Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement le domaine des moteurs à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement.

Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro V, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOx).

Parmi les moyens mis en œuvre pour dépolluer les gaz d'échappement, le recyclage des gaz d'échappement (EGR, pour les initiales de l'expression Exhaust Gas Recirculation) constitue, tant pour les moteurs à essence que les moteurs Diesel, une excellente méthode de réduction des émissions de NOx. Le principe de l'EGR réside dans l'introduction d'une quantité donnée de gaz d'échappement en remplacement d'une partie de l'air frais à l'admission des moteurs. Le fait de réintroduire des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur permet, par la réduction de la concentration en oxygène et de la température de combustion de limiter les réactions de formation des NOx pendant la combustion.

D'un point de vue physico-chimique, on constate que la vitesse de flamme diminue fortement avec la présence d'un système EGR. Même un recours à une augmentation de la turbulence ne peut pallier ce déficit de vitesse que l'on peut qualifier de « chimique ».

On a pu également constater que l'enrichissement du système EGR en hydrogène permet d'augmenter de manière importante la vitesse de flamme et ainsi de contrebalancer l'effet cinétique de la dilution due au système EGR.

Il est connu, comme le décrit le document FR2880657, de produire de l'hydrogène par une opération physico-chimique dite de «reformage», en faisant réagir des molécules de carburant avec une partie de la vapeur d'eau contenus dans les gaz d'échappement pour produire de l'hydrogène. Cependant, il est nécessaire de conduire les réactions chimiques de reformage à température élevée, ce qui impose de prévoir des systèmes de chauffage auxiliaires consommateur d'énergie.

Le document US4131095 décrit un moteur à combustion interne multicylindres dont un des cylindres est dédié à être alimenté en fonction des conditions de charge moteur soit par un mélange stœchiométrique d'air et d'essence, soit par un mélange très riche d'air et d'essence (la richesse étant comprise entre 2,5 à 3,3). Le mélange très riche est réalisé pour des conditions de charge moteur faible et le cylindre produit alors des gaz de combustion dont la composition s'apparente à des gaz de reformage, c'est-à-dire contenant notamment du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures imbrûlés (HC) et de l'hydrogène (H ₂ ).

Ledit cylindre dédié comporte deux soupapes d'échappement et les gaz de combustion du mélange air/essence de ce cylindre peuvent être réacheminés vers l'admission à l'aide d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement s'étendant d'une première des deux soupapes d'échappement vers un conduit d'admission spécifique aux autres cylindres ou peuvent rejoindre le collecteur d'échappement à l'aide d'une conduite s'étendant de la seconde soupape d'échappement au collecteur d'échappement.

Ainsi, dans un premier mode de fonctionnement, à charge faible, le cylindre dédié est alimenté par le mélange air/essence très riche, la seconde soupape est fermée, les gaz de combustion issus dudit cylindre sont réinjectés dans le conduit d'admission des autres cylindres et sont mélangés en substitution de l'essence avec de l'air d'admission pour alimenter les autres cylindres.

Dans un second mode de fonctionnement, à forte charge, le cylindre dédié comme les autres cylindres est alimenté par le mélange air/essence stœchiométrique, la première soupape est fermée pour empêcher la recirculation de gaz et les gaz de combustion sont évacués vers la ligne d'échappement via la deuxième soupape.

La transition entre les deux modes de fonctionnement est directe, c'est-à-dire que le moteur passe du premier mode de fonctionnement au second mode de fonctionnement à partir d'un seuil de charge demandé prédéterminé.

Cependant, un tel dispositif présente de nombreux inconvénients : il est inadapté aux normes actuelles relatives aux niveaux d'émissions polluantes, il n'est pas prévu pour contrôler la quantité de gaz de combustion à faire recirculer du cylindre dédié vers les autres cylindres. La combustion du mélange très riche air/essence ne permet pas de générer une grande quantité d'hydrogène, le dispositif fait intervenir pour la sélection du mode de fonctionnement soupapes du cylindre choisi un système coûteux et complexe de commande par arbre à cames piloté en translation.

L'invention a pour but de pallier les inconvénients du moteur à combustion selon l'art antérieur en proposant un nouveau moteur à combustion apte à respecter les normes actuelles relatives aux niveaux d'émissions polluantes, pouvant produire dans un cylindre une quantité plus importante d'hydrogène.

L'invention concerne donc un moteur à combustion interne multicylindres comprenant des moyens d'admission d'air, des moyens d'alimentation en carburant, des moyens d'échappement des gaz de combustion produits par les cylindres, ledit moteur comportant un premier cylindre apte à fonctionner en mélange riche afin de générer des gaz de combustion chargés en hydrogène et un circuit permettant la recirculation des gaz de combustion du premier cylindre vers les moyens d'admission d'air, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation sont prévus pour alimenter au moins le premier cylindre avec un carburant secondaire à base d'un hydrocarbure, ou d'un mélange d'hydrocarbures, ayant entre 1 et 4 atomes de carbone et au moins les autres cylindres avec un carburant primaire différent du carburant secondaire.

En effet, plus le nombre d'atome de carbone d'un hydrocarbure est bas, plus le ratio entre le nombre d'atomes d'hydrogène et le nombre d'atomes de carbone est élevé, et plus l'excès de carburant se traduira, après combustion, par une présence importante d'hydrogène dans les produits de combustion.

Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le moteur comportant de plus un turbocompresseur muni d'un compresseur communiquant avec les moyens d'admission d'air et une turbine communiquant avec les moyens d'échappement, le circuit de recirculation s'étend des moyens d'échappement en aval de la turbine aux moyens d'admission en amont du compresseur. On dispose ainsi de plus d'espace pour implanter le circuit de recirculation.

- les moyens d'échappement comportant des tubulures d'échappement et les moyens d'admission comportant des tubulures d'admission d'air reliées à leur cylindre correspondant, le circuit de recirculation s'étend de la tubulure d'échappement du premier cylindre vers les tubulures d'admission d'air des autres cylindres. On a ainsi un circuit de recirculation court et efficace dans lequel on prélève « à la source » les produits de combustion du premier cylindre chargés en hydrogène pour les réadmettre dans les cylindres dont la combustion est à améliorer.

- le circuit de recirculation comprend une vanne pour réguler la quantité de gaz à recirculer. On a ainsi un moyen de régulation de la quantité de gaz recirculés fiable et économique.

- le carburant secondaire est à base de méthane. En effet, en tant qu'hydrocarbure, le méthane est apte à fournir la plus grande quantité d'hydrogène dans le cadre de l'invention car il représente le meilleur ratio hydrogène /carbone

- le moteur est du type à allumage par compression. En effet les moteurs à allumage par compression ont les meilleurs rendements de combustion.

- le premier cylindre est alimenté par un mélange de carburant primaire et de carburant secondaire, pour obtenir un mélange riche dont les produits de combustion seront, grâce à la formulation du carburant secondaire chargés en hydrogène.

- le carburant primaire est à base de gazole ou de biodiesel.

Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne selon l'invention, caractérisé en ce que l'on alimente le premier cylindre en mélange riche et les autres cylindres en mélange pauvre, une partie des gaz de combustion chargés d'hydrogène produits par le premier cylindre étant réadmis afin de favoriser la combustion dans les autres cylindres.

Le procédé de l'invention peut comporter la caractéristique suivante :

- il comprend les étapes d'admission d'un mélange riche d'air et de carburant secondaire, de compression du mélange riche et d'injection de carburant primaire pour allumer le mélange riche. Ainsi la quantité de carburant primaire est limitée à la quantité nécessaire pour amorcer la combustion, ce qui est favorable au bilan de CO ₂ .

Brève description des dessins 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 :

- La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du moteur selon l'invention.

- La figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation préféré du moteur selon l'invention.

- La figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du moteur selon l'invention.

Description détaillée

Sur la figure 1 est présenté un moteur à combustion interne 1 selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention.

Le moteur 1 est un moteur multicylindres, de préférence, du type à allumage par compression, tel qu'un moteur Diesel. Le moteur 1 comprend quatre cylindres 2, 3, 4 et 5. Les cylindres 2, 3, 4 et 5 sont alimentés en air par des moyens d'admission 6. Les moyens d'admission 6 comprennent un conduit 7 d'air principal relié à des conduits ou tubulures d'admission 8, 9, 10, 1 1. Les tubulures d'admission 8, 9, 10, 1 1 répartissent l'air du conduit 7 respectivement dans les cylindres 2, 3, 4 et 5.

Les cylindres 2, 3, 4 et 5 sont alimentés en carburant par des moyens d'alimentation 12. Les moyens d'alimentation 12 comprennent un premier circuit d'alimentation 13 relié à des injecteurs 15, 16, 17, 18 implantés de manière à injecter directement ledit carburant respectivement dans les cylindres 2, 3, 4 et 5. De préférence le carburant primaire est à base de gazole ou de biodiesel. Alors que le gazole est un produit pétrolier, on entend ici par biodiesel, un biocarburant apte à faire fonctionner un moteur de type Diesel obtenu à partir d'huile végétale ou animale, transformée par un procédé chimique tel que de la transestérification en faisant réagir cette huile avec un alcool ou d'hydrogénation. Le biodiesel peut être utilisé seul dans le moteur ou mélangé avec du gazole.

Les moyens d'alimentation 12 comprennent aussi un second circuit d'alimentation 14 d'un carburant secondaire relié à des injecteurs 19, 20, 21 , 22. Les injecteurs 19, 20, 21 , 22 sont implantés dans leur tubulure d'admission respective 8, 9, 10, 1 1 de manière à injecter indirectement ledit carburant secondaire dans les cylindres correspondants 2, 3, 4 et 5. De préférence, le carburant secondaire est à base d'un hydrocarbure ou d'un mélange d'hydrocarbures ayant entre 1 et 4 atomes de carbone et le carburant secondaire est différent du carburant primaire. De préférence encore, le carburant secondaire est à base de méthane. En pratique, un gaz naturel, tel que du gaz de ville convient donc fort bien.

Par ailleurs, le moteur 1 comprend des moyens d'échappement 23 des gaz produits par la combustion du mélange d'air et de carburant introduits dans les cylindres. Les moyens d'échappement comprennent une ligne d'échappement 24 reliée à des tubulures d'échappement 25, 26, 27, 28. Les tubulures d'échappement 25, 26, 27, 28 collectent les gaz d'échappement pour les transmettre à la ligne d'échappement 23.

Le moteur 1 , conformément à l'invention, comprend un circuit 29 de recirculation des gaz d'échappement. Le circuit 29 de recirculation des gaz d'échappement (ou circuit EGR correspondant à l'acronyme anglais pour Exhaust Gas Recirculation) comprend, de préférence une vanne 30 pour réguler la quantité de gaz d'échappement à faire recirculer. Le circuit 29 EGR est implanté de telle manière qu'il prélève les gaz de combustion issus du premier cylindre 2 pour les transmettre vers les autres cylindres 3, 4, 5. Dans ce but, le circuit 29 EGR est relié, coté échappement, à la tubulure d'échappement 25 du premier cylindre 2 et coté admission aux tubulures d'admission 9, 10, 1 1 des autres cylindres 3, 4, 5. Dans ce mode de réalisation, le circuit 29 EGR est avantageusement relié en amont des tubulures d'admission 9, 10, 1 1 des autres cylindres 3, 4, 5, en aval d'une séparation 32 avec la tubulure d'admission 8, afin d'éviter ou tout au moins limiter autant que possible de réinjecter des gaz de d'échappement recirculés dans le premier cylindre 2.

La vanne 30 est avantageusement une vanne EGR apte à moduler le débit des gaz d'échappement la traversant telle que l'industrie automobile en utilise, car elle représente une solution technique peu onéreuse et techniquement fiable pour assurer la fonction de régulation du débit de gaz d'échappement issu du premier cylindre 2.

Ainsi, dans ce mode de réalisation, pour les points de fonctionnement moteur pour lesquels de l'EGR enrichi en hydrogène est requis, on alimente le premier cylindre 2 avec un mélange riche de première richesse Φi supérieure à 1 , les autres cylindres 3, 4 et 5 avec un mélange pauvre de seconde richesse Φ ₂ inférieure à 1 et la vanne EGR 30 est tout ou partiellement ouverte afin de permettre la réadmission d'une partie des gaz de combustion chargés d'hydrogène produits par le premier cylindre 2 par le circuit 29 EGR vers les tubulures d'admission 9, 10, 1 1 afin de favoriser la combustion dans les autres cylindres 3, 4, 5. La vanne 30 assure, en fonction de son ouverture, une répartition entre la quantité de gaz recirculés par le circuit 29 EGR et la quantité de gaz d'échappement envoyé vers la ligne d'échappement 24.

Dans un moteur 1 tel que représenté à la figure 1 , comprenant quatre cylindres, les combustions se suivent : le premier cylindres 2 brûle son mélange puis successivement les autres. Quand la vanne 30 est ouverte, une telle vanne 30 EGR ayant en soi un temps de réponse insuffisant pour s'ouvrir et se fermer au rythme des cycles du premier cylindre 2, elle reste ouverte pendant les phases d'échappement des autre cylindres 3, 4, 5. Une fraction des gaz d'échappement des autres cylindres 3, 4, 5 peut ainsi recirculer vers les moyens d'admission 6 par cette vanne 30. Toutefois, la masse d'hydrogène recirculée vers les autres cylindres 3, 4, 5 reste globalement la même et cela ne pose pas de problème sur le fonctionnement du moteur selon l'invention.

De préférence, le premier cylindre est alimenté par un mélange de carburant primaire et de carburant secondaire. Plus précisément, La première richesse Φi est obtenue en admettant dans le premier cylindre 2 un mélange d'air issu de la tubulure 8 et de gaz naturel injecté par l'injecteur de gaz 19 dans les proportions requises. Le mélange est ensuite comprimé et une injection de gazole par l'injecteur 15 permet d'allumer le mélange riche. Cette injection de gazole, peut être réduite au juste nécessaire pour assurer l'allumage du mélange, ce qui est favorable au bilan d'émission de CO ₂ du premier cylindre 2 et donc du moteur.

D'une manière générale, l'excès de carburant se traduit après combustion par la présence importante dans les produits de combustion de monoxyde de carbone (CO), et d'hydrogène (H ₂ ). L'équation de combustion d'un hydrocarbure de formule générale C _n H _n , avec n et m, respectivement le nombre d'atomes de carbone et le nombre d'atome d'hydrogène dans la molécule d'hydrocarbure est la suivante :

lη + Im/ II C _n H _n + ^- (O ₂ + 3,78N ₂ ) ^ a ₁ • CO ₂ + Ot ₂ - H ₂ O + Ot ₃ - CO + Ot ₄ - H ₂ + Ot ₅ N ₂ (1 )

Φ

Avec ai à α ₅ les fractions molaires des produits de combustion, et Φ la richesse du mélange déterminé par la relation, connue en soi, suivante :

L'invention, selon ce premier mode de réalisation, permet grâce à l'usage de gaz naturel, de produire une plus grande quantité molaire d'hydrogène (H ₂ ). En effet, l'avantage à générer de l'hydrogène à partir du gaz naturel est le suivant :

Le gaz naturel est classiquement constitué à plus de 90% de méthane (CH ₄ ). La molécule CH ₄ possède un rapport H/C entre nombre d'atomes d'hydrogène (H) sur le nombre d'atomes de carbone (C) de 4, soit plus élevé que n'importe quel autre carburant à base d'hydrocarbures. A titre indicatif, le rapport H/C d'une essence est typiquement compris entre 1.7 et 1 .9. Le méthane est donc le composé le plus favorable pour la plus grande production de quantité molaire de H ₂ .

La présence d'hydrogène issu des gaz d'échappement du premier cylindre 2 favorise la combustion des mélanges pauvres (seconde richesse Φ ₂ inférieure à 1 ) dans les autres cylindres 3, 4, 5, car il permet une combustion sensiblement plus rapide. Le moteur 1 a ainsi une tolérance EGR accrue, et, par conséquent, permet la réduction des émissions NOx sans dégradation des autres émissions polluantes (CO et HC).

Pour les points de fonctionnement moteur pour lesquels de l'EGR enrichi en hydrogène n'est pas requis, les quatre cylindres 2, 3, 4, 5 fonctionnement à même richesse et la vanne 30 est fermée de manière à interdire la recirculation des gaz d'échappement du premier cylindre 2 par le circuit EGR 29. La vanne 30 autorise en outre le passage des gaz d'échappement du premier cylindre 2 vers la ligne d'échappement 24.

Ces modes de fonctionnement ne sont pas limitatifs. En effet, on peut par exemple aussi prévoir de faire fonctionner le moteur 1 avec de l'EGR sans enrichissement en hydrogène. Dans ce cas les quatre cylindres 2, 3, 4, 5 fonctionnent à même richesse et la vanne 30 est ouverte de manière à autoriser la recirculation d'au moins une partie des gaz d'échappement du premier cylindre vers les autres cylindres. On a aussi la liberté de pouvoir faire fonctionner les quatre cylindres 2, 3, 4, 5 du moteur 1 uniquement par de l'injection de gazole. La figure 2 présente un second mode de réalisation du moteur selon l'invention. Les éléments identiques reprennent les mêmes références. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend de plus dans son architecture un turbocompresseur 31. Le turbocompresseur 31 comprend un compresseur C relié en rotation à une turbine T. Le compresseur C est disposé sur le trajet de l'air d'admission dans le conduit principal d'admission 7 du moyen d'admission 6 tandis que la turbine T est disposée sur le trajet des gaz d'échappement traversant la ligne d'échappement 24. Le passage des gaz d'échappement dans la turbine T entraine en rotation cette dernière qui entraine à son tour le compresseur C. Ainsi, l'air d'admission est envoyé comprimé en aval du compresseur C vers les cylindres 2, 3, 4, 5.

Dans ce second mode de réalisation, de préférence le circuit de recirculation 29 est du type « haute pression » c'est-à-dire qu'il s'étend des moyens d'échappement 23, en amont de la turbine T, aux moyens d'admission 6, en aval du compresseur C. Le sens amont et aval est relatif au sens de circulation des fluides dans les moyens d'échappement 23 et d'amission 6. Plus précisément et de préférence, le circuit de recirculation 29 s'étend de la tubulure d'échappement 25 du premier cylindre 2 vers les tubulures d'admission 9, 10, 1 1 d'air des autres cylindres 3, 4, 5. Dans ce mode de réalisation, le circuit EGR 29 est avantageusement relié aux tubulures d'admission des autres cylindres 3, 4, 5 en aval de la séparation 32 avec la tubulure d'admission 8, afin d'éviter ou tout au mois limiter autant que possible de réinjecter des gaz de d'échappement recirculés dans le premier cylindre 2. Ce second mode de réalisation autorise aussi les mêmes modes de fonctionnement décrits pour le premier mode de réalisation, à savoir, un fonctionnement avec de l'EGR enrichi en hydrogène, sans EGR, ou avec de l'EGR non enrichi en hydrogène, ou encore en injection de gazole uniquement.

La figure 3 présente un troisième mode de réalisation du moteur selon l'invention. Les éléments identiques reprennent les mêmes références. Dans ce troisième mode de réalisation, le moteur comprend la même manière que pour le second mode de réalisation un turbocompresseur 31 et de préférence, le circuit de recirculation 29 est du type « basse pression » c'est-à-dire qu'il s'étend des moyens d'échappement 23 en aval de la turbine T aux moyens d'admission 6 en amont du compresseur C. Dans ce troisième mode de réalisation, la tubulure d'échappement 25 du premier cylindre 2 est reliée aux tubulures d'échappement 26, 27, 28 des autres cylindres 3, 4, 5. Ainsi, pour les points de fonctionnement moteur pour lesquels de l'EGR enrichi en hydrogène est requis, le premier cylindre 2 est alimenté avec un mélange riche de première richesse Φi supérieure à 1 , les autre cylindres 3, 4 et 5 sont alimenté avec un mélange pauvre de seconde richesse Φ ₂ inférieure à 1 , la vanne EGR 30 placée en aval de la turbine T est ouverte afin de permettre la réadmission d'une partie des gaz d'échappement contenant l'hydrogène de la ligne d'échappement 24 vers la conduite principale d'admission 7, en amont du compresseur C par l'intermédiaire du circuit 29 EGR. Les gaz EGR enrichis en hydrogène se mélangent avec l'air d'admission, traversent le compresseur et sont répartis dans les chacun des cylindres 2, 3, 4, 5 du moteur 1 par les tubulures d'admission correspondantes 8, 9, 10, 1 1.

Ce troisième mode de réalisation est avantageux dans le sens qu'il permet de disposer de plus d'espace pour implanter le circuit 29 EGR et la vanne 30 EGR dans l'environnement du moteur 1. Ce troisième mode de réalisation est aussi avantageux car il permet de réaliser la production d'hydrogène indifféremment sur l'un des cylindres 2, 3, 4, 5 du moteur 1. On peut ainsi choisir de répartir les temps de fonctionnement en mode riche pour la production d'hydrogène sur chacun des cylindres 2, 3, 4, 5, dans le but par exemple d'homogénéiser les conditions de vie en fonctionnement desdits cylindres. Cependant ce mode de réalisation est légèrement moins efficace car l'hydrogène produit est plus dilué et sa quantité peut même diminuer du fait des équilibres thermodynamiques qui varient avec la température.

L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits aux figures 1 à 3.

Selon une variante, le moteur 1 peut être du type par allumage commandé essence. Le carburant primaire est alors une essence ou tout autre carburant adapté aux moteurs à allumage commandé tel que par exemple des mélanges comprenant de l'éthanol comme L'E85.

Selon une autre variante de l'invention, les moyens d'alimentation 12 comprennent un second circuit d'alimentation 14 de carburant secondaire, tel que du gaz naturel, relié à des injecteurs 19, 20, 21 , 22. Dans cette variante, chacun des injecteurs 19, 20, 21 , 22 est implanté dans son cylindre correspondant 2, 3, 4 et 5 de manière à injecter directement ledit carburant.

Selon une autre variante, les moyens d'alimentation 12 comprennent un second circuit d'alimentation 14 de carburant secondaire, tel que du gaz naturel, relié seulement au premier cylindre 2. Ainsi tous les cylindres sont alimentés en carburant primaire et seul le premier cylindre 2 est alimenté en carburant secondaire. Cette variante est plus économique car elle ne nécessite qu'un seul injecteur à gaz, toutefois le bilan CO ₂ est moins intéressant.

Selon une autre variante, le gaz naturel peut être remplacé par du GPL. En effet ce carburant permet une plus grande capacité de stockage mais comme il est constitué d'hydrocarbures plus chargés en carbone que le méthane du gaz naturel, les bilans hydrogène et CO ₂ sont moins intéressants.

Selon une autre variante, le moteur 1 étant sans turbocompresseur 31 , le circuit 29 de recirculation comprenant la vanne EGR 30 s'étend de la ligne d'échappement 23 en aval des tubulures d'échappement 25, 26, 27, 28, au conduit principal d'admission 7 d'air. Cette variante présente comme pour le troisième mode de réalisation présenté en figure 3 l'avantage de permettre la production d'hydrogène indifféremment sur l'un des cylindres 2, 3, 4, 5 du moteur 1. Cependant cette variante est aussi légèrement moins efficace dans le sens où l'hydrogène produit est plus dilué et sa quantité peut même diminuer du fait des équilibres thermodynamiques qui varient avec la température.

L'invention a pour principal avantage d'augmenter la tolérance EGR du moteur et d'autoriser la combustion de mélanges pauvres homogènes proches de la limite d'inflammabilité, ce qui nous permet de réaliser un gain notable en émission de CO ₂ tout en dépolluant efficacement à la source les émissions de NOx.