeux dans le circuit de recirculation ;
- l'unité de contrôle est adaptée à réguler une injection de carburant et une injection d'eau dans le reformeur du circuit de recirculation ;
- l'unité de contrôle est adaptée à réguler une injection d'air dans le reformeur du circuit de recirculation ;
- means adapted to withdraw a portion of the hydrogen produced by the reformer of the recirculation circuit;
- a fuel cell powered at least in part by hydrogen taken from the recirculation circuit;
- an exhaust afterburner module adapted to be heated by a hydrogen supply taken from the recirculation circuit;
- nitrogen oxide (NOx) traps at the exhaust, said traps being adapted to be regenerated at least in part by hydrogen taken from the recirculation circuit;
- a control unit adapted to control a gas flow control valve in the recirculation circuit;
- the control unit is adapted to regulate a fuel injection and a water injection into the reformer of the recirculation circuit;
- the control unit is adapted to regulate an injection of air into the reformer of the recirculation circuit;
L'invention s'applique à des véhicules automobiles comprenant un moteur selon l'invention.The invention applies to motor vehicles comprising an engine according to the invention.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent :
- figure 1, déjà décrite, un schéma d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement selon l'art antérieur ;
- figure 2, un schéma d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement selon l'invention.
- FIG. 1, already described, a diagram of an exhaust gas recirculation circuit according to the prior art;
- FIG. 2 is a diagram of an exhaust gas recirculation circuit according to the invention.
Le circuit de recirculation des gaz d'échappement selon l'invention comprend une liaison de flux gazeux adaptée à s'étendre entre un collecteur d'échappement et un collecteur d'admission d'air d'une chambre de combustion d'un moteur. Le circuit de recirculation comprend aussi un reformeur d'hydrogène disposé sur la liaison de flux gazeux.The exhaust gas recirculation circuit according to the invention comprises a gas flow connection adapted to extend between an exhaust manifold and an air intake manifold of a combustion chamber of an engine. The recirculation circuit also comprises a hydrogen reformer disposed on the gas flow connection.
Ainsi, le circuit EGR fournit au collecteur d'admission d'air de la chambre de combustion un gaz de re-circulation enrichi en hydrogène. L'enrichissement en hydrogène du mélange gazeux fourni au collecteur d'admission d'air ne provient pas d'un système distinct du circuit EGR, mais du circuit EGR lui-même. Un système EGR amélioré est ainsi fourni par la présente invention.Thus, the EGR circuit provides the air intake manifold of the combustion chamber a recirculating gas enriched in hydrogen. The hydrogen enrichment of the gas mixture supplied to the air intake manifold does not come from a system separate from the EGR circuit, but from the EGR circuit itself. An improved EGR system is thus provided by the present invention.
Le circuit de recirculation selon l'invention est décrit en référence à la figure 2.The recirculation circuit according to the invention is described with reference to FIG.
Les éléments identiques à ceux illustrés sur la figure 1 portent les mêmes numéros de référence.The elements identical to those illustrated in Figure 1 have the same reference numbers.
En particulier, la figure 2 montre une chambre de combustion 10 située entre un collecteur d'admission 11 et un collecteur d'échappement 12 ; un catalyseur d'échappement 13; une entrée d'air A.In particular, Figure 2 shows a
La figure 2 montre aussi le circuit de recirculation des gaz d'échappement. Ce circuit EGR comprend une liaison 105 de flux gazeux qui s'étend entre le collecteur d'échappement 12 et le collecteur d'admission 11. La liaison de flux gazeux 105 présente une entrée 106 constituée par une simple dérivation du collecteur d'échappement 12. En particulier, aucune vanne de régulation n'est prévue en entrée 106 de la liaison de flux gazeux car on cherche a conserver un maximum de chaleur dans la liaison. La liaison de flux gazeux présente une sortie 107 qui comprend une vanne 101 de régulation du flux. Le contrôle du débit des gaz recirculés dans la chambre de combustion 10 est assuré en fin de liaison.Figure 2 also shows the exhaust gas recirculation circuit. This EGR circuit comprises a
En effet, le circuit de recirculation selon l'invention comprend en outre un reformeur d'hydrogène 200 disposé sur la liaison 105 de flux gazeux. Or, pour une efficacité optimale de reformage du carburant en hydrogène, il est nécessaire de conduire les réactions chimiques de reformage à température élevée. Ainsi, les gaz d'échappement chaux prélevés à l'entrée 106 de la liaison de flux gazeux ne doivent pas être refroidis avant d'avoir traversé le reformeur 200. Toute vanne de régulation, qui introduirait une détente adiabatique du flux gazeux, est donc proscrite à l'entrée 106 de la liaison.Indeed, the recirculation circuit according to the invention further comprises a
Le circuit EGR selon l'invention peut comprendre un refroidisseur 102 disposé en aval du reformeur 200. La réaction de vapo-reformage étant fortement endothermique, le flux gazeux peut être considérablement refroidi en sortie du reformeur. Un refroidisseur peut néanmoins être prévu, éventuellement dimensionné pour une efficacité de refroidissement moindre que celui de la figure 1 de l'art antérieur.The EGR circuit according to the invention may comprise a cooler 102 disposed downstream of the
Le reformeur 200 comprend un mélangeur 210 qui reçoit le flux gazeux circulant dans la liaison 105, c'est-à-dire des gaz chauds provenant de l'échappement de la chambre de combustion, soit majoritairement de l'eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2), des traces de polluants (CO, HC, suies, NOx) et de l'air (O2 + 3,76N2) si la combustion était en excès d'air.The
Le reformeur 200 comprend aussi un système d'injection permettant d'introduire dans le mélangeur 210 du carburant finement atomisé F et de d'eau W. Il est préférable que le carburant F et l'eau W soient injectés dans le mélangeur sous forme de vapeurs. Ainsi, le carburant et l'eau peuvent être injectés sous forme liquide, qui est la forme sous laquelle ils sont stockés, dans un évaporateur 220 couplé au mélangeur 210 pour lui fournir le carburant et l'eau sous forme de vapeurs. A cet effet, un échangeur de chaleur 130 peut être prévu pour chauffer l'évaporateur 220. Cet échangeur 130 peut comprendre des conduites faisant circuler une partie du gaz dérivé de l'échappement en entrée 106 de la liaison. A ce niveau de la liaison, le gaz est très chaud, de l'ordre de 400 à 500°C, et peut servir en tout ou partie de fluide caloporteur pour chauffer l'évaporateur 220 afin de vaporiser l'eau et le carburant à injecter dans le mélangeur 210.The
Le reformeur 200 comprend également au moins un premier module catalytique 250 adapté à provoquer une réaction de vapo-reformage du carburant. Un obstacle peut être disposé sur la liaison de flux gazeux 105 en amont du premier module catalytique 250 pour rendre l'écoulement du flux gazeux turbulent et favoriser ainsi le mélange des gaz. En particulier, l'obstacle peut être placé en amont du mélangeur 210 pour rendre turbulent le flux gazeux des gaz d'échappement prélevés entrant dans le mélangeur, cette turbulence étant suffisante pour mélanger le flux gazeux avec les vapeurs de carburant et d'eau injectées dans le mélangeur.The
Le premier module catalytique 250 comprend un pain catalytique maintenu à une température comprise entre 600°C et 1000°C, de préférence entre 800°C et 850°C et adapté à provoquer une réaction de vapo-reformage selon l'équation (2) précédemment mentionnée. Les catalyseurs favorisant la réaction de vapo-reformage sont, selon un ordre décroissant d'efficacité, Ru, W, Rh, Ir, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag.The first catalytic module 250 comprises a catalytic bread held at a temperature of between 600 ° C. and 1000 ° C., preferably between 800 ° C. and 850 ° C. and adapted to cause a vapor reforming reaction according to equation (2). previously mentioned. The catalysts promoting the vapo-reforming reaction are, in a decreasing order of effectiveness, Ru, W, Rh, Ir, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag.
Le reformeur 200 peut aussi comprendre un second module catalytique 260 adapté à provoquer une réaction de gaz à l'eau selon la réaction (3) précédemment mentionnée. La vapeur d'eau nécessaire à cette seconde réaction de reformage peut provenir d'un excès de vapeur d'eau introduite dans le mélangeur ou peut venir d'une nouvelle injection de vapeur d'eau prélevée au niveau de l'évaporateur 220. La liaison de flux gazeux 105 peut alors présenter une entrée de vapeur d'eau 108 située entre le premier et le second module catalytique 250, 260.The
La réaction du gaz à l'eau s'effectue en deux étapes. Une première étape comporte une réaction se déroulant à haute température, de l'ordre de 450°C avec un premier pain catalytique comprenant au moins un parmi les catalyseurs du groupe :
- Pt, Fe203, FeCr. Une seconde étape comporte une réaction se déroulant à basse température, de l'ordre de 220°C avec un second pain catalytique comprenant au moins un parmi les catalyseurs du groupe : Pt, CuO/ZnO.
- Pt, Fe 2 O 3, FeCr. A second step comprises a reaction taking place at low temperature, of the order of 220 ° C with a second catalytic bread comprising at least one of the catalysts of the group: Pt, CuO / ZnO.
Le circuit EGR selon l'invention fonctionne de la manière suivante.The EGR circuit according to the invention operates as follows.
Une partie des gaz issus de l'échappement de la chambre de combustion 10 sont dérivés dans une liaison 105 de circuit EGR permettant la recirculation des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission de la chambre de combustion.Part of the gases from the exhaust of the
Une unité de contrôle (non illustrée) du reformeur 200 est prévue. Cette unité de contrôle est généralement reliée à une unité de contrôle du régime moteur et en particulier à une unité de contrôle adaptée à commander la vanne de régulation du flux gazeux dans le circuit de recirculation. Cette vanne détermine la quantité de gaz d'échappement recirculés introduits dans le collecteur d'admission de la chambre de combustion. Or, la quantité de gaz recirculés déterminera la quantité de mélange gazeux enrichis en hydrogène à ajouter, c'est-à-dire la quantité de carburant à reformer.A control unit (not shown) of the
L'unité de contrôle commande aussi l'injection d'eau et de carburant dans le mélangeur 210 afin de fournir les ingrédients nécessaires à la réaction de vapo-reformage dans le premier module catalytique 250. Les gaz d'échappement sont également introduits dans le mélangeur 210 puis traversent le premier module catalytique 250; l'énergie thermique des gaz d'échappement est ainsi utilisée pour permettre un rendement optimum de la réaction de reformage du carburant.The control unit also controls the injection of water and fuel into the
L'unité de contrôle commande également l'injection de vapeur d'eau en amont du second module catalytique 260 afin de compléter la génération d'hydrogène en oxydant le monoxyde de carbone issu du vapo-reformage.The control unit also controls the injection of steam upstream of the second
Les gaz prélevés du collecteur d'échappement 12 circulent donc dans le reformeur 200. Ces gaz d'échappement se mélangent aux injections de carburant et d'eau pour former les ingrédients nécessaires aux réactions de reformage afin de fournir un gaz d'échappement directement enrichi en hydrogène.The gases taken from the
Il faut noter que pour contrôler la composition des gaz à l'entrée du circuit EGR, le système d'injection du moteur devra présenter de réglages dédiés. En particulier, la quantité d'oxygène présente dans le circuit EGR dépend de la combustion dans le moteur, c'est-à-dire si elle est en excès ou pas. Une injection de carburant tardive dans le cycle peut aussi être employée pour augmenter la température des gaz d'échappement et ainsi les niveaux de température dans le circuit EGR. On pourra aussi injecter du carburant pendant la phase d'échappement du cycle moteur pour produire un enrichissement en carburant du circuit EGR et donc du mélange introduit dans le reformeur.It should be noted that in order to control the composition of the gases at the inlet of the EGR circuit, the engine injection system must have dedicated settings. In particular, the amount of oxygen present in the EGR circuit depends on the combustion in the engine, that is to say if it is in excess or not. A late fuel injection into the cycle can also be used to increase the temperature of the exhaust gases and thus the temperature levels in the EGR circuit. It will also be possible to inject fuel during the exhaust phase of the engine cycle to produce fuel enrichment of the EGR circuit and thus of the mixture introduced into the reformer.
De plus, les gaz d'échappement apportent l'énergie thermique nécessaire au bon déroulement des réactions de reformage.In addition, the exhaust gases provide the thermal energy necessary for the smooth running of the reforming reactions.
En effet, la réaction de vapo-reformage est fortement endothermique. Il est donc nécessaire que les gaz d'échappement soient suffisamment chauds pour garantir la réaction. Cette contrainte implique que le reformeur placé sur la liaison d'EGR ne peut fonctionner que lorsque le moteur est suffisamment chaud, l'unité de contrôle empêchant l'injection de carburant et d'eau tant que le moteur n'a pas atteint une température prédéterminée.Indeed, the vapo-reforming reaction is highly endothermic. It is therefore necessary that the exhaust gases are hot enough to guarantee the reaction. This constraint implies that the reformer placed on the EGR link can only operate when the engine is hot enough, the control unit preventing the injection of fuel and water until the engine has reached a temperature predetermined.
Pour pallier cet inconvénient, il est possible de favoriser une réaction de reformage par oxydation partielle dans le reformeur selon la réaction (1) précédemment mentionnée, cette réaction étant exothermique. A cet effet, il faut alors prévoir un système permettant d'insuffler de l'air dans le mélangeur avant l'injection du carburant et de l'eau, par exemple une pompe à air électrique. Un système d'initiation de la réaction d'oxydation partielle doit également être prévu en amont du premier module catalytique, par exemple une bougie d'allumage. On peut aussi choisir un catalyseur suffisamment réactif dans le premier module, comme du Platine (Pt). La pompe à air et la bougie d'allumage peuvent être commandées par l'unité de contrôle.To overcome this drawback, it is possible to promote a partial oxidation reforming reaction in the reformer according to the reaction (1) previously mentioned, this reaction being exothermic. For this purpose, it is then necessary to provide a system for blowing air into the mixer before the injection of fuel and water, for example an electric air pump. A system for initiating the partial oxidation reaction must also be provided upstream of the first catalytic module, for example a spark plug. It is also possible to choose a sufficiently reactive catalyst in the first module, such as platinum (Pt). The air pump and the spark plug can be controlled by the control unit.
Ainsi, avec une injection d'air dans le reformeur, il est alors possible de produire de l'hydrogène à tout instant du fonctionnement moteur, y compris lorsque le moteur est encore froid. Le reformeur est alors thermiquement autonome. L'énergie thermique nécessaire à la réaction de vapo-reformage est apportée par la réaction d'oxydation partielle.Thus, with an air injection into the reformer, it is then possible to produce hydrogen at any time of the engine operation, including when the engine is still cold. The reformer is then thermally autonomous. The thermal energy required for the vapo-reforming reaction is provided by the partial oxidation reaction.
En fonctionnement normal du moteur, l'injection d'air peut aussi permettre de contrôler les niveaux de température dans le circuit EGR, en particulier lorsque l'énergie thermique des gaz d'échappement n'est pas suffisante. La réaction de reformage par oxydation partielle étant cependant moins efficace que la réaction de vapo-reformage, on privilégiera cette dernière en ajustant le débit d'air insufflé dans le mélangeur à son strict minimum.In normal operation of the engine, the air injection can also make it possible to control the temperature levels in the EGR circuit, in particular when the thermal energy of the exhaust gases is not sufficient. The partial oxidation reforming reaction is however less effective than the steam reforming reaction, the latter will be preferred by adjusting the flow of air blown into the mixer at its bare minimum.
Il est ainsi possible de faire fonctionner des organes du moteur alimentés par cette production d'hydrogène, comme par exemple le réchauffage des organes de post-traitement des gaz d'échappement pour les amener à une température nominale avant le démarrage du moteur ou l'alimentation de pièges à oxyde d'azote (NOx) à l'échappement, lesdits pièges étant adaptés à être régénéré au moins en partie par de l'hydrogène.It is thus possible to operate engine components powered by this production of hydrogen, such as, for example, the heating of the aftertreatment units of the exhaust gases to bring them to a nominal temperature before starting the engine or the engine. supply of nitrogen oxide (NOx) traps to the exhaust, said traps being adapted to be regenerated at least partly by hydrogen.
A cet effet, un système de prélèvement de l'hydrogène fourni par le reformeur, hors du circuit EGR, peut être prévu. Par exemple, le prélèvement peut être effectué au niveau de la vanne de régulation 101 qui dirige alors le flux réformé, dit réformat, soit dans le collecteur d'admission du moteur 11, soit dans un circuit secondaire dans le véhicule où le reformat sera utilisé par d'autres organes.For this purpose, a hydrogen collection system provided by the reformer, out of the EGR circuit, can be provided. For example, the sampling can be performed at the
L'hydrogène prélevé du reformeur hors du circuit EGR peut être utilisé à d'autres fins, comme par exemple une alimentation de pile à combustible assurant l'alimentation électrique des accessoires du véhicule.Hydrogen taken from the reformer out of the EGR circuit can be used for other purposes, such as for example a fuel cell power supply providing power to the vehicle accessories.
L'introduction de gaz recirculés enrichis en hydrogène permet notamment un fonctionnement du moteur avec des niveaux d'EGR importants tout en réduisant les émissions d'oxyde d'azote et en maintenant les niveaux relativement bas d'émission de produits carbonés (CO, HC) et de particules.The introduction of hydrogen-enriched recirculated gases allows in particular engine operation with high levels of EGR while reducing nitrogen oxide emissions and maintaining relatively low levels of carbon product emissions (CO, HC ) and particles.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple; ainsi, les réglages d'injection de carburant, eau, air et quantité de gaz recirculés sont déterminés par un homme du métier selon les applications envisagées.Of course, the present invention is not limited to the embodiments described by way of example; thus, the fuel injection settings, water, air and amount of recirculated gas are determined by a person skilled in the art according to the intended applications.
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