FR2917784A1

FR2917784A1 - Procede de controle d'une boucle d'air d'un moteur diesel par utilisation d'un modele de rendement volumetrique.

Info

Publication number: FR2917784A1
Application number: FR0755950A
Authority: FR
Inventors: Jean Francois Pichouron; Faycal Souidi
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-12-26
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: WO2009001015A3; WO2009001015A2; FR2917784B1; EP2158392A2

Abstract

Alors que le défaut d'adéquation des divers modèles échafaudés pour satisfaire un besoin de fonctionnement efficace des moteurs diesel (5) est avéré, dans l'invention on a découvert que le problème le plus important provenait d'un stockage de la masse (?M) des gaz mélangés à l'entrée du moteur. Dans l'invention on a alors eu l'idée de mesurer une telle masse (M). La mesure se réalise de préférence dans le collecteur d'admission (2). En agissant ainsi, notamment en mesurant la température (T2) et la pression (P2) à cet endroit, on peut prendre en compte les phénomènes d'accumulation de masse, de perte de charge dynamique et de compression statique, et donc de débit qui perturbent l'efficacité attendue du moteur.

Description

1 Procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel par

utilisation d'un modèle de rendement volumétrique

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel par utilisation d'un modèle de rendement volumétrique. Le domaine de l'invention est, d'une façon générale, celui des moteurs diesel et plus particulièrement celui du contrôle d'un débit d'air frais et d'un taux de recyclage de gaz d'échappement communément appelé EGR (Exhaust Gas Recirculation en langue anglaise) pour un moteur diesel. Une réinjection d'une partie des gaz d'échappement au niveau de l'admission du moteur a pour objet de limiter les émissions d'oxydes d'azote (NOx). La formation d'oxyde d'azote est due principalement aux températures très élevées des chambres de combustion sous fortes charges. Pour diminuer ces températures, une solution consiste à réinjecter des gaz inertes qui vont se mélanger avec les gaz frais pour ralentir la vitesse de combustion. Or, les gaz d'échappement sont des gaz déjà brûlés, donc inertes. Le procédé permet d'introduire des gaz d'échappement, en quantité suffisante, et au moment opportun, dans le collecteur d'admission. Un moteur peut fonctionner avec un mélange contenant jusqu'à cinquante pour cent de gaz brûlés. Le contrôle actuel de la boucle d'air est principalement basé sur la connaissance de deux informations. La première information correspond à un débit d'air mesuré par un débitmètre d'air, noté O sur la figure 1 décrite ultérieurement. Cette mesure alimente une boucle de régulation qui, en fonction d'une consigne de débit d'air cartographié, pilote une électrovanne de gaz d'échappement recyclés. Par ailleurs, cette information permet aussi de contrôler les émissions de fumée des moteurs diesel au moyen d'une limitation de la quantité de carburant injectée. La deuxième information correspond à la pression d'admission de l'air dans le moteur, mesurée par un capteur de pression plenum. Cette mesure alimente une boucle de régulation qui, en fonction d'une consigne de pression admission cartographiée, pilote la géométrie variable d'un turbocompresseur. Ces deux informations, pression d'admission et débit d'air, sont physiquement liées mais ce couplage n'est pas pris en compte dans les

2 fonctions de contrôle du moteur : ni dans les consignes, ni dans la mise à jour de ces consignes. Pour illustrer les lacunes liées au contrôle, sans couplage, de la pression d'admission et du débit d'air, alors que chacune ont un temps de réponse caractéristique et différent, le principe de calcul du taux de gaz d'échappement recyclés aspiré par un moteur est défini par l'équation suivante : egr Q + air Qegr Qtot Où Qtot est le débit global de gaz aspiré par le moteur, défini par 10 l'équation suivante : + x Cylindrée x 7N x 60 x P adm on _moteur tot air egr vol 2 x 287 x J'tssion moteur Où Qair est le débit d'air frais aspiré et Qegr est le débit de gaz d'échappement recyclés. Dans l'expression littérale du taux de gaz d'échappement recyclés, le 15 débit d'air est mesuré et régulé de façon satisfaisante par les systèmes de contrôle du moteur existants ; satisfaisant au sens du temps de réponse, du dépassement et de la précision. Le débit Q est au premier ordre tot dépendant de l'établissement de la pression d'admission P admission-moteur qui est caractérisée par un temps de réponse plus important que celui du débit 20 d'air air liée à un principe de suralimentation par turbomachine. air Ce mode de fonctionnement présente donc les problèmes techniques suivants. Le temps de réponse sur la pression d'admission se traduit, via une erreur sur le débit total Qtot, par une erreur sur le taux EGR egr. Une gestion de l'EGR en transitoire est imprécise. En effet, le débitmètre d'air O, 25 normalement placé en amont du moteur, délivre une information qui est en décalage temporel sur ce que le moteur aspire réellement. En plus d'une dispersion en fin de chaîne, le débitmètre d'air O est exposé à des risques de dérive liés à un encrassement de ses éléments de mesure. Dans l'état de la technique, l'homme de l'art connaît du document 30 JP9088649, un procédé de contrôle de la boucle d'air par régulation du taux de gaz d'échappement recyclés estimé à partir d'une instrumentation en Qegr = _Qair

3 pression, en température, et au moyen d'un débitmètre d'air frais. De même, il est connu du document JP4314953, un procédé de contrôle de la boucle d'air par régulation du taux de gaz d'échappement recyclés. Ce taux de gaz d'échappement recyclés est corrélé à la température de combustion déterminée à partir de la pression cylindre. Le moteur doit donc être équipé de capteurs de la pression dans les cylindres. Enfin, il est connu du document JP63134845, un procédé de contrôle de la boucle d'air par régulation du taux de gaz d'échappement recyclés estimé à partir d'une instrumentation en pression de cylindre et défini à partir d'un débitmètre d'air frais. Alors que le défaut d'adéquation des divers modèles échafaudés ici et là pour satisfaire un besoin de fonctionnement efficace des moteurs diesel est avéré, dans l'invention on a découvert que le problème le plus important provenait d'un stockage de la masse des gaz mélangés à l'entrée du moteur.

Dans l'invention on a alors eu l'idée de mesurer une telle masse. La mesure se réalise de préférence dans le collecteur d'admission. En agissant ainsi, notamment en mesurant la température et la pression à cet endroit, on peut prendre en compte les phénomènes d'accumulation de masse, de perte de charge dynamique et de compression statique, et donc de débit qui influent sur le remplissage du moteur et donc perturbent l'efficacité attendue du moteur. Il existe donc un réel intérêt à développer une solution qui permettrait un contrôle précis et fiable de la boucle d'air des moteurs diesel, ce que l'invention propose précisément.

Dans l'invention, le contrôle de la boucle d'air s'appuie sur le fait que le débit global de gaz aspiré par le moteur est estimé à l'aide de la connaissance du rendement volumétrique moteur. De plus, le contrôle de boucle d'air s'appuie également sur le fait que des effets liés au volume du collecteur d'admission sont pris en compte. Parmi ces effets, on observe des phénomènes d'accumulation de masse dans le collecteur d'admission. A titre de perfectionnement, le débit de gaz d'échappement recyclés est calculé à partir d'une relation de Barré de St-Venant appliquée au circuit des gaz d'échappement recyclés. Un deuxième problème résolu lié à ce type de contrôle est de mettre à disposition du calculateur de contrôle moteur un indicateur du taux de gaz

4 d'échappement recyclés fiable et précis aussi bien dans les phases stabilisées que transitoires de fonctionnement du moteur, du fait de l'estimation du débit global aspiré par le moteur. Cette solution est obtenue de préférence en mettant à disposition un indicateur de débit d'air frais au plus près de l'entrée moteur, ce qui permet d'optimiser entre autre la gestion des transitoires de fonctionnement et limiter les émissions de fumées. Enfin et surtout, la suppression du débitmètre d'air et/ou des capteurs de pression des cylindres technologiquement difficiles à mettre en oeuvre, est aussi envisageable en contrôlant la boucle d'air suivant l'indicateur du taux de gaz d'échappement recyclés et/ou l'indicateur du débit d'air. Cette invention concerne donc une méthode de contrôle pouvant être utilisée directement sur un moteur en cours de fonctionnement. Cette méthode peut être intégrée dans le calculateur d'un moteur Diesel à injection directe utilisant au moins un capteur de température admission du mélange gazeux d'air et de gaz d'échappement recyclés, un capteur de pression admission moteur et un capteur de pression échappement. L'invention a donc pour objet un procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel à injection directe à l'aide d'un calculateur, dans lequel - on mélange de l'air et une partie recyclée des gaz d'échappement du moteur, - on fait aspirer le mélange par le moteur à l'aide d'un collecteur d'admission, - on mesure avec un capteur une température d'admission du mélange, - on mesure avec un capteur une pression d'admission du mélange, caractérisé en ce que - on détermine, au moyen d'un modèle d'un rendement volumétrique du moteur, un premier débit global du mélange, - on estime une accumulation de masse du mélange dans le collecteur au moyen d'un modèle de collecteur, pour déterminer un deuxième débit global à l'entrée du collecteur, - on calcule, un nouveau débit des gaz d'échappement recyclés, par une formulation de type Barré de St Venant appliquée à une restriction de 35 section d'une vanne des gaz d'échappement recyclés, - on combine ce nouveau débit des gaz d'échappement recyclés avec le deuxième débit global pour calculer un taux effectif de recyclage des gaz d'échappement et un débit d'air frais effectif, - on régule le taux de recyclage de gaz d'échappement et le débit d'air 5 en fonction de ces calculs. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - figure 1 : une représentation schématique d'une architecture globale de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; -figure 2 : une représentation schématique d'un écoulement isentropique monodimensionnel pour un fluide compressible de type EGR ; - figure 3 : un graphique représentant une évolution de trois taux de gaz d'échappement recyclés distincts. Dans un exemple, le procédé selon l'invention s'applique à la boucle d'air d'un moteur diesel à injection directe dite common rail ou d'injecteurs-pompes. La figure 1 représente une architecture globale pour la mise en oeuvre, dans un calculateur de contrôle moteur, du procédé de contrôle du taux de gaz d'échappement recyclés et du débit d'air, selon l'invention. Il s'agit de déterminer dans le calculateur de contrôle moteur une information fiable sur le débit total de gaz Air/EGR aspiré par le moteur et sur le débit de gaz EGR. Combinés avec un modèle d'accumulation de masse dans le collecteur d'admission, ces deux informations permettent d'estimer le taux de gaz d'échappement recyclés global et le débit d'air frais à l'entrée du collecteur d'admission. Pour y parvenir, la méthode s'appuie sur deux estimations basées sur des paramètres du moteur, lesquels peuvent être soient mesurés, soient cartographiés soient modélisés. La figure 1 montre un doseur 1 d'air qui permet de mélanger, dans un collecteur d'admission 2, de l'air accepté par une entrée d'air 3 et une partie recyclée des gaz d'échappement amenée par une canalisation 4. Le mélange est aspiré par un moteur 5 à l'aide du collecteur d'admission 2.

Un capteur 6, placé dans le collecteur 2, mesure une température

6 d'admission T2 du mélange et une pression d'admission P2 du mélange. Le capteur 6 selon l'invention est placé entre le doseur 1 et le débouché du collecteur 2 dans le moteur 5. Plus exactement, le capteur 6 est placé en aval d'une embouchure 7 où les gaz d'échappement recyclés pénètrent dans le collecteur 2. Le capteur 6 peut être décomposé en deux capteurs : un pour la température, l'autre pour la pression. Un capteur 8, placé dans un collecteur d'échappement 9, mesure une température T8 des gaz d'échappement et une pression P8 de ces gaz d'échappement.

Une électrovanne 10 est placée dans la canalisation 4 reliée au collecteur d'échappement 9. Elle permet de prélever des gaz de l'échappement vers l'admission moteur. Elle est commandée par un calculateur 11, et permet de doser le taux de recyclage des gaz d'échappement.

Une mémoire 12 de programmes est reliée au calculateur 11 par un bus. La mémoire 12 comporte un programme. Ce programme permet : - une détermination, au moyen d'un sous-programme de modèle 14 de rendement volumétrique ?vol du moteur 5, d'un débit global Q14 du mélange, - une estimation d'une accumulation de masse ?M du rrrlange dans le collecteur 2 au moyen d'un sous-programme de modèle 13 de collecteur. Ce sousprogramme 13 permet de déterminer un nouveau débit global Q13, - à l'aide d'un sous-programme de calcul 15, et à partir des informations P8, T8 et P2, le calcul d'un débit Qegr des gaz d'échappement recyclés, - à l'aide d'un sous-programme de calcul 16, un calcul du débit d'air Qair et du taux de gaz d'échappement recyclés Tegr - à l'aide d'un sous-programme de régulation 17, une régulation suite à un pré-contrôle 18, d'un taux Tegr de recyclage de gaz d'échappement et de débit d'air Qair en fonction de cette estimation et de consignes 19 et 20 prédéfinies ; la consigne 19 étant relative au taux de gaz d'échappement recyclés et la consigne 20 correspondant au débit d'air. Les étapes 14 de détermination, 13 d'estimation et 15 de calcul sont décrites plus précisément dans les paragraphes suivants.

La détermination du débit Q14 du mélange est réalisée via le modèle 14 de rendement volumétrique 17vo1 revêtant la forme suivante : Tho, _ (uiref -a)x 0)- y où a représente l'influence thermique du mélange sur le rendement volumétrique th), , f représente l'influence du balayage du mélange sur le rendement volumétrique q,or et y représente l'influence de la charge du mélange sur le rendement volumétrique r7V0, et 7ref un rendement théorique prédéfini. Le débit global Q14 du moteur 5 est donné par : 1!101 x Cylindrée x 60 x N x P2 Q14 - 2 x 287 x T2 Avec : r7V0, : Rendement volumétrique modélisé T2 : Température d'admission du moteur mesurée (en K) P2 : Pression d'admission du moteur mesurée (en Pa) N : Régime moteur (tr/min) Cylindrée :Cylindrée du moteur (en m3) Pour l'estimation de l'accumulation de masse AM dans le collecteur d'admission 2, on fait l'hypothèse que le mélange des gaz dans le modèle 13 de collecteur peut être assimilé à un mélange idéal de gaz parfaits. Cette modélisation est donc régie par l'équation d'état des gaz parfaits dans le volume de contrôle délimité par le collecteur d'admission 2, l'embouchure 7 de raccordement des entrées d'air frais et de gaz d'échappement recyclés, et la sortie ou débouché des gaz vers la culasse : P2V12 = MrT2 Avec M, la masse, exprimée en kg, du mélange dans le volume de contrôle V12 et r est approximé à 287, comme pour l'air. Le débit global à l'entrée du collecteur d'admission peut alors être approximé par l'équation suivante : Q13=Q14+AM/fit Où AM est l'accumulation de masse dans le répartiteur suivant les variations de P2 et T2, At est l'intervalle de temps durant lequel les mesures de masse M ont été effectuées.

Le calcul 15 est décrit au moyen de la figure 2 qui représente un écoulement isentropique monodimensionnel pour un fluide compressible de type EGR. L'estimation du débit Qegr de gaz d'échappement recyclés s'appuie sur une formulation de type Barré de St-Venant appliquée au circuit

8 de recyclage. Ce modèle nécessite donc la connaissance ou l'estimation des paramètres suivants. P8 est la pression en amont de l'électrovanne 10 qui correspond à la pression dans le collecteur échappement 9. Cette pression P8 peut être mesurée mais on préfèrera un modèle basé soit sur des cartographies soit sur un signal de pression cylindre. T8 est la température des gaz en amont de l'électrovanne 10 qui correspond à la température des gaz dans le collecteur échappement 9. Cette température T8 peut être mesurée mais on préfèrera un modèle basé sur cartographie ou autre. P2 est la pression en aval de l'électrovanne 10. Cette pression sera considérée comme égale à la pression dans le collecteur d'admission 2, souvent dénommée pression de suralimentation. T2 est la température des gaz en aval de l'électrovanne 10 qui correspond à la température des gaz dans le collecteur d'admission 2. Cette température T2 peut être mesurée mais on préfèrera un modèle basé sur cartographie ou autre. pA est le produit du coefficient p. de décharge de l'électrovanne 10 par la section géométrique A. Ces informations sont issues d'une table fonction de la levée de l'électrovanne. Le calcul 15 est défini par la formule suivante : Dans ce calcul, dm/dt représente la variation temporelle de masse dont l'intégration temporelle conduit à la masse à considérer. K est une constante.

La figure 3 représente une évolution de trois taux de gaz d'échappement recyclés distincts pour une accélération d'automobile allant de 100 à 120 kilomètres par heure : en 21 le résultat avec le contrôle de la boucle d'air de l'état de la technique, en 22 le résultat avec le contrôle utilisant le modèle de rendement volumétrique ?vol selon l'invetion, et en 23 la consigne à respecter. Il apparaît nettement que le contrôle de la boucle d'air selon l'invention est plus fidèle à la consigne que dans l'art antérieur. dm 2 = . p8 T8 \ - : ù

Claims

REVENDICATIONS

1 - Procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel (5) à injection directe à l'aide d'un calculateur (11), dans lequel - on mélange de l'air et une partie recyclée des gaz d'échappement (EGR) du moteur, -on fait aspirer le mélange par le moteur à l'aide d'un collecteur d'admission (2), - on mesure avec un capteur (6) une température d'admission (T2) du 10 mélange, - on mesure avec un capteur une pression d'admission (P2) du mélange, caractérisé en ce que - on détermine, au moyen d'un modèle (14) d'un rendement 15 volumétrique ('i) du moteur, un premier débit global (Q14) du mélange, - on estime une accumulation de masse (AM) du mélange dans le collecteur au moyen d'un modèle (13) de collecteur, pour déterminer un deuxième débit global (Q13) à l'entrée du collecteur, - on calcule, un nouveau débit (Qegr) des gaz d'échappement 20 recyclés, par une formulation de type Barré de St Venant appliquée à une restriction de section d'une vanne (10) des gaz d'échappement recyclés, -on combine ce nouveau débit des gaz d'échappement recyclés avec le deuxième débit global pour calculer un taux effectif (Tegr) de recyclage des gaz d'échappement et un débit (Qair) d'air frais effectif, 25 - on régule le taux de recyclage de gaz d'échappement et le débit d'air en fonction de ces calculs.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est disposé entre un doseur d'air (1) et un débouché du collecteur dans le moteur. 30

3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le modèle de rendement volumétrique du moteur est défini par l'équation suivante : 14,1 _ (17,ef ù a)x O)ù y dans laquelle a représente une influence thermique du mélange, f une influence du balayage du mélange, y une influence de la charge (M) du mélange sur le rendement volumétrique et lref 35 un rendement théorique prédéfini.

4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier débit global est défini par l'équation suivante : rlvol x Cylindrée x 60 x N x P2 dans laquelle N est le régime du Q14 ù 2x 287 x T2 moteur, exprimé en tours par minute (tr/min) et Cylindrée , la cylindrée du moteur, exprimée en mètres cube (m3).

5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième débit global à l'entrée du collecteur est défini par l'équation suivante : Q13 = Q14 + AM/At dans laquelle Lit est l'intervalle de temps, exprimé en secondes (s), durant lequel les mesures de masse ont été effectuées.

6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la masse du mélange à un instant donné dans le modèle de collecteur d'admission est définie par l'équation suivante : M = P2V12 1rT2 où V12 est le volume du collecteur et r, constante des 15 gaz parfaits, est approximée à 287.

7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le débit de gaz d'échappement recyclés du moteur est calculé à partir d'une relation de Barré de St-Venant appliquée au circuit parcouru par les gaz d'échappement recyclés, en considérant un écoulement isentropique 20 monodimensionnel.

8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la régulation du taux de gaz d'échappement recyclés s'effectue au moyen d'une électrovanne.

9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 25 que la régulation du débit d'air s'effectue au moyen du doseur d'air.

10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le taux de gaz d'échappement recyclés est défini par l'équation suivante : zen _ Qegr =1ù dans laquelle le débit total est égal à la air + Qegr Qtot somme du débit d'air et du débit des gaz d'échappement recyclés. 30