Titre : Procédé de chauffage d’un réservoir

Domaine technique

[0001] L’invention concerne un procédé de chauffage d’un réservoir, notamment d’un réservoir embarqué dans un véhicule et plus particulièrement un véhicule automobile (voiture, camion, ... ).

[0002] Pour répondre aux normes en matière de dépollution, certains véhicules embarquent un réservoir de liquide additionnel, autre que du carburant. Il peut s’agir d’eau ou bien d’une solution à base d’urée. Ces liquides peuvent geler en hiver et il convient donc de les réchauffer pour pouvoir s’en servir.

Technique antérieure

[0003] Il est connu de munir un réservoir risquant de geler de moyens de chauffage se présentant le plus souvent sous la forme de résistances électriques. Dans l’exemple donné dans le domaine automobile d’un réservoir destiné à contenir une solution aqueuse avec de l’urée (ou bien de l’eau), le plus souvent la paroi inférieure du réservoir comporte un logement formant un bossage vers l’intérieur du réservoir et ce logement reçoit, à l’intérieur du bossage (c’est-à-dire à l’extérieur du réservoir), d'une part, une pompe pour gérer la délivrance de la solution vers par exemple un système de réduction catalytique sélective (plus connu sous le sigle anglais SCR) et, d'autre part, des résistances électriques pour chauffer la paroi inférieure du réservoir au niveau du logement et ainsi dégeler le liquide.

[0004] Par ailleurs, il est connu d’utiliser des éléments chauffants de type PTC (sigle anglais Positive Température Coefficient soit en français coefficient de température positif) avec lesquels la résistance des éléments augmente avec la température. Puisque la résistance augmente, l’intensité traversant l’élément diminue et on obtient ainsi une autorégulation de la température de cet élément chauffant.

[0005] Il est en outre connu de réguler la température d’un élément chauffant PTC par modulation de largeur d’impulsion (ou PWM du sigle anglais Puise Width Modulation). Toutefois, une telle régulation n’est utilisée dans le domaine automobile a priori que pour réguler la température d’un flux d’air.

[0006] Les conditions pour le chauffage d’un liquide sont tout à fait différentes de celles du chauffage d’un flux d’air. Tout d’abord, l’élément chauffant ne peut pas être positionné directement dans le liquide comme il peut l’être dans un flux d’air. Ensuite, pour le chauffage d’un liquide dans un réservoir, il convient de tenir compte de paramètres comme le niveau de liquide dans le réservoir, la température de ce liquide, la surface de chauffage en contact avec le liquide mais aussi comme la tension d’alimentation de l’élément chauffant. En fonction de ces paramètres, la température de régulation d’un élément chauffant de type PTC peut varier de 50°C à 120°C.

[0007] Il convient donc d’éviter d’atteindre des températures trop élevées qui, d'une part, pourrait amener à une ébullition du liquide chauffé et, d'autre part, à une détérioration de certains matériaux environnants (par exemple pièces en matière synthétique destinées à réaliser une étanchéité).

[0008] Le but de la présente invention est donc de fournir un procédé de chauffage d’un liquide dans un réservoir, à l’aide d’un élément chauffant de type PTC, qui permet d’éviter une surchauffe conduisant à une ébullition du liquide et/ou à une détérioration (ou fatigue) d’un matériau environnant.

[0009] De préférence, le procédé permettra d’optimiser le chauffage du réservoir pour limiter le temps nécessaire à l’obtention d’une mise à température du liquide réchauffé.

Exposé de l’invention

[0010] Il est proposé un procédé de chauffage de liquide dans un réservoir, comportant les étapes suivantes :

- fournir au moins un élément chauffant de type PTC,

- fournir des moyens de régulation par modulation de largeur d’impulsion.

[0011] Selon la présente invention, ce procédé comporte en outre les étapes :

- mesure de paramètres parmi lesquels la température du liquide et la tension appliquée aux bornes de chaque élément chauffant, - chauffage du liquide sans régulation, c’est-à-dire avec un rapport cyclique de 1 ou 100 % de la régulation par modulation de largeur d’impulsion, dans la mesure où la température du liquide est inférieure à une première température seuil,

- régulation par modulation de largeur d’impulsion de l’alimentation électrique de chaque élément chauffant pour lequel la tension d’alimentation dépasse un seuil prédéterminé dans la mesure où une température mesurée est supérieure à une seconde température seuil, ladite seconde température seuil étant déterminée en fonction de paramètres mesurés,

- détermination d’un rapport cyclique pour la modulation de l’alimentation électrique de chaque élément chauffant et passage progressif d’un rapport cyclique de 1 au rapport cyclique déterminé.

[0012] Le procédé proposé ici permet de s’assurer que des températures risquant de vaporiser le liquide et/ou de détériorer des composants du réservoir ne sont pas atteintes. En outre, grâce à la variation progressive du rapport cyclique, il n’y a pas de variation brusque dans la puissance de chauffage délivrée et ceci permet d’augmenter l’efficacité du chauffage du liquide dans le réservoir.

[0013] Dans le procédé décrit ci-dessus, les éléments chauffants de type PTC sont montés de préférence en parallèle. Ainsi, une même tension d’alimentation est appliquée à tous les éléments chauffants. La gestion électrique du système est alors simplifiée.

[0014] La première température seuil est par exemple prédéterminée en fonction de la nature du liquide contenu dans le réservoir. Cette température seuil est par exemple une température pour laquelle on est sûr qu’il n’y a pas de risque de solidification dans le réservoir. Par exemple pour de l’eau, si une mesure de température à un endroit dans le réservoir donne +3°C, on peut estimer qu’il n’y a pas de glace dans le réservoir (si le réservoir est bien entendu à la pression atmosphérique). Cette première température seuil dépend ainsi du liquide, de sa température de solidification mais aussi des propriétés calorifiques de ce liquide.

[0015] Pour la mise en œuvre de ce procédé, on peut prévoir qu’un niveau de liquide est mesuré, que la seconde température seuil est déterminée en fonction du niveau de liquide mesuré et de la température du liquide, et que la température mesurée comparée à la seconde température seuil est une température mesurée en aval du réservoir, de préférence en aval d’une pompe prélevant du liquide dans le réservoir. Quand une pompe est utilisée pour retirer du liquide hors d’un réservoir et que ce réservoir est chauffé, les moyens de chauffage du réservoir chauffent habituellement aussi la pompe et son environnement pour dégeler l’ensemble des canaux hydrauliques et permettre un bon fonctionnement de la pompe. Ici la température choisie pour être comparée au second seuil de température est donc une bonne illustration du chauffage apporté au liquide dans le réservoir. Dans cette variante du procédé, la seconde température seuil peut être par exemple déterminée à partir d’une table à double entrée.

[0016] Selon une variante du procédé décrit plus haut, un niveau de liquide est mesuré, et le rapport cyclique à atteindre peut alors être déterminé en fonction de la tension appliquée au niveau de l’élément chauffant considéré, du niveau de liquide mesuré et de la température du liquide à partir d’une table. Dans cette variante, le rapport cyclique à atteindre peut lui aussi être déterminé à partir d’une table qui sera ici alors une table à triple entrée.

[0017] Comme indiqué, le rapport cyclique varie progressivement. Il décroît de 100% au rapport cyclique déterminé par exemple selon un gradient compris entre 0,05 et 0,5 %s ¹ , par exemple 0,1 %/s.

[0018] Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de chacune des étapes du procédé tel que décrit plus haut lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

[0019] Enfin, l’invention concerne en outre un dispositif de gestion électronique d’un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comporte un support d’enregistrement non transitoire sur lequel est enregistré un programme informatique pour la mise en œuvre de chacune des étapes d’un procédé tel que décrit plus haut, lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

Brève description des dessins [0020] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

[0021] [Fig. 1 ] montre un schéma électrique simplifié d’un dispositif de chauffage d’un réservoir de liquide ;

Fig. 2

[0022] [Fig. 2] montre schématiquement une unité de commande pour un dispositif de chauffage de la figure 1 ;

Fig. 3

[0023] [Fig. 3] montre un logigramme d’un procédé de chauffage pour un réservoir de liquide ;

Fig. 4

[0024] [Fig. 4] montre un exemple de table à deux entrées pouvant être utilisée pour la mise en œuvre du procédé illustré à la figure 3 ; et

Fig. 5

[0025] [Fig. 5] montre un exemple d’une autre table, celle-ci étant à trois entrées, ladite table pouvant être elle aussi utilisée pour la mise en œuvre du procédé illustré sur la figure 3.

Description des modes de réalisation

[0026] Le dessin ci-joint et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

[0027] La figure 1 illustre un élément chauffant 2 destiné à réchauffer un liquide contenu dans un réservoir. Il est fait référence au document WO2016/096712 pour un exemple d’implémentation d’un tel élément chauffant au niveau d’un réservoir. L’élément chauffant 2 de la présente demande peut venir prendre la place d’un élément référencé 10 dans ce document de l’art antérieur.

[0028] Il est choisi ici de prendre au moins un élément chauffant 2 de type PTC (sigle anglais pour Positive Température Coefficient soit en français coefficient de température positif). Avec un tel élément, la température de l’élément chauffant est automatiquement limitée car la résistance de l’élément augmente avec la température si bien que le courant traversant l’élément diminue et vient ainsi limiter la puissance dissipée dans l’élément chauffant.

[0029] La figure 1 illustre un seul élément chauffant 2. Toutefois, plusieurs éléments chauffants 2 peuvent être prévus, d'une part, pour augmenter la puissance de chauffage et, d'autre part, pour répartir cette puissance de chauffage en plusieurs points. D’un point de vue électrique, tous ces éléments chauffants 2 seront alors montés en parallèle si bien qu’ils présenteront tous la même tension V à leurs bornes.

[0030] L’alimentation électrique de tous les éléments chauffants 2 est faite à partir d’un dispositif d’alimentation 4 qui intègre un pilote permettant de commander l’alimentation électrique ou non des éléments chauffants 2.

[0031] Un dispositif de modulation de largeur d’impulsion 6 vient agir sur l’alimentation des éléments chauffants 2 par l’intermédiaire d’un relais 8. Un tel dispositif est également connu sous le sigle anglais PWM (Puise Width Modulation soit modulation par largeur d’impulsion). Le dispositif de modulation de largeur d’impulsion 6 permet de limiter la puissance transmise aux éléments chauffants. La modulation de puissance peut aller de 0 à 1 ou de 0% à 100% de la puissance maximale transmise. Ce taux sera appelé par la suite rapport cyclique. Quand il vaut 1 (100%), toute la puissance disponible à partir du dispositif d’alimentation 4 est transmise aux éléments chauffants 2. À l’opposé, quand ce rapport cyclique vaut 0 (0%), les éléments chauffants 2 ne sont plus alimentés, même si le pilote du dispositif d’alimentation 4 est « fermé », par analogie avec un interrupteur, et commande donc l’alimentation électrique du système.

[0032] Une unité de commande 10 illustrée sur la figure 2 est utilisée pour la gestion du dispositif de la figure 1 et notamment la gestion du pilote du dispositif d’alimentation 4 et du dispositif de modulation de largeur d’impulsion. Elle présente quatre entrées et trois sorties.

[0033] Une première entrée 12 correspond par exemple à la température d’un liquide à réchauffer Tliq. Dans le cas d’application d’un réservoir de liquide dans un véhicule automobile, soit par exemple de l’eau, soit par exemple une solution à base d’urée (c’est-à-dire comme dans le document WO2016/096712), soit un autre liquide, il est courant de mesurer la température de ce liquide. L’information fournie par ce capteur de température (non illustré au dessin) est fournie sur cette première entrée 12.

[0034] Une deuxième entrée 14 fournit à l’unité de commande 10 la tension d’alimentation V qui règne aux bornes de chaque élément chauffant 2 (une même tension pour chacun de ces éléments puisqu’ils sont montés en parallèle). Cette tension d’alimentation est connue au niveau d’une unité de contrôle numérique présente sur tout véhicule automobile moderne pour permettre une bonne gestion du moteur et elle est rendue disponible sur la deuxième entrée 14.

[0035] Une troisième entrée 16 permet à l’unité de commande de connaître le niveau de liquide L dans le réservoir. Tout comme la température du liquide Tliq, un capteur est déjà prévu pour déterminer cette donnée. Toutes ces données sont accessibles au niveau de l’unité de contrôle numérique du moteur.

[0036] Une quatrième entrée 18 est destinée à recevoir un signal binaire issu d’un comparateur 20. Ce dernier compare la température du liquide Tliq à une température prédéterminée Ths qui est une température mémorisée par exemple dans l’unité de contrôle numérique. Ths dépend du liquide contenue dans le réservoir. Par exemple, si de l’eau est contenue dans le réservoir, Ths sera par exemple fixée à +3°C. On estime ici que si la température du liquide est supérieure à Ths, il n’y a pas de risque que le liquide soit gelé. Si le réservoir contient une solution à base d’urée qui gèle à -1 1 °C, alors Ths sera adaptée en conséquence. Cette valeur est de toute façon définie une fois pour toute car il n’est généralement pas prévu qu’un même réservoir soit destiné à contenir plusieurs types de liquides. [0037] Une première sortie 22 fournit un signal de commande appelé PWM_DC pour le dispositif de modulation de largeur d’impulsion 6 pour indiquer à ce dispositif le rapport cyclique selon lequel il doit fonctionner.

[0038] Une deuxième sortie 24 fournit un signal correspondant à une température appelée TPSe_TH qui est une température variant en fonction de paramètres du système. Cette température est une température de consigne. Il est habituel qu’une pompe soit prévue pour puiser le liquide dans le réservoir et l’envoyer à sa destination. On trouve alors au niveau de cette pompe au moins un capteur de pression associé à un capteur de température pour la gestion de la pompe. Lorsque la température mesurée au niveau de ces capteurs atteint la température de consigne, alors la modulation de puissance est activée.

[0039] La troisième sortie 26 fournit quant à elle un taux de variation appelé PWM_DC_grad donnant la vitesse de variation du rapport cyclique. Ce taux de variation est exprimé par exemple en pourcentage par seconde.

[0040] Comme illustré sur la figure 2, les données en sortie sont envoyées vers un réseau de communication 28, par exemple de type CAN (ou autre), qui transmets des paquets de données 30 à destination de récepteurs tel le système de chauffage de liquide dont il est question ici.

[0041] La figure 3 donne un exemple de logigramme permettant à partir des données fournies sur la première entrée 12, la deuxième entrée 14, la troisième entrée 16 et la quatrième entrée 18 de déterminer les valeurs à fournir sur la première sortie 22, la deuxième sortie 24 et la troisième sortie 26.

[0042] Le logigramme de la figure 3 est expliqué ci-après.

[0043] Lors de la mise sous tension des moyens de commande et de gestion du moteur (case 0/1 ), autrement dit : lorsque l’utilisateur met le contact, le système de chauffage reste éteint (case OFF) pour ne pas consommer d’électricité, les besoins en électricité étant généralement importants lors de la mise en route du moteur.

[0044] Après une temporisation (case TEMPO), par exemple de l’ordre de 30 secondes comptées à partir de la mise sous tension ou bien du démarrage du moteur, des mesures sont réalisées. Une case sur la figure indique à titre d’exemple des mesures qui peuvent être faites

- V : la tension qui règne aux bornes des éléments chauffants 2. Cette tension dépend de la charge de la batterie alimentant ces éléments. Elle varie généralement autour de 12 V, par exemple entre 9 et 16 V.

- L : c’est le niveau de liquide dans le réservoir. Il peut s’agir d’une mesure en millimètres (ou mètres) ou bien d’un pourcentage de remplissage du réservoir.

- Tliq : c’est la température du liquide dans le réservoir.

- Tamb : c’est la température ambiante.

- TPse : cette température est mesurée au niveau de la pompe qui prélève du liquide dans le réservoir. Le plus souvent, cette pompe est également chauffée par les éléments chauffants 2.

[0045] Une fois ces mesures réalisées, la température du liquide Tliq dans le réservoir est comparée (à l’aide du comparateur 20) à la température Ths mémorisée et dépendant du liquide stocké dans le réservoir. Si le liquide n’est pas trop froid, alors il n’y a pas de risque de gel (option N) et le système n’est pas activé (case OFF). Des mesures sont alors régulièrement réalisées pour surveiller qu’il n’y a pas de risque de gel.

[0046] Par contre, si le liquide est froid et que sa température est inférieure à Ths (option Y), le liquide a peut-être gelé ou risque de de geler. Le système de chauffage est mis en marche (case ON).

[0047] Le système de chauffage fonctionnant, il faut déterminer les conditions de fonctionnement. À la première mise en route, le rapport cyclique au niveau du dispositif de modulation de largeur d’impulsion est de 100%.

[0048] La première vérification faite après la mise en route du dispositif de chauffage est de vérifier la tension d’alimentation V des éléments chauffants 2. Si cette tension est inférieure à 9 V, la puissance disponible pour les éléments chauffants 2 est faible et (option N) le rapport cyclique PWM_DC est maintenu à 100% pour avoir un chauffage maximum avec la puissance disponible.

[0049] Par contre, si la tension V est « satisfaisante », c’est-à-dire supérieure à 9 V (option Y), alors une modulation de la largeur d’impulsion peut être envisagée. [0050] De manière originale, d'une part, la modulation commence lorsqu’un paramètre de température dépasse un seuil dynamique, c’est-à-dire déterminé en fonction de paramètres actualisés, et, d'autre part, la modulation est réalisée progressivement.

[0051] Dans la forme de réalisation préférée décrite ici, il a été choisi de commencer la modulation de l’alimentation des éléments chauffants 2 lorsque la température du liquide au niveau de la pompe prélevant du liquide dans le réservoir, de préférence en aval de cette pompe, dépasse un seuil à déterminer. La température mesurée est appelée TPSe tandis que le seuil à déterminer est appelé TPSe_TH.

[0052] Le seuil de température TPSe_TH est ainsi déterminé en fonction de L et de Tliq. La figure 4 donne un exemple de table à double entrée permettant de déterminer TPSe_TH en fonction de ces deux paramètres. Les valeurs intermédiaires peuvent être obtenues par une extrapolation, par exemple une extrapolation linéaire. Des températures supérieures à Ths sont également mentionnées pour les modes de fonctionnement où il est prévu que le chauffage soit bloqué en position allumée afin d’éviter là aussi une surchauffe.

[0053] De même, il est aussi déterminé quelle est le rapport cyclique PWM_DC à atteindre. Ce rapport cyclique est défini ici à l’aide de :

- la tension appliquée aux éléments chauffants 2. Plus cette tension est faible, plus les rapports cycliques seront élevés.

- le niveau de liquide dans le réservoir. Ici aussi, plus le niveau est élevé, plus il y a donc besoin d’énergie pour chauffer le liquide et plus le rapport cyclique est élevé.

- la température du liquide. Pour ce paramètre, plus la température est élevée, moins le liquide a besoin d’être chauffé et donc plus le rapport cyclique est bas.

[0054] La figure 5 donne un exemple de table à triple entrée permettant de déterminer le rapport cyclique à atteindre. Cet exemple, de même que celui de la figure 4, est bien entendu simplifié à titre illustratif. Le système intègre de préférence une table avec un bien plus grand nombre de valeurs. Ici aussi, comme indiqué précédemment, des valeurs intermédiaires peuvent être déduites par interpolation. [0055] Comme indiqué plus haut, de manière originale, la modulation passe progressivement de la valeur 1 à la valeur PWM_DC. Le taux de variation du rapport cyclique, PWM_DC_grad, est ici établi à 0,1 %/s. Cette valeur donne de bons résultats et permet d’optimiser le temps pour obtenir le réchauffage du liquide dans le réservoir.

[0056] Dans la forme de réalisation décrite ici, PWM_DC_grad est une constante. Ce taux de variation pourrait aussi dépendre de paramètres. Il pourrait par exemple dépendre du remplissage du réservoir. Moins le réservoir est plein, plus ce taux pourrait être grand. D’autres paramètres pourraient être choisis. Toutefois, les variations sur ce taux (autour de la valeur préférée donnée ci-dessus) ne permettent pas de modifier sensiblement le temps de chauffe pour obtenir la température du liquide souhaitée.

[0057] Le procédé indiqué ci-dessus correspond à une forme de réalisation préférée de chauffage d’un liquide dans un réservoir dans le domaine automobile. II peut s’appliquer à d’autres liquides que l’eau et une solution d’urée mentionnés dans la présente description. Ce procédé n’est pas limité au domaine automobile. Il est plus particulièrement destiné à des véhicules et pourrait aussi être utilisé sur des motos, bateaux, etc..

[0058] Bien entendu, l’invention ne se limite pas au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus à titre d’exemple illustratif et non limitatif. Elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l’homme du métier. Les paramètres donnés sont indicatifs et sont bien entendu à adapter en fonction des capteurs déjà présents de préférence. Des paramètres peuvent être rajoutés ou retirés.