La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne et plus particulièrement, le domaine des moteurs à combustion interne comportant un reformeur de carburant.

Dans le contexte de la diversification des ressources énergétiques et du durcissement de la réglementation environnementale, les constructeurs automobiles travaillent sur le développement de moteurs équipés de reformeurs pour l ' assistance à la combustion. Un reformeur embarqué a pour fonction de produire un gaz riche en hydrogène. Le reformeur est un système qui permet de transformer un hydrocarbure en un mélange composé essentiellement d' hydrogène et de monoxyde de carbone. Ce mélange est appelé reformat.

L ' addition d' hydrogène au carburant utilisé par le véhicule permet d' améliorer la qualité de la combustion. La combustion de l ' hydrogène est rapide et ne produit pas de C0 ₂ . L 'utilisation d'un reformeur embarqué est particulièrement intéressante, car l 'utilisation de l ' hydrogène pour assister la combustion peut alors se faire sans impacter le réseau de distribution actuel, c ' est-à-dire sans avoir à mettre en oeuvre une distribution d' hydrogène à la pompe.

L ' addition d ' hydrogène dans le mélange réactif permet d' améliorer significativement les rendements de combustion par augmentation de la vitesse de combustion. Ainsi, l ' addition d' hydrogène sera d' autant plus pertinente pour des carburants à combustion lente tels que le méthane, mais aussi dans des conditions thermodynamiques défavorables comme au démarrage. L ' addition d' hydrogène trouve également son intérêt quand le temps disponible pour brûler le mélange réactif est court, par exemple lorsque la vitesse de rotation du moteur est élevée. Enfin l ' addition d' hydrogène permet de compenser les effets de ralentissement de la combustion par dilution des réactifs (recirculation partielle de gaz d' échappement dits EGR) . L ' amélioration du rendement de combustion limite la consommation de carburant du véhicule et donc les émissions de C0 ₂ .

Le reformage peut être obtenu par différents procédés catalytiques, notamment par oxydation partielle du carburant par l ' oxygène, par vaporeformage du combustible par de la vapeur d ' eau, ou bien par une combinaison des deux procédés (reformage autotherme) .

Le vaporeformage nécessite un approvisionnement en vapeur d' eau, ce qui implique la présence d 'un réservoir d' eau. De plus, la réaction de vaporeformage est endothermique, c ' est-à-dire qu' elle consomme de l ' énergie . Il est donc nécessaire de chauffer le catalyseur en continu (au moyen d'un brûleur par exemple) afin de le maintenir en température . De tels aménagements impliquent un encombrement accru de par la présence d'un réservoir d' eau, ainsi qu 'une consommation énergétique importante pour la génération de vapeur.

Le vaporeformage en solution embarquée est donc un procédé complexe à maîtriser, encombrant et nécessitant une consommation énergétique peu compatible avec les exigences en émissions de C0 ₂ .

La demande de brevet américain US 2007/02048 13 , le brevet américain US 6 3 1 8 306 et le brevet américain US 4 066 043 décrivent des systèmes de reformage embarqués utilisant le vaporeformage comme procédé de reformage .

La demande de brevet américain US 2008/023001 8 décrit un système de reformage par oxydation partielle catalytique. Toutefois, le reformage est appliqué à la modification physicochimique du carburant utilisé . Le système de reformage comprend un reformeur apte à augmenter la masse molaire du carburant en phase gazeuse, et un reformeur apte à augmenter l ' indice d' octane du carburant en phase liquide . Le système décrit n' est donc pas prévu pour la génération d'un gaz riche en hydrogène.

Le brevet américain US 4 175 523 décrit un système de reformage par oxydation partielle couplé à un moteur à combustion interne utilisant de l ' essence comme carburant. Le système de reformage est situé en aval du moteur à combustion interne, afin d'utiliser la chaleur des gaz d'échappement pour entretenir la réaction de reformage. Toutefois, le système décrit présente l'inconvénient de demander des modifications substantielles des conduites de gaz d'échappement et d'augmenter l'encombrement du moteur à combustion interne.

Il existe un besoin pour une production d'hydrogène embarquée d'incorporation simple dans un moteur à combustion interne et ne nécessitant pas d'apport énergétique extérieur.

L'invention a pour but de produire un gaz de reformat riche en hydrogène de façon embarquée sur un véhicule sans dépense énergétique supplémentaire.

Un objet de l'invention est un système de production d'hydrogène nécessitant peu de modifications du véhicule afin d'être intégré aux moteurs à combustion interne existants.

Un autre objet de l'invention est un procédé de production d'hydrogène pour l'alimentation de moteurs à combustion interne existants.

Selon un premier aspect, on définit un moteur à combustion interne alimenté en carburant muni d'un turbocompresseur, d'un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression, et d'un système de production d'hydrogène supplémentaire comportant un reformeur. Le reformeur est alimenté par une conduite d'admission piquée sur une conduite d'admission d'air en aval d'un compresseur du turbocompresseur, et est couplé en sortie à une conduite de sortie piquée dans la conduite d'admission d'air en aval du piquage de la conduite d'admission.

Un système de production d'hydrogène selon l'invention présente ainsi l'avantage d'un encombrement réduit permettant une intégration plus aisée dans un véhicule. En effet, ni un réservoir d'eau ni un carburateur ne sont requis. L'encombrement est d'autant plus réduit que le système de production d'hydrogène partage les conduites d'admission d'air avec le moteur à combustion interne. Un autre avantage est de ne pas nécessiter d ' apport d' énergie supplémentaire. En effet, l ' énergie nécessaire afin de démarrer et de maintenir la réaction de reformage est prélevée directement dans la température des gaz d' échappement et leur compression.

Le système de production d' hydrogène selon l ' invention est également avantageux par le fait qu'une même architecture peut être adaptée à des moteurs de technologies différentes et utilisant des carburants différents, liquides ou gazeux.

Le reformeur peut être muni d'un inj ecteur de carburant liquide ou gazeux.

Le reformeur peut comprendre successivement une chambre de mélange, une chambre de combustion et une chambre de catalyse.

La chambre de combustion du reformeur peut comprendre par ailleurs une bougie d' allumage .

Le moteur peut comprendre une unité de commande électronique reliée à une vanne commandée de redirection des gaz d' échappement située au niveau de l ' entrée du circuit de recirculation partielle des gaz d' échappement à basse pression, à une vanne commandée de redirection de l ' air admis située au niveau de la conduite d ' admission, à l 'inj ecteur de carburant dans le reformeur, ainsi qu' à la bougie d' allumage du reformeur.

Le moteur peut comprendre en outre un réservoir de reformat relié en parallèle de la conduite de sortie.

L 'unité de commande électronique peut être également reliée à des vannes d' isolation du réservoir de reformat.

Selon un autre aspect, on définit un procédé d' alimentation en carburant d'un moteur à combustion interne muni d 'un turbocompresseur, d 'un circuit de recirculation partielle des gaz d' échappement à basse pression, et d'un système de production d' hydrogène supplémentaire comportant un reformeur.

Selon une caractéristique générale de cet aspect, le reformage est fait par voie catalytique à partir de l ' admission dans le reformeur d'un mélange d' air et de gaz d' échappement partiellement recyclés . Le procédé peut comprendre une étape, préalable au reformage, de chauffage du reformeur par la combustion d'un mélange de carburant et d' air exempt de gaz d' échappement partiellement recyclés jusqu' à une température de catalyse.

On peut mélanger, pour le chauffage du réformeur lors de l ' étape préalable, le carburant et de l ' air exempt de gaz d ' échappement partiellement recyclés afin d' obtenir une richesse de reformage inférieure ou égale à 1 .

Lors du reformage, on peut maintenir le reformeur à la température de catalyse en agissant sur le débit des gaz d' échappement partiellement recyclés traversant le reformeur. La chaleur libérée lors de la réaction chimique de reformage contribue à maintenir la température de catalyse.

On peut mélanger, lors du reformage, le carburant et de l ' air afin d' obtenir une richesse de reformage supérieure à 1 .

D ' autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu' exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre les principaux éléments d 'un moteur à combustion interne avec recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression comprenant un système de production d 'hydrogène selon un premier mode de réalisation ;

- la figure 2 illustre les principaux éléments d 'un moteur à combustion interne avec recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression comprenant un système de production d 'hydrogène selon un deuxième mode de réalisation ; et

la figure 3 illustre les principaux éléments d 'un reformeur utilisé dans un système de production d' hydrogène.

La figure 1 illustre un moteur à combustion interne muni d'un système de production d' hydrogène selon l ' invention. Le moteur à combustion interne 1 comprend un collecteur d ' admission et un collecteur d' échappement. Le collecteur d ' échappement est relié en sortie à la turbine 2a d 'un turbocompresseur 2 par une conduite d'échappement 3. La conduite d'échappement 3 se prolonge en sortie du turbocompresseur jusqu'à une vanne commandée de bipasse de recirculation 4a. La vanne commandée de bipasse de recirculation 4a est une vanne à deux voies de sortie, dont une voie est reliée par une conduite soit au silencieux, soit au dispositif catalytique, soit à l'air libre, selon la conception du véhicule. L'autre voie est reliée à une conduite 5 de recirculation partielle des gaz d'échappement qui est piquée sur la conduite 6 d'admission d'air frais, en amont du compresseur 2b du turbocompresseur 2. La conduite 6 d'admission d'air frais se poursuit au delà du compresseur 2b jusqu'au collecteur d'admission du moteur à combustion interne.

Un tel moteur à combustion interne est alimenté en carburant stocké dans un réservoir 7 relié à un moyen de régulation 8 de la pression du carburant admis par une conduite de carburant 9 se prolongeant au delà de la pompe d'injection 8 jusqu'à un rail d'injection 10 répartissant le carburant entre les différents injecteurs des cylindres. Le moyen de régulation 8 de la pression du carburant admis peut être une pompe à carburant dans le cas d'un carburant liquide ou un détendeur dans le cas d'un carburant gazeux.

Selon l'invention, il est prévu sur la conduite 6 d'admission d'air un système de production d'hydrogène 11 et un refroidisseur 12 d'air admis. Le refroidisseur 12 d'air admis est connecté en série sur la conduite 6 d'admission d'air directement en entrée du moteur à combustion interne tandis que le système de production d'hydrogène 11 est connecté en dérivation sur la conduite 6 d'admission d'air entre le compresseur 2b et le refroidisseur 12 d'air admis. Une vanne commandée de bipasse 4b du système de production d'hydrogène se situe immédiatement en aval de la connexion de la conduite d'admission 13 sur la conduite 6 d'admission d'air.

Le système de production d'hydrogène 11 comprend en entrée une conduite d'admission 13 reliée à la conduite 6 d'admission d'air. Le système de production d'hydrogène comprend par ailleurs un moyen de régulation 14 de la pression du carburant admis relié par une conduite d'admission 15 de carburant au réservoir de carburant 7. La conduite d'admission 15 de carburant se prolonge au delà du moyen de régulation 14 de la pression du carburant admis jusqu'à un injecteur de carburant 16.

La conduite d'admission 13 et l'injecteur de carburant 16 sont reliés à l'entrée d'un reformeur 17. Le reformeur 17 sera plus amplement décrit lors de la description de la figure 3. La sortie du reformeur 17 est reliée à la conduite de sortie 18 du système de production d'hydrogène, piquée sur la conduite 6 d'admission de l'air entre le refroidisseur 12 d'air admis et la connexion de la conduite d'admission 13 sur la conduite 6 d'admission d'air.

Une unité de commande électronique 19 du système de production d'hydrogène est reliée à la vanne commandée de bipasse 4b du système de production d'hydrogène par une connexion 20 et à l'injecteur de carburant 16 par la connexion 21, et à la vanne commandée de bipasse 4a par une connexion 33.

Selon un mode de réalisation alternatif illustré par la figure 2, un réservoir 23 de gaz de réformat peut être connecté en parallèle sur la conduite de sortie 18 du système de production d'hydrogène. Des vannes 31 et 32 permettent d'isoler ou de mettre en communication le réservoir 23 de gaz de réformat avec la conduite de sortie 18 et/ou avec le reformeur 17. Ces vannes sont reliées par une connexion 24 à l'unité de commande électronique 19 du système de production d'hydrogène. Un tel réservoir peut permettre de lisser la production de reformat, notamment dans des phases de conduite nécessitant toute la puissance du moteur ou afin d'éviter d'éteindre le reformeur lorsque l'addition d'hydrogène n'est pas nécessaire.

En fonctionnement, une partie des gaz d'échappement subit une recirculation par le biais de la vanne commandée de bipasse 4a. La vanne commandée de bipasse 4b permet de prélever tout ou partie du flux d'air entrant comprenant de l'air frais admis et une partie de gaz d'échappement recirculés. La température de ce flux d'air entrant est sensiblement plus élevée que la température de l'air extérieur du fait de la présence de gaz d'échappement dans le mélange, gaz présentant une température élevée lors de leur sortie du moteur à combustion interne 1 .

Le flux d' air entrant est admis dans le reformeur 17 après avoir reçu une inj ection de carburant par l ' intermédiaire de l ' inj ecteur de carburant 16. Le reformeur 17 comprend un milieu réactionnel catalytique qui requiert un apport d' énergie pour pouvoir démarrer la réaction de reformage . Cette énergie est apportée par le biais de la température plus ou moins élevée de l ' air admis et des gaz d' échappement recirculés . Ainsi, il n' est pas nécessaire de disposer de moyens d' apports d' énergie supplémentaire, par exemple un système de chauffage .

Sur la figure 3 , on peut voir un exemple de réalisation du reformeur 17 comprenant une chambre de mélange 25 , une chambre de combustion 26 dont l ' allumage est commandé par une bougie d' allumage 26a, le mélange de gaz ainsi obtenu passant alors à travers une chambre de catalyse 27 afin d' obtenir en sortie un gaz de réformat riche en hydrogène.

On obtient, en sortie du reformeur 17, un gaz de réformat riche en hydrogène . Ce gaz de réformat est alors mélangé à l ' air admis dans le moteur 1 en amont du refroidisseur de gaz 12. Le refroidisseur de gaz 12 a pour but de diminuer la température des gaz admis dans le moteur à combustion interne 1 , le gaz de réformat pouvant présenter une température élevée, au même titre que de l ' air admis comprenant une forte proportion de gaz d' échappement recirculés .

On peut prévoir la présence d'un réservoir de gaz de réformat permettant de stocker le gaz de réformat pour une utilisation différée, selon les conditions de roulage du véhicule.

Le reformeur est alimenté en carburant soit liquide, soit gazeux . On peut citer comme carburants, l ' essence, le gazole, le gaz naturel pour véhicules . Tout carburant à base d' hydrocarbures peut être considéré . Pour obtenir le reformage du carburant, il est nécessaire que la richesse du mélange carburant/comburant soit supérieure à 1 . Si la richesse du mélange est inférieure à 1 , la totalité du mélange est transformée en C0 ₂ et en H ₂ 0 , espèces inexploitables pour la combustion du moteur. On notera que la richesse du mélange est également appelée richesse de réformage et est liée à la stoechiométrie du mélange. Typiquement, lorsque du méthane est employé, la richesse de mélange optimale est égale à 4, tandis que lorsque du gazole est employé, la richesse de mélange optimale est égale à 2,9.

Plus précisément, on peut calculer la richesse de mélange dans le réformeur également appelée richesse de reformage Rref par application de la formule suivante :

avec

Q _re ? ⁼ Le débit de fuel inj ecté dans le reformeur

^fuel

-mot Le débit de fuel inj ecté dans le moteur

\air

^ =Le débit d' air frais prévu pour le moteur

PCO = Le pouvoir comburivore du carburant considéré.

Par pouvoir comburivore d'un carburant, on entend le rapport entre la quantité d' air et la masse de carburant correspondante pour une combustion complète . Ce rapport est également appelé relation stoechiométrique massique. En d' autres termes, le reformeur est alimenté en carburant pour obtenir une richesse de mélange carburant/comburant supérieure à 1 , dont la valeur exacte est spécifique à chaque carburant. Le reformeur produit alors un gaz de reformat riche en hydrogène

La vanne commandée de bipasse 4b permet de dévier vers le reformeur 17 une partie de l ' air admis comprenant des gaz d' échappement recirculés . La proportion d' air admis dévié est notée Vbipasse_2.

Connaissant les capacités de l ' inj ecteur de carburant 14 et les impératifs de richesse de mélange, on peut déterminer et ajuster la quantité d' air admis.

On définit le débit du reformeur par l ' équation suivante : Qreformeur = (Qmoteur + Qgaz échappement * Vbipasse l) * Vbipasse_2 avec

Qreformeur = Le débit du reformeur

Qmoteur = Le débit d' air frais admis dans le moteur Qgaz échappement = Le débit des gaz d' échappement

La vanne commandée de bipasse 4a permet de dévier vers le compresseur 2b une partie des gaz d' échappement. La proportion de gaz d ' échappement déviés est notée Vbipasse_ l .

Les valeurs Vbipasse_ l et Vbipasse_2 peuvent être définies en fonction du taux d' ouverture de la vanne commandée correspondante.

Toutefois, il peut être intéressant de mesurer la température des gaz et la perte de charge entre des mesures de pression en amont et en aval de chaque vanne commandée . De telles mesures permettent non seulement de déterminer les valeurs effectives de Vbipasse_ l et Vbipasse_2 mais également d' asservir l ' ouverture des vannes au respect d'une valeur de consigne .

De façon générale, le débit de la sortie de dérivation d 'une vanne trois voies peut être défini par l ' équation suivante :

avec Q = le débit dans la sortie de dérivation

ΔΡ = la perte de charge entre les mesures amont et aval de la vanne,

T =la température en amont de la vanne

k = une constante .

Comme on peut le voir, la différence entre la pression en amont et la pression en aval de la vanne (également appelée perte de charge) est reliée à un volume dans le formalisme de l ' équation des gaz parfait. Le débit Q résulte donc de la variation de perte de charge, les gaz ne transitant pas par la vanne étant dirigé vers la sortie de dérivation. L ' homme du métier comprendra qu'un formalisme différent de celui des gaz parfaits peut être appliqué en modifiant la valeur de la constante k. Quel que soit le formalisme employé, le phénomène physique demeure qu'un débit est généré dans la sortie de dérivation à cause de la différence de pression en amont et en aval de la valve.

Le débit de gaz dans le reformeur doit être régulé afin d' obtenir la richesse de mélange souhaitée . Toutefois, la régulation doit également prendre en compte le cycle de fonctionnement du moteur à combustion interne. En effet, une perte de charge dans le circuit d' alimentation en air du moteur trop importante induirait une surconsommation du moteur non négligeable. Il est possible de compenser une telle perte de charge dans le circuit d' alimentation en air du moteur en modifiant le degré de fermeture de la vanne commandée 4a de recirculation partielle des gaz d' échappement. Si plus de gaz d' échappement sont redirigés en entrée, la charge dans le circuit d' alimentation en air du moteur augmente . On peut compenser ainsi la perte de charge liée à l ' alimentation en air du reformeur.

L 'unité de commande électronique 1 9 est reliée directement ou par l ' intermédiaire d' autres moyens de contrôle aux différents organes impliqués dans le fonctionnement du reformeur. L 'unité de commande électronique 19 est apte à commander notamment le débit de l ' inj ection de carburant dans le reformeur, le degré d' ouverture de la vanne commandée 4a et de la vanne commandée 4b . L 'unité de commande électronique 19 peut être comprise dans, ou être sous commande du moyen de commande électronique du groupe motopropulseur.

Le fonctionnement du système de production d' hydrogène va maintenant être exposé.

Le reformeur doit être mis en température pour pouvoir reformer le carburant. Le reformeur, et plus particulièrement le catalyseur contenu dans le reformeur, doit atteindre une température comprise entre 600° C et 800°C. La température de catalyse est toutefois dépendante de la composition du comburant. Plus la quantité d' espèces neutres vis-à-vis de la combustion est importante, plus la température à atteindre doit être élevée. Pour cela, on réalise une combustion de carburant au sein du reformeur. On réalise l ' admission de carburant dans le reformeur en veillant à maintenir la richesse de mélange à un niveau inférieur ou égal à 1 . Comme on l ' a vu précédemment, une richesse de mélange inférieure ou égale à 1 permet d' obtenir une combustion complète. L ' avantage d 'une combustion complète est un dégagement d' énergie plus important qu 'une combustion incomplète, donc une élévation de température plus rapide pour moins de carburant consommé. Par ailleurs, la vanne commandée 4a est commandée pour qu' aucun gaz d' échappement ne soit recirculé. En effet, la présence de gaz d' échappement est défavorable à la combustion. La phase de combustion est brève .

Lorsque le reformeur est amorcé, c ' est-à-dire que sa température est à un niveau permettant la réaction de reformage, la vanne commandée 4a commandant la recirculation partielle des gaz d' échappement est actionnée de façon qu'une partie desdits gaz d' échappement soit redirigée vers le compresseur 2b . La vanne commandée 4b est également commandée pour modifier la quantité d' air admis. Par air admis, on entend air prélevé en aval du compresseur 2b . Dans le cas où une partie des gaz d' échappement est redirigée vers le compresseur 2b, l ' air prélevé comprend une fraction de gaz d' échappement.

Dans tous les cas, la quantité d' air prélevée pour alimenter le reformeur ainsi que le débit de carburant alimentant le reformeur sont dépendants de la quantité d' hydrogène à fournir et des contraintes de richesse de mélange. Par exemple, si le carburant considéré est du gaz naturel pour véhicule (GNV), le besoin en hydrogène pour le point de plus forte charge du moteur est estimé à 300mg/s pour une fraction volumique de 20% dans la chambre de combustion. Les débits de GNV et d' air correspondants sont respectivement de 1 .3 g/s et de 6.5 g/s.