FR2983253A1

FR2983253A1 - Procede de decrassage d'une vanne de recirculation des gaz d'echappement

Info

Publication number: FR2983253A1
Application number: FR1160858A
Authority: FR
Inventors: Ali Achir
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-05-31
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: FR2983253B1

Abstract

Procédé de nettoyage d'une vanne, contrôlant le débit dans un conduit de recirculation de gaz d'échappement monté en communication entre un conduit d'échappement et un conduit d'admission d'un moteur thermique, ledit procédé comportant une détection continue de l'état d'encrassement et la mise à jour d'un indicateur d'encrassement, et si un état d'encrassement donné est détecté, une demande d'autorisation, à un superviseur de la boucle de régulation d'air du moteur, de l'activation d'une stratégie de nettoyage sans attendre une phase d'arrêt moteur et l'exécution de ladite stratégie.

Description

PROCEDE DE DECRASSAGE D'UNE VANNE DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT pool L'invention est du domaine des moteurs thermiques et plus particulièrement des moteurs thermiques équipés d'une vanne montée entre un conduit d'échappement des gaz d'échappement du moteur et un conduit d'admission d'air dans le moteur. Plus précisément, l'invention vise un procédé permettant de décrasser cette vanne. [0002] Les moteurs dits de type diesel, ou plus généralement tous les moteurs opérés avec un mélange air/carburant pauvre, c'est-à-dire avec un excès d'air par rapport à la stoechiométrie de la réaction de combustion entre l'oxygène de l'air et le carburant, émettent en sortie de moteur des oxydes d'azote qui s'ils sont rejetés à l'atmosphère, sont des polluants. [0003] Pour minimiser ces rejets, il est connu de traiter les gaz d'échappement en favorisant des réactions d'oxydation du monoxyde d'azote présent dans les gaz d'échappement et de réduction du dioxyde d'azote. Ce traitement peut être réalisé par exemple au moyen d'un piège à NOx ou d'un catalyseur de réduction sélective associé à une source d'un réducteur tel que l'ammoniac ou l'urée. [0004] II est aussi bien connu de limiter la quantité d'oxydes d'azote émise par le moteur en diluant la charge d'air frais admis avec un gaz essentiellement neutre, c'est-à-dire non réactif. Les gaz d'échappement constituent une source privilégiée d'un tel gaz neutre car ils sont majoritairement composés de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. De plus, ces gaz d'échappement renvoyés à l'admission vont parfaire leur réduction et ainsi, on réduit la quantité de polluants émis dans l'atmosphère. Ce procédé de recirculation des gaz d'échappement est plus particulièrement connu sous son acronyme anglais EGR (pour Exhaust Gas Recycling). [0005] Selon les conditions de roulage, la quantité de gaz d'échappement renvoyés à l'admission doit varier. Ainsi, à haut régime, forte demande de couple, la recirculation est typiquement coupée. C'est pourquoi on prévoit une vanne dite vanne EGR montée en communication entre le conduit d'échappement du moteur et le conduit d'admission. 2 9832 53 2 [0006] La vanne EGR est située dans un environnement particulièrement sévère, avec notamment des températures très élevées (la vanne est située juste en sortie de moteur), et un fort risque de dépôts de suies ou de laques, les gaz d'échappement étant typiquement chargés de suies et autres particules qui 5 favorisent l'encrassement de la vanne, formée en général d'une soupape à l'extrémité d'une tige se déplaçant dans un guide de soupape. Ces agressions endogènes au système ont deux effets principaux : les suies et laques accumulées entre le guide de soupape et la tige réduisent la section de passage des gaz d'échappement vers l'admission diminuant ainsi le rendement du moteur. De plus, 10 les suies et laques accumulées au niveau de la surface de contact entre la tête de soupape et le siège de soupape entrainent un risque de collage de la tête de soupape, collage qui à la limite va jusqu'à empêcher l'ouverture de la vanne en provoquant son blocage total. Dans ce dernier cas, le système de respiration du moteur est complètement mis en défaut. 15 [0007] Pour minimiser ces risques associés à l'encrassement de la vanne EGR, différentes solutions matérielles ont été proposées. Ainsi, le brevet français FR2902465 propose d'isoler la tige de soupape par un protecteur isolant ainsi la tige des gaz d'échappement. Pour limiter l'encrassement, on a aussi proposé selon le certificat d'utilité FR2929698 des moyens racleurs aptes à racler la surface interne 20 du conduit de recirculation des gaz d'échappement. Une autre solution connue de la demande internationale W02009156670 consiste à injecter une solution aqueuse pour décrasser la vanne. mos] Des solutions dites logicielles ont également été développées. Ainsi, la demande de brevet français FR2910546 propose d'estimer le taux d'encrassement 25 et de compenser son impact via une modification des consignes de débit EGR que doit réaliser le système de contrôle du circuit. La demande de brevet français FR2833653 décrit un procédé comportant une estimation de l'état d'encrassement de la vanne EGR. Si la vanne est jugée trop encrassée et si le moteur se trouve alors dans une zone de fonctionnement prédéterminée, l'actionnement des moyens 30 d'ouverture et de fermeture pour faire circuler des gaz à une température suffisamment élevée pour entrainer la combustion et la dissociation de l'amalgame encrassant la vanne EGR. Une variante de ce procédé est connue de FR2880069 qui propose une cartographie de nettoyage du circuit de recirculation de gaz d'échappement sur un point de fonctionnement nominal du moteur. [0009] Un autre type de solutions logicielles connu de la demande de brevet français FR2824380 consiste à faire réaliser à la vanne plusieurs ouvertures fermetures juste avant l'arrêt du moteur. [0olo] Ces solutions matérielles sont plus ou moins efficaces, les moyens introduits pouvant eux-mêmes être mis en défaut, et d'autre part, renchérissent la fonction. Les solutions tendant à protéger la tige de soupape ralentissent l'encrassement mais à terme, le blocage total de l'actionneur est toujours possible. De plus, le système de respiration fonctionne de manière sous optimale si aucune solution de compensation de la réduction de la section de passage des gaz d'échappement n'est mise en place. La solution qui consiste à injecter des diluants de suies et de laques sont encombrantes et nécessitent également des stratégies de contrôle commande pour cibler leur action pour les rendre viable économiquement. [001 1] Par définition, les solutions logicielles qui cherchent à tenir compte de l'état d'encrassement n'agissent pas contre l'encrassement lui-même mais tendent seulement à minimiser son impact sur le rendement du moteur. [0012] Les solutions logicielles qui consistent à favoriser le brûlage des suies et laques sont souvent défaillantes car les conditions nécessaires se rencontrent assez rarement, et souvent dans des moments où la vanne est fermée, ce qui tend à limiter la capacité de brûlage des suies - ou sont artificiellement reproduites par une modification des lois de commande du moteur, avec alors un surcoût en matière de consommation de carburant et une pénalité sur le rendement du moteur. [0013] Enfin, les solutions logicielles qui consistent à faire réaliser plusieurs ouvertures fermetures à l'arrêt moteur ont des effets seulement préventifs et non pas curatifs, c'est à dire, elles n'agissent pas efficacement et suffisamment au moment où l'actionneur présente des signes d'encrassement. [0014] Un but de la présente invention est de présenter une solution logicielle à la fois préventive et curative, sans pénalité sur le rendement du moteur. [0015] Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de nettoyage d'une vanne, contrôlant le débit dans un conduit de recirculation de gaz d'échappement monté en communication entre un conduit d'échappement et un conduit d'admission d'un moteur thermique, ledit procédé comportant une détection continue de l'état de d'encrassement et la mise à jour d'un indicateur d'encrassement, et si un état de d'encrassement donné est détecté, une demande d'activation, à un superviseur de la boucle de régulation d'air du moteur, d'une stratégie de nettoyage sans attendre une phase d'arrêt moteur et l'exécution de ladite stratégie. [0016] Le procédé selon l'invention se caractérise donc essentiellement par une mise en oeuvre du procédé de nettoyage uniquement si le besoin d'un tel nettoyage est réel (et non par exemple à tous les arrêts du moteur), mais quasi immédiatement après la détection du besoin, dès que le superviseur de la boucle de régulation d'air du moteur autorise l'exécution de la stratégie de nettoyage, c'est-à-dire dès qu'il est considéré que les conditions de fonctionnement du moteur permettent d'exécuter cette stratégie sans altérer les fonctions de respiration du moteur. [0017] Ces conditions sont par exemple réunies lorsqu'aucune accélération n'est demandée au moteur thermique, autrement dit sur les phases dites de pied levé lorsque le conducteur n'enfonce plus la pédale d'accélérateur (ou celle-ci n'est plus « enfoncée » par un système de régulation automatique de la vitesse du véhicule équipé du moteur thermique. [0018] De préférence, le superviseur de la boucle de régulation d'air va de plus contrôler si la phase de levé de pied est considérée comme « vraie », et non liée à 20 un simple changement de rapport d'une boite de vitesse associée au moteur thermique. [0019] Dans une variante, la stratégie de nettoyage comporte la réalisation de n cycles d'ouverture/fermeture de la vanne, n étant compris entre 2 et 10, et de préférence voisin de 5. 25 [0020] Ces cycles d'ouverture/fermeture de la vanne sont de préférence effectués en boucle fermée, c'est-à-dire avec un contrôle de la position d'ouverture et de fermeture et/ou un contrôle de la vitesse de déplacement d'un actionneur de la vanne EGR. [0021] Dans une variante préférée de l'invention, la détection de l'état 30 d'encrassement est effectuée en comparant la position d'une tige de soupape à une position de consigne demandée à un actionneur de la tige. [0022] Avantageusement, cette détection de l'état d'encrassement comporte de plus une estimation de la vitesse de déplacement de la tige de soupape sur laquelle l'actionneur agit. [0023] Alternativement, ou éventuellement en complément, la détection de l'état d'encrassement peut être effectuée en comparant le débit de gaz d'échappement recirculé en aval de vanne EGR à un débit de consigne. [0024] De préférence, un filtre temporel est appliqué à l'indicateur de l'état d'encrassement pour supprimer les effets des transitoires. [0025] Avantageusement, suite à l'exécution d'une stratégie de nettoyage, l'indicateur de l'état d'encrassement est mis à jour et l'autorisation de l'exécution d'une nouvelle stratégie de nettoyage est demandée si un état d'encrassement est toujours détecté. [0026] D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de l'objet et de la 15 portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'ensemble, en coupe, schématique, d'une vanne EGR de moteur thermique, - la figure 2 est un schéma illustrant le procédé selon l'invention. [0027] Le dessin de la figure 1 représente, de manière schématique, un système de 20 vanne EGR de moteur thermique. Un tel système est essentiellement formé d'une soupape, qui est constituée d'une tige 7 et d'une tête 5, et qui, selon sa position, permet ou empêche le passage de gaz d'échappement du conduit provenant de l'échappement - référencé E - vers le conduit dirigé vers l'admission - référencé A. Ce flux de gaz d'échappement est illustré par les flèches C. La soupape est 25 actionnée par un moteur électrique 2 (ou par une membrane) et coulisse dans le guide de soupape, référencé 3. Le guide de soupape 3 est monté fixe dans le corps de vanne 4. La tête de soupape 5 vient en contact avec le siège de soupape 6, monté fixe sur le corps de vanne 4, en position fermée de la vanne EGR, pour empêcher le passage des gaz d'échappement C du conduit E vers le conduit A. 30 [0028] La soupape a pour fonction de réguler la quantité de gaz d'échappement C introduite dans les gaz d'admission, c'est-à-dire venant de E pour aller vers A. Cette régulation est obtenue par le mouvement de translation de plus ou moins grande amplitude commandé par le moteur électrique 2 (ou une membrane selon le type d'actionneur). [0029] L'introduction de gaz d'échappement dans les gaz d'admission n'est pas souhaitée sur tous les points de fonctionnement du moteur thermique. Ainsi, dans certaines situations et sous certaines conditions, il n'est pas nécessaire d'introduire des gaz d'échappement dans les gaz d'admission ; il faut alors, dans de tels cas, fermer la soupape : la tête de soupape 5 vient s'appuyer sur le siège de soupape 6, et ce contact garantit l'étanchéité du système de vanne en empêchant toute nouvelle introduction de gaz d'échappement C dans les gaz d'admission. [0030] Le guide de soupape 3 doit permettre un mouvement aisé de la soupape dans toutes les conditions. A cette fin, il faut que l'interface « guide de soupape 3 tige de soupape 7 » soit le plus propre possible et le reste. [0031] Comme déjà mentionné précédemment dans l'exposé, des particules peuvent s'introduire dans l'espace d'ajustement entre la tige de soupape 7 et le guide de soupape 3, bloquer la soupape qui délivre alors un débit continu de gaz EGR, et faire chuter la puissance et le rendement du moteur. De même, lorsque la vanne EGR est ouverte, la tige de soupape 7 est « noyée » dans les gaz d'échappement et s'encrasse. Dans le cas, par exemple, où la cinématique d'ouverture de la vanne EGR est du type « à soupape sortant du guide pour laisser passer les gaz », les particules d'encrassement provoquent une augmentation du diamètre de la tige de soupape 7, et empêche cette dernière de rentrer dans le guide 3 pour fermer la vanne EGR et couper le courant de gaz EGR en réintroduction dans les gaz d'admission. Cela a pour conséquence de bloquer la vanne, d'engendrer un débit constant de gaz EGR et de faire chuter la puissance et le rendement du moteur thermique. [0032] Même si la tige de soupape peut toujours se déplacer dans le guide de soupape, le siège de soupape peut lui aussi s'encrasser, de sorte que l'ouverture de la vanne va être retardée, voire être impossible si on n'arrive pas à « décoller » la 30 soupape de son siège. [0033] L'invention propose un procédé de nettoyage de la vanne EGR qui peut être qualifié de préventif/curatif. [0034] Ce procédé illustré figure 2 est une solution logicielle qui consiste à détecter l'état d'encrassement de la vanne via un superviseur de collage et à agir quasi-immédiatement sur l'actionneur en activant une stratégie de nettoyage/décrassage. [0035] Cette solution logicielle est intégrée au dispositif de contrôle commande du moteur, ou du moins associée à ce dernier. Ainsi, à la figure 2, on a figuré le bloc 10 du système de contrôle commande qui contrôle le système de respiration du moteur. Ce contrôle est typiquement basé sur une cartographie qui, en fonction de la demande de régime (vitesse) et de couple (exprimée par exemple par l'état d'enfoncement de la pédale d'accélération) et de paramètres environnementaux tels que la température extérieure, la pression ambiante, la température du moteur etc., va choisir une quantité d'air frais et de gaz d'échappement recyclés admis dans le moteur (ou plus précisément dans chaque cylindre du moteur) à un instant donné du cycle moteur. [0036] Pour ce qui concerne les gaz recyclés, le débit va dépendre du débit total de gaz d'échappement et de la position de la vanne EGR. Le système de contrôle de la respiration du moteur va donc pour cette fonction essentiellement choisir une position de consigne pour la vanne, position de consigne qui se traduit par une demande de déplacement de la tige de soupape via son actionneur. [0037] Quel que soit le type d'actionneur (moteur électrique avec ou sans balai, système pneumatique, etc), cette demande de déplacement se traduit essentiellement par une position de consigne. Sur tous les systèmes EGR commerciaux récents, on retrouve par ailleurs un capteur de position ou tout moyen équivalent pour connaitre la position effective de la tige de soupape. [0038] Ainsi, on peut construire un indicateur de l'état de collage en fonction de l'écart avec une position de consigne après un temps de référence donné correspondant au temps de déplacement de la tige de soupape si le déplacement n'est pas pénalisé par un encrassage. Si l'écart de position dépasse une valeur de seuil prédéfini, on considère qu'il y a un état d'encrassement. [0039] Tant que cet encrassement n'est pas trop important, si l'actuateur continue de commander le déplacement de la tige de soupape, ce déplacement va au bout du compte se produire, mais avec un décalage temporel par rapport au temps de référence. Plus ce décalage temporel est long, plus grand est le risque de voir la 2 9832 53 8 soupape prochainement bloquée. Par ailleurs, ce décalage temporel conduit à une respiration du moteur non conforme, donc à un fonctionnement non optimal du moteur. [0040] II est donc avantageux d'utiliser ce décalage temporel comme un indicateur 5 complémentaire du premier indicateur pour évaluer l'état d'encrassement. [0041] Evidemment, si au bout d'un certain laps de temps le déplacement ne s'est toujours pas produit, la vanne EGR est considérée comme collée. [0042] A la figure 2, outre le bloc 10 de contrôle du système de respiration, on a figure un bloc 11 de contrôle rapproché de l'actionneur. Par contrôle rapproché il est 10 entendu un contrôle en boucle fermé, autrement dit, l'ouverture (ou la fermeture) est commandée en envoyant une valeur de consigne (consigne de position finale, complétée éventuellement d'un profil de vitesse d'exécution du déplacement, avec notamment un ralentissement en fin de déplacement pour éviter une détérioration de la vanne. 15 [0043] Le bloc 12 concerne la fonction de supervision de l'encrassement, avec en 13 un entier indiquant l'état d'encrassement de l'actionneur. [0044] Le bloc 14 figure la fonction de nettoyage préventif/curatif et le bloc 16 la fonction de décrassage, suite en 15 à une requête de décrassage. [0045] Sur cette figure 2, on a également indiqué en 17 un booléen de demande 20 d'autorisation du nettoyage (du système de contrôle rapproché de l'actionneur) au système de respiration), et en retour, le booléen 18 d'autorisation de l'opération de nettoyage. [0046] De préférence, le nettoyage est réalisé par un nombre suffisant d'ouvertures fermetures de la vanne EGR. Cette intervention sur l'actionneur se fait au lâcher 25 (lever) de pied sous l'aval de la boucle de régulation d'air (boucle globale) évitant ainsi de perturber le bon fonctionnement du système de respiration. La réalisation de cette action de nettoyage est effectuée de préférence en boucle fermée pour pouvoir effectuer le décrassage dans le temps imparti d'un lâcher de pied tout en respectant la vitesse d'impact en butée. 30 [0047] La fonction de nettoyage préventif/curatif 14 est à insérer dans le contrôle rapproché de l'actionneur 11. Ce dernier embarque deux autres fonctions utiles pour sa mise en oeuvre qui sont : la détection de l'état d'encrassement de l'actionneur 12 et la fonction nettoyage de l'actionneur 16. La fonction de nettoyage préventif/curatif 14 dialogue aussi avec le contrôle du système de respiration 10 au sein du contrôle moteur. [0048] Ce système logiciel 11 de contrôle rapproché de l'actionneur réalise le contrôle/commande de l'actionneur vanne EGR. Il dispose de toutes les fonctions nécessaires pour assurer la prestation souhaitée à la vanne EGR. Parmi les fonctions embarquées dans ce système logiciel utiles pour le dispositif d'anti-collage en question, on trouve le bloc 12 de supervision de l'état d'encrassement, qui correspond à la fonction de construction d'un indicateur de l'état d'encrassement de l'actionneur en fonction de l'écart entre la position souhaitée et la position réalisée par l'actionneur et dans une variante préférée de plus de la vitesse de déplacement de ce dernier. De préférence cet indicateur est ensuite filtré pour supprimer les effets des transitoires. [0049] Le système logiciel 11 comporte également la fonction de nettoyage préventif/curatif : si l'indicateur de collage 13 est supérieur au seuil critique calibré lors de la mise au point, cette fonction demande à la boucle globale 10 d'autoriser le décrassage via la requête 17. Cette demande est maintenue tant que la boucle globale 10 n'a pas donné suite. Cette fonctionnalité est réalisée autour d'une bascule de type RS (pour set /reset ). Dès que la boucle globale 10 donne son aval, la fonction anti-collage préventif-curatif 14 envoie alors une requête de nettoyage 15 à la fonction de décrassage 16 et cesse de demander l'autorisation de décrassage à la boucle globale 10. Cette fonctionnalité est réalisée en effectuant un reset de la bascule RS précédente par le front descendant du booléen d'autorisation de décrassage au lâcher lever de pied 18. La fonction nettoyage réalise alors le décrassage de l'actionneur selon son cahier des charges spécifié ci-après. [0050] Fonction décrassage 16 : le cahier de charge de cette fonction est de réaliser en boucle fermée un nombre d'ouvertures fermetures de l'actionneur à l'arrêt moteur. A la fin de chaque cycle, elle réalise un test d'aller en butée de l'actionneur. Si ce test n'est pas réalisé avec succès, elle réitère le cycle un nombre de fois spécifié. Dans le cas spécifique du dispositif anti-collage préventif-curatif 14, cette fonction de décrassage 16 est activée même moteur tournant par la requête de décrassage préventif-curatif 15. Afin de limiter le nombre de demandes excessives de décrassage, une temporisation est ajoutée entre deux décrassages successifs. Cette fonctionnalité est mise en place pour ne pas réaliser des décrassages trop fréquents réduisant ainsi la durée de vie de l'actionneur. En fin, le décrassage est avorté dès que la boucle d'air souhaite de réutiliser l'actionneur EGR. [0051] Le procédé selon l'invention permet de limiter les phénomènes de frottement et donc d'assurer un temps de réponse de la vanne conforme aux spécifications ce qui permet d'assurer que le débit EGR est bien conforme et que la respiration du moteur n'est pas impactée, donc qu'il n'y a bien pas de perturbation sur le fonctionnement du moteur. [0052] Ce procédé permet de plus d'améliorer la durabilité de la vanne EGR car les pièces mécaniques sont protégées par respect des vitesses d'impact en butées lorsque le contrôle s'effectue bien en boucle fermée.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de nettoyage d'une vanne, contrôlant le débit dans un conduit de recirculation de gaz d'échappement monté en communication entre un conduit d'échappement et un conduit d'admission d'un moteur thermique, ledit procédé comportant une détection continue de l'état d'encrassement et la mise à jour d'un indicateur d'encrassement, et si un état d'encrassement donné est détecté, une demande d'autorisation, à un superviseur de la boucle de régulation d'air du moteur, de l'activation d'une stratégie de nettoyage sans attendre une phase d'arrêt moteur et l'exécution de ladite stratégie.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le superviseur autorise l'activation de la stratégie de nettoyage lorsqu'aucune accélération n'est demandée au moteur thermique (phase dite pied levé).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le superviseur vérifie de plus que la phase pied levé n'est pas liée à un changement de rapport d'une boite de vitesse associée au moteur thermique.
4. Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la stratégie de nettoyage comporte la réalisation de n cycles d'ouvertures/fermetures de la vanne, n étant compris entre 2 et 10.
5. Procédé de nettoyage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cycles d'ouvertures et de fermetures de la vanne sont effectués en boucle fermé.
6. Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection de l'état d'encrassement est effectuée en comparant la position d'un actionneur de la vanne à une position de consigne.
7. Procédé de nettoyage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la détection de l'état d'encrassement comporte de plus une estimation de la vitesse de déplacement de l'actionneur.
8. Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection de l'état d'encrassement est effectuée en comparant le débit de gaz d'échappement recirculé en aval de vanne EGR à un débit de consigne
9. Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on applique un filtre temporel à l'indicateur de l'état d'encrassement.
10. Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que suite à l'exécution d'une stratégie de nettoyage, l'indicateur de l'état d'encrassement est mis à jour et l'autorisation de l'exécution d'une nouvelle stratégie de nettoyage est demandée si un état d'encrassement est toujours détecté.