FR3081506A1 - Procede et dispositif de gestion de chauffe dans un systeme scr chauffe electriquement - Google Patents
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Abstract
Le procédé selon l'invention gère la chauffe dans un système de réduction catalytique sélective, dit SCR, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique. Conformément à l'invention, le procédé comprend la détermination d'une consigne de gain de puissance de chauffe (G) à partir d'une pluralité de variables, ladite pluralité de variables comprenant : - la température (TE) de l'air extérieur, - l'état de charge (SOC) d'une batterie électrique du véhicule, - l'efficacité (EF) du système SCR, et - l'hygrométrie (Hy) de l'air extérieur.
Description
PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE GESTION DE CHAUFFE DANS UN SYSTÈME SCR CHAUFFÉ ÉLECTRIQUEMENT [001] L’invention concerne de manière générale la réduction des émissions polluantes d’oxydes d’azote d’un véhicule à moteur thermique équipé d’un système de réduction catalytique sélective, dit « SCR », chauffé électriquement. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé et un dispositif de gestion de chauffe dans un système SCR chauffé électriquement implanté dans un véhicule à moteur thermique.
[002] Les véhicules à moteur thermique sont équipés de systèmes de post-traitement des gaz d’échappement conçus pour la réduction des émissions polluantes et le respect des normes environnementales. La réduction des émissions d’oxydes d’azote (NOx) est obtenue au moyen du système SCR, pour « Selective Catalytic Reduction » en anglais.
[003] Le système SCR conventionnel est tributaire de la température des gaz d’échappement qui doit être suffisante pour réduire efficacement les rejets de NOx. Dans certaines situations de vie du véhicule, comme lors des démarrages à froid du moteur thermique et en roulage urbain à faible vitesse, cette contrainte sur la température des gaz d’échappement impacte les performances de réduction des NOx.
[004] Afin de pallier à l’inconvénient ci-dessus, il est connu d’utiliser un système SCR chauffé électriquement. Un tel système SCR permet d’atteindre plus rapidement des températures de fonctionnement optimales et autorise ainsi une efficacité accrue dans la réduction des NOx.
[005] Cependant, l’alimentation électrique de la résistance de chauffe incluse dans le système SCR sollicite de manière importante le réseau d’alimentation électrique du véhicule et induit une consommation énergétique non négligeable. En effet, la puissance électrique requise pour l’alimentation de la résistance de chauffe peut être de l’ordre de quelques centaines de Watt à plus de 1 kW. L’alimentation électrique de la résistance de chauffe peut perturber le réseau d’alimentation électrique, en provoquant des chutes de tension susceptibles d’impacter l’alimentation d’autres consommateurs électriques. Par ailleurs, lorsque l’alternateur du réseau de bord est dans un état de fonctionnement lui interdisant de satisfaire la demande électrique du système SCR, les moyens de stockage d’énergie du véhicule sont sollicités et subissent des décharges. Les demandes électriques répétées du système SCR conduisent à davantage de phases de charge/décharge des moyens de stockage d’énergie et affectent la durabilité de la batterie principale du véhicule qui généralement est du type conventionnel au plomb.
[006] Par le brevet européen EP2820263B1, il est connu, dans un système SCR chauffé électriquement, de commander l’alimentation électrique de l’élément chauffant de celui-ci avec une fréquence d’activation / désactivation qui est déterminée en fonction d’un état de fonctionnement du système SCR, et cela afin d’éviter des dépôts susceptibles de se former sur l’élément chauffant. L’état de fonctionnement critique dans lequel des dépôts peuvent apparaître est détecté à l’aide d’une ou plusieurs grandeurs d’état de fonctionnement. La grandeur d’état de fonctionnement peut être une température, un débit d’additif ou un débit de gaz d’échappement.
[007] Il est souhaitable d’optimiser la gestion de la chauffe dans le système SCR chauffé électriquement d’un véhicule à moteur thermique, afin de minimiser la consommation énergétique nécessaire et d’obtenir des performances de dépollution acceptables dans les différentes conditions de vie du véhicule.
[008] Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de gestion de chauffe dans un système de réduction catalytique sélective, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique, comprenant la détermination d’une consigne de gain de puissance de chauffe à partir d’une pluralité de variables, ladite pluralité de variables comprenant :
la température de l’air extérieur, l’état de charge d’une batterie électrique du véhicule, l’efficacité du système SCR, et l’hygrométrie de l’air extérieur.
[009] Selon une caractéristique particulière du procédé, la consigne de gain de puissance de chauffe est déterminé par l’égalité :
G = MIN [Gte, Gsoc, Gef, Ghy], dans laquelle G est la consigne de gain de puissance de chauffe et Gte, Gsoc, Gef, Ghy sont des consignes de gain intermédiaires de puissance de chauffe déterminées avec des cartographies à partir de la pluralité de variables.
[0010] Selon une autre caractéristique particulière, la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gte est déterminée à partir d’une première cartographie en fonction de ladite température (TE) de l’air extérieur.
[0011] Selon encore une autre caractéristique particulière, la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gsoc est déterminée à partir d’une deuxième cartographie en fonction de l’état de charge de la batterie.
[0012] Selon encore une autre caractéristique particulière, la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gef est déterminée à partir d’une troisième cartographie en fonction d’une température et d’un vieillissement du système SCR dont dépend l’efficacité de celui-ci.
[0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Ghy est déterminée à partir d’une quatrième cartographie en fonction de l’hygrométrie et de la température de l’air extérieur.
[0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Ghy est obtenue en ajoutant un incrément temporel à une première valeur de consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe qui est fournie par la quatrième cartographie.
[0015] Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un dispositif de gestion de chauffe dans un système de réduction catalytique sélective, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique. Conformément à l’invention, le dispositif comprend une unité électronique de commande comportant une mémoire dans laquelle sont stockées des instructions de programme pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit brièvement cidessus.
[0016] L’invention concerne aussi un système de réduction catalytique sélective, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique, et un véhicule comprend un tel système de réduction catalytique sélective.
[0017] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la Fig.1 est un schéma simplifié d’un système de dépollution de gaz d’échappement incluant un système SCR et un dispositif selon l’invention pour la gestion de la chauffe dans le système SCR;
la Fig.2 est un bloc-diagramme fonctionnel du dispositif selon l’invention montrant la loi de commande appliquée conformément au procédé de l’invention ; et les Figs.3A à 3F montrent des exemples de courbes de différentes grandeurs intervenant dans le procédé de l’invention, en fonction des variables prises en compte par celui-ci.
[0018] En référence à la Fig. 1, le procédé selon l’invention pour la gestion de chauffe du système SCR est mis en oeuvre dans un système de dépollution de gaz d’échappement 1 représenté ici de manière simplifiée.
[0019] Le système de dépollution de gaz d’échappement 1 est destiné au post-traitement des gaz d’échappement EG d’un moteur thermique de type Diesel dans un véhicule.
[0020] Comme montré à la Fig.1, le système de dépollution de gaz d’échappement 1 comprend ici essentiellement un catalyseur d’oxydation 2, un dispositif compact 3, chauffé électriquement, de réduction catalytique sélective et de filtrage de particules de suies et un catalyseur de conversion d’ammoniac 4. Ces différents composants fonctionnels de dépollution sont intégrés dans une ligne d’échappement de gaz LE à travers laquelle s’écoule les gaz d’échappement EG. Les sondes NOx et les différents autres capteurs classiques inclus dans la ligne d’échappement de gaz LE pour la commande du système de dépollution de gaz d’échappement 1 ne sont pas représentés. Une unité électronique de commande, référencée ECU, est également comprise dans le système de dépollution de gaz d’échappement 1 pour la commande de celui-ci.
[0021 ] Le catalyseur d’oxydation 2 est typiquement un catalyseur d’oxydation de type DOC (pour « Diesel Oxydation Catalyst » en anglais) incorporant un accumulateur passif de NOx, dit PNA pour Passive NOx Adsorber en anglais, qui permet de capter les NOx. Le catalyseur de conversion d’ammoniac 4, dit ASC pour « Ammonia Slip Converter » en anglais, a pour fonction de réduire la quantité d’ammoniac rejetée par la ligne d’échappement LE.
[0022] Selon les applications, le dispositif compact 3 pourra avoir différentes architectures. Deux architectures 3a et 3b sont représentées schématiquement à la Fig.1 à titre d’exemple.
[0023] Les architectures 3a et 3b comprennent ici toutes deux, dans leur partie aval, un premier pain 30 de type SCR suivi d’un deuxième pain 31 de type dit « SDPF >> pour « SCR on Diesel Particulate Filter >> en anglais. Le deuxième pain 31 assure une double fonction de catalyseur SCR et de filtre à particules, en intégrant une couche catalytique SCR, dite « washcoat >>, sous une forme imprégnée dans un filtre à particules.
[0024] Dans leur partie amont, les architectures 3a et 3b comprennent l’injecteur 31 qui introduit un additif dans la ligne d’échappement de gaz LE pour la réduction des NOx, tel qu’une solution aqueuse d’urée connue sous la marque déposée AdBlue. Une boîte de mélange 32, placée en aval de l’injecteur 31, assure le mélange homogène de l’urée avec les gaz d’échappement. Dans l’architecture 3a, une résistance électrique de chauffe 33, placée avant l’injecteur 31, permet le chauffage des gaz d’échappement en amont de celuici. Dans l’architecture 3a, il est prévu un autre pain SCR 34, de type dit « eSCR >>, qui est placé entre la boîte de mélange 32 et le premier pain SCR 30. Le pain SCR 34 est un catalyseur SCR intégrant une résistance électrique de chauffe.
[0025] Le procédé selon l’invention est mis en œuvre au moyen d’un dispositif 5 qui gère la chauffe du système SCR. On notera que le procédé et le dispositif selon l’invention sont conçus pour fonctionner notamment avec les deux types d’architecture 3a et 3b décrits plus haut.
[0026] Le dispositif 5 est typiquement implémenté sous la forme d’un module logiciel qui est résidant dans une mémoire ME de l’unité électronique de commande ECU. Typiquement, l’unité ECU est l’unité de contrôle moteur qui a à charge la commande du moteur thermique et de ses différents organes et accessoires fonctionnels. Le module logiciel implémentant le dispositif 5 autorise la mise en œuvre du procédé selon l’invention par l’exécution d’instructions de code de programme par un processeur de l’unité ECU.
[0027] Comme montré à la Fig. 1, le dispositif 5 gère la chauffe du système SCR à travers une consigne de gain de puissance de chauffe G et en association avec une unité d’alimentation électrique 6. L’unité d’alimentation électrique 6 est alimentée par une tension d’alimentation +V et fournit en sortie une puissance électrique variable P qui est déterminée par la consigne de gain de puissance de chauffe G. L’unité d’alimentation électrique 6 est, par exemple, de type à découpage, avec un rapport cyclique de découpage qui est déterminé par la consigne de gain de puissance de chauffe G.
[0028] Dans ce mode particulier de réalisation, l’unité d’alimentation électrique 6 délivre en sortie la puissance électrique P, avec P = G.Pmx, avec Pmx étant la puissance électrique maximum délivrable par l’unité 6 et la consigne de gain G variant entre 0 et 1. La consigne de gain G permet d’ajuster la puissance électrique P fournie à la résistance électrique de chauffe du système SCR. Le dispositif 5 commande la chauffe du système SCR en fonction des conditions de vie du véhicule, afin d’atteindre la température requise pour la réduction des NOx, tout en satisfaisant aux différentes contraintes qui s’appliquent au véhicule et en utilisant au mieux l’énergie électrique disponible.
[0029] Le fonctionnement du dispositif 5 est maintenant décrit en détail ci-dessus en référence plus particulièrement aux Figs.2 et 3A à 3F.
[0030] Le dispositif 5 détermine la consigne de gain de puissance de chauffe G au moyen d’une loi de commande qui prend en compte différentes variables représentatives de conditions de vie du véhicule. Les différentes variables prises en compte comprennent notamment la température extérieure TE, l’état de charge SOC de la batterie électrique du véhicule, l’efficacité EF du système SCR et l’hygrométrie extérieure Hy.
[0031] Conformément au procédé de l’invention, il est déterminé plusieurs consignes intermédiaires de gain de puissance de chauffe Gte, Gsoc, Gef, et Ghy à partir des variables TE, SOC, EF et Hy, à l’aide de cartographies CATte, CATsoc, CATef and CAThy. Les consignes de gain intermédiaires de puissance de chauffe Gte, Gsoc, Gef, et Ghy ont chacune une valeur qui varie entre 0 et 1. La fonction MIN [Gte, Gsoc, Gef, Ghy], représentée à la Fig.2 par le bloc fonctionnel B1, est utilisée pour déterminer la consigne de gain de puissance de chauffe G comme étant égale à la consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe ayant la plus faible valeur, à savoir, G=MIN [Gte, Gsoc, Gef, Ghy].
[0032] La cartographie CATte est utilisée pour déterminer la consigne de gain intermédiaire Gte en fonction de la température extérieure TE. A titre d’exemple, la courbe de la Fig.3A montre la valeur attribuée à la consigne de gain intermédiaire Gte en fonction de la température extérieure TE. La consigne de gain intermédiaire Gte est ici maximale, Gte=1, pour Te comprise entre -30°C et 40°C, et devient nulle, Ge=0, pour les températures extrêmes TE s 50°C ou TE < -40°C.
[0033] La cartographie CATsoc est utilisée pour déterminer la consigne de gain intermédiaire Gsoc en fonction de l’état de charge SOC, variant entre 0% et 100 %, de la batterie électrique du véhicule. L’état de charge SOC de la batterie doit être géré notamment pour des raisons sécuritaires. Une réserve d’énergie électrique suffisante doit rester disponible dans la batterie pour les organes sécuritaires du véhicule. A titre d’exemple, la courbe de la Fig.3B montre la valeur attribuée à la consigne de gain intermédiaire Gsoc en fonction de l’état de charge SOC. La consigne de gain intermédiaire Gsoc est ici maximale, Gsoc=1, pour SOC > 70%, et devient nulle, Gsoc=0, pour SOC < 50%.
[0034] La cartographie CATef est utilisée pour déterminer la consigne de gain intermédiaire Gef en fonction de l’efficacité EF du système SCR. La température TScr du pain SCR et le vieillissement AG du système SCR sont les entrées fournies à la cartographie CATef.
[0035] Comme le montre l’exemple de courbe de la Fig.3C, l’efficacité EF du système SCR est directement liée à la température TScr de celui-ci. Avec les systèmes SCR actuels, l’efficacité maximale (ici EF = 95%) est obtenue généralement pour une température TScr de l’ordre de 200°C. Cependant, l’efficacité EF du système SCR dépend du vieillissement du système SCR. La cartographie CATef permet de gérer simultanément la température Tscr et le vieillissement AG pour déterminer la consigne de gain intermédiaire Gef. A titre d’exemple, la courbe de la Fig.3D montre, pour un vieillissement donné, la valeur attribuée à la consigne de gain intermédiaire Gef en fonction de la température Tscr. La consigne de gain intermédiaire Gef est ici maximale, Gef=1, pour Tscr 100°C, et devient nulle, (æf=0, pour Tscr S 200°C.
[0036] La cartographie CAThy est utilisée pour déterminer une première consigne de gain intermédiaire Gany en fonction de l’hygrométrie Hy et de la température extérieure TE qui sont fournies en entrée.
[0037] Dans le procédé selon l’invention, la prise en compte de l’hygrométrie permet de gérer la condensation d’eau dans la ligne d’échappement LE. Cette condensation d’eau peut s’avérer gênante voire destructrice pour les sondes NOx par exemple. La modulation de la puissance de la chauffe du système SCR permet une maîtrise de la condensation d’eau dans la ligne d’échappement LE. Un diagramme de Mollier donnant la quantité d’eau présente dans l’air extérieur en fonction de la température extérieure TE et l’hygrométrie Hy est utilisé typiquement pour réaliser la cartographie CAThy. On notera que cette cartographie CAThy sera de préférence plus précise que la cartographie CATte afin de considérer finement les variables TE et Hy dans la plage de température de 10°C à 30°C.
[0038] A titre d’exemple, la courbe de la Fig.3E montre la valeur attribuée à la première consigne de gain intermédiaire Gany en fonction de l’état de la température extérieure TE, pour deux valeurs d’hygrométrie Hy=20% et Hy=80%. Pour Hy=20%, la première consigne de gain intermédiaire Gany est ici maximale, GaHY=1, pour TE s 30°C, et devient nulle,
GaHY=0, pour TE > 45°C. Pour Hy=80%, la première consigne de gain irtermédiaire Gany est ici maximale, GaHY=1, pour TE s 10°C, et devient nulle, GaiY=0, pour TE > 25°C.
[0039] La première consigne de gain intermédiaire Gany fournie par la cartographie CATHy est ensuite corrigée avec un incrément temporel +IC, au moyen du bloc fonctionnel B2, pour obtenir la consigne de gain intermédiaire Ghy = Gany + IC. L’incrément temporel + IC est prévu pour augmenter progressivement la valeur de la consigne de gain intermédiaire Ghy jusqu’à une valeur maximum de 1, de façon à tenir compte de l’évolution de la condensation d’eau avec le temps de fonctionnement du moteur.
[0040] A titre d’exemple, la courbe de la Fig.3F montre l’augmentation progressive, obtenue au moyen de l’incrément temporel +IC, de la valeur de la consigne de gain intermédiaire Ghy, ici en partant des points P20 et P80, àTE=35°C, des courbes de la Fig.3E pour les valeurs d’hygrométrie Hy=20% et Hy=80%, respectivement. La valeur maximale de la consigne de gain intermédiaire Ghy est limitée à 1.
[0041] La limitation à 1 de la valeur maximale de la consigne de gain intermédiaire Ghy est représentée à la Fig.2 par le bloc fonctionnel B3 qui reçoit en entrée la somme Gany + IC et la valeur maximale 1 et délivre en sortie la consigne de gain intermédiaire Ghy.
[0042] Le bloc fonctionnel B4 recevant en entrée la consigne de gain de puissance de chauffe G=MIN [Gte, Gsoc, Gef, Ghy] modélise la fonction réalisée par l’unité d’alimentation électrique 6 qui fournit une puissance électrique de chauffe P = G.Pmx, avec Pmx étant la puissance électrique maximum délivrable par l’unité 6.
[0043] De manière générale, on notera que des variables supplémentaires, non détaillées ici, pourront être prises en compte par le dispositif 5 afin de déterminer la consigne de gain de puissance de chauffe G. De plus, on notera que des calibrations d’inhibition pourront être ajoutées aux variables, de façon à bénéficier de davantage de flexibilité dans la loi de commande déterminant la consigne de gain de puissance de chauffe G.
[0044] L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation particuliers qui ont été décrits ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées.
Claims (10)
1. Procédé de gestion de chauffe dans un système de réduction catalytique sélective (3), dit SCR, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique, comprenant la détermination d’une consigne de gain de puissance de chauffe (G) à partir d’une pluralité de variables, ladite pluralité de variables comprenant :
la température (TE) de l’air extérieur, l’état de charge (SOC) d’une batterie électrique du véhicule, l’efficacité (EF) du système SCR, et l’hygrométrie (Hy) de l’air extérieur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite consigne de gain de puissance de chauffe (G) est déterminé par l’égalité :
G = MIN [Gte, Gsoc, Gef, Ghy], dans laquelle G est ladite consigne de gain de puissance de chauffe et Gte, Gsoc, Gef, Ghy sont des consignes de gain intermédiaires de puissance de chauffe déterminées avec des cartographies (CATte, CATsoc, CATef, CAThy) à partir de ladite pluralité de variables (TE, SOC, EF, Hy).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gte est déterminée à partir d’une première cartographie (CATte) en fonction de ladite température (TE) de l’air extérieur.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gsoc est déterminée à partir d’une deuxième cartographie (CATsoc) en fonction dudit état de charge (SOC).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Gef est déterminée à partir d’une troisième cartographie (CATef) en fonction d’une température (TScr) et d’un vieillissement (AG) du système SCR dont dépend ladite efficacité (EF) de celuici.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Ghy est déterminée à partir d’une quatrième cartographie (CAThy) en fonction de ladite hygrométrie (Hy) et de ladite température (TE) de l’air extérieur.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe Ghy est obtenue en ajoutant un incrément temporel (+IC) à une première valeur (G3hy) de consigne de gain intermédiaire de puissance de chauffe qui est fournie par ladite quatrième cartographie (CAThy).
8. Dispositif de gestion de chauffe dans un système de réduction catalytique sélective, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend une unité électronique de commande (ECU) comportant une mémoire (MEM) dans laquelle sont stockées des instructions de programme pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Système de réduction catalytique sélective, chauffé électriquement et implanté dans un véhicule à moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de gestion de chauffe (5) selon la revendication 8.
10. Véhicule comprenant un système de réduction catalytique sélective selon la revendication 9.
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| CN113513397A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-10-19 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种基于环境变化控制热管理系统的方法及发动机控制器 |
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