FR2926109A1 - Procede de regulation de la temperature des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne. - Google Patents

Procede de regulation de la temperature des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne. Download PDF

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Abstract

Procédé de régulation de la température (Tavt) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (19) comprenant une étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur.

Description

La présente invention concerne un procédé de régulation de la température des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier un moteur Diesel suralimenté grâce à un turbocompresseur. Elle concerne également dispositif de régulation permettant de mettre en oeuvre un tel procédé de régulation.
L'invention est particulièrement intéressante dans le domaine de la dépollution des moteurs automobiles suralimentés utilisant un fonctionnement en mélange pauvre.
En effet, afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs. Ces systèmes permettent de réduire notamment les émissions d'oxydes d'azotes (NOx) en plus du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC).
Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes appelés aussi pièges fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors de phases de régénération. Ainsi, pour être régénérés, c'est-à-dire pour traiter les polluants, ces pièges nécessitent des modes de combustion du moteur spécifiques afin de garantir des conditions thermiques et/ou de richesse nécessaires dans la ligne d'échappement.
En particulier, les pièges à oxydes d'azote (NOx) comprennent par exemple les dispositifs dits NOx Trap ou les moyens assurant la fonction de piège à NOx dans un catalyseur quatre-voix. Ils ont pour rôle de stocker les oxydes d'azote produits par le moteur dans une première phase puis de les réduire (conversion en di-azote et dioxyde de carbone) MS\REN062FR.dpt dans une deuxième phase dite phase de régénération ou purge . La deuxième phase est déclenchée lorsqu'un seuil prédéterminé est atteint. Ce piège a donc un fonctionnement périodique.
L'invention est liée au mode de combustion spécifique utilisé sur les applications équipées de ce type de système.
Pour purger de façon périodique les NOx piégés dans un piège pendant les phases de purge (DeNOx), on utilise un mode de combustion spécifique du moteur garantissant un mélange riche à l'échappement ainsi que des conditions thermiques dans le piège.
D'autre part, le soufre contenu en faibles quantités dans l'huile et le carburant se retrouve sous forme de composés soufrés à l'échappement.
Il entre alors en compétition avec les NOx dans le NOx trap, diminuant ainsi progressivement la capacité à stocker les oxydes d'azote. Une phase de régénération en soufre (DeSOx) du piège est alors nécessaire, de manière elle aussi périodique. Pour cela, on utilise également un mode de combustion spécifique, permettant de garantir des conditions de richesse et de thermique dans le NOx trap.
Au-delà du besoin exprimé en richesse et en thermique dans le piège, un certain nombre de contraintes sont associées à ce réglage. En termes de prestation, des limites de bruit, de stabilité de combustion, de fumées ou encore de consommation sont imposées. D'autre part, la fiabilité du moteur ne doit pas être impactée. En particulier, la température des gaz d'échappement en amont de la turbine du turbocompresseur appelée température avant turbine doit rester inférieure à un seuil afin de garantir la fiabilité du turbocompresseur, pendant toute la durée d'utilisation de ces modes de combustion spécifiques. MS\REN062FR.dpt Le réglage des modes de combustion pour les phases de régénération DeNOx et/ou DeSOx est effectué dans certaines conditions, proches en général d'un fonctionnement nominal. Toutefois, d'un moteur à un autre, les capteurs et actionneurs sont sujets à des dispersions et, au cours de la vie d'un même moteur, les capteurs et actionneurs sont sujets à des dérives. Les prestations sont alors impactées. Toutefois, il est indispensable de s'assurer qu'en dépit de ces dispersions et dérives, le moteur reste fiable.
Plus particulièrement, des dispersions et dérives du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur (le taux d'EGR pour Exhaust Gas Recirculation) et des dispersions et dérives du débit d'air ont une influence directe sur la température avant turbine.
Le refroidisseur de gaz recirculés EGR, outre ses dispersions, est plus ou moins encrassé et a, en conséquence, une efficacité de refroidissement variable. Lorsqu'il est très encrassé, le manque de gaz recirculés résultant, engendrent une température avant turbine très élevée jusqu'à des limites inacceptables pour la fiabilité du turbocompresseur. Quant au débitmètre d'air, outre ses dispersions, il est lui aussi sujet à l'encrassement. Lorsque la mesure est faussée, la quantité d'air frais réellement introduite dans le moteur est modifiée. Dans l'hypothèse d'un excès d'air admis dans les cylindres du moteur, la température, avant turbine dépasse là aussi les limites acceptables par le turbocompresseur.
Actuellement, lorsque les dispersions et dérives amènent à dépasser les seuils acceptables de température avant turbine, le mode de combustion à richesse 1 est interrompu. On revient à un mode de combustion en mélange pauvre permettant de retrouver des valeurs acceptables en termes de fiabilité. En revanche, cette interruption provoque un arrêt de la phase de purge (NOx ou SOx) qui se traduit par une dégradation de la MSIREN062FR.dpt prestation de dépollution.
D'autre part, en dehors des phases de purge, il est possible de contrôler la température avant turbine en modifiant le phasage et/ou le débit des différentes injections. Pendant les phases de purges, on mesure la richesse du moteur par une sonde à oxygène placée à l'échappement et on contrôle la richesse du mélange en contrôlant le débit et le phasage des injections. Il n'est donc pas possible de rendre leur contrôle compatible avec des besoins à la fois en température avant turbine et en richesse.
Il n'existe actuellement pas de solution proposée pour contrôler la température avant turbine, par contre il existe des méthodes pour protéger la turbine pendant ces phases de purge où le moteur fonctionne à richesse 1.
Par exemple, on connaît de la demande JP 07332072 un système de protection de la turbine d'un turbocompresseur dans lequel, lorsque la température des gaz d'échappement est trop élevée, on utilise un circuit de décharge permettant aux gaz d'échappement de by-passer la turbine.
On connaît également de la demande FR 2 862 102 un système comprenant des moyens de contrôler les exothermes produits par les régénérations des éléments catalytiques pour protéger le turbocompresseur, voir de les stopper en cas de niveau trop élevé. Ces moyens consistent à limiter la quantité de carburant injectée. On se retrouve alors dans un mode de combustion à mélange pauvre.
Le but de l'invention est de fournir un procédé de régulation de la température des gaz d'échappement obviant aux inconvénients évoqués précédemment et améliorant les procédés de régulation de température MS\REN062FR.dpt connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de régulation de la température des gaz d'échappement permettant de rester dans le mode de combustion à richesse 1 tout en assurant une température avant turbine en dessous d'un seuil déterminé.
Le procédé selon l'invention régule la température des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. II comprend une étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur.
Le procédé peut être mis en oeuvre lorsque le moteur fonctionne selon un mode de combustion particulier. Dans ce cas, le mode de combustion particulier peut consister en un 15 fonctionnement du moteur à richesse 1. L'étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur peut être mise en oeuvre dès que la température des gaz d'échappement 20 est supérieure à une première valeur prédéfinie. L'étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur peut être mise en oeuvre pendant une durée prédéterminée dès que la 25 température des gaz d'échappement est supérieure à une deuxième valeur prédéfinie, le mode de combustion du moteur étant modifié si la température des gaz d'échappement n'est pas redescendue en deçà de cette deuxième valeur prédéfinie à l'issue de la durée prédéterminée. 30 Le procédé peut provoquer une modification du mode de combustion du moteur dès que la température des gaz d'échappement est supérieure à une troisième valeur prédéfinie. MSIREN062FR.dpt 10 Le procédé de régulation peut s'appliquer à un moteur Diesel turbocompressé, la régulation de température concernant la température des gaz en amont de la turbine du turbocompresseur. Le dispositif selon l'invention régule la température des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Il est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels et logiciels de mise en oeuvre du procédé défini précédemment. 10 Les moyens matériels peuvent comprendre une vanne de recirculation de gaz d'échappement et/ou un volet de régulation du débit d'air alimentant le moteur et des moyens de commande de cette vanne et/ou de ce volet. 15 Le moteur Diesel turbocompressé selon l'invention comprend un dispositif de régulation défini précédemment. Le véhicule automobile selon l'invention comprend un moteur défini précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode d'exécution d'un procédé de régulation selon l'invention et un mode de réalisation d'un dispositif de régulation selon l'invention.
25 La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un dispositif de régulation selon l'invention,
Les figures 2 à 5 sont des schémas expliquant le principe du procédé de régulation selon l'invention, 30 la figure 2 étant un diagramme représentant l'évolution de la température avant turbine en fonction du taux d'EGR, la figure 3 étant un diagramme représentant l'évolution de la température avant turbine en fonction du débit d'air frais aspiré par le moteur, MS\REN062FR.dpt 20 la figure 4 étant un diagramme de différents mode de fonctionnement du procédé de régulation en fonction de la température avant turbine, et la figure 5 étant un diagramme représentant le principe de l'asservissement de température.
Le cheminement des gaz dans un moteur 19 Diesel suralimenté par un turbocompresseur 4 est représenté schématiquement à la figure 1. Les gaz frais entrent dans le moteur au niveau d'un filtre à air. Ensuite, ils sont compressés par le compresseur du turbocompresseur 4 après avoir 10 traversé un débitmètre 3. Un fois compressés, les gaz sont refroidis dans un échangeur 5 avant de rejoindre un collecteur 7 puis un bloc moteur 8 où ils sont utilisés comme comburant dans une réaction de combustion avec le carburant. En amont du bloc moteur, un volet 6 ou papillon logé dans une tubulure et mobile par rapport à celle-ci permet de régler le 15 débit des gaz frais.
En aval du bloc moteur les gaz d'échappement sont dirigés vers la turbine du turbocompresseur. Cependant, une vanne EGR 9 permet de dévier une fraction variable de ceux-ci pour les réinjecter dans le 20 collecteur 7.
En aval de la turbine, les gaz d'échappement traversent un catalyseur ou un piège à NOx 10 puis un filtre à particule 11.
25 Le moteur comprend un dispositif 1 de régulation de la température des gaz d'échappement. Ce dispositif permet de réguler la température avant turbine Tavt et ainsi assurer que celle-ci fonctionne dans des conditions thermiques acceptables.
30 Le dispositif de régulation de la température comprend principalement deux actionneurs 15, 16: le premier actionneur 15 permettant de MS\REN062FR.dpt manoeuvrer le volet 6 et ainsi d'agir sur le débit d'air fourni au moteur et le deuxième actionneur 16 permettant de manoeuvrer la vanne EGR 6 et ainsi d'agir sur le taux d'EGR, c'est-à-dire sur la quantité de gaz d'échappement recirculés, fournie au moteur. Ces deux actionneurs sont par exemple du type électrique et commandés par un calculateur 12 recevant des informations fournies par différents capteurs. On note parmi ces capteurs : le débitmètre 3 permettant de mesurer le débit de gaz frais Qair, un capteur 13 permettant de mesurer le taux d'EGR et un capteur 14 permettant de mesurer la température avant turbineTavtmes.
Le calculateur comprend notamment des moyens logiciels pour régir le procédé de régulation de température objet de l'invention dont un mode d'exécution est décrit en détail plus bas. En particulier, ces moyens logiciels peuvent comprendre des programmes informatiques. Ces moyens logiciels permettent de commander de manière adéquate les actionneurs à partir des informations fournies par les capteurs.
L'invention s'applique alors que le moteur fonctionne dans un mode de combustion à richesse 1. Pour ce faire, le contrôle de richesse est effectué par un bouclage utilisant une sonde de richesse. Le principe de l'invention repose sur le fait que deux paramètres principaux permettent d'agir sur la température des gaz d'échappement. Il s'agit du taux d'EGR et du débit d'air frais fourni au moteur. Sur la figure 2, on a représenté les variations de la température avant turbine en fonction du taux d'EGR : ces deux valeurs évoluent de manière sensiblement linéaire, la température décroissant avec le taux d'EGR. Sur la figure 3, on a représenté les variations de la température avant turbine en fonction du débit d'air frais fourni au moteur : globalement, la température croît avec le débit d'air frais fourni au moteur. En outre, comme expliqué précédemment, le dispositif de régulation selon l'invention présente des moyens pour agir sur ces paramètres. MS\REN062FR.dpt Ainsi, pour mettre en oeuvre un mode d'exécution du procédé de régulation selon l'invention, on définit un premier seuil de température Tavt1, fonction éventuellement du point de fonctionnement du moteur.
Comme représenté sur le diagramme de la figure 4, tant que la température avant turbine mesurée Tavtmes reste inférieure à ce seuil, on se trouve dans une première zone 100 dans laquelle il n'y a pas de régulation de température. La température Tavtl ne présente en effet pas de risque pour la fiabilité de fonctionnement du turbocompresseur.
Le premier seuil vaut par exemple entre 550 et 650°C.
Au-delà de ce premier seuil de température, on passe dans une deuxième zone 110 dans laquelle on met en oeuvre une étape de régulation de la température avant turbine en modifiant les consignes de débit d'air et/ou de taux d'EGR. Ces modifications sont faites de manière à ce que, dans la mesure du possible, la température avant turbine Tavt tende vers le premier seuil Tavtl.
Pour mettre en oeuvre cette étape de régulation, on utilise les actionneurs 15 et/ou 16 décrits précédemment qui agissent respectivement sur le volet 6 pour modifier le débit d'air et/ou sur la vanne EGR 9 pour modifier le taux d'EGR.
On définit également un deuxième seuil de température Tavt2, supérieur au premier seuil Tavtl et fonction éventuellement du temps de réponse du système asservi et un troisième seuil de température Tavt3. Par exemple, le deuxième seuil de température est compris entre 650°C et 750°C et le troisième seuil de température est compris entre 750°C et 850°C. Au-delà de ce deuxième seuil et en-deçà du troisième seuil, on passe dans une troisième zone 120 dans laquelle on met en oeuvre une étape de régulation de la température avant turbine en modifiant les MS\REN062FR.dpt consignes de débit d'air et/ou de taux d'EGR pendant une durée prédéterminée, par exemple comprise entre 5 et 10 s. Lorsque cette durée est dépassée, on doit donc quitter le mode de combustion permettant de mettre en oeuvre les phases de purges. En effet, un fonctionnement dans cette zone de température pendant une durée trop longue dégrade rapidement la turbine. Dans cette zone, l'étape de régulation vise à abaisser la température avant turbine, par exemple, à faire tendre, autant que possible, la température avant turbine vers le premier seuil Tavtl .
Enfin, lorsque la température avant turbine mesurée Tavtmes dépasse le troisième seuil de température Tavt3, on passe dans une quatrième zone 130 dans laquelle on doit immédiatement quitter le mode de combustion permettant de mettre en oeuvre les phases de purges. En particulier, on doit revenir à un mode de combustion à mélange pauvre.
Lorsque l'on se trouve dans les deuxième et troisième zones 110 et 120 où est mise en oeuvre une étape de régulation de la température, on utilise par exemple un modèle de correction de paramètres représenté à la figure 5. Un opérateur 20 détermine la différence E séparant la valeur de température avant turbine mesurée Tavtmes et le premier seuil Tavtl. En fonction de cette valeur, on détermine dans des blocs de calculs 21 et/ou 22, les modifications ATxEgr à apporter à la consigne de taux d'EGR et/ou AQair à apporter à la consigne de débit d'air. Ces blocs de calculs déterminent ces valeurs également en fonction du point de fonctionnement PF du moteur et de conditions environnementales. Les opérateur 20 et blocs de calculs consistent par exemple en des moyens logiciels, tels que des programmes informatiques, mis en oeuvre dans le calculateur 12.
Ces modifications AQair et ATxEgr sont bornées puisque le cahier des MS\REN062FR.dpt charges relatif à d'autres paramètres doit toujours être respecté.
Selon le point de fonctionnement du moteur et le réglage retenu sur ce point, la sensibilité de la température avant trubine aux consignes d'air et de taux d'EGR n'est pas la même. En outre, les latitudes de variations que l'on peut autoriser sur ces deux paramètres n'est pas non plus la même. Pour ces raisons, les modifications sont dépendantes du point de fonctionnement.
D'autre part, si lors d'une phase de purge, on enclenche la régulation à un moment donné, on autorise l'application de certaines corrections lors du retour de la température des gaz d'échappement en dessous du seuil Tavtl pendant toute la durée de la phase de purge afin de permettre la continuité des prestations.
Dans certains cas, on dispose de stratégies permettant de limiter les dispersions et dérives de la mesure de débit d'air. Dans cette hypothèse, le procédé de régulation peut n'agir que sur la consigne du taux d'EGR.
De manière analogue, on peut n'agir que sur la consigne de débit d'air frais aspiré par le moteur.
Jusqu'à maintenant, lorsque un échangeur EGR (situé entre la vanne EGR et le collecteur) s'encrasse, on atteint très rapidement les limites acceptables de la température avant turbine Tavt. Le fait, dans ces conditions, de quitter le mode de combustion spécifique permettant de mettre en oeuvre les phases de purge limite considérablement la capacité de ce même échangeur à se décrasser.
Grâce à la présente invention, non seulement on augmente la capacité du piège à se régénérer lors de phases de purge mais on réduit en outre MS\REN062FR.dpt 5 l'encrassement de l'échangeur EGR qui constitue une cause principale de dérive du système. On limite donc, à la source, les dérives de la température avant turbine Tavt. MSIRENO62FR.dpt

Claims (11)

  1. Revendications
    : 1. Procédé de régulation de la température (Tavt) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (19) comprenant une étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur.
  2. 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lorsque le moteur fonctionne selon un mode de combustion particulier.
  3. 3. Procédé de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mode de combustion particulier consiste en un fonctionnement du moteur à richesse 1.
  4. 4. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur est mise en oeuvre dès que la température (Tavt) des gaz d'échappement est supérieure à une première valeur prédéfinie (Tavtl).
  5. 5. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de modification du débit d'air aspiré par le moteur et/ou de modification du taux de gaz d'échappement recirculés dans le moteur est mise en oeuvre pendant une durée prédéterminée dès que la température (Tavt) des gaz d'échappement est supérieure à une deuxième valeur prédéfinie (Tavt2), un mode de combustion du moteur étant modifié si la température des gaz d'échappement n'est pas redescendue en MS\REN062FR.AM1au propre.dptdeçà de cette deuxième valeur prédéfinie à l'issue de la durée prédéterminée.
  6. 6. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il provoque une modification d'un mode de combustion du moteur dès que la température des gaz d'échappement est supérieure à une troisième valeur prédéfinie (Tavt3).
  7. 7. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à un moteur Diesel turbocompressé (19), la régulation de température concernant la température des gaz en amont de la turbine du turbocompresseur.
  8. 8. Dispositif (1) de régulation de la température (Tavt) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (19), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels (3, 6, 9, 12, 13, 14, 15, 16) et logiciels (20, 21, 22) de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.
  9. 9. Dispositif de régulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens matériels comprennent une vanne de recirculation de gaz d'échappement (9) et/ou un volet (6) de régulation du débit d'air alimentant le moteur et des moyens de commande (12, 15, 16) de cette vanne et/ou de ce volet.
  10. 10. Moteur Diesel turbocompressé (19) comprenant un dispositif de régulation selon la revendication 8 ou 9.
  11. 11. Véhicule automobile comprenant un moteur selon la revendication 10. MS\REN062FR.AM1au propre.dpt
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