FR3107084A1 - Système EGR avec préchauffage de dispositif de dépollution - Google Patents

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Abstract

Dispositif de chauffage (10) d’un élément de dépollution (17) de gaz brulés d’un moteur thermique d’un véhicule automobile comprenant une ligne de gaz d’échappement (20) traversant l’élément de dépollution, Caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend une boucle fermée (10b) de chauffage d’air traversant l’élément de dépollution (17). Figure pour l’abrégé : Figure 1.

Description

Système EGR avec préchauffage de dispositif de dépollution
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un moteur à combustion interne équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de chauffage du système de dépollution du moteur à combustion interne associé avec un moteur électrique.
Etat de la technique
Afin de réduire les émissions de polluants dans l’atmosphère, un véhicule automobile comporte une motorisation hybride. Ledit véhicule comporte ainsi un moteur à combustion interne ou thermique associé avec un moteur électrique avec une batterie.
De manière connue, le moteur électrique est généralement employé dans une phase de roulage qui suit le démarrage du véhicule. Le moteur thermique est sollicité ensuite en fonction de la charge de la batterie du moteur électrique.
Le moteur thermique est équipe d’un système de dépollution. Pour tous les types de véhicule automobile avec un moteur à combustion interne, le système de dépollution varie selon la motorisation mais, dans tous les cas, le système de dépollution comprend au moins un élément de dépollution.
Pour les véhicules à essence ou à allumage commandé, une dépollution est fréquemment réalisée par un catalyseur, dit trois voies. Il peut être aussi muni d'un filtreà particules spécifiquement adapté au carburant essence, ce catalyseur étant connu sous l'acronyme anglo-saxon de GPF (pour Gas Particle Filter en anglais et) filtre à particules essence en français.
Ces catalyseurs nécessitent d'être au moins à une certaine température seuil dite température minimale de fonctionnement du catalyseur pour être efficaces. En effet, lors d'un fonctionnement déficient du ou des catalyseurs, une grande partie des émissions d'un polluant spécifique hors d'un véhicule automobile a lieu avant que le catalyseur dédié à la dépollution du polluant spécifique atteigne la température minimale de fonctionnement.
Le seuil de température varie de fait selon le type de catalyseur. La montée en température du système de dépollution peut être entrainée par les gaz d'échappement ou par un équipement extérieur, par exemple un chauffage électrique d'appoint. Ainsi, les lignes d'échappement utilisent aujourd'hui soit des catalyseurs chauffés ou non chauffés électriquement.
Actuellement, on connait une stratégie de chauffe d'un élément de dépollution comprenant un catalyseur basé sur une durée fixe de chauffe. A la fin de cette durée de chauffe, le catalyseur a atteint sa température minimale de fonctionnement, selon des tests de validation par exemple.
Un inconvénient est la consommation électrique des systèmes électriques de chauffe des catalyseurs, ce qui peut influer sur la charge de la batterie et réduire sensiblement l’autonomie en conduite électrique.
La publication FR FR2981983-A1 propose une recirculation des gaz brulés piqués en aval de l’élément de dépollution pour être ramenés en amont dudit élément de dépollution pour améliorer la montée en température des gaz en amont de l’élément de dépollution.
Cette proposition permet d’accélérer la montée en température des gaz brulés en amont de l’élément de dépollution mais présente une efficacité réduite lors des phases de démarrage du moteur car la température des gaz n’est pas suffisamment forte, la pollution reste sensiblement importante lors des phases de démarrage du moteur.
Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un dispositif de chauffage d’un élément de dépollution avant le démarrage du moteur thermique, économe en consommation d’énergie électrique, avec son procédé de fonctionnement.
Présentation de l’invention
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de chauffage d’un élément de dépollution de gaz brulés d’un moteur thermique d’un véhicule automobile à motorisation hybride, ledit moteur thermique étant associé à un moteur électrique et comprenant une ligne de gaz d’échappement traversant au-moins un élément de dépollution et comportant un conduit d’amenée d’air chauffé,
Caractérisé en ce que le dispositif comprend une boucle fermée de chauffage d’air traversant l’élément de dépollution
De manière avantageuse, le dispositif comprend une boucle fermée de chauffage et de circulation d’air qui traverse l’élément de dépollution, ladite boucle présentant un volume alors réduit qui peut rapidement monter en température.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention:
-la boucle fermée comprend un élément de chauffage indépendant du fonctionnement du moteur.
De manière avantageuse, l’élément de chauffage de la boucle fermée de chauffage d’air est indépendant du fonctionnement du moteur et peut de ce fait être activé quand le moteur est arrêté.
-L’élément de chauffage est de type électrique notamment une grille de chauffage électrique.
De manière avantageuse, l’élément de chauffage est de type électrique générant une faible perte de charge. Une grille de chauffage électrique est un moyen adéquat de chauffage d’air pour améliorer la montée en température sans générer de sensibles pertes de charge.
-la boucle de chauffage d’air comprend un conduit connecté à la ligne d’échappement en aval et en amont de l’élément de dépollution.
De manière avantageuse, la boucle de chauffage est de longueur courte et comprend un conduit avec une extrémité amont et une extrémité aval toutes deux connectées à la ligne d’échappement respectivement en aval et en amont de l’élément de dépollution.
-La boucle de chauffage d’air comprend un élément de brassage d’air à faible débit.
De manière avantageuse, la boucle de chauffage d’air comprend un élément de brassage d’air pour aider à la circulation d’air qui est chauffé par l’élément de chauffage. Le débit de brassage est faible et permet une homogénéisation du chauffage de l’air et de sa montée en température.
-La boucle de chauffage comprend une vanne de contrôle de circulation d’air agencée en amont selon le sens de circulation d’air de l’élément de chauffage.
De manière avantageuse, la boucle de chauffage comprend une vanne de contrôle de circulation d’air apte à autoriser/bloquer la circulation d’air dans ladite boucle de chauffage vers l’élément de dépollution. Ainsi la circulation d’air chaud pour améliorer la montée en température de l’élément de dépollution peut être facilement pilotée notamment grâce à des sondes de température en mont ou aval de l’élément de dépollution.
-la boucle de chauffage est partie d’un circuit de recirculation des gaz brulés.
De manière avantageuse, le moteur thermique comporte un circuit de recirculation de gaz brulés basse pression dite circuit EGR qui présente une partie commune avec la boucle de chauffage, notamment en amont d’une vanne EGR apte à contrôler le retour des gaz brulé EGR vers l’admission du moteur. La vanne EGr et la vanne de contrôle de la boucle de chauffage permettent une distribution de l’air soit vers l’élément de dépollution notamment après passage par l’élément de chauffage de cet air, soit vers l’admission du moteur. Les deux vannes agissent pour n’offrir au plus qu’un seul des deux passages à la fois.
L’invention concerne également un circuit de recirculation des gaz brulés basse pression comprenant une boucle de chauffage d’un élément de dépollution.
L’invention concerne également un procédé de gestion du chauffage d’air en vue de la montée en température d’un élément de dépollution qui comporte:
-une étape de vérification des conditions de nécessité de chauffage de l’élément de dépollution
-une étape de chauffage de l’air en boucle fermée entrainant la montée en température de l’élément de dépollution.
-une étape d’arrêt du chauffage de l’élément de dépollution avec autorisation du démarrage du moteur thermique.
De manière avantageuse, le dispositif de chauffage fonctionne selon un procédé de gestion dudit chauffage, procédé qui comprend les étapes successives suivantes:
-une première étape de vérification des conditions de nécessité de chauffage, par exemple avec une estimation de la température de l’élément de dépollution,
-une seconde étape de chauffage de l’élément de dépollution avec passage de l’air dans la boucle fermée de chauffage. Ladite étape de chauffage peut se dérouler sur un intervalle de temps avant une nouvelle vérification des conditions de nécessité de chauffage. Cette étape comprend l’ouverture de la vanne de contrôle de passage, le fonctionnement de l’élément de chauffage, le fonctionnement de l’élément de brassage d’air et éventuellement la fermeture de la vanne EGR.
-une étape d’arrêt du chauffage de l’élément de dépollution avec:
*la fermeture de la vanne de contrôle,
*l’arrêt du fonctionnement de l’élément de chauffage,
*l’émission d’un signal d’autorisation du démarrage du moteur thermique.
*l’émission d’un signal d’autorisation de l’ouverture possible de la vanne EGR suivant la gestion de l’admission du moteur thermique.
Selon d’autres caractéristiques du procédé:
-le brassage d’air peut être commandé par l’ouverture de la vanne EGR.
De manière avantageuse, le brassage d’air ou de gaz brulés peut être enclenché lors du fonctionnement du moteur thermique notamment avec l’ouverture de la vanne EGR pour améliorer la recirculation des gaz EGR basse pression vers l’admission du moteur thermique.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
est une vue schématique d’un dispositif de chauffage d’un élément de dépollution de moteur thermique.
est une vue schématique d’un procédé de gestion du dispositif de chauffage de l’élément de dépollution de moteur thermique.
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions «amont» et «aval» qui sont déterminées par le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement du dispositif de dépollution et du circuit de recirculation des gaz brulés recirculés ou EGR acronyme pour «Exhaust Gaz Recirculation» en anglais, en référence aux flèches de la figure 1.
L’invention concerne un véhicule automobile avec une motorisation hybride comprenant un moteur électrique et un moteur thermique.
Afin d’améliorer les performances du moteur thermique ou à combustion interne, le moteur thermique (non représenté) comprend un étage de compresseur 22 d’air d’admission qui peut être associé avec un étage de turbine 23 apte à récupérer au moins en partie l’énergie dynamique des gaz brulés en sortie de la chambre à combustion du moteur. Les deux étages forment un turbocompresseur 21 comme représenté en figure 1.
Afin de diminuer la génération des polluants, le moteur thermique comporte un circuit de recirculation 20r des gaz brulés. Selon l’invention, les gaz brulés dans le mode de réalisation représenté sont des gaz brulés basse pression c’est-à-dire que lesdits gaz brulés sont prélevés dans la ligne d’échappement en aval d’un élément de dépollution tel qu’un catalyseur 17 dit de réduction catalytique sélective, aussi connu sous le sigle SCR pour "Selective Catalytic Reduction" en terminologie anglaise, qui est conçu pour éliminer les oxydes d'azotes, ou un filtre à particules pour éliminer les particules de suie, ou un catalyseur d'oxydation aussi connu sous le sigle DOC pour "Diesel Oxydation Catalyst" en terminologie anglaise, pour éliminer le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés. Les gaz brulés sont ensuite renvoyés vers l’admission du moteur pour être mélangés avec de l’air frais capté depuis la face avant du véhicule.
De manière connue, les éléments de dépollution 17 nécessitent d’être portés à un niveau de température minimale pour être pleinement efficace et remplir sa fonction de dépollution des gaz brulés. Il est connu d’injecter du carburant pour augmenter la température des gaz à l’entrée dans l’élément de dépollution, le moteur thermique étant démarré.
Ici, les gaz brulés sont renvoyés en amont 27 de l’étage de compression 22.
Au démarrage du véhicule, de façon connue, le moteur électrique (non représenté) est sollicité pour parcourir quelques kilomètres voire quelques dizaines de kilomètres selon la puissance de la batterie électrique associée au moteur électrique.
L’invention a pour but de profiter lors du parcours du véhicule, de la sollicitation du moteur électrique pour préparer le moteur thermique à prendre éventuellement la relève et notamment de préparer l’élément de dépollution 17 dans les conditions optimales de température de fonctionnement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moteur thermique comporte un dispositif de chauffage 10 de l’élément de dépollution, qui est apte à fonctionner lors de la phase de sollicitation du moteur électrique avec le moteur thermique à l’arrêt ou sans combustion.
Ledit dispositif de chauffage d’air comporte une boucle fermée 10b comportant un conduit de circulation d’air 11a,11b ou de gaz connecté à une extrémité amont à l’extrémité aval 17b ou de sortie de l’élément de dépollution 17, et à l’extrémité aval opposée à l’extrémité amont 17a ou entrée de l’élément de dépollution.
Selon la figure 1, le conduit de circulation débouche à son extrémité amont dans un conduit d’échappement 20 de la ligne d’échappement du moteur en amont par exemple d’un pot catalytique 30. Ledit pot catalytique 30 forme un obstacle pouvant générer de fortes pertes de charge, à la circulation d’air. L’air chauffé circule de préférence alors dans le conduit de circulation 11a.
De même, le conduit de circulation 11b débouche à son extrémité aval dans le conduit d’échappement 20 en aval de l’étage de turbine 23 du turbocompresseur 21, qui forme un obstacle pouvant générer de fortes pertes de charge et à la circulation de l’air qui est alors dirigé vers l’élément de dépollution 17.
De ce fait, on obtient facilement une boucle fermée 10b de circulation d’air de longueur courte qui passe par l’élément de dépollution 17 et relie la sortie 17b à l’entrée 17a dudit élément de dépollution.
De manière préférentielle, une première sonde 16’ de température est disposée au niveau de l’entrée 17a dans l’élément de dépollution et une seconde sonde 16’’ de température est disposée en aval ou à la sortie 17b dudit élément. Les deux sondes sont aptes à mesurer la température de l’air ou des gaz à l’entrée et à la sortie de l’élément de dépollution pour estimer une température dudit élément 17.
Il est à noter que l’invention n’est pas réduite à une estimation de la température de l’élément de dépollution telle que décrite ci-dessus avec deux sondes de températures 16’,16’’. On peut aussi par exemple insérer une sonde de température dédiée à l’intérieur de l’élément de dépollution 17.
Le dispositif de chauffage 10 selon un mode de réalisation de l’invention comprend la boucle fermée 10b de longueur courte pour faire circuler de l’air entre la sortie 17b et l’entrée 17a de l’élément de dépollution 17, et un élément de chauffage de l’air circulé 15.
L’air circule dans la boucle grâce à un élément de brassage d’air 12 à faible débit qui peut être un ventilateur. Le faible débit de l’ordre de 6 litres/seconde permet de faciliter la montée en température de l’air circulé et d’homogénéiser la température de l’air chauffé.
Le dispositif de chauffage 10 comprend un élément de chauffage 15 indépendant du fonctionnement du moteur thermique. Ledit élément de chauffage 15 est de manière préférentielle de type électrique par exemple une grille de chauffage électrique. L’avantage de ce type d’élément de chauffage est d’une part une facilité d’agencement dans le conduit de circulation 11b, et d’autre part d’entrainer une faible perte de charge au passage d’air.
Le dispositif 10 de chauffage d’air comprend une vanne de contrôle 14 de la circulation d’air dans le conduit de circulation 11a,11b. Ladite vanne 14 est apte à obturer le conduit 11a,11b ou à autoriser le passage d’air dans la boucle fermée 10b. Ladite vanne 14 est agencée de manière préférentielle en amont de l’élément de chauffage 15 notamment quand la boucle fermée est partie d’un circuit de recirculation 20r de gaz brulés EGR basse pression.
Selon un mode de réalisation, le circuit de recirculation 20r des gaz brulés EGR basse pression comprend le dispositif 10 de chauffage de l’élément de dépollution avec la boucle fermée 10b .
Le circuit de recirculation 20r des gaz brulés EGR basse pression est ici connecté à la ligne d’échappement 20 en aval de l’élément de dépollution 17. Il comprend un conduit de passage 20p des gaz qui débouche dans le conduit de la ligne d’échappement 20 en aval de l’élément de dépollution. Le conduit de passage 20p traverse ensuite un échangeur de chaleur 25 de type air/eau dans lequel l’air ou les gaz brulés échangent une quantité de chaleur avec de l’eau de refroidissement. Le conduit de passage est contrôlé pour son ouverture/obturation par une vanne dite vanne EGR 24 et il est prolongé par un conduit d’amenée 20a des gaz recirculés jusqu’à l’admission du moteur 27, ici jusqu’à l’étage de compression 22 des gaz.
De manière avantageuse, le conduit de passage 20p des gaz depuis son débouché dans le conduit de la ligne d’échappement 20 en aval de l’élément de dépollution 17 jusqu’à la vanne EGR 24 est commun avec le conduit de circulation 11a de chauffage d’air.
De manière préférentielle, le conduit de passage 20p comprend un filtre à impuretés 13 agencé à proximité de son débouché dans le conduit d’échappement 20.
De manière préférentielle, le conduit de passage 20p traverse un échangeur de chaleur 25 de type air/eau destiné à refroidir les gaz brulés EGR. Ainsi en phase de chauffage de l’élément de dépollution 17, l’air chaud peut également céder de la chaleur à l’eau dans l’échangeur du circuit de refroidissement du moteur et permettre la montée en température dudit liquide entrainant également la montée en température des éléments du moteur, favorisant les conditions de démarrage du moteur.
Le conduit de passage des gaz comprend donc à l’extrémité aval 20y un raccord en Y avec deux branches: une première branche 11b dite de chauffage, connectée à la ligne d’échappement 20 en amont 17a de l’élément de dépollution et dont l’ouverture/obturation est contrôlée par la vanne de contrôle 14, et une seconde branche 20a connectée à une ligne d’admission d’air et dont l’ouverture/obturation est contrôlée par la vanne EGR 24. L’ouverture de l’une des deux vannes 14,24 ne peut être effectuée que lorsque l’autre vanne est en position de fermeture.
Ainsi la vanne de contrôle 14 et la vanne EGR 24 sont aptes à définir le rôle du conduit de passage 11a,20p qui alterne entre conduit 11a de chauffage d’air et conduit de recirculation 20p des gaz brulés EGR.
Le fonctionnement du dispositif de chauffage est décrit ci-après avec une intégration dans le circuit de recirculation des gaz brulés EGR.
Ledit fonctionnement suit un procédé 100 comprend les étapes successives suivantes:
-une première étape de vérification 110 des conditions de nécessité de chauffage. Lesdites conditions comprennent:
*une validation de l’arrêt du moteur thermique 111,
*une validation du démarrage et/ou fonctionnement du moteur électrique 112,
*une estimation de température 113 de l’élément de dépollution inférieure à un seuil minimal de température qui peut être de l’ordre de 400°C.
Les trois conditions doivent être remplies pour valider le démarrage du chauffage de l’élément de dépollution.
-une deuxième étape de chauffage 120 qui comprend les actions suivantes:
*fermeture/obturation 121 de la vanne EGR 24,
*ouverture 122 de la vanne de contrôle 14 de passage d’air,
*allumage 123 de l’élément de chauffage 15 d’air,
*démarrage 124 du brassage d’air.
-une étape de validation de la fin du chauffage 130
L’étape de chauffage 120 prend fin par exempleà:
*l’atteinte 131 du seuil minimal de température par l’élément de dépollution, ou par
*le démarrage 132 du moteur thermique.
L’une ou l’autre des conditions peut mettre fin à l’étape de chauffage 120.
-une troisième étape 140 d’arrêt du chauffage qui comprend les actions suivantes:
*arrêt du chauffage 141 de l’élément de chauffage 15,
*fermeture ou obturation 142 de la branche de chauffage 11b par la vanne de contrôle 14,
*autorisation 143 de l’ouverture de la vanne EGR.
L’ouverture/fermeture de la vanne EGR peut être définie dans un procédé 110 propre à la recirculation des gaz brulés recirculés EGR ou de gestion du circuit de recirculation de gaz brulés EGR comprenant le dispositif 10 de chauffage d’air, notamment avec le moteur thermique en fonctionnement.
Le fonctionnement de l’élément de brassage d’air peut également être commandé par le procédé 110 propre à la recirculation des gaz brulés recirculés EGR notamment avec le moteur thermique en fonctionnement pour améliorer la recirculation des gaz brulés EGR. En effet, l’élément de brassage peut améliorer la recirculation des gaz recirculés vers l’admission du moteur. L’ouverture de la vanne EGR entraine de manière préférentielle le brassage des gaz par l’élément de brassage.
L’objectif est atteint:
Le dispositif de chauffage de l’élément de dépollution permet une montée en température assez rapide de l’élément de dépollution avec une consommation d’énergie électrique contenue et permet un démarrage du moteur thermique dans de meilleures conditions de température.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes.
Selon un autre mode de réalisation, le raccord en Y à l’extrémité aval du conduit de passage des gaz peut être piloté par une vanne multi-voies.
Le dispositif de chauffage de l’élément de dépollution peut aussi être disposé sur un véhicule à motorisation thermique seul ou non hybride. Dans ce cadre, le démarrage dudit moteur thermique comporte une phase de chauffage préalable pour amener l’élément de dépollution à la température optimale de fonctionnement. L’allumage du moteur thermique sera ensuite possible. Le temps de chauffe dépendra de la puissance électrique disponible. Dans des conditions extrêmes de température, le temps de chauffage peut être de l’ordre de quelques dizaines de secondes sous -20°C de température ambiante.

Claims (10)

  1. Dispositif de chauffage (10) d’un élément de dépollution (17) de gaz brulés d’un moteur thermique d’un véhicule automobile comprenant une ligne de gaz d’échappement (20) traversant l’élément de dépollution,
    caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend une boucle fermée (10b) de chauffage d’air traversant l’élément de dépollution (17).
  2. Dispositif de chauffage (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle fermée (10b) comprend un élément de chauffage (15) indépendant du fonctionnement du moteur.
  3. Dispositif de chauffage (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que L’élément de chauffage (15) est de type électrique notamment une grille de chauffage électrique.
  4. Dispositif de chauffage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la boucle fermée (10b) de chauffage d’air comprend un conduit connecté (11a,11b) à la ligne d’échappement (20) en aval (17b) et en amont (17a) de l’élément de dépollution (17).
  5. Dispositif de chauffage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la boucle fermée (10b) de chauffage d’air comprend un élément de brassage d’air (12) à faible débit.
  6. Dispositif de chauffage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la boucle fermée (10b) de chauffage comprend une vanne (14) de contrôle de circulation d’air agencée en amont selon le sens de circulation d’air de l’élément de chauffage (15).
  7. Dispositif de chauffage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la boucle fermée (10b) de chauffage est partie d’un circuit de recirculation (20r) des gaz brulés.
  8. Circuit de recirculation (20r) des gaz brulés basse pression comprenant un dispositif de chauffage (10) d’un élément de dépollution (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. Procédé (100) de gestion d’un dispositif de chauffage de chauffage d’un élément de dépollution d’un moteur thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 comportant:
    -une étape de vérification des conditions de nécessité de chauffage de l’élément de dépollution
    -une étape de chauffage de l’air en boucle fermée entrainant la montée en température de l’élément de dépollution avec un brassage de l’air.
    -une étape d’arrêt du chauffage de l’élément de dépollution avec autorisation du démarrage du moteur thermique.
  10. Procédé de gestion (110) de circuit de recirculation (20r) des gaz brulés d’une ligne d’échappement de moteur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’ouverture d’une vanne EGR est accompagné par un brassage des gaz brulés du circuit de recirculation des gaz brulés.
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