FR3060658A3 - Procede et dispositif de depollution et groupe moto-propulseur muni du dispositif - Google Patents

Procede et dispositif de depollution et groupe moto-propulseur muni du dispositif Download PDF

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Philippe Mallet
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Renault SAS
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle de la température d'échappement (Tech) d'un moteur à combustion interne comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d'échappement dudit moteur, ledit procédé comportant : - une étape (DATA) de réception d'un ensemble de paramètres, - une étape (DET-Tc) de détermination d'une température cible (Tc), ledit procédé état caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une étape de comparaison d'une température d'échappement (Tech) à la température cible (Tc), - si la différence entre la température cible (Tc) et la température d'échappement (Tech) est inférieure à un premier seuil (AT1), une étape d'augmentation d'une consigne de température d'admission d'air (Tadmc), - sinon, l'étape d'augmentation d'une consigne de température d'admission (Tadmc) est combinée avec au moins une autre étape.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DEPOLLUTION ET GROUPE MOTO-PROPULSEUR MUNI DU DISPOSITIF L’invention concerne un procédé de contrôle de la température d’échappement d’un moteur comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne. L’invention trouve une application avantageuse dans le domaine de la dépollution des gaz d’échappement des véhicules automobiles, notamment des véhicules équipés d’un moteur Diesel.
Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de dépollution par post-traitement des gaz de plus en plus complexes tels que les : - piège à oxydes d’azote, ou catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote, encore dénommés SCR (acronyme anglais pour « Sélective Catalytic Réduction ») pour la réduction notamment des oxydes d'azote, - filtre à particules FAP pour le traitement des émissions de particules, - catalyseur d'oxydation, encore dénommé DOC (de l'acronyme anglais pour « Diesel Oxydation Catalyst » pour le traitement du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés, sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre.
Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel (passif), ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors des phases de régénération. Ainsi pour être régénéré, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux thermiques et/ou de richesse nécessaires.
Les catalyseurs de réduction sélective des oxydes d’azote SCR se présentent sous forme d'un filtre et permettent de réduire les oxydes d'azote NOx par l'ajout d'un réactif de réduction sélective dans les gaz d'échappement. Ce réactif est un agent réducteur. L'agent réducteur classiquement utilisé est l'ammoniac (NH3). Il est obtenu par dissociation d'un précurseur, qui est en général de l'urée de synthèse en solution (Adblue®). Cette solution d'urée est injectée dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur de réduction sélective SCR, au moyen d'un injecteur spécifique. Une architecture connue de ligne d'échappement consiste à placer le catalyseur de réduction sélective SCR en aval d'un catalyseur d'oxydation DOC. Ainsi, le catalyseur d'oxydation DOC permet d'oxyder le monoxyde de carbone contenu dans les gaz en sortie de moteur, en dioxyde de carbone, de transformer les hydrocarbures en vapeur d'eau et en dioxyde de carbone et de transformer une partie du monoxyde d’azote en dioxyde d’azote, nécessaire au bon fonctionnement du catalyseur de réduction sélective SCR. Il permet donc d'obtenir des gaz d'échappement les plus propres possibles pour éviter l'encrassement et favoriser le fonctionnement du catalyseur de réduction sélective SCR et du filtre à particules FAP situés en aval. Le filtre à particules FAP est indifféremment disposé en aval, en amont du catalyseur de réduction sélective SCR ou encore, le catalyseur de réduction sélective SCR peut être directement imprégné sur le substrat du filtre à particules FAP.
Un système classique de réduction des oxydes d'azote est appelé piège à NOx et connu sous la dénomination NOx-trap, il consiste à piéger les oxydes d'azote sous forme de nitrates à basse température puis à réduire ces nitrates en azote par des passages en milieu riche, c'est à dire lorsque les gaz d'échappement sont réducteurs. Ce système ne demande pas de température particulièrement élevée pour la phase de stockage, d’autant que son rendement baisse même à haute température car la capacité de stockage des NOx sur les phases de stockage baisse fortement à partir de 350 °C. Sa régénération est amorcée quand le piège est plein puis se poursuit pendant environ 20 secondes, et cette phase de régénération nécessite en revanche une température plus élevée que la phase de stockage, habituellement de l’ordre de 220°C.
Des procédés ont été élaborés pour améliorer le compromis entre les émissions d’oxydes d’azote NOx et les émissions de dioxydes de carbone C02, et ce, notamment pour réduire les rejets d’oxydes d’azote NOx par l’utilisation du post-traitement des gaz d’échappement, tout en réduisant les rejets de dioxydes de carbone C02 par un travail sur la base moteur. Un tel compromis amène à autoriser une injection d'urée à une certaine température des gaz d'échappement, mesurée au nez de l'injecteur d'urée, c'est-à-dire juste en amont de l'injecteur d'urée. Ce seuil de température des gaz d'échappement à partir duquel l'injection d'urée peut être ordonnée est fixé à la température permettant la dissociation de l'urée. Ainsi, pour permettre une bonne conversion des oxydes d’azote NOx par l'ammoniac NH3, le réducteur ou son précurseur n'est injecté que lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure ou égale à environ 200°C. En effet, en dessous de cette température, la conversion de l’urée en ammoniac pourrait n’être réalisée que partiellement et conduire à la formation de dépôts dans le système d’échappement. Par conséquent, lorsque le réactif de réduction sélective choisi est une solution aqueuse d'urée, l’injection du réducteur ne peut pas être activée lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure à 200°C. Cela implique que, dans les phases froides de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire pour des températures de gaz d'échappement inférieures à 200°C, la majorité des oxydes d'azote NOx formés par la combustion doivent être stockés dans le piège à NOx disposé en amont du catalyseur SCR, piège dont on doit pouvoir assurer la purge à intervalles réguliers. C’est notamment le problème qui se pose en roulage urbain à faible charge. Il faut donc trouver un moyen de traiter les NOx émis quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, et notamment celles pour lesquelles la température d’échappement est naturellement trop basse pour assurer une forte efficacité des dispositifs de post-traitement de ces gaz.
Classiquement, un catalyseur d'oxydation DOC, disposé à proximité du moteur, assure que les limites d'émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures sont respectées en mode conduite normal. Pour amorcer l’oxydation et la poursuivre il faut une température de plus de 170°C. Pendant des états de fonctionnement à des températures de gaz d'échappement inférieures à environ 170 °C, le catalyseur d'oxydation DOC ne peut plus oxyder de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures. A la place, les hydrocarbures sont adsorbés par l'adsorbeur d'hydrocarbures, pendant ces phases de fonctionnement. De la même manière que précédemment, les comportements urbains requièrent donc de trouver une solution pour permettre le respect des conditions thermiques de mise en œuvre de l’oxydation dans le catalyseur d’oxydation DOC.
Pour solutionner ces problèmes de mise en action, de maintien à température ou de régénération des éléments du système de dépollution, il est connu pour augmenter la température des gaz d’échappement en phase froide du fonctionnement moteur d’enrichir le mélange. Une technique classiquement utilisée pour permettre d'assurer un tel fonctionnement, consiste notamment à injecter dans les cylindres du moteur une quantité supplémentaire de carburant en fin de cycle (injection communément désignée par post-injection). Une autre alternative connue pour augmenter la température consiste à donner du retard à l’injection (ou sous-calage). Cependant, ces solutions reposent sur le principe de dégradation du rendement et génèrent un impact significatif sur la consommation de carburant ainsi que sur le vieillissement de l’huile moteur.
Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un procédé de contrôle de la température d’échappement et le dispositif associé. A cette fin, l'invention propose un procédé de contrôle de la température d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement dudit moteur, ledit procédé comportant : - une étape de réception d’un ensemble de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur - une étape de détermination d’une température cible à l’échappement, ledit procédé état caractérisé en ce qu’il comporte en outre: - une étape de comparaison d’une température d’échappement à ladite température cible, - si la différence entre ladite température cible et ladite température d’échappement est inférieure à un premier seuil prédéterminé, une étape d’augmentation d’une consigne de température d’admission d’air, - sinon, ladite étape d’augmentation d’une consigne de température d’admission est combinée avec au moins: • une étape de modification d’une consigne du rapport de mélange à l’admission entre les gaz d’échappement d’un circuit haute pression et les gaz d’échappement d’un circuit basse pression; et/ou, • une étape de modification d’une consigne de pression d’admission d’air.
Grâce à l'invention, les besoins du système de dépollution peuvent être assurés en limitant la consommation additionnelle de carburant.
Selon une caractéristique avantageuse, lesdits paramètres reçus à l’étape de réception comportent au moins la température d’échappement et un indicateur de besoin de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution. Cette caractéristique permet d’utiliser des paramètres classiquement reçus par les calculateurs moteurs et l’indicateur de besoin de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution est par exemple obtenu à partir du point de fonctionnement du moteur, lui-même déterminé à partir de données mesurées ou estimées tels qu’un régime de rotation et/ou une indication de la charge (obtenue notamment par une estimation d’un couple fourni, ou par une estimation d’une quantité de carburant injecté, ou par une mesure de la pression moyenne effective PME), et de l’état du système de dépollution (FAP-level, NOx-trap-level) ; accessoirement d’autres paramètres comme les conditions ambiantes peuvent aussi alimenter le procédé de contrôle.
Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite température cible est une température de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution tel qu’un piège à oxydes d’azote (NOx-trap), un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote (SCR), un filtre à particules (FAP), ou un le catalyseur d'oxydation (DOC). Cette caractéristique souligne l’adaptabilité du procédé aux multiples systèmes de dépollution.
Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite modification de ladite consigne du rapport de mélange est réalisée par la commande simultanée d’une première vanne de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement haute pression et ladite ligne d’échappement, et d’une deuxième vanne de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement basse pression et ladite ligne d’échappement, ladite commande simultanée des vannes étant apte à mélanger les gaz d’échappement haute pression et les gaz d’échappement basse pression selon un rapport prédéterminé. Cette caractéristique permet d’utiliser des actuateurs classiques du véhicule.
Selon une autre caractéristique avantageuse, la modification de ladite consigne de pression d’admission d’air est réalisée par une diminution d’une pression de consigne d’un système de suralimentation et/ou par une obturation partielle de l’admission d’air par inclinaison d’un volet d’admission d’air. L’avantage de cette caractéristique est qu’elle permet d’utiliser des actuateurs classiques du véhicule et de ne pas avoir à ajouter de nouveaux actuateurs dans le dispositif.
Selon une autre caractéristique avantageuse, la consigne de la température d’admission est régulée en boucle fermée de manière continue sur une cible de température d’admission calculée en fonction de la différence entre la température cible et la température d’échappement, ce qui permet d’avoir une régulation dynamique et souple.
Selon une autre caractéristique avantageuse, la consigne de rapport de mélange est régulée en boucle fermée de manière continue sur une cible de rapport de mélange calculée en fonction de la différence entre ladite température cible et la température d’échappement, ce qui permet d’avoir une régulation dynamique et souple. L'invention concerne un dispositif de contrôle de la température d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement dudit moteur, ledit dispositif comportant un moyen d’acquisition de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, un moyen de calcul d’une température cible, un moyen de réglage d’une température d’admission d’air et au moins un moyen de réglage d’un rapport de mélange à l’admission entre les gaz d’échappement d’un circuit haute pression et les gaz d’échappement d’un circuit basse pression; et/ou, un moyen de réglage d’une pression d’admission d’air, et caractérisé en ce qu’il est apte à la mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif présente des avantages analogues à ceux du procédé. L’invention concerne un groupe moto-propulseur équipé d’un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que ledit groupe moto-propulseur est équipé du dispositif de contrôle. Ce groupe moto-propulseur présente des avantages analogues à ceux du procédé. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles: la figure 1 représente un exemple de groupe moto-propulseur apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention ; et, la figure 2 est un exemple de logigramme d’un procédé conforme à l’invention.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le groupe moto-propulseur 1 comprend un moteur 14 Diesel avec un circuit d'admission 2 assurant l'alimentation du moteur 14 en air, un circuit de carburant sous pression (non représenté), et une ligne d'échappement 3 des gaz. Le système comprend un calculateur (non représenté) de contrôle moteur. L'injection du carburant dans les cylindres du moteur est assurée par des injecteurs (non représentés) débouchant dans les chambres de combustion et pilotés par le calculateur à partir du circuit de carburant. En sortie du moteur 14, les gaz d'échappement évacués dans la ligne d'échappement 3 traversent un dispositif de post-traitement 8 du type piège à oxydes d'azote (NOx-trap) et/ou du type réduction catalytique sélective (SCR). Un turbocompresseur comprend un compresseur 4 disposé sur le circuit d'admission 2 et une turbine 5 disposée sur la ligne d'échappement 3. Entre le compresseur 4 et le moteur 14, le circuit d'admission 2 comprend un refroidisseur 6 à deux étages, le premier étage 18 (boucle chaude) avec une température de fluide d’environ 80°C, est alimenté par le circuit de refroidissement principal du moteur, et le second étage 19 (boucle froide) est alimenté avec une température de fluide proche de la température ambiante. La dérivation 17 (ou «by-pass» en anglais), équipée d’une vanne en parallèle de ce second étage, permet de faire varier le débit traversant le second échangeur, et de faire varier la température de l’air d’admission entre des valeurs proches des températures de fluides de chacune des boucles et de régler in fine ladite température d’admission effective. Le circuit d'admission 2 comprend également un volet d'admission d'air 10 commandé par le calculateur. Le groupe moto-propulseur 1 comporte un circuit 7a de recirculation des gaz d'échappement haute pression (également dénommé circuit HP EGR selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne High Pressure Exhaust Gas Recirculation) et un circuit 7b de recirculation des gaz d'échappement basse pression (également dénommé circuit LP EGR selon l’acronyme de l’expression anglo-saxonne Low Pressure Exhaust Gas Recirculation), ces 2 circuits permettant de réintroduire des gaz d'échappement dans le circuit d'admission 2. Le circuit HP EGR est connecté d'une part à la ligne d'échappement 3, en amont de la turbine 5, et d'autre part au circuit d'admission 2, au niveau du collecteur d'admission, en aval du volet d'admission d'air 10. Le circuit LP EGR est connecté d'une part à la ligne d'échappement 3, en aval de la turbine 5 et du filtre à particules (non représenté), et d'autre part au circuit d'admission 2, au niveau du collecteur d'admission, en amont du compresseur 4. Les circuits HP EGR 7a et LP EGR 7b comportent des moyens de régulation de la quantité des gaz d'échappement injectée dans le collecteur d'admission du moteur 14, typiquement sous la forme de vannes 11 et 13 dont l'ouverture est pilotée par le calculateur. Un échangeur 15 est monté sur le circuit LP EGR. Un debitmètre d'air 9 est monté dans le circuit d'admission 2, en amont du compresseur 4 du turbocompresseur, pour fournir au calculateur des informations relatives au débit réel de l'air d'admission alimentant le moteur 14. Un capteur de température 12 est monté dans le circuit d'échappement 3, en amont de la turbine 5 du turbocompresseur, pour fournir au calculateur des informations relatives à la température des gaz d'échappement.
Le calculateur comprend, de façon classique, un microprocesseur ou unité centrale, des zones mémoires, des convertisseurs analogiques/numériques et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Le microprocesseur du calculateur comprend des circuits électroniques et les logiciels appropriés pour traiter les signaux en provenance des différents capteurs, en déduire les états du véhicule et du moteur et générer les signaux de commande appropriés à destination des différents actionneurs pilotés tels que les injecteurs, les vannes des différents circuits air, etc ... Le logiciel embarqué du calculateur est classiquement organisé en différentes couches, de la plus basse, traitant du pilotage des actuateurs, à la plus haute, chargée de la supervision globale du groupe moto-propulseur 1 et de son système de post-traitement des gaz d’échappement. C’est cette couche haute, qui définit et transmet des requêtes globales (par exemple cible d’efficacité du post-traitement, niveau maximal d’émissions en sortie moteur,...) à une couche moyenne, qui prend en compte les états des différents sous-systèmes, pour identifier la stratégie à appliquer, la décline en valeurs cibles pour les grandeurs physiques (températures, pressions, etc...) de fonctionnement du moteur et transmet ces consignes aux couches inférieures du logiciel.
Le procédé selon l’invention est hébergé dans le calculateur et plus précisément dans la couche moyenne de son logiciel embarqué. Le procédé permet d’augmenter la température échappement pour atteindre la cible définie par une couche supérieure, en garantissant que cette augmentation de thermique s’effectuera avec un impact en consommation carburant minimal et dans le respect des limites de fonctionnement des différents sous-systèmes impactés du moteur.
La figure 2 illustre le procédé selon l’invention appliqué à un système de dépollution, tel que celui décrit en figure 1, qui comporte des éléments tels qu’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote SCR, ainsi que, dans cet exemple, un filtre à particules FAP, un piège à oxydes d’azote NOx-trap ou un catalyseur d’oxydation DOC (ces éléments du système de dépollution pouvant également être combinés). Les paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur sont mesurés en permanence et servent à divers systèmes dans le véhicule. Ainsi, d’une part, la température d’admission d’air Tadm, la pression d’admission Padm, la température d’échappement Tech, sont des paramètres classiques du cycle moteur, et d’autre part, le couple fourni ou le carburant injecté ou la pression moyenne effective PME, sont représentatifs de la position pédale de l’accélérateur et donc de la charge du moteur et font également partie des données, mesurées ou estimées, qui sont des entrées classiques du calculateur moteur. Dans le cadre des systèmes de dépollution, l’état du système de dépollution (besoin de mise en action (amorçage) ou de régénération de tel élément du système de dépollution) est déduit des niveaux de remplissage des pièges à oxydes d'azote NOx-trap-level ou autre filtre à particules FAP-level et ces données sont également reçues par le calculateur moteur du groupe-motopropulseur Diesel. Pour la réduction catalytique sélective, qui traite les gaz en continu, le besoin de mise en action n’est pas déterminé par un indicateur de niveau de remplissage, mais par directement par une requête du calculateur. Dans le cadre de l’invention, le calculateur moteur reçoit ces diverses données dynamiquement lors d’une étape DATA, puis utilise ces données pour déterminer le besoin de régénération ou de mise en action de chaque élément du système de dépollution dans une étape DEPOL de laquelle il résulte un indicateur de besoin de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution. De telles étapes de détermination sont classiquement connues et ne constituent pas l’objet de l’invention.
Puis, l’étape DET-Tc de détermination d’une température cible Te à l’échappement consomme en entrée cet indicateur composé de ces différents besoins constituant les sous-états (pour chaque élément du système de dépollution) de l’état (vectoriel global) du système de dépollution, et émet en sortie la température cible Te à l’échappement. Cette température cible Te à l’échappement correspond à la température minimale d’échappement pour satisfaire les différents besoins au pas de temps courant, en pratique elle correspond au maximum des températures de régénération et/ou de mise en action concernées. Par exemple, en cas de besoin d’amorçage du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote SCR, une température des gaz d’échappement Tech supérieure à environ 200°C devant le catalyseur SCR est nécessaire pour procéder à l’injection d’urée. Par ailleurs, en cas de besoin de régénération du piège à oxydes d’azote NOx-trap, une température de l’ordre de 220°C en amont du piège à NOx en régime pauvre est nécessaire. Par conséquent, si ces deux besoins coexistent au pas de temps courant la température cible à l’échappement est 220°C. Or, à faible charge du moteur, de telles températures sont rarement atteintes. Pour éviter au maximum de recourir aux post-injections ou retard d’injection consommatrices de carburant, le procédé selon l’invention utilise des leviers de réchauffement des gaz économes en carburant.
Ainsi, une première étape de comparaison COMP1 compare la température d’échappement Tech (au pas de temps courant) à la température cible Te prédéterminée de l’ordre de 200°C ici et qui correspond à la température minimum nécessaire des gaz d’échappement Tech pour amorcer le catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote SCR par injection d’urée. Si la température d’échappement Tech est inférieure à la température cible Te : Tech<Tc le procédé se poursuit tant que le besoin de mise en action perdure. Dans le cas du besoin de réduction sélective des oxydes d’azote SCR, il faudra maintenir la température d’échappement Tech au-delà de la température cible Te pendant l’injection d’urée (classiquement environ 10 minutes) puis pendant tout le temps de le fonctionnement du catalyseur de réduction sélective SCR. Et si pendant cette période la condition de température n’est plus vérifiée, c’est-à-dire si la température cible Te prédéterminée est atteinte : Te > Tech, les étapes suivantes du procédé n’auront plus lieu d’être car la mise ou maintien en action du catalyseur de réduction sélective SCR ne nécessitera plus de réchauffer les gaz d’échappement. Par souci de simplification de la figure aucune hystérésis n’est représentée cependant son introduction est préférable, avec notamment des conditions de maintien dans la boucle du procédé à basse charge du moteur (en fonction de la PME, du couple fourni ou du carburant injecté) par exemple.
Si la température d’échappement Tech est inférieure à la température cible Te : Tech<Tc, on vérifie ensuite dans une deuxième étape de comparaison COMP2 si le seul premier levier d’augmentation de la température d’admission d’air de consigne Tadmc suffit à atteindre la température cible Te ou s’il faut activer un second levier. Pour ce faire, on vérifie si la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech est inférieure à un premier seuil prédéterminé d’écart ΔΤ1. Ce premier seuil prédéterminé ΔΤ1 est positif, et vaut dans cet exemple 30°C. Cette valeur provient d’une première cartographie qui permet de connaître l’augmentation de la température d’échappement atteignable en fonction de la température d’admission de consigne Tadmc :
Une réalisation possible pour atteindre ladite température d’admission de consigne Tadmc augmentée, est d’utiliser un refroidisseur à deux étages , le premier avec une température de fluide d’environ 80°C, alimenté par le circuit de refroidissement principal du moteur, le second avec une température de fluide proche de la température ambiante (boucle froide). On dispose une dérivation (ou « by-pass » en anglais) équipée d’une vanne en parallèle de ce second étage, ce qui permet de faire varier le débit traversant le second échangeur, et de faire varier la température de l’air d’admission entre des valeurs proches des températures de fluides de chacune des boucles et de régler in fine ladite température d’admission effective Tadm. Pour les températures d’admission de consigne Tadmc entre la température ambiante et 80°C, la première cartographie indique l’augmentation de la température d’échappement qui est obtenue pour chaque température d’admission de consigne Tadmc. Dans cet exemple, cette première cartographie indique que pour une température d’admission de consigne Tadmc maximale de 80°C, l’augmentation de la température d’échappement obtenue est de 45°C, ce qui correspond donc au premier seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ1 comme étant égal à l’augmentation maximale de température d’échappement Tech atteignable par le seul premier levier d’augmentation de la température d’admission d’air Tadm.
Dans les cas où la condition précédente n’est pas satisfaite, le seul premier levier d’augmentation de la température d’admission d’air de consigne Tadmc ne suffit donc pas. On procède alors à une troisième étape de comparaison COMP3 pour déterminer la nature du second levier. En effet, un second levier d’augmentation de la température d’échappement est appliqué en combinaison avec le premier levier (maximum atteignable), ainsi ce second levier permet une augmentation de la température d’échappement Tech plus importante: • au moyen d’une commande simultanée d’une première vanne de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement haute pression HP EGR et ladite ligne d’échappement, et d’une deuxième vanne de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement basse pression LP EGR et ladite ligne d’échappement. Cette commande simultanée des vannes mélange les gaz d’échappement haute pression HP EGR et les gaz d’échappement basse pression LP EGR selon un rapport prédéterminé sachant que le remplacement progressif des gaz d’échappement basse pression LP EGR par les gaz d’échappement haute pression HP EGR qui sont non refroidis permet d’augmenter la température d’échappement Tech ; et/ou, • au moyen d’une diminution de la consigne de pression d’admission d’air Padmc via : o la pression de consigne du système de suralimentation (turbocompresseur 4 et 5) ; et/ou o au moyen d’une commande d’obturation partielle de l’admission d’air par inclinaison du volet d’admission d’air 10 permettant de réduire la pression d’admission Padm et in fine d’enrichir le mélange.
Plus précisément, le second levier d’augmentation de la température d’échappement consiste : - uniquement en l’augmentation, du rapport à l’admission entre les gaz d’échappement du circuit HP EGR et du circuit LP EGR par commande simultanée desdites vannes 11 du circuit HP EGR et 13 du circuit LP EGR selon un rapport prédéterminé si la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech est inférieure à la somme du premier seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ1 et d’un deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2, - et sinon au moins en la diminution de la pression de consigne du turbocompresseur, puis en la commande d’obturation partielle de l’admission d’air par inclinaison du volet d’admission d’air 10.
Le deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 est positif et de la même manière que précédemment, ce deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 est obtenu au moyen d’une deuxième cartographie et vaut dans cet exemple 25°C. Cette valeur provient d’une deuxième cartographie qui permet de connaître l’augmentation de la température d’échappement atteignable en fonction du rapport de consigne HP/LPc entre les gaz d’échappement haute pression HP EGR et les gaz d’échappement basse pression LP EGR, appelé rapport de mélange de consigne HP/LPc. Cette cartographie dépend du point de fonctionnement du moteur. On pourra obtenir les valeurs en dynamique par le biais d’une table calibrée dans le calculateur ou au moyen d’un modèle physique embarqué. On donne ci-dessous un exemple pour un point de fonctionnement :
Pour régler ce rapport HP/LP, la vanne 11 du circuit HP EGR et la vanne 13 du circuit LP EGR existantes sont utilisées. Le rapport de mélange de consigne HP/LPc ainsi balayé va de 0%, qui est le rapport nominal, où l’admission est alimentée par le circuit LP EGR seul, jusqu’à 100% où l’admission est alimentée par le circuit HP EGR seul. Pour les rapports HP/LP entre 0% et 100%, la troisième cartographie indique l’augmentation de la température d’échappement qui est obtenue pour chaque rapport de mélange de consigne HP/LPc. Dans cet exemple, cette troisième cartographie indique que pour un rapport de mélange de consigne HP/LPc maximale de 100%, l’augmentation de la température d’échappement obtenue est de 25°C, ce qui correspond donc au deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 comme étant égal à l’augmentation maximale de température d’échappement Tech atteignable par le seul second levier par augmentation du rapport de mélange de consigne HP/LPc.
Comme précédemment évoqué, quand la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech est supérieure ou égale à la somme du premier seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ1 et du deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2, l’augmentation de la température d’admission Tadm et du rapport de consigne HP/LPc entre les gaz d’échappement haute pression HP EGR et les gaz d’échappement basse pression LP EGR, ne suffisent pas. Une quatrième étape de comparaison COMP4 permet alors de déterminer si le second levier peut consister en la combinaison de l’augmentation du rapport de consigne HP/LPc (maximum atteignable) et de la diminution de la pression d’admission de consigne Padmc, ou s’il faut utiliser un moyen classique par injection de carburant. Ainsi, quand la différence entre ladite température cible Te et la température d’échappement Tech est inférieure à la somme du premier seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ1, du deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 et d’un troisième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ3, le second levier, toujours en combinaison avec le premier levier d’augmentation de la température d’admission Tadm (maximum atteignable), comporte non seulement l’augmentation du rapport de mélange de consigne HP/LPc (maximum atteignable) mais aussi la diminution de la pression d’admission de consigne Padmc. La diminution de la pression d’admission de consigne Padmc du second levier consiste au moins en la modification de la pression de consigne du système de suralimentation 4 et 5 (turbocompresseur), puis en la commande d’obturation partielle de l’admission d’air par inclinaison du volet d’admission d’air 10.
Ce troisième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ3 est positif et de la même manière que précédemment, ce troisième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ3 est obtenu au moyen d’une troisième cartographie et vaut par exemple 5°C pour une diminution de la pression d’admission de consigne Padmc de 20 millibars. Cette valeur provient d’une troisième cartographie qui permet de connaître l’augmentation de la température d’échappement atteignable en fonction de la pression d’admission de consigne Padmc. Cette cartographie dépend du point de fonctionnement du moteur. On pourra obtenir les valeurs en dynamique par le biais d’une table calibrée dans le calculateur ou au moyen d’un modèle physique embarqué. On donne ci-dessous un exemple pour un point de fonctionnement :
Dans un premier temps, pour atteindre la nouvelle consigne de pression d’admission, le réglage du turbocompresseur est modifié.
Si la pression de consigne ne peut être obtenue par l’action sur le turbocompresseur, la fermeture du volet d'admission d'air 10 est commandée en complément. La pression d’admission effective Padm peut est ainsi réduite en fermant le dit volet 10 conformément à la pression d’admission de consigne Padmc requise par le calculateur moteur. La position du volet peut par exemple être obtenue par un pré-positionnement calculé par modèle physique embarqué dans le calculateur puis régulée en boucle fermée sur la mesure de pression admission. Dans cet exemple, cette troisième cartographie indique que pour une pression d’admission de consigne Padmc réduite de 50 mbars l’augmentation de la température d’échappement obtenue est de 10°C, ce qui correspond donc au troisième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ3 comme étant égal à l’augmentation maximale de température d’échappement Tech atteignable par le seul second levier par commande d’obturation partielle de l’admission d’air baissant la pression d’admission d’air effective Padm. est obtenu au moyen d’une deuxième cartographie et vaut dans cet exemple 10°C. Cette valeur provient d’une deuxième cartographie qui permet de connaître l’augmentation de la température d’échappement atteignable en fonction de la pression d’admission de consigne Padmc. Cette cartographie dépend du point de fonctionnement du moteur. On pourra obtenir les valeurs en dynamique par le biais d’une table calibrée dans le calculateur ou au moyen d’un modèle physique embarqué. On donne ci-dessous un exemple pour un point de fonctionnement :
(Note aux inventeurs : merci de compléter cette cartographie OUI)
Dans un premier temps, pour atteindre la nouvelle consigne de pression d’admission, le réglage du turbocompresseur est modifié.
Si la pression de consigne ne peut être obtenue par l’action sur le turbocompresseur, la fermeture du volet d'admission d'air 10 est commandée en complément. La pression d’admission effective Padm peut est ainsi réduite en fermant le dit volet 10 conformément à la pression d’admission de consigne Padmc requise par le calculateur moteur.(question aux inventeurs : vous confirmez ? OUI de combien réduit on par le volet : quelle est la pression d’admission « classique » (est ce à 100% du volet ?) et celle pour obtenir les 10°C d’augmentation de la température d’échappement (est ce volet à 10% d’ouverture ??) ?). La position du volet peut par exemple être obtenue par un pré-positionnement calculé par modèle physique embarqué dans le calculateur puis régulée en boucle fermée sur la mesure de pression admission. Dans cet exemple, cette deuxième cartographie indique que pour une pression d’admission de consigne Padmc réduite de 50 mbars l’augmentation de la température d’échappement obtenue est de 10°C, ce qui correspond donc au deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 comme étant égal à l’augmentation maximale de température d’échappement Tech atteignable par le seul second levier par commande d’obturation partielle de l’admission d’air baissant la pression d’admission d’air effective Padm. est obtenu au moyen d’une deuxième cartographie et vaut dans cet exemple 10°C. Cette valeur provient d’une deuxième cartographie qui permet de connaître l’augmentation de la température d’échappement atteignable en fonction de la pression d’admission de consigne Padmc. Cette cartographie dépend du point de fonctionnement du moteur. On pourra obtenir les valeurs en dynamique par le biais d’une table calibrée dans le calculateur ou au moyen d’un modèle physique embarqué. On donne ci-dessous un exemple pour un point de fonctionnement :
Dans un premier temps, pour atteindre a nouvelle consigne de pression d’admission, le réglage du turbocompresseur est modifié.
Si la pression de consigne ne peut être obtenue par l’action sur le turbocompresseur, la fermeture du volet d'admission d'air 10 est commandée en complément. La pression d’admission effective Padm peut est ainsi réduite en fermant le dit volet 10 conformément à la pression d’admission de consigne Padmc requise par le calculateur moteur. La position du volet peut par exemple être obtenue par un pré-positionnement calculé par modèle physique embarqué dans le calculateur puis régulée en boucle fermée sur la mesure de pression admission. Dans cet exemple, cette deuxième cartographie indique que pour une pression d’admission de consigne Padmc réduite de 50 mbars l’augmentation de la température d’échappement obtenue est de 10°C, ce qui correspond donc au deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 comme étant égal à l’augmentation maximale de température d’échappement Tech atteignable par le seul second levier par commande d’obturation partielle de l’admission d’air baissant la pression d’admission d’air effective Padm.
Ainsi la combinaison du premier levier et du second levier comportant à la fois l’augmentation maximale du rapport de consigne HP/LPc et la diminution maximale de la pression d’admission de consigne Padmc permet de couvrir la plage de température d’échappement Tech comprise entre :
Toutes les cartographies introduites ici à titre d’exemple sont fonction des caractéristiques de moteur et sont mises au point par des essais sur véhicule. Une interpolation entre les différents points de chaque cartographie est réalisée par le calculateur moteur. En effet, la température d’admission de consigne Tadmc est régulée en boucle fermée de manière continue, au sein des bornes minimum et maximum de la première cartographie, sur une cible de température d’admission calculée en fonction de la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech. De la même manière, le rapport de mélange de consigne HP/LPc est régulé en boucle fermée de manière continue, au sein des bornes minimum et maximum de la deuxième cartographie, sur une cible de rapport calculée en fonction de la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech, tout en considérant le réchauffage déjà obtenu de cette température d’échappement Tech par l’augmentation de la température d’admission de consigne Tadmc. Par exemple si l’écart entre la température d’échappement Tech et la cible Te recherchée est de 65°C: Tc-Tech = 65°C, l’augmentation de la température d’admission de consigne Tadmc maximum atteignable de 80°C permet de réchauffer la température d’échappement Tech de 45°C, le second levier par modification du rapport de mélange de consigne HP/LPc aura donc pour cible d’augmentation de température les degrés manquant à savoir: 60°C - 45°C = 20°C, ce qui correspond d’après les cartographies présentées à un rapport de mélange de consigne HP/LPc = 75%.
De même, la pression d’admission de consigne Padmc est régulée en boucle fermée de manière continue, au sein des bornes minimum et maximum de la troisième cartographie, sur une cible de pression d’admission calculée en fonction de la différence entre la température cible Te et la température d’échappement Tech, tout en considérant le réchauffage déjà obtenu de cette température d’échappement Tech par l’augmentation de la température d’admission de consigne Tadmc et par l’augmentation du rapport de mélange de consigne HP/LPc.
Les leviers classiques de retard à l’injection et de post injection sont alors seulement utilisés au-delà des plages quand les leviers précédemment décrits en suffisent plus, c’est-à-dire quand : Tc-Tech > ΔΤ1+ ΔΤ2+ΔΤ3, dit autrement, quand la température d’échappement Tech est inférieure à température cible Te moins la somme : - du premier seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ1 maximum atteignable et - du deuxième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ2 maximum atteignable et - du troisième seuil prédéterminé d’écart de température ΔΤ3 maximum atteignable.
Ainsi, dans notre exemple pour les besoins coexistant de mise en action et de maintien en action du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote SCR et de régénération du piège à oxydes d’azote NOx-trap, ce type de levier classique n’est utilisé que quand la température d’échappement est inférieure à 200°C - 45°C - 25°C - 10°C = 120°C. Ce procédé en cascade permet d’adapter au mieux le nombre de leviers au besoin thermique.
Pour les besoins de mise en action ou de régénération d’autres éléments du système de dépollution, le même procédé est appliqué, il convient uniquement d’adapter la valeur de la température cible Te auxdits besoins de dépollution concernés. Ainsi, par exemple, la température cible Te vaudra 170°C pour le besoin d’amorçage et de maintien en action du seul catalyseur d’oxydation DOC.
Dans une variante, le procédé est complexifié en utilisant les informations de remplissage de l’élément du système de dépollution tel que le filtre à particules FAP de manière à utiliser le second levier le plus adapté à son niveau de remplissage. Pour ce faire une cartographie identifiant les impacts des différents leviers sur des critères de prestation client, tels que : - Consommation de carburant, - Emissions de particules en sortie moteur, - Vieillissement de l’huile moteur, est utilisée.
D’autres paramètres sont également utilisables pour alimenter le procédé de contrôle tels que la température ambiante ou le profil du roulage du conducteur appris par le véhicule pour anticiper par exemple la thermique moteur et/ou le besoin de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution.
Un autre avantage apparaît à la lecture de cette cartographie qui est que non seulement les leviers utilisés par le procédé sont économes en carburant mais également à faible impact sur le vieillissement de l’huile. Ces différences d’impact sont implémentables dans l’algorithme de suivi de l’huile moteur déterminant les consignes de vidange permettant de le rendre plus précis.
Par ailleurs, cette cartographie contient pour information les impacts des leviers classiques, que sont le retard à l’injection et la post injection. En reprenant l’exemple d’un besoin de mise et/ou maintien en action du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote SCR du système de dépollution comportant aussi un filtre à particules FAP, quand ce filtre FAP est presque plein, étant donné qu’il nécessite une température de 500°C pendant 15 minutes pour être régénéré, le recours aux leviers classiques s’impose en combinaison avec les deux autres leviers.
Le procédé illustré ici est simplifiable, en ne considérant par exemple comme second levier que le réglage du rapport de mélange de consigne HP/LPc, sans recourir à un réglage de la pression d’admission de consigne Padmc.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de contrôle de la température d’échappement (Tech) d’un moteur à combustion interne (14) comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement (3) dudit moteur (14), ledit procédé comportant : - une étape (DATA) de réception d’un ensemble de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur (14) (Tadm, Tech, Padm, FAP-level, NOx-trap-level, PME) - une étape (DET-Tc) de détermination d’une température cible (Te) à l’échappement, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre: - une étape de comparaison d’une température d’échappement (Tech) à ladite température cible (Te), - si la différence entre ladite température cible (Te) et ladite température d’échappement (Tech) est inférieure à un premier seuil (ΔΤ1) prédéterminé, une étape d’augmentation d’une consigne de température d’admission d’air (Tadmc), - sinon, ladite étape d’augmentation d’une consigne de température d’admission (Tadmc) est combinée avec au moins: • une étape de modification d’une consigne du rapport de mélange (HP/LPc) à l’admission entre les gaz d’échappement d’un circuit haute pression (7a) et les gaz d’échappement d’un circuit basse pression (7b); et/ou, • une étape de modification d’une consigne de pression d’admission d’air (Padmc).
  2. 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits paramètres reçus à l’étape de réception comportent au moins la température d’échappement (Tech) et un indicateur de besoin de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution.
  3. 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite température cible (Te) est une température de mise en action ou de régénération d’un élément du système de dépollution tel qu’un piège à oxydes d’azote (8), un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote, un filtre à particules, ou un catalyseur d'oxydation.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite modification de ladite consigne du rapport de mélange (HP/LPc) est réalisée par la commande simultanée d’une première vanne (11) de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement haute pression et ladite ligne d’échappement, et d’une deuxième vanne (13) de liaison entre un circuit de recirculation des gaz d’échappement basse pression et ladite ligne d’échappement, ladite commande simultanée des vannes étant apte à mélanger les gaz d’échappement haute pression et les gaz d’échappement basse pression selon un rapport prédéterminé.
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la modification de ladite consigne de pression d’admission d’air (Padmc) est réalisée par une diminution d’une pression de consigne d’un système de suralimentation (4 et 5) et/ou par une obturation partielle de l’admission d’air par inclinaison d’un volet d’admission d’air (10).
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la consigne de la température d’admission (Tadmc) est régulée en boucle fermée de manière continue sur une cible de température d’admission calculée en fonction de la différence entre la température cible (Te) et la température d’échappement (Tech).
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la consigne de rapport de mélange (HP/LPc) est régulée en boucle fermée de manière continue sur une cible de rapport de mélange calculée en fonction de la différence entre ladite température cible (Te) et la température d’échappement (Tech).
  8. 8. Dispositif de contrôle de la température d’échappement (Tech) d’un moteur à combustion interne (14) comprenant un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement (3) dudit moteur (14), ledit dispositif comportant un moyen d’acquisition (12) de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur (Tadm, Tech, Padm, FAP-level, NOx-trap-level, PME), un moyen de calcul d’une température cible (Te), un moyen de réglage d’une température d’admission d’air (Tadm) et au moins un moyen de réglage d’un rapport de mélange (HP/LP) à l’admission entre les gaz d’échappement d’un circuit haute pression et les gaz d’échappement d’un circuit basse pression; et/ou, un moyen de réglage d’une pression d’admission d’air (Padm), et caractérisé en ce qu’il est apte à la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Θ. Groupe moto-propulseur (1) équipé d’un système de dépollution placé sur une ligne d’échappement (3) des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne (14), caractérisé en ce que ledit groupe moto-propulseur (1) est équipé du dispositif de contrôle suivant la revendication 8.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003206724A (ja) * 2002-01-10 2003-07-25 Mitsubishi Motors Corp ディーゼル機関の排気浄化装置用統合制御装置
US20080295514A1 (en) * 2006-01-27 2008-12-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust Gas Recirculation Apparatus of an Internal Combustion Engine and Control Method Thereof

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