EP2143932A1 - Procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit de re-circulation de gaz d'échappement - Google Patents

Procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit de re-circulation de gaz d'échappement Download PDF

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EP2143932A1
EP2143932A1 EP09163991A EP09163991A EP2143932A1 EP 2143932 A1 EP2143932 A1 EP 2143932A1 EP 09163991 A EP09163991 A EP 09163991A EP 09163991 A EP09163991 A EP 09163991A EP 2143932 A1 EP2143932 A1 EP 2143932A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactions
catalyst
exhaust gas
line
endothermic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09163991A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nils Matthess
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
Publication of EP2143932A1 publication Critical patent/EP2143932A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/36—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for adding fluids other than exhaust gas to the recirculation passage; with reformers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the temperature of the gases in an exhaust gas recirculation circuit.
  • Exhaust gas recirculation is a system introduced in the 1970s that redirects part of the exhaust from internal combustion engines to the intake. Recirculation reduces the combustion temperature. In fact, the exhaust gases are rich in nitrogen (N 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) and dilute the fuel charge. The combustion is thus slowed down and cooled. However, the formation of NO x in the combustion chamber is favored by the temperature. Decreasing the combustion temperature therefore leads to a reduction in the production of NO x at the source. It is thus interesting to be able to introduce re-circulated exhaust gases of low temperature on admission.
  • JP-A-54120310 describes an apparatus for reforming the exhaust gas.
  • the document WO-2001/075294 discloses a method of operating an internal combustion engine comprising providing an internal combustion engine, a hydrocarbon gasoline source for supplying said engine, and a catalytic reactor in communication with said engine.
  • the method comprises recycling a first portion of an exhaust gas from said engine to said reactor and adding said hydrocarbon gasoline to said reactor.
  • the process also comprises autothermal reforming said hydrocarbon gasoline in said reactor using said first portion of said exhaust gas to form a gas mixture comprising unburned hydrocarbons, hydrogen, water, carbon dioxide, carbon monoxide, carbon and combining said gaseous mixture from said reactor with air to provide a combined mixture.
  • the method further comprises supplying said combined mixture to a combustion zone in said internal combustion engine and combusting said mixture to produce a very low NO x exhaust gas.
  • the document US-A-6,508,209 discloses a method of operating an internal combustion engine comprising supplying an internal combustion engine, a gasoline source for supplying said engine and a fluid reactor in communication with said engine.
  • the process comprises adding said hydrocarbon gasoline to said reactor and reforming the vapor of said gaseous gasoline in said reactor to an oxygen level lower than the gaseous flammability limit using said first portion of said gasoline gasoline.
  • exhaust gas as a source of heat and water to form a gaseous mixture comprising methane of hydrogen and carbon monoxide.
  • the method further comprises combining said gas mixture from said reactor with air to provide a combined mixture and combusting said combined mixture into a combustion zone of said engine to produce the first portion of the exhaust gas and a second portion of the exhaust gas, the first part of the exhaust gas comprising up to 4% oxygen by volume and the second portion of the exhaust gas with nearly zero NOx.
  • the document US-A-4,175,523 discloses a method of operating an internal combustion engine comprising a combustion chamber, an intake system having a fuel system for supplying a mixture of air and fuel to said combustion chamber, an ignition system , an exhaust system, an EGR system for recirculating a portion of engine exhaust from the exhaust system to the intake system and a fuel reforming system for the conversion of a mixture of air and fuel in a reformed fuel gas mixture rich in free hydrogen.
  • the method includes the steps of load sensing on the motor, supplying of said combustion chamber with an air-fuel mixture while the recirculation of the engine exhaust gases is at a rate not exceeding a first level of exhaust gas recirculation rate when the engine load rate detected is less than a predetermined level of charge.
  • the method further comprises a step of supplying the combustion chamber with the reformed fuel gas mixture in addition to the air-fuel mixture supply by substantially increasing the re-circulation of the exhaust gases at a rate higher than said first predetermined exhaust gas recirculation rate when the engine load as sensed exceeds said predetermined load level.
  • the patent KR-A-2004/040 764 discloses a device and method for improving combustion efficiency and reducing pollution of a diesel engine.
  • the document WO-2007/071848 discloses a catalyst for an exhaust line of an internal combustion engine constituted by the stacking in this order of an active phase based on precious metals forming an electrode, an electrolyte having an ionic conductivity with O 2 ions greater than or equal to 0.01 mS / cm at 200 ° C and a counter-electrode.
  • the catalytic properties of said active phase can be activated at 100 ° C. under the effect of an electric power of 0.1 ⁇ W / cm 2 of active phase.
  • the document FR-A-2880657 discloses an exhaust gas recirculation circuit of an internal combustion engine comprising a gas flow connection adapted to extend between an exhaust manifold and an air intake manifold of a combustion chamber. combustion of the engine and a hydrogen reformer disposed on the gas flow connection.
  • the invention proposes a method for controlling the temperature of the gases in a line, in particular for recirculating the exhaust gas, the line comprising a catalyst, the process comprising the steps of carrying out exothermic reactions and reactions. endothermic in the catalyst), at the outlet of the catalyst, determination of the thermal balance of the gases resulting from the reactions, and promotion of exothermic reactions or endothermic reactions according to the thermal balance obtained.
  • the invention thus exploits the "thermal" character of the reactions, which or consume energy to take place (endothermic reactions), or provide energy (exothermic reactions) - the athermic reactions are not considered here.
  • endo- or exothermic nature By playing on the endo- or exothermic nature, the temperature of a system is increased or decreased while achieving the desired reactions without resorting to an additional cumbersome and expensive system of heat exchanger type.
  • the reactions produce hydrogen.
  • the catalyst comprises active sites favoring exothermic reactions or endothermic reactions.
  • exothermic reactions or endothermic reactions are promoted by optimizing the activation energy of the catalyst.
  • the method comprises a step of controlling the richness and composition of the exhaust gas at the inlet of the catalyst promoting the exothermic reactions or endothermic reactions.
  • This control is preferably performed by adjusting the ratio air / fuel entering the combustion chamber.
  • the exhaust gas recirculation line may advantageously furthermore comprise an air and fuel injecting member in the recirculation line, the control of the richness and the composition of the exhaust gases being achieved by controlling the exhaust gas. the air and fuel injection member. This injection member can operate continuously or transiently.
  • the heat produced by the exothermic reactions is used to carry out the endothermic reactions.
  • the catalyst comprises a plurality of active site support bricks, the method further comprising a step of decreasing the catalyst exit gas temperature by adjusting the spacing between the bricks.
  • the process then involves the use of an endothermic reaction in the last brick of the catalyst.
  • composition of the active phase of the catalyst is adjusted to promote exothermic reactions or endothermic reactions.
  • the present invention also relates to an engine comprising a combustion chamber, a recirculation line of the exhaust gas from the combustion chamber and a catalyst on said line for carrying out the process as described above.
  • the invention also relates to a vehicle equipped with such an engine, and preferably a vehicle in which heat released by the exothermic reactions is used for the passenger compartment of the vehicle.
  • the method comprises a step of performing exothermic reactions and endothermic reactions within the catalyst which may itself be composed of one or more bricks.
  • the method further comprises, at the outlet of the catalyst, a step of determining the thermal balance of the gases resulting from the reactions.
  • the method also comprises a step of promoting exothermic reactions or endothermic reactions according to the thermal balance obtained.
  • the method thus makes it possible to control the temperature of the exhaust gas recirculation line.
  • the control is done without addition of components and, in particular, without use of heat exchanger. This makes the process simple to implement.
  • the solution is more flexible in the engine architecture.
  • the control method can be implemented in an exhaust gas recirculation line 20 of an engine 10 as illustrated in the schematic view of the figure 1 .
  • the engine 10 can be any type of engine.
  • the engine 10 can in particular use any fuel such as gasoline, diesel, biofuels, NGV (natural gas for vehicles) or LPG (liquefied petroleum gas).
  • the engine 10 comprises one or more combustion chambers 12 located between an intake manifold 14 and an exhaust manifold 16.
  • the intake manifold 14 receives air to be introduced into the combustion chamber 12. Fuel is also injected into the combustion chamber 12 generally via an injection nozzle which is not shown on the figure 1 .
  • the exhaust manifold 16 receives the gas emissions produced by the combustion and directs them to an exhaust catalyst not shown.
  • the catalyst processes the emissions produced by post-combustion before expulsion to the outside atmosphere.
  • the engine 10 further comprises a line 20 for recirculating exhaust gas.
  • Line 20 recirculates exhaust gas to the air inlet of chamber 12 to reduce nitrogen oxide (NO x ) emissions.
  • the line 20 connects the exhaust manifold 16 and the intake manifold 14.
  • the line 20 comprises a member 22 for injecting air and fuel.
  • the injection member 22 makes it possible to introduce fuel and air into the line 20.
  • the line 20 may further comprise a valve 24.
  • the valve 24 makes it possible to control the flow rate of the exhaust gases reintroduced into the combustion chamber 12.
  • a too high flow rate causes a decrease in engine efficiency 10, a loss of power and causes acceleration knocks (rattling), while too low a flow leads to nitrogen oxide over-emission and a reduction in gains in fuel consumption.
  • Line 20 comprises a catalyst 26 for carrying out the method of controlling the temperature of the gases in line 20.
  • a catalyst makes it possible inter alia to promote a chemical reaction with respect to another.
  • the figure 2 is a flowchart illustrating an example of implementation of the control method.
  • the method comprises a step 28 of performing exothermic and endothermic reactions within catalyst 26.
  • Exothermic reactions are chemical reactions that provide heat to the medium while endothermic reactions are chemical reactions that consume heat from the medium.
  • reaction 1 The partial oxidation reforming reaction (reaction 1) is exothermic.
  • reaction 2 The vapo-reforming reaction (reaction 2) is endothermic and the reaction of gas with water (reaction 3) is more weakly exothermic than reaction 1.
  • the heat generated by the exothermic reactions occurring in the catalyst 26 can be used for a number of applications.
  • the heat thus obtained can be used in the field of energy recovery.
  • the heating of industrial installations, buildings or the cabin of a vehicle are examples of application.
  • the heat of the exothermic reactions can also be used in the field of heavy chemistry.
  • the heat produced by the exothermic reactions of the catalyst 26 can be used to carry out the endothermic reactions. This avoids using an additional energy source to trigger those reactions that require heat input.
  • the partial oxidation reforming and steam reforming reactions can be carried out in the catalyst 26.
  • the heat generated by the partial oxidation reforming reaction makes the endothermic steam reforming reaction possible.
  • the line 20 has a positive energy balance since the molecules which make it possible to increase the temperature are well adapted for the combustion in the chamber 12.
  • the molecules that increase the temperature serve to reduce NO x emissions in chamber 12 or fuel consumption.
  • the method further comprises a step 30 for determining the thermal balance of the gases resulting from the reactions at the outlet of the catalyst 26.
  • the step 30 makes it possible to know the thermal effect of the various reactions and in particular whether the gases obtained at the outlet of the Catalyst 26 are hotter or colder than the input gases.
  • the measurement of the temperature of the gas output can be achieved by a temperature sensor such as a thermocouple. Such a sensor may for example be placed just after the catalyst 26. When a temperature of the gases obtained at the outlet of the catalyst 26 is desired at a precise location on the line 20, it may also be advantageous to place the sensor in the place on line 20.
  • the control method also comprises a step 32 for promoting exothermic reactions or endothermic reactions according to the thermal balance obtained.
  • a step 32 for promoting exothermic reactions or endothermic reactions according to the thermal balance obtained.
  • the catalyst 26 may comprise active sites favoring rather the exothermic reactions or rather the endothermic reactions.
  • An active site is the place where the chemical reaction takes place.
  • the active site can be likened to the metal particle that catalyzes the chemical reaction. The use of active sites thus makes it possible to promote the exothermic or endothermic reactions without adding additional components to the line 20, which facilitates the implementation of the control method.
  • the exothermic or endothermic reactions may also be promoted by optimizing the activation energy of the catalyst 26.
  • the activation energy of a reaction is the energy barrier (or more precisely the free enthalpy barrier) at to go through the reagents so that the reaction, that is to say the transformation into products takes place.
  • the activation energy depends in particular on the reaction under consideration but also on the catalyst used (i.e. the active site and its direct environment).
  • the optimization of the activation energy of the catalyst 26 makes it possible to use the components already present on the line 20 without using an additional component.
  • the composition of the active phase of the catalyst 26 may further be adjusted to promote exothermic reactions or endothermic reactions.
  • the interest is that it is simple to adapt the catalyst 26.
  • the nature and the quantity of precious metals in the active phase can in particular change the activity of the catalyst 26.
  • the nature of the dopants (cerium (Ce), zirconium (Zr), praseodymium (Pr), yttrium (Y), etc.) makes it possible to favor more or less this or that reaction.
  • cerium favors the so-called "gas-to-water” reaction
  • rhodium which is not the most active in WGS is the main actor of the vapo-reforming of HC.
  • the amount of rhodium is an important element for the partial oxidation reaction (PO x ) to be performed with significant efficiency.
  • the control method may further comprise a step 34 for controlling the richness and the composition of the exhaust gas at the inlet of the catalyst 26.
  • the richness and the composition of the gases determine the characteristics of the medium of the chemical reaction.
  • the medium can be more or less reducing.
  • the O 2 content of the medium may vary.
  • the properties of the medium favor more or less the reactions. Step 34 thus makes it possible to promote endothermic or exothermic reactions. Step 34 takes place before step 28 of carrying out the reactions as illustrated in the flowchart of the figure 2 .
  • the reactions (1), (2) and (3) are not favored by the same media.
  • the partial oxidation reaction uses a large supply of oxygen, while the reactions involving water such as "steam reforming" and “water gas” require conversely rather reducing conditions.
  • the O 2 content of the medium is increased to promote the exothermic reactions while the medium is rendered reductive by fuel injection in the case where the endothermic reactions are to be preferred.
  • the step 34 of controlling the richness and composition of the exhaust gas can be achieved by adjusting the air / fuel ratio at the inlet of the combustion chamber 12. This is simple to achieve.
  • the control of the richness and composition of the exhaust gas can also be achieved by controlling the air injection and fuel injection member 22. This allows easy and precise control.
  • injecting compounds such as O 2 through the member 22 also makes it possible to avoid carrying out the following direct oxidation reactions: C x H y + (x + y / 4) O 2 ⁇ xCO 2 + y / 2 H 2 O CO + 1/2 O 2 ⁇ CO 2
  • Direct oxidation reactions convert unburned HC and CO to CO 2 and H 2 O to prevent H 2 production.
  • the member 22 may operate continuously or transiently.
  • the continuous operation can be interesting to stay in so-called “self-therm” mode.
  • a "self-heat” mode the temperature of the gases re-circulated in the intake manifold 14 can in particular be maintained at a precise temperature.
  • a transient mode operation makes it possible to adapt the thermal level according to the need in terms of energy savings.
  • the control method may further comprise a step of reducing the temperature of the gases leaving the catalyst (by adding a brick of STR which is a reaction endothermic).
  • the decrease in temperature is interesting because the formation of NO x is favored by the temperature (Zeldovich mechanism).
  • the decrease in gas temperature can be adjusted by adjusting the spacing between the bricks.
  • the solution is more flexible in the engine architecture. Indeed, the dimensions of the catalyst 26 do not impose particular constraints and it is not useful to increase or reduce the pipes in the line 20 recirculation. In addition, the absence of heat exchanger reduces the cost of the line.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de contrôle de la température des gaz dans une ligne - notamment de recirculation de gaz d'échappement, la ligne comportant un catalyseur, le procédé comprenant les étapes de - réalisation (28) de réactions exothermiques et de réactions endothermiques au sein du catalyseur, - en sortie du catalyseur, détermination (30) du bilan thermique des gaz issus des réactions, - favorisation (32) des réactions exothermiques ou des réactions endothermiques selon le bilan thermique obtenu. L'invention permet d'obtenir un procédé de contrôle de la température plus simple à mettre en oeuvre.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit de re-circulation de gaz d'échappement.
  • La combustion de combustible fossile comme le pétrole ou le charbon dans un système de combustion, en particulier le carburant diesel dans un moteur diesel, peut entraîner la production en quantité non négligeable de polluants qui peuvent être émis par l'échappement dans l'environnement et y causer des dégâts. Parmi ces polluants, l'émission des oxydes d'azote appelés NOx pose un problème puisque ces gaz sont soupçonnés d'être un des facteurs qui contribuent à la formation des pluies acides et à la déforestation.
  • La re-circulation des gaz d'échappement (ou « Exhaust gas recirculation » EGR en anglais) est un système introduit dans les années 70 qui consiste à rediriger une partie des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne vers l'admission. La re-circulation permet de réduire la température de combustion. En effet, les gaz d'échappement sont riches en diazote (N2) et dioxyde de carbone (CO2) et diluent la charge combustible. La combustion est ainsi ralentie et refroidie. Or, la formation de NOx dans la chambre de combustion est favorisée par la température. La diminution de la température de combustion entraîne donc une réduction de la production de NOx à la source. Il est ainsi intéressant de pouvoir introduire des gaz d'échappement re-circulés de faible température à l'admission.
  • Le document JP-A-54120310 décrit un appareil pour le reformage des gaz d'échappement.
  • Le document WO-A-2001/075294 décrit un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne comprenant la fourniture d'un moteur à combustion interne, d'une source d'essence d'hydrocarbone pour alimenter ledit moteur et d'un réacteur catalytique en communication avec ledit moteur. Le procédé comprend le recyclage d'une première partie d'un gaz d'échappement depuis ledit moteur vers ledit réacteur et l'addition de ladite essence hydrocarbonée audit réacteur. Le procédé comporte également le reformage autothermique de ladite essence hydrocarbonée dans ledit réacteur en utilisant ladite première partie dudit gaz d'échappement pour former un mélange gazeux comprenant des hydrocarbures imbrûlés, de l'hydrogène, de l'eau, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et la combinaison dudit mélange gazeux depuis ledit réacteur avec de l'air pour fournir un mélange combinée. Le procédé comprend en outre la fourniture dudit mélange combinée vers une zone de combustion dans ledit moteur à combustion interne et la combustion dudit mélange pour produire un gaz d'échappement très pauvre en NOx.
  • Le document US-A-6 508 209 décrit un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne comprenant la fourniture d'un moteur à combustion interne, d'une source d'essence gazeuse pour alimenter ledit moteur et d'un réacteur de fluide en communication avec ledit moteur. Le procédé comprend l'addition de ladite essence hydrocarbonée audit réacteur et le reformage de la vapeur de ladite essence gazeuse dans ledit réacteur à un niveau d'oxygène plus bas que la limite d'inflammabilité de l'essence gazeuse en utilisant ladite première partie dudit gaz d'échappement comme une source de chaleur et d'eau pour former un mélange gazeux comprenant du méthane de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le procédé comprend en outre la combinaison dudit mélange gazeux depuis ledit réacteur avec de l'air pour fournir un mélange combiné et la combustion dudit mélange combiné dans une zone de combustion dudit moteur pour produire la première partie du gaz d'échappement et une seconde partie du gaz d'échappement, la première partie du gaz d'échappement comprenant jusqu'à 4% d'oxygène en volume et la seconde partie du gaz d'échappement ayant presque zéro NOx.
  • Le document US-A-4 175 523 décrit un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne comprenant une chambre de combustion, un système d'admission ayant un circuit de carburant pour alimenter un mélange d'air et d'essence dans ladite chambre de combustion, un système d'allumage, un système d'échappement, un système EGR pour re-circuler une partie des gaz d'échappement des moteurs depuis le système d'échappement vers le système d'admission et un système de reformage de combustible pour la conversion d'un mélange d'air et de carburant dans un mélange gazeux combustible reformé et riche en hydrogène libre. Le procédé comprend les étapes de détection de charge sur le moteur, de fourniture de ladite chambre de combustion avec un mélange air-essence tandis que la recirculation des gaz d'échappement des moteurs se fait à un taux ne dépassant pas un premier niveau de taux de recyclage des gaz d'échappement lorsque le taux de charge du moteur détecté est inférieur à un niveau prédéterminé de charge. Le procédé comporte en outre une étape d'alimentation de la chambre de combustion avec le mélange gazeux combustible reformé en plus de l'approvisionnement en mélange air-essence en augmentant sensiblement la re-circulation des gaz d'échappement à un taux plus élevé que ledit premier taux de recyclage des gaz d'échappement prédéterminé lorsque la charge du moteur telle que détectée dépasse ledit niveau de charge prédéterminé.
  • Le brevet KR-A-2004/040764 décrit un dispositif et un procédé pour améliorer l'efficacité de combustion et réduire la pollution d'un moteur diesel.
  • Le document WO-A-2007/071848 décrit un catalyseur pour ligne d'échappement de moteur à combustion interne constitué par l'empilement dans cet ordre d'une phase active à base de métaux précieux formant électrode, d'un électrolyte présentant une conductivité ionique par les ions O2- supérieure ou égale à 0,01 mS/cm à 200 °C et d'une contre-électrode. Les propriétés catalytiques de ladite phase active sont activables à 100 °C sous l'effet d'une puissance électrique de 0,1 µW/cm2 de phase active.
  • Le document FR-A-2880657 décrit un circuit de re-circulation 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 et un reformeur d'hydrogène disposé sur la liaison de flux gazeux.
  • Cependant, les procédés et dispositifs décrits dans les documents précités sont complexes à mettre en oeuvre notamment d'un point de vue thermo-management.
  • Il existe donc un besoin pour un procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit de re-circulation de gaz d'échappement qui soit plus simple à mettre en oeuvre.
  • Pour cela, l'invention propose un procédé de contrôle, de la température des gaz dans une ligne notamment de re-circulation de gaz d'échappement, la ligne comportant un catalyseur, le procédé comprenant les étapes de réalisation de réactions exothermiques et de réactions endothermiques au sein du catalyseur), en sortie du catalyseur, détermination du bilan thermique des gaz issus des réactions, et de promotion des réactions exothermiques ou des réactions endothermiques selon le bilan thermique obtenu.
  • L'invention exploite ainsi le caractère « thermique » des réactions, qui ou consomment de l'énergie pour avoir lieu (réactions endothermiques), ou fournissent de l'énergie (réaction exothermiques) - les réations athermiques n'étant pas ici considérées. En jouant sur le caractère endo- ou exothermique, on augmente ou diminue la température d'un système tout en réalisant les réactions désirées sans avoir recours à un système additionnel encombrant et couteux de type échangeur thermique.
  • Dans une variante, les réactions sont productrices d'hydrogène.
  • Dans une variante, le catalyseur comporte des sites actifs favorisant les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques.
  • Dans une variante, les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques sont favorisées par l'optimisation de l'énergie d'activation du catalyseur.
  • Dans une variante dans laquelle la ligne est une ligne de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, le procédé comprend une étape de contrôle de la richesse et de la composition des gaz d'échappement en entrée du catalyseur favorisant les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques. Ce contrôle est de préférence réalisé par ajustement du rapport air/carburant en entrée de la chambre de combustion. La ligne de recirculation des gaz d'échappement peut avantageusement comporter en outre un organe d'injection d'air et de carburant dans la ligne de recirculation, le contrôle de la richesse et de la composition des gaz d'échappement étant réalisé par pilotage de l'organe d'injection d'air et de carburant. Cet organe d'injection peut fonctionner de manière continue ou transitoire.
  • Dans une variante, on utilise la chaleur produite par les réactions exothermiques pour réaliser les réactions endothermiques.
  • Dans une variante, le catalyseur comprend une pluralité de briques de support de sites actifs, le procédé comprenant en outre une étape de diminution de la température des gaz en sortie du catalyseur par le réglage de l'espacement entre les briques. Avantageusement, le procédé comporte alors l'utilisation d'une réaction endothermique dans la dernière brique du catalyseur.
  • Dans une variante, la composition de la phase active du catalyseur est ajustée pour favoriser les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques.
  • La présente invention a également pour objet un moteur comportant une chambre de combustion, une ligne de recirculation des gaz d'échappement de la chambre de combustion et un catalyseur sur ladite ligne pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus.
  • L'invention a également pour objet un véhicule équipé d'une tel moteur, et de préférence un véhicule dans lequel chaleur dégagée par les réactions exothermiques est utilisée pour l'habitacle du véhicule.
  • 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, une vue schématique d'une ligne de re-circulation des gaz d'échappement d'un moteur ;
    • § figure 2, un organigramme d'un exemple de mise en oeuvre du procédé.
  • Il est proposé un procédé de contrôle de la température des gaz dans une ligne de re-circulation de gaz d'échappement comportant un catalyseur. Le procédé comprend une étape de réalisation de réactions exothermiques et de réactions endothermiques au sein du catalyseur qui peut être lui-même composé d'une ou plusieurs briques. Le procédé comprend en outre, en sortie du catalyseur, une étape de détermination du bilan thermique des gaz issus des réactions. Le procédé comporte également une étape de promotion des réactions exothermiques ou des réactions endothermiques selon le bilan thermique obtenu.
  • Le procédé permet ainsi de contrôler la température de la ligne de recirculation de gaz d'échappement. Le contrôle se fait sans ajout de composants et, en particulier, sans utilisation d'échangeur thermique. Cela rend le procédé simple à mettre en oeuvre. Notamment, par rapport à l'utilisation d'un système additionnel de type échangeur thermique, la solution est plus flexible au niveau de l'architecture moteur.
  • Le procédé de contrôle peut être mis en oeuvre dans une ligne 20 de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur 10 comme illustré dans la vue schématique de la figure 1. Le moteur 10 peut être tout type de moteur. Le moteur 10 peut en particulier utiliser tout carburant comme l'essence, le Diesel, les biocarburants, le GNV (gaz naturel pour véhicules) ou le GPL (gaz de pétrôle liquifié). Le moteur 10 comprend une ou plusieurs chambres 12 de combustion situées entre un collecteur d'admission 14 et un collecteur d'échappement 16. Le collecteur d'admission 14 reçoit de l'air à introduire dans la chambre 12 de combustion. Du carburant est également injecté dans la chambre 12 de combustion généralement par une buse d'injection qui n'est pas représentée sur la figure 1. Le collecteur d'échappement 16 reçoit les émissions de gaz produites par la combustion et les dirige vers un catalyseur d'échappement non représenté. Le catalyseur traite les émissions produites par post-combustion avant expulsion vers l'atmosphère extérieure.
  • Le moteur 10 comprend en outre une ligne 20 de re-circulation de gaz d'échappement. La ligne 20 permet de faire re-circuler les gaz d'échappement vers l'admission d'air de la chambre 12 pour réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx). La ligne 20 relie le collecteur d'échappement 16 et le collecteur d'admission 14. La ligne 20 comprend un organe 22 d'injection d'air et de carburant. L'organe 22 d'injection permet d'introduire du carburant et de l'air dans la ligne 20. La ligne 20 peut comporter en outre une vanne 24. La vanne 24 permet de contrôler le débit des gaz d'échappement réintroduits dans la chambre 12 de combustion. Un débit trop important provoque une baisse de rendement moteur 10, une perte de puissance et cause des à coups à l'accélération (cliquetis), alors qu'un débit trop faible entraîne une surémission d'oxydes d'azote et une réduction des gains en consommation de carburant. La ligne 20 comporte un catalyseur 26 pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de la température des gaz dans la ligne 20. Un catalyseur permet entre autres de favoriser une réaction chimique par rapport à une autre.
  • La figure 2 est un organigramme qui illustre un exemple de mise en oeuvre du procédé de contrôle. Le procédé comprend une étape 28 de réalisation de réactions exothermiques et endothermiques au sein du catalyseur 26. Les réactions exothermiques sont des réactions chimiques qui fournissent de la chaleur au milieu tandis que les réactions endothermiques sont des réactions chimiques qui consomment de la chaleur du milieu.
  • Les réactions peuvent par ailleurs être des réactions productrices d'hydrogène. Dans une ligne de re-circulation des gaz d'échappement, la production d'hydrogène est une solution permettant d'augmenter le taux de gaz d'échappement re-circulés tout en maintenant la stabilité de la combustion dans la chambre 12. La consommation de carburant ainsi que les émissions de NOx dans la chambre 12 sont de ce fait réduites. Pour produire de l'hydrogène, le reformage du carburant (de composition CxHy) est obtenu en faisant réagir des molécules de carburant avec de l'eau et/ou du dioxygène selon les trois réactions suivantes :
    • § le reformage par oxydation partielle du carburant (POx) avec de l'air, le carburant étant pulvérisé et aussitôt transformé en vapeur :

               CxHy + x/2 O2 → x CO + y/2 H2     (1)

    • § le vapo-reformage (STR) du carburant avec de la vapeur d'eau :

               CxHy + x H2O → x CO + (y/2+x) H2     (2)

    • § la réaction de gaz à l'eau, dite "Water Gas Shift reaction" (WGS)

               CO + H2O → CO2 + H2     (3)

  • La réaction de reformage par oxydation partielle (réaction 1) est exothermique. La réaction de vapo-reformage (réaction 2) est endothermique et la réaction de gaz à l'eau (réaction 3) est plus faiblement exothermique que la réaction 1.
  • La chaleur dégagée par les réactions exothermiques ayant lieu dans le catalyseur 26 peut être utilisée pour un certain nombre d'applications. La chaleur ainsi obtenue peut être utilisée dans le domaine de la récupération d'énergie. Le chauffage d'installations industrielles, de bâtiments ou de l'habitacle d'un véhicule sont des exemples d'application. La chaleur des réactions exothermiques peut aussi être utilisée pour le domaine de la chimie lourde.
  • Avantageusement, la chaleur produite par les réactions exothermiques du catalyseur 26 peut être utilisée pour réaliser les réactions endothermiques. Cela évite d'utiliser une source d'énergie supplémentaire pour déclencher ces réactions qui nécessitent un apport de chaleur. Ainsi, à titre d'exemple les réactions de reformage par oxydation partielle et de vapo-reformage peuvent être réalisées dans le catalyseur 26. La chaleur dégagée par la réaction de reformage par oxydation partielle rend possible la réaction de vapo-reformage endothermique. Dans une telle situation, la ligne 20 présente un bilan énergétique positif dans la mesure où les molécules qui permettent d'augmenter la température sont bien adaptées pour la combustion dans la chambre 12. Ainsi, même si les molécules ne sont pas transformées dans le catalyseur 26, elles sont consommées dans la chambre de combustion. Cela signifie que les molécules qui permettent d'augmenter la température servent à réduire les émissions de NOx dans la chambre 12 ou la consommation de carburant.
  • Le procédé comporte en outre une étape 30 de détermination du bilan thermique des gaz issus des réactions en sortie du catalyseur 26. L'étape 30 permet de connaître l'effet thermique des différentes réactions et en particulier de savoir si les gaz obtenus en sortie du catalyseur 26 sont plus chauds ou plus froids que les gaz en entrée. La mesure de la température des gaz en sortie peut être réalisée par un capteur de température comme un thermocouple. Un tel capteur peut par exemple être placé juste après le catalyseur 26. Lorsqu'une température des gaz obtenus en sortie du catalyseur 26 est désirée à un endroit précis sur la ligne 20, il peut aussi être avantageux de placer le capteur à l'endroit sur la ligne 20.
  • Le procédé de contrôle comprend également une étape 32 de promotion des réactions exothermiques ou des réactions endothermiques selon le bilan thermique obtenu. Lorsque la température mesurée est trop faible par rapport à la température désirée, les réactions exothermiques sont favorisées et si la température mesurée est trop élevée, ce sont cette fois les réactions endothermiques qui devront être favorisées. Le procédé permet ainsi de contrôler la température de la ligne de recirculation de gaz d'échappement. Il est inutile d'utiliser un composant supplémentaire, notamment un échangeur thermique et d'augmenter ou de réduire les tuyaux déjà existants dans la ligne 20 de re-circulation. Le procédé est donc simple à mettre en oeuvre.
  • Pour réaliser l'étape 32, plusieurs moyens sont envisageables. Par exemple, le catalyseur 26 peut comporter des sites actifs favorisant plutôt les réactions exothermiques ou plutôt les réactions endothermiques. Un site actif est le lieu où se déroule la réaction chimique. Dans le cas du catalyseur 26, le site actif peut être assimilé à la particule de métal qui catalyse la réaction chimique. L'utilisation de sites actifs permet donc de favoriser les réactions exothermiques ou endothermiques sans ajouter de composants supplémentaires sur la ligne 20 ce qui facilite la mise en oeuvre du procédé de contrôle.
  • Les réactions exothermiques ou endothermiques peuvent aussi être favorisées par l'optimisation de l'énergie d'activation du catalyseur 26. L'énergie d'activation d'une réaction est la barrière énergétique (ou plus exactement la barrière d'enthalpie libre) à franchir par les réactifs pour que la réaction c'est-à-dire la transformation en produits ait lieu. L'énergie d'activation dépend notamment de la réaction considérée mais aussi du catalyseur employé (i.e. le site actif et son environnement direct). L'optimisation de l'énergie d'activation du catalyseur 26 permet d'utiliser les composants déjà présents sur la ligne 20 sans utiliser un composant supplémentaire.
  • Il est possible d'optimiser l'énergie d'activation et par conséquent de modifier l'activité catalytique en jouant sur la composition de la phase active (aussi appelée par le terme anglais « washcoat ») du catalyseur 26. De ce fait, la composition de la phase active du catalyseur 26 peut en outre être ajustée pour favoriser les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques. L'intérêt est qu'il est simple d'adapter le catalyseur 26. La nature et la quantité de métaux précieux dans la phase active peuvent notamment changer l'activité du catalyseur 26. Similairement, la nature des dopants (cérium (Ce), zirconium (Zr), praséodyme (Pr), yttrium (Y), etc..) permet de favoriser plus ou moins telle ou telle réaction. Il est reconnu, par exemple, que le cérium favorise la réaction dite du « gaz à l'eau » alors que le rhodium qui n'est pas le plus actif en WGS est l'acteur principal du vapo-reformage des HC. La quantité de rhodium est un élément important pour que la réaction d'oxydation partielle (POx) soit réalisée avec une efficacité significative.
  • Le procédé de contrôle peut en outre comporter une étape 34 de contrôle de la richesse et de la composition des gaz d'échappement en entrée du catalyseur 26. La richesse et la composition des gaz déterminent les caractéristiques du milieu de la réaction chimique. Par exemple, le milieu peut être plus ou moins réducteur. Similairement, la teneur en O2 du milieu peut varier. Or, les propriétés du milieu favorisent plus ou moins les réactions. L'étape 34 permet donc de favoriser les réactions endothermiques ou exothermiques. L'étape 34 a lieu avant l'étape 28 de réalisation des réactions comme illustré dans l'organigramme de la figure 2.
  • Dans le cas particulier des réactions productrices d'hydrogène étudiées plus haut, les réactions (1), (2) et (3) ne sont pas favorisées par les mêmes milieux. La réaction d'oxydation partielle utilise un apport important en oxygène tandis que les réactions faisant intervenir l'eau comme le « vapo-reformage » et le « gaz à l'eau » requièrent des conditions à l'inverse plutôt réductrices. Ainsi, à l'étape 34, la teneur en O2 du milieu est augmentée pour favoriser les réactions exothermiques alors que le milieu est rendu réducteur par injection de carburant dans le cas où les réactions endothermiques sont à privilégier.
  • L'étape 34 de contrôle de la richesse et de la composition des gaz d'échappement peut être réalisée par ajustement du rapport air/carburant en entrée de la chambre 12 de combustion. Cela est simple à réaliser.
  • Le contrôle de la richesse et de la composition des gaz d'échappement peut également être réalisé par pilotage de l'organe 22 d'injection d'air et de carburant. Cela permet un contrôle aisé et précis. Dans le cas des réactions productrices d'hydrogène, injecter des composés comme l'O2 par l'organe 22 permet en outre d'éviter la réalisation des réactions d'oxydation directe suivantes :

             CxHy+(x+y/4)O2 → xCO2 + y/2 H2O

             CO + 1/2 O2 → CO2

  • Les réactions d'oxydation directe transforment les HC imbrûlés et le CO en CO2 et H2O empêchant la production d'H2.
  • Selon les besoins, l'organe 22 peut fonctionner de manière continue ou de manière transitoire. Le fonctionnement en continu peut être intéressant pour rester en mode dit « auto-therme ». Dans un mode « auto-therme », la température des gaz re-circulés dans le collecteur 14 d'admission peut en particulier être maintenue à une température précise. Un fonctionnement en mode transitoire permet d'adapter le niveau thermique en fonction du besoin en termes d'économies énergétiques.
  • Dans le cas où le catalyseur 26 est en fait composé de plusieurs briques catalytiques, le procédé de contrôle peut comprendre en outre une étape de diminution de la température des gaz en sortie du catalyseur (par ajout d'une brique de STR qui est une réaction endothermique). La diminution de température est intéressante car la formation de NOx est favorisée par la température (mécanisme de Zeldovich). La diminution de température des gaz peut être ajustée par le réglage de l'espacement entre les briques. Par rapport à l'utilisation d'un système additionnel de type échangeur thermique, la solution est plus flexible au niveau de l'architecture moteur. En effet, les dimensions du catalyseur 26 n'imposent pas de contraintes particulières et il n'est pas utile d'augmenter ou de réduire les tuyaux dans la ligne 20 de re-circulation. De plus, l'absence d'échangeur thermique diminue le coût de la ligne.

Claims (15)

  1. Procédé de contrôle de la température des gaz dans une ligne (20) notamment de recirculation de gaz d'échappement, la ligne (20) comportant un catalyseur (26), le procédé comprenant les étapes de
    - réalisation (28) de réactions exothermiques et de réactions endothermiques au sein du catalyseur (26),
    - en sortie du catalyseur (26), détermination (30) du bilan thermique des gaz issus des réactions,
    - promotion (32) des réactions exothermiques ou des réactions endothermiques selon le bilan thermique obtenu.
  2. Le procédé selon la revendication 1, dans lequel les réactions sont productrices d'hydrogène.
  3. Le procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le catalyseur (26) comporte des sites actifs favorisant les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques.
  4. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques sont favorisées par l'optimisation de l'énergie d'activation du catalyseur (26).
  5. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la ligne est une ligne (20) de recirculation de gaz d'échappement d'un moteur thermique, comprenant une étape de contrôle (34) de la richesse et de la composition des gaz d'échappement en entrée du catalyseur (26) favorisant les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques.
  6. Le procédé selon la revendication 5, dans lequel le contrôle (34) de la richesse et de la composition des gaz d'échappement est réalisé par ajustement du rapport air/carburant en entrée de la chambre (12) de combustion.
  7. Le procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la ligne (20) de recirculation des gaz d'échappement comporte en outre un organe (22) d'injection d'air et de carburant dans la ligne (20) de re-circulation,
    le contrôle (34) de la richesse et de la composition des gaz d'échappement étant réalisé par pilotage de l'organe (22) d'injection d'air et de carburant.
  8. Le procédé selon la revendication 7, dans lequel l'organe (22) d'injection fonctionne de manière continue ou de manière transitoire.
  9. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel on utilise la chaleur produite par les réactions exothermiques pour réaliser les réactions endothermiques.
  10. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le catalyseur (26) comprend une pluralité de briques de support de sites actifs, le procédé comprenant en outre une étape de diminution de la température des gaz en sortie du catalyseur (26) par le réglage de l'espacement entre les briques.
  11. Le procédé selon la revendication 10, comportant de plus l'utilisation d'une réaction endothermique dans la dernière brique du catalyseur (26).
  12. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel la composition de la phase active du catalyseur (26) est ajustée pour favoriser les réactions exothermiques ou les réactions endothermiques.
  13. Un moteur (10) comportant
    - une chambre (12) de combustion,
    - une ligne (20) de re-circulation des gaz d'échappement de la chambre (12) de combustion,
    - un catalyseur (26) sur la ligne (20) de re-circulation des gaz d'échappement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 12.
  14. Un véhicule comprenant le moteur (10) selon la revendication 13.
  15. Le véhicule selon la revendication 13, dans lequel la chaleur dégagée par les réactions exothermiques est utilisée pour l'habitacle du véhicule.
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