Brevet FR3090740A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif de réchauffement d'au moins une partie d'un système de post-traitement (ATS) d'un moteur à combustion interne Domaine de l'invention 100011 La présente invention concerne un procédé et dispositif de réchauffement d'un ATS (système de post-traitement) d'un moteur à combustion interne, en particulier dans le domaine des véhicules industriels. Description de l'art antérieur 100021 La gestion thermique de l'ATS est l'un des grands défis à relever pour respecter les futures limites d'émission. Un réchauffement rapide et une commande de température efficace sur le plan énergétique sont importants. 100031 Dans le domaine des moteurs diesel, le composant ATS le plus sensible à la tem- pérature est la SCR (réduction catalytique sélective). La SCR doit fonctionner au-dessus de la température dite d'allumage de 250 °C. En effet, à des températures trop basses, l'hydrolyse de l'agent à base d'urée conduit à la formation de cristaux. 100041 Des considérations similaires peuvent être proposées pour les moteurs à essence équipés d'un catalyseur à trois voies (3WC). 100051 L'approche actuelle de gestion thermique, surtout dans le cas du moteur diesel, consiste soit à commander l'écoulement d'air, soit à exacerber la consommation de carburant pour régler la température et l'énergie du gaz d'échappement. Généralement, l'écoulement d'air est commandé par un étranglement à l'admission et/ou au refoulement, une variation de calage des soupapes et une EGR (recirculation des gaz d'échappement) non refroidie, tandis que les stratégies classiques pour exacerber la consommation de carburant afin d'augmenter l'énergie et la température du gaz d'échappement proposent des calages d'injection tardifs ou des post-injections, même en combinaison avec un étranglement à l'échappement. [0006] Dans les moteurs à essence, la mise en oeuvre de stratégies d'enrichissement est habi- tuellement basée sur l'exacerbation de la consommation dc carburant. [0007] Un autre procédé connu de gestion de la température d' ATS est la mise en place d'un dispositif de chauffage électrique. Cependant, l'énergie électrique drainée par ledit dispositif de chauffage électrique est importante et, au démarrage à froid, les batteries de véhicules peuvent souffrir de l'activation du dispositif dc chauffage électrique. [0008] C'est la raison principale pour laquelle les éléments chauffants électriques, même bien connus, n'ont pas été largement mis en oeuvre, la commande d'écoulement ou l'exacerbation dc la consommation de carburant décrites ci-dessus étant privilégiées. 2 Résumé de l'invention [0009] L'objet principal de la présente invention est de proposer une gestion thermique du système de post-traitement ATS d'un moteur à combustion interne basée sur un dispositif de chauffage électrique. [0010] Le principe essentiel de l'invention est la mise en oeuvre d'une turbine électrique couplée à un dispositif de chauffage électrique agencé sur la conduite d'échappement, en amont d'un dispositif de réduction des polluants sensible à la température, tel qu'une SCR ou un 3WC. [0011] Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention, le dispositif de chauffage est exclusivement connecté au générateur entraîné par la turbine, de sorte que l'énergie électrique générée soit entièrement réutilisée par le dispositif de chauffage. De préférence, aucune batterie rechargeable n'est adoptée. [0012] Par conséquent, le système de gestion thermique selon la présente invention est élec- triquement isolé, au moins pendant le réchauffement d'ATS. [0013] Ainsi, il peut définir un kit indépendant, équipé de son propre capteur de température et d'une unité de commande programmée pour commander la quantité d'énergie mécanique qui doit être extraite par le gaz d'échappement produit par le moteur à combustion interne. Le kit peut ainsi comprendre la turbine électrique ci-dessus et un dispositif de chauffage électrique directement associé à une partie du corps de la turbine, en formant un composant unique. Dans ce cas, la turbine électrique peut être commandée en actionnant sa géométrie variable, ou en agissant sur une soupape de décharge agencée sur un chemin de dérivation de la turbine elle-même. De plus, le chemin de dérivation peut être réalisé dans le corps même de la turbine électrique, de façon à obtenir un dispositif unique autonome. [0014] Alternativement, le système de réchauffement peut comprendre plusieurs composants, dont certains sont déjà présents dans un véhicule, comme l'unité de commande de moteur et les divers capteurs habituellement agencés avec l'ATS. Le moteur à combustion interne peut être équipé d'une unité de turbocompresseur de suralimentation, dont la turbine est agencée sur la conduite d'échappement, en amont de la turbine électrique, et l'énergie mécanique extraite par la turbine électrique peut être réglée de manière complémentaire à l'énergie mécanique extraite pour la stimulation du moteur par le turbocompresseur de suralimentation. [0015] Afin de gérer la quantité d'énergie mécanique qui doit être extraite par le gaz d'échappement, la turbine peut être à géométrie variable de sorte à faire varier la section de flux sortant, ou peut avoir une dérivation avec une soupape de décharge agencée de manière à assurer un étranglement de manière proportionnelle à l'énergie mécanique à extraire par la turbine électrique. En d'autres termes, plus l'étranglement 3 de la soupape de décharge est important, plus l'écoulement de gaz traverse la turbine et plus l'énergie mécanique peut être extraite. [0016] En utilisant une turbine électrifiée en combinaison avec un ATS chauffé élec- triquement, comme clapet d'échappement, la contre-pression augmente et le point de travail du moteur se décale vers une consommation de carburant plus élevée, différemment d'un clapet d'échappement, la contre-pression n'est pas dissipée niais exploitée pour générer de l'énergie réemployée en même temps dans le réchauffement d' ATS. [0017] Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention, après le réchauffement, la turbine est contournée. Tandis que, selon un autre mode de réalisation privilégié de l'invention, la turbine électrique est au moins partiellement traversée par le gaz d'échappement produit par le moteur à combustion interne, et le générateur électrique est déconnecté électriquement par le dispositif de chauffage et connecté au bus électrique de véhicule pour contribuer à la génération d'énergie électrique. [0018] Selon un autre mode de réalisation privilégié de l'invention qui peut être combiné avec l'un quelconque des modes de réalisation précédents, la turbine électrique est une partie de ce que l'on appelle un « turbocompresseur de suralimentation électrique », à savoir un ensemble comprenant un compresseur agencé sur la conduite d'admission du moteur à combustion interne, une turbine agencée sur la conduite d'échappement du même moteur à combustion interne, la turbine et le compresseur partageant un arbre commun, qui à son tour, définit le rotor du générateur électrique ci-dessus, ou est mécaniquement connecté à celui-ci. [0019] Dans ce cas également, pendant le réchauffement, l'énergie électrique extraite dépend de l'énergie mécanique résiduelle disponible nette de l'énergie de stimulation nécessaire à la compression d'air frais au niveau de l'entrée du moteur à combustion interne. [0020] De façon avantageuse, à faible charge, le VGT (turbocompresseur à géométrie variable) peut être fermé, par conséquent, l'enthalpie à l'échappement récoltée augmente, tandis que l'augmentation du débit massique d'air au niveau de l'entrée peut être évitée en freinant le turbocompresseur de suralimentation électrique au moyen de son propre générateur électrique. [0021] Dans ce cas également, après le réchauffement, le générateur électrique est dé- connecté électriquement du dispositif de chauffage électrique et connecté à un bus électrique de véhicule. [0022] De façon avantageuse, les turbomachines comprenant le turbocompresseur de surali- mentation électrique sont actuellement mises en oeuvre pour suralimenter les moteurs à combustion interne, de tels composants sont donc facilement disponibles sur le marché. [0023] L'invention proposée combine des technologies connues pour obtenir une commande de température d'ATS efficace basée sur la récupération par enthalpie du gaspillage. [0024] Un premier objet de la présente invention est un procédé dc réchauffement d'au moins une partie d'un système de post-traitement agencé sur une conduite d'échappement d'un moteur à combustion interne pour traiter les polluants contenus dans un gaz d'échappement produit par celui-ci, le procédé comprenant l'étape préliminaire consistant à agencer une turbine électrique sur ladite conduite d'échappement et un dispositif de chauffage électrique sur ladite conduite d'échappement en amont de ladite au moins une partie, le procédé comprenant la procédure consistant à alimenter le dispositif de chauffage électrique en énergie électrique générée par ladite turbine électrique de sorte à augmenter une température de ladite au moins une partie. [0025] Un deuxième objet dc la présente invention est un ensemble comprenant un moteur à combustion interne ayant une conduite d'échappement, un système de post-traitement agencé sur ladite conduite d'échappement du moteur à combustion interne pour traiter les polluants contenus dans un gaz d'échappement produit par celui-ci, l'ensemble comprenant en outre des moyens pour réchauffer au moins une partie dudit système de post-traitement, dans lequel lesdits moyens comprennent une turbine électrique agencée sur ladite conduite d'échappement et un dispositif de chauffage électrique agencé sur ladite conduite d'échappement en amont de ladite au moins une partie, dans lequel le dispositif de chauffage électrique est alimenté en énergie électrique générée par ladite turbine électrique de sorte à augmenter une température de ladite au moins une partie. [0026] Un autre objet de la présente invention est un moteur à combustion interne comprenant ledit dispositif. [0027] La présente invention peut être appliquée aussi bien à un moteur diesel qu'à un moteur à essence. [0028] Ces objets et d'autres encore sont atteints au moyen des revendications dépendantes ci-jointes, qui décrivent des modes de réalisation privilégiés de l'invention, faisant partie intégrante de la présente description. Brève description des dessins [0029] L'invention apparaîtra clairement dans la description détaillée suivante, donnée à titre d'exemple et non limitatif, à lire en référence aux dessins ci-joints, dans lesquels : [0030] [fig.l] La figure 1 montre un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention ; [0031] [fig.2] La figure 2 montre une légère variation du mode de réalisation de la figure 1 ; [0032] [fig.3] La figure 3 montre une variation du mode de réalisation de la figure 1 ou 2 de l' invention ; [0033] [fig.4] La figure 4 montre une autre variation du mode de réalisation de l'invention, basée sur le schéma de la figure 1, selon une première condition de fonctionnement ; [0034] [fig.5] La figure 5 montre le mode de réalisation de la figure 4 selon une deuxième condition de fonctionnement ; [0035] [fig.6] La figure 6 divulgue une mode de réalisation supplémentaire de l'invention exploitant la deuxième condition de fonctionnement divulguée à la figure 5. [0036] Les mêmes chiffres et lettres de référence dans les figures désignent des pièces identiques ou fonctionnellement équivalentes. [0037] Selon la présente invention, l'expression « deuxième élément » n'implique pas la présence d'un « premier élément », premier, deuxième, etc. ne sont utilisés que pour améliorer la clarté de la description et ils ne doivent pas être interprétés de manière limitative. [0038] Description détaillée des modes de réalisation privilégiés [0039] Des exemples de modes de réalisation sont maintenant fournis afin que cette di- vulgation soit complète pour les personnes du métier. [0040] Les figures 1 à 6 divulguent un moteur à combustion interne E, de préférence un moteur diesel. [0041] Le moteur E a une conduite d'admission IP et une conduite de refoulement OP, se sorte que le moteur aspire l'air frais de l'environnement par la conduite d'admission et rejette un gaz d'échappement dans l'environnement par la conduite de refoulement (ou d'échappement) OP. [0042] Le long de la conduite de refoulement, un ou plusieurs dispositifs de réduction sont agencés, et, seulement à titre d'exemple, ils sont regroupés en deux parties ATS1 et ATS2 du système de post-traitement ATS. [0043] Par exemple, pour un moteur diesel, la partie ATS1 peut comprendre un DOC (catalyseur d'oxydation diesel) et un DPF (filtre à particules diesel), tandis que la partie ATS2 peut comprendre une SCR (réduction catalytique sélective) et un module de dosage agencé immédiatement en amont de la SCR pour introduire un agent réducteur à base d'urée, habituellement appelé par son nom commercial, AdBlue. [0044] En aval de la partie ATS2, d'autres composants peuvent être conçus, tels qu'un CUC (catalyseur de purification) et un silencieux MF. [0045] Selon la présente invention, une turbine électrique EMT, comprenant un générateur électrique EM et une turbine T entraînant de manière fonctionnelle le générateur électrique EM, est agencée sur la conduite de refoulement de sorte à produire de l'énergie électrique à partir d'un contenu enthalpique du gaz d'échappement. [0046] La turbine est à géométrie variable, ou est à géométrie fixe couplée à un tuyau de dé- rivation BP approprié pour contourner la turbine T, et, sur ladite dérivation est agencée 6 une soupape de décharge WG pouvant être commandée afin de régler la quantité de gaz d'échappement traversant la turbine T. [0047] Un dispositif de chauffage électrique HT est agencé à l'intérieur de la conduite de re- foulement, le dispositif de chauffage est par exemple agencé en amont de PATS entier ou seulement en amont du dispositif le plus sensible à la température de l'ATS. [0048] Selon figure 1, la turbine électrique EMT est agencée en amont de PATS, tandis que le dispositif de chauffage électrique HT est agencé entre les parties ATSI et ATS2 de PATS. [0049] Selon la présente invention, la contre-pression générée par la turbine T est convertie en énergie électrique mise en oeuvre pour chauffer le gaz d'échappement. Par conséquent, non seulement le point de travail du moteur change, niais le contenu énergétique du gaz d'échappement est piégé à l'intérieur de PATS par la turbine électrique et le dispositif de chauffage électrique. [0050] De préférence, une connexion électrique directe interconnecte le générateur électrique EM en réalisant un ensemble électriquement isolé. [0051] Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention, la turbine électrique et le dispositif de chauffage sont réalisés en un composant unique. La turbine elle-même définit une partie de la conduite de refoulement, par conséquent, le dispositif de chauffage peut être agencé juste en aval de la volute de turbine. [0052] La turbine électrique peut comprendre également une unité de commande CU, et un capteur de température (non divulgué) afin de régler l'énergie mécanique extraite par la turbine T sur la base de la température de gaz d'échappement. [0053] Il faut comprendre que l'unité de commande peut être pourvue d'un port de bus CAN afin d'être connectée au réseau de données de véhicule et d'acquérir la température de gaz d'échappement et le régime moteur déployés sur le réseau de données. [0054] Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention, pendant le réchauffement d'ATS, l'unité de commande CU peut commander la turbine, et ainsi la contre-pression à fournir au moteur à combustion interne sur la base d'autres paramètres également, comme le régime moteur. [0055] Selon la figure 3, le moteur a un turbocompresseur de suralimentation TCU normal », comme une turbine Tl entraînant un compresseur Cl, dans lequel la turbine est agencée sur la conduite de refoulement en amont de l'ATS et le compresseur Cl est agencé sur la conduite d'admission du moteur afin de suralimenter le moteur à combustion interne. [0056] Maintenant, l'unité de commande CU, qui commande la turbine électrique, peut être programmée pour produire une contre-pression, qui tient compte de la contre-pression produite par le turbocompresseur de suralimentation TCU. [0057] En d'autres termes, la turbine électrique complète la contre-pression du turbocom- 7 presseur de suralimentation afin de maintenir cette contre-pression sur une plage prédéterminée, tant que la procédure de réchauffement est en cours. [0058] Le paramètre de stimulation peut également être extrait par le réseau de données de véhicule, comme décrit ci-dessus. [0059] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'unité de commande est en- tièrement intégrée dans l'unité de commande ECU (unité de commande de moteur) agencée pour contrôler au moins le moteur à combustion interne. Dans ce cas, l'unité de commande est déjà connectée au réseau de données de véhicule, elle gère ainsi le niveau de stimulation, l'injection de carburant dans les cylindres du moteur à combustion interne, et peut ainsi régler facilement la contre-pression de turbine électrique. [0060] Dans ce cas également, de préférence, le générateur électrique EM et le dispositif de chauffage électrique HT définissent un circuit isolé par rapport au bus électrique de véhicule. Par « bus électrique de véhicule », on entend un réseau de puissance électrique qui n'a rien à voir avec le réseau de données dans lequel sont déployés les messages de commande et d'état. [0061] Les Figures 4 et 5 divulguent un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un turbocompresseur de suralimentation électrique E-TCU est mis en oeuvre. [0062] La turbine électrique ci-dessus est une partie de l'E-TCU. [0063] L'E-TCU est un ensemble comprenant un compresseur C agencé sur la conduite d'admission du moteur à combustion interne, la turbine T agencée sur la conduite d'échappement du même moteur à combustion interne, la turbine et le compresseur partageant un arbre commun SH, qui à son tour, définit le rotor du générateur électrique EM ci-dessus, ou est mécaniquement connecté à celui-ci. [0064] Ici, le couple négatif du générateur, comme ci-dessus, est commandé au moins pendant le réchauffement, afin de compléter l'énergie mécanique nécessaire pour que le compresseur C atteigne une stimulation prédéterminée du moteur à combustion interne. De cette façon, une valeur de contre-pression prédéterminée est atteinte et maintenue. [0065] En d'autres termes, cette stratégie, comme ci-dessus, permet de ne pas dépasser une valeur de contre-pression prédéterminée. [0066] Même s'il est préférable, pendant le réchauffement, de ne pas mettre en oeuvre de stockage de batterie pour alimenter le dispositif de chauffage électrique, après le réchauffement, le générateur électrique peut être exploité pour charger une batterie, comme un bloc-batterie au lithium ou un supercondensateur, connectée au réseau électrique de véhicule. [0067] De nombreux détails spécifiques sont cités comme des exemples de composants, dis- positifs et procédés spécifiques afin de permettre une compréhension approfondie des 8 modes de réalisation de la présente divulgation. 11 sera évident pour les personnes du métier que des détails spécifiques n'ont pas besoin d'être utilisés, que les exemples de modes de réalisation peuvent se présenter sous de nombreuses formes différentes et qu'aucun de ces exemples ne doit être interprété comme limitant la portée de la divulgation. Dans certains exemples de modes de réalisation, des processus bien connus, des structures de dispositifs bien connues sont divulgués. [0068] Cette invention peut être mise en oeuvre de façon avantageuse dans un programme informatique comprenant des moyens de code de programme pour effectuer une ou plusieurs étapes de ce procédé, lorsque cc programme est exécuté sur un ordinateur. Pour cette raison, le brevet doit également couvrir un tel programme informatique et le support lisible par ordinateur qui comprend un message enregistré, un tel support lisible par ordinateur comprenant les moyens de code de programme pour effectuer une ou plusieurs étapes d'un tel procédé, lorsque ce programme est exécuté sur un ordinateur. [0069] De nombreux changements, modifications, variations et autres utilisations et ap- plications de la présente invention deviendront évidents pour les personnes du métier après avoir examiné la spécification et les dessins qui l'accompagnent et qui divulguent les modes de réalisation privilégiés de l'invention telles que décrites dans les revendications annexées. [0070] Les caractéristiques divulguées dans le contexte de l'art antérieur ne sont introduites qu'afin de mieux comprendre l'invention et non pas comme une déclaration sur l'existence d'un art antérieur connu. En outre, lesdites caractéristiques définissent le contexte de la présente invention, ces caractéristiques doivent donc être considérées en commun avec la description détaillée. [0071] D'autres détails de mise en oeuvre ne seront pas décrits, car l'homme du métier est capable d'accomplir l'invention à partir de l'enseignement de la description ci-dessus. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]