FR3128974A1 - Method for low-frequency estimation of a flow rate of exhaust gases recycled to the inlet of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Selon ce procédé de calcul du débit de recirculation des gaz d’échappement à l’admission d’un moteur à combustion interne : On mesure les valeurs minimale Πmin et maximale Πmax d’un taux de détente Π, On mesure la valeur moyenne du taux de détente Πmoy, On calcule la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente, On calcule la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant, et On calcule le débit de recirculation des gaz d’échappement. Figure pour l’abrégé : Figure 2According to this method for calculating the exhaust gas recirculation flow rate at the intake of an internal combustion engine: The minimum Πmin and maximum Πmax values of an expansion rate Π are measured, The mean value of the rate of expansion Πmoy, We calculate the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the expansion rate, We calculate the second derivative of the Barré de Saint-Venant function, and We calculate the recirculation flow rate of the gases of exhaust. Figure for abstract: Figure 2
Description
La présente invention concerne les moteurs à combustion interne de véhicule automobile de type à allumage commandé (essence) ou de type à allumage par compression (diesel), et se rapporte en particulier à un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’échappement d’un tel moteur, appelé circuit EGR, pour « Exhaust Gaz Recirculation » en termes anglo-saxons ou « Recirculation des Gaz d’Echappement » en français.The present invention relates to motor vehicle internal combustion engines of the spark ignition type (gasoline) or of the compression ignition type (diesel), and relates in particular to a partial exhaust gas recirculation circuit at the exhaust from such an engine, called the EGR circuit, for “Exhaust Gas Recirculation” in Anglo-Saxon terms or “Recirculation des Gaz d'Echappement” in French.
Elle concerne plus particulièrement un procédé et un système de calcul à basse fréquence du débit des gaz d’échappement recyclés dans un tel circuit EGR, dit aussi débit d’EGR.It relates more particularly to a method and a system for low-frequency calculation of the flow rate of the exhaust gases recycled in such an EGR circuit, also known as the EGR flow rate.
Techniques antérieuresPrior techniques
Classiquement, la recirculation des gaz d’échappement est un procédé permettant de limiter la production d’oxydes d’azote (NOx) dans les gaz de combustion d’un moteur diesel, ou de diminuer la consommation de carburant des moteurs à essence. Ce procédé EGR consiste à prélever des gaz à l’échappement et à les envoyer à l’admission, par exemple en aval d’une vanne de régulation du débit d’air du moteur. Sur les moteurs diesel, l’action sur la formation des NOx peut aller jusqu’à 50% de réduction globale et s’interprète par une diminution des températures des gaz de combustion due à la dilution et un ralentissement conséquent de la cinétique de formation du polluant. Sur les moteurs à essence, la diminution de la consommation de carburant est due à une moindre sensibilité du moteur au cliquetis qui permet d’augmenter l’avance à l’allumage et à la diminution des pertes par pompage du moteur, l’apport de gaz recyclés permettant d’augmenter la pression dans le collecteur d’admission du moteur pour une même valeur de débit d’air nécessaire à la production du couple.Classically, exhaust gas recirculation is a process that limits the production of nitrogen oxides (NOx) in the combustion gases of a diesel engine, or reduces the fuel consumption of gasoline engines. This EGR process consists of taking gases from the exhaust and sending them to the intake, for example downstream of an engine air flow control valve. On diesel engines, the action on the formation of NOx can go up to 50% of overall reduction and is interpreted by a reduction in the temperatures of the combustion gases due to the dilution and a consequent slowing down of the kinetics of formation of the polluting. On gasoline engines, the reduction in fuel consumption is due to a lesser sensitivity of the engine to knocking which makes it possible to increase the ignition advance and to the reduction of the losses by pumping of the engine, the contribution of recycled gases making it possible to increase the pressure in the intake manifold of the engine for the same value of air flow necessary for the production of the torque.
Généralement la quantité de gaz recyclés est estimée à l’aide d’un capteur de pression différentielle au niveau d’une vanne de régulation du débit du circuit EGR, dite vanne EGR. Ce capteur permet d’estimer le débit qui vient de passer au niveau de la vanne, appelé débit d’EGR. La bonne maîtrise du débit d’EGR est essentielle car il détermine le taux d’EGR, c’est-à-dire, le rapport entre le débit de gaz d’échappement à l’admission et le débit total des gaz admis dans le moteur (air et gaz recyclés), qui influe sur le niveau des polluants NOx ou la consommation de carburant. Une mauvaise maîtrise du débit d’EGR peut conduire à effets non désirés pouvant remettre en cause le fonctionnement du véhicule. Par exemple, une estimation trop élevée du débit d’EGR peut aboutir à des émissions de NOx plus importantes sur les moteurs diesel ou à des phénomènes de cliquetis dans les moteurs à allumage commandé. Cela peut entraîner des conséquences drastiques en termes de fiabilité dégradée ou de non-respect de normes de dépollution réglementaires.Generally the quantity of recycled gas is estimated using a differential pressure sensor at the level of a valve for regulating the flow of the EGR circuit, called the EGR valve. This sensor makes it possible to estimate the flow which has just passed through the valve, called the EGR flow. Good control of the EGR flow is essential because it determines the EGR rate, i.e. the ratio between the flow of exhaust gases at the intake and the total flow of gases admitted into the engine. engine (recycled air and gas), which affects the level of NOx pollutants or fuel consumption. Poor control of the EGR flow rate can lead to undesired effects that could compromise the operation of the vehicle. For example, too high an estimate of the EGR flow rate can lead to higher NOx emissions in diesel engines or knocking phenomena in spark ignition engines. This can have drastic consequences in terms of degraded reliability or non-compliance with regulatory pollution control standards.
La difficulté liée à l’estimation du débit d’EGR est due au fait que l’on n’utilise pas de capteur de débit au niveau de la vanne EGR elle-même, ce qui serait coûteux et peu précis. A la place d’un tel débitmètre, on emploie un capteur de pression différentielle qui mesure l’écart entre la pression en aval et en amont de la vanne. On estime le débit qui passe par la vanne sur la base d’un modèle qui utilise la pression différentielle mesurée et le niveau d’ouverture de la vanne. Même si ce modèle peut fournir des résultats très précis, l’information de pression différentielle a invariablement un caractère perturbé et très dynamique car présentant des oscillations à haute fréquence, difficiles à suivre à l’aide d’unités de contrôle électronique dont les capacités de calcul sont limitées. Ainsi, il n’est pas envisageable en pratique de faire des calculs avec les informations du capteur de pression différentielle capturées à haute fréquence, soit avec une périodicité de 1 milliseconde.The difficulty in estimating the EGR flow rate is due to the fact that a flow sensor is not used at the EGR valve itself, which would be expensive and inaccurate. Instead of such a flowmeter, a differential pressure sensor is used which measures the difference between the pressure downstream and upstream of the valve. The flow through the valve is estimated based on a model that uses the measured differential pressure and the valve opening level. Even if this model can provide very precise results, the differential pressure information has invariably a disturbed and very dynamic character because presenting high frequency oscillations, difficult to follow using electronic control units whose capacities of calculation are limited. Thus, it is not possible in practice to make calculations with information from the differential pressure sensor captured at high frequency, i.e. with a periodicity of 1 millisecond.
L’invention consiste à développer un procédé de calcul à basse fréquence de l’estimation d’un débit d’EGR, soit avec une périodicité d’environ 20 millisecondes, tout en conservant un niveau de précision équivalent à un calcul en haute fréquence.The invention consists in developing a low-frequency calculation method for estimating an EGR flow rate, i.e. with a periodicity of approximately 20 milliseconds, while maintaining a level of precision equivalent to a high-frequency calculation.
Il existe, dans l’état de la technique, différentes méthodes pour l’estimation d’un débit d’EGR.There are, in the state of the art, different methods for estimating an EGR flow rate.
La première méthode consiste à réaliser un modèle de débit total des gaz d’admission du moteur, d’une part, et à déterminer le seul débit d’air, d’autre part. Pour cela, le débit total peut être déterminé par un modèle de remplissage, à partir de la pression et de la température dans le collecteur d’admission du moteur, et d’une valeur de rendement de remplissage qui est elle-même fonction d’un ensemble de paramètres comprenant au moins le régime, la pression dans le collecteur d’admission, et éventuellement d’autres paramètres comme la position de calage des soupapes d’admission et d’échappement. Le débit d’air frais est quant à lui déterminé par un débitmètre. Le débit d’EGR est alors égal au débit total des gaz d’admission auquel on soustrait le débit d’air frais. Cette approche est décrite notamment dans le document US 2016/0069285, ou dans le document FR 2 938 016.The first method is to make a model of the total flow of the engine intake gases, on the one hand, and to determine the only air flow, on the other hand. For this, the total flow can be determined by a filling model, from the pressure and the temperature in the engine intake manifold, and from a filling efficiency value which is itself a function of a set of parameters comprising at least the speed, the pressure in the intake manifold, and possibly other parameters such as the timing position of the intake and exhaust valves. The fresh air flow is determined by a flow meter. The EGR flow is then equal to the total intake gas flow from which the fresh air flow is subtracted. This approach is described in particular in document US 2016/0069285, or in document FR 2 938 016.
Ces approches sont simples, mais comportent plusieurs désavantages.These approaches are simple, but have several disadvantages.
Par exemple, pour les moteurs qui disposent de deux circuits EGR, notamment un circuit EGR à basse pression et un circuit EGR à haute pression, elles ne permettent pas de distinguer entre les taux d’EGR à basse ou à haute pression., seul le taux d’EGR global pouvant être estimé à l’aide de cette méthode.For example, for engines that have two EGR circuits, namely a low pressure EGR circuit and a high pressure EGR circuit, they cannot distinguish between low or high pressure EGR rates, only the overall EGR rate that can be estimated using this method.
Ensuite, l’estimation repose sur la connaissance du débit total des gaz d’admission, qui est classiquement un modèle de pompe volumétrique, et du débit d’air frais, qui est directement mesuré par capteur. La précision disponible de ces informations est d’environ +/-5% pour la mesure par capteur et d’environ +/-3% pour le débit total, ce qui peut générer des résultats incohérents notamment sur les valeurs de faibles débit d’EGR et les valeurs en régime transitoire.Then, the estimate is based on knowing the total intake gas flow, which is conventionally a volumetric pump model, and the fresh air flow, which is directly measured by a sensor. The available precision of this information is approximately +/-5% for the measurement per sensor and approximately +/-3% for the total flow, which can generate inconsistent results, particularly on low flow rate values. EGR and transient values.
Une deuxième méthode consiste à utiliser un modèle de section efficace de vanne, qui utilise généralement l’équation de Barré de Saint-Venant ou « Throttle Equation » en équivalent anglo-saxon. L’équation donne des résultats très précis, si l’on maîtrise la position de la vanne et la différence de pression qui existe à ses bornes.A second method consists in using a valve cross-section model, which generally uses the Barré de Saint-Venant equation or “Throttle Equation” in Anglo-Saxon equivalent. The equation gives very precise results, if one controls the position of the valve and the pressure difference which exists at its terminals.
En revanche, elle est extrêmement sensible aux valeurs de pression aux bornes de la vanne et de position angulaire de la vanne, lorsque la différence de pression est faible ou lorsque la vanne est proche de sa fermeture.On the other hand, it is extremely sensitive to the pressure values at the valve terminals and to the angular position of the valve, when the pressure difference is low or when the valve is close to closing.
Afin d’améliorer sa précision, il est courant d’ajouter des termes correctifs prenant en compte les dispersions, voire de lui préférer la première méthode citée précédemment sur les points de fonctionnement problématiques. Cette méthode de section efficace est utilisée par exemple dans le document EP 1 416 138 avec l’ajout d’une cartographie de correction prenant en compte la pression amont, la pression aval et la section efficace de la vanne, ou dans le document EP 3 434 888, avec l’ajout d’une cartographie dynamique de correction en fonction des positions de la vanne.In order to improve its accuracy, it is common to add corrective terms taking into account the dispersions, or even to prefer the first method mentioned above on the problematic operating points. This cross section method is used for example in the document EP 1 416 138 with the addition of a correction map taking into account the upstream pressure, the downstream pressure and the cross section of the valve, or in the document EP 3 434 888, with the addition of a dynamic correction map depending on the positions of the valve.
La méthode de section efficace a le désavantage d’être fortement non-linéaire dans les positions très fermées ou très ouvertes de la vanne. D’autre part, les variations de pression sont des phénomènes dynamiques très rapides, de l’ordre de la milliseconde, que l’on filtre généralement pour une utilisation dans la gestion du système EGR, dont l’ordre de grandeur de la constante de temps est aux alentours de 10 à 20 millisecondes. Toutefois, étant donné le caractère fortement non linéaire de l’équation sur certaines positions, on introduit des erreurs importantes en utilisant des valeurs de pression filtrées.The cross section method has the disadvantage of being highly non-linear in the very closed or very open positions of the valve. On the other hand, the pressure variations are very fast dynamic phenomena, of the order of a millisecond, which are generally filtered for use in the management of the EGR system, whose order of magnitude of the constant of time is around 10 to 20 milliseconds. However, given the strongly nonlinear character of the equation on certain positions, significant errors are introduced by using filtered pressure values.
Au vu de ce qui précède, le but de l’invention est d’améliorer la précision de l’estimation d’un débit d’EGR, notamment pour une utilisation dans la gestion du système EGR à basse fréquence.In view of the foregoing, the object of the invention is to improve the accuracy of the estimation of an EGR flow rate, in particular for use in the management of the low-frequency EGR system.
L’invention a pour objet un procédé de calcul du débit de recirculation des gaz d’échappement à l’admission d’un moteur à combustion interne permettant le contrôle dudit moteur.The subject of the invention is a method for calculating the flow rate of recirculation of exhaust gases at the intake of an internal combustion engine allowing the control of said engine.
Selon le procédé :According to the process:
- On mesure les valeurs minimale Πmin et maximale Πmax d’un taux de détente Π, défini comme le rapport entre la pression mesurée en amont et la pression mesurée en aval de la vanne de recirculation des gaz d’échappement,The minimum Πmin and maximum Πmax values of an expansion rate Π are measured, defined as the ratio between the pressure measured upstream and the pressure measured downstream of the exhaust gas recirculation valve,
- On mesure la valeur moyenne du taux de détente Πmoy,We measure the average value of the rate of expansion Πmoy,
- On calcule la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy,We calculate the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the expansion rate Πmoy,
- On calcule la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy,We calculate the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion Πmoy,
- On calcule le débit de recirculation des gaz d’échappement.The exhaust gas recirculation rate is calculated.
Le procédé de calcul du débit d’EGR permet ainsi de calculer de manière précise le débit d’EGR en utilisant la fonction de Barré de Saint-Venant et la dérivée seconde de cette fonction, appliquées à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy.The method for calculating the EGR flow rate thus makes it possible to calculate the EGR flow rate precisely using the Barré de Saint-Venant function and the second derivative of this function, applied to the mean value of the expansion rate Πmoy.
Avantageusement, la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy est calculée à l’aide de trois termes obtenus en appliquant la fonction de Barré de Saint-Venant aux valeurs enveloppes Πmin et Πmax et à la valeur moyenne Πmoy.Advantageously, the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the expansion rate Πmoy is calculated using three terms obtained by applying the Barré de Saint-Venant function to the envelope values Πmin and Πmax and at the average value Πavg.
Avantageusement, le débit de recirculation des gaz d’échappement est calculé en faisant la somme d’un premier terme directement proportionnel à la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy et d’un second terme directement proportionnel à la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy.Advantageously, the exhaust gas recirculation rate is calculated by summing a first term directly proportional to the Barré de Saint-Venant function applied to the mean value of the expansion rate Πmoy and a second term directly proportional to the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the mean value of the rate of expansion Πmoy.
Par exemple, on peut mesurer à haute fréquence les valeurs minimale Πmin et maximale Πmax.For example, the minimum Πmin and maximum Πmax values can be measured at high frequency.
Par exemple, on peut mesurer à basse fréquence les valeurs minimale Πmin et maximale Πmax.For example, the minimum Πmin and maximum Πmax values can be measured at low frequency.
Par exemple, on peut mesurer à basse fréquence la valeur moyenne Πmoy.For example, the mean value Πmoy can be measured at low frequency.
Avantageusement, le moteur à combustion interne est équipé d’au moins un circuit de recirculation partielle à haute pression des gaz d’échappement et d’au moins un circuit de recirculation partielle à basse pression des gaz d’échappement.Advantageously, the internal combustion engine is equipped with at least one high pressure partial exhaust gas recirculation circuit and at least one low pressure partial exhaust gas recirculation circuit.
L’invention a également pour objet un système de calcul du débit de recirculation des gaz d’échappement à l’admission d’un moteur à combustion interne permettant le contrôle dudit moteur.The invention also relates to a system for calculating the flow rate of recirculation of exhaust gases at the intake of an internal combustion engine allowing the control of said engine.
Le système de calcul du débit comprend des moyens de mesure des valeurs minimale Πmin et maximale Πmax d’un taux de détente Π, défini comme le rapport entre la pression mesurée en amont et la pression mesurée en aval de la vanne de recirculation des gaz d’échappement, des moyens de mesure de la valeur moyenne du taux de détente Πmoy, des moyens de calcul de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy, des moyens de calcul de la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente Πmoy, et des moyens de calcul du débit de recirculation des gaz d’échappement.The flow rate calculation system comprises means for measuring the minimum Πmin and maximum Πmax values of an expansion rate Π, defined as the ratio between the pressure measured upstream and the pressure measured downstream of the gas recirculation valve d exhaust, means for measuring the average value of the rate of expansion Πmoy, means for calculating the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion Πmoy, means for calculating the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the mean value of the expansion rate Πmoy, and means for calculating the flow rate of recirculation of the exhaust gases.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the appended drawings in which:
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisationDetailed description of at least one embodiment
Dans l’exemple illustré dans la
Les cylindres 12 sont alimentés en air par l’intermédiaire du collecteur d’admission 14, ou répartiteur d’admission, lui-même alimenté par une conduite 20 pourvue d’un filtre à air 22 et du compresseur 18b du turbocompresseur 18 du moteur 10.The cylinders 12 are supplied with air via the intake manifold 14, or intake distributor, itself supplied by a pipe 20 provided with an air filter 22 and the compressor 18b of the turbocharger 18 of the engine 10 .
Le turbocompresseur 18 comporte essentiellement une turbine 18a entraînée par les gaz d’échappement et un compresseur 18b monté sur le même arbre que la turbine 18a et assurant une compression de l’air distribué par le filtre à air 22, dans le but d’augmenter la quantité (débit massique) d’air admise dans les cylindres 12 du moteur 10.The turbocharger 18 essentially comprises a turbine 18a driven by the exhaust gases and a compressor 18b mounted on the same shaft as the turbine 18a and providing compression of the air distributed by the air filter 22, with the aim of increasing the quantity (mass flow) of air admitted into the cylinders 12 of the engine 10.
Un échangeur thermique 24 est placé après la sortie du compresseur 18b équipant la conduite d’alimentation 14a du collecteur d’admission 14 en air frais.A heat exchanger 24 is placed after the outlet of the compressor 18b equipping the supply line 14a of the intake manifold 14 with fresh air.
Le moteur à combustion interne 10 comprend un circuit d’admission Ca et un circuit d’échappement Ce.The internal combustion engine 10 comprises an intake circuit Ca and an exhaust circuit Ce.
Le circuit d’admission Ca comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation de l’air :The intake circuit Ca comprises, from upstream to downstream in the direction of air circulation:
- le filtre à air 22 ou boîte à air ;- the air filter 22 or air box;
- un débitmètre 26 disposé dans la conduite d’admission 20 en aval du filtre à air 22 pour mesurer la valeur réelle du débit d’air entrant dans le moteur 10 ;- a flow meter 26 disposed in the intake duct 20 downstream of the air filter 22 to measure the actual value of the air flow entering the engine 10;
- une vanne d’admission d’air 28 ;- an air inlet valve 28;
- le compresseur 18b du turbocompresseur 18;- the compressor 18b of the turbocharger 18;
- un boîtier papillon 30 ou une vanne d’admission des gaz dans le moteur ;- a throttle body 30 or a gas inlet valve in the engine;
- un échangeur thermique 32 pour refroidir les gaz d’admission correspondant à un mélange d’air frais et de gaz d’échappement recirculés après leur compression dans le compresseur 18b ; et- a heat exchanger 32 to cool the intake gases corresponding to a mixture of fresh air and recirculated exhaust gases after their compression in the compressor 18b; And
- le collecteur d’admission 14.- the intake manifold 14.
Le compresseur est associé à un circuit de contournement avec une vanne de décharge à l’admission 55 qui s’ouvre en cas de fermeture brutale du boîtier papillon 30, pour éviter que l’air comprimé, se trouvant entre le compresseur 18b et le boîtier papillon 30, ne traverse le compresseur 18b et ne le dégrade, lorsque par exemple, le conducteur du véhicule lève brutalement le pied de la pédale d’accélération.The compressor is associated with a bypass circuit with an inlet relief valve 55 which opens in the event of sudden closure of the throttle valve 30, to prevent the compressed air, located between the compressor 18b and the valve butterfly 30, does not cross the compressor 18b and does not degrade it, when for example, the driver of the vehicle suddenly lifts his foot from the accelerator pedal.
Le circuit d’échappement Ce comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz brûlés :The exhaust circuit Ce comprises, from upstream to downstream in the direction of circulation of the burnt gases:
- le collecteur d’échappement 16 ;- the exhaust manifold 16;
- la turbine 18a du turbocompresseur 18 ; et- The turbine 18a of the turbocharger 18; And
- un système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur.- A system 40 for depolluting the engine combustion gases.
En ce qui concerne le collecteur d’échappement 16, celui-ci récupère les gaz d’échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l’extérieur, par l’intermédiaire d’un conduit d’échappement des gaz 34 débouchant sur la turbine 18a du turbocompresseur 18 et par une ligne d’échappement 36 montée en aval de ladite turbine 18a.As regards the exhaust manifold 16, the latter recovers the exhaust gases resulting from combustion and evacuates them to the outside, via a gas exhaust duct 34 leading to the turbine 18a of the turbocharger 18 and by an exhaust line 36 mounted downstream of said turbine 18a.
Le moteur 10 comprend ici deux circuits de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission, dit circuits « EGR » (« exhaust gas recirculation » en termes anglo-saxons), à savoir un circuit EGR à haute pression 15 et un circuit EGR à basse pression 38.The engine 10 here comprises two partial exhaust gas recirculation circuits at the intake, called “EGR” circuits (“exhaust gas recirculation” in Anglo-Saxon terms), namely a high-pressure EGR circuit 15 and a circuit Low pressure EGR 38.
Le circuit 38, ici un circuit de recirculation des gaz d’échappement à basse pression, dit « EGR BP », prend naissance en un point de la ligne d’échappement 36, en aval de ladite turbine 18a, et notamment en aval du système 40 de dépollution des gaz et renvoie les gaz d’échappement en un point de la conduite 20 d’alimentation en air frais, en amont du compresseur 18b du turbocompresseur 18, notamment en aval du débitmètre 26. Le débitmètre 26 ne mesure que le débit d’air frais seul.Circuit 38, here a low-pressure exhaust gas recirculation circuit, called “EGR BP”, originates at a point on exhaust line 36, downstream of said turbine 18a, and in particular downstream of the system 40 for gas pollution control and returns the exhaust gases to a point in the fresh air supply pipe 20, upstream of the compressor 18b of the turbocharger 18, in particular downstream of the flow meter 26. The flow meter 26 only measures the flow fresh air alone.
Tel qu’illustré, ce circuit 38 de recirculation comprend, dans le sens de circulation des gaz recyclés, un refroidisseur 38a, un filtre 38b, et une vanne 38c destinée à réguler le débit des gaz d’échappement à basse pression. La vanne 38c est disposée en aval du refroidisseur 38a et en amont du compresseur 18b.As illustrated, this recirculation circuit 38 comprises, in the direction of circulation of the recycled gases, a cooler 38a, a filter 38b, and a valve 38c intended to regulate the flow of low-pressure exhaust gases. Valve 38c is disposed downstream of cooler 38a and upstream of compressor 18b.
On notera que la vanne d’admission d’air 28 peut aussi servir à forcer la circulation d’un débit des gaz d’échappement à basse pression dans le circuit EGR BP dans le cas où la dépression entre le circuit d’échappement et le circuit d’admission serait insuffisante. Dans ce cas, une fermeture de la vanne 28 permet de créer une dépression à son aval, apte à aspirer des gaz du circuit EGR BP.It will be noted that the air intake valve 28 can also be used to force the circulation of a low pressure exhaust gas flow in the EGR circuit BP in the case where the depression between the exhaust circuit and the intake circuit would be insufficient. In this case, closing the valve 28 makes it possible to create a depression downstream thereof, able to suck in gases from the EGR circuit BP.
Le circuit EGR haute pression 15, dit « EGR HP », prend naissance en un point du circuit d’échappement Ce, en amont de ladite turbine 18a et renvoie les gaz d’échappement en un point du circuit d’admission Ca, en aval de l’échangeur thermique 32.The high-pressure EGR circuit 15, called “EGR HP”, originates at a point on the exhaust circuit Ce, upstream of said turbine 18a and returns the exhaust gases to a point on the intake circuit Ca, downstream of the heat exchanger 32.
Tel qu’illustré, ce circuit 15 de recirculation comprend une vanne 15a configurée pour réguler le débit des gaz d’échappement à haute pression.As shown, this recirculation circuit 15 includes a valve 15a configured to regulate the flow of high pressure exhaust gases.
Le moteur est associé à un circuit de carburant comprenant, par exemple, des injecteurs de carburant (non référencés) injectant de l’essence directement dans chaque cylindre à partir d’un réservoir à carburant (non représenté).The engine is associated with a fuel circuit comprising, for example, fuel injectors (not referenced) injecting gasoline directly into each cylinder from a fuel tank (not shown).
Le moteur comprend une unité électronique de commande 70 configurée pour commander les différents éléments du moteur à combustion interne à partir de données recueillies par des capteurs à différents endroits du moteur.The engine comprises an electronic control unit 70 configured to control the various elements of the internal combustion engine from data collected by sensors at various locations of the engine.
L’unité électronique de commande 70 comporte un module de calcul 72, un module de mesure 73 et un module de commande 74.The electronic control unit 70 comprises a calculation module 72, a measurement module 73 and a control module 74.
Tel qu’illustré dans la
Par exemple, la pression des gaz en aval de la vanne EGR appelée Paval est mesurée à l’aide d’un capteur de pression relative. La pression différentielle ΔP est mesurée grâce à un capteur de pression différentielle. L’angle d’ouverture de la vanne θegr est mesuré à l’aide d’un capteur de position placée sur le moteur électrique qui entraine la vanne.For example, the gas pressure downstream of the EGR valve called Paval is measured using a relative pressure sensor. The differential pressure ΔP is measured using a differential pressure sensor. The opening angle of the θegr valve is measured using a position sensor placed on the electric motor that drives the valve.
Il est généralement admis que le débit traversant la vanne Qegr peut être décrit suivant l’équation suivante :It is generally accepted that the flow through the Qegr valve can be described according to the following equation:
Avec :With :
Se, la section efficace de la vanne, en mm²S e , the cross section of the valve, in mm²
BSV, la fonction de Barré de Saint-Venant calculée selon l’équation (2), ci-après et exprimée en
Tamont, la température à l’amont de la vanne, en KTamont, the temperature upstream of the valve, in K
Pamont, la pression en amont de la vanne, exprimée en Pa.Pamont, the pressure upstream of the valve, expressed in Pa.
La fonction de Barré de Saint-Venant s’exprime lorsque l’écoulement est non sonique, soit pour l’intégralité des calculs qui nous intéressent, par l’expression suivante :The Barré de Saint-Venant function is expressed when the flow is non-sonic, i.e. for all the calculations that interest us, by the following expression:
Avec :With :
Π, le taux de détente soit le rapport entre Pamont et Paval, adimensionnelΠ, the rate of expansion, i.e. the ratio between Pamont and Paval, dimensionless
γ, l’indice adiabatique des gaz, adimensionnelγ, the adiabatic gas index, dimensionless
r, le rapport entre la constante des gaz parfait divisée par la masse molaire du gaz en question, exprimée en J·kg−1·K−1 r, the ratio between the ideal gas constant divided by the molar mass of the gas in question, expressed in J kg −1 K −1
En multipliant de chaque côté l’équation (1) par Π, on obtient l’équation suivante :By multiplying equation (1) on each side by Π, we obtain the following equation:
Avec :With :
Comme indiqué précédemment, les informations de pression sont extrêmement dynamiques du fait de l’acyclisme du comportement d’un moteur à combustion interne. Cet acyclisme crée de fortes volatilités du signal de pression différentielle et par cela implique des variations fortes sur le taux de détente Π.As mentioned earlier, the pressure information is extremely dynamic due to the acyclic behavior of an internal combustion engine. This acyclism creates strong volatilities of the differential pressure signal and by that implies strong variations on the rate of expansion Π.
Afin de limiter le bruit sur le débit total, il est nécessaire de filtrer cette information. Or, filtrer l’information de pression a un impact direct sur la précision du débit recalculé par l’équation (1) ou (3). En effet, ces équations utilisent la fonction de Barré de Saint-Venant (BSV) qui est non linéaire.In order to limit the noise on the total bit rate, it is necessary to filter this information. However, filtering the pressure information has a direct impact on the accuracy of the flow rate recalculated by equation (1) or (3). Indeed, these equations use the Barré de Saint-Venant (BSV) function which is non-linear.
Il n’est donc pas équivalent de calculer la moyenne de la fonction sur toutes les pressions rencontrées, ce qui correspond à une véritable moyenne du débit, que de calculer la moyenne des pressions et de lui appliquer la fonction de Barré de Saint-Venant. L’écart entre ces deux calculs peut être assez important, parfois supérieur à 20% selon certains calculs, ce qui risque d’entraîner une surestimation du débit interprété par le reste du contrôle moteur.It is therefore not equivalent to calculate the average of the function over all the pressures encountered, which corresponds to a true average of the flow, than to calculate the average of the pressures and to apply the Barré de Saint-Venant function to it. The difference between these two calculations can be quite significant, sometimes greater than 20% according to certain calculations, which risks leading to an overestimation of the flow rate interpreted by the rest of the motor control.
Il est ainsi proposé de se rapprocher au maximum de la valeur réelle du débit d’EGR tout en effectuant l’ensemble des calculs à plus basse fréquence, soit toutes les 10 millisecondes par exemple.It is thus proposed to get as close as possible to the real value of the EGR flow rate while performing all the calculations at the lowest frequency, i.e. every 10 milliseconds for example.
Pour y parvenir, les variations du taux de détente Π présenté plus haut sont assimilées à une sinusoïde qui s’ajoute à un signal moyen variable en fonction du temps, la sinusoïde ayant une amplitude inconnue A et une pulsation inconnue ω comme décrit dans l’équation suivante :To achieve this, the variations in the rate of expansion Π presented above are assimilated to a sinusoid which is added to a mean signal varying as a function of time, the sinusoid having an unknown amplitude A and an unknown pulsation ω as described in the following equation:
Pour calculer le débit EGR à partir de l’équation (3), il est nécessaire d’estimer correctement la fonction
A cette fin, on utilise les développements de Taylor sous leurs formes approchées à savoir :To this end, we use the Taylor expansions in their approximate forms, namely:
Que l’on applique ici avec
On obtient alors au deuxième ordre l’approximation suivante :We then obtain at second order the following approximation:
La méthode classique d’estimation, qui consiste, comme expliqué plus haut, d’abord à filtrer ou moyenner le taux de détente et ensuite à appliquer la fonction de Barré de Saint-Venant conduirait au résultat sous la forme suivante :The classic estimation method, which consists, as explained above, of first filtering or averaging the rate of expansion and then applying the Barré de Saint-Venant function would lead to the result in the following form:
Ce qui correspond uniquement au premier terme de l’approximation (8).Which corresponds only to the first term of the approximation (8).
La présente invention correspond à un procédé qui consiste à utiliser les termes suivants du développement de Taylor afin de compléter l’information disponible sans augmentation excessive de la charge de calcul.The present invention corresponds to a method which consists in using the following terms of the Taylor expansion in order to complete the information available without excessively increasing the computational load.
Pour calculer le débit moyen sur une période T donnée on intègre l’équation (3) sur cette période :To calculate the average flow over a given period T, we integrate equation (3) over this period:
Si l’on considère que la période de calcul est assez courte, par exemple de l’ordre d’une oscillation de pression, on peut admettre que la position de la vanne
On peut poser :We can ask:
Et réécrire l’équation (10) ainsi :And rewrite equation (10) as:
En utilisant les équations (12) et (8) on obtient alors :By using equations (12) and (8) we then obtain:
Que l’on peut réécrire comme :Which can be rewritten as:
Sur une période T grande par rapport à la pulsation
En choisissant un filtre avec une constante de temps adéquate on obtient alors :By choosing a filter with an adequate time constant, we then obtain:
Pour calculer la valeur du débit moyen d’EGR il faut calculer la dérivée seconde de la fonction BSV2.To calculate the value of the average EGR flow, it is necessary to calculate the second derivative of the function BSV 2 .
A l’aide d’un schéma numérique de type différences centrées, on peut ensuite évaluer la dérivée seconde de la fonction BSV2comme suit :Using a numerical scheme of the centered differences type, we can then evaluate the second derivative of the function BSV 2 as follows:
On obtient alors l’expression du débit moyen d’EGR suivante :We then obtain the following expression for the average EGR flow rate:
Cela revient à considérer l’estimation classique
On peut remarquer également que toutes les dérivées impaires des fonctions sinus entraînent une moyenne de débit nulle car
La figure 4 illustre la procédure utilisée dans l’estimation classique, afin de mieux apprécier l’apport de l’invention dont la procédure est présentée à la figure 5. Classiquement, les informations du taux de détente sont captées à haute fréquence, soit toutes les millisecondes. On procède à un filtrage des informations en prenant la moyenne
En référence à la figure 5, les informations sont captées à haute fréquence, soit toutes les millisecondes. On récupère ensuite les valeurs maximale
L’organigramme représenté dans la
Lors d’une première étape 61 on mesure les valeurs maximales et minimales du taux de détente puis, lors de l’étape 62 suivante, on mesure la valeur moyenne du taux de détente.During a first step 61, the maximum and minimum values of the rate of expansion are measured, then, during the following step 62, the average value of the rate of expansion is measured.
Le procédé 60 comprend en outre une étape 63 calcul de la fonction BSV2 appliquée au taux de détente moyen, selon les équations (2) et (4), et une étape 64 de calcul de la dérivée seconde de la fonction BSV2 appliquée au taux de détente moyen, selon l’équation (16).The method 60 further comprises a step 63 for calculating the function BSV2 applied to the average expansion rate, according to equations (2) and (4), and a step 64 for calculating the second derivative of the function BSV2 applied to the rate of expansion. medium expansion, according to equation (16).
Le procédé 60 se poursuit par une étape 65 de calcul du débit moyen, selon l’équation (17).The method 60 continues with a step 65 of calculating the average flow, according to equation (17).
Le procédé 60 comprend enfin une étape 66 de contrôle moteur, à travers une consigne de débit EGR Q.The method 60 finally comprises a step 66 of engine control, through an EGR flow setpoint Q.
Ainsi l’invention propose un procédé d’estimation du débit d’EGR utilisée pour le contrôle moteur, peu gourmand en ressources de calcul et qui peut utiliser les valeurs de pression filtrées à basse fréquence, avec une précision suffisante des résultats.Thus, the invention proposes a method for estimating the EGR flow rate used for engine control, which consumes little computing resources and which can use the pressure values filtered at low frequency, with sufficient accuracy of the results.
Claims (8)
- On mesure les valeurs minimale (Πmin) et maximale (Πmax) d’un taux de détente Π, défini comme le rapport entre la pression mesurée en amont et la pression mesurée en aval de la vanne de recirculation des gaz d’échappement (15a et/ou 38c),
- On mesure la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- On calcule la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- On calcule la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- On calcule le débit de recirculation des gaz d’échappement (Q).
- The minimum (Πmin) and maximum (Πmax) values of an expansion rate Π are measured, defined as the ratio between the pressure measured upstream and the pressure measured downstream of the exhaust gas recirculation valve (15a and /or 38c),
- We measure the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- We calculate the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- We calculate the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- The exhaust gas recirculation rate (Q) is calculated.
- Moyens de mesure des valeurs minimale (Πmin) et maximale (Πmax) d’un taux de détente Π, défini comme le rapport entre la pression mesurée en amont et la pression mesurée en aval de la vanne de recirculation des gaz d’échappement (15a et/ou 38c),
- Moyens de mesure de la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- Moyens de calcul de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- Moyens de calcul de la dérivée seconde de la fonction de Barré de Saint-Venant appliquée à la valeur moyenne du taux de détente (Πmoy),
- Moyens de calcul du débit de recirculation des gaz d’échappement (Q)
- Means for measuring the minimum (Πmin) and maximum (Πmax) values of an expansion rate Π, defined as the ratio between the pressure measured upstream and the pressure measured downstream of the exhaust gas recirculation valve (15a and/or 38c),
- Means of measuring the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- Means of calculating the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- Means of calculating the second derivative of the Barré de Saint-Venant function applied to the average value of the rate of expansion (Πmoy),
- Means of calculating the exhaust gas recirculation flow (Q)
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