FR2941499A1 - Internal combustion engine i.e. diesel engine, for motor vehicle, has electrolyser connected to cooler for producing hydrogen from water contained in exhaust gas, where produced hydrogen is reinjected to intake and exhaust ducts - Google Patents
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Abstract
Description
Moteur à combustion interne comportant un moyen de production d'hydrogène Internal combustion engine having means for producing hydrogen
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. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of the automobile, and more particularly to the field of internal combustion engines comprising an exhaust gas recirculation circuit.
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). BACKGROUND OF THE INVENTION The constraints due to standards, for example the Euro V standards, relating to the pollutant emission levels generated by the operation of internal combustion engines, are becoming more and more severe, particularly as regards nitrogen oxides (NOx).
Parmi les moyens mis en oeuvre 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. Among the means used to clean up exhaust gases, exhaust gas recirculation (EGR, for the initials of Exhaust Gas Recirculation) constitutes, for both gasoline engines and diesel engines, excellent method of reducing NOx emissions. The principle of the EGR lies in the introduction of a given amount of exhaust gas to replace some of the fresh air at the intake of the engines. The fact of reintroducing exhaust gases into the combustion chamber of the engine makes it possible, by reducing the oxygen concentration and the combustion temperature, to limit NOx formation reactions during combustion.
Il existe principalement deux architectures de circuit de recirculation de gaz d'échappement. There are mainly two architectures of exhaust gas recirculation circuit.
Selon une première architecture le circuit de recirculation des gaz d'échappement est du type dit Haute Pression (HP) lorsque, pour un moteur à combustion interne doté d'un turbocompresseur, les gaz d'échappement sont prélevés en amont de la turbine du turbocompresseur pour être réinjectés en aval du compresseur du turbocompresseur. According to a first architecture, the exhaust gas recirculation circuit is of the High Pressure (HP) type when, for an internal combustion engine equipped with a turbocharger, the exhaust gases are taken upstream of the turbine of the turbocharger to be reinjected downstream of the turbocharger compressor.
Selon une seconde architecture le circuit de recirculation des gaz d'échappement est du type dit Basse Pression (BP) lorsque, pour un moteur à combustion interne doté d'un turbocompresseur, les gaz d'échappement sont prélevés en aval de la turbine du turbocompresseur pour être réinjectés en amont du compresseur du turbocompresseur. According to a second architecture, the exhaust gas recirculation circuit is of the Low Pressure (LP) type when, for an internal combustion engine equipped with a turbocharger, the exhaust gases are taken downstream of the turbocharger turbine. to be reinjected upstream of the compressor of the turbocharger.
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 . From a physico-chemical point of view, it can be seen that the flame speed decreases sharply with the presence of an EGR system. Even resorting to an increase in turbulence can not overcome this speed deficit that can be described as chemical.
On a pu également constater que l'enrichissement du système EGR en hydrogène (H2) permet d'augmenter de manière importante la vitesse de flamme et ainsi de contrebalancer l'effet cinétique de la dilution due au système EGR. Cependant, d'un point de vue pratique, il paraît difficile de faire fonctionner un moteur avec deux carburants distincts, ce qui nécessiterait notamment deux réservoirs et deux systèmes de distribution du carburant également distincts. It has also been found that the enrichment of the EGR system with hydrogen (H2) makes it possible to significantly increase the flame speed and thus to counterbalance the kinetic effect of the dilution due to the EGR system. However, from a practical point of view, it seems difficult to operate an engine with two separate fuels, which would require two tanks and two separate fuel distribution systems.
Il est bien connu par ailleurs que les gaz d'échappement sont chauds et chargés de vapeur d'eau. On peut en déduire que cette vapeur d'eau peut être une source d'hydrogène. It is well known also that the exhaust gases are hot and charged with water vapor. It can be deduced that this water vapor can be a source of hydrogen.
Il est connu, comme le décrit le document FR2880657, de produire de l'hydrogène (H2) par une opération physico-chimique dite de reformage , en faisant réagir des molécules de carburant avec une partie de la vapeur eau contenus dans les gaz d'échappement pour produire de l'hydrogène. Cependant, pour une efficacité optimale du reformage du carburant en hydrogène, il est nécessaire de conduire les réactions chimiques de reformage à température élevée, ce qui conditionne, un positionnement du système de reformage au plus près de la sortie du moteur afin de profiter d'une température de gaz d'échappement élevée ou de prévoir des systèmes de chauffage auxiliaires pour maintenir le reformeur à température. Ces systèmes de chauffages auxiliaires sont consommateur d'énergie ce qui impacte à la hausse la consommation de carburant d'un véhicule comportant un tel dispositif de reformage. De plus, dans le cas d'un moteur suralimenté, ce dispositif, en raison de la température élevée nécessaire des gaz d'échappement est principalement compatible d'une architecture EGR HP et ne pourra pas fonctionner sur une architecture EGR BP. It is known, as described in document FR2880657, to produce hydrogen (H2) by a physico-chemical reforming operation, by reacting fuel molecules with a portion of the water vapor contained in the gases of exhaust to produce hydrogen. However, for an optimal efficiency of the reforming of the fuel in hydrogen, it is necessary to conduct the reforming chemical reactions at high temperature, which conditions a positioning of the reforming system closer to the engine outlet to take advantage of a high exhaust gas temperature or provide auxiliary heating systems to maintain the reformer at temperature. These auxiliary heating systems are energy consumers which has an upward impact on the fuel consumption of a vehicle comprising such a reforming device. Moreover, in the case of a supercharged engine, this device, because of the high temperature required of the exhaust gas is mainly compatible with an HP EGR architecture and can not operate on a BP EGR architecture.
L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un moteur à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement et un moyen de production d'hydrogène ne nécessitant pas de haute température de fonctionnement. L'invention concerne donc un moteur à combustion interne comportant un moyen de production d'hydrogène à partir d'eau contenue dans des gaz d'échappement, caractérisé35 en ce qu'il comporte un condenseur pour condenser au moins une partie de l'eau contenue à l'état de vapeur dans les gaz d'échappement et que le moyen de production d'hydrogène est un électrolyseur relié au condenseur pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau condensée. L'invention a pour avantage supplémentaire de produire de l'hydrogène sans injection supplémentaire de carburant et d'eau comme cela est le cas pour du reformage. The object of the invention is to overcome the disadvantage of the prior art by proposing an internal combustion engine comprising an exhaust gas recirculation circuit and a means for producing hydrogen that does not require a high operating temperature. The invention therefore relates to an internal combustion engine comprising means for producing hydrogen from water contained in exhaust gases, characterized in that it comprises a condenser for condensing at least part of the water contained in the vapor state in the exhaust gas and that the means for producing hydrogen is an electrolyzer connected to the condenser to produce hydrogen from the condensed water. The invention has the additional advantage of producing hydrogen without additional fuel and water injection as is the case for reforming.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 10 - le moteur comportant de plus un circuit de recirculation des gaz d'échappement reliant une conduite d'échappement à un conduit d'admission, le condenseur est un refroidisseur de gaz d'échappement de recirculation. On profite ainsi d'un échangeur thermique habituellement existant dans un circuit de recirculation de gaz d'échappement pour 15 réaliser la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement prélevés dans le but d'être recirculés. - la conduite d'échappement comportant un filtre à particules, le circuit de recirculation est relié à la conduite d'échappement en aval dudit filtre à particules. En effet, on assure ainsi un recyclage des gaz exempt de particules. 20 - le refroidisseur comprend une sortie d'évacuation en partie basse dudit refroidisseur pour évacuer par gravité l'eau condensée. On a ainsi un moyen simple et économique de récupération des condensats. - une pompe est comprise en amont de l'électrolyseur, pour refouler l'eau condensée par le refroidisseur. On assiste ainsi l'alimentation en eau de l'électrolyseur. 25 - un réservoir est compris entre la pompe et le refroidisseur pour stocker provisoirement l'eau condensée. - l'électrolyseur comprend une structure en U avec des sorties d'évacuation de l'oxygène et de l'hydrogène produits distinctes. En effet, les gaz s'élevant au-dessus de leur électrode d'électrolyse par la poussée d'Archimède sont ainsi gardés séparés et 30 inoffensifs. - l'hydrogène produit est réinjecté à l'admission et/ ou à l'échappement. En effet, par addition d'hydrogène à l'admission on peut doper la vitesse de combustion et à l'échappement on peut améliorer la dépollution. - L'invention peut comprendre avantageusement un capteur d'hydrogène ou une sonde 35 proportionnelle d'oxygène pour mesurer la quantité d'hydrogène injectée. Moreover, the invention may include one or more of the following features: the engine further comprising an exhaust gas recirculation circuit connecting an exhaust duct to an intake duct, the condenser is a recirculating exhaust gas cooler. This takes advantage of a heat exchanger usually existing in an exhaust gas recirculation circuit to achieve the condensation of the water vapor contained in the exhaust gas taken for the purpose of being recirculated. - The exhaust pipe comprising a particulate filter, the recirculation circuit is connected to the exhaust pipe downstream of said particulate filter. Indeed, it ensures a recycling of particulate free gases. The cooler comprises a discharge outlet at the bottom of said cooler for gravity discharging the condensed water. There is thus a simple and economical way of recovering condensates. - A pump is upstream of the electrolyser, to discharge the condensed water by the cooler. There is thus the water supply of the electrolyser. A reservoir is included between the pump and the cooler to temporarily store the condensed water. the electrolyser comprises a U-shaped structure with separate oxygen and hydrogen evacuation outlets. Indeed, the gases rising above their electrolysis electrode by the buoyancy of Archimedes are thus kept separate and harmless. the hydrogen produced is reinjected at the intake and / or the exhaust. In fact, by adding hydrogen to the inlet, the combustion rate can be boosted and exhaust can be improved. The invention may advantageously comprise a hydrogen sensor or a proportional oxygen probe for measuring the quantity of hydrogen injected.
L'invention a aussi pour objet un véhicule comprenant un moteur selon l'invention.5 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 : The subject of the invention is also a vehicle comprising an engine according to the invention. Brief description of the drawings Other features and advantages will become apparent on reading the following description of a particular embodiment, which is not limiting to the invention. invention, with reference to the figures in which:
- La figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique partielle du refroidisseur de gaz d'échappement du circuit de recirculation. - La figure 3 est une représentation schématique d'une mode de réalisation de l'électrolyseur. - Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine according to the invention. FIG. 2 is a partial schematic representation of the exhaust gas cooler of the recirculation circuit. - Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of the electrolyser.
Description détaillée La figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne 1 équipé d'un turbocompresseur de suralimentation 2. Le moteur 1 comprend dans l'exemple illustré quatre cylindres 3 recevant de l'air comprimé par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 4, les gaz d'échappement étant véhiculés par un collecteur d'échappement 5. DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 schematically illustrates an internal combustion engine 1 equipped with a turbocharger 2. The engine 1 comprises, in the illustrated example, four cylinders 3 receiving compressed air via a collector. intake 4, the exhaust gases being conveyed by an exhaust manifold 5.
Dans l'exemple illustré, les gaz d'échappement sont traités en passant successivement par un catalyseur d'oxydation 6, par un catalyseur deNOx 7, puis par un filtre à particules 8 disposé sur la ligne d'échappement 9. Le catalyseur d'oxydation 6 permet l'élimination des hydrocarbures imbrûlés HC, du monoxyde de carbone CO et l'oxydation d'une partie des oxydes d'azote NO en NO2. Le catalyseur deNOx 7 permet la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement. Le filtre à particules 8 permet de retenir les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement. In the example illustrated, the exhaust gas is treated by passing successively by an oxidation catalyst 6, by a catalyst of NOx 7, then by a particulate filter 8 disposed on the exhaust line 9. The catalyst of Oxidation 6 allows the elimination of HC unburned hydrocarbons, carbon monoxide CO and the oxidation of a portion of the nitrogen oxides NO to NO2. The NOx 7 catalyst allows the reduction of NOX nitrogen oxides present in the exhaust gas. The particulate filter 8 retains the soot particles contained in the exhaust gas.
La présence du catalyseur d'oxydation 6 et du catalyseur deNOx 7 n'est pas essentielle pour la réalisation de l'invention. De même d'autres organes de dépollution non représentés sur la figure 1 tels qu'un second catalyseur d'oxydation ou un catalyseur SCR permettant la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOX et un agent réducteur peuvent compléter la ligne d'échappement, pour améliorer le traitement antipollution des gaz d'échappement. The presence of the oxidation catalyst 6 and the NOx 7 catalyst is not essential for the realization of the invention. Similarly, other depollution devices not shown in FIG. 1, such as a second oxidation catalyst or an SCR catalyst making it possible to reduce the NOX nitrogen oxides present in the exhaust gases, by selective catalytic reaction between the NOX and a reducing agent can supplement the exhaust line, to improve the emission control of the exhaust gases.
Dans l'exemple illustré, qui concerne par exemple un moteur Diesel, il est prévu de recycler une partie des gaz d'échappement au moyen d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement 10 dit basse pression . In the illustrated example, which relates for example to a diesel engine, it is intended to recycle a portion of the exhaust gas by means of an exhaust gas recirculation circuit 10 said low pressure.
Le circuit de recirculation 10 prélève des gaz d'échappement de la ligne d'échappement 9 du moteur 1, en aval de la turbine 11 du turbocompresseur 2, plus précisément en aval du filtre à particules 8 pour assurer un recyclage des gaz exempt de particules. Les gaz d'échappement prélevés par le circuit de recirculation alimentent un conduit d'admission 12 d'un mélange air/gaz d'échappement en amont du compresseur 13 du turbocompresseur 2. Ce circuit de recirculation 10 comprend une vanne de régulation 14 pour régler le débit des gaz d'échappement recyclés en entrée du moteur 1. The recirculation circuit 10 draws exhaust gas from the exhaust line 9 of the engine 1, downstream of the turbine 11 of the turbocharger 2, more precisely downstream of the particulate filter 8 to ensure particle-free gas recirculation. . The exhaust gases taken by the recirculation circuit supply an intake duct 12 of an air / exhaust gas mixture upstream of the compressor 13 of the turbocharger 2. This recirculation circuit 10 comprises a regulating valve 14 for regulating the flow of the recycled exhaust gases at the engine inlet 1.
Le circuit de recirculation 10 comprend également un refroidisseur 15 tel qu'un échangeur de chaleur à tubes, disposé en amont de la vanne de régulation 14, échangeant des calories avec le liquide du circuit de refroidissement pour refroidir les gaz d'échappement afin de ne pas introduire des gaz trop chauds dans les cylindres 3, ce qui entraînerait une perte de rendement volumétrique. Un montage inverse, c'est-à-dire avec le refroidisseur 15 en aval de la vanne de régulation 14 de débit de gaz recirculés est aussi possible. The recirculation circuit 10 also comprises a cooler 15 such as a tube heat exchanger, arranged upstream of the regulating valve 14, exchanging calories with the cooling circuit liquid to cool the exhaust gases so as not to not introduce too hot gases in the cylinders 3, which would result in a loss of volumetric efficiency. A reverse assembly, that is to say with the cooler 15 downstream of the recirculated gas flow control valve 14 is also possible.
Comme illustré sur la figure 2, le refroidisseur 15 comprend des tubes 16 dans lequel circulent les gaz d'échappement (flèche A). Les gaz d'échappement chaud prélevés par le circuit de recirculation 10 sont chargés de vapeur d'eau. En fonction du mode de fonctionnement du moteur, la quantité d'eau variera sensiblement linéairement en fonction de la richesse du mélange pour atteindre 7,5% massique environ à la stoechiométrie. As illustrated in FIG. 2, the cooler 15 comprises tubes 16 in which the exhaust gases circulate (arrow A). The hot exhaust gases taken by the recirculation circuit 10 are charged with steam. Depending on the mode of operation of the engine, the amount of water will vary substantially linearly depending on the richness of the mixture to reach about 7.5% by mass stoichiometry.
Avantageusement, le refroidisseur 15 du circuit de recirculation 10 est utilisé dans l'invention pour sa fonction supplémentaire de condenseur. En effet, en traversant le refroidisseur 15, la température des gaz d'échappement diminue et l'excédent d'eau que les gaz ne peuvent plus contenir se condense. L'eau condensée s'écoule et s'accumule par gravité en partie basse dudit refroidisseur 15 (flèche B). Advantageously, the cooler 15 of the recirculation circuit 10 is used in the invention for its additional function as a condenser. Indeed, as it passes through the cooler 15, the temperature of the exhaust gas decreases and the excess of water that the gases can no longer contain condenses. The condensed water flows and accumulates by gravity at the bottom of said cooler 15 (arrow B).
Conformément à l'invention, le refroidisseur 15 comprend une sortie d'évacuation 17 en partie basse dudit refroidisseur pour permettre l'évacuation et la récupération par gravité de l'eau contenue dans les gaz d'échappement. According to the invention, the cooler 15 comprises a discharge outlet 17 at the bottom of said cooler to allow evacuation and gravity recovery of the water contained in the exhaust gas.
La sortie d'évacuation 17 est reliée à un réservoir 18 (figure 1) dans lequel l'eau condensée est récoltée et stockée. Le réservoir 18 est relié à une pompe 19, telle qu'une pompe électrique, elle-même reliée à un électrolyseur 20. The evacuation outlet 17 is connected to a reservoir 18 (FIG. 1) in which the condensed water is harvested and stored. The reservoir 18 is connected to a pump 19, such as an electric pump, itself connected to an electrolyzer 20.
La pompe 19 a pour fonction de refouler l'eau du réservoir 18 vers l'électrolyseur 20. Le réservoir 18 peut servir à stocker l'eau condensée en provenance du refroidisseur 15 à un moment où l'électrolyse n'est pas requise, ou encore à envoyer vers l'électrolyseur 20 un débit d'eau supérieur à ce que peut produire au même moment le refroidisseur 15. The pump 19 has the function of discharging water from the tank 18 to the electrolyser 20. The tank 18 can be used to store the condensed water from the cooler 15 at a time when the electrolysis is not required, or still to send to the electrolyser 20 a higher water flow than can produce at the same time the cooler 15.
L'électrolyseur est alimenté électriquement par une source électrique 21. La source électrique 21 peut être une batterie non représentée ici ou encore, afin de ne pas pénaliser le bilan énergétique du moteur, un dispositif de récupération d'énergie tel que à titre indicatif, le moteur étant embarqué dans un véhicule, un dispositif de récupération d'énergie à la décélération ou un dispositif de récupération d'énergie à l'échappement non explicités ici. The electrolyser is electrically powered by an electric source 21. The electrical source 21 may be a battery not shown here or again, so as not to penalize the energy balance of the engine, an energy recovery device as an indication, the engine being embedded in a vehicle, a deceleration energy recovery device or an exhaust energy recovery device not explained here.
En effet, un bilan réactionnel à partir d'une formulation générique d'un carburant commercial, gazole ou essence, nous donne : CnH, 8n + 5,48n (02 + 3,773N2) - nCO2 + 0,9nH2O + 3,773 - 54n N2 (1) Avec n=8 pour une essence et n=12 pour un diesel. Indeed, a reaction report from a generic formulation of a commercial fuel, diesel or gasoline, gives us: CnH, 8n + 5,48n (02 + 3,773N2) - nCO2 + 0,9nH2O + 3,773 - 54n N2 (1) With n = 8 for a gasoline and n = 12 for a diesel.
Ce bilan nous permet de déduire que l'on peut avoir au mieux environ 10% en volume de vapeur d'eau dans les gaz d'échappement, soit potentiellement 10% en volume d'hydrogène. En prenant en compte le pouvoir calorifique du carburant (environ 44 kJ/kg) et celui de l'hydrogène (sensiblement 120 kJ/kg), on a donc approximativement 15% d'énergie issu de l'hydrogène lorsque le moteur utilise un taux de 35% de gaz de recirculation. This assessment allows us to deduce that we can have at best about 10% by volume of water vapor in the exhaust gas, potentially 10% by volume of hydrogen. Taking into account the calorific value of fuel (about 44 kJ / kg) and that of hydrogen (approximately 120 kJ / kg), we therefore have approximately 15% of energy from hydrogen when the engine uses a fuel rate. 35% recirculation gas.
Le rendement électrique d'un électrolyseur est d'environ 50% par rapport à l'énergie récupérable sous forme d'hydrogène. Donc le coût électrique maximum serait de 30% de l'énergie introduite par le carburant, donc de l'ordre de grandeur des pertes énergétiques à l'échappement ou des pertes énergétiques par le fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne actuel. Cette estimation est un maximum et en pratique les besoins en hydrogène sont moindres. On montre ainsi qu'il est possible et réaliste de trouver l'énergie nécessaire à la réalisation de l'invention par la mise en place d'un système de récupération d'énergie. The electrical efficiency of an electrolyser is about 50% with respect to the recoverable energy in the form of hydrogen. Therefore the maximum electrical cost would be 30% of the energy introduced by the fuel, so the order of magnitude of energy losses in the exhaust or energy losses by the cooling fluid of a current internal combustion engine. This estimate is a maximum and in practice the hydrogen requirements are lower. It is thus shown that it is possible and realistic to find the energy necessary for carrying out the invention by setting up an energy recovery system.
La décomposition de l'eau par électrolyse de l'eau dans l'électrolyseur 20 s'effectue selon les réactions chimiques connues suivantes : The decomposition of the water by electrolysis of the water in the electrolyser 20 is carried out according to the following known chemical reactions:
Oxydation à l'anode (reliée au pôle positif du générateur) : 2 H2O (liquide) - 02 (gaz) + 4H+(aqueux) + 4e- Réduction à la cathode (reliée au pôle négatif du générateur) : 4 H2O (liquide) + 4e- - 2H2 (gaz) + 4OH-(aqueux) Avec, au global : 2 H2O (liquide) - 2H2 (gaz) + O2(gaz) Le système électrolytique produit donc de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) gazeux en utilisant l'eau des gaz d'échappement condensée. Oxidation at the anode (connected to the positive pole of the generator): 2 H2O (liquid) - 02 (gas) + 4H + (aqueous) + 4th - Reduction at the cathode (connected to the negative pole of the generator): 4 H2O (liquid) + 4e- - 2H2 (gas) + 4OH- (aqueous) With, overall: 2 H2O (liquid) - 2H2 (gas) + O2 (gas) The electrolytic system therefore produces hydrogen (H2) and hydrogen. oxygen (02) gas using condensed exhaust gas water.
La figure 3 présente un schéma de principe d'un mode de réalisation de l'électrolyseur 20. FIG. 3 presents a schematic diagram of an embodiment of the electrolyser 20.
L'électrolyseur 20 comprend une anode 27 reliée au pôle positif de la source électrique 21 et une cathode 28 reliée au pôle négatif de la source électrique 21. L'oxygène est produit à l'anode 27 tandis que l'hydrogène est produit à la cathode 28. Dans l'exemple illustré, la collecte de l'oxygène et de l'hydrogène est séparée pour empêcher l'obtention d'un mélange gazeux d'hydrogène et d'oxygène explosif. Ainsi, l'oxygène est dirigé vers une première sortie 29. Cette première sortie 29 peut être une évacuation à l'air libre ou être utilisée dans une application qui sort du cadre de cette invention. L'hydrogène est dirigé vers une seconde sortie 30 à destination des applications moteur. L'électrolyseur 20 à de plus une entrée d'eau 31 reliée à la pompe 19 (figure 1). L'électrolyseur 20 forme une structure globalement en U avec une première branche destinée à la collecte et l'acheminement de l'oxygène vers la première sortie 29 et une seconde branche destinée à la collecte et l'acheminement de l'hydrogène vers la seconde sortie 30. The electrolyzer 20 comprises an anode 27 connected to the positive pole of the electric source 21 and a cathode 28 connected to the negative pole of the electric source 21. The oxygen is produced at the anode 27 while the hydrogen is produced at the cathode 28. In the illustrated example, the collection of oxygen and hydrogen is separated to prevent the production of a gaseous mixture of hydrogen and explosive oxygen. Thus, the oxygen is directed to a first outlet 29. This first outlet 29 may be vented to the open air or used in an application outside the scope of this invention. Hydrogen is directed to a second output for engine applications. The electrolyser 20 has a water inlet 31 connected to the pump 19 (FIG. 1). The electrolyser 20 forms a generally U-shaped structure with a first branch intended for the collection and delivery of oxygen to the first outlet 29 and a second branch intended for the collection and delivery of hydrogen to the second exit 30.
Il est ainsi possible de faire fonctionner des organes de moteur alimentés par cette production d'hydrogène obtenu par réaction électrolytique. It is thus possible to operate engine components powered by this production of hydrogen obtained by electrolytic reaction.
A cet effet, comme illustré en figure 1, un premier système de prélèvement 22 du gaz généré par l'électrolyseur 20 relié à la seconde sortie 30 est prévu pour diriger l'hydrogène vers le conduit d'admission 12 ainsi qu'un moyen d'injection 23, tel qu'un injecteur à gaz. L'implantation du moyen d'injection 23 peut aussi être faite au niveau du collecteur d'admission 3. L'implantation précise du moyen d'injection 23 est à déterminer par l'Homme du Métier de façon à obtenir une bonne répartition cylindre à cylindre 3 du (2) (3) (4) mélange admis pour la combustion, c'est-à-dire que l'hydrogène issu de l'électrolyseur 20 soit le plus intimement mélangé possible avec l'air d'admission. For this purpose, as illustrated in FIG. 1, a first sampling system 22 for the gas generated by the electrolyser 20 connected to the second outlet 30 is provided for directing the hydrogen towards the intake duct 12 as well as a means injection 23, such as a gas injector. The implantation of the injection means 23 can also be made at the intake manifold 3. The precise implantation of the injection means 23 is to be determined by the skilled person so as to obtain a good distribution cylinder to cylinder 3 of (2) (3) (4) mixture admitted for combustion, that is to say that the hydrogen from the electrolyser 20 is as intimately mixed possible with the intake air.
Ainsi, l'introduction de l'hydrogène gazeux obtenu par réaction électrolytique à l'admission permet notamment un fonctionnement du moteur avec des niveaux d'EGR importants tout en réduisant les émissions d'oxyde d'azote et en maintenant des niveaux relativement bas d'émissions de produits carbonés (CO, HC) et de particules. Thus, the introduction of the gaseous hydrogen obtained by electrolytic reaction at the inlet makes it possible in particular to operate the engine with high levels of EGR while reducing nitrogen oxide emissions and maintaining relatively low levels of emissions of carbon (CO, HC) and particulate matter.
Un second système de prélèvement 25 relié à la seconde sortie 30 du gaz généré par l'électrolyseur 20 est prévu pour diriger l'hydrogène gazeux vers la ligne d'échappement 9 ainsi que des moyens d'injection 26, tel que qu'un injecteur à gaz. A second sampling system 25 connected to the second outlet 30 of the gas generated by the electrolyser 20 is provided for directing the hydrogen gas towards the exhaust line 9 as well as injection means 26, such as an injector gas.
L'implantation des moyens d'injection 26 peut être faite en amont des organes de dépollution 6, 7, 8. Il est ainsi possible d'améliorer le fonctionnement des organes de dépollution du moteur 1, par cette production électrolytique d'hydrogène comme par exemple leur réchauffage afin de les amener à une température nominale avant le démarrage du moteur 1. Il est aussi possible de faire fonctionner les organes de dépollution à régénérer, tel que par exemple le filtre à particules 9, en injectant ce mélange en amont du catalyseur d'oxydation 6. L'hydrogène est oxydé dans le catalyseur d'oxydation 6. La réaction exothermique d'oxydation du mélange permet de régénérer le filtre à particules 9. The implantation of the injection means 26 can be made upstream of the depollution devices 6, 7, 8. It is thus possible to improve the operation of the engine 1 depollution devices, by this electrolytic production of hydrogen as per example, their heating to bring them to a nominal temperature before starting the engine 1. It is also possible to operate the pollution control members to regenerate, such as for example the particulate filter 9, by injecting this mixture upstream of the catalyst Oxidation 6. The hydrogen is oxidized in the oxidation catalyst 6. The exothermic oxidation reaction of the mixture makes it possible to regenerate the particulate filter 9.
Une unité de contrôle, non représenté, est prévue. Cette unité de contrôle est généralement reliée à une unité de contrôle du fonctionnement du moteur 1. L'unité de contrôle commande l'alimentation électrique 21 de l'électrolyseur 20, la pompe 19 pour alimenter en eau l'électrolyseur 20 ainsi que les moyens d'injection 22, 25. Ainsi, on pilote les étapes de production et de distribution de l'hydrogène gazeux obtenu par électrolyse. A control unit, not shown, is provided. This control unit is generally connected to a control unit of the operation of the engine 1. The control unit controls the power supply 21 of the electrolyser 20, the pump 19 to supply water to the electrolyzer 20 and the means In this way, the steps of production and distribution of hydrogen gas obtained by electrolysis are controlled.
Avantageusement, on prévoit un capteur d'hydrogène (H2) 24 (ou une sonde d'oxygène 02 proportionnelle) pour mesurer la quantité d'hydrogène injectée disposé en aval de l'électrolyseur 20, par exemple sur le premier système de prélèvement 22 ainsi que sur le second système de prélèvement 25. Ces capteurs, reliés à l'unité de contrôle, sont utilisés avantageusement en complément des capteurs classiques, présents sur les moteurs de conception récente, pour ajuster au mieux les stratégies de contrôle de l'électrolyse. Advantageously, there is provided a hydrogen sensor (H2) 24 (or a proportional oxygen sensor 02) for measuring the quantity of hydrogen injected disposed downstream of the electrolyser 20, for example on the first sampling system 22 and The sensors, connected to the control unit, are advantageously used in addition to the conventional sensors, present on recently designed engines, to better adjust the control strategies of the electrolysis.
Ainsi en cours du fonctionnement du moteur 1, les gaz d'échappement produits circulent du collecteur d'échappement 5 vers la ligne d'échappement 9 en traversant successivement la turbine 11 du turbocompresseur 2 et les organes de dépollution 6,7, 8. Une partie de la chaleur de ces gaz d'échappement est perdue dans le même temps par échanges thermiques. Suite au passage des gaz d'échappement dans le filtre à particules 8, le circuit de recirculation 10 en prélève une partie. La partie de gaz d'échappement prélevée traverse le refroidisseur 15 refroidi par le liquide de refroidissement moteur. La baisse de la température des gaz d'échappement dans le refroidisseur 15 à pour conséquence la condensation de la vapeur d'eau contenue dans ces gaz. L'eau condensée ruisselle et s'évacue par la sortie d'évacuation 17 pour s'accumuler dans le réservoir 18. La pompe 19, pilotée par l'unité de contrôle charge l'électrolyseur 20 en eau condensée. Alimenté par la source électrique 21, l'électrolyse est réalisée aux borne des électrodes 27, 28. L'hydrogène produit est évacué par la seconde sortie 30 vers les moyens de prélèvement 22, 25 pour être réinjecté à l'admission 12 et / ou à l'échappement 9. Thus, during the operation of the engine 1, the exhaust gases produced flow from the exhaust manifold 5 to the exhaust line 9 by successively passing through the turbine 11 of the turbocharger 2 and the abatement units 6, 7, 8. part of the heat of these exhaust gases is lost at the same time by heat exchange. Following the passage of the exhaust gas in the particulate filter 8, the recirculation circuit 10 takes a part. The exhaust gas portion taken through the cooler cooled by the engine coolant. The decrease in the temperature of the exhaust gases in the cooler 15 results in the condensation of the water vapor contained in these gases. The condensed water trickles and escapes through the discharge outlet 17 to accumulate in the reservoir 18. The pump 19, controlled by the control unit loads the electrolyser 20 in condensed water. Powered by the electrical source 21, the electrolysis is performed at the terminals of the electrodes 27, 28. The hydrogen produced is discharged through the second outlet 30 to the sampling means 22, 25 to be reinjected at the inlet 12 and / or at the exhaust 9.
En choisissant de prélever les gaz d'échappement de recirculation en aval d'au moins un des organes de dépollution, ce mode de réalisation présente l'avantage de pouvoir bénéficier d'une température de gaz d'échappement réduite par les pertes thermiques subies dans la ligne d'échappement 9 entre la sortie moteur et le prélèvement. Ainsi la condensation au niveau du refroidisseur 15 est plus facile. By choosing to withdraw the recirculation exhaust gas downstream from at least one of the pollution control members, this embodiment has the advantage of being able to benefit from an exhaust gas temperature reduced by the thermal losses sustained in the exhaust line 9 between the engine output and the sample. Thus the condensation at the cooler 15 is easier.
Ce mode de réalisation décrit en figure 1 n'est aucunement limitatif. Selon une variante sans turbocompresseur 2, car celui-ci n'est pas obligatoire pour la réalisation de l'invention, les gaz d'échappement de recirculation sont prélevés en aval des organes de dépollution disposés sur la ligne d'échappement, de préférence en aval du filtre à particules 8 puis réinsérés dans le conduit d'admission 12 ou dans le collecteur d'admission 4. This embodiment described in FIG. 1 is in no way limiting. According to a variant without turbocharger 2, because it is not mandatory for the embodiment of the invention, the recirculation exhaust gas is taken downstream of the pollution control members disposed on the exhaust line, preferably in downstream of the particulate filter 8 and then reinserted in the intake duct 12 or in the intake manifold 4.
De plus, l'invention ne se limite pas à un moteur de type Diesel. L'invention peut aussi s'appliquer aux moteurs à essence, turbocompressés ou non, pour lesquels les gaz d'échappement de recirculation sont prélevés en aval d'au moins un des organes se dépollution disposés sur la ligne d'échappement. En effet, on profite ainsi d'une température de gaz d'échappement inférieure à celle vue en sortie de moteur, ce qui facilite la condensation de la vapeur d'eau au niveau du refroidisseur 15. In addition, the invention is not limited to a diesel type engine. The invention can also be applied to gasoline engines, turbocharged or not, for which the recirculation exhaust gas is taken downstream of at least one of the pollution control organs disposed on the exhaust line. Indeed, it takes advantage of an exhaust gas temperature lower than that seen at the engine outlet, which facilitates the condensation of water vapor at the cooler 15.
De plus, selon une variante, le moyen d'injection 23 de l'hydrogène gazeux peut être implanté dans le circuit de recirculation 10, en aval du refroidisseur 15, toutefois ce mode de réalisation limite l'usage de l'invention aux points de fonctionnement moteur avec recirculation de gaz d'échappement. In addition, according to one variant, the injection means 23 for the hydrogen gas can be implanted in the recirculation circuit 10, downstream of the cooler 15, however this embodiment limits the use of the invention to the points of engine operation with exhaust gas recirculation.
L'invention a pour avantage d'utiliser une source d'eau déjà existante dans le véhicule, jusque là inutilisée et sans impact sur l'environnement. S'agissant de plus d'un système d'approvisionnement en eau autonome, il n'est plus besoin de faire le remplissage d'un réservoir. The invention has the advantage of using an already existing water source in the vehicle, previously unused and without impact on the environment. In the case of more than one stand-alone water supply system, there is no need to fill a tank.
L'invention a pour avantage supplémentaire de permettre l'élimination de l'eau condensée générée par des échangeurs thermiques dont l'accumulation peut constituer en soi un problème technique. The invention has the additional advantage of allowing the elimination of condensed water generated by heat exchangers whose accumulation can constitute in itself a technical problem.
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