EP2100019A2 - Estimation of exhaust gas temperature at the output of the egr circuit of a combustion engine - Google Patents

Estimation of exhaust gas temperature at the output of the egr circuit of a combustion engine

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EP2100019A2
EP2100019A2 EP07866527A EP07866527A EP2100019A2 EP 2100019 A2 EP2100019 A2 EP 2100019A2 EP 07866527 A EP07866527 A EP 07866527A EP 07866527 A EP07866527 A EP 07866527A EP 2100019 A2 EP2100019 A2 EP 2100019A2
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EP
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egr
temperature
cooler
duct
equations
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Withdrawn
Application number
EP07866527A
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German (de)
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Philippe Recouvreur
Olivier Tigrine
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Original Assignee
Renault SAS
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Abstract

The invention relates to a method for estimating the temperature T3 of the exhaust gases of a combustion engine at the output of a EGR circuit fitted on the engine, based on a model that takes into account the thermal energy losses of the exhaust gases at the EGR cooler or EGR circuit, characterised in that the model also takes into account the thermal exchange between the exhaust gases and the walls of a duct conveying said exhaust gases to the EGR cooler. The invention further relates to a vehicle capable of implementing such estimation.

Description

ESTIMATION D'UNE TEMPERATURE DE GAZ D'ECHAPPEMENT EN ESTIMATION OF AN EXHAUST GAS TEMPERATURE IN
SORTIE D'UN CIRCUIT EGR D'UN MOTEUR A COMBUSTION L'invention concerne une estimation de la température de gaz d'échappement d'un moteur à combustion en sortie d'un circuit EGR équipant le moteur. Dans les stratégies développées dans les logiciels moteur au sujet de la gestion de l'air, la connaissance de la température des gaz d'échappement à la sortie du circuit EGR est en effet nécessaire.The invention relates to an estimate of the temperature of the exhaust gas of a combustion engine at the output of an EGR circuit fitted to the engine. SUMMARY OF THE INVENTION In the strategies developed in the engine software about air management, the knowledge of the temperature of the exhaust gas at the exit of the EGR circuit is indeed necessary.
La mesure de la température des gaz échappement en sortie du circuit EGR peut se faire à partir d'une mesure thermocouple. Cette solution est précise mais coûteuse (notamment coût du thermocouple, coût de la chaîne d'acquisition). Elle nécessite en outre de prévoir, dans le compartiment moteur, le volume nécessaire à son intégration.The measurement of the exhaust gas temperature at the outlet of the EGR circuit can be made from a thermocouple measurement. This solution is precise but expensive (including thermocouple cost, cost of the acquisition chain). It also requires to provide, in the engine compartment, the volume necessary for its integration.
C'est pourquoi il est de plus en plus préféré une estimation de la température des gaz échappement en sortie du circuit EGR, à la place du thermocouple. A cet effet, des modèles numériques basés sur des équations de la physique sont utilisés (e.g. équation de conservation de la masse, équation de conservation de l'énergie).This is why it is more and more preferred to estimate the exhaust gas temperature at the outlet of the EGR circuit, in place of the thermocouple. For this purpose, numerical models based on physics equations are used (e.g. conservation mass equation, energy conservation equation).
L'inconvénient majeur est le manque de précision et de fiabilité du modèle. En effet, pour atteindre un niveau de précision élevé, il est nécessaire de résoudre des équations complexes impliquant des moyens de calculs complexes.The major disadvantage is the lack of precision and reliability of the model. Indeed, to achieve a high level of precision, it is necessary to solve complex equations involving complex calculation means.
Or, ces moyens de calcul doivent être suffisamment simples pour être intégrés dans l'ordinateur du véhicule motorisé.However, these calculation means must be simple enough to be integrated in the computer of the motor vehicle.
Un compromis «précision de l'estimation / simplicité de calcul » doit donc être trouvé. Une telle approche est utilisée classiquement dans les calculateurs en faisant des hypothèses sur les phénomènes physiques régissant les échanges énergétiques des gaz échappement dans les circuits EGR et en précisant que la chute de température des gaz échappement dans un circuit EGR est liée aux performances thermiques du refroidisseur EGR. En se basant sur les performances thermiques réelles du refroidisseur EGR, des essais sur véhicule ont cependant permis de constater que des écarts pouvaient atteindre 200 à 3000C sur la température des gaz en sortie de circuit EGR entre l'estimation et la mesure.A compromise "accuracy of estimation / simplicity of calculation" must therefore be found. Such an approach is conventionally used in calculators by making assumptions about the physical phenomena governing the energy exchanges of exhaust gases in the EGR circuits and by specifying that the temperature drop of the exhaust gases in an EGR circuit is linked to the thermal performance of the cooler. EGR. Based on the actual thermal performance of the EGR cooler, However, vehicle tests have shown that the temperature of the gases leaving the EGR circuit between the estimation and the measurement could reach 200 to 300 ° C.
En ajustant numériquement les performances thermiques du refroidisseur pour essayer de corréler les mesures au modèle, les écarts moyens ont alors été réduits à une cinquantaine de degrés Celsius.By numerically adjusting the thermal performance of the chiller to try to correlate the measurements with the model, the average deviations were then reduced to about fifty degrees Celsius.
Cependant, cette imprécision demeure importante et donc insatisfaisante. Un objectif principal de l'invention est d'améliorer la précision de l'estimation de la température en sortie de circuit EGR. Un autre objectif de l'invention est de diminuer la complexité de calculs de cette température, tout en gardant une marge d'erreur possible acceptable.However, this inaccuracy remains important and therefore unsatisfactory. A main objective of the invention is to improve the accuracy of the temperature estimation at the output of the EGR circuit. Another object of the invention is to reduce the complexity of calculations of this temperature, while keeping a possible margin of error acceptable.
Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé d'estimation de la température Ts de gaz d'échappement d'un moteur à combustion en sortie d'un circuit EGR équipant le moteur, basé sur un modèle prenant en compte la perte d'énergie thermique des gaz d'échappement au niveau du refroidisseur EGR du circuit EGR, caractérisé en ce que le modèle prend en outre en compte les échanges thermiques entre les gaz d'échappement et les parois d'un conduit amenant les gaz d'échappement vers le refroidisseur EGR.In order to achieve these objectives, the invention proposes, according to a first aspect, a method for estimating the exhaust gas temperature Ts of an engine at the output of an EGR circuit fitted to the engine, based on a model taking into account the loss of thermal energy of the exhaust gases at the EGR cooler of the EGR circuit, characterized in that the model also takes into account the heat exchange between the exhaust gases and the walls of the exhaust gas. a conduit leading the exhaust gases to the EGR cooler.
D'autres caractéristiques optionnelles de ce procédé d'estimation sont : - ledit modèle prend en compte les échanges thermiques suivants : les échanges thermiques internes entre les gaz et la paroi dudit conduit ; les échanges externes entre la paroi dudit tube et l'environnement extérieur du compartiment moteur, tels que des échanges convectifs liés à un écoulement d'air et des échanges radiatifs de composants externes au conduit ; le refroidissement des gaz au travers du refroidisseur EGR ; ledit modèle est basé sur des équations simplifiées de conservation d'énergie thermique des gaz prenant en compte les différents échanges thermiques tout au long du circuit EGR permettant : (a) une évaluation des échanges thermiques entre les gaz d'échappement et les parois d'un conduit amenant les gaz d'échappement vers le refroidisseur EGR du circuit EGR ; (b) une évaluation des échanges thermiques des gaz d'échappement avec l'entrée du refroidisseur EGR, en prenant en compte l'évaluation de l'étape (a) ; (c) une évaluation des échanges thermiques des gaz d'échappement dans le refroidisseur EGR ;Other optional features of this estimation method are: said model takes into account the following heat exchanges: the internal heat exchanges between the gases and the wall of said duct; external exchanges between the wall of said tube and the external environment of the engine compartment, such as convective exchanges linked to an air flow and radiative exchanges of components external to the duct; cooling the gases through the EGR cooler; said model is based on simplified equations of conservation of thermal energy of the gases taking into account the different heat exchanges throughout the EGR circuit allowing: (a) an evaluation of the thermal exchanges between the exhaust gases and the walls of a duct bringing the exhaust gases to the EGR cooler of the EGR circuit; (b) an evaluation of the thermal exchanges of the exhaust gases with the inlet of the EGR cooler, taking into account the evaluation of step (a); (c) an evaluation of the thermal exchanges of the exhaust gases in the EGR cooler;
- lesdites équations sont un système de trois équations à trois inconnues Tp, T2 et T3, sachant que Tp est la température estimée des parois dudit conduit et que T2 est la température estimée des gaz d'échappement en entrée du refroidisseur, les trois équations correspondant respectivement aux trois évaluations (a), (b) et (c) ; la température T3 est principalement estimée à partir de la connaissance de la température des gaz d'échappement en entrée du circuit EGR, la température de l'eau de refroidissement moteur en sortie du moteur, la chaleur massique des gaz EGR à pression constante, le débit massique des gaz EGR, la chaleur massique dudit conduit, et les caractéristiques géométriques et massiques du conduit ; ledit modèle se résume à un système d'équations différentielles du premier ordre, linéaires et indépendantes ; ces dernières équations sont trouvées en faisant les approximations suivantes : les échanges externes convectifs liés à un écoulement de l'air autour du conduit sont du même ordre de grandeur que les échanges radiatifs par des composants externes au conduit ; la température de convection est environ égale à la température de l'eau ; les modifications de T2 dans le temps sont instantanées en comparaison des modifications de Tp dans le temps. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un véhicule équipé d'un estimateur électronique de température comprenant des moyens de calcul et des moyens de stockage de données prédéterminées et/ou mesurées, afin de mettre en œuvre ledit procédé d'estimation.said equations are a system of three equations with three unknowns T p , T 2 and T 3 , knowing that T p is the estimated temperature of the walls of said duct and that T 2 is the estimated temperature of the exhaust gas at the inlet of the cooler , the three equations corresponding respectively to the three evaluations (a), (b) and (c); the temperature T 3 is mainly estimated from the knowledge of the temperature of the exhaust gas entering the EGR circuit, the temperature of the engine cooling water at the engine outlet, the specific heat of the EGR gas at constant pressure, the mass flow rate of the EGR gases, the specific heat of said duct, and the geometric and mass characteristics of the duct; the model is a system of first-order, linear and independent differential equations; these latter equations are found by making the following approximations: the convective external exchanges linked to a flow of air around the duct are of the same order of magnitude as the radiative exchanges by components external to the duct; the convection temperature is approximately equal to the temperature of the water; the changes of T 2 in time are instantaneous compared with the modifications of T p in time. According to a second aspect, the invention proposes a vehicle equipped with an electronic temperature estimator comprising calculation means and predetermined and / or measured data storage means, in order to implement said estimation method.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation non limitatifs de l'invention, illustrée par les figures suivantes :Other features, objects and advantages of the invention will be better understood on reading the detailed description of non-limiting embodiments. of the invention, illustrated by the following figures:
La figure 1 représente schématiquement les différents éléments d'un compartiment d'un moteur à combustion équipé d'un circuit EGR.Figure 1 shows schematically the various elements of a compartment of a combustion engine equipped with an EGR circuit.
La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un refroidisseur EGR et d'une portion de ses conduits d'entrée et de sortie.FIG. 2 schematically represents a longitudinal sectional view of an EGR cooler and a portion of its inlet and outlet ducts.
La figure 3 représente un schéma fonctionnel d'un montage thermique équivalent à l'ensemble refroidisseur EGR selon la figure 2, illustrant un premier mode de réalisation de l'invention.FIG. 3 represents a block diagram of a thermal assembly equivalent to the EGR cooler assembly according to FIG. 2, illustrating a first embodiment of the invention.
La figure 4 représente un schéma représente un schéma fonctionnel d'un montage thermique équivalent à l'ensemble refroidisseur EGR selon la figure 2, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention.FIG. 4 represents a diagram showing a block diagram of a thermal assembly equivalent to the EGR cooler assembly according to FIG. 2, illustrating a second embodiment of the invention.
La figure 5 représente un schéma illustrant de grandes étapes d'un procédé d'estimation selon l'invention.FIG. 5 represents a diagram illustrating large steps of an estimation method according to the invention.
La figure 6 est un graphe donnant l'évolution de la température en sortie de circuit EGR en fonction des cycles EGR, et selon que les températures sont mesurées ou estimées.FIG. 6 is a graph showing the evolution of the temperature at the outlet of the EGR circuit as a function of the EGR cycles, and whether the temperatures are measured or estimated.
L'invention qui sera décrite plus loin présente les deux modes de réalisation suivants, permettant d'obtenir une estimation de la température des gaz échappement en sortie de refroidisseur EGR : - développement d'équations proches de phénomènes physiques, en les réduisant à leur plus strict nécessaire pour pouvoir être intégrées à un logiciel moteur ; on obtient une amélioration notable de la précision de l'estimateur de la température des gaz échappement dans le circuit EGR étant donné que le modèle utilisé est plus proche de la réalité. - simplification drastique des équations évoquées dans le premier mode de réalisation. Le but est de minimiser le temps de calcul et la taille logicielle.The invention which will be described later presents the following two embodiments, making it possible to obtain an estimate of the exhaust gas temperature at the outlet of the EGR cooler: - development of equations close to physical phenomena, reducing them to their most strictly necessary to be able to be integrated into a motor software; a significant improvement in the accuracy of the exhaust gas temperature estimator in the EGR circuit is obtained since the model used is closer to reality. - Drastic simplification of the equations mentioned in the first embodiment. The goal is to minimize calculation time and software size.
Les deux modes de réalisation proposés sont facilement applicables à tous moteurs à combustion interne équipés de circuits EGR (moteur diesel, essence.,.).The two proposed embodiments are easily applicable to all internal combustion engines equipped with EGR circuits (diesel engine, gasoline, etc.).
En référence à la figure 1 , est représenté un exemple de compartiment moteur à combustion. Ce compartiment moteur comprend un moteur à combustion interne 10 alimenté en air par un conduit d'admission 11 et dégageant ses gaz d'échappement par un conduit d'évacuation 12. Ce compartiment moteur est en outre muni d'un turbocompresseur 50 comprenant un compresseur 51 localisé sur le conduit d'admission 11 pour compresser le fluide-carburant venant de la voie 53. Eventuellement, des moyens de refroidissement 40 et un volet 30 sont prévus entre le compresseur 51 et le moteur 10. L'air qui parvient au moteur 10 est alors froid. La turbine 52 du turbocompresseur 50 est localisée en fin de conduit d'évacuation 12 et est couplée au compresseur 51. Les gaz d'échappement sont du compartiment moteur ensuite évacués par la voie 54.Referring to Figure 1, there is shown an example of a combustion engine compartment. This engine compartment comprises an internal combustion engine 10 supplied with air by an intake duct 11 and releasing its exhaust gas through a discharge duct 12. This engine compartment is further provided with a turbocharger 50 comprising a compressor 51 located on the intake duct 11 to compress the fluid-fuel from the track 53. Optionally, cooling means 40 and a flap 30 are provided between the compressor 51 and the engine 10. The air that reaches the engine 10 is cold. The turbine 52 of the turbocharger 50 is located at the end of the exhaust duct 12 and is coupled to the compressor 51. The exhaust gases are from the engine compartment and then exhausted via the track 54.
En outre, cet ensemble comprend un circuit EGR 20 dont l'entrée 28 est raccordée au conduit d'évacuation 12 et dont la sortie 29 est raccordée au circuit d'admission 11. Ce circuit EGR 20 comprend un refroidisseur EGR 22 relié en amont par un conduit d'entrée 25 et en aval par un conduit de sortie 27, permettant de refroidir les gaz d'échappement pour les réinjecter dans le moteur 10.In addition, this assembly comprises an EGR circuit 20 whose input 28 is connected to the exhaust duct 12 and whose outlet 29 is connected to the intake circuit 11. This EGR circuit 20 comprises an EGR cooler 22 connected upstream by an inlet duct 25 and downstream by an outlet duct 27, for cooling the exhaust gases for reinjecting them into the engine 10.
Eventuellement, il est prévu un circuit de dérivation 24 raccordé d'une part à une vanne 23 située en amont du refroidisseur 22 et d'autre part à la sortie du refroidisseur 22, de sorte que la vanne 23 puisse laisser passer dans le circuit de dérivation 24 une certaine quantité de gaz d'échappement en fonction de sa position. Ainsi, en sélectionnant une position de vanne 23, on laisse passer une quantité voulue de gaz non refroidi dans le circuit de dérivation 24, et on sélectionne par là même la température des gaz d'échappement en sortie de refroidisseur 22. Une vanne EGR 21 est en outre prévue en sortie du circuit 20 de sorte à réguler dans le temps la quantité de gaz d'échappement refroidi fournie au conduit d'admission 11. La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un refroidisseur EGR 22 raccordé en amont par le conduit d'entrée de gaz 25 et en aval par le conduit de sortie de gaz 27. Ces deux conduits 25 et 27 sont représentés ici comme étant des tubes ayant une paroi 26. Sur cette figure, on pourra aussi remarquer les différences de température le long du circuit 20. Ainsi : - Tavt est la température des gaz échappement mesurée à l'entrée 28 du circuit EGR 20 ;Optionally, there is provided a bypass circuit 24 connected on the one hand to a valve 23 located upstream of the cooler 22 and on the other hand to the outlet of the cooler 22, so that the valve 23 can pass through the cooling circuit. bypassing a certain quantity of exhaust gas according to its position. Thus, by selecting a valve position 23, a desired quantity of uncooled gas is passed through the bypass circuit 24, and the temperature of the exhaust gas at the outlet of the cooler 22 is selected. An EGR valve 21 is further provided at the output of the circuit 20 so as to regulate in time the amount of cooled exhaust gas supplied to the intake duct 11. FIG. 2 schematically represents a longitudinal sectional view of an EGR cooler 22 connected in upstream by the gas inlet duct 25 and downstream by the gas outlet duct 27. These two ducts 25 and 27 are represented here as being tubes having a wall 26. In this figure, it will also be possible to observe the differences of temperature along the circuit 20. Thus: - T av t is the temperature of the exhaust gas measured at the inlet 28 of the circuit EGR 20;
- T2 est la température des gaz échappement à l'entrée du refroidisseur 21 ;T 2 is the temperature of the exhaust gas at the inlet of the cooler 21;
- T 3 est la température des gaz échappement à la sortie du refroidisseur 21 ;T 3 is the temperature of the exhaust gas at the outlet of the cooler 21;
- Tp est la température de la paroi 26 du conduit d'entrée 25. On remarquera aussi que le débit massique des gaz d'échappement dans le circuitT p is the temperature of the wall 26 of the inlet duct 25. It will also be noted that the mass flow rate of the exhaust gases in the circuit
20 se note Qegr.20 is denoted Q egr.
La déposante a réalisé des relevés de température des gaz échappement le long du circuit EGR 20 montrant que environ 35% de l'énergie des gaz à l'entrée 28 du circuit 20 peut être perdue dans le conduit d'entrée 25 et que environ 65 % est perdue dans le refroidisseur 22.The applicant has made exhaust gas temperature readings along the EGR circuit 20 showing that about 35% of the gas energy at the inlet 28 of the circuit 20 can be lost in the inlet conduit 25 and that about 65 % is lost in the cooler 22.
La température des gaz en entrée 28 du circuit 20 ne peut donc pas être confondue avec la température des gaz en entrée du refroidisseur 22.The temperature of the inlet gases 28 of the circuit 20 can not be confused with the temperature of the gases entering the cooler 22.
Il faut donc prendre en compte, dans un modèle, les échanges thermiques entre les gaz et le conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22. 1er mode de réalisation : développement d'équations physiquesIt is therefore necessary to take into account, in a model, the heat exchanges between the gases and the inlet duct 25 upstream of the cooler 22. 1 st embodiment: development of physical equations
Pour estimer correctement les échanges thermiques au sein d'un circuit EGR 20, il convient de prendre en compte : m Les échanges thermiques internes entre les gaz et la paroi 26 du conduit d'entrée 25 ; m Les échanges externes entre la paroi 26 du conduit d'entrée 25 et l'environnement du compartiment moteur. Deux types d'échanges sont prépondérants dans le compartiment moteur :To correctly estimate the heat exchanges within an EGR circuit 20, it is necessary to take into account: Internal heat exchanges between the gases and the wall of the inlet duct 25; External exchanges between the wall 26 of the inlet duct 25 and the environment of the engine compartment. Two types of exchanges are predominant in the engine compartment:
— les échanges convectifs liés à l'écoulement de l'air autour du GMP (Groupe Motopropulseur), — les échanges radiatifs entre les divers composants du sous capot (culasse, collecteur d'échappement, turbocompresseur, tablier, ski,...) a Le refroidissement des gaz au travers du refroidisseur EGR En référence à la figure 3, est représentée une analogie « thermique <=> électrique » utilisée pour dresser un bilan énergétique du circuit EGR 20. Cette méthode permet une équivalence entre le système thermique de la figure 2 et le système électrique de la figure 3.- the convective exchanges linked to the flow of air around the GMP (Powertrain), - the radiative exchanges between the various components of the under hood (cylinder head, exhaust manifold, turbocharger, apron, ski, ...) The cooling of the gases through the EGR cooler With reference to FIG. 3, an "electrical <=>thermal" analogy is shown used to draw up an energy balance of the EGR circuit 20. This method allows an equivalence between the thermal system of Figure 2 and the electrical system of Figure 3.
Il est à noter que l'ensemble de la paroi du tube EGR est résumé ici à une température globale et unique : Tp. Les équations de conservation de l'énergie, pour le système EGR, peuvent ainsi se mettre sous la forme :It should be noted that the entire wall of the EGR tube is summarized here at a global and unique temperature: T p . The energy conservation equations for the EGR system can thus be in the form of:
Ul I \ I \ I \ inox ' ± inox ' j convective _ mt erne'\ 2 p / convective _ externe'X convective p / raώative _ externe *\ radiative p /Stainless steel 'stainless steel' convective _ mt erne '\ 2 p / convective _ external'X convective p / raώative _ external * \ radiative p /
p )^~ &egr -^P 'egr (/ avt ~ ^2 ) p) ^ ~ & egr - ^ P'egr (/ avt ~ ^ 2)
K3-Cp3. = Sjegr-Cpegl..\l1 — ^3 j~ Kefroidissuer _ egr K 3 -Cp 3 . Sj = egr -Cp egl .. \ l 1 - j ~ K ^ 3 e ro f i d i _ ssuer egr
Les significations de termes de ces équations pourront être mieux comprises à la lecture du « glossaire » en fin de description. En explicitant IeS COnduCtanCeS (Gconvective interne , Gradiative externe , GCOnvective externe), il vient alors :The meanings of terms in these equations can be better understood by reading the "glossary" at the end of the description. By explaining the CONDUCTIBLES (internal con guration, External G ra diative, G CO nvective external), it comes then:
Mιnox.Cpmox.^ = hmt .S.(T2 - Tp) + ε.σ.S.fιJ .(T*Λatιve - Tp A) + hext.S.(Tconvectιve - Tp ) (1 )M ιnox .Cp mox . ^ = H mt .S. (T 2 - T p ) + ε.σ.Sf ιJ . (T * Λatve - T p A ) + h ext . S (T convectve - T p ) (1)
Megr ^^ ^ = k^ S-(TP ~ T2 ) + Qegr 'CP egr iTavt ~ T2 ) (2) M e g r ^^ ^ k = S ^ - (T P ~ T 2) + Qegr 'C P e ri g avt T ~ T 2) (2)
Là encore, les significations de différents termes de ce système d'équations pourront être mieux comprises à la lecture du « glossaire » en fin de description. De plus, les significations et les valeurs de certains termes de ce système d'équations différentielles sont données ci-dessous : * h Les échanges convectifs internes entre les gaz EGR et la paroi 26 du conduit d'entrée 25 sont décrits macroscopiquement par un coefficient d'échange hιnt. Ce coefficient est obtenu en utilisant une relation empirique reliant trois coefficients sans dimension : le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Reynolds (Re) et le nombre de Prandtl (Pr).Here again, the meanings of different terms of this system of equations can be better understood by reading the "glossary" at the end of the description. In addition, the meanings and values of some terms of this system of differential equations are given below: The internal convective exchanges between the EGR gases and the wall 26 of the inlet duct 25 are macroscopically described by a hen exchange coefficient . This coefficient is obtained by using an empirical relation connecting three dimensionless coefficients: the Nusselt number (Nu), the Reynolds number (Re) and the Prandtl number (Pr).
Nu = 0.021.Re0'*. Vv0'6 = h'"' -D™rm'«"e Nu = 0.021.Re 0 '*. Vv 0 ' 6 = h '"'- D ' rm '"" e
A où :Where:
- λ est la conductivité thermique des gaz EGR, qui est une constante pour le gaz d'échappement considéré ; - Pr est une constante ≈ 0,7 ; y o.Vr - Dis caractenstιque . . . . r- J Jj.- 1 λ is the thermal conductivity of the EGR gas, which is a constant for the exhaust gas under consideration; Pr is a constant ≈ 0.7; there o.Vr - D is charac t stιque . . . . r- JJj. - 1
- Re = = - voir le glossaire en fin de description pour la μ μ.Tl .LJ caractéristique signification des différents termes.- Re = = - see the glossary at the end of description for the μ μ.Tl .L J é character teristic meaning of different terms.
- D caractéristique '• diamètre caractéristique. Dans le cas d'un conduit EGR, il peut être pris égal au diamètre interne du conduit (Degr) ; * hext :Characteristic diameter. In the case of an EGR duct, it can be taken as equal to the internal diameter of the duct (D egr ); * h ext :
Les échanges convectifs liés à l'écoulement de l'air autour du circuit 20 sont décrits macroscopiquement par un coefficient d'échange convectif hext. Ce coefficient est considéré constant et est ajusté afin de recaler le modèle par rapport à des essais réalisés. La température moyenne de l'air traversant le compartiment moteur (Tconvectlve) suit généralement une évolution proche de celle de la température d'eau de refroidissement en sortie du moteur 10. En effet, la température d'eau en sortie du compartiment moteur est un bon indicateur de la thermique régnant dans le compartiment moteur. On simplifie ainsi en écrivant :The convective exchanges related to the flow of air around the circuit 20 are described macroscopically by a convective exchange coefficient h ext . This coefficient is considered constant and is adjusted in order to recalibrate the model with respect to tests carried out. The average temperature of the air passing through the engine compartment (T convectlve ) generally follows an evolution close to that of the cooling water temperature at the output of the engine 10. In fact, the water temperature at the outlet of the engine compartment is a good indicator of the temperature in the engine compartment. This simplifies by writing:
1 T convective = 1 T eau 1 convective T = 1 T water
* σ : constante de Boltzmann (=5,67.10"8) permettant de décrire les échanges radiatifs entre les divers composants du sous-capot. Les échanges radiatifs sous-capot sont du même ordre de grandeur que les échanges convectifs. Ils ne peuvent donc pas être négligés. Les échanges énergétiques d'origine radiatives sont décrits par des relations en T4.* σ: Boltzmann constant (= 5,67.10 "8 ) to describe the radiative exchanges between the various components of the undercap. Radiative under-hood exchanges are of the same order of magnitude as convective exchanges. They can not be neglected. Energy exchanges of radiative origin are described by T 4 relations.
Le facteur de forme (fv ) qui est défini comme « la façon dont le conduit d'entrée 25 voit le reste du sous-capot » est imposé ici à 1.The form factor (f v ) which is defined as "the way the inlet duct 25 sees the rest of the underhood" is imposed here at 1.
Le conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22 présente généralement des émissivités (ε) de l'ordre de 0,8.The inlet duct 25 upstream of the cooler 22 generally has emissivities (ε) of the order of 0.8.
La température moyenne des éléments dans le compartiment moteur {Tmdmtιve) suit généralement une évolution proche de celle de la température d'eau en sortie de moteur. On peut donc écrire :The average temperature of the elements in the engine compartment {T m dmtιve) generally follows an evolution close to that of the water temperature at the engine outlet. We can write:
•* radiative •* eau• * radiative • * water
£3£ 3
Les puissances thermiques extraites par le refroidisseur 22 sont fréquemment traduites sous forme d'une efficacité : 63 Thermal power extracted by the cooler 22 are frequently translated as an efficiency: 6 3
T2 - T3 ε, =T 2 - T 3 ε, =
12 ' 1 eau 1 2 '1 water
Celles-ci peuvent être identifiées sur banc d'organes. L'efficacité du refroidisseur EGR dépend, à l'ordre 1, du débit d'EGR (Qegr)- * Autres valeurs des équations (1), (2) et (3) :These can be identified on a body bench. The efficiency of the EGR cooler depends on the order of the EGR flow (Q eg r) - * Other values of equations (1), (2) and (3):
- Megr est la masse de gaz enfermée dans le conduit d'entrée 25. Elle est si petite par rapport aux autres termes des équations, qu'elle peut être considérée comme nulle.M e is the mass of gas enclosed in the inlet duct 25. It is so small compared to the other terms of the equations that it can be considered as zero.
- Cpegr est la chaleur massique des gaz EGR à pression constante. Cette valeur dépend de la nature des gaz. Elle est typiquement proche de 1150 J/kg.K.- Cpegr is the specific heat of EGR gases at constant pressure. This value depends on the nature of the gases. It is typically close to 1150 J / kg.K.
- Cp inox est la chaleur massique des gaz EGR dans des parois 26 du conduit d'entrée 25, valeur dépendante de la nature du matériau (e.g. inox ici). - Qegr est le débit EGR traversant le conduit d'entrée 25. On le mesure pas, mais on l'estime par le calcul d'une différence entre une mesure de Qfrais (débit mesuré en sortie du compresseur 51) et une mesure de Qmot (débit entrant dans le moteur). D'autres techniques existantes, connues de l'homme du métier, peuvent aussi être alternativement utilisées pour estimer Qegr. Ces techniques choisies sont typiquement propres à chaque calculateur moteur utilisé ou à chaque logiciel prévu.- Cp stainless steel is the specific heat of the EGR gases in walls 26 of the inlet duct 25, value depending on the nature of the material (eg stainless steel here). - Q eg r is the EGR flow through the inlet duct 25. It is not measured, but it is estimated by calculating a difference between a measurement of Qf ra is (flow measured at the output of the compressor 51) and a measure of Q word (flow entering the engine). Other existing techniques, known to those skilled in the art, may alternatively be used to estimate Q egr . These chosen techniques are typically specific to each engine ECU used or to each planned software.
On a ainsi trois équations à trois inconnues (Tp, T2, T3), résolvables en trouvant en premier lieu Tp, puis T2 et enfin T3.We thus have three equations with three unknowns (T p , T 2 , T 3 ), resolvable by first finding T p , then T 2 and finally T 3 .
On obtient alors une estimation de la température en sortie du refroidisseur 22 en prenant en compte la dissipation de chaleur au niveau du conduit d'entrée 25, rendant alors l'estimation précise car fidèle à la réalité.An estimate of the temperature at the outlet of the cooler 22 is then obtained by taking into account the heat dissipation at the inlet duct 25, thus making the estimate accurate because true to reality.
2eme mode de réalisation : Simplification drastique des équations2 nd embodiment: drastic simplification of the equations
Les équations physiques développées précédemment sont intégrables dans un calculateur mais elles peuvent rester relativement compliquées (équations 1,2 et 3). Ils s'agit en effet d'un système d'équations différentielles non-linéaires (présence de termes en T4), fortement couplées.The previously developed physical equations are integrable in a calculator but can remain relatively complicated (equations 1,2 and 3). It is indeed a system of nonlinear differential equations (presence of T 4 terms), strongly coupled.
Une simplification de ce système serait donc souhaitable afin d'obtenir un système d'équations différentielles du premier ordre, linéaires et indépendantes. A cet effet, en référence à la figure 4, on considère le circuit EGR 20 comme une combinaison de deux échangeurs de chaleur 100 et 200 en série.A simplification of this system would therefore be desirable in order to obtain a system of first-order, linear and independent differential equations. For this purpose, with reference to FIG. 4, the EGR circuit 20 is considered to be a combination of two heat exchangers 100 and 200 in series.
Le premier échangeur 100 est constitué du conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22. Dans cet échangeur 100, circulent les gaz EGR refroidis par le milieu ambiant 150 régnant dans le compartiment moteur (Tradιatιve et Tconvectιve explicitées précédemment). La température des gaz en sortie de ce premier échangeur 100 est la température T2.The first exchanger 100 consists of the inlet duct 25 upstream of the cooler 22. In this exchanger 100, circulate the EGR gas cooled by the ambient environment 150 prevailing in the engine compartment (T radιatíve and T convectíve explained above). The temperature of the gases at the outlet of this first exchanger 100 is the temperature T 2 .
Le second échangeur 200 est constitué du refroidisseur EGR 22. Dans cet échangeur 200 circulent les gaz EGR (à la température T2) qui sont refroidis par l'eau du circuit de refroidissement 250 moteur (Teau). La température des gaz en sortie de ce second échangeur 200 est la température T3. 1. Le premier échangeur 100The second heat exchanger 200 consists of the EGR cooler 22. In this exchanger 200 circulates the EGR gas (at the temperature T 2 ) which are cooled by the water of the cooling circuit 250 engine (T water ). The temperature of the gases at the outlet of this second exchanger 200 is the temperature T3. 1. The first exchanger 100
En définissant le conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur comme un échangeur 100, on introduit macroscopiquement une efficacité :By defining the inlet duct 25 upstream of the cooler as an exchanger 100, macroscopically an efficiency is introduced:
T - T ε ~ -T - T ~ ε -
T - T sous_capotT - T sous_capot
Cette efficacité résume les performances thermiques du conduit d'entrée 25, c'est-à-dire la façon dont les gaz EGR sont refroidis au contact de la paroi 26 du conduit 25 qui, lui-même, est refroidi par l'environnement du sous-capot. La notion d'efficacité est généralement utilisée en régime stabilisé. Or, la masse du conduit d'entrée 25 étant importante (plusieurs centaines de grammes), la température (Tp) de la paroi 26 du conduit 25 n'est pas atteinte avant plusieurs minutes et donc, la notion d'efficacité n'est plus exploitable simplement, c'est à dire, sans faire intervenir des équations différentielles facilement intégrables dans un calculateur.This efficiency summarizes the thermal performance of the inlet duct 25, that is to say the way the EGR gases are cooled in contact with the wall 26 of the duct 25 which itself is cooled by the environment of the undercap. The concept of efficiency is generally used in steady state. However, the mass of the inlet duct 25 being large (several hundred grams), the temperature (T p ) of the wall 26 of the duct 25 is not reached for several minutes and therefore, the notion of efficiency n ' is more exploitable simply, that is to say, without involving differential equations easily integrable in a calculator.
Il devient donc nécessaire de définir des efficacités intermédiaires en faisant intervenir : la température de la paroi 26 du conduit d'entrée 25 lorsque le régime stabilisé est atteint ( Tp∞) ; la température des gaz en entrée refroidisseur lorsque le régime stabilisé est atteint (T2∞). On décompose alors ladite efficacité en deux parties :It therefore becomes necessary to define intermediate efficiencies by involving: the temperature of the wall 26 of the inlet duct 25 when the stabilized regime is reached (T p∞ ); the coolant inlet gas temperature when the steady state is reached (T 2∞ ). This efficiency is then broken down into two parts:
T T T - T avt p°° avt sous _ capotT T T - T avt p °° avt under _ hood
Approximativement : εi décrit la façon dont les gaz d'échappement chauffent les parois 26 du conduit 25 ; - 82 décrit la façon dont les gaz échappement se refroidissent au contact de la paroi 26 du conduit 25.Approximately: εi describes how the exhaust gases heat the walls 26 of the conduit 25; - 8 2 describes how the exhaust gases cool in contact with the wall 26 of the conduit 25.
1 .1 . Simplification de l'équation (1)1 .1. Simplification of the equation (1)
L'équation (1) de conservation de l'énergie peut être compliquée à résoudre, en particulier à cause du terme en T4 lié aux échanges radiatifs sous capot. Dans le compartiment moteur, les échanges convectifs liés à l'écoulement de l'air autour du conduit d'entrée 25 sont du même ordre de grandeur que l'ensemble des échanges radiatifs entre le conduit d'entrée 25 et les divers composants du sous-capot (culasse, collecteur d'échappement, turbocompresseur, tablier, ski,..). On simplifie alors ainsi l'équation ci-dessus en écrivant : dTp The energy conservation equation (1) can be complicated to solve, in particular because of the T 4 term linked to the radiative exchanges under the hood. In the engine compartment, the convective exchanges linked to the flow of air around the inlet duct 25 are of the same order of magnitude as the set of radiative exchanges between the inlet duct 25 and the various components of the sub duct 25. -capot (cylinder head, exhaust manifold, turbocharger, apron, ski, ..). We then simplify the equation above by writing: dT p
Mmox.CPιnox.^- ≈hιnt.S.(T2-Tp) + 2.hext.S.(Tconvectιve-Tp)H mox Pιnox .C ^ -.. ≈h ιnt .S (T 2 -T p) + 2.h ext .S (T p -T convectιve).
La température d'eau Teau en sortie moteur est généralement un bon indicateur de l'environnement thermique dans le compartiment moteur, ce qui permet encore de simplifier en : dTp Mmox.CPmox.^≈hιnt.S.(T2-Tp) + 2.hext.S.(Teau-Tp) (5)The water water temperature T in engine output is usually a good indicator of the thermal environment in the engine compartment, which further simplifies to:.. DT p ^ M mox .C Pmox ≈h ιnt .S (T 2 -T p ) + 2.h ext . (T water -T p ) (5)
L'échelle de temps qui régit la température de paroi du conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur est de l'ordre de la centaine de secondes. L'échelle de temps qui régit la température des gaz EGR en entrée refroidisseur 22 est de l'ordre de la seconde. Les modifications de T2 dans le temps sont donc quasi instantanées en comparaison des modifications de Tp dans le temps. Ainsi : dT, dT,The time scale that governs the wall temperature of the inlet duct 25 upstream of the cooler is of the order of one hundred seconds. The time scale that governs the temperature of the EGR gas at the cooling inlet 22 is of the order of one second. T2 changes over time are therefore almost instantaneous compared with changes in T p over time. Thus: dT, dT,
M eSr-Cpegr- - d7t-<«M ~ m » o χ. -CP*-m » o<« χ- dt M srcp egr - - d7t - <" m ~ m " o χ . -C P * - m " o <" χ - dt
L'équation (2), liée à la conservation de l'énergie, peut alors se simplifier en :Equation (2), related to the conservation of energy, can then be simplified by:
Megr.CPe, hmt.S.(T -T2) + Qegr.Cpegr.(Tavt -T2) ≈ 0 Ou encore : Mgr .C Pe, h mt .S. (T -T 2 ) + Q egr .Cp egr . (T avt -T 2 ) ≈ 0 Or :
K-S-Tp+Qegr.Cpegr.Tavt hm.S + Qegr.CPegr K 'KST p + Q egr .Cp egr .T avt h m .S + Q egr .C Pegr K '
En intégrant l'équation (6) dans l'équation (5), on obtient :By integrating equation (6) into equation (5), we obtain:
M1110x - Cp1110x . —— ≈ . (Tavt -Tp) + Lh^ .S. (Teau - Tp ) (7) M 1110x - Cp 1110x . - ≈. (T avt -T p ) + Lh ^ .S. (T water - T p ) (7)
On recherche maintenant une équation simple décrivant l'évolution de la température de la paroi 26 sous la forme : Par ailleurs, à partir de la définition de εi donnée ci-dessus dans l'équation (4) et d'une approximation de Tsous.capot à Teau on peut écrire Tp∞ sous la forme :We are now looking for a simple equation describing the evolution of the temperature of the wall 26 in the form: Moreover, from the definition of εi given above in equation (4) and an approximation of T sub . hood to T water we can write T p∞ in the form:
Tp00 = Tavt . (l- Sl) + Sl. TeauTp 00 = T avt . (l-Sl) + Sl. teau
Par identification des équations (7) et (8), il vient alors :By identification of equations (7) and (8), it comes then:
1.2. Simplification de l'équation 21.2. Simplification of equation 2
L'échelle de temps qui régit la température des gaz EGR en entrée refroidisseur est de l'ordre de la seconde. A cette échelle, la température de paroi du conduit EGR en amont du refroidisseur évolue peu.The time scale that governs the temperature of the EGR gas at the cooler inlet is of the order of one second. At this scale, the wall temperature of the EGR duct upstream of the cooler changes little.
Ainsi, en utilisant la définition de ε2 donnée dans l'équation (4), on écrit :Thus, using the definition of ε 2 given in equation (4), we write:
T - T T - TT - T T - T
_ J avt J 2∞ ^ J avt J 2∞_ J avt J 2∞ ^ J avt J 2∞
2 j _ j j _ j avt p∞ avt p2 j _ j j _ j avt p∞ with p
Soit : T2∞ ≈ Tavt(\ - ε2)+ ε2.Tp Let: T 2∞ ≈ T avt (\ - ε 2 ) + ε 2 .T p
On recherche une équation simple décrivant l'évolution de la température des gaz EGR en entrée refroidisseur sous une forme :We search for a simple equation describing the evolution of the temperature of the EGR gases at the cooling inlet in a form:
(9) dt ~ τ2 K l∞ l } Par identification des équations 9 et 2, il vient : hmt .S ^ Megr.CPegr hm,S + Qegr.CPegr hmi .S + Qegr.CPegr (9) dt ~ τ 2 K l∞ l} By identification of the equations 9 and 2, it comes: h mt .S ^ M egr .C Pegr h m , S + Q egr .C Pegr h mi .S + Q egr .C Pegr
1.3. Résumé de la simplification du premier échangeur 1001.3. Summary of the simplification of the first interchange 100
Les équations de conservation de l'énergie régissant les échanges énergétiques des gaz dans le conduit EGR en amont du refroidisseur s'écrivaient initialementThe energy conservation equations governing the energy exchanges of energy gas in the EGR duct upstream of the cooler were initially written
Mmox.CPmox.—^ = hmt.S.(T2-Tp) + ε.σ.S.f .(Tr 4 admtιve -T") + hext.S.(Tconvectιve -T ) (1) dtM mox .C Pmox .- ^ = h mt .S. (T 2 -T p ) + ε.σ.Sf. (T r 4 admittance -T ") + h ext . S (T convectve -T) ( 1) dt
M ezr -CPegr .-± = hmt JS. (T -T2) + Qegr £pegr .(Tavt - T2 ) dt (2) M z e r -C PEGR .- ± h = mt JS. (T -T 2 ) + Q egr £ p egr (T avt - T 2 ) dt (2)
Après simplification, ces deux équations s'écrivent maintenant sous la forme :After simplification, these two equations are now written in the form:
Equation (1) simplifiée Equation (2) simplifiée Avec :Simplified equation (1) Equation (2) simplified With:
2\xt.S 2\xt.S2 \ xt .S 2 \ xt .S
S1 ≈ soit ε K-SS 1 ≈ either ε KS
Qegr-CpegrKvS 1 2.hext.S + Qegr.CPegr2 2 hmt.S + Qegr.CPeg Q egr -Cp egr KvS 1 2.h ext .S + Q egr .C Pegr 2 2 h mt .S + Q egr .C Peg
2A t.S + -2A t .S + -
Qegr-Cpegr+hmt.S soit M moX-cPmox M egr-Cpegr Q egr -Cp egr + h mt .S ie M m o o X - c P mox M egr -Cp egr
T0 T 0
^Kn -S + Qegr -CPegr2 hmt .S + Qegr .CPegr ^ K n -S + Q egr -C Pegr .ε 2 h mt .S + Q egr .C Pegr
Au premier ordre, S1 et ε2 ne dépendent que du débit EGR (Qegr)- En effet,In the first order, S 1 and ε 2 depend only on the flow EGR (Q eg r) - Indeed,
" pour ε2 : hmt, coefficient d'échange convective entre les gaz EGR et la paroi du conduit EGR, est une fonction de Reynolds °'8. Au premier ordre, le nombre de Reynolds est fonction du débit EGR (Qegr)-"for ε 2 : h mt , convective exchange coefficient between the EGR gases and the wall of the EGR duct, is a Reynolds function ° ' 8. At first order, the Reynolds number is a function of the EGR flow (Q e r ) -
S2 peut alors être noté de la manière suivante : K7 S 2 can then be written as follows: K 7
S7 =- n o κ2+cP n: 0g,;2 avec K? = ConstanteS 7 = - no κ 2 + c P n: 0 g ,; 2 with K? = Constant
" pour S1 : S1 est directement lié à ε2 par la relation : ε 2-h ^sfor S 1 : S 1 is directly linked to ε 2 by the relation: ε 2 - h ^ s
hext étant, pour rappel, le coefficient d'échange convectif considéré constant. S1 peut alors être écrit de la manière suivante :h ext being, as a reminder, the convective exchange coefficient considered constant. S 1 can then be written as follows:
Kt ει =K t ει =
Kx + Cpesr.Qesr.ε avec Ki = ConstanteK x + Cp esr .Q esr .ε with Ki = Constant
Au premier ordre, les constantes de temps, τp et τ2 ne dépendent également que du débit EGR (Qegr). MaisAt first order, the time constants, τ p and τ 2 also depend only on the flow EGR (Q egr ). But
" pour T2 : la masse EGR comprise dans le conduit EGR est faible. La constante de temps T2 ne verra que de faibles variations. Elle sera donc considérée comme constante. Cependant, d'autres possibilités de description de cette constante de temps peuvent être prévus, telle qu'une description basée sur un modèle ou règle mathématique plus complexe gérée par un programme."for T 2 : the EGR mass in the EGR duct is small, the time constant T 2 will only show small variations, and will therefore be considered constant, but other possibilities for describing this time constant may be be expected, such as a description based on a more complex model or mathematical rule managed by a program.
" pour τp : dans un souci de simplification, on peut prendre un débit d'EGR moyen afin de déterminer une constante de temps unique. Cependant, d'autres possibilités de description de cette constante de temps peuvent être prévus, telle qu'une description basée sur un modèle ou règle mathématique plus complexe gérée par un programme."For τ p : for the sake of simplicity, an average EGR flow can be used to determine a single time constant, but other possibilities for describing this time constant can be provided, such as description based on a more complex model or mathematical rule managed by a program.
Après simplification, les équations (1) et (2) s'écrivent :After simplification, equations (1) and (2) are written:
T^ = Tavf (\ - εi ) + εVTeau T2∞ = Tavt.(\ - ε2) + ε2.Tp dTn dt L p∞ p i ^ dt = - T2 [T1. -T1] T ^ = T avf (\ - ε i) + ε V T water T 2∞ = T avt . (\ - ε 2 ) + ε 2 .T p dT n dt L p∞ pi ^ dt = - T 2 [T 1 . -T 1 ]
Equation (1) simplifiée Equation (2) simplifiéeSimplified equation (1) Equation (2) simplified
AvecWith
K, Kn K, K n
*i = ε7 =* i = ε 7 =
K1 + Cp ^. Q^e2 K2 + Cp .QJ0 K 1 + Cp ^. Q ^ e 2 K 2 + Cp .QJ 0
K] — Constante K7 = Constante T — Constante T2 —ConstanteK] - Constant K 7 = Constant T - Constant T 2 -Constant
Les constantes Ki, K2, τp et T2 sont connues (voir modes de calcul ci- dessus), connaissant les ordres de grandeur attribués à Mmox, Qegr, hext et hιnt et basées sur des mesures et/ou des estimations.The constants Ki, K2, τ p and T2 are known (see calculation methods above), knowing the orders of magnitude assigned to M mox , Q egr , h ext and h нnt and based on measurements and / or estimates. .
Ces constantes peuvent alors être ajustées afin de recaler le modèle par rapport à des essais effectués préalablement sur le compartiment moteur.These constants can then be adjusted in order to recalibrate the model compared to previous tests on the engine compartment.
2. Le second échangeur 2002. The second heat exchanger 200
L'équation (3) est ici conservée.Equation (3) is retained here.
La constante de temps (13) est alors introduite dans l'estimateur de température EGR afin de prendre en compte l'inertie thermique du refroidisseur 22. Cette constante peut être mesurée sur bancs moteurs ou être estimée à partir des données reçues d'un fabriquant de refroidisseur.The time constant (13) is then introduced into the EGR temperature estimator to take into account the thermal inertia of the cooler 22. This constant can be measured on engine benches or be estimated from data received from a manufacturer. cooler.
Cette constante peut être ajustée afin de recaler le modèle par rapport à des essais préalablement effectués sur un compartiment moteur.This constant can be adjusted in order to readjust the model compared to tests previously carried out on an engine compartment.
On en déduit alors la température estimée T3 en sortie de refroidisseur 22. En référence à la figure 6, différentes courbes de la température des gaz T 3 en sortie du refroidisseur 22 permettent des comparaisons entre :The estimated temperature T 3 is then deduced at the outlet of the cooler 22. With reference to FIG. 6, different curves of the temperature of the gases T 3 at the outlet of the cooler 22 allow comparisons between:
- une mesure faite (courbe 1) ;- a measurement made (curve 1);
- une estimation selon le premier mode de réalisation de l'invention (courbe 2) ;an estimate according to the first embodiment of the invention (curve 2);
- une estimation selon le deuxième mode de réalisation de l'invention (courbe 3). Les procédés d'estimation ont été intégrés dans un calculateur automobile.an estimate according to the second embodiment of the invention (curve 3). The estimation methods have been integrated in an automotive calculator.
De plus, la courbe 4 donne le résultat d'une estimation de T3 dans le cas où on ne tient pas compte de la dissipation de chaleur par le conduit d'entrée 25.In addition, the curve 4 gives the result of an estimate of T3 in the case where the heat dissipation is not taken into account by the inlet duct 25.
Il est clair, à la lecture du graphe, que la prise en compte dans la modélisation des échanges thermiques entre les gaz et les parois 26 du conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22 améliore considérablement la précision de l'estimation de la température des gaz EGR en sortie de refroidisseur 22.It is clear from reading the graph that taking into account in the modeling of the heat exchanges between the gases and the walls 26 of the inlet duct 25 upstream of the cooler 22 considerably improves the accuracy of the temperature estimation. EGR gases at the outlet of the cooler 22.
Ainsi, les écarts moyens entre l'estimation de la température des gaz EGR en sortie refroidisseur 22 selon l'invention et les mesures sont de 8 à 12°C. De plus, il est à noter que ce nouvel estimateur permet de suivre correctement les évolutions des températures des gaz tout le long du circuit EGR.Thus, the average deviations between the estimation of the temperature of the EGR gas at the cooling outlet 22 according to the invention and the measurements are from 8 to 12 ° C. In addition, it should be noted that this new estimator makes it possible to correctly follow the evolutions of the gas temperatures all along the EGR circuit.
Par ailleurs, la simplification du deuxième mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation de l'invention conduit à des écarts de 2 % seulement. On utilisera donc le deuxième mode de réalisation dans le cas où on souhaite minimiser les moyens et les temps de calcul, et le premier mode de réalisation dans le cas où on souhaite maximiser la précision de l'estimation.Furthermore, the simplification of the second embodiment with respect to the first embodiment of the invention leads to differences of only 2%. We will therefore use the second embodiment in the case where it is desired to minimize the means and the calculation times, and the first embodiment in the case where it is desired to maximize the accuracy of the estimate.
En outre, l'estimation selon l'invention présente l'avantage d'être très simple et donc facilement intégrable dans un calculateur. La proposition de simplification de la description des échanges thermiques dans le circuit EGR 20 donne donc entièrement satisfaction.In addition, the estimation according to the invention has the advantage of being very simple and therefore easy to integrate into a computer. The proposal to simplify the description of heat exchange in the EGR circuit 20 is therefore entirely satisfactory.
En référence à la figure 5, l'une ou l'autre des formulations simplifiées est extrêmement simple à résoudre pour un calculateur. L'estimation de la température des gaz d'échappement en sortie de circuit EGR 20 se fait ainsi en trois étapes successives :With reference to FIG. 5, one or the other of the simplified formulations is extremely simple to solve for a computer. The estimation of the exhaust gas temperature at the outlet of the EGR circuit 20 is thus done in three successive steps:
" Dans un premier temps, la température de paroi 26 du conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22 est estimée (Tp) ;In a first step, the wall temperature 26 of the inlet duct 25 upstream of the cooler 22 is estimated (T p );
" Dans un second temps, la température des gaz EGR en entrée du refroidisseur 22 est estimée (T2) ; " Dans un dernier temps, la température des gaz EGR en sortie du refroidisseur 22 est estimée (Zj).In a second step, the temperature of the EGR gas at the inlet of the cooler 22 is estimated (T 2 ): Finally, the temperature of the EGR gas at the outlet of the cooler 22 is estimated (Zj).
Quelques variantes de modélisations peuvent aussi être prévues, telles que la décomposition du conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22 en plusieurs petits «tronçons» ayant chacun sa propre température de paroi Tp. L'invention porte aussi sur un véhicule équipé d'un estimateur électronique de température comprenant des moyens de calcul ou calculateur et des moyens de stockage ou de mémoire de données prédéterminées et/ou mesurées, afin de mettre en œuvre le procédé d'estimation de température selon l'invention. On pourra en particulier prévoir un algorithme définissant l'estimation de la température en sortie de circuit EGR 20, dont l'exécution ne demande peu de moyens de calcul et peu de ressources, étant donné la simplicité du procédé qu'il met en œuvre. C'est donc un système idéal pour être intégré dans un ordinateur de bord.Some modeling variants may also be provided, such as the decomposition of the inlet duct 25 upstream of the cooler 22 into several small "sections" each having its own wall temperature T p . The invention also relates to a vehicle equipped with an electronic temperature estimator comprising calculating means or computer and storage means or data storage predetermined and / or measured, in order to implement the method of estimating temperature according to the invention. It will be possible in particular to provide an algorithm defining the temperature estimate at the output of the EGR circuit 20, the execution of which requires little computing means and few resources, given the simplicity of the process that it implements. It is therefore an ideal system to be integrated in a computer on board.
La construction d'un estimateur de température EGR aussi précis ouvre des perspectives très variées, comme par exemple la conception de nouvelles stratégies permettant de détecter le niveau d'encrassement du circuit EGR 20 par les gaz d'échappement. The construction of such a precise EGR temperature estimator opens up a wide variety of perspectives, such as the design of new strategies for detecting the level of fouling of the EGR circuit 20 by the exhaust gases.
GlossaireGlossary

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation de la température Zj de gaz d'échappement d'un moteur à combustion en sortie d'un circuit EGR équipant le moteur, basé sur un modèle prenant en compte la perte d'énergie thermique des gaz d'échappement au niveau du refroidisseur EGR du circuit EGR, caractérisé en ce que le modèle prend en outre en compte les échanges thermiques entre les gaz d'échappement et les parois d'un conduit amenant les gaz d'échappement vers le refroidisseur EGR.1. Method for estimating the exhaust gas temperature Zj of a combustion engine at the output of an EGR circuit fitted to the engine, based on a model taking into account the loss of thermal energy of the exhaust gases at the EGR cooler EGR circuit, characterized in that the model also takes into account the heat exchange between the exhaust gas and the walls of a conduit leading the exhaust gas to the EGR cooler.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit modèle prend en compte les échanges thermiques suivants :2. Method according to the preceding claim, characterized in that said model takes into account the following heat exchanges:
— les échanges thermiques internes entre les gaz et la paroi dudit conduit ;Internal heat exchanges between the gases and the wall of said duct;
— les échanges thermiques externes entre la paroi dudit conduit et l'environnement extérieur du compartiment moteur, tels que des échanges convectifs liés à un écoulement d'air et des échanges radiatifs de composants externes au conduit ;External heat exchanges between the wall of said duct and the external environment of the engine compartment, such as convective exchanges linked to an air flow and radiative exchanges of components external to the duct;
— le refroidissement des gaz au travers du refroidisseur EGR.- the cooling of the gases through the EGR cooler.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit modèle est basé sur des équations simplifiées de conservation d'énergie thermique des gaz prenant en compte les différents échanges thermiques tout au long du circuit EGR permettant :3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that said model is based on simplified equations of thermal energy conservation of gases taking into account the various heat exchanges throughout the EGR circuit for:
(a) une évaluation des échanges thermiques entre les gaz d'échappement et les parois d'un conduit amenant les gaz d'échappement vers le refroidisseur EGR du circuit EGR ;(a) an evaluation of the heat exchange between the exhaust gases and the walls of a duct bringing the exhaust gases to the EGR cooler of the EGR circuit;
(b) une évaluation des échanges thermiques des gaz d'échappement avec l'entrée du refroidisseur EGR, en prenant en compte l'évaluation de l'étape (a) ;(b) an evaluation of the thermal exchanges of the exhaust gases with the inlet of the EGR cooler, taking into account the evaluation of step (a);
(c) une évaluation des échanges thermiques des gaz d'échappement dans le refroidisseur EGR. (c) an evaluation of the thermal exchanges of the exhaust gases in the EGR cooler.
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites équations sont un système de trois équations à trois inconnues Tp, T2 et T3, sachant que :4. Method according to the preceding claim, characterized in that said equations are a system of three equations with three unknowns T p , T 2 and T 3 , knowing that:
• Tp est la température estimée des parois dudit conduit ;• T p is the estimated temperature of the walls of the duct;
• T2 est la température estimée des gaz d'échappement en entrée du refroidisseur ; les trois équations correspondant respectivement aux trois évaluations (a), (b) et (c).• T 2 is the estimated temperature of the exhaust gas at the inlet of the cooler; the three equations corresponding to the three assessments (a), (b) and (c), respectively.
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température J1J est principalement estimée à partir de la connaissance de la température des gaz d'échappement en entrée du circuit EGR, la température de l'eau de refroidissement moteur en sortie du moteur, la chaleur massique des gaz EGR à pression constante, le débit massique des gaz EGR, la chaleur massique dudit conduit, et les caractéristiques géométriques et massiques du conduit.5. Method according to the preceding claim, characterized in that the temperature J 1 J is mainly estimated from the knowledge of the temperature of the exhaust gas entering the EGR circuit, the temperature of the engine cooling water output of the engine, the mass heat of the EGR gases at constant pressure, the mass flow rate of the EGR gases, the specific heat of said duct, and the geometric and mass characteristics of the duct.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les6. Method according to the preceding claim, characterized in that the
dT,dT
M mox -cPmo,-^- = Kx -s-(τi - TP) + εxτ.S.f .{T?admtιve - T4) + hext .S.(Tconvectιve - T ) dt M mox - c P mo , - ^ - = Kx - s - ( τ i - T P ) + εxτ.Sf. admittance - T 4 ) + h ext .S. (T convectve - T) dt
JT1 JT 1
M ^P, = hmt JS. (T - T2) + Qegr .Cpegr .(Tavt - T2 ) dt M ^ P, = h mt JS. (T - T 2 ) + Q egr .Cp egr . (T avt - T 2 ) dt
^L = λ.[T2.(l - s3) + s3.Teau - T3 ] dt Ta^ L = λ. [T 2. (L - s 3 ) + s 3 .T water - T 3 ] dt Ta
ou :or :
et où : and or :
•* convechve •* radiative •* ea• convechve • * radiative • * ea
• hmt est calculée en utilisant une relation empirique reliant les trois coefficients sans dimension que sont le nombre de Nusselt, le nombre de Reynolds et le nombre de Prandtl : Nu =./(Re0'8 , Pr) ;• hmt is calculated using an empirical relationship connecting the three dimensionless coefficients of Nusselt number, Reynolds number and Prandtl number: Nu =. / (Re 0 ' 8 , Pr);
• hext est considéré constant et est ajusté afin de recaler le modèle par rapport à des essais ;• h ext is considered constant and is adjusted in order to readjust the model to tests;
Λ = i ; Λ = i;
• ε est de l'ordre de 0,8 ou une autre constante connue ;• ε is of the order of 0.8 or another known constant;
T2 - T3 T 2 - T 3
• ε• ε
3 T7 - T 3 T 7 - T
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit modèle se résume à un système d'équations différentielles du premier ordre, linéaires et indépendantes.7. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that said model comes down to a system of linear differential equations of the first order and independent.
8. Procédé selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que ces équations sont trouvées en faisant les approximations suivantes : les échanges externes convectifs liés à un écoulement de l'air autour du conduit sont du même ordre de grandeur que les échanges radiatifs par des composants externes au conduit ; - la température de convection est environ égale à la température de l'eau ; les modifications de T2 dans le temps sont instantanées en comparaison des modifications de Tp dans le temps.8. Method according to the preceding claim combined with claim 2, characterized in that these equations are found by making the approximations following: the convective external exchanges linked to a flow of air around the duct are of the same order of magnitude as the radiative exchanges by components external to the duct; the convection temperature is approximately equal to the temperature of the water; the changes of T 2 in time are instantaneous compared with the modifications of T p in time.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les équations du premier ordre sont trouvées à partir des équations selon la revendication 6 et en faisant toutes les approximations selon la revendication précédente, en ce que les deux première équations du premier ordre sont les suivantes :9. Method according to the preceding claim, characterized in that the equations of the first order are found from the equations according to claim 6 and making all the approximations according to the preceding claim, in that the first two equations of the first order are the following:
AvecWith
K, K1 ει = S2 =K, K 1 ει = S 2 =
K1 + Cp ^. Q^. 0,2 κ2 +cp n::K 1 + Cp ^. Q ^. 0.2 κ 2 + cp n ::
Ki = Constante K? = ConstanteKi = Constant K? = Constant
Tn = Constante T1 = Constante t pco Température instantanée de paroi (avec une inertie thermique de paroi nulle)T n = constant T 1 = constant t pco Instantaneous wall temperature (with zero wall thermal inertia)
! 2α Température instantanée des gaz en entrée refroidisseur paroi (avec une inertie thermique nulle)! 2α Instantaneous temperature of the inlet gas cooler wall (with zero thermal inertia)
T30 Température instantanée des gaz en sortie refroidisseur paroi (avec une inertie thermique nulle) εi Efficacité externe du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la simplification des équations différentiellesT 30 Instantaneous temperature of the gases leaving the wall cooler (with zero thermal inertia) εi External efficiency of the upstream EGR cooling duct during the simplification of the differential equations
£2 Efficacité interne du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la simplification des équations différentielles£ 2 Internal efficiency of the upstream EGR cooler duct during the simplification of the differential equations
£3 Efficacité du refroidisseur EGR£ 3 Efficiency of the EGR cooler
Constante de temps du conduit EGR en amont du refroidisseur t2 Constante de temps du gaz EGR en entrée du refroidisseurTime constant of the EGR duct upstream of the cooler t2 Time constant of the EGR gas at the inlet of the cooler
T3 Constante de temps du refroidisseur EGR en ce que la troisième équation du premier ordre est celle relative à T3 dans la revendication 6, et en ce qu'on introduit dans l'estimation de T3 ladite constante de temps Tj afin de prendre en compte l'inertie thermique du refroidisseur, ajustée selon des essais menés.T3 Time constant of the EGR cooler in that the third first-order equation is that relative to T 3 in claim 6, and in that said time constant Tj is introduced into the estimate of T 3 in order to take into account account the thermal inertia of the cooler, adjusted according to tests carried out.
10. Véhicule équipé d'un estimateur électronique de température comprenant des moyens de calcul et des moyens de stockage de données prédéterminées et/ou mesurées, afin de mettre en œuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes. 10. Vehicle equipped with an electronic temperature estimator comprising calculation means and predetermined data storage means and / or measured, in order to implement a method according to one of the preceding claims.
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