IT201800020548A1

IT201800020548A1 - Metodo e dispositivo per riscaldare almeno una porzione di un dispositivo di post trattamento (ats) di gas esausto di un motore a combustione interna

Info

Publication number: IT201800020548A1
Application number: IT102018000020548A
Authority: IT
Inventors: Christian Ziegler
Original assignee: Fpt Motorenforschung Ag
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-20
Also published as: FR3090740A1; DE102019134085A1; ES2772624B2; FR3090740B1; ES2772624A2; ES2772624R1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO E DISPOSITIVO PER RISCALDARE ALMENO UNA PORZIONE DI UN DISPOSITIVO DI POST TRATTAMENTO (ATS) DI GAS ESAUSTO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione è relativa a un metodo e a un dispositivo per riscaldare un ATS (After Treatment System, dispositivo di post trattamento di gas esausto) di un motore a combustione interna, in particolare nel campo dei veicoli industriali.

Descrizione della tecnica anteriore

La gestione termica dell’ATS è una delle grandi sfide per soddisfare i futuri limiti di emissioni. Un riscaldamento rapido e un controllo della temperatura energeticamente efficiente sono importanti.

Nel campo dei motori diesel, il componente di ATS più sensibile alla temperatura è l’SCR (riduzione catalitica selettiva). L’SCR deve essere azionata sopra la cosiddetta temperatura di light-off (temperatura di entrata in funzione) di 250°C. Infatti l’idrolisi dell’agente a base di urea porta alla formazione di cristalli a temperature troppo basse.

Considerazioni simili possono essere proposte per i motori a benzina dotati di un catalizzatore a tre vie (3WC).

L’approccio di gestione termica attuale, specialmente nei motori diesel, consiste nel controllare il flusso d’aria oppure intensificare il consumo di carburante per regolare la temperatura e l’energia del gas esausto. Tipicamente, il flusso d’aria è controllato con strozzamento dell’ingresso e/o dell’uscita, variazione di temporizzazione di valvola e EGR non raffreddato, mentre strategie convenzionali per intensificare il consumo di carburante per aumentare l’energia e la temperatura del gas esausto sono temporizzazioni di iniezione tardive o post iniezioni anche in combinazione con lo strozzamento dello scarico.

Nei motori a benzina, solitamente, si implementano strategie di arricchimento basate sull’intensificazione del consumo di carburante.

Un altro metodo noto per gestire la temperatura dell’ATS è l’implementazione di un riscaldatore elettrico. Tuttavia, l’energia elettrica consumata da detto riscaldatore elettrico è rilevante e, in avviamento a freddo, le batterie del veicolo possono risentire dell’attivazione del riscaldatore elettrico.

Questo il motivo principale per cui, nonostante sia ben noto, il riscaldatore elettrico non è stato implementato diffusamente, preferendo il controllo di flusso di cui sopra o l’intensificazione di consumo di carburante descritti sopra.

Riepilogo dell’invenzione

L’obiettivo principale della presente invenzione è proporre una gestione termica del dispositivo di post trattamento ATS di gas esausto di un motore a combustione interna basata su un riscaldatore elettrico.

Il principio principale dell’invenzione è l’implementazione di una turbina elettrica accoppiata a un riscaldatore elettrico disposto sulla linea di scarico, a monte di un dispositivo di abbattimento di inquinanti sensibile alla temperatura, quale un SCR o 3WC.

Secondo una forma di realizzatore preferita dell’invenzione, il riscaldatore è collegato esclusivamente al generatore azionato dalla turbina, in modo che l’energia elettrica generata sia completamente riutilizzata attraverso il riscaldatore. Preferibilmente non è implementata alcuna batteria di accumulo.

Pertanto, il dispositivo di gestione termica secondo la presente invenzione, almeno durante il riscaldamento dell’ATS è elettricamente isolato.

Pertanto, può definire un kit indipendente, dotato del proprio sensore di temperatura e di un’unità di controllo programmata per controllare la quantità di energia meccanica che dovrebbe essere estratta dal gas esausto prodotto dal motore a combustione interna. Il kit, pertanto, può includere la turbina elettrica di cui sopra e un riscaldatore elettrico direttamente associato a una porzione del corpo della turbina, formando un singolo componente. In questo caso, la turbina elettrica è controllabile facendo funzionare la sua geometria variabile o agendo su una valvola di scarico disposta sul percorso di bypass della turbina stessa. Inoltre, il percorso di bypass può essere realizzato sul corpo stesso della turbina elettrica, in modo da ottenere un singolo dispositivo autonomo.

In alternativa, il dispositivo di riscaldamento può includere svariati componenti, alcuni dei quali già presenti in un veicolo, quali l’unità di controllo di motore e gli svariati sensori solitamente disposti insieme all’ATS. Il motore a combustione interna può essere dotato di un’unità di turbocompressore, la cui turbina è disposta sulla linea di scarico, a monte della turbina elettrica, e l’energia meccanica estratta dalla turbina elettrica può essere regolata in modo complementare all’energia meccanica estratta per sovralimentare il motore mediante il turbocompressore.

Al fine di gestire la quantità di energia meccanica che dovrebbe essere estratta dal gas esausto, la turbina può avere una geometria variabile in modo da variare la sezione di efflusso oppure può avere un bypass con una valvola di scarico disposta per strozzarsi proporzionalmente all’energia meccanica da estrarre mediante la turbina elettrica. In altre parole, più la valvola di scarico si strozza, maggiore sarà il flusso di gas che attraverserà la turbina e più energia meccanica potrà essere estratta.

Usando una turbina elettrificata insieme a un ATS riscaldato elettricamente

- come una flap sullo scarico, si aumenta la contropressione e si sposta il punto di lavoro del motore verso un consumo maggiore di carburante,

- a differenza di una flap sullo scarico, la contropressione non viene dissipata ma sfruttata per generare energia elettrica re-implementata, allo stesso tempo, nel riscaldamento dell’ATS.

Secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, dopo il riscaldamento, la turbina viene bypassata. Invece, secondo un’altra forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la turbina elettrica è almeno parzialmente attraversata dal gas esausto prodotto dal motore a combustione interna e il generatore elettrico viene elettricamente scollegato dal riscaldatore e collegato al bus elettrico di veicolo per contribuire alla generazione di energia elettrica.

Secondo un’altra forma di realizzazione preferita dell’invenzione che può essere combinata con una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, la turbina elettrica è una porzione di un cosiddetto “turbocompressore elettrico”, ovvero un gruppo che include un compressore disposto sulla linea di ingresso del motore a combustione interna, una turbina, disposta sulla linea di scarico dello stesso motore a combustione interna, con la turbina e il compressore che condividono un albero comune, che a sua volta, definisce o è collegato meccanicamente al rotore del generatore elettrico di cui sopra.

Anche in questo caso, durante il riscaldamento, l’energia elettrica estratta dipende dall’energia meccanica residua disponibile al netto dell’energia supplementare richiesta per la compressione di aria fresca in corrispondenza dell’entrata del motore a combustione interna.

Vantaggiosamente, a basso carico il VGT può essere chiuso, di conseguenza l’entalpia di scarico raccolta aumenta, mentre si può evitare l’aumento del flusso di massa d’aria, in corrispondenza dell’entrata, frenando il turbocompressore elettrico per mezzo del suo stesso generatore elettrico.

Anche in questo caso, dopo il riscaldamento, il generatore elettrico viene scollegato elettricamente dal riscaldatore elettrico e collegato a un bus elettrico del veicolo.

Vantaggiosamente, le turbomacchine, incluso il turbocompressore elettrico, sono attualmente implementate per sovraccaricare i motori a combustione interna, pertanto tali componenti sono facilmente disponibili sul mercato.

L’invenzione proposta combina tecnologie note per ottenere un controllo di temperatura dell’ATS efficace basato sul recupero di entalpia di scarto.

Un primo obiettivo della presente invenzione è un metodo per riscaldare almeno una porzione di un ATS di un motore a combustione interna, secondo la rivendicazione 1.

Secondo obiettivo della presente invenzione è un gruppo che include un motore a combustione interna avente una linea di scarico, un dispositivo di post trattamento di gas esausto disposto su detta linea di scarico e mezzi per riscaldare almeno una porzione di detto dispositivo di post trattamento di gas esausto, secondo la rivendicazione 6.

Un ulteriore obiettivo della presente invenzione è un motore a combustione interna che include detto dispositivo.

La presente invenzione può essere applicata sia a motori diesel sia a motori a benzina.

Questi e/o ulteriori obiettivi sono raggiunti per mezzo delle rivendicazioni dipendenti allegate, che descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione, che sono parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione risulterà completamente chiara dalla seguente descrizione dettagliata, data a titolo di puro esempio esemplificativo e non limitativo, da leggere facendo riferimento alle figure dei disegni allegate, in cui:

- la fig. 1 mostra uno schema di una prima forma di realizzazione dell’invenzione;

- la fig. 2 mostra una leggera variazione della forma di realizzazione della figura 1;

- la fig. 3 mostra una variazione della forma di realizzazione della figura 1 o 2 dell’invenzione;

- la fig. 4 mostra un’altra variazione della forma di realizzazione dell’invenzione, basata sullo schema della figura 1, secondo una prima condizione operativa;

- la fig. 5 mostra la forma di realizzazione della figura 4 secondo una seconda condizione operativa;

- la fig. 6 descrive un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione che sfrutta la seconda condizione operativa descritta nella figura 5.

Gli stessi numeri e lettere di riferimento nelle figure indicano parti uguali o funzionalmente equivalenti.

Secondo la presente invenzione, il termine “secondo elemento” non implica la presenza di un “primo elemento”, primo, secondo, ecc. sono usati solamente per migliorare la chiarezza della descrizione e non dovrebbero essere interpretati in modo limitativo.

Descrizione dettagliata delle forme di realizzazione preferite

Forme di realizzazione esemplificative sono ora fornite in modo che questa descrizione sia completa per gli esperti nella tecnica.

Le figure da 1 a 6 descrivono un motore a combustione interna E, preferibilmente un motore diesel.

Il motore E ha una linea di ingresso IP e una linea di uscita OP, in modo che il motore aspiri aria fresca dall’ambiente attraverso la linea di ingresso e rilasci gas esausto nell’ambiente attraverso la linea di uscita (o di scarico) OP.

Lungo la linea di uscita, sono disposti uno o più dispositivi di abbattimento e, solamente per esempio, sono raggruppati in due porzioni ATS1 e ATS2 del dispositivo di post trattamento ATS di gas esausto.

Per esempio, per un motore diesel, ATS1 può includere un DOC (catalizzatore di ossidazione diesel) e un DPF (filtro antiparticolato diesel), mentre ATS2 può includere un SCR (riduzione catalitica selettiva) e un modulo di dosaggio disposto immediatamente a monte dell’SCR per introdurre un agente riducente a base di urea, generalmente chiamato con il suo nome commerciale AdBlue.

A valle dell’ATS2, è possibile che ci siano ulteriori componenti quali un CUC (catalizzatore Clean Up) e una marmitta MF.

Secondo la presente invenzione, una turbina elettrica T, che include una turbina che aziona operativamente un generatore elettrico EM, è disposta sulla linea di uscita in modo da produrre energia elettrica dal contenuto di entalpia del gas esausto.

La turbina ha una geometria variabile, o ha una geometria fissa accoppiata con un tubo di bypass BP adatto per bypassare la turbina T e su detto bypass è disposta una valvola di scarico controllabile WG al fine di regolare la quantità di gas esausto che attraversa la turbina T.

Un riscaldatore elettrico HT è disposto all’interno della linea di uscita, per esempio il riscaldatore è disposto a monte dell’intero ATS o solamente a monte del dispositivo più sensibile alla temperatura dell’ATS.

Secondo la figura 1, la turbina elettrica EMT è disposta a monte dell’ATS, mentre il riscaldatore elettrico HT è disposto tra le porzioni ATS1 e ATS2 dell’ATS.

Secondo la presente invenzione, la contropressione generata dalla turbina T è convertita in energia elettrica implementata per riscaldare il gas esausto. Pertanto, non solo il punto di lavoro del motore cambia, ma il contenuto di energia del gas esausto è intrappolato all’interno dell’ATS attraverso la turbina elettrica e il riscaldatore elettrico.

Preferibilmente, un collegamento elettrico diretto intercollega il generatore elettrico EM, realizzando un gruppo elettricamente isolato.

Secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la turbina elettrica e il riscaldatore sono realizzati in un singolo componente. La turbina stessa definisce una porzione della linea di uscita, pertanto, il riscaldatore può essere disposto subito a valle della chiocciola di turbina.

La turbina elettrica può includere anche un’unità di controllo CU e un sensore di temperatura (non descritto) al fine di regolare l’energia meccanica estratta dalla turbina T in base alla temperatura di gas esausto.

Occorre comprendere che l’unità di controllo può essere dotata di una porta di bus CAN al fine di essere collegata a una rete di dati di veicolo e acquisire la temperatura di gas esausto e la velocità di motore impiegata sulla rete di dati.

Secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, durante il riscaldamento dell’ATS, l’unità di controllo CU può controllare la turbina, e pertanto la contropressione da applicare al motore a combustione interna, anche in base ad altri parametri quali la velocità di motore.

Secondo la figura 3, il motore a un turbocompressore “normale” TCU, quale una turbina T1 che aziona un compressore C1, in cui la turbina è disposta sulla linea di uscita a monte dell’ATS e il compressore C1 è disposto sulla linea di ingresso del motore al fine di sovralimentare il motore a combustione interna.

Ora, l’unità di controllo CU che controlla la turbina elettrica può essere programmata per produrre una contropressione, che contribuisce alla contropressione prodotta dal turbocompressore TCU.

In altre parole, la turbina elettrica integra contropressione nel turbocompressore al fine di mantenere tale contropressione sopra un intervallo predeterminato, fintantoché la procedura di riscaldamento è in corso.

Inoltre, il parametro di sovralimentazione può essere estratto dalla rete di dati di veicolo, come descritto sopra.

Secondo un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, l’unità di controllo è completamente integrata nell’unità di controllo ECU (unità di controllo di motore) disposta per supervisionare almeno il motore a combustione interna. In questo caso, l’unità di controllo è già collegata alla rete di dati di veicolo, pertanto gestisce il livello di sovralimentazione, l’iniezione di carburante nei cilindri del motore a combustione interna e pertanto può facilmente regolare la contropressione di turbina elettrica.

Anche in questo caso, preferibilmente, il generatore elettrico EM e il riscaldatore elettrico HT definiscono un circuito isolato rispetto al bus elettrico di veicolo. Con “bus elettrico di veicolo” si intende una rete di alimentazione elettrica che non ha niente a che fare con la rete di dati su cui transitano i messaggi di controllo e di stato.

Le figure 4 e 5 descrivono un’altra forma di realizzazione dell’invenzione in cui è implementato un turbocompressore elettrico E-TCU.

Tale turbina elettrica di cui sopra è una porzione dell’E-TCU.

L’E-TCU è un gruppo che include un compressore C disposto sulla linea di ingresso del motore a combustione interna, la turbina T, disposta sulla linea di scarico dello stesso motore a combustione interna, con la turbina e il compressore che condividono un albero comune SH, che, a sua volta, definisce o è meccanicamente collegato al rotore del generatore elettrico EM di cui sopra.

Qui, la coppia negativa del generatore, come sopra, è controllata, almeno durante il riscaldamento, al fine di integrare l’energia meccanica necessaria al compressore C per ottenere una sovralimentazione predeterminata per il motore a combustione interna. In questo modo, un valore di contropressione predeterminato viene ottenuto e mantenuto.

In altre parole, questa strategia, come sopra, permette di non superare un valore di contropressione predeterminato.

Anche se durante il riscaldamento è preferibile non implementare alcun accumulo in batteria per alimentare il riscaldatore elettrico, dopo il riscaldamento, il generatore elettrico può essere sfruttato per caricare una batteria, quale un pacco batterie al litio o un supercondensatore, collegato alla rete elettrica di veicolo.

Sono esposti numerosi dettagli specifici quali esempi di componenti specifici, dispositivi e metodi per fornire una comprensione completa delle forme di realizzazione della presente descrizione. Sarà evidente agli esperti nella tecnica che i dettagli specifici non devono essere impiegati, che forme di realizzazione esemplificative possono essere realizzate in molte forme diverse e che nessuno di essi dovrebbe essere interpretato come limitazione dell’ambito di protezione della descrizione. In alcune forme di realizzazione esemplificative, sono descritti processi ben noti e strutture di dispositivo ben note.

La presente invenzione può essere implementata vantaggiosamente in un programma per computer comprendente mezzi di codice di programma per eseguire una o più fasi di tale metodo, quando tale programma viene eseguito su un computer. Per tale motivo, il brevetto coprirà inoltre tale programma per computer e il supporto leggibile da computer che comprende un messaggio registrato, tale supporto leggibile da computer comprendendo i mezzi di codice di programma per eseguire una o più fasi di tale metodo, quando tale programma viene eseguito su un computer.

Molti cambiamenti, modifiche, variazioni e altri usi e applicazioni dell’invenzione in oggetto risulteranno evidenti agli esperti nella tecnica dopo aver considerato la descrizione e i disegni allegati che descrivono forme di realizzazione preferite della stessa come descritte nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche descritte nello stato della tecnica anteriore sono introdotte solo al fine di comprendere meglio l’invenzione e non come una dichiarazione riguardo l’esistenza di tecnica anteriore nota. Inoltre, dette caratteristiche definiscono il contesto della presente invenzione, pertanto tali caratteristiche saranno considerate in comune con la descrizione dettagliata.

Non saranno descritti ulteriori dettagli di implementazione in quanto l’esperto nella tecnica è in grado di eseguire l’invenzione a partire dall’insegnamento della descrizione di cui sopra.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per riscaldare almeno una porzione (ATS2) di un dispositivo di post trattamento (ATS) di gas esausto disposto su una linea di scarico (OP) di un motore a combustione interna (E) per trattare inquinanti contenuti in un gas esausto prodotto da esso, il metodo comprendendo la fase preliminare di disporre una turbina elettrica (EMT) su detta linea di scarico (OP) e un riscaldatore elettrico (HT) su detta linea di scarico (OP) a monte di detta almeno una porzione (ATS2), il metodo comprendendo la procedura di alimentare il riscaldatore elettrico (HT) con un’energia elettrica generata da detta turbina elettrica in modo da aumentare la temperatura di detta almeno una porzione (ATS2).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta turbina elettrica (EMT) include una turbina (T) e un generatore elettrico (EM) e in cui il riscaldatore è esclusivamente collegato al generatore azionato da detto generatore elettrico, preferibilmente senza includere alcun mezzo di accumulo elettrico.
3. Kit per riscaldare almeno una porzione (ATS2) di un dispositivo di post trattamento (ATS) di gas esausto disposto su una linea di scarico (OP) di un motore a combustione interna (E) per trattare inquinanti contenuti in un gas esausto prodotto da esso, il kit includendo una turbina elettrica (EMT) adatta ad essere disposta su detta linea di scarico (OP) e in cui in una porzione del corpo di turbina è disposto un riscaldatore elettrico (HT) e in cui la turbina elettrica è disposta per alimentare il riscaldatore elettrico (HT) in modo da aumentare una temperatura di detta almeno una porzione (ATS2).
4. Kit secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre un’unità di controllo (CU) collegata operativamente a un sensore di temperatura, disposto operativamente in giustapposizione al corpo di turbina per misurare un gas esausto che scorre al suo interno, in cui l’unità di controllo è configurata per regolare il funzionamento di detta turbina elettrica secondo una temperatura misurata da detto sensore di temperatura.
5. Kit secondo la rivendicazione 4, in cui detta turbina è dotata di una geometria variabile e detta operazione di regolazione agisce su detta geometria variabile o in cui detta turbina ha una geometria fissa e include un percorso di bypass su cui è disposta una valvola di scarico (WG) e in cui detta operazione di regolazione agisce su detta valvola di scarico.
6. Gruppo che include un motore a combustione interna (E) avente una linea di scarico (OP), un dispositivo di post trattamento (ATS) di gas esausto disposto su detta linea di scarico (OP) di un motore a combustione interna (E) per trattare inquinanti contenuti in un gas esausto prodotto da esso, il gruppo includendo inoltre mezzi per riscaldare almeno una porzione (ATS2) di detto dispositivo di post trattamento (ATS) di gas esausto, in cui detti mezzi includono una turbina elettrica (EMT) disposta su detta linea di scarico (OP) e un riscaldatore elettrico (HT) disposto su detta linea di scarico (OP) a monte di detta almeno una porzione (ATS2), in cui il riscaldatore elettrico (HT) è alimentato con energia elettrica generata da detta turbina elettrica in modo da aumentare una temperatura di detta almeno una porzione (ATS2).
7. Gruppo secondo la rivendicazione 6, in cui detta turbina elettrica è disposta a monte o a valle di detta almeno una porzione del dispositivo di post trattamento (ATS) di gas esausto.
8. Gruppo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui detta turbina elettrica (EMT) è inclusa in un turbocompressore elettrico (E-TCU), che include un compressore (C) disposto su una linea di ingresso (IP) del motore a combustione interna (E), detta turbina (T), disposta sulla linea di scarico (OP) dello stesso motore a combustione interna, con la turbina e il compressore che condividono un albero comune (SH), che a sua volta, definisce o è collegato meccanicamente a un rotore di un generatore elettrico (EM), in cui, durante il riscaldamento, detto generatore è controllato per integrare un’energia meccanica consumata dal compressore (C) per sovralimentare il motore a combustione interna, in modo da ottenere un valore di contropressione predeterminato.
9. Gruppo secondo la rivendicazione 6 o 7, comprendente inoltre un turbocompressore (TCU) che include un compressore (C1) disposto su una linea di ingresso (IP) del motore a combustione interna, una seconda turbina (T1), disposta sulla linea di scarico (OP) dello stesso motore a combustione interna, con la seconda turbina e il compressore che condividono un albero comune (SH), in cui detta turbina elettrica (T) include una prima turbina che aziona un generatore elettrico (EM), durante il riscaldamento, detta turbina elettrica è controllata per integrare una contropressione generata dalla seconda turbina (T2) di detto turbocompressore (TCU) per sovralimentare il motore a combustione interna.
10. Gruppo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 6 a 9 in cui, dopo il riscaldamento, il generatore elettrico (EM) è scollegato elettricamente dal riscaldatore elettrico e collegato a un bus elettrico di veicolo.
11. Gruppo secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre un motore elettrico (EMU) collegato direttamente o indirettamente a un albero a manovella di motore a combustione interna (CK), in cui detto motore elettrico (EMU) è disposto per integrare detto albero a manovella di motore a combustione interna (CK), e in cui detto bus elettrico di veicolo include mezzi di accumulo di energia (BAT) adatti per alimentare detto motore elettrico (EMU).