Brevet FR3098546A1 — publié le 20210115

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN CA- TALYSEUR DE MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention se situe dans le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique. Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de chauffage d'un catalyseur de moteur thermique. [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les moteurs à combustion interne de type essence ou diesel, notamment pour les véhicules thermiques conventionnels et hybrides. [0003] Le système de dépollution des gaz d'échappement est basé sur l'utilisation d'un ca- talyseur dont la configuration varie en fonction de la motorisation. Pour les véhicules équipés d'un moteur thermique de type essence à injection directe, la dépollution est réalisée par un catalyseur, dit trois voies (ou TWC pour "T'Ince Way catalytic Convertcr" en anglais) et un filtre à particules (ou GPF pour "Gasoline Particulatc Filtcr" en anglais). Pour les véhicules de type diesel, la dépollution est réalisée par une série de catalyseurs, par exemple un catalyseur d'oxydation (DOC pour "Diesel Oxydation Catal ist" en anglais) associé à un catalyseur de réduction sélective (SCR pour "Selective Catalytic Rcduction" en anglais) et par un filtre à particules. [0004] Ces catalyseurs nécessitent d'atteindre une certaine température, dite température d'amorçage, pour être efficaces. Cette montée en température, générée par la température des gaz d'échappement ou par un équipement extérieur (chauffage électrique), est plus ou moins rapide selon la technologie retenue pour le substrat du catalyseur ou les équipements extérieurs. [0005] Des catalyseurs électriques munis d'un élément chauffant permettent de réchauffer les gaz échappement qui eux-mêmes permettront d'augmenter la température des catalyseurs lorsque le moteur est en fonctionnement. [0006] Le principal défaut des catalyseurs électriques est leur temps de réponse pour atteindre la température d'amorçage permettant de traiter correctement les gaz d'échappement après un démarrage du moteur à froid. Ce problème est amplifié dans des conditions climatiques froides pour lesquelles les catalyseurs mettent encore plus de temps pour atteindre leur température d'amorçage. [0007] Un autre défaut est le vieillissement rapide des catalyseurs électriques imprégnés à cause des niveaux de température élevés lors du chauffage en capacité maximale avec un débit de gaz d'échappement très faible. [0008] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé de chauffage d'un catalyseur disposé sur une ligne d'échappement d'un moteur 2 thermique, ledit moteur thermique étant suralimenté par un turbocompresseur électrique assisté par un moteur électrique, ledit turbocompresseur électrique comportant un compresseur disposé sur une ligne d'admission, une vanne de décharge disposée sur un conduit de décharge reliant une sortie d'un compresseur à une entrée dudit compresseur, ledit procédé comportant lors d'une phase d'arrêt du moteur thermique: - une étape d'ouverture de la vanne de décharge, et - une étape d'activation du turbocompresseur électrique pour entraîner le compresseur, de façon à pomper de l'air chaud dans la ligne d'admission et acheminer ledit air chaud dans la ligne d'échappement pour chauffer le catalyseur. [0009] L'invention permet ainsi, en chauffant le catalyseur par envoi d'air chaud généré en sortie du compresseur, d'atteindre la température d'amorçage du catalyseur dès le démarrage du moteur thermique, de sorte que les émissions de particules polluantes sont grandement réduites. L'invention permet également de réduire la puissance électrique de l'élément chauffant d'un catalyseur électrique, ce qui contribue à la protection du catalyseur contre le vieillissement. L'invention facilite également la régénération du filtre à particules. [0010] Selon une mise en oeuvre, l'air chaud est acheminé jusqu'à la ligne d'échappement via un conduit de liaison assurant une communication entre la sortie du compresseur et une entrée du catalyseur, une vanne de commande associée au conduit de liaison permettant de contrôler une quantité d'air chaud acheminée jusqu'à l'entrée du catalyseur. [0011] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape d'ouverture de soupapes d'admission et de soupapes d'échappement pour permettre à l'air chaud en sortie du compresseur de traverser le moteur thermique et d'atteindre le catalyseur. [0012] Selon une mise en oeuvre, le chauffage du catalyseur est déclenché par une commande d'un conducteur. [0013] Selon une mise en oeuvre, le chauffage du catalyseur est déclenché par une détection automatique d'une présence d'un conducteur. [0014] Selon une mise en oeuvre, pour des applications hybrides, le chauffage du catalyseur est déclenché lors d'une phase de roulage électrique. [0015] Selon une mise en oeuvre, une durée et une puissance de chauffage du catalyseur sont contrôlées en fonction d'une température du catalyseur, d'un niveau de charge d'une batterie et d'une température de l'air envoyé vers le catalyseur. [0016] Selon une mise en oeuvre, après le démarrage du moteur thermique, le chauffage du catalyseur est maintenu sur de faibles charges jusqu'à ce que le catalyseur atteigne une température d'amorçage. [0017] L'invention a également pour objet un calculateur comportant une mémoire stockant 3 des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé tel que précédemment défini. [0018] L'invention concerne en outre une architecture de moteur thermique comportant: - un moteur thermique, - un catalyseur disposé sur une ligne d'échappement du moteur thermique, - un turbocompresseur électrique assisté par un moteur électrique, - ledit turbocompresseur électrique comportant un compresseur disposé sur une ligne d'admission du moteur thermique, - une vanne de décharge disposée sur un conduit de décharge reliant une sortie du compresseur à une entrée dudit compresseur, - ladite architecture comportant en outre un conduit de liaison assurant une communication entre la sortie du compresseur et une entrée du catalyseur, une vanne de commande étant associée au conduit de liaison pour pouvoir contrôler une quantité d'air chaud redirigée depuis la sortie du compresseur jusqu'à l'entrée du catalyseur. [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] [fig.1] La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réa- lisation d'un moteur thermique associé à un catalyseur électrique et à un calculateur permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; [0021] [fig.2] La figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réa- lisation d'un moteur thermique associé à un catalyseur électrique et à un calculateur permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. [0022] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0023] La figure 1 montre un exemple d'architecture 10 de moteur thermique, notamment pour véhicule automobile, comportant un moteur thermique 11 suralimenté par un turbocompresseur 12 comprenant un compresseur 13 et une turbine 14 montés sur un même arbre d'accouplement 15. Le compresseur 13 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur. [0024] A cet effet, le compresseur 13 est disposé sur une ligne d'admission 17 en amont du moteur 11 débouchant dans un collecteur d'admission 18. Lorsque le moteur thermique 11 est en fonctionnement, l'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 14 disposée sur une ligne d'échappement 20 issue d'un collecteur d'échappement 21. La turbine 14 entraîne alors en rotation le compresseur 13 par l'intermédiaire de l'arbre d'accouplement 15. [0025] Afin de maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 13, on utilise un échangeur 22 de chaleur dit RAS (pour "Refroidisseur d'Air de Suralimentation") apte à refroidir l'air circulant dans la ligne d'admission 17. L'échangeur 22 est monté en aval du compresseur 13 et en amont d'un doseur d'air (non représenté). [0026] De préférence, le turbocompresseur 12 est assisté électriquement au moyen d'un moteur électrique 24 monté sur l'arbre d'accouplement 15. [0027] Une vanne de décharge 25 est disposée sur un conduit de décharge 26 reliant une sortie d'un compresseur 13 à une entrée dudit compresseur 13. La vanne de décharge 25 est utilisée essentiellement pour éviter que le compresseur 13 entre en pompage sur les faibles débits d'air et les hauts rapports de compression. [0028] En outre, un catalyseur 28 est disposé sur la ligne d'échappement 20. Le catalyseur 28 est par exemple un catalyseur trois-voies pour un moteur essence. Le catalyseur trois-voies 28 permet notamment de réduire les oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone, d'oxyder les monoxydes de carbone en dioxyde de carbone, et les hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. Le catalyseur 28 est de préférence un catalyseur électrique muni d'un élément chauffant 29. En variante, pour un moteur diesel, le catalyseur 28 pourra être remplacé par un catalyseur d'oxydation (DOC pour "Diesel Oxydation Catalist" en anglais) associé à un catalyseur de réduction sélective (SCR pour "Selective Catalytic Rcduction" en anglais). [0029] Un filtre à particules 31 est disposé en aval du catalyseur 28 pour filtrer des particules de suies dans les gaz d'échappement du moteur thermique 11. Le filtre à particules 31 est adapté au filtrage de particules de suies provenant de la combustion du carburant. Le filtre à particules 31 pourra être à base d'une matrice céramique poreuse, par exemple en cordiérite, mullite, titanate d'aluminium ou carbure de silicium. S'il y a lieu, le catalyseur 28 et le filtre à particules 31 pourront être implantés à l'intérieur d'une même enveloppe 32. En variante, le filtre à particules 31 pourra être disposé en amont du catalyseur 28. [0030] Un conduit de liaison 33 assure une communication entre la sortie du compresseur 13 et l'entrée du catalyseur 28 via un piquage correspondant. Une vanne de commande 35 associée au conduit de liaison 33 permet de contrôler une quantité d'air redirigée depuis la sortie du compresseur 13 jusqu'à l'entrée du catalyseur 28. [0031] Un calculateur moteur 36 est apte à piloter notamment l'injection de carburant dans les cylindres du moteur, l'activation du turbocompresseur électrique 12, l'ouverture de la vanne de décharge 25, l'ouverture de la vanne de commande 35 qui gère la quantité d'air chaud redirigée vers le catalyseur 28, ainsi que la puissance dissipée par l'élément chauffant 29. Le calculateur 36 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention de chauffage du catalyseur 28 du moteur thermique 11. [0032] Plus précisément, lors d'une phase d'arrêt du moteur thermique 11, le calculateur 36 pilote, dans une étape 101, l'ouverture de la vanne de décharge 25. Le calculateur 36 active, au cours d'une étape 102, le turbocompresseur électrique 12 pour entraîner le compresseur 13 de façon à pomper de l'air chaud dans la ligne d'admission 17 et acheminer ledit air chaud dans la ligne d'échappement 20 pour chauffer le catalyseur 28. [0033] L'air est acheminé jusqu'à la ligne d'échappement 20 via le conduit de liaison 33 dont la vanne de commande 35 est au moins partiellement ouverte. [0034] Le conduit de liaison 33 pourra être dédié à la fonction de chauffage du catalyseur 28 ou avoir une double fonction, à savoir une fonction de chauffage du catalyseur 28 à l'arrêt du moteur thermique 11 et une fonction de recirculation des gaz d'échappement lorsque le moteur thermique 11 est en fonctionnement. [0035] Le chauffage du catalyseur 28 pourra être déclenché par une commande d'un conducteur, notamment via un bouton physique ou un bouton numérique situé sur une télécommande ou le tableau de bord. [0036] En variante, le chauffage du catalyseur 28 pourra être déclenché par une détection automatique d'une présence d'un conducteur dans le véhicule automobile. [0037] Pour des applications hybrides, le chauffage du catalyseur 28 pourra être déclenché lors d'une phase de roulage électrique, c'est-à-dire lorsque la vitesse du véhicule automobile est non nulle alors que le moteur thermique 11 est à l'arrêt. Cela permet de maintenir la température du catalyseur 28 au-dessus d'un certain seuil en roulage électrique. Ainsi, on évite le désamorçage du catalyseur 28 pendant les phases plus ou moins longues de roulage électrique, notamment couplées à des conditions ambiantes froides. [0038] Une durée et une puissance de chauffage du turbocompresseur 12 sont contrôlées en fonction de la température du catalyseur 28, d'un niveau de charge d'une batterie, et de la température de l'air envoyé. [0039] Après le démarrage du moteur thermique 11, le chauffage du catalyseur 28 est maintenu sur de faibles charges jusqu'à ce que le catalyseur 28 atteigne une température d'amorçage. [0040] Le mode de réalisation de la figure 2 est analogue à celui de la figure 1, sauf que l'architecture 10 est dépourvue de conduit de liaison 33 et de vanne de commande 35 correspondante. [0041] Le calculateur 36 pilote alors une ouverture de soupapes d'admission et de soupapes d'échappement pour permettre à l'air chaud en sortie du compresseur 13 de traverser le moteur thermique 11 et d'atteindre le catalyseur 28. A cet effet, les soupapes d'admission et d'échappement pourront être commandées par des électrovannes permettant leur ouverture à l'arrêt du moteur thermique 11. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Procédé de chauffage d'un catalyseur (28) disposé sur une ligne d'échappement (20) d'un moteur thermique (11), ledit moteur thermique (11) étant suralimenté par un turbocompresseur électrique (12) assisté par un moteur électrique (24), ledit turbocompresseur électrique (12) comportant un compresseur (13) disposé sur une ligne d'admission (17), une vanne de décharge (25) disposée sur un conduit de décharge (26) reliant une sortie d'un compresseur (13) à une entrée dudit compresseur (13), caractérisé en ce que, lors d'une phase d'arrêt du moteur thermique (11), ledit procédé comporte: - une étape (101) d'ouverture de la vanne de décharge (25), et - une étape (102) d'activation du turbocompresseur électrique (12) pour entraîner le compresseur (13), de façon à pomper de l'air chaud dans la ligne d'admission (17) et acheminer ledit air chaud dans la ligne d'échappement (20) pour chauffer le catalyseur (28). [Revendication 2] Procédé de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air chaud est acheminé jusqu'à la ligne d'échappement (20) via un conduit de liaison (33) assurant une communication entre la sortie du compresseur (13) et une entrée du catalyseur (28), une vanne de commande (35) associée au conduit de liaison (33) permettant de contrôler une quantité d'air chaud acheminée jusqu'à l'entrée du catalyseur (28). [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ouverture de soupapes d'admission et de soupapes d'échappement pour permettre à l'air chaud en sortie du compresseur (13) de traverser le moteur thermique (11) et d'atteindre le catalyseur (28). [Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le chauffage du catalyseur (28) est déclenché par une commande d'un conducteur. [Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le chauffage du catalyseur (28) est déclenché par une détection automatique d'une présence d'un conducteur. [Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour des applications hybrides, le chauffage du catalyseur (28) est déclenché lors d'une phase de roulage électrique. [Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en 7 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] ce qu'une durée et une puissance de chauffage du catalyseur (28) sont contrôlées en fonction d'une température du catalyseur (28), d'un niveau de charge d'une batterie et d'une température de l'air envoyé vers le catalyseur (28). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, après le démarrage du moteur thermique (11), le chauffage du catalyseur (28) est maintenu sur de faibles charges jusqu'à ce que le catalyseur (28) atteigne une température d'amorçage. Calculateur (36) comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. Architecture (10) de moteur thermique comportant: - un moteur thermique (11), - un catalyseur (28) disposé sur une ligne d'échappement (20) du moteur thermique (11), - un turbocompresseur électrique (12) assisté par un moteur électrique (24), - ledit turbocompresseur électrique (12) comportant un compresseur (13) disposé sur une ligne d'admission (17) du moteur thermique (11), - une vanne de décharge (25) disposée sur un conduit de décharge (26) reliant une sortie du compresseur (13) à une entrée dudit compresseur (13), caractérisée en ce que ladite architecture (10) comporte en outre un conduit de liaison (33) assurant une communication entre la sortie du compresseur (13) et une entrée du catalyseur (28), une vanne de commande (35) étant associée au conduit de liaison (33) pour pouvoir contrôler une quantité d'air chaud redirigée depuis la sortie du compresseur (13) jusqu'à l'entrée du catalyseur (28).