FR2866392A1 - Dispositif et procede de commande de l'admission d'air pour moteur diesel suralimente - Google Patents

Dispositif et procede de commande de l'admission d'air pour moteur diesel suralimente Download PDF

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Abstract

Dispositif de commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne (EGR) de recirculation des gaz d'échappement et d'un volet (V) de régulation du débit d'air admis, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de calcul (1) pour définir des signaux de commande destinés respectivement à la vanne de recirculation, au turbocompresseur et au volet de régulation, ledit moyen de calcul recevant des valeurs de consigne de richesse et de concentration en oxydes d'azote (Nox) dépendantes du fonctionnement instantané du moteur ainsi que des valeurs correspondantes mesurées par un capteur (4).

Description

2866392 1
Dispositif et procédé de commande de l'admission d'air pour moteur Diesel suralimenté.
La présente invention est relative à la commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement ainsi que d'un volet de régulation du débit d'air à l'admission.
La recirculation partielle des gaz d'échappement issus de la combustion à l'admission du moteur est un procédé couramment utilisé, dans la mesure où il permet de réduire la formation des oxydes d'azote polluants Nox. En effet, grâce à une telle recirculation, la quantité d'oxygène lors de la combustion est diminuée, de sorte qu'il y a moins de constituant oxydant capable d'oxyder l'azote en oxydes d'azote polluants. De plus, la température de la combustion est abaissée car la chaleur spécifique des gaz d'échappement est supérieure à celle de l'air, ce qui réduit la vitesse de formation des oxydes d'azote. Enfin, le volume des gaz émis par le moteur à combustion est diminué, puisqu'une partie de ces gaz est recirculée dans la chambre de combustion du moteur. A concentration égale, la quantité des gaz polluants est donc plus faible. La recirculation partielle des gaz d'échappement à l'admission est réalisée au moyen d'un circuit de recirculation comportant une vanne commandée (généralement appelée vanne EGR).
Le turbocompresseur utilisé pour la suralimentation du moteur est généralement constitué d'une turbine et d'un compresseur montés sur le même arbre mécanique. Le turbocompresseur permet d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur à combustion. La turbine est placée à la sortie du collecteur 2866392 2 d'échappement et est entraînée par les gaz d'échappement issus de la combustion. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut être modulée en installant une vanne de décharge réalisant un circuit by-pass partiel de la turbine (parfois appelé waste-gate). En variante, le turbocompresseur peut être du type à géométrie variable, les ailettes de la turbine pouvant alors être orientées de façon à modifier la puissance fournie par la turbine. Dans tous les cas, la turbine, montée sur le même axe mécanique que le compresseur, entraîne le compresseur qui comprime l'air pénétrant dans le collecteur d'admission du moteur à combustion.
Enfin, on peut disposer un volet de régulation du débit d'air admis, dans le circuit d'admission en aval du compresseur, de façon à réguler le débit d'air admis dans la chambre de combustion.
Les lois de commande de ces différents éléments constituent des stratégies logicielles qui utilisent en outre des paramètres de caractérisation, que l'on appelle parfois des calibrations pour le moteur à combustion. Tous ces éléments sont généralement gérés dans une unité de contrôle électronique (UCE) comportant des organes de mémoire et des organes de calcul.
Dans le cas d'un moteur du type Diesel fonctionnant en mélange pauvre, la quantité de carburant à injecter est directement liée à la demande de couple du conducteur. La richesse du mélange n'est pas contrôlée alors qu'elle joue un rôle majeur dans l'émission d'éléments polluants, en particulier de particules, et qu'elle joue également un rôle primordial dans le pilotage des systèmes de post- traitement des gaz d'échappement, tels que le piège à oxydes d'azote ou le filtre à particules. La régulation de la quantité de gaz d'échappement recyclés agit sur la quantité d'oxydes d'azote polluants à l'échappement en contrôlant le débit d'air à l'admission, mais cette 2866392 3 régulation n'agit pas directement sur la concentration des oxydes d'azote Nox à l'échappement.
Il a déjà été proposé par la demande de brevet JP-A-11-280525 (TOYOTA) de réguler la richesse à l'échappement dans le cas d'un moteur du type Diesel fonctionnant en mélange pauvre, par une commande de la vanne de recirculation des gaz d'échappement ou du volet de régulation du débit d'air admis.
De même, il a été prévu dans la demande de brevet JP-2001-152879 (TOYOTA) de réguler la concentration d'oxydes d'azote Nox à l'échappement par la commande de la vanne de recirculation des gaz d'échappement (EGR) ou du volet de régulation d'air admis.
Enfin, la demande de brevet EP-1 146 216 (FORD) prévoit de contrôler la température à l'échappement par une régulation de la richesse à l'échappement au moyen d'une action sur le volet de régulation du débit d'air admis.
Aucun de ces documents ne prévoit cependant une quelconque stratégie de commande généralisée du circuit d'air d'un moteur Diesel, permettant de réguler à la fois la richesse à l'échappement et la concentration des oxydes d'azote Nox à l'échappement.
La présente invention a pour objet de résoudre cette difficulté et de permettre de combiner la gestion de la richesse et de la concentration des oxydes d'azote Nox à l'échappement pour un moteur Diesel suralimenté.
Le dispositif de l'invention permet la commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement et d'un volet de régulation du débit d'air admis. Le dispositif comprend un moyen de calcul pour définir des signaux de commande destinés respectivement à la vanne de recirculation, au turbocompresseur et au volet de régulation. Le moyen de calcul reçoit des valeurs de consigne de richesse et de concentration en oxydes d'azote (Nox) dépendantes du fonctionnement instantané du moteur ainsi que des valeurs correspondantes mesurées par un capteur.
Selon un mode de réalisation, le moyen de calcul comprend un premier correcteur pour calculer le signal de commande destiné à la vanne de recirculation, ce premier correcteur recevant la valeur de consigne de la concentration en oxydes d'azote (Nox) à l'échappement ainsi que la valeur correspondante mesurée par le capteur.
Le moyen de calcul comprend un deuxième correcteur pour calculer les signaux de commande destinés respectivement au turbocompresseur et au volet de régulation, ce deuxième correcteur recevant la valeur de consigne de la richesse à l'échappement ainsi que la valeur correspondante mesurée par le capteur.
Le dispositif comprend de préférence des cartographies de consigne mémorisées pour définir les valeurs de consigne en fonction du régime de rotation du moteur et du couple moteur.
Lorsque le turbocompresseur est du type à géométrie variable, les signaux de commande destinés au turbocompresseur sont capables d'agir sur l'orientation des ailettes de la turbine.
Lorsque le turbocompresseur est du type à géométrie fixe, il comporte généralement une vanne de décharge (parfois appelée waste-gate ) qui permet de moduler la puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine. Dans ce cas, les signaux de commande destinés au turbocompresseur sont capables d'agir sur l'ouverture de la vanne de décharge équipant le turbocompresseur.
Dans un mode de réalisation, le deuxième correcteur est associé à un séparateur de commande comprenant deux cartographies 2866392 5 mémorisées pour définir les signaux de commande destinés respectivement au turbocompresseur et au volet de régulation en fonction du signal de sortie du deuxième correcteur et du régime de rotation du moteur.
Dans tous les cas, les correcteurs peuvent être, par exemple, du type proportionnel, intégral, dérivée, le terme dérivée comportant de préférence un terme polynomial équivalent à une dérivée généralisée.
Le procédé selon l'invention, est adapté à la commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement et d'un volet de régulation du débit d'air admis. Selon l'invention, on régule à la fois la richesse à l'échappement et la concentration d'oxydes d'azote (Nox) à l'échappement à partir d'une mesure faite en aval du turbocompresseur au moyen d'un capteur unique déterminant la concentration en oxydes d'azote et en oxygène, la régulation agissant à la fois sur le turbocompresseur, la vanne de recirculation et le volet de régulation.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention; -la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un deuxième mode de réalisation; et - la figure 3 illustre schématiquement les principaux éléments d'un moteur à combustion de type Diesel suralimenté équipé d'un dispositif selon l'invention.
2866392 6 Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le dispositif de l'invention permet de commander l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne M du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable. Le moteur à combustion M est en outre équipé d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement (EGR) et d'un volet de régulation du débit d'air admis (V).
La stratégie de commande rendue possible par le dispositif de l'invention a pour objectif de piloter trois actionneurs du circuit d'admission d'air qui agissent respectivement sur la vanne de recirculation des gaz d'échappement EGR, sur la puissance du turbocompresseur et sur la position du volet de régulation du débit d'air admis. La modulation de puissance du turbocompresseur peut être obtenue au moyen d'une vanne de by-pass sur la turbine dans le cas d'un turbocompresseur à géométrie fixe, ou par une modification de l'orientation des ailettes de la turbine dans le cas d'un turbocompresseur à géométrie variable.
Le dispositif de l'invention comprend un calculateur, référencé 1 dans son ensemble, capable de définir des signaux de commande destinés respectivement à la vanne de recirculation EGR, au turbocompresseur indiqué Turbo sur la figure et au volet de régulation indiqué V sur la figure. Le calculateur 1 reçoit, à titre de signaux d'entrée, des indications sur le point de fonctionnement instantané du moteur, par exemple sous la forme de signaux représentant le régime de rotation du moteur (Rpm) et le couple (C).
Une première cartographie de consigne 2, mémorisée dans le calculateur 1, permet de définir, en fonction du point de fonctionnement instantané du moteur, une valeur de consigne pour la concentration des oxydes d'azote Nox. Cette valeur est notée Nox-cons sur la figure 1.
Une deuxième cartographie 3, également mémorisée dans le calculateur 1, permet de définir, en fonction du point de fonctionnement instantané du moteur, une valeur de consigne pour la richesse à l'échappement, cette valeur étant notée R-cons sur la figure 1.
On notera que la richesse est une grandeur caractéristique du fonctionnement d'un moteur thermique. D'une manière classique, la richesse est définie par le rapport des masses ou des débits massiques du carburant et de l'air normalisés par un coefficient KS qui traduit ce même rapport déterminé dans le cas d'une combustion complète d'un mélange stoechiométrique de carburant et d'air. La richesse est donc définie par la formule: R = KS carb Qair où KS est un coefficient de normalisation égal à l'inverse du rapport du débit de carburant sur le débit d'air dans le cas de la stoechiométrie, ce coefficient ne dépendant que de la composition chimique du carburant et de l'air.
Qcarb est le débit de carburant injecté dans le moteur, Qair est le débit d'air admis dans le moteur.
Le dispositif comprend en outre un capteur 4 constitué de préférence par une sonde à oxygène capable de mesurer la concentration d'oxydes d'azote Nox dans les gaz d'échappement, ainsi que la richesse à l'échappement. Cette sonde Nox/R est placée sur le circuit d'échappement 5 à la sortie du moteur M. Les signaux fournis par la sonde 4 concernent, d'une part, la richesse à l'échappement R, et, d'autre part, la concentration d'oxydes d'azote à l'échappement Nox. Ces signaux sont amenés respectivement, en ce qui concerne la richesse à l'échappement R mesurée, sur l'entrée négative d'un sommateur 7 qui reçoit également sur son entrée positive la valeur de consigne R-cons déterminée en fonction du point de fonctionnement instantané du moteur par la cartographie 3. Le signal issu de la sonde 4 concernant la concentration en oxydes d'azote à l'échappement Nox mesurée, est amené sur l'entrée négative d'un sommateur 6 qui reçoit sur son entrée positive la valeur de consigne Nox-cons déterminée par la cartographie 2.
La différence entre les valeurs mesurées pour la concentration en oxydes d'azote à l'échappement Nox et la richesse à l'échappement R issue des sommateurs respectifs 6 et 7, sont amenées à l'entrée de deux correcteurs C1 et C2. Le premier correcteur C1, qui reçoit le signal de sortie du sommateur 6, est capable de calculer un signal de commande pour l'ouverture de la vanne de recirculation des gaz d'échappement EGR. Le correcteur C1 annule la différence entre la concentration d'oxydes d'azote Nox de consigne et la concentration des oxydes d'azote Nox telle que mesurée à l'échappement par la sonde 4.
Le deuxième correcteur C2 calcule à la fois le signal de commande d'ouverture du volet de régulation d'air admis V et le signal de commande de la puissance du turbocompresseur (Turbo) par une action sur la vanne de décharge lorsque celle-ci existe, ou sur l'orientation des ailettes de la turbine. Le correcteur C2 permet ainsi de calculer la différence entre la richesse de consigne et la richesse mesurée à l'échappement par la sonde 4.
En fonctionnement normal, le volet de régulation d'air admis est complètement ouvert et la commande issue du deuxième correcteur 2866392 9 C2 s'applique essentiellement sur la modulation de puissance du turbocompresseur. Lorsque la consigne de richesse nécessite un débit d'air suffisamment faible pour que la modulation de puissance du turbocompresseur ne permette pas d'atteindre l'objectif de richesse recherché, le volet de régulation d'air admis vient compléter l'action sur la modulation de puissance du turbocompresseur en se fermant plus ou moins. Dans cette situation, le signal de sortie du correcteur C2 est appliqué sur le volet de régulation V. Dans certains cas, il peut exister des zones de fonctionnement dans lesquelles le turbocompresseur et le volet de régulation du débit d'air admis doivent travailler en parallèle.
La figure 2 illustre une variante du dispositif de l'invention qui résout cette difficulté. Sur cette figure, les organes identiques portent les mêmes références. Ce mode de réalisation se différencie de celui illustré sur la figure 1 par l'existence d'un séparateur de commande 8 associé au deuxième correcteur C2. Le signal de sortie du deuxième correcteur C2 est en effet séparé en deux et appliqué à deux cartographies mémorisées 9 et 10, qui reçoivent également en entrée le signal du régime de rotation du moteur Rpm. La cartographie 9, qui a pour entrée le régime de rotation du moteur Rpm et la sortie du deuxième correcteur C2, définit en sortie un signal de commande destiné à la modulation de puissance du turbocompresseur (Turbo). La deuxième cartographie 10, qui a pour entrée le régime de rotation du moteur RI,. et le signal de sortie du deuxième correcteur C2, définit, quant à elle, le signal de commande destiné à être appliqué au volet de régulation du débit d'air admis V. De cette manière, il est possible de commander simultanément et en parallèle la modulation de puissance du turbocompresseur et la position du volet de régulation du débit d'air admis.
On notera que les correcteurs C, et C2 peuvent être de plusieurs natures. Le plus simple est d'utiliser des correcteurs du type proportionnel, intégral, dérivée (PID). Toutefois, la sonde de mesure des oxydes d'azote et de la richesse à l'échappement Nox/R peut introduire dans certains cas un retard dans la boucle de régulation qui déstabilise la boucle fermée. Dans ce cas, il peut être préférable d'utiliser des correcteurs plus efficaces que les correcteurs PID, par exemple des correcteurs H oo.
Dans les deux cas, les correcteurs C, et C2 peuvent d'une manière générale être décomposés en la somme d'un terme constant, d'un terme intégral et d'un terme polynomial que l'on peut assimiler à un terme de dérivée généralisée.
Si l'on note chacun des correcteurs par la formule: C(z) = K + I(z) + D(z) on a = Ki I( z) 1 z-I b0 + bl.z_1 + ... + bn.z-n D(z) = a0 + al.z _i + .
+ an.z n Si l'on appelle alors e(k) l'entrée du correcteur CZ et u(k) la sortie dudit correcteur, on a: u(k) = K.e(k) + Ki.e(k) + u(k -1) + (b0.e(k) + b1.e(k -1) + ... + bn.e(k n) al.û(k -1) ... an.u(k n)) / a0 En se reportant à la figure 3, on voit schématiquement une possibilité d'implantation d'un dispositif selon l'invention pour la commande d'admission d'air dans un moteur à combustion interne du type Diesel. On retrouve sur la figure 3 les mêmes organes que ceux des figures précédentes portant les mêmes références...DTD: L'air frais pénétrant par la conduite 11 traverse un filtre à air 12, puis un débitmètre 13 avant d'être amené à l'entrée du compresseur 14. Le compresseur 14 est relié par un arbre rigide 15 à la turbine 16. L'air comprimé issu du compresseur 14 est amené par la conduite 17 à un échangeur 18. Le volet de régulation V est monté dans la canalisation 19 en aval de l'échangeur 18 et en amont de la vanne de recirculation des gaz d'échappement EGR, référencée 21 sur la figure 3. Le mélange d'air frais comprimé et de gaz d'échappement dans les proportions définies par la vanne EGR 21 est amené par la conduite 22 dans le collecteur d'admission 23 du moteur M. Le collecteur d'échappement 24 est relié par la conduite d'échappement 25, d'une part à la turbine 16 qui est ainsi entraînée en rotation et, d'autre part, à la vanne EGR 21 pour une recirculation partielle des gaz d'échappement.
La sonde de mesure Nox/R référencée 4 est placée en aval de la turbine 16 dans la conduite d'échappement 26, qui comprend en outre les différents dispositifs de post-traitement 27, tels que piège à oxydes d'azote Nox et/ou filtre à particules.
Le calculateur 1 reçoit en entrée les signaux de couple C et de régime de rotation du moteur Rpm ainsi que par la connexion 28 les signaux mesurés par la sonde 4 correspondant à la richesse à l'échappement R et la concentration d'oxydes d'azote Nox à l'échappement. Le calculateur 1 émet, comme indiqué précédemment, des signaux de commande pour la commande de la vanne de recirculation EGR par la connexion 29 pour le volet de régulation du débit d'air admis V par la connexion 30 et pour la modulation de puissance du turbocompresseur par la connexion 31.
La présente invention permet ainsi de réguler à la fois la richesse à l'échappement et la concentration d'oxydes d'azote à l'échappement à partir d'une mesure faite en aval du turbocompresseur au moyen d'un capteur unique qui détermine la concentration en oxydes d'azote et en oxygène. La régulation agit sur le turbocompresseur, sur la vanne de recirculation EGR et sur le volet de régulation du débit d'air admis.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne (EGR) de recirculation des gaz d'échappement et d'un volet (V) de régulation du débit d'air admis, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de calcul (1) pour définir des signaux de commande destinés respectivement à la vanne de recirculation, au turbocompresseur et au volet de régulation, ledit moyen de calcul recevant des valeurs de consigne de richesse et de concentration en oxydes d'azote (Nox) dépendantes du fonctionnement instantané du moteur ainsi que des valeurs correspondantes mesurées par un capteur (4).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de calcul comprend un premier correcteur (C,) pour calculer le signal de commande destiné à la vanne de recirculation, ce premier correcteur recevant la valeur de consigne de la concentration en oxydes d'azote (Nox) ainsi que la valeur correspondante mesurée par le capteur (4).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de calcul comprend un deuxième correcteur (C2) pour calculer les signaux de commande destinés respectivement au turbocompresseur et au volet de régulation, ce deuxième correcteur recevant la valeur de consigne de la richesse ainsi que la valeur correspondante mesurée par le capteur (4).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des cartographies de consigne mémorisées (2,3) pour définir les valeurs de consigne en fonction du régime de rotation du moteur et du couple moteur.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les signaux de commande destinés au turbocompresseur sont capables d'agir sur l'orientation des ailettes de la turbine.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les signaux de commande destinés au turbocompresseur sont capables d'agir sur l'ouverture d'une vanne de décharge équipant le turbocompresseur.
7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le deuxième correcteur est associé à un séparateur de commande (8) comprenant deux cartographies mémorisées (9, 10) pour définir les signaux de commande destinés respectivement au turbocompresseur et au volet de régulation en fonction du signal de sortie du deuxième correcteur et du régime de rotation du moteur.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les correcteurs sont du type proportionnel, intégral, dérivée comportant de préférence un terme polynomial équivalent à une dérivée généralisée.
9. Procédé de commande de l'admission d'air dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur de puissance modulable et équipé d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement et d'un volet de régulation du débit d'air admis, caractérisé par le fait qu'on régule à la fois la richesse à l'échappement et la concentration d'oxydes d'azote (Nox) à l'échappement à partir d'une mesure faite en aval du turbocompresseur au moyen d'un capteur unique déterminant la concentration en oxydes d'azote et en oxygène, la régulation agissant sur le turbocompresseur, la vanne de recirculation et le volet de régulation.
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