FR2830276A1 - Procede de determination de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'echappement de moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Le niveau d'émission de NOx d'un moteur à combustion interne dépend principalement de la température locale, de la concentration en oxygène et du temps de séjour de la charge des cylindres dans la chambre de combustion (4). Ces deux dernières grandeurs citées peuvent être détectées de façon relativement simple, par le biais d'une mesure de la vitesse de rotation du moteur, de la quantité d'air et de carburant utilisée. Il est d'une importance particulière lors de la détermination des émissions brutes de NOx , en particulier dans les moteurs combustion interne, fonctionnant avec un excès d'air, et lors de l'utilisation des catalyseurs accumulateurs de NOx (10) que lors de la surveillance de la masse de charge en NOx une modélisation différente s'effectue en fonction du mode de fonctionnement. On mesure de ce fait quelques paramètres moteurs dépendant du type de fonctionnement spécifique et on les utilise pour calculer l'émission en oxyde d'azote.
Description
d'azote.
L' invention concerne un procédé de détermination de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne et en particulier de moteurs à cycle de Otto (allumage commandé) à injection directe. Lors du fonctionnement des moteurs à combustion interne, il y a production de gaz d'échappement contenant différentes substances nocives, leur proportion respective dépendant essentiellement de la composition du mélange air/carburant. En particulier, lors d'un fonctionnement avec un mélange air/carburant pauvre, c'est-à-dire lorsque lambda >1, la proportion d'émission doxyde d'azote (NOX) est élevée. Il est connu que, dans de tels moteurs, on utilise des catalyseurs accumulateurs de NOX pour pouvoir respecter les prescription strictes imposoe en matière de gaz d'échappement. Les catalyseurs accumulateurs de NOX ont uniquement une capacité d'accumulation limitée, malgré une régénération induite dans un ordre de succession déterminé pendant le fonctionnement du moteur, une phase de régénération se faisant dans des conditions de fonctionnement déterminées, de sorte que l'on ne peut pas touj ours obtenir un degré suffisant de stockage des
oxydes d'azote produits.
Dans un procédé d'épuration des gaz diéchappement fonctionnant de façon discontinue, il faut déterminer la masse de NOX qui arrive dans le catalyseur accumulateur de NOX, afin de pouvoir déterminer le moment et la durée d'une régénération. Cette masse de NOX dépend de la concentration en NOX dans les gaz d'échappement, et du déLit-masse des gaz d'échappement et lorsqu' on est en régime pauvre, correspond
essentiellement aux émissions brutes de NOX du moteur.
Une possibilité de déterminer la concentration des NOX dans les gaz d'échappement est d'utiliser un capteur placé en amont du catalyseur. Ce capteur fournit un signal de la concentration en NOX dans les
gaz d'échappement, d'o, conJointement avec le déLit-
masse d'air et de carturant, on peut calculer la masse de NOX. On devrait disposer un tel capteur également en aval du catalyseur, pour diagnostiquer son efficacité. Du fait que les capteurs mentionnés cidessus sont chers, il est souhaitable de renoncer au moins à l'un des deux capteurs ou même complètement aux deux. De ce fait, on a tenté de calculer les émissions d'oxyde d'azote du moteur, à partir de grandeurs d' influence correspondantes, détectées par une commande moteur, en utilisant un modèle de calcul. Pour cette raison, l' influence des différents paramètres moteur, sur l'émission brute des NOX, est prise en compte dans une structure donnant un modèle d'émission brute d'oxyde d'azote, pour pouvoir renoncer au moins à installer un capteur de NOX dans le système de gaz d'échappement, lorsque l'on a une précision suffisante d'une modélisation. Par le DE 19851319 A1, on connaît un procédé de détermination de l'émission brute de NOX d'un moteur à combustion interne fonctionnant avec un excès d'air, procédé pour lequel on doit obtenir une approximation de l'émission brute de NOX modélisée par rapport à une émission brute de NOX réelle. Dans ce procédé, le dogré d'étranglement ainsi que la température d'air d' aspiration à l'intérieur sont pris en considération de facon quantitative dans un modèle de calcul visant à déterminer l'émission brute de NOX. On obtient alors une émission brute de NOX de base, en fonctionnement en charge stratifice du moteur à combustion interne, à partir d'une caractéristique, en fonction de la masse
de carturant et de la vitesse de rotation du moteur.
Cette valeur de base est alors déterminée avec une valeur correctrice dépendant de la température d' air aspirce qui, à son tour, est corrigée par une valeur correctrice dépendant de la vitesse de rotation du moteur et du taux de recirculation des gaz d'échappement. On effectue en outre une correction supplémentaire en prenant en compte le degré d'étranglement lorsqu'on est en fonctionnement en
charge stratifiée.
Dans le procédé cité ci-dessus, quelques paramètres du moteur ne sont touj ours pas pris en considération, alors qu'ils exercent une influence importante sur la
formation des NOx.
De ce fait, l' invention a comme but de créer un procédé de détermination de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne fonctionnant en particulier avec un excès dair, procédé à l' aide duquel on puisse déterminer plus précisément quelle est l'émission des oxydes d'azote. Ce problème est résolu par un procédé de caloul de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne avec une chambre de combustion disposée dans un cylindre, un catalyseur, un dispositif de recTrculation des gaz d'échappement et une commande de moteur, o sont détectés une quantité de carturant amenée à la chambre de combustion, une quantité d' air amenée à la chambre de combustion, un autre de recirculation des gaz d'échappement, et une vitesse de rotation du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que, - en fonctionnement en charge stratifiée, on détecte l'état thermique de la chambre de combustion, et - à partir d'une valeur de l'état thermique de la chambre de combustion ainsi que des valeurs de la quantité de carburant de la vitesse de rotation et du taux de recirculation des gaz d'échappement, on calcule la masse de l'émission d'oxyde d'azote, ou bien par un procédé de calcul de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne avec une chambre de combustion disposoe dans un cylindre, un gaz catalyseur, un dispositif de recirculation des gaz d'échappement et une commande de moteur, o sont détectés une quantité de carburant amenée à la chambre de combustion, un rapport d'air, au moyen d'une quantité d'air amence à la chambre de combustion, un taux de recTrculation des gaz d'échappement, un moment d'allumage, et la vitesse de rotation du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que, - en combustion homogène, on détecte l'état thermique de la chambre de combustion, et - à partir de la valeur de l'état thermique de la chambre de combustion ainsi que des valeurs de la quantité de carDurant, de la vitesse de rotation, du rapport d'air et du moment d'allumage, on
calaule la masse d'émission d'oxyde d'azote.
La présente invention permet de calauler précisément les émissions de NOX du fait qu'on peut prendre comme base de ce calcul des valeurs provenant des grandeurs d' influence effectives sur l'émission des NOX. e niveau d'émission de NOX d'un moteur à combustion interne dépend principalement de la température locale, de la concentration en oxygène et du temps de séjour de la charge de cylindre dans la chambre de combustion. Les deux dernières grandeurs citées peuvent être détectées de facon relativement simple en mesurant la vitesse de rotation du moteur, la
quantité d'air utilisé et la quantité de carturant.
Selon la présente invention, il est d'une importance particulière, lors de la détermination des émissions brutes de NOX, en particulier dans les moteurs à combustion interne fonctionnant avec un excès d' air, et, en cas d'utilisation de catalyseurs accumulateurs de NOX, que, lors de la surveillance de la masse de chargement en NOX, on effectue une modélisation différente en fonction du mode de fonctionnement. De préférence, les moteurs à combustion cités ci-dessus fonctionnent en mode stratifié ou en régime pauvre homogène. De ce fait, quelques paramètres du moteur sont mesurés en fonction du type de fonctionnement spécifique et sont utilisés pour calauler les émissions doxyde d'azote. Pour obtenir une détermination ou une approximation précise des émissions brutes de MOX, on détecte alors les signaux correspondants en utilisant un appareil de commande et, ensuite, on détermine les émissions de NOX de manière
correspondante à une modélisation selon l' invention.
Le procédé selon l' invention de détermination des émissions d'oxyde d'azote prévoit de mesurer la quantité de carburant amenée à la chambre de combustion, la quantité dair amenée à la chambre de combustion, le taux de recTrculation des gaz d'échappement, la vitesse de rotation du moteur à combustion interne, le moment d'allumage et l'état thermique de la chambre de combustion, sachant que la masse d' émission dioxyde d' azote en fonctionnement en charge stratifiée est calaulée à partir de l'état thermique de la chambre de combustion, ainsi que des valeurs que sont la quantité de carEurant, la vitesse de rotation et le taux de recirculation des gaz d'échappement. Par contre, la masse de l'émission d'oxyde d'azote, en fonctionnement en régime pauvre homogène, est calculée à partir de la valeur de l'état thermique de la chambre de combustion, ainsi que des valeurs que sont la quantité de carturant, la vitesse
de rotation, le rapport d'air et le moment d'allumage.
Selon l 'invention, la détermination de l'état thermique de la chambre de combustion se fait par mesure de la température de la chambre de combustion, qui peut s'effectuer en utilisant un capteur de température. Pour mesurer le niveau de température en chambre de combustion, on mesure de prétérence, la température de la paroi de cylindre dans la zone de la chambre de combustion, ou bien la température de culasse dans la zone de la chambre de combustion, ceci en utilisant le capteur de température. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'état thermique de la chambre de combustion peut être mesuré en détectant la température de fluide de refroidissement, en particulier dans la zone de la chambre de combustion, en utilisant un capteur de température. C'est-à-dire que la température d'eau de refroidissement du moteur est déterminée dans la culasse, au-dessus de la chambre de combustion, ou bien du côté de la paroi de cylindre, dans la zone à laquelle l'allumage du mélange air/carturant s'effectue. La détermination d'émission brutes de NOX est effectuée en fonctionnement en couches stratifiées, en prenant en compte le niveau thermique de la chambre de combustion, la quantité de carburant ayant participé à la combustion, la vitesse de rotation et le taux AGR (taux de recirculation des gaz d'échappement). La quantité de carburant et la vitesse de rotation d'un moteur à combustion interne caractérisent, selon un champ de caractéristique déposé dans l'appareil de commande, le point de fonctionnement auquel on se situe. A partir d'une telle caractéristique, on effectue une détermination de valeur de NOX qui, d'abord, est corrigée en utilisant une valeur correctrice de taux AGR. Celle-ci de nouveau est corrigée aux moyens d'une valeur déterminée d'après l'état thermique de la chambre de combustion du moteur à combustion interne, pour déterminer de ce fait quelle
est la valeur de NOx réelle.
La quantité de carturant peut par exemple être déterminée par un dispositif de mesure de carEurant ou en utilisant des valeurs telles que la durée
d'ouverture et la pression à l'injecteur de carburant.
En outre, la vitesse de rotation peut être détectée à l' aide d'un capteur de vitesse de rotation. La détermination du taux de recTrculation des gaz diéchappement s'effectue sur la soupape de recTrculation des gaz d'échappement, en utilisant un dispositif de mesure approprié, sachant que la mesure du déLit-masse d'air peut s'effectuer à l' aide d'un
dispositif à clapet d'étranglement.
En utilisant les différents champs de caractéristiques enregistrés dans l'appareil de commande, on détermine alors les valeurs correctrices et on les utilise pour le caleul de l'émission brute de NOx réclle, à l' aide de la modélisation selon
l' invention.
La détermination des émissions brutes de NOx se fait en fonctionnement en régime homogène, en particulier en régime pauvre homagène (rapport d' air d' environ 1,4 à 1,5), en prenant en considération le niveau thermique de la chambre de combustion qui est déterminé d'après la quantité de carburant ayant participée à la combustion, la vitesse de rotation, le rapport d'air lambda et le moment d'allumage. De facon analogue à ce qu'on effectue en cas de fonctionnement en régime stratifié, à partir des champs de caractéristiques enregistrés, on détermine une valeur correctrice lambda, de moment d'allumage et d'état thermique de la chambre de combustion, valeurs correctrices qui sont utilisoes pour calculer les émissions brutes de NOx à l' aide d'une modélisation
selon l' invention.
Selon l 'invention, lors du calaul de la masse de l'émission d'oxyde d'azote, pour obtenir une approximation de la relation entre le rapport d'air, le taux de recirculation des gaz d'échappement et les émissions doxyde d'azote, on utilise un polynôme de deuxième degré. Lors du calcul de la masse de l'émission déoxyde d'azote, l'ordre de succession des grandeurs d'entrce peut alors être choisi de façon quelconue et la combinaison des grandeurs d'entrée, peut s'effectuer de préférence, de façon multiplicative
ou additive.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l 'invention, on peut effectuer une correction de la masse calculée de l'émission d'oxyde d'azote en utilisant le rapport dair des différents cylindres du moteur à combustion interne. Il est de ce fait possible de caleuler précisément les émissions de NOX d'un moteur à combustion, malgré les écarts entre les différents cylindres, pour ce qui concerne le rapport d'air de combustion. Du fait que le rapport d'air dans les différents cylindres n'est pas touj ours identique, du fait des dispersions observées lors de la fabrication des injecteurs, des écarts correspondants
peuvent apparaître au niveau des émissions de NOX.
Usuellement, une réqulation lambda permet déliminer certes de tels écarts par le fait que tous les cylindres sont alimentés avec plus ou moins de carburant, faisant que, au total, le rapport air/carburant souhaité dans les gaz d'échappement est bien réglé. Du fait que, cependant, l'émission de NOX d'un cylindre ne dépend pas de façon linéaire du rapport diair, ceci mène à ce que l'émission de NOX calaulée à partir d'un modèle d'émission brute de NOX
ne coïncide pas avec les émissions de NOX mesurables.
En déterminant les valeurs lambda des différents cylindres, il est encore possible de mesurer les écarts des quantités de carburant ingoctées. Le rapport d'air d'un cylindre individuel du moteur à combustion interne peut, par exemple, être détecté par une résolution temporelle élevée du signal mesuré à l'aide d'une sonde de réqulation lambda. L'ordre de succession d'allumage du moteur à combustion se retrouve dans les gaz d'échappement, faisant que la sonde lamÉda mesure les écarts des différents cylindres par rapport au rapport d'air de consigne. L'émission en NOX du moteur est ainsi déterminée comme étant la somme des émissions des
différents cylindres.
Il est en outre approprié de prévoir un capteur de NOX qui détecte la proportion de NOX dans l'écoulement de gaz diéchappement, sachant que la valeur de mesure en résultant est comparce à la valeur de l'émission de
NOX ayant été calculée.
D'autres avantages et détails de l' invention sont
contenus dans la description. L' invention est
explicitée plus en détail ci-après à l' aide des dessins. Dans les dessins: La Fig. 1 reprécente une illustration schématique d'un moteur à allumage commandé à cycle de Otto à inJection directe avec une recTrculation des gaz d'échappement et un catalyseur accumulateur des NOX, La Fig. 2 représente l' illustration de l' influence du taux de recTrculation des gaz d'échappement en fonctionnement à couches stratifiées, sur la concentration de NOX dans les gaz d'échappement, La Fig. 3 est l' illustration de l' influence du rapport d'air en fonctionnement en mode stratifié sur la concentration en NOX dans les gaz d'échappement, La Fig. 4 est l' illustration de l' influence de la température d'eau de refroidissement en fonctionnement à couches stratifices sur la concentration en NOX dans les gas d'échappement, La Fig. 5 est l' illustration de l' influence du rapport d' air en fonctionnement homogène sur la concentration en NOX dans les gas d'échappement, La Fig. 6 est l' illustration de l' influence du moment d'allumage en fonctionnement homogène sur la concentration en NOX dans les gas d'échappement, La Fig. 7 est l' illustration de l' influence de la température d'eau de refroidissement en fonctionnement homogène, sur la concentration en NOX dans les gas d'échappement, La Fig. 8 est l' illustration du principe d'une combinaison additive, La Fig. 9 est l' illustration du principe d'une combinaison multiplicative, La Fig. 10 est l' illustration de la prise en compte de l' influence de la charge et de la vitesse de rotation pour effectuer la correction des NOX, La Fig. 11 est l' illustration d'un calcul d'un polynôme de deuxième dogré dans la commande du moteur, La Fig. 12 est l' illustration d'une structure de modélisation visant à déterminer les émissions de NOX en fonctionnement en couches stratifiées, La Fig. 13 est l' illustration d'une structure de modélisation pour déterminer les émissions de NOX en fonctionnement homogène, La Fig. 14 est une représentation schématique d'un bloc cylindre d'un moteur à combustion interne à quatre cylindres équipé d'une sonde lambda, La Fig. 15 est l' illustration des émissions de NOX en fonction du rapport air-carburant, et La Fig. 16 est l' illustration de l' allure du signal lambda d'un moteur à combustion interne à
quatre cylindres.
On a représenté sur la Fig. 1 un bloc-cylindres 1 d'un moteur à cycle de Otto (à allumage commandé) à quatre cylindres à ingoction directe, schématiquement, en vue en coupe, passant dans un cylindre. Dans chaque cylindre, est disposé un injecteur de carburant 2 et une bougie d'allumage 3. En outre, dans le cylindre se trouve une chambre de combustion 4 délimitée par un piston 7 guidé de facon déplacable. De l'air neuf est amené à la chambre de combustion 4 par une soupape d'admission 5, des gaz d'échappement étant évacués après combustion, au moyen d'une soupape d'échappement 6. Un appareil de commande 8 assure la commande de
la combustion et le traitement des différents signaux.
Les signaux provenant d'une sonde lambda 9, d'un catalyseur accumulateur de NOX 10, d'une soupape de recirculation de gaz d'échappement 11, d'un capteur de température 12 disposé dans la zone de la chambre de combustion 4, d'un dispositif à clapet d'étranglement 13, d'un dispositif de mesure de carburant 17 en aval d'une pompe d' injection 16, sont détectés par l'appareil de commande 8. La préparation du signal dans l'appareil de commande 8 fait partie d'un cTrcuit électronique non reprécenté. Sur un vilebrequin, non représenté sur le dessin, du moteur à combustion interne, est monté un disque non représenté qui, par exemple, peut former simultanément le volant d'inertie, à ce disque étant associé un capteur de marque angulaire (non représenté) devant détecter la vitesse de rotation. Ce capteur de marque angulaire est raccordé à l'appareil de commande 8. La chambre de combustion 4 est limitée sur sa face supérieure par une culasse de cylindre 15, les soupapes d' admission et d' échappement étant disposées dans la culasse de cylindre 15. Au moyen de la soupape dadmission 5, on peut introduire l'air de combustion nécessaire par le tube d'admission 19 dans la chambre de combustion 4, la masse d'air respective, passant devant le dispositif à clapet d'étranglement, étant détectée au moyen d'un débiLmètre d'air, mesurant le déLit-masse, non représenté. Le déhiLmètre de masse d'air est également relié à l'appareil de commande 8, sachant qu'il est envisageable de déterminer la masse d'air à l' aide de la position du clapet angulaire et de
la vitesse de rotation du moteur.
Les gaz déchappement arrivent dans une conduite d'échappement 21 menant au catalyseur accumulateur de
NOX 10, en étant passé par la soupape d'échappement 6.
Une conduite de recTrculation des gaz d'échappement 14, qui se ramifie depuis la conduite des gaz déchappement 21, est prévue pour recycler les gaz d'échappement dans le tube d'admission 19. Dans cette conduite de recTrculation des gaz d'échappement 14, se trouve un capteur de recirculation (non représenté), disposé dans la soupape de recirculation des gaz d'échappement 11, qui détecte la masse des gaz d'échappement recyclés et transmet des signaux
correspondants à l'appareil de commande 8.
On va ensuite expliciter plus en détail le calcul du déLit-masse de NOX à partir de la concentration en NOX dans les gaz d'échappement (c(NOx). Le débit-masse du NOx, m NOX issu de la concentration en NOx, c(NOx), dans les gaz d'échappement est calaulée d'après la formule: 7n NOx = 2) c(NOx) FW FA (MBH+MLKH) Pour l'évaluation de l'émission des oxydes d'azote, on utilise la masse molaire M de NO2 et des gaz d'échappement. FW et FA servent à corriger l'humidité de l'air, c'est-à-dire que l'émission de NOX est normée à une humidité d'air déterminée, sachant que MBH restitue le déLit-masse d' air et que MLKH lO restitue le déLit-masse de carburant. Ceci est nécessaire parce que l'humidité de l'air exerce une influence mesurable sur les émissions de NOx des moteurs à combustion. Lorsque l'on a une humidité de l'air élevée, on a une plus faible émission de NOX que lorsqu' on a affaire à de l'air sec. La capacité calorifique de l'air d' aspiration augmente avec la teneur en vapeur deau et de ce fait, diminue la température de crête de combustion, sachant que FW se calcule d'après la formule suivante; FW l+a (7 PHIT-75)+tr1,8 (XTANSK-302) dans laquelle: PHIT: Humidité de l'air, se référant à de l'air 2 5 sec. exprimoe en g/kg XTANSK: Température de l'air d'aspiration, exprimée en degré K Les facteurs a et b sont déterminés d'après les formules suivantes:
0044. M -00038
b=-0,116. M H +0,0053
MLKH.PDV
Le rapport de pression partielle PDV peut être calaulé par la température de point de rosée Ttau (en degré C): PDV_I x-PnT Dans laquelle: XPL: Pression absolue de l'air PDT: Pression de vapeur calaulée d'après: PDT = 3,267 10 Ttau +0,0002988'Ttau+ 0,0140O'Ttau +0,4378'Ttau+6,054 Le facteur de correction FA résulte du terme MBH
FA = 1-1,85.
MLKH'PDV
Lors du caleul du déLit-masse de NOX, l' influence de l'humidité de l'air ne peut être prise en considération du fait qu'aucun capteur correspondant n'est prévu pour déterminer l'humidité de l'air ou le point de rosée. C'est pourquoi, il faut utiliser un calcul simplifié, sachant que l' influence de l'humidité de l'air peut être prise en compte si, le cas échéant, on intègre de tels capteurs dans le véhicule, ou bien si on peut obtenir des informations correspondantes par le biais d'une transmission de donnces. Le calaul simplifié prend en compte uniquement le débit-masse des gaz d'échappement, composé du débit-masse d' air MBH et du déLit-masse de
carburant MLKH.
] NOX = MAb c(NOX)'(MBH+MLKH) En principe, l'émission des NOX d'un moteur
dépend de la vitesse de rotation et de la charge.
Dans le cas dun moteur à allumage commandé (à cycle de Otto) à injection directe en fonctionnement à charge stratifiée, la charge est de préférence réglée
par le biais de la masse de carburant (MFF) fournie.
Cette grandeur est déterminée par le dispositif de mesure de carDurant 17 et est retransmise à la
commande de moteur 8 par des signaux correspondants.
On peut ainsi utiliser la masse de carturant amence
pour déterminer l'émission en NOX.
Il est d'une importance particulière pour la précente invention de pouvoir mémoriser les champs de caractéristiques qui précentent pour le fonctionnement en charge stratifiée les valeurs d'émission d'oxyde d'azote pour le moteur utilisé, en
fonction des points de charge auxquels on fonctionne.
Un tel champ de caractéristiques peut être qualifié de " champ de caractéristiques de base ". Si, dans un véhicule, toutes les conditions aux limites correspondent à celles obtenues sur un banc d'essai moteur utilisé pour déterminer de tels champs de caractéristiques, il en résulte une valeur de NOX
enregistrée dans le champ de caractéristiques.
Lorsqu' on est en fonctionnement dynamique, cependant, certains paramètres se distinguent des valeurs ayant été mesurées à l'état stationnaire. Un écart des paramètres a comme conséquence une modification de la quantité de NOX émise. On va expliciter ci-après linfluence de paramètres significatifs sur
l'émission de NOX.
L' influence maximale sur l'émission de NOX en fonctionnement en charge stratifice est exercce par le taux de recirculation des gaz d'échappement qui est appliqué. La recTrculation des gaz d'échappement (AGR) est utilisée dans le but de réduire les
émissions de NOX.
On a représenté sur la Fig. 2 l 'allure de la concentration en NOX en cas de variation du taux de recirculation des gaz d'échappement (taux AGR) en fonctionnement en charge stratifice. La concentration en NOx diminue l orsque le taux de rec. Trculat ion des gaz d'échappement augmente. Un écart du taux AGR en fonctionnement dynamique, par rapport à la valeur de consigne, a en premier approximation comme conséquence une diminution ou une augmentation linéaire de l'émission des NOx. La pente de la droite dépend de la charge, caractérisoe par la quantité de carburant (MFF) ingectée, et de la vitesse de rotation (n). Le taux de recirculation des gaz d'échappement (AGR) n'est pas mesuré directement dans le véhicule, mais, par exemple, par l'intermédiaire d'une course de la soupape AGR 11 et d'une différence de pression calaulée à partir d'un modèle de tube d' admission, entre la pression régnant dans le tube d' admission 19 et la pression régnant dans la conduite de gaz d'échappement 21. La qualité d'une correction des NOx pour la recirculation des gaz d'échappement dépend ainsi fortement de la qualité de
la détermination du taux AGR dans le véhicule.
Un autre paramètre exercant une influence sur l'émission des NOx en fonctionnement en charge stratifiée est le rapport d'air (). La Fig. 3 représente l' allure de la concentration en NOx en fonction de \. En fonctionnement dynamique, le rapport diair récl peut s'écarter de la valeur que l'on obtient en fonctionnement stationnaire si, par exemple, le clapet d'étranglement n'est pas réglé suffisamment rapidement à une valeur appliquée. Le défaut d'air ou l'excès d'air agit sur la combustion et, ainsi, sur l'émission des NOx. Le rapport d'air est réglé pour les mesures respectives, par une
modification de la position du clapet d'étranglement.
Lorsque la recTrculation des gaz d'échappement est mise en service, le taux de recTrculation des gaz d'échappement AGR changerait nettement également suite à la dépression alternce se produisant dans le tube d' admission 19 et exercerait une influence sur l'émission des NOX. De ce fait, on a déterminé les allures de courbe représentées sur la Fig. 3, sans procéder à la recirculation des gaz d'échappement. La relation n'est pas d' allure linéaire mais, cependant, elle peut être restituée de facon approchée en utilisant un polynôme du deuxTème degré. Les coefficients d'un tel polynôme sont différents selon la Fig. 3 suivant la charge MFF et la vitesse de
rotation n.
Une influence sur la température de combustion et ainsi sur l'émission des NOX est également exercée
par la température de la chambre de combustion 4. Selon un mode de réalisation prétéré de l'invention, la température d'eau
de refroidissement peut être utilisée comme indicateur de la température de la chambre de combustion, sachant qu'en tout cas, il ny a pas de relation directe lorsque l'on est en phase de chanffage du moteur. La Fig. 4 représente pour le fonctionnement en charge stratifice l' allure de la concentration des NOX dans les gaz d'échappement, en fonction des températures d'eau de refroidissement, allant de 40 à 90 C, sachant que les valeurs représentées sur la Fig. 4 sont obtenues pour un taux AGR constant, de 20 %. En variante, la température de la paroi de la chambre de combustion peut, selon l'invention, servir d'indicateur pour la température de chambre de combustion, qui est mesurse au moyen du capteur de température 12. On observe une diminution de la température de crête de la combustion par une paroi de chambre de combustion froide et on a de ce fait une diminution de l'émission des NOX. Par contre, une formation de mélange est améliorée pour une chambre de combustion chaude, ce qui mène d'autre part à augmenter l'émission de NOX. La relation entre la température de l'eau de refroidissement et l'émission des NOx peut être restituée de façon approchée de façon linéaire. La pente de la droite de la Fig. 4 dépend à peu près de la charge stratifice
MFF et de la vitesse de rotation n.
Tout comme le fonctionnement en charge stratifiée également lorsqu' on est en fonctionnement homogène, l'émission des NOx dépend de la charge et de la vitesse de rotation. En cas de fonctionnement stoechiométrie, en règle générale, un catalyseur à trois voies est en mesure de réduire les oxydes d'azote. Par contre, en fonctionnement en régime pauvre homogène, par exemple tel que dans la plage supérieure de la charge d'un moteur à cycle de Otto (à allumage commandé) à injection directe moderne, pour calculer la masse de NOx stocké dans le catalyseur accumulateur de NOx 10, il est nécessaire
de connaître les émissions de NOx.
En fonctionnement homogène, la charge est réglée
par le biais de la masse de charge ou d'air fournie.
La valeur de la masse d'air aspirce est calaulée dans le modèle de tube d'admission de la commande de moteur et peut être mesurée pour équilibrer le modèle en plus avec un capteur de masse d'air à film chaud, non représenté sur la Fig. 1. Pour obtenir l'économie maximale de consommation de carburant, le rapport de consigne d'air doit être choisi aussi pauvre que possible, c'est-à-dire peu avant une limite de fonctionnement pour un fonctionnement exempt de ratés, dans lequel la valeur du rapport d'air () est environ 1,4 à 1,5. Dans un tel fonctionnement, il n'est plus usuel d'utiliser la recirculation des gaz d'échappement dans le but de diminuer les émissions de NOx, du fait que ce faisant, la tranquillité de fonctionnement du moteur serait trop fortement dégradée. La Fig. 5 représente l'émission d'oxyde d'azote pour un fonctionnement à régime pauvre homogène (\ est d' environ 1,4) en fonction du rapport
d'air, avec la vitesse de rotation n et le déLit-
masse d'air MAF comme paramètre de charge. Il est visible que l'émission d'oxyde d'azote, en fonctionnement en régime pauvre homogène, est situce nettement au-dessus de ce qu'elle est en
fonctionnement à stratification de charge.
En fonctionnement en régime pauvre homogène, le rapport d'air exerce l' influence maximale sur la formation de NO. La Fig. 5 représente une telle relation pour un moment d'allumage constant. On constate que la relation n'est pas linéaire, sachant que celle-ci, pour de faibles fluctuations, peut cependant être restituée de facon approchée de facon linéaire autour d'un rapport d'air de consigne. La pente d'une droite d'équilibre dépend de la charge
MAF et de la vitesse de rotation n.
Lorsqu'on est en fonctionnement en régime pauvre homogène, il peut s'avérer nécessaire de régler un autre angle dallumage IGA que ce qui serait appliqué dans un champ de caractéristiques de consigne. Les
raisons de cela sont par exemple la régulation anti-
cognement, ou bien des interventions visant à améliorer le confort de roulage, par le biais d'une atténnation des sauts de couple. Une telle intervention sur l'angle d'allumage a comme conséquence un écart de l'émission des NOX par rapport à la valeur de base tel que ceci est reprécenté sur la Fig. 6. L'émission des NOX pour un rapport d'air constant dépend, de facon presque linéaire, du moment d'allumage IGA. La pente de la droite d'équilibre est alors différente selon la charge n et la vitesse de
rotation MAF.
Egalement, lorsqu'on est en fonctionnement en régime pauvre homogène, la température de la chambre de combustion influe sur l'émission des NOX d'un moteur. Lorsqu' on est dans une ambLance froide de même, la température de crête de la combustion est diminuée. Lorsqu' on est avec une chambre de combustion froide, on a une plus mauvaise préparation du mélange, par exemple dans le cas d'un moteur à allumage commandé (à cycle de Otto) à injection directe, également lorsqu' on est en fonctionnement en régime homogène. Cette préparation peut même mener à des ratés de combustion si l'on est en rapport d'air pauvre. On a représenté sur la Fig. 7 l'influence, sur l'émission des NOX, de la température d'eau de retroidissement caractérisoe par TCO, à titre d'indicateur de la température de la chambre de combustion. La relation entre une température d'eau de refroidissement et l'émission des NOX se présente de facon linéaire selon la Fig. 7. En première approximation, l' influence de la vitesse de rotation sur la pente d'une droite d'équilibre est négligeable. Si l'on reproduit en un modèle les rapports décrits précédemment, il faut partir du fait que différents paramètres peuvent être superposés indépendamment les uns des autres. Le champ de caractéristiques de base dans la zone de fonctionnement correspondante forme chaque fois la base d'un calaul d'une masse NOy émise. La valeur des NOX peut être indiquée sous forme de concentrations [ppm] ou bien de déUit-masse [mg/s]. Dans les deux cas, il y a imprécision de l'humidité de l'air dans le véhicule, qui n'est pas prise en compte. Lors d' indication en mg/s, on fait l'économie du temps de calaul dans l'appareil de commande 8, du fait qu'il y a suppression de la multiplication avec la masse
d'air et de carburant.
La valeur du champ de caractéristiques de base peut être corrigée par des facteurs ou bien des mises en facteur ou bien des additions, qui résultent des écarts des paramètres indiqués ci-dessus par rapport à la valeur de consigne. La relation linéaire entre un paramètre et l'émission des NOX représente la relation la plus simple possible tel que ci-après: NOX = ax+b Il y a deux possibilités de déterminer une valeur de NOX corrigée. La combinaison se fait soit de façon additive, soit de façon multiplicative. Selon la Fig. 8, le principe d'une combinaison additive est représenté. Par suite, dans un champ de caractéristiques correctrices, on mémorise la différence de la quantité de NOX en fonction d'un écart paramétral (x mes - x_ref). S'il n'y a aucun écart, on pose la somme des corrections comme étant
la valeur zéro.
La Fig. g représente le principe d'une combinaison multiplicative. Dans le champ de caractéristiques de correction, on place l'émission des NOX se référant à une valeur de référence, qui est d'une grandeur sans dimension et en tant que facteur on multiplie avec une valeur de NOX du champ de
caractéristiques de base.
La différence entre une combinaison additive et une combinaison multiplicative réside dans le fait que, en cas de combinaison multiplicative, la quantité de NOX corrigé ne peut jamais être inférieure à zéro. De ce fait, le produit de la valeur de rétérence et de la correction ne peut jamais être négatif. Par contre, dans le cas de la combinaison additive, il est possible que la valeur d'une somme de corrections caleulée soit supérieure à la valeur de rétérence de l'émission de NOX. Si le signe de cette somme de corrections est négatif, la valeur de NOX corrigée peut être inférieure à zéro. La combinaison additive est utilisce, de préférence, du fait qu'elle demande elle-même, avec une limitation subséquente, moins de temps de calaul dans le processeur de l'appareil de commande que pour la multiplication avec un nombre décimal. Du fait que l' influence d'un paramètre selon la charge et la vitesse de rotation peut être de force différente, de sorte que ceci peut se remarquer au niveau de la différence de pente de la courbe d'équilibre, la structure représentée sur la Fig. 10 est utilisée de
préférence pour prendre en compte cet effet.
Dans le champ de caractéristiques de correction, on ne place plus le facteur ou la somme de la correction des NOX, mais la pente des droites d'équilibre. Celle-ci est multipliée avec l'écart
paramètral et donne alors la valeur correctrice.
Dans le cas o la relation entre un paramètre et l'émission de NOX ne peut être décrite par une droite, il faut améliorer la précision en utilisant un polynôme de dogré n. En tout cas, on ne peut calauler aucune fonction mathématique complexe dans le processeur d'une commande de moteur. On peut uniquement procéder à des additions et à des
multiplications.
On va décrire ci-après une possibilité, tel que par exemple avec un polynôme du 2ème degré, en effectuant l'une après l'autre des additions et des
multiplications simples.
NOX = a'x + b'x + c et: NOx_ref= a'x_ref + b'x_ref + c 'x'' est alors la valeur mesurée réclle du paramètre, "x_ref" est la valeur de consigne du paramètre pour le point de fonctionnement correspondant, "a", "b" et "c" sont des coefficients dépendant du point de fonctionnement correspondant. I1 faut calauler l'émission en NOx actuelle. Par formation d'une différence, on supprime la somme "c" et on obtient l'équation suivante: NOx - NOx_ref = a (Ax) + b (Ax) Les coefficients "a" et "b" peuvent être placés dans des champs de caractéristiques. Par suite, on obtient alors la structure de la Fig. 11. Du fait qu'une erreur au stade de la détermination des coefficients est amplifiée par la multiplication simple, il faut préférer autant que possible procéder à une approximation linéaire, même si la droite d'équilibre ne restitue exactement l' allure des
valeurs de mesure.
Les structures décrites ci-dessus permettent ainsi de décrire des relations linéaires ou polynomiales de paramètres indépendants allant jusqu'au nombre de 3 sur l'émission des NOx. On peut procéder à une correction supplémentaire d'autres
paramètres ayant une influence séparable.
Pour le fonctionnement en couche stratifice, il est proposé d'utiliser la structure représentée sur
la Fig. 12 du fait de différentes mesures.
Dans un champ de caractéristiques de base, en fonction de la charge MFF et de la vitesse de rotation n, on inscrit la quantité de NOx émise en régime stationnaire et exprimée en mg/s. Cette valeur est corrigée en cas d'écarts entre un taux AGR réglé et une valeur de consigne. On place dans un champ de caractéristiques correcteur AGR la pente d'une droite d' approximation qui décrit la relation entre le taux AGR et le déLit-masse NOx. En multipliant par la différence entre les taux AGR rcels et de consigne, on obtient un déLit-masse NOx qui est ajouté à la valeur du champ de caractéristiques de base. Ensuite, au moyen d'un facteur en fonction de la température d'eau de refroidissement TCO, on équilibre l'émission calaulée de NOx de manière correspondante à l'état
thermique du moteur.
Pour calauler les émissions de NOx dans un fonctionnement en régime pauvre homogène, il est proposé selon l' invention d'utiliser le modèle décrit à la Fig. 13. Dans un champ de caractéristiques de base, on inscrit l'émission de NOx exprimée en mg/s, en fonction du déLit-masse dair MAF et de la vitesse de rotation. On effectue ensuite une correction, si le rapport d'air réel ne correspond pas au rapport d'air de consigne. Dans le cas o on effectue une intervention sur l' angle dallumage IGA, on augmente ou on réduit également la quantité de NOx par une somme. Ensuite, comme pour le fonctionnement en couche stratifiée, on effectue une correction, de manière correspondant à l'état thermique du moteur, à l' aide de la température dieau de refroidissement TCO. Du fait de la dispersion rencontrée dans la fabrication des injecteurs, il est possible que certains injecteurs ne fournissent pas la quantité de carEurant nécessaire pour obtenir un rapport air/carburant de consigne déterminé. Il est de ce fait possible que les différents cylindres fonctionnent avec un rapport air/carburant différent, tel que par exemple reprécenté sur la Fig. 14. La régulation équilibre certes de telles tolérances par le fait que tous les cylindres sont alimentés avec plus ou moins de carburant, de sorte que, au total, on règle le rapport air/carburant souhaité dans les gaz d'échappement. L'émission de NOX d'un cylindre ne dépend encore pas de façon linéaire du
rapport d'air, tel qu'on peut le voir sur la Fig. 15.
Ceci mène à ce que l'émission de NOX calculée par un modèle d'émission brute de NOX ne coïncide pas avec
l'émission de NOX mesurable.
Par une mesure de la valeur des différents cylindres, il est possible de mesurer les écarts des quantités de carburant ingecté. Ceci peut, par exemple, s'effectuer au moyen d'une résolution temporelle élevée du signal mesuré avec la sonde de régulation \. On retrouve dans les gaz d'échappement l'ordre de succession du moteur à combustion, tel que ceci est illustré sur la Fig. 16 pour un moteur à 4 cylindres. Si le moteur de la Fig. 15 est en fonctionnement, la sonde mesure alors les écarts des différents cylindres par rapport au rapport d'air de consigne. L'émission de NOX du moteur s'obtient de la facon suivante à partir de la somme des émissions des différents cylindres: N x,total = N x,1 + NOX 2 + NOX 3 + NO 4 L'émission de NOX d'un cylindre spécifique résulte de la valeur de base et d'une correction, faite en se basant sur l'écart entre la valeur de
base et la valeur mesurée.
NOX = NOx,bas + ANOX, dans laquelle ANOX = AX x I1 est ainsi possible de déterminer précisément l'émission brute de NOX d'un moteur à combustion malgré les écarts dans le rapport d'air de combustion
entre les différents cylindres.
A l' aide de la présente invention, on peut effectuer une surveillance de la masse d'émission de NOx. Il est en outre possible d'effectuer une surveillance concernant la régularité de la
combustion dans les différents cylindres.
L'utilisation d'un capteur de NOx supplémentaire, par souci de redondance du système, est en outre envisageable pour effectuer une comparaison entre la valeur mesurée et la valeur calaulée des NOx. Les valeurs déterminées des NOx peuvent être utilisées pour effectuer la commande ou la réqulation de systèmes de retraitement des gaz d'échappement. La présente invention convient en particulier pour utilisation dans un véhicule, pour lequel on utilise ce que l'on appelle un diagnostic "On- Bord", ainsi que pour des moteurs à combustion internes à allumage commandé, ainsi qu'à auto-allumage, et permet d'avoir un calaul et un contrôle permanents de l'émission de NOx pour un moteur à combustion interne à 2 temps ou à 4 temps. Il est également envisageable de transmettre les connaissances de la présente invention pour effectuer des essais sur des bancs
d'essai.
Claims (10)
1. Procédé de détermination des émissions d'oxyde d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à com2oustion interne fonctionnant en particulier avec un excès d'air, avec une chambre de combustion (4) disposoe dans un cylindre (1), un catalyseur (10), un dispositif de recirculation des gaz déchappement et une commande de moteur (8), o sont détectés - une quantité de carEurant (MFF) amence à la chambre de combustion (4), - une quantité d'air amence à la chambre de combustion (4) , - un taux de recTrculation des gaz d'échappement (AGR), et - une vitesse de rotation du moteur à combustion interne (n), caractérisé en ce que, en fonctionnement en charge stratifiée, on détecte l'état thermique de la chambre de combustion (4), et - à partir d'une valeur de l'état thermique de la chambre de combustion (4) ainsi que des valeurs de la quantité de carDurant (MFE) de la vitesse de rotation (n) et du taux de recTrculation des gaz d'échappement (AGR), on calcule la masse de
l'émission d'oxyde d'azote.
2. Procédé de détermination des émissions d'oxyde d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne fonctionnant en particulier avec un excès d'air, avec une chambre de combustion (4) disposée dans un cylindre (1), un catalyseur (10), un dispositif de recTrculation des gaz d'échappement et une commande de moteur (), o sont détectés - une quantité de carDurant (MFF) amenée à la chambre de combustion (4), - un rapport d'air (), au moyen d'une quantité d'air amence à la chambre de combustion (4), - un taux de recirculation des gaz d'échappement
(AGR),
- un moment d'allumage (IGA), et - la vitesse de rotation du moteur à combustion interne (n), caractérisé en ce que, - en combustion homogène, on détecte l'état thermique de la chambre de combustion (4), et - à partir de la valeur de l'état thermique de la chambre de combustion (4) ainsi que des valeurs de la quantité de carburant (MFF), de la vitesse de rotation (n), du rapport d'air et du moment d' allumage, on calaule la masse d' émission d'oxyde d'azote.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mesure la température de la chambre de combustion (4), afin de déterminer l'état
thermique de cette chambre de combustion (4).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mesure de la température de chambre de combustion (4) est effectuée par détection d'une température de paroi de cylindre dans la zone de la chambre de combustion (4), ou bien d'une température de culasse dans la zone de la chambre de combustion, de
préLérence en utilisant un capteur de température (12).
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température de chambre de combustion (4) est mesurée en détectant une température de fluide de refroidissement, en particulier dans la zone de la chambre de combustion (4), en utilisant un capteur de
température (12).
6. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5 caractérisé en ce, lors du calcul
de la masse d'émission d'oxyde d'azote, afin d'obtenir une approximation de la relation entre le rapport d'air, le taux de recirculation des gaz d'échappement et les émissions d'oxyde azote, on utilise un polynôme du deuxTème degré.
7. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, lors du
calcul de la masse de l'émission d'oxyde d'azote, l'ordre de succession des grandeurs d'entrée est quelconque et la combinaison des grandeurs d'entrce
s'effectue de façon multiplicative.
8. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lors du
calaul de la masse de l'émission d'oxyde d'azote, l'ordre de succession des grandeurs d'entrée est quelcouque et la combinaison des grandeurs d'entrée
s'effectue de façon additive.
9. Procédé selon l'une quelcouque des
revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on effectue
une correction de la masse caleulée d'émission d'oxyde d'azote en utilisant le rapport d'air des différents
cylindres du moteur à combustion interne.
10. Procédé selon l'une quelcouque des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rapport
d'air d'un cylindre individuel du moteur à combustion interne est détecté par la résolution temporelle d'un signal mesuré à l 'aide d'une sonde de réqulation lambda
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