FR2919456A1

FR2919456A1 - Methode pour le chauffage d'au moins un composant d'un systeme scr a l'aide d'elements chauffants resistifs.

Info

Publication number: FR2919456A1
Application number: FR0756740A
Authority: FR
Inventors: Volodia Naydenov
Original assignee: Inergy Automotive Systems Research SA
Current assignee: Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-01-30
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: US8283608B2; EP2183942A1; CN101755481A; CN101755481B; EP2183942B1; US20100187218A1; FR2919456B1; WO2009013329A1

Abstract

Méthode pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR utilisant plusieurs éléments résistifs chauffants selon laquelle ces éléments chauffants sont alimentés en parallèle par une source de courant et selon laquelle un capteur de courant est placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle.

Description

Méthode pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR à

l'aide d'éléments chauffants résistifs La présente demande concerne une méthode pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR à l'aide d'éléments chauffants résistifs ainsi qu'un élément de système SCR auquel cette méthode est applicable. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère. Pour atteindre cet objectif on connaît le procédé SCR (Selective Catalytic Reduction) qui permet la réduction des oxydes d'azote par injection d'un agent réducteur, généralement d'ammoniac, dans la ligne d'échappement. Cet ammoniac peut provenir de la décomposition par thermolyse d'une solution d'un précurseur d'ammoniac dont la concentration peut être celle de l'eutectique. Un tel précurseur d'ammoniac est généralement une solution d'urée. Avec le procédé SCR, les dégagements élevés de NOX produits dans le moteur lors d'une combustion à rendement optimisé sont traités en sortie de moteur dans un catalyseur. Ce traitement requiert l'utilisation de l'agent de réduction à un niveau de concentration précis et dans une qualité extrême. La solution est ainsi précisément dosée et injectée dans le flux de gaz d'échappement où elle est hydrolysée avant de convertir l'oxyde d'azote (NOX) en azote (N2) et en eau (H2O). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'additif (urée généralement), ainsi que d'un dispositif pour doser et injecter la quantité d'additif désirée dans la ligne d'échappement. Etant donné que la solution aqueuse d'urée généralement utilisée à cette fin (eutectique à 32.5 % en poids d'urée) gèle à -11 C, il est nécessaire de prévoir un dispositif de chauffage pour liquéfier la solution afin de pouvoir l'injecter dans la ligne d'échappement en cas de démarrage dans des conditions de gel. Dans l'art antérieur, plusieurs systèmes ont été prévus à cet effet. Généralement, ces systèmes comprennent des dispositifs de chauffage impliquant soit des éléments chauffants spécifiques, soit une dérivation du circuit de refroidissement du moteur (voir par exemple la demande WO 2006/064001 au nom de la demanderesse). -2

En ce qui concerne l'utilisation d'éléments chauffants spécifiques, il est connu de mettre à l'intérieur du réservoir contenant la solution d'urée, et éventuellement, sur les lignes (d'alimentation et de retour, le cas échéant) d'urée, sur la pompe, le filtre... et d'autres éléments actifs du système, des éléments résistifs chauffants. Ainsi par exemple, la demande WO 2007/017080 préconise le branchement en série de deux résistances (une pour le réservoir et une pour le filtre) ce qui permet, avec un courant donné, de moduler les puissances de chauffe par le choix de résistances adaptées. Le branchement en série de résistances chauffantes présente toutefois comme inconvénient, le fait que si une des résistances est défaillante, les suivantes seront désactivées. En outre, avec un tel mode de branchement, si l'on veut effectuer un diagnostic (pour vérifier le bon fonctionnement des résistances de manière automatique) à l'aide d'un capteur de courant, soit celui-ci est fait de manière globale (sur l'ensemble des résistances) et ne permet donc pas d'identifier parmi les résistances utilisées, celle qui est défaillante. La présente invention vise à résoudre ce problème en fournissant une méthode pour le chauffage d'un système SCR utilisant plusieurs éléments résistifs chauffants dont le fonctionnement est contrôlé de manière spécifique à l'aide d'un seul capteur de courant. Dès lors, la présente demande concerne une méthode pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR utilisant plusieurs éléments résistifs chauffants selon laquelle ces éléments chauffants sont alimentés en parallèle par une source de courant et selon laquelle un capteur de courant est placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle. Par système SCR , on entend désigner un système de réduction catalytique des NOx des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, de préférence d'un véhicule. L'invention s'applique tout particulièrement bien aux systèmes utilisant un précurseur d'ammoniac liquide susceptible de geler dans les conditions atmosphériques de certaines parties du globe. Elle s'applique particulièrement bien à des systèmes SCR à l'urée. Par le terme urée , on entend désigner toute solution, généralement aqueuse, contenant de l'urée. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques eau/urée pour lesquelles il existe un standard qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlué (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8 % et -3

33,2 % (en poids) (soit 32.5 +/- 0.7 % en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18,0 % e 18,8 %. L'invention peut également s'appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium en solution aqueuse également et vendus sous la marque DenoxiumTM et dont l'une des compositions (Denoxium-30) contient une quantité équivalente en ammoniac à celle de la solution d'Adblué . Ces derniers présentent comme avantage, le fait de ne geler qu'à partir de -30 C (par rapport à -11 C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération éventuelle d'acide formique. La présente invention est particulièrement intéressante dans le cadre des solutions eutectiques eau/urée. Comme évoqué précédemment, les systèmes SCR comprennent généralement au moins un réservoir pour stocker l'additif liquide de dépollution ainsi qu'un système pour alimenter celui-ci aux gaz d'échappement et qui comprend généralement des éléments actifs tels que pompe, filtre, vanne(s), canalisations (d'alimentation et/ou de retour). La méthode selon l'invention s'applique à tout composant d'un tel système, combinaison de tels composants voire à un système SCR complet. Le réservoir d'un tel système peut être en une matière quelconque, de préférence ayant une bonne résistance chimique à l'urée. Il s'agit en général de métal ou de matière plastique. Les polyoléfines, en particulier le polyéthylène (et plus particulièrement, le PEHD ou polyéthylène haute densité), constituent des matériaux préférés. Ce réservoir peut être réalisé par tous les procédés de transformation connus dans le cas de corps creux. Un mode de mise en oeuvre préféré, en particulier lorsque le réservoir est en matière plastique, et en particulier, le PEHD, est le procédé d'extrusion-soufflage. Dans celui-ci, une paraison (en une ou plusieurs parties) est obtenue par extrusion, et elle est ensuite mise en forme par soufflage dans un moule. Le moulage du réservoir d'un seul tenant à partir d'une seule paraison donne de bons résultats.

Ce réservoir est avantageusement muni d'une embase ou platine (c'est-à-dire un support ayant substantiellement la forme d'une plaque) sur laquelle au moins un accessoire actif du système de stockage et/ou du système d'injection d'urée est fixé. Cette embase présente généralement un périmètre refermé sur lui-même, de forme quelconque. Le plus souvent, son périmètre a une forme circulaire. -4

De manière tout particulièrement préférée, cette embase est une platine immergée, c'est-à-dire obturant une ouverture dans la paroi inférieure du réservoir. Par paroi inférieure , on entend en fait désigner la moitié inférieure du réservoir (qu'il soit ou non moulé d'un seul tenant ou à partir de deux feuilles ou découpes de paraison). De préférence, l'embase est située dans le tiers inférieur du réservoir, et de manière tout particulièrement préférée, dans le quart inférieur, voire carrément dans le fonds de celui-ci. Elle peut être en partie sur la paroi inférieure latérale, auquel cas elle est légèrement en oblique une fois montée dans le véhicule. L'emplacement et/ou la direction de l'embase dépend notamment de l'emplacement du réservoir dans le véhicule, et de l'encombrement autour de celui-ci (compte tenu des composants à y intégrer). Cette embase intègre donc au moins un composant actif en stockage et/ou injection. On entend par là que le composant est fixé sur ou réalisé d'une pièce avec l'embase. Ce composant peut être intégré en interne au réservoir, ou en externe avec, le cas échéant, une connexion (pipette) passant au travers de celle-ci. De manière préférée, l'embase selon cette variante de l'invention intègre plusieurs composants actifs en stockage et/ou dosage et de manière tout particulièrement préférée, elle intègre tous les composants actifs qui sont amenés à être en contact avec l'additif liquide se trouvant dans, partant de ou arrivant dans le réservoir à additif. L'embase du réservoir selon cette variante de l'invention peut être obtenue par tout moyen connu, mais elle est obtenue de manière préférentielle par injection, cette méthode permettant d'obtenir une bonne précision dimensionnelle.

De préférence, l'embase est à base d'un matériau résistant à l'urée et aux produits crées lors du vieillissement du dernier, tel que le polyacétal et en particulier, le POM (poly-oxy-méthylène); les polyphtalamides (grades AMODEL par exemple) ; ou les polyamides et en particulier, les grades renforcés (par exemple à l'aide de fibres de verre). De préférence, l'embase est en polyamide et elle comprend une pipette moulée d'une pièce avec elle tel que décrit précédemment. Le composant auquel s'applique l'invention, et qui peut ou non être intégré à l'embase susmentionnée, est muni d'au moins deux éléments résistifs branchés en parallèle (ce qui n'exclut pas le fait qu'il puisse aussi en comprendre un ou plusieurs branchés en série). -5

Ces éléments résistifs peuvent être des filaments métalliques chauffants, des réchauffeurs flexibles (c'est-à-dire des réchauffeurs comprenant une ou plusieurs piste(s) résistive(s) apposée(s) sur un film ou disposée(s) entre deux films (c' est-à-dire deux supports substantiellement plats et dont le matériau et l'épaisseur sont telles qu'ils sont flexibles)) ou tout autre type d'éléments résistifs ayant une forme, taille et flexibilité adaptées pour être inséré dans et/ou enroulé sur le composant. Pour le réservoir et son embase, le cas échéant, des réchauffeurs flexibles conviennent bien. Un avantage des réchauffeurs flexibles est qu'ils peuvent avoir une forme quelconque éventuellement même compliquée de sorte qu'un seul réchauffeur (dessiné selon une sorte de patron ) peut être utilisé pour réchauffer diverses parties du réservoir même éloignées les unes des autres. Ainsi, dans une variante préférée, le réchauffeur flexible comprend un corps et au moins une excroissance ou tentacule muni d'au moins une partie de piste résistive. De manière tout particulièrement préférée, il comprend plusieurs excroissances ou tentacules qui sont disposés de manière homogène dans le réservoir de manière à pouvoir chauffer entièrement et de manière la plus homogène possible son contenu et ce même dans les recoins éloignés du corps du réchauffeur d'où les tentacules s'étendent. Dans cette variante, le corps du réchauffeur peut comprendre une piste résistive et les tentacules, au moins une autre piste résistive, ces pistes étant de préférence raccordées en parallèle à une borne d'alimentation électrique. Par corps , on entend désigner une partie du réchauffeur d'où partent les tentacules et d'où partent et arrivent leurs pistes résistives. Les résistances (éléments résistifs chauffants) du composant/système SCR auquel s'applique la méthode selon l'invention sont alimentées par une source de courant. Celle-ci peut être la batterie du véhicule qui fournit environ 13.5 volts nominal (généralement avec un minium de 9 volts et un maximum de 16 volts). De préférence chaque résistance est mise à la terre de manière indépendante et le capteur de courant est interposé entre la source de courant et les résistances mises à la terre. Généralement, le capteur de courant transforme le courant qui le traverse (et qui est donc la somme des courants qui traversent chacune des résistances) en une tension et ce avec une sensibilité donnée. Généralement, la tension générée dans le cas d'un courant nul n'est pas égale à zéro mais à un certain pourcentage de la tension d'alimentation du capteur (par exemple de l'ordre de 10 % de celle-ci) et que l'on appelle offset . -6

Les systèmes SCR ne sont généralement chauffés qu'en dessous d'une certaine température (à partir de laquelle l'additif commence à se solidifier). Pour les solutions eutectiques eau/urée susmentionnés, cela se produit généralement vers - 8 C.

Généralement, ces systèmes sont gérés par une unité de contrôle électronique (ECU ou Electronic Control Unit) qui conditionne entre autres la mise en marche/à l'arrêt du système de chauffage par exemple en agissant sur un commutateur (commutateur, MOSFET de puissance, etc.) positionné dans la ligne d'alimentation entre la source de courant et les résistances, de préférence en amont du capteur de courant. Dans un tel système donc, toutes les résistances sont activées en même temps. Toutefois, au cas où les résistances utilisées présentent une dispersion trop importante par rapport à leur valeur nominale, un diagnostic fiable ne pourra pas être établit dans tous les cas de figure. Ceci est par exemple le cas avec un système à 2 résistances de valeur fortement différente et/ou où la fourchette de courants lue par le capteur dans le cas où les 2 résistances fonctionnent correctement présente une zone en commun avec la fourchette lue si seulement une des 2 (la plus petite) fonctionne. Ceci est illustré par les figures et le tableau en annexe au présent mémoire qui seront commentés en détail plus loin.

Dès lors, selon une variante avantageuse de la présente invention, chaque résistance est reliée respectivement à la source de courant et à la terre pour constituer une branche résistive et les différentes branches résistives sont activées de manière séquencée (par exemple à l'aide d'un commutateur sur chacune d'entre elle, la précédant et étant activé par un système de commande approprié (ECU)). Dans un tel système, à chaque activation de branche saine (fonctionnant correctement) correspond un incrément du courant lu par le capteur (et donc, de la tension qu'il génère). Un diagnostic spécifique est donc possible quelle que soit les valeurs respectives et les dispersions des résistances utilisées (puisqu' à chaque résistance correspond un saut de tension dont la valeur importe peu, sa présence seul attestant du fonctionnement de la résistance concernée). La présente invention concerne enfin un système pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR, ce système comprenant plusieurs éléments résistifs chauffants branchés en parallèle sur une source de courant, un capteur de courant placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle, et une unité de détection d'un -7

disfonctionnement du système permettant d'interpréter un signal émis par le capteur. Cette unité de détection (ou de diagnostic) peut être une ECU spécifique dédié à cette fin. Alternativement et de manière préférée, il s'agit de la même ECU que celle qui commande la chauffe et vers laquelle le capteur envoie son signal (tension généralement). Les variantes avantageuses décrites ci-dessus dans le cadre de la méthode sont également applicables au système selon l'invention. En particulier, une variante particulièrement avantageuse de celui-ci comprend une branche résistive indépendante par résistance (comme définie ci-dessus c.à.d. reliant chaque résistance indépendamment à la source de courant et à la terre respectivement) et chacune de ces branches est munie d'un commutateur. De manière particulièrement avantageuses, l'ECU de ce système active ces branches de manière séquencée et pour ce faire, utilise des dispositifs de retard (relais temporisés par exemples) agissant sur les branches activées en différé (c.à.d. sur toutes sauf la première qui est activée en direct). Enfin, la présente invention concerne également un système SCR muni d'un système de chauffage tel que décrit ci-dessus et comprenant au moins un composant choisi parmi un réservoir à urée, une embase de celui-ci, une ligne d'alimentation ou de retour en urée, une pompe ou un filtre à urée. La présente invention est illustrée de manière non limitative par le tableau 1 et les figures 1 et 2. Les figures 1 et 2 illustrent le principe de deux variantes de la présente invention et le tableau 1 reprend des calculs relatifs au fonctionnement de la l ère variante.

Sur ces figures, des acronymes identiques désignent des éléments identiques. La figure 1 illustre schématiquement une méthode de chauffage utilisant une source de courant (VBAT), un commutateur (PS ou Power Switch), un capteur de courant (CS ou Current Sensor), et 3 résistances (R1, R2 et R3) chacune reliée à la terre (GND ou Ground) de manière indépendante. Selon cette méthode, une ECU (non représentée) envoie au temps TO, une commande au commutateur (PS) lui ordonnant d'activer les résistances c.à.d. de faire circuler le courant dans les différentes branches résistives en même temps. Dès cet instant (TO), le capteur de courant (CS) est traversé par un courant qui vaut la somme des courants passant dans chaque branche résistive et il génère un signal de sortie (tension) proportionnel à ce courant. -8

Une telle méthode est efficace si par exemple R1, R2 et R3 valent chacune une dizaine d'ohms à quelques 10aines d'ohm près, si la batterie débite une tension constante à quelques dizaines de V près et si la sensibilité et la précision du capteur sont bonnes, c.à.d., en d'autres termes : avec du matériel haut de gamme. Toutefois, avec la plupart des dispositifs commerciaux de prix abordable (produits de grande série), les fluctuations de ces grandeurs sont telles que cette méthode n'est pas applicable. Le tableau 1 illustre cela et considère par exemple le cas d'une pompe à urée équipée d'une résistance chauffante (Rl) de valeur nominale (nom) 14 ohms (mais variant entre une valeur minimale (min) de 13.5 ohms et une valeur maximale (max) de 17 ohms) connectée en parallèle avec une résistance chauffante (R2) destinée à des lignes d' alimentation/retour en urée dont les valeurs correspondantes (en ohms également) sont 1.6 ohms (min), 2 ohms (nom) et 2.4 ohms (max) ; sur une batterie (VBAT) qui débite 13.5 V (nom) (entre 9 V (min) et 16 V (max)), soit un offset correspondant variant de 0.49 à 0.51 V (0.5 V nom). Si pour effectuer le diagnostic de ce système (identifier si les 2 résistances fonctionnent correctement), on utilise un capteur de courant ayant les caractéristiques illustrées dans le tableau 1, à savoir : une sensibilité (CSS) de 185 mV/A (nom) (179.5 (min) et 190.5 (max)), pour une alimentation propre (Vcc) de 5 V (nom) (4.9 (min) et 5.1 (max)), on ne pourra pas toujours savoir avec certitude si R1 fonctionne correctement car la gamme de tension générée par le CS si R2 fonctionne seule ou si Rl et R2 fonctionnent à la fois présente une zone de recouvrement (voir tableau 1).

Dès lors, la figure 2 illustre schématiquement une méthode alternative (préférée) utilisant 3 commutateurs (PS1, PS2, PS3) séparés (un par résistance (R1, R2, R3)) ainsi que deux dispositifs de retards (Dl, D2) agissant sur les 2 derniers commutateurs (PS2, PS3). Selon cette méthode, une ECU (non représentée) envoie au temps TO, une commande au commutateur (PSI) lui ordonnant d'activer la résistance Rl uniquement c.à.d. de faire circuler le courant à travers elle uniquement. A cet instant (TO), le capteur de courant (CS) génère un signal de sortie (tension) proportionnel au courant traversant la résistance Rl uniquement. La commande envoyée par l'ECU au temps TO a également activé les mécanismes de retard Dl et D2 qui respectivement au bout de AT1 et AT2 vont activer les commutateurs PS2 et PS3 pour laisser circuler le courant d'abord à la -9

fois à travers R1 et R2 au bout de AT1, et à travers R1, R2 et R3 au bout de AT2. Dès lors, si les résistances fonctionnent correctement comme illustré à la figure 2, on observe un saut de tension à la sortie de CS respectivement au bout de T0, AT1 et AT2. Si une des résistances est défectueuse et ne laisse pas passer de courant, le saut de tension correspondant ne sera pas observé. Une telle méthode est efficace quelle que soit les valeurs respectives des 3 sauts de tension et donc, quelle que soit la précision des instruments utilisés. TABLE 1 R1 Valeur nom max Unité s 14 17 ohm min 13,5 R2 1,6 2 2,4 ohm VBAT 9 13,5 16 V CSS 179,5 185 190,5 mV/A Vcc 4,9 5 5,1 V offset = 10% Vcc 0,49 0,5 0,51 V Si seul R1 fonctionne Formule 11 = courant dans R1 et CS 0,529 0,964 1,185 A VBAT (min, nom, max) / R1 (max, nom, min) tension sortie CS 0,585 0,678 0,736 V offset + (CSS (min, nom, max)* 11 / 1000) gamme tension si précision de 1.5% 0,576 0,747 V (0.985*min, 1.015 * max) Si seule R2 fonctionne 12 = courant dans R2 et CS 3,750 6,750 10,000 A VBAT (min, nom, max) / R2 (max, nom, min) tension sortie CS 1,163 1,749 2,415 V offset + (CSS (min, nom, max)* 12 / 1000) gamme tension si précision de 1.5% 1,146 2,451 V (0.985*min, 1.015 * max) Si R1 et R2 fonctionnent toutes les 2 courant dans CS 4,279 7,714 11,185 A M (min, nom, max) + 12 (min, nom, max) tension sortie CS 1,2581 1,927 2,641 V offset + (CSS (min, nom, max)* (11+12) / 1000) 1 gamme tension si précision de 1.5% 1,239 2,680 V (0.985*min, 1.015 * max)

Claims

REVENDICATIONS

1. - Méthode pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR utilisant plusieurs éléments résistifs chauffants selon laquelle ces éléments chauffants sont alimentés en parallèle par une source de courant et selon laquelle un capteur de courant est placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle.

2. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque résistance est mise à la terre et en ce que le capteur de courant est interposé entre la source de courant et les résistances.

3. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'une unité de contrôle électronique (ECU ou Electronic Control Unit) conditionne la mise en marche/à l'arrêt du système de chauffage en agissant sur un commutateur positionné entre la source de courant et les résistances.

4. - Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les résistances sont activées de manière séquencée.

5. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'activation séquencée est réalisée à l'aide de commutateurs, un commutateur précédant chaque résistance et ces commutateurs étant activés de manière séquencée par une ECU.

6. - Système pour le chauffage d'au moins un composant d'un système SCR, et comprenant plusieurs éléments résistifs chauffants branchés en parallèle sur une source de courant, un capteur de courant placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle, et une unité de détection d'un disfonctionnement du système permettant d'interpréter un signal émis par le capteur.

7. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de détection comprend une ECU vers laquelle le capteur envoie un signal de tension, cet ECU commandant également l'activation des résistances.- 12 -

8. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une branche résistive indépendante par résistance (c.à.d. que chaque résistance est reliée de manière indépendante à la source de courant et à la terre respectivement), chacune de ces branches étant munie d'un commutateur et toutes sauf une étant soumise à l'action d'un mécanisme de retard.

9. - Système SCR équipé d'un système de chauffage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, ce système comprenant au moins un composant choisi parmi un réservoir à urée, une embase de celui-ci, une ligne d'alimentation ou de retour en urée, une pompe ou un filtre à urée.