FR2908825A1 - Estimation d'une temperature de gaz d'echappement en sortie d'un circuit egr d'un moteur a combustion - Google Patents

Estimation d'une temperature de gaz d'echappement en sortie d'un circuit egr d'un moteur a combustion Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de la température T3 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.L'invention concerne par ailleurs un véhicule apte à mettre en oeuvre une telle estimation.

Description

1 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. La mesure de la température des gaz échappement en sortie du circuit EGR peut se faire à partir d'une me:sure thermocouple. Cette solution est précise mais coûteuse (notamment coût du thermocouple, coût de la chaîne d'acquisition). Elle nécessite en outre de prévoir, clans le compartiment moteur, le volume nécessaire à son intégration. 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). 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. Or, ces moyens de calcul doivent être suffisamment simples pour être intégrés dans l'ordinateur du véhicule motorisé. 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 300 C sur la température des gaz en sortie de circuit EGR entre l'estimation et 2908825 2 la mesure. 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.
5 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.
10 Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé d'estimation de la température T3 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 15 compte les échanges thermiques entre les gaz d'échappement et les parois d'un conduit amenant les gaz d'échappement vers le refroidisseur EGR. 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 ; 20 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 ; 25 - 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 30 EGR du circuit EGR ; 2908825 3 (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 ; 5 - 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 10 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, 15 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 ; 20 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 25 de stockage de données prédéterminées et/ou mesurées, afin de mettre en oeuvre ledit procédé d'estimation. 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 : 30 La figure 1 représente schématiquement les différents éléments d'un 2908825 4 compartiment d'un moteur à combustion équipé d'un circuit EGR. 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. La figure 3 représente un schéma fonctionnel d'un montage thermique 5 équivalent à l'ensemble refroidisseur EGR selon la figure 2, illustrant un premier mode de réalisation de l'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 (le réalisation de l'invention.
10 La figure 5 représente un schéma illustrant de grandes étapes d'un procédé d'estimation selon l'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.
15 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 20 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.
25 Les deux modes de réalisation proposés sont facilement applicables à tous moteurs à combustion interne équipés de circuits EGR (moteur diesel, essence.,.). 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 30 en air par un conduit d'admission 11 et dégageant ses gaz d'échappement par un 2908825 5 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 5 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. En outre, cet ensemble comprend un circuit EGR 20 dont l'entrée 28 est 10 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. Eventuellement, il est prévu un circuit de dérivation 24 raccordé d'une part à une 15 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 20 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 25 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; 30 - T2 est la température des gaz échappement à l'entrée du refroidisseur 21 ; 2908825 6 - T3 est la température des gaz échappement à la sortie du refroidisseur 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 circuit 20 se note Qegr.
5 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. La température des gaz en entrée 28 du circuit 20 ne peut donc pas être 10 confondue avec la température des gaz en entrée du refroidisseur 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. ter mode de réalisation : développement d'équations physiques Pour estimer correctement les échanges thermiques au sein d'un circuit 15 EGR 20, il convient de prendre en compte : ^ Les échanges thermiques internes entre les gaz et la paroi 26 du conduit d'entrée 25 ; ^ Les échanges externes entre la paroi 26 du conduit d'entrée 25 et l'environnement du compartiment moteur. Deux types d'échanges sont 20 prépondérants dans le compail..iment moteur : ù les échanges convectifs liés à l'écoulement de l'air autour du GMP (Groupe Motopropulseur), ù les échanges radiatifs entre les divers composants du sous capot (culasse, collecteur d'échappement, turbocompresseur, tablier, ski,...) 25 ^ 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.
5 10 15 2908825 7 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 : Mi,. • CPinox da vconvective _ int erne.V2 ù Tp )+ vconvective externe•(Tconvective ù Tp )+ G•adiative _ externe•(Trndiative ù Tp dT _ ~-+ Megr •Cpegr' dt vconvective _ int une 2 2 ù Tp) + Qegr •Cpegr .(T. ù T2 ) dT _ K3.Cp3. dt ù Qegr .Cpegr T2 ù T3) _. Pefroidissuer _ egr Les significations de termes de ces équations pourront être mieux comprises à la lecture du glossaire en fin de description. En explicitant les conductances (Gconvective_interne , Gradiative_externe , Gconvective_externe), il vient alors : .Minox •CPinox dd p = hint .S.(T2 - Tp) + e.6.S. fi..(Tradaatwe - Tp) + h r .S.(Tconvective ù T ) (1) Megr •Cpegr dd = hint .S.(Tp - ) Qegr •Cpegr •(Tant - T2 ) (2) dT3 - 1 .[T2 .(I 6'3) + s3 .Tean _._ T3 dt z3 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 : * . int 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 hint• Ce (3) 2908825 8 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). Nu = O.021.Ré 'B.Pr '6 = hi- 5 où : - X est la conductivité thermique des gaz EGR, qui est une constante pour le gaz d'échappement considéré ; - Pr est une constante =0,7 ; p.V.Dcaractéristique 4'Qegr - Re = - voir le glossaire en fin de description pour la P P•e'Dcaractéristique 10 signification des différents termes. Dcaractéristique : diamètre caractéristique. Dans le cas d'un conduit EGR, il peut être pris égal au diamètre interne du conduit (Degr) ; * ext Les échanges convectifs liés à l'écoulement de l'air autour du circuit 20 sont 15 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 (Tconvective) suit généralement une évolution proche de celle de la température d'eau de 20 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 : Tconvective = Teau 25 * o : 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 2908825 9 d'origine radiatives sont décrits par des relations en T4. Le facteur de forme (f,) qui est défini comme la façon dont le conduit d'entrée 25 voit le reste du sous-capot est imposé ici à 1. Le conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur 22 présente généralement des 5 émissivités (E) de l'ordre de 0,8. La température moyenne des éléments clans le compartiment moteur (Tradiative) suit généralement une évolution proche de celle de la température d'eau en sortie de moteur. On peut donc écrire : Tradiative ù Teau 10 *E3: Les puissances thermiques extraites par le refroidisseur 22 sont fréquemment traduites sous forme d'une efficacité : E3 _ T2 - T3 E3 T2 -T. Celles-ci peuvent être identifiées sur banc d'organes. L'efficacité du 15 refroidisseur EGR dépend, à l'ordre 1, du débit d'EGR (Qegr). * Autres valeurs des équations (1), (2) et (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. -C'pegr est la chaleur massique des gaz EGR à pression constante. Cette valeur 20 dépend de la nature des gaz. Elle est typiquement proche de 1150 J/kg.K. - Cpt, 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 25 sortie du compresseur 51) et une mesure de Q,,,ot (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. On a ainsi trois équations à trois inconnues (Tp, T2, T3), résolvables en trouvant en 2908825 10 premier lieu Tp, puis T2 et enfin T3. 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. 5 2ème mode de réalisation : Simplification drastique des équations 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.
10 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. Le premier échangeur 100 est constitué du conduit d'entrée 25 en amont du 15 refroidisseur 22. Dans cet échangeur 100, circulent les gaz EGR refroidis par le milieu ambiant 150 régnant dans le compartiment moteur (Tradiative et Tconvective explicitées précédemment). La température des gaz en sortie de ce premier échangeur 100 est la température T2. Le second échangeur 200 est constitué du refroidisseur EGR 22. Dans cet 20 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 100 En définissant le conduit d'entrée 25 en amont du refroidisseur comme un 25 échangeur 100, on introduit rnacroscopiquement une efficacité : Tavr - T2 T avt - Tsous_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.
2908825 11 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 (7F,) 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, 5 c'est à dire, sans faire intervenir des équations différentielles facilement intégrables dans un calculateur. 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 10 est atteint (Tpc.) ; - la température des gaz en entrée refroidisseur lorsque le régime stabilisé est atteint (T2oe). On décompose alors ladite efficacité en deux parties : Tant - T2. 7avt = - TpW (4) Tavt - T p~ Tavt -'sous _capot E2 s/ 15 Approximativement : - e, décrit la façon dont les gaz d'échappement chauffent les parois 26 du conduit 25 ; - e2 décrit la façon dont les gaz échappement se refroidissent au contact de la paroi 26 du conduit 25. 20 1.1. Simplification de l'équation (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 25 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 : 2908825 12 dT Mina, .CP;nox• dt ~hint.S.(T2 -Tp)+2.h .S. (Tconvective - Tp) La température d'eau Tau en sortie moteur est généralement un bon indicateur de l'environnement thermique dans le compartiment moteur, ce qui permet encore de simplifier en : dTp 5 Minox•CP;n.• dt ~h;nt.S.(T2 -Tp)+2.ht.S.(Teau -Tp) (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 10 comparaison des modifications de Tp dans le temps. Ainsi : dT Megr. • CPegrd2 < inox LI' dt L'équation (2), liée à la conservation de l'énergie, peut alors se simplifier en : d'T2 Me$r.Cpe$r. --d7 _ ùhint.S.(Tp -T2) +Qegr•CPegr (Tavt -T2) ^ 0 Ou encore : En intégrant l'équation (6) dans l'équation (5), on obtient : dTp ti teint . laStn.Tp + Qegr .CPegr •Tavt min. CPinox dt . • (Tavt - Tp) + 2.hext .S. (Tean - Tp) (7) t .S + Qegr CPegr On recherche maintenant une équation simple décrivant l'évolution de la température de la paroi 26 sous la forme : dTp 1 20 _ dt . (TT -T p) (8) P Par ailleurs, à partir de la définition de E/ donnée ci-dessus dans l'équation (4) et h;nt .S.Tp + Qegr •CPegr •Tant 15 T, = hint.S+Qegr.CPegr (6) 2908825 13 d'une approximation de Tsous_äapot à Teau on peut écrire Tp. sous la forme : Tpoo ù Tavt.aEl) + E~.Teau Par identification des équations (7) et (8), il vient alors : ì 2.hext .S r Minox •CP;nox p et 5 2.h .S + Qegr .CPegr •hint .S ext Qegr .Cpegj + .S 2.hext.S+ Qegr'CPegr.hint.S Qeg,..Cpegr + hint .S 1.2. Simplification de l'équation 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 10 amont du refroidisseur évolue peu. Ainsi, en utilisant la définition de e2 donnée dans l'équation (4), on écrit : = Tant ù T2. Tavt ù T2 , 2 Soit : T2œ z- Tavt.(1ùE2)+s2. Tp 15 On recherche une équation simple décrivant l'évolution de la température des gaz EGR en entrée refroidisseur sous une forme : Meer CPegr 1.3. Résumé de la simplification du premier échangeur 100 20 Les équations de conservation de l'énergie régissant les échanges énergétiques des gaz dans le conduit EGR en amont du refroidisseur s'écrivaient initialement Tavt ù TP~ Tavt ù T p dT2 _ 1 (T2o,ä ùT2) dt z2 Par identification des équations 9 et 2, il vient : hint.S E2 N hin[ .S + Qegr .CPegr r2 h;nt .S + Qeg .Cpe$r (9) 2908825 14 Minox •CPinox' dd p = hin[ .S.(T2 -- Tp) + s.6.S. f~ .(Tradiative ù Tp ) + heet .S.(Tconvective Megr .Cpe$r . ddT2 û teint .S.(TP û T2) + Qegr'CPegr (Tavt û T2 ) Après simplification, ces deux équations s'écrivent maintenant sous la forme : (1) (2) {Ti,. = Tavt . 1û s, + s, .Tean dTp z p '[Tp~ ùT dt ' T2c =Tavt •(1ûs2)+s2.Tp dT2 _ 1 .[T2. û T2 i dt z2 El Equation (1) simplifiée Equation (2) simplifiée Avec : 2.hexi .S 2.hexi .S hin, .S C h S soit s, 2 .h s2 flint C 2.h~t.S+ Qegr' Pegr' int' ext .S + Qegr'CPegr's2 'S + Qegr' Pegr Qegr'CPegr + hint .J soit Minox CPinox Megr'CPegr z z p 2.heSt.S+ Qegr .Cpe$r.E22 N hint.S+Qegr 'CPegr Minox •CPi,. 2.hext.S + Au premier ordre, si et s2 ne dépendent que du débit EGR (Qegr). En effet, ^ pour s2 : 5 teint, coefficient d'échange convective entre les gaz EGR et la paroi du conduit EGR, est une fonction de Reynolds 0'8. Au premier ordre, le nombre de Reynolds est fonction du débit EGR (Qegr). s2 peut alors être noté de la manière suivante : K2 s2 ù 02 K2 + Cpegr •Qegr avec K2 = Constante ^ pour : z - p CPhJ egr'egr .int . Qegr'CPegr + hint .S 10 s, est directement lié à s2 par la relation : 2908825 15 s, 2.heXt .S + Qegr.Cpeg,..E2 hext étant, pour rappel, le coefficient d'échange convectif considéré constant. s, peut alors être écrit de la manière suivante : 2.hex,.S K, + Cpegr •Qegr .s2 avec K1 = Constante s, = K, Au premier ordre, les constantes de temps, rp et r2 ne dépendent également que 5 du débit EGR (Qegr). Mais ^ pour r2 : la masse EGR comprise dans le conduit EGR est faible. La constante de temps r2 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 10 mathématique plus complexe gérée par un programme. ^ pour rp : 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 15 programme. Après simplification, les équations (1) et (2) s'écrivent : Tp~ = Tavt •(1 ù 6,) + St •~~eau dT dt r LT ùT p p Equation (1) simplifiée Avec K, K, + Cpegr.Qegr •62 Kt = Constante r p = Constante T20o =Tavt•(1-s2)+s2.Tp dl', 1 ù dt r2 .[T2îo ù T2 Equation (2) simplifiée K2 6'2 = 0,2 K2 + Cpegr .Qegr K2 = Constante r2 =Constante s, = 2908825 16 Les constantes K1i K2, 'rp et 72 sont connues (voir modes de calcul ci-dessus), connaissant les ordres de grandeur attribués à M,,,OZi Qegä hext et hm, et basées sur des mesures et/ou des estimations. Ces constantes peuvent alors être ajustées afin de recaler le modèle par rapport à 5 des essais effectués préalablement sur le compartiment moteur. 2. Le second échangegr 200 L'équation (3) est ici conservée. La constante de temps (73) est alors introduite dans l'estimateur de température EGR afin de prendre en compte l'inertie thermique du refroidisseur 22. Cette constante 10 peut être mesurée sur bancs moteurs ou être estimée à partir des données reçues d'un fabriquant de refroidisseur. Cette constante peut être ajustée afin de recaler le modèle par rapport à des essais préalablement effectués sur un compartiment moteur. On en déduit alors la température estimée T3 en sortie de refroidisseur 22.
15 En référence à la figure 6, différentes courbes de la température des gaz T3 en sortie du refroidisseur 22 permettent des comparaisons entre : - une mesure faite (courbe 1) ; - une estimation selon le premier mode de réalisation de l'invention (courbe 2) ; - une estimation selon le deuxième mode de réalisation de l'invention (courbe 3).
20 Les procédés d'estimation ont été intégrés dans un calculateur automobile. 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. Il est clair, à la lecture du graphe, que la prise en compte dans la modélisation des échangesthermiques entre les gaz et les parois 26 du conduit d'entrée 25 en amont du 25 refroidisseur 22 améliore considérablement la précision de l'estimation de la température des gaz EGR en sortie de refroidisseur 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 30 évolutions des températures des gaz tout le long du circuit EGR.
2908825 17 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 5 cas où on souhaite maximiser la précision de l'estimation. 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.
10 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 : ^ Dans un premier temps, la température de paroi 26 du conduit d'entrée 25 15 en amont du refroidisseur 22 est estimée (Tp) ; ^ 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 (T;).
20 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 25 ou de mémoire de données prédéterminées et/ou mesurées, afin de mettre en oeuvre 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 oeuvre. C'est donc un système idéal pour être 30 intégré dans un ordinateur de bord.
2908825 18 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.
2908825 19 Glossaire Symbole Définition Unité Cpeg,. Chaleur massique des gaz EGR à pression constante J/kg.K Cpiäo, Chaleur massique du conduit EGR en amont du refroidisseur J/kg.K Cp3 Chaleur massique du conduit EGR dans le refroidisseur J/kg.K d Dérivée particulaire 1/s dt Dcaractéristiaue Diamètre caractéristique pour le calcul du nombre de Reynolds m Dex, Diamètre interne du conduit EGR m Facteur de forme; pour les échanges thermiques radiatifs - G Conductance électrique équivalente W/K hex, Coefficient d'échange convectif entre la paroi du conduit et W/K.m2 l'écoulement d'air sous capot birr Coefficient d'échange convectif entre les gaz EGR en amont du W/K.m2 refroidisseur et [_a paroi Kputsation Coefficient de correction d'échange convectif interne lié aux - pulsations de pressions dans le circuit EGR Megr Masse des gaz EGR en amont du refroidisseur kg Min, Masse du conduit EGR en amont du refroidisseur kg Nu Nombre de Nusselt - Pr Nombre de Prandtl X0.7 (pour les gaz) - Prefroidisseur Puissance thermique extraite par le refroidisseur EGR W Qegr Débit massique EGR kg/s Re Nombre de Reynolds - S Surface d'échange thermique du conduit EGR en amont du mz refroidisseur Tavt Température des gaz échappement avant la turbine ou en entrée du K circuit EGR Tconvective Température moyenne de l'air sous-capot moteur, correspondant à K une perte de chaleur au niveau des parois 26 de la conduite d'entrée 25 par convexion Teau Température d'eau en sortie moteur K Tp Température moyenne de la paroi du conduit EGR en amont du K refroidisseur Tp~ Température instantanée de paroi (avec une inertie thermique de K paroi nulle) _ 2908825 20 Tradiattve Température moyenne de l'ensemble des éléments du sous-capot, K correspondant à une perte de chaleur au niveau des parois 26 de la conduite d'entrée 25 par radiation des composants moteur alentours T2 Température des gaz EGR en entrée refroidisseur K T1~ Température instantanée des gaz en entrée refroidisseur paroi (avec K une inertie thermique nulle) T3 Température des gaz EGR en sortie refroidisseur K T300 Température instantanée des gaz en sortie refroidisseur paroi (avec K une inertie thermique nulle) V Vitesse des gaz EGR dans le conduit EGR en amont refroidisseur m/s Conductivité thermique des gaz EGR W/m.K Emissivité du conduit EGR en entrée refroidisseur - el Efficacité externe du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la - simplification des équations différentielles E2 Efficacité interne du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la -simplification des équations différentielles 63 Efficacité du refroidisseur EGR - p Masse volumique des gaz EGR kg/m3 7, Constante de temps du conduit EGR en amont du refroidisseur s T2 Constante de temps du gaz EGR. en entrée du refroidisseur s T3 Constante de temps du refroidisseur EGR s Viscosité cinématique des gaz :EGR kg.m.s Pi (=3,1416) - 7r.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation (Je la température T3 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.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit modèle prend en compte les échanges thermiques suivants : ù les échanges thermiques internes entre les gaz et la paroi dudit conduit ; 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 ; ù le refroidissement des gaz au travers du refroidisseur EGR.
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 : (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 25 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. 30 2908825 22
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 : • Tp est la température estimée des parois dudit conduit ; • T2 est la température estimée des gaz d'échappement en entrée du refroidisseur ; 5 les trois équations correspondant respectivement aux trois évaluations (a), (b) et (c).
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 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 10 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.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les 15 températures sont principalement estimées à partir des équations suivantes : Minox •Cpinox . ddTP h,nt .S.(TT ù Tp) + e.o.S.ff .(Tradiative ù Tp) + heSt .S.(Tconvective ù Tp ) Meg,..Cpeg. • dd Z = hint .S..(Tp ù T2) + Qe$r..Cpegr •(Tant ù T2 ) dl; = 1 .[T,.(lùE3)+S3.Teau ùT3] dt r3 où : Cpegr Chaleur massique des gaz EGR à pression constante Cp~,ac Chaleur massique du conduit EGR en amont du refroidisseur d Dérivée particulaire dt f; Facteur de forme pour les échanges thermiques radiatifs hexi Coefficient d'échange convectif entre la paroi du conduit et l'écoulement d'air sous capot 10 15 2908825 23 teint Coefficient d'échange convectif entre les gaz EGR en amont du refroidisseur et la paroi Minox Masse dudit conduit Mgr :- Masse des gaz EGR en amont du refroidisseur Qegr Débit massique EGR S Surface d'échange thermique du conduit EGR en amont du refroidisseur Ta,t Température des gaz échappement avant la turbine ou en entrée du circuit EGR Tconvective Température moyenne de l'air sous-capot moteur Teau Température d'eau en sortie moteur Tradiative Température moyenne de l'ensemble des éléments du sous-capot moteur E Emissivité dudit conduit en entrée du refroidisseur EGR E 3 Efficacité du refroidisseur EGR z3 Constante de temps du refroidisseur EGR et où: ^ Tconvective ^ Tradiative ^ Teau • hint est calculée en utilisant une relation empirique reliant les trois coefficients sans dimension que sont le nombre de Nusselt, le nombre de Reynolds 5 et le nombre de Prandtl : Nu = f(Re '8 , Pr) ; • hext est considéré constant et est ajusté afin de recaler le modèle par rapport à des essais ; • h =; • E est de l'ordre de 0,8 ou une autre constante connue ; T2 - T3 • E = 3 T2 -Teau
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.
8. Procédé selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que ces équations sont trouvées en faisant les approximations 2908825 24 suivantes : - les échanges externes c::onvectifs 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 ; 5 - 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.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les équations 10 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 : TP 0 =Tavts,)+s,.T',aa T2oo =Tavt.(lûs,)+s2.TP dTP l dT2 _ l rT ûT dt [TPm ù TP J dt ù z2 2m 2 Avec e, = K, K, + Cpe$r .Qegr .s2 K2 s2 = 0,2 K2 + Cpegr •Qegr KI = Constante K2 = Constante zP = Constante z2 =Constante 15 5 2908825 Tp~, Température instantanée de paroi (avec une inertie thermique de paroi nulle) TZQ. Température instantanée des gaz en entrée refroidisseur paroi (avec une inertie thermique nulle) _ T3ce Température instantanée des gaz en sortie refroidisseur paroi (avec une inertie thermique nulle) E/ Efficacité externe du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la simplification des équations différentielles E2 Efficacité interne du conduit EGR en amont refroidisseur lors de la simplification des équations différentielles c3 Efficacité du refroidisseur EGR Tp Constante de temps du conduit EGR en amont du refroidisseur TZ Constante de temps du gaz EGR en entrée du refroidisseur 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 73 afin de prendre en compte l'inertie thermique du refroidisseur, ajustée selon des essais menés.
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 oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.
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