WO2009098384A1 - Procédé de mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système egr d'un moteur thermique de véhicule automobile et débitmètre correspondant. - Google Patents

Procédé de mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système egr d'un moteur thermique de véhicule automobile et débitmètre correspondant. Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to exhaust gas recirculation systems (EGR, exhauted gas recirculation) of thermal engines of motor vehicles.
  • EGR exhaust gas recirculation systems
  • EGR systems allow the introduction of inert gases into the air supply systems of motors in a controlled manner. This removes the excess oxygen present in the air mixture to obtain a more complete combustion inside the engine.
  • the mass flow rate of the exhaust gases circulating in the EGR system is calculated from a measurement and an estimation:
  • mapping Using a characteristic curve of the engine considered, called mapping, for example, it is estimated the flow of gas (fresh air + recirculated exhaust gas) entering the engine.
  • This method makes it possible to obtain only an approximate measurement of the mass flow rate of the exhaust gases circulating in the EGR circuit.
  • the invention relates to a method for measuring the mass flow rate (Q m ) of exhaust gas flowing in an EGR system of an engine. thermal motor vehicle, wherein said measurement is made by taking advantage of the geometry (Sj IS 2 , point I 5 point 2) of the circuit (10) of the EGR system at a pressure-reducing member in the path of the EGR gas .
  • pressure-reducing member any portion of the EGR circuit inducing a loss of pressure, for example a variation of section or a bend.
  • Any zone of the EGR circuit exhibiting a loss of pressure can be used to implement the method of the invention. Any widening, narrowing, or bend, preferably not abrupt, in the EGR circuit allows this measurement without interference, or very little, with the EGR circuit itself, without generating additional pressure drop or adding new parts.
  • the pressure loss in the area of the EGR circuit used for the flow measurement corresponds to a part of the loss of the load generated by the circuit.
  • a nozzle or a Venturi tube may also form such a depressive member.
  • the pressure-reducing member is formed by at least a portion of this exchanger.
  • a type I exchanger which the gases pass through, can be used for this purpose.
  • an upstream point and a downstream point of a section variation zone of the EGR circuit are chosen.
  • the mass flow is calculated from measurements of the absolute pressure and temperature at one of the points and the measurement of the differential pressure between the two points.
  • the invention also relates to a flowmeter for measuring the mass flow rate of exhaust gas flowing in an EGR system of a motor vehicle engine, said flowmeter comprising a circuit portion which forms a pressure reducing member comprising a absolute pressure sensor and a temperature sensor, at one of the two points upstream and downstream of the portion, and a differential pressure sensor between the two points upstream and downstream.
  • the deprimogenic member is advantageously formed by an exchanger, said sensors being integrated into the exchanger.
  • the invention also relates to an EGR module comprising an EGR valve and an exchanger, and a flowmeter as described above.
  • FIG. 1 represents a simplified diagram of the longitudinal section of an EGR system circuit on which the EGR exchanger appears;
  • FIG. 2 represents the same simplified diagram of the longitudinal section, the latter being equipped with the sensors necessary for the implementation of the method of the invention and constituting the flowmeter of the invention and
  • FIG. 3 shows a timing diagram of the implementation of the method of the invention.
  • This exchanger 10 comprises an inlet 21, of known section Sj, through which enter the exhaust gas, hot, and an outlet 22, of known section S 2 smaller, through which the gases out, cooled.
  • the exchanger 10 has at its outlet flange a change of section, here a narrowing, between two points of the EGR circuit, the upstream point 1 where the section is Sj and the downstream point 2 where the section is S 2 , the outlet flange induces a loss of pressure, which allows an in situ measurement of the mass flow of the recirculated exhaust gas.
  • C d is the discharge coefficient that allows the correction of the error due to the pressure drop between the two points 1 and 2 (it is a function of the Reynolds number)
  • ⁇ is a coefficient that takes into account the compressibility of the fluid : it is equal to 1 for an incompressible fluid and is a function of the thermodynamic characteristics for a compressible fluid
  • k m is a constant encompassing the approach velocity coefficient
  • the value of the flow can therefore be determined by three simple measures:
  • two sensors are implanted at point 1, one 32 which is an absolute pressure sensor and the other 31, which is a temperature sensor, and, between points 1 and 2, a sensor Differential pressure 33.
  • the method for measuring the mass flow rate of the exhaust gases circulating in the portion 10 of the EGR circuit, with reference to FIG. 3, is to take a direct measurement of the mass flow rate Q m of the gases by performing the following steps: - an initialization step 1, wherein p is stored re fi re fi P T r and ⁇ are calculated and stored m k, Ca and ⁇ , the constant k m is calculated according to the above formula giving k m, and iteratively at the frequency necessary for the operation, by the EGR system, of the value of the mass flow Q m : a step 2 in which the measurements Ti and p ) of the sensors 31 and 32 are collected and pi according to the formula giving p1 above,
  • a conventional operation step 4 of the flow Q m is a conventional operation step 4 of the flow Q m .
  • the value of the differential pressure increases with the ratio of the two sections.
  • the pressure and temperature sensors can be chosen all the less precise as the ratio of Si IS 2 sections is large. We will therefore choose points 1 and 2 so that this ratio is maximum.
  • the sensors Due to the presence of particulate filters upstream of the outlet of the exchanger in the configuration of a low pressure EGR circuit, the sensors are little exposed to fouling which ensures a good reliability of the measurements, even if there are disturbances generated by pressure waves or by the pulsatile nature of the fluid, because pressure differences are measured rather than absolute pressures and fluidic pulses are strongly attenuated by the upstream organs on the circuit 10 (in particular the particle filter).
  • Sensors that are insensitive to corrosion due to exhaust gases will also be selected.
  • the temperature sensor choose a CTN type sensor whose thermistor is protected by a stainless steel plunger.
  • the principle of this direct measurement is not limited to a section narrowing at the level of the exchanger 10. Any variation in section or shape in the EGR circuit is potentially an implantation zone for the sensors 31, 32, 33 .

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Abstract

Dans le procédé de mesure de débit massique (Qm) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, ladite mesure est réalisée en tirant profit de la géométrie (S1/ S2 , point 1, point 2) du circuit (10) du système EGR au niveau d'un organe déprimogène sur le trajet des gaz EGR.

Description

Procédé de mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile et débitmètre correspondant.
L'invention concerne les systèmes de recirculation des gaz d'échappement (EGR, exhauted gas recirculation) des moteurs thermiques des véhicules automobiles.
Les systèmes EGR permettent d'introduire des gaz inertes dans les circuits d'alimentation air des moteurs de façon contrôlée. On supprime ainsi l'excès d'oxygène présent dans le mélange air pour obtenir une combustion plus complète à l'intérieur du moteur.
Ainsi, non seulement on abaisse la température de combustion mais surtout on réduit le taux d'émission de monoxyde ou de dioxyde d'azote (gaz Nox) et on respecte les normes automobiles, de plus en plus restrictives, de pollution.
Il apparaît donc maintenant nécessaire de disposer d'une valeur précise du débit de gaz d'échappement circulant dans le moteur.
Or actuellement, le débit massique des gaz d'échappement circulant dans le système EGR est calculé à partir d'une mesure et d'une estimation :
• A l'aide d'un débitmètre ordinaire, on mesure le débit d'air frais à l'admission du moteur,
• A l'aide d'un courbe caractéristique du moteur considéré, appelée cartographie, par exemple, on estime le débit de gaz (air frais + gaz d'échappements recirculés) entrant dans le moteur.
Cette méthode ne permet d'obtenir qu'une mesure approximative du débit massique des gaz d'échappement circulant dans le circuit EGR.
II existe donc un impérieux besoin, et c'est l'objet de la présente invention, de disposer d'une mesure précise et fiable du débit massique de gaz EGR circulant dans le système EGR5 et nécessaire pour la maîtrise fine de cette quantité.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure de débit massique (Qm) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, procédé dans lequel ladite mesure est réalisée en tirant profit de la géométrie (Sj I S2 , point I5 point 2) du circuit (10) du système EGR au niveau d'un organe déprimogène sur le trajet des gaz EGR. On entend par « organe déprimogène » toute portion du circuit EGR induisant une perte de pression, par exemple une variation de section ou un coude.
Toute zone du circuit EGR présentant induisant des pertes de charge peut servir à la mise en œuvre du procédé de l'invention. Tout élargissement, rétrécissement, ou coude, de préférence non brusque, dans le circuit EGR permet cette mesure sans interférence, ou très peu, avec le circuit EGR lui-même, sans générer de perte de charge supplémentaire ni ajouter de nouvelles pièces.
Par rapport aux solutions antérieures, celle de l'invention est particulièrement simple.
On notera que la perte de pression dans la zone du circuit EGR utilisée pour la mesure de débit correspond à une partie de la perte de la charge générée par le circuit.
Une tuyère ou un tube de Venturi peuvent également former un tel organe déprimogène.
Avantageusement, lorsque le système EGR comporte un échangeur, l'organe déprimogène est formé par au moins une portion de cet échangeur.
Un échangeur de type I, que les gaz traversent de part en part, peut être utilisé à cette fin.
Avantageusement encore, on choisit sur l' échangeur un point amont et un point aval d'une zone de variation de section du circuit EGR (par exemple, la bride de sortie de l'échangeur du système EGR). On calculer le débit massique à partir des mesures de la pression absolue et de la température en l'un des points et de la mesure de la pression différentielle entre les deux points.
L'invention concerne également un débitmètre pour la mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, ce débitmètre comportant une portion de circuit qui forme un organe déprimogène comportant un capteur de pression absolue et un capteur de température, en l'un des deux points amont et aval de la portion, et un capteur de pression différentielle entre les deux points amont et aval.
L'organe déprimogène est avantageusement formé par un échangeur, lesdits capteurs étant intégrés à l'échangeur.
L'invention concerne également un module EGR comportant une vanne EGR et un échangeur, ainsi qu'un débitmètre tel que décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante du procédé de mesure de débit et du débitmètre de l'invention, en référence au dessin en annexe, sur lequel:
- la figure 1 représente un schéma simplifié de la section longitudinale d'un circuit système EGR sur laquelle apparaît l'échangeur EGR;
- la figure 2 représente le même schéma simplifié de la section longitudinale, cette dernière étant équipée des capteurs nécessaires pour la mise en œuvre du procédé de l'invention et constituant le débitmètre de l'invention et
- la figure 3 représente un organigramme chronologique de la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
En référence à la figure 1, un système EGR (partiellement représenté) d'un véhicule automobile comporte un échangeur 10, qui est, dans le présent exemple, un échangeur de type I, c'est-à-dire traversé de part en part par le flux. Cet échangeur 10 comporte une entrée 21, de section connue Sj, par où entrent les gaz d'échappement, chauds, et une sortie 22, de section connue S2 plus petite, par où les gaz sortent, refroidis.
L'échangeur 10 présente au niveau de sa bride de sortie un changement de section, ici un rétrécissement, entre deux points du circuit EGR, le point amont 1 où la section est Sj et le point aval 2 où la section est S2, la bride de sortie induit une perte de pression, ce qui permet de réaliser une mesure in situ du débit massique des gaz d'échappement recirculés.
A une température de référence Tref et une pression de référence preβ les gaz qui traversent la bride de sortie de l'échangeur 10 de part en part, ont une masse volumique pref, ces grandeurs de référence sont connues et, tout comme Sj et S2, sont mémorisées dans le système EGR. Ici, on utilise la géométrie de Péchangeur 10, qui est une portion du circuit EGR5 qu'on utilise comme organe déprimogène.
On suppose, ou l'on fait l'approximation que les gaz suivent la loi de Mariotte (p. V — constante). Ainsi la masse volumique pj des gaz en un point donné, ici le point I5 de la bride de Péchangeur 10 est uniquement fonction de la pression p} (respectivement p2 au point 2) et de la température Tj en ce point :
P\ Tref
Figure imgf000006_0001
Et on applique la formule du théorème de Bernoulli donnant le débit massique Qm des gaz passant à travers le circuit 10 entre les deux points 1 et 2:
Figure imgf000006_0002
Dans cette formule:
Ap est la différence de pression entre les points 1 et 2,
Figure imgf000006_0003
Cd est le coefficient de décharge qui permet la correction de l'erreur due à la perte de charge entre les deux points 1 et 2 (il est fonction du nombre de Reynolds), ε est un coefficient qui tient compte de la compressibilité du fluide: il est égal à 1 pour un fluide incompressible et est fonction des caractéristiques thermodynamiques pour un fluide compressible, km est une constante englobant le coefficient de vitesse d'approche,
k =
Figure imgf000006_0004
Les valeurs de ces coefficients sont tabulées à partir d'abaques généraux de fluidique et mémorisées dans le système EGR pour pouvoir être exploitées lors des calculs de débit. En résumé:
Figure imgf000007_0001
La valeur du débit peut donc être déterminée par trois mesures simples:
• la pression absolue pj au point 1 ;
• la mesure de la température T1 en ce même point 1 ; • la mesure de la pression différentielle Ap entre les deux points 1 et 2.
II en va d'ailleurs de même pour un fluide qui subit une compression adiabatique entre les points 1 et 2 (p. Ψ- constante).
En effet, il est alors encore possible d'exprimer la masse volumique seulement en fonction de la pression absolue et de la température au point 1 et de la différence de pression entre les points 1 et 2, à condition de faire intervenir également les propriétés thermodynamiques du fluide dans le calcul du débit massique, tout particulièrement la constante adiabatique γ.
Pour réaliser le débitmètre, ici, on implante deux capteurs au point 1, l'un 32 qui est un capteur de pression absolue et l'autre 31, qui est un capteur de température, et, entre les points 1 et 2, un capteur de pression différentielle 33.
Le procédé de mesure de débit massique des gaz d'échappement circulant dans la portion 10 du circuit EGR consiste, en référence à la figure 3, à réaliser une mesure directe du débit massique Qm des gaz grâce à l'exécution des étapes suivantes: - une étape d'initialisation 1, dans laquelle on mémorise prefi Prefi Trφ et on calcule et on mémorise km, Ca et ε, la constante km étant calculée selon la formule ci-dessus donnant km, et itérativement à la fréquence nécessaire pour l'exploitation, par le système EGR, de la valeur du débit massique Qm: - une étape 2 dans laquelle on collecte les mesures Ti et p} des capteurs 31 et 32 et on calcule pi selon la formule donnant pi ci-dessus,
- une étape 3 dans laquelle on collecte la mesure Δp du capteur 33 et on calcule Qm selon la formule donnant Qm ci-dessus. - une étape 4 d'exploitation, classique, du débit Qm.
On remarque dans l'expression du débit massique Qm que la géométrie du système EGR va influencer la valeur de la pression différentielle Ap et tout particulièrement le rapport des sections Si et S2 des deux points 1 et 2 entre lesquels on effectue la mesure de cette valeur.
Le tableau ci-dessous rends compte d'essais destinés à montrer l'influence du rapport des sections Si I S2 sur la valeur de la pression différentielle Δp dans le cas de gaz d'échappement à une température de 1500C et pour un débit de 150kg/h, en supposant que ces gaz suivent la loi de Mariotte et que la section Si soit égale à 2925 mm2:
Figure imgf000008_0001
La valeur de la pression différentielle croît avec le rapport des deux sections. Ainsi, les capteurs de pression et de température peuvent être choisis d'autant moins précis que le rapport des sections Si I S2 est grand. On choisira donc des points 1 et 2 de telle sorte que ce rapport soit maximum.
Du fait de la présence de filtres à particules en amont de la sortie de l'échangeur dans la configuration d'un circuit EGR basse pression, les capteurs sont peu exposés à l'encrassement ce qui assure une bonne fiabilité des mesures, même s'il y a des perturbations générées par des ondes de pression ou par la nature pulsatile du fluide, du fait que l'on mesure des différences de pression et non des pressions absolues et que les pulsations fluidiques sont fortement atténuées par les organes en amont sur le circuit 10 (en particulier le filtre à particules).
On choisira également des capteurs insensibles à la corrosion due aux gaz d'échappement. Par exemple, pour le capteur de température, on choisira un capteur du type CTN dont la thermistance est protégée par un plongeur en acier inoxydable. Le principe de cette mesure directe ne se limite pas qu'à un rétrécissement de section au niveau de l'échangeur 10. Toute variation de section ou de forme dans le circuit EGR est potentiellement une zone d'implantation des capteurs 31, 32, 33.

Claims

REVENDICATIONS
1- Procédé de mesure de débit massique (Qm) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, procédé dans lequel ladite mesure est réalisée en tirant profit de la géométrie (Sj I S2 , point 1, point 2) du circuit (10) du système EGR au niveau d'un organe déprimogène sur le trajet des gaz EGR.
2- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le système EGR comporte un échangeur (10), l'organe déprimogène étant formé par cet échangeur.
3- Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise un échangeur (10) de type I que les gaz traversent de part en part.
4- Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel on choisit sur la bride de l' échangeur (10) un point amont (1) et un point aval (2) de la variation de section (Sj, S2) dudit échangeur.
5- Procédé selon la revendications 4, dans lequel on calcule la valeur du débit massique (Qn) à partir des mesures de la pression absolue (p}) et de la température (T1) en l'un desdits points et de la mesure de la pression différentielle (Ap) entre les deux points (1,2).
6- Débitmètre pour la mesure de débit massique (Qm) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, ce débitmètre comportant une portion de circuit qui forme un organe déprimogène comportant un capteur de pression absolue (32) et un capteur de température (31), en l'un (1) des deux points amont et aval de la portion, et un capteur de pression différentielle (33) entre les deux points amont et aval (1,2).
7. Débitmètre selon la revendication 6, dans lequel l'organe déprimogène est formé par un échangeur (10), lesdits capteurs (32, 31, 33) étant intégrés à Péchangeur (10).
8. Module EGR comportant une vanne EGR et un échangeur (10), caractérisé en ce qu'il comporte un débitmètre selon l'une des revendications 6 ou 7.
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