WO2014095052A1 - Procédé de détermination du débit d'air recycle et de la quantité d'oxygène disponible a l'entrée d'un cylindre d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Continental Automotive France SAS
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the rate of recycled air and the amount of oxygen at the inlet of a cylinder of an internal combustion engine.
  • the field of the present invention is the control and management of internal combustion engines, and more particularly compression ignition engines also called diesel engines.
  • a flue gas recirculation circuit is commonly called EGR (Exhaust Gas Recirculation).
  • EGR exhaust Gas Recirculation
  • the flow rate of the recycled gases is not measured by a flow meter or the like.
  • Information on the flow of EGR and on the oxygen content is then obtained either by means of weak models with a complex calibration and / or with the aid of an oxygen probe whose cost is very high.
  • DE 10 2009 037 272 A1 which relates to a method of operating an internal combustion engine, based on a perfect gas model.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method making it possible to reliably know the rate of recirculation gas at the inlet of at least one cylinder of an internal combustion engine, in particular a Diesel type engine, without having an oxygen sensor.
  • the method according to the present invention will also make it possible to access the oxygen content at the inlet of at least one cylinder of the engine in question as well as possibly also at the level of the exhaust.
  • the present invention proposes a method for determining an exhaust gas recirculation flow rate in an air flow rate in an internal combustion engine comprising at least one cylinder equipped with a pressure sensor, said engine comprising at least one exhaust gas recirculation circuit and means for measuring the flow of fresh air introduced into the engine.
  • said method comprises the following steps:
  • MAF_CYL is the mass of gas in the cylinder considered
  • Pcyl is the pressure measured in the cylinder
  • dWd (crk) is the volume variation in the cylinder for an angular variation of the crankshaft equal to d (crk),
  • dTcyl / d (crk) is the temperature variation in the cylinder for an angular variation of the crankshaft equal to d (crk),
  • CV is the heat capacity at constant volume of the gas mass
  • a - 1 is the corrective term representing a consideration of heat losses
  • the method proposed by the present invention thus makes it possible to know the mass of gas coming from an exhaust gas recirculation system from the pressure prevailing in the engine cylinders (and "basic" information available in any modern engine). It is thus unnecessary to provide an oxygen sensor in the engine when it is equipped with pressure sensors in the cylinders.
  • the method according to the invention makes it possible to take into account heat losses in the cylinder, taking into account real fluids and not perfect fluids, thus improving the accuracy of calculation of the mass of gas in the cylinder considered, and that of the mass. of gas corresponding to recycled exhaust gas.
  • the calculation of the aspirated gas mass is deduced from an energy balance on the compression phase.
  • the pressure measurement is preferably carried out during a compression phase of the gaseous mixture, in a range of angular rotation of the motor between 70 ° and 30 °, of preferably between 60 ° and 40 °, before the top dead center corresponding to the end of the compression phase.
  • a range of angular rotation of the motor between 70 ° and 30 °, of preferably between 60 ° and 40 °, before the top dead center corresponding to the end of the compression phase.
  • the determination of the mass of gas in a cylinder is carried out by carrying out several pressure measurements at different angular positions of the engine and by performing the arithmetic mean results corresponding to the measurements made.
  • the present invention proposes that the corrective term used for the calculation of the mass of gas in a cylinder is a function of the speed of rotation of the engine and its temperature.
  • a table with two entries thus makes it possible to quickly define the corrective term.
  • the present invention thanks in particular to the better knowledge of the gas flow in the exhaust gas recirculation system that it provides, also proposes to provide information on oxygen contents in the engine.
  • a determination method according to the present invention will advantageously also include a step of determining the oxygen content of a gaseous mixture in the engine.
  • a step of determining the mass fraction of oxygen in a cylinder before the start of the combustion can be provided and such that this mass fraction is obtained using the following formula:
  • MF is the total mass of fuel injected (and / or) burned (which can be for example either an estimate made from the total mass required by the engine control or a measurement using other information (lambda / oxygen probe or cylinder pressure),
  • MAF cy i is the mass of gas for the cylinder considered
  • C F is the stoichiometric air / fuel ratio for the selected fuel
  • MEGR k g h is the gas flow rate in the exhaust gas recirculation system
  • MAF kgh is the fresh air flow rate measured at the engine inlet (by the means making it possible to measure the flow of fresh air introduced into the engine), and n cy i is the number of cylinders of the engine. It is also proposed by the present invention that the method according to the invention comprises a step of determining the mass fraction of oxygen in a cylinder at each angular position in the combustion cycle:
  • Y02IN cy i is the mass fraction of oxygen in the cylinder considered before the start of combustion
  • MF cy i is the mass of fuel burned in the cylinder at each angular position
  • MAF C yi is the mass of gas for the cylinder considered at each angular position
  • MAF is the mass of gas for the cylinder considered and for the cycle considered
  • C 0F is the stoichiometric oxygen / fuel ratio for the selected fuel.
  • the present invention finally relates to a device for determining an exhaust gas recirculation flow rate in an air flow rate in an internal combustion engine comprising at least one cylinder equipped with a pressure sensor, said engine comprising at least one minus an exhaust gas recirculation circuit and means for measuring the flow of fresh air introduced into the engine, characterized in that it comprises means for implementing each of the steps of a method as described above.
  • the present invention also relates to a device for the management and control of an internal combustion engine, characterized in that it comprises means for implementing each of the steps of a method as presented above.
  • FIG. 1 is a partial schematic view of an engine illustrating the air supply system of a cylinder
  • FIG. 2 is a curve illustrating a pressure variation in a cylinder of an engine
  • FIG. 3 illustrates a method for determining various gas flows in the engine illustrated schematically in FIG. 1,
  • FIG. 4 is another illustration of a determination of the mass of gas in the cylinders of an engine
  • FIG. 5 is a schematic curve illustrating the oxygen content in a cylinder
  • FIG. 6 is a partial schematic view of an engine illustrating the supply and exhaust of said engine
  • FIG. 7 illustrates a method for determining the oxygen content in a cylinder of an engine
  • FIG. 8 illustrates the variations in the constant volume heat capacity of a gaseous mixture supplying a cylinder of an engine as a function of the composition of this gaseous mixture.
  • FIG. 1 shows schematically a cylinder 2 inside which moves a piston connected by a piston rod 4 to a crankshaft 6 carrying a flywheel 8.
  • the angular position of the flywheel 8 is used as a parameter for the determination many commands in the management of an engine.
  • the position of the engine mechanical components is determined on two revolutions of the flywheel 8, that is to say on 720 °. It is assumed in the following description, for the sake of clarity and in no way limiting, that the engine is a four-stroke diesel type engine (that is to say, ignition compression) with four cylinders.
  • a manifold 10 is provided as fresh air inlet of the engine considered. Downstream of this manifold 10 is a regulator 12 to adapt the flow of fresh air to the engine.
  • the engine considered here is also equipped with an exhaust gas recirculation system, commonly called EGR system (acronym for Exhaust Gas Recirculation).
  • EGR system an exhaust gas recirculation system
  • a recirculation line 14 thus opens into an intake manifold 16 downstream of the regulator 12 and just upstream of the inlet of the cylinder 2 controlled by at least one intake valve 18.
  • a control valve 20 acts on the flow of exhaust gas in the recirculation line 14.
  • MAF_KGH a fresh air flow in the manifold 10 (in kg / h for example),
  • MAF_CYL_KGH a total gas flow sucked into the cylinders (in kg / h for example),
  • MEGR_KGH a gas flow in the recirculation line 14.
  • each cylinder 2 of the engine is equipped with a pressure sensor 22 ( Figure 3) which provides a signal Pcyl (crk) corresponding to the pressure measured for an angular position crk of the engine.
  • Pcyl crk
  • the signal Pcyl (crk) is filtered by a filter 24 to obtain a value Pcyl usable in a computer.
  • This signal Pcyl (crk) is also transmitted to a processing device for providing from the received information (the pressure sensor signal) information on the temperature in the cylinder considered.
  • This device is called temperature module 26 in the following description.
  • the temperature module 26 determines the temperature prevailing in the cylinder considered as follows. For a given quantity of gas, the quotient P V / T is constant, P representing the pressure of the gas, V its volume and T its temperature. Taking as a reference the volume of gas (air) that is introduced into the combustion chamber, we then have the following equation:
  • V in corresponds to the volume of the combustion chamber when measuring the pressure P in .
  • T in is the temperature of the air entering the combustion chamber when measuring the pressure P in .
  • Tcyl (crk) Pcyl (crk) V (crk) T in / P in V ir
  • the output data of the temperature module, Tcyl (crk) is also introduced into the filter 26 which then provides a Tcyl value output.
  • the mass corresponds to the mass of gas in the cylinder 2, that is to say MAF_CYL.
  • the heat capacity at constant volume of the gas mixture will be called thereafter CV.
  • the temperature is the temperature in the cylinder, ie Tcyl.
  • the pressure is the pressure measured by the pressure sensor 22 and the volume is the volume of the cylinder (which depends on the angular position of the engine).
  • the variation of time at constant speed is proportional to the angular position variation of the motor.
  • a is a coefficient which depends on the speed of rotation N of the engine as well as the temperature T C o thereof.
  • the thermal losses are thus modeled in a form proportional to the work provided in the compression phase.
  • FIG. 3 diagrammatically shows software 28, integrated for example in a microprocessor, which receives information on the speed of rotation N of the engine and on the temperature T C o thereof. Sensors to provide this information are present in all modern engines because this information is essential to ensure good engine management. From this information, the software 28 calculates the correction coefficient a. A calibration is provided to obtain the values necessary to calculate the correction coefficient a.
  • FIG. 8 illustrates, over a wide range of temperatures, the variations of the coefficient CV, on the one hand, as a function of the temperature, and, on the other hand, as a function of the composition of the gaseous mixture contained in the cylinder 2.
  • the various curves of Figure 8 correspond to higher or lower rates of exhaust gas.
  • the arrow with the mention EGR indicates the increasing direction of proportion of exhaust gas in the gas mixture.
  • Figure 8 shows a zone, indicated by a rectangle, in which all the curves are almost merged, which means that the CV coefficient (ie the heat capacity of the gas mixture at constant volume) is independent the proportion of exhaust gas in the gas mixture in the cylinder 2.
  • this zone is situated between approximately -70.degree. To -30.degree. before the arrival of the piston at the top dead center corresponding to the injection of fuel into the cylinder 2.
  • Figure 2 illustrates a pressure curve as a function of the angular position of the engine. It is assumed here that the top dead center corresponding to the injection is achieved at 360 °. The measuring range or window 30 will then be made between the angular positions CRK_BEG and CRK_END of the flywheel 8. In this case, for example:
  • MAF_CYL_i (crk) which one calls then MAF_CYL_MOY_i, is:
  • MAF_CYL_MOY_i ( ⁇ MAF_CYL_i (crk)) / k
  • FIG. 4 illustrates the obtaining of the overall mass of gaseous mixture entering all the cylinders of the engine over a complete cycle of 720 °.
  • the engine comprises four cylinders
  • four values MAF_CYL_MOY_i are obtained.
  • MAF_CYL_MOY_i By adding these values and multiplying this sum by an appropriate coefficient of 30.10 "6 N (where N is the engine rotation speed), a flow rate in kg / h corresponding to the gas mixture flow rate passing through the engine is obtained. is called MAF_CYL_KGH.
  • MEGR KG H MAF CYL KG H - MAF KG H
  • the computer makes the difference between M AF_C YL_KG H and MAF_KGH and takes the value 0 if this difference is negative.
  • FIG. 5 illustrates a curve showing the evolution of the mass fraction of oxygen in a gas mixture during a combustion.
  • the position IVC preferably corresponds to the closing of the intake valve while the position EVO preferably corresponds to the open position of the exhaust valve.
  • FIG. 6 is a variant of FIG. 1 which, on the one hand, shows a low pressure recirculation circuit with a regulating valve 20 'in addition to the high pressure recirculation circuit already shown in FIG. 1 and, on the other hand , further illustrates an exhaust manifold 34.
  • a compressor in this figure, there is further shown a compressor
  • FIG. 7 illustrates the steps used to calculate the oxygen contents before and after combustion in the cylinder 2.
  • the reference numeral numeral numeral in this figure, the reference numerals.
  • This calculation module 36 denotes a calculation module for implementing the method illustrated in FIG. 3. This calculation module 36 provides, in particular, 36 the quantity M AF_CYL_KG H, and the magnitude
  • An injection module 38 provides information on the amount of fuel injected MF while the flow sensor 32, as well as in Figure 3, gives the value MAF_KGH corresponding to the mass flow of fresh air entering the engine.
  • MAF_CYL_MO Y_i MAF KG HN CYL CF is the air / fuel stoichiometric ratio for the fuel chosen and the other variables have already been defined previously. It should be noted that the number of cylinders can be designated indifferently by n cy i as indicated above or N_CYL as above.
  • the injection module 38 (shown a second time in FIG. 7 to limit the complexity of the connecting lines) also provides the quantity of fuel injected into each of the cylinders i.
  • MFBj be the quantity of fuel injected into cylinder i. Since not all fuel is injected at one time, this quantity varies with the angular position of the engine. For a crk position of the engine, the amount of fuel injected will be MFB (crk) _i.
  • COF is the stoichiometric oxygen / fuel ratio for the fuel chosen, and the other variables have already been defined previously.
  • the present invention thus provides a better understanding of the air flow rates in the engine cylinders, as well as the flow rates at an exhaust gas recirculation system.
  • the information on the exhaust gas recirculation flow rate is obtained independently of the knowledge of the opening position of the EGR valve.
  • the concentration of the gaseous mixture at the intake manifold and at the exhaust manifold is also obtained independently of information on the opening of the EGR valve (s).
  • the knowledge of the oxygen content is very useful for better control of the pollutant emissions of the engine, including the emission of NO x .
  • each cylinder of the engine under consideration was equipped with a pressure sensor measuring the pressure within the corresponding combustion chamber.
  • the present invention may also be implemented by extrapolating the measurements made in a combustion chamber for the other cylinders.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé qui comporte les étapes suivantes : • mesure de la pression régnant dans chaque cylindre pendant une phase de compression, • détermination de la masse de gaz présente dans chaque cylindre considéré à partir du quotient, d'une part, du produit de la pression par la variation de volume et par un terme correctif et, d'autre part, du produit de la variation de la température et de la capacité calorifique à volume constant du mélange gazeux, conformément à la formule (I). Où : MAF_CYL est la masse de gaz dans le cylindre considéré, Pcyl est la pression mesurée dans le cylindre, dV/d(crk) est la variation de volume dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk), dTcyl/d(crk) est la variation de température dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk), CV est la capacité calorifique à volume constant de la masse de gaz, α - 1 est ledit terme correctif représentant une prise en compte des pertes thermiques, • détermination de la masse de gaz présente dans tous les cylindres du moteur sur un cycle complet de combustion, • détermination de la masse de gaz correspondant à du gaz d'échappement recyclé comme étant la différence entre la masse de gaz présente dans les cylindres et déterminée à l'étape précédente, d'une part, et la masse d'air frais mesurée correspondant au même cycle complet de combustion, d'autre part.

Description

Procédé de détermination du débit d'air recyclé et de la quantité d'oxygène disponible à l'entrée d'un cylindre d'un moteur à combustion interne
La présente invention concerne un procédé de détermination du débit d'air recyclé et de la quantité d'oxygène à l'entrée d'un cylindre d'un moteur à combustion interne.
Le domaine de la présente invention est le contrôle et la gestion des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs à allumage par compression appelés aussi moteurs Diesel.
Dans un moteur de type Diesel, de l'air est comprimé dans une chambre de combustion puis du carburant est injecté sous pression dans cette chambre. Les conditions de température et de pression dans la chambre sont telles lors de l'injection qu'il y a alors combustion du carburant. Cette combustion est réalisée sous haute pression et à haute température et génère la production de gaz polluants de type oxydes d'azote, comprenant notamment le monoxyde d'azote NO, le dioxyde d'azote N02, plus généralement connus sous la dénomination NOx.
Pour limiter notamment les émissions polluantes d'un moteur de type Diesel, il est connu d'équiper le moteur d'au moins un circuit de recirculation. Un moteur à combustion interne est alimenté en air frais et rejette des gaz brûlés à l'échappement. Pour les moteurs de type Diesel, il a été trouvé qu'en mélangeant une partie des gaz brûlés à l'air frais alimentant le moteur, il était possible d'agir, ou plus précisément de réduire, sur les émissions polluantes à l'échappement. Un circuit de recirculation de gaz brûlés est couramment appelé circuit EGR (acronyme anglais de Exhaust Gas Recirculation ou en français recirculation des gaz d'échappement). Il existe des circuits EGR basse pression ou haute pression selon que les gaz d'échappement sont prélevés à haute pression, c'est-à-dire à proximité de la sortie des gaz hors des cylindres, ou bien après détente des gaz, plus en aval des cylindres.
Dans un moteur de type Diesel comportant un circuit EGR, l'air qui rentre dans les cylindres provient donc en partie de l'extérieur (air frais) et en partie du circuit EGR (gaz brûlés). Un débitmètre est utilisé pour mesurer le débit d'air frais admis dans le moteur mais le débit de gaz recyclé n'est pas mesuré. Il est toutefois intéressant de connaître, d'une part, le taux de gaz de recirculation et, d'autre part, la teneur en oxygène du mélange gazeux pénétrant dans les cylindres pour contrôler et gérer le moteur, notamment pour la commande de l'ouverture et de la fermeture des vannes du (ou des) circuit(s) EGR. Ces paramètres (taux d'EGR et teneur en oxygène) ont aussi une influence sur la limitation de couple du moteur et l'estimation des émissions de NOx.
Dans les moteurs connus, comme indiqué plus haut, le débit des gaz recyclés n'est pas mesuré par un débitmètre ou similaire. Une information sur le débit d'EGR et sur la teneur en oxygène est alors obtenue soit grâce à des modèles peu robustes avec une calibration complexe et/ou à l'aide d'une sonde à oxygène dont le prix de revient est très élevé.
On connaît le document DE 10 2011 013 481 A1 qui se rapporte à un procédé de calcul de la température dans le cycle de combustion. La température est déterminée dans la phase de croisement des soupapes. La masse résiduelle de gaz brûlés est calculée, ainsi qu'une température de référence. Il est nécessaire de connaître la température pendant le croisement des soupapes et pendant l'ouverture de la soupape d'admission. Ce document enseigne un procédé selon le modèle des fluides parfaits.
On connaît également le document DE 10 2009 037 272 A1 qui se rapporte à un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, basé sur un modèle de gaz parfait.
La présente invention a alors pour but de fournir un procédé permettant de connaître de manière fiable le taux de gaz de recirculation à l'entrée d'au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur de type Diesel, sans disposer d'une sonde à oxygène.
Avantageusement, le procédé selon la présente invention permettra également d'accéder à la teneur d'oxygène à l'entrée d'au moins un cylindre du moteur considéré ainsi qu'éventuellement aussi au niveau de l'échappement.
À cet effet, la présente invention propose un procédé de détermination d'un débit de recirculation de gaz d'échappement dans un débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre équipé d'un capteur de pression, ledit moteur comportant au moins un circuit de recirculation de gaz d'échappement ainsi que des moyens permettant de mesurer le débit d'air frais introduit dans le moteur.
Selon la présente invention, ledit procédé comporte les étapes suivantes :
• mesure de la pression régnant dans chaque cylindre pendant une phase de compression alors qu'aucune quantité de gaz ne peut entrer ou sortir dudit cylindre, d'une part, et avant que du carburant ne soit injecté dans ledit cylindre, d'autre part,
· détermination de la masse de gaz présente dans chaque cylindre considéré à partir du quotient, d'une part, du produit de la pression dans le cylindre par la variation de volume dans le cylindre et par un terme correctif et, d'autre part, du produit de la variation de la température dans le cylindre et de la capacité calorifique à volume constant du mélange gazeux, conformément à la formule suivante :
dV a - 1 dTcyl
MAF CYL Pcyl x /
d(crk) CV d(crk) Où :
MAF_CYL est la masse de gaz dans le cylindre considéré,
Pcyl est la pression mesurée dans le cylindre,
dWd(crk) est la variation de volume dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk),
dTcyl/d(crk) est la variation de température dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk),
CV est la capacité calorifique à volume constant de la masse de gaz, a - 1 est ledit terme correctif représentant une prise en compte des pertes thermiques,
• détermination de la masse de gaz présente dans tous les cylindres du moteur sur un cycle complet de combustion,
• détermination de la masse de gaz correspondant à du gaz d'échappement recyclé comme étant la différence entre la masse de gaz présente dans les cylindres et déterminée à l'étape précédente, d'une part, et la masse d'air frais mesurée par les moyens permettant de mesurer le débit d'air frais correspondant au même cycle complet de combustion, d'autre part.
Le procédé proposé par la présente invention permet ainsi de connaître la masse de gaz en provenance d'un système de recirculation de gaz d'échappement à partir de la pression régnant dans les cylindres du moteur (et d'informations "basiques" disponibles dans tout moteur moderne). Il est ainsi inutile de prévoir une sonde à oxygène dans le moteur lorsque celui-ci est équipé de capteurs de pression dans les cylindres. Le procédé selon l'invention permet une prise en compte des pertes thermiques dans le cylindre, tenant compte des fluides réels et non des fluides parfaits, améliorant ainsi la précision de calcul de la masse de gaz dans le cylindre considéré, et celle de la masse de gaz correspondant à du gaz d'échappement recyclé. Le calcul de la masse gazeuse aspirée est déduit d'un bilan d'énergie sur la phase de compression.
Dans un procédé selon l'invention, de manière à obtenir des résultats plus exacts, la mesure de pression est de préférence effectuée durant une phase de compression du mélange gazeux, dans une plage de rotation angulaire du moteur entre 70° et 30°, de préférence entre 60° et 40°, avant le point mort haut correspondant à la fin de la phase de compression. En effet, dans la plage prédéfinie, la capacité calorifique à volume constant du mélange gazeux contenu dans le cylindre est quasiment indépendante du taux de gaz d'échappement contenu dans le mélange comprimé. Cette propriété est très utile ici et la présente invention propose de manière originale de l'utiliser ici. Pour augmenter la précision de calcul dans un procédé de détermination selon l'invention, on propose que la détermination de la masse de gaz dans un cylindre soit effectuée en réalisant plusieurs mesures de pression à des positions angulaires différentes du moteur et en effectuant la moyenne arithmétique des résultats correspondant aux mesures effectuées.
La présente invention propose que le terme correctif utilisé pour le calcul de la masse de gaz dans un cylindre soit une fonction de la vitesse de rotation du moteur et de sa température. Une table à deux entrées permet ainsi de rapidement définir le terme correctif.
La présente invention, grâce notamment à la meilleure connaissance du débit des gaz dans le système de recirculation des gaz d'échappement qu'elle apporte, propose également de fournir des informations sur des teneurs en oxygène dans le moteur. Ainsi, un procédé de détermination selon la présente invention comportera avantageusement en outre également une étape de détermination de la teneur en oxygène d'un mélange gazeux dans le moteur.
Une étape de détermination de la fraction massique d'oxygène dans un cylindre avant le début de la combustion peut être prévue et telle que cette fraction massique soit obtenue à l'aide de la formule suivante :
Y02INcy, = 0.23 MF X CF X M EG R^ X J
MF + MAF, cyl MAF kgh
Où :
MF est la masse totale de carburant injectée (et/ou) brûlée (qui peut être par exemple soit une estimation faite à partir de la masse totale requise par le contrôle moteur ou une mesure utilisant une autre information (sonde lambda/oxygène ou capteur de pression cylindre)),
MAFcyi est la masse de gaz pour le cylindre considéré,
CF est le ratio stcechiométrique air/carburant pour le carburant choisi, MEGRkgh est le débit gazeux dans le système de recirculation de gaz d'échappement,
MAFkgh est le débit d'air frais mesuré en entrée du moteur (par les moyens permettant de mesurer le débit d'air frais introduit dans le moteur), et ncyi est le nombre de cylindres du moteur. Il est également proposé par la présente invention que le procédé selon l'invention comporte une étape de détermination de la fraction massique d'oxygène dans un cylindre à chaque position angulaire dans le cycle de combustion :
Figure imgf000007_0001
En appliquant cette formule à la fin du cycle de combustion la fraction massique d'oxygène dans les gaz brûlés est donnée à l'aide de la formule suivante :
Figure imgf000007_0002
Où :
Y02INcyi est la fraction massique d'oxygène dans le cylindre considéré avant le début de la combustion,
MFcyi est la masse de carburant brûlée dans le cylindre à chaque position angulaire,
MAFCyi est la masse de gaz pour le cylindre considéré à chaque position angulaire,
MAF est la masse de gaz pour le cylindre considéré et pour le cycle considéré, et
C0F est le ratio stcechiométrique oxygène/carburant pour le carburant choisi.
La présente invention concerne enfin un dispositif pour la détermination d'un débit de recirculation de gaz d'échappement dans un débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre équipé d'un capteur de pression, ledit moteur comportant au moins un circuit de recirculation de gaz d'échappement ainsi que des moyens permettant de mesurer le débit d'air frais introduit dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mise en œuvre de chacune des étapes d'un procédé tel que décrit ci-dessus.
La présente invention concerne également un dispositif pour la gestion et le contrôle d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mise en œuvre de chacune des étapes d'un procédé tel que présenté ci-dessus.
Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lequel : - La figure 1 est une vue schématique partielle d'un moteur illustrant le système d'alimentation en air d'un cylindre,
- La figure 2 est une courbe illustrant une variation de pression dans un cylindre d'un moteur,
- La figure 3 illustre un procédé de détermination de divers débits gazeux dans le moteur illustré schématiquement sur la figure 1 ,
- La figure 4 est une autre illustration d'une détermination de la masse de gaz dans les cylindres d'un moteur,
- La figure 5 est une courbe schématique illustrant la teneur en oxygène dans un cylindre,
- La figure 6 est une vue schématique partielle d'un moteur illustrant l'alimentation et l'échappement dudit moteur,
- La figure 7 illustre un procédé de détermination du taux d'oxygène dans un cylindre d'un moteur, et
- La figure 8 illustre les variations de la capacité calorifique à volume constant d'un mélange gazeux alimentant un cylindre d'un moteur en fonction de la composition de ce mélange gazeux.
On reconnaît sur la figure 1 schématique un cylindre 2 à l'intérieur duquel se meut un piston relié par une tige de piston 4 à un vilebrequin 6 portant un volant moteur 8. La position angulaire du volant moteur 8 est utilisée comme paramètre pour la détermination de nombreuses commandes dans la gestion d'un moteur. Dans le cas d'un moteur à combustion interne dont le cycle de combustion est à quatre temps, la position des organes mécaniques du moteur est déterminée sur deux tours du volant moteur 8, c'est-à-dire sur 720°. On suppose dans la suite de la description, dans un souci de clarté et de manière nullement limitative, que le moteur considéré est un moteur quatre temps de type Diesel (c'est-à-dire à allumage par compression) comportant quatre cylindres.
Un manifold 10 est prévu comme entrée d'air frais du moteur considéré. En aval de ce manifold 10 se trouve un régulateur 12 permettant d'adapter le débit d'air frais alimentant le moteur.
Le moteur considéré ici est muni également d'un système de recirculation de gaz d'échappement, appelé communément système EGR (acronyme anglais de Exhaust Gas Recirculation). Une conduite de recirculation 14 débouche ainsi dans un collecteur d'admission 16 en aval du régulateur 12 et juste en amont de l'entrée du cylindre 2 commandée par au moins une soupape d'admission 18. De manière classique, une vanne de régulation 20 agit sur le débit de gaz d'échappement dans la conduite de recirculation 14.
On appellera par la suite : MAF une masse d'air frais,
MAF_KGH un débit d'air frais dans le manifold 10 (en kg/h par exemple),
MAF_CYL une masse gazeuse dans le cylindre considéré,
MAF_CYL_KGH un débit gazeux total aspiré dans les cylindres (en kg/h par exemple),
MEGR_CYL une masse gazeuse en provenance de la conduite de recirculation 14 dans le cylindre considéré,
MEGR_KGH un débit gazeux dans la conduite de recirculation 14.
On suppose ici que chaque cylindre 2 du moteur est équipé d'un capteur de pression 22 (figure 3) qui fournit un signal Pcyl(crk) correspondant à la pression mesurée pour une position angulaire crk du moteur. Une originalité du procédé proposé ici est de permettre de déterminer à partir de l'information donnée par ce capteur, des informations fiables sur la quantité d'air recyclé dans le cylindre considéré.
Le signal Pcyl(crk) est filtré par un filtre 24 afin d'obtenir une valeur Pcyl exploitable dans un calculateur. Ce signal Pcyl(crk) est également transmis à un dispositif de traitement destiné à fournir à partir de l'information reçue (le signal du capteur de pression) une information sur la température régnant dans le cylindre considéré. Ce dispositif est dénommé module température 26 dans la suite de la description.
Le module température 26 détermine la température régnant dans le cylindre considéré de la manière suivante. Pour une quantité de gaz donné, le quotient P V / T est constant, P représentant la pression du gaz, V son volume et T sa température. En prenant comme référence le volume de gaz (air) que l'on introduit dans la chambre de combustion on a alors l'équation suivante :
Pin Vin / Tin = Pcyl(crk) V(crk) / Tcyl(crk)
Où :
Pin est la pression de l'air à l'entrée de la chambre de combustion mesurée par exemple à la fermeture de la soupape d'admission 18, c'est-à-dire pour crk = IVC,
Vin correspond au volume de la chambre de combustion lors de la mesure de la pression Pin,
Tin correspond à la température de l'air qui pénètre dans la chambre de combustion lors de la mesure de la pression Pin.
On obtient donc :
Tcyl(crk) = Pcyl(crk) V(crk) Tin / Pin Vir Cette relation permet donc de connaître pour chaque mesure de pression dans le cylindre la température correspondant puisque la variation du volume par rapport à la position du vilebrequin est connue.
La donnée en sortie du module température, Tcyl(crk) est elle aussi introduite dans le filtre 26 qui fournit alors en sortie une valeur Tcyl.
À partir de ces données, il est proposé de calculer la masse MAF_CYL de gaz présente dans le cylindre 2 considéré. En partant de la conservation du quotient P V / T à volume constant et en dérivant l'expression, on obtient la formule suivante : m Cv dT / dt = - P dV / dt m étant une masse de gaz, cv étant une capacité calorifique à volume constant, T une température, P une pression, V un volume et t une variable temps.
Cette formule est alors appliquée ici. La masse correspond à la masse de gaz dans le cylindre 2, c'est-à-dire MAF_CYL. La capacité calorifique à volume constant du mélange gazeux sera appelée par la suite CV. La température est la température dans le cylindre, soit Tcyl. La pression est la pression mesurée par le capteur de pression 22 et le volume est le volume du cylindre (qui dépend de la position angulaire du moteur). La variation de temps, à vitesse de rotation constante est proportionnelle à la variation de position angulaire du moteur. On obtient donc dans l'application présente l'équation suivante :
MAF_CYL CV dTcyl / d(crk) = - Pcyl dV / d(crk) II est clair que cette équation vaut pour une quantité de gaz donnée. On suppose ici que la chambre de combustion est fermée, qu'aucun carburant n'est injecté et qu'aucune combustion n'a lieu.
La partie droite de cette équation correspond au travail dans le cylindre sans prendre toutefois en compte les pertes thermiques qui ont lieu. Pour tenir compte de ces pertes un coefficient a est introduit. On obtient alors l'équation :
MAF_CYL CV dTcyl / d(crk) = - Pcyl dV / d(crk) (1 - a)
On en déduit : dV a - 1 f dTcyl
MAF CYL Pcyl x
d(crk) CV d(crk) Où :
a est un coefficient qui dépend de la vitesse de rotation N du moteur ainsi que de la température TCo de celui-ci.
Les pertes thermiques sont ainsi modélisées sous une forme proportionnelle au travail fourni dans la phase de compression.
On a représenté schématiquement sur la figure 3 un logiciel 28, intégré par exemple dans un microprocesseur, qui reçoit une information sur la vitesse de rotation N du moteur et sur la température TCo de celui-ci. Des capteurs destinés à fournir ces informations sont présents dans tous les moteurs modernes car ces informations sont indispensables pour assurer une bonne gestion du moteur. À partir de ces informations, le logiciel 28 calcule le coefficient de correction a. Une calibration est prévue pour obtenir les valeurs nécessaires au calcul du coefficient de correction a.
On obtient ainsi une mesure de la masse de gaz contenu dans le cylindre 2 à partir d'une mesure de pression dans le cylindre considéré.
La figure 8 illustre sur une grande plage de températures les variations du coefficient CV, d'une part, en fonction de la température et, d'autre part, en fonction de la composition du mélange gazeux contenu dans le cylindre 2. Les différentes courbes de la figure 8 correspondent à des taux plus ou moins élevés de gaz d'échappement. La flèche avec la mention EGR indique le sens croissant de proportion de gaz d'échappement dans le mélange gazeux.
On remarque sur la figure 8 une zone, indiquée par un rectangle, dans laquelle toutes les courbes sont presque confondues, ce qui signifie que le coefficient CV (c'est-à-dire la capacité calorifique du mélange gazeux à volume constant) est indépendant de la proportion de gaz d'échappement dans le mélange gazeux se trouvant dans le cylindre 2.
Il est proposé ici de mettre à profit cette caractéristique et de faire des mesures dans la plage de températures correspondant à la zone illustrée sur la figure 8. Dans un moteur de type Diesel, cette zone est située entre environ - 70° à - 30° avant l'arrivée du piston au point mort haut correspondant à l'injection de carburant dans le cylindre 2.
Pour obtenir une meilleure précision, on propose de faire plusieurs mesures de pression dans la plage donnée puis de faire la moyenne des valeurs trouvées pour calculer une masse du mélange gazeux se trouvant dans le cylindre 2 avant le début de l'injection de carburant dans celui-ci.
La figure 2 illustre une courbe de pression en fonction de la position angulaire du moteur. On suppose ici que le point mort haut correspondant à l'injection est réalisé à 360°. La plage ou fenêtre 30 de mesure sera alors réalisée entre les positions angulaires CRK_BEG et CRK_END du volant moteur 8. Dans ce cas on peut avoir par exemple :
CRK_BEG = 300° et
CRK_END = 320°.
Sur cette plage ou fenêtre angulaire, il est proposé de faire à intervalles réguliers une mesure de pression. À partir de chaque mesure, on détermine une valeur MAF_CYL comme expliqué plus haut. On obtient alors pour chaque mesure correspondant au cylindre i, une valeur MAF_CYL_i(crk).
Pour déterminer la masse du mélange gazeux dans le cylindre i, on fait la moyenne arithmétique de toutes les valeurs MAF_CYL_i(crk) que l'on appelle alors MAF_CYL_MOY_i, soit :
CRK_END
MAF_CYL_MOY_i = ( ∑ MAF_CYL_i(crk) ) / k
CRK BEG avec k correspondant au nombre de mesures effectuées sur l'intervalle
[CRK_BEG ; CRK_END].
À titre d'exemple numérique simplement illustratif, on peut par exemple faire une mesure de pression (et les calculs correspondants) tous les 2°. On obtiendra alors onze valeurs (si les mesures sont faites entre 300° et 320°) que l'on additionnera et le résultat obtenu de l'addition est divisé par onze.
La figure 4 illustre l'obtention de la masse globale de mélange gazeux entrant dans tous les cylindres du moteur sur un cycle complet de 720°. Dans l'exemple choisi où le moteur comporte quatre cylindres, on obtient quatre valeurs MAF_CYL_MOY_i. En additionnant ces valeurs et en multipliant cette somme par un coefficient approprié de 30.10"6 N (N étant la vitesse de rotation du moteur), on obtient un débit en kg/h correspondant au débit de mélange gazeux passant dans le moteur. Ce débit est appelé MAF_CYL_KGH.
Dans le manifold 10, il est prévu de manière classique de disposer un capteur de débit 32 (figure 3) qui permet de connaître le débit d'air frais entrant dans le moteur. Ce débit est nommé MAF_KGH (cf. aussi figure 6). Connaissant, d'une part, le débit du mélange gazeux passant dans les cylindres et, d'autre part, le débit d'air frais entrant dans le moteur, le débit des gaz d'échappement passant par la conduite de recirculation 14 s'en déduit comme étant la différence entre le débit du mélange gazeux passant dans les cylindres et le débit d'air frais, soit :
MEGR KG H = MAF CYL KG H - MAF KG H Comme illustré sur la figure 3, pour ne pas avoir un débit négatif qui pourrait provenir d'arrondis de calcul par exemple, le calculateur fait la différence entre M AF_C YL_KG H et MAF_KGH et prend la valeur 0 si cette différence est négative.
À partir de ces résultats, il est proposé de calculer également la teneur en oxygène dans les cylindres 2 avant et après la combustion de carburant.
La figure 5 illustre une courbe montrant l'évolution de la fraction massique d'oxygène dans un mélange gazeux au cours d'une combustion. Cette teneur passe d'une valeur Y02_PCYL_IM pour une position crk = IVC du moteur avant la combustion dans le cylindre considéré à une valeur Y02_PCYL_EXH pour une position crk = EVO du moteur après la combustion. La position IVC correspond de préférence à la fermeture de la soupape d'admission tandis que la position EVO correspond de préférence à la position d'ouverture de la soupape d'échappement.
La figure 6 est une variante la figure 1 qui, d'une part, montre un circuit de recirculation basse pression avec une vanne de régulation 20' en plus du circuit de recirculation haute pression montré déjà sur la figure 1 et, d'autre part, illustre en outre un collecteur d'échappement 34. Sur cette figure, on a représenté en outre un compresseur
35 et une turbine 37 et on a également reporté les divers débits de mélanges gazeux qui ont été calculés en référence notamment à la figure 3 ainsi que les teneurs en oxygène dans le collecteur d'admission 16, dans le cylindre 2 et dans le collecteur d'échappement 34.
La figure 7 illustre les étapes mises en œuvre pour calculer les teneurs en oxygène avant et après une combustion dans le cylindre 2. Sur cette figure, la référence
36 désigne un module de calcul pour la mise en œuvre du procédé illustré sur la figure 3. Ce module de calcul 36 fournit notamment 36 la grandeur M AF_CYL_KG H , et la grandeur
MAF_CYL_MOY_i pour chaque cylindre du moteur.
Un module injection 38 fournit quant à lui une information sur la quantité de carburant injectée MF tandis que le capteur de débit 32, de même que sur la figure 3, donne la valeur MAF_KGH correspondant au débit massique d'air frais entrant dans le moteur.
À partir de ces données, il est alors possible de déterminer la fraction massique d'oxygène dans un cylindre i donné avant le début de la combustion dans ce cylindre. Si on appelle Y02_PCYL_IM_i cette teneur en oxygène, on a l'équation suivante :
Y02 PCYL IM i = 0,23 - MF , . .. . . . x MEGR-KGH x . CF
MF + MAF_CYL_MO Y_i MAF KG H N CYL CF est le ratio stœchiométrique air/carburant pour le carburant choisi et les autres variables ont déjà été définies précédemment. Il y a lieu de préciser que le nombre de cylindres peut être désigné indifféremment par ncyi comme indiqué plus haut ou N_CYL comme ci-dessus.
Il est également possible de déterminer la fraction massique d'oxygène dans un cylindre i donné pendant la combustion du carburant dans ce cylindre. Le module injection 38 (représenté une deuxième fois sur la figure 7 pour limiter la complexité des lignes de rattachement) fournit ici aussi la quantité de carburant injectée dans chacun des cylindres i. Soit MFBj la quantité de carburant injectée dans le cylindre i. Tout le carburant n'étant pas injecté en une seule fois, cette quantité varie avec la position angulaire du moteur. Pour une position crk du moteur, la quantité de carburant injectée sera MFB(crk)_i.
Soit alors Y02_PCYL_i la fraction massique d'oxygène dans le cylindre i après le début de la combustion et Y02_PCYL(crk)_i cette fraction à la position angulaire crk du moteur. On a alors l'équation suivante :
MFB(crk)_
Y02_PCYL(crk)_i = Y02_PCYL_IM. x COF
MFB(crk)_i+ M AF_C YL_M OY_i
Où COF (ou COF comme défini plus haut) est le ratio stœchiométrique oxygène/carburant pour le carburant choisi, et les autres variables ont déjà été définies précédemment.
En fin de combustion, lorsque crk = EVO (figure 5), on a : r MFB_i χ 00ρ Λ
Y02 PCYL E XH i = Y02 PCYL IM i
MFB_i + MAF_CYL_ O Y_i X ,
Avec Y02_PCYL_EXH_i la fraction massique d'oxygène du mélange gazeux rejeté par le cylindre i dans le collecteur d'échappement 34.
Comme il ressort de toute la description qui précède, il devient possible en connaissant la pression qui règne dans les cylindres de connaître également, d'une part, la quantité de gaz d'échappement contenue dans un cylindre et, d'autre part, de connaître la teneur en oxygène dans le moteur.
La présente invention permet ainsi de mieux connaître les débits d'air dans les cylindres du moteur, ainsi que les débits au niveau d'un système de recirculation de gaz d'échappement. L'information sur le débit de recirculation de gaz d'échappement est obtenue indépendamment de la connaissance de la position d'ouverture de la vanne EGR. La concentration du mélange gazeux au niveau du collecteur d'admission et au niveau du collecteur d'échappement est également obtenue indépendamment d'informations sur l'ouverture de(s) la vanne(s) EGR.
De ce fait, il est possible de mieux contrôler la recirculation des gaz d'échappement, qu'il s'agisse d'une recirculation basse pression et/ou haute pression. Ce meilleur contrôle est favorable aussi pour mieux maîtriser la consommation du moteur.
La connaissance de la teneur en oxygène est quant à elle très utile pour mieux maîtriser les émissions polluantes du moteur, notamment l'émission de NOx.
Dans la description qui précède, on a supposé que chaque cylindre du moteur considéré était équipé d'un capteur de pression mesurant la pression au sein de la chambre de combustion correspondante. Toutefois, il apparaitra à l'homme du métier que si seul un cylindre est équipé d'un tel capteur, la présente invention pourra également être mise en œuvre en extrapolant les mesures réalisées dans une chambre de combustion pour les autres cylindres.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif et aux variantes évoquées. Elle concerne également toutes les formes de réalisation et leurs variantes à la portée de l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination d'un débit de recirculation de gaz d'échappement dans un débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre (2) équipé d'un capteur de pression (22), ledit moteur comportant au moins un circuit de recirculation de gaz d'échappement ainsi que des moyens (32) permettant de mesurer le débit d'air frais introduit dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
• mesure de la pression régnant dans chaque cylindre pendant une phase de compression alors qu'aucune quantité de gaz ne peut entrer ou sortir dudit cylindre, d'une part, et avant que du carburant ne soit injecté dans ledit cylindre, d'autre part,
• détermination de la masse de gaz présente dans chaque cylindre considéré à partir du quotient, d'une part, du produit de la pression dans le cylindre par la variation de volume dans le cylindre et par un terme correctif et, d'autre part, du produit de la variation de la température dans le cylindre et de la capacité calorifique à volume constant du mélange gazeux, conformément à la formule suivante :
dV a - 1 j dTcyl
MAF CYL Pcyl
d(crk) CV d(crk) Où :
MAF_CYL est la masse de gaz dans le cylindre considéré,
Pcyl est la pression mesurée dans le cylindre,
dV/d(crk) est la variation de volume dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk),
dTcyl/d(crk) est la variation de température dans le cylindre pour une variation angulaire du vilebrequin égale à d(crk),
CV est la capacité calorifique à volume constant de la masse de gaz, a - 1 est ledit terme correctif représentant une prise en compte des pertes thermiques,
• détermination de la masse de gaz présente dans tous les cylindres du moteur sur un cycle complet de combustion,
· détermination de la masse de gaz correspondant à du gaz d'échappement recyclé comme étant la différence entre la masse de gaz présente dans les cylindres et déterminée à l'étape précédente, d'une part, et la masse d'air frais mesurée correspondant au même cycle complet de combustion, d'autre part.
2. Procédé de détermination selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la mesure de pression est effectuée durant une phase de compression du mélange gazeux, dans une plage de rotation angulaire du moteur entre 70° et 30°, de préférence entre 60° et 40°, avant le point mort haut correspondant à la fin de la phase de compression.
3. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la détermination de la masse de gaz dans un cylindre est effectuée en réalisant plusieurs mesures de pression à des positions angulaires différentes du moteur et en effectuant la moyenne arithmétique des résultats correspondant aux mesures effectuées.
4. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le terme correctif utilisé pour le calcul de la masse de gaz dans un cylindre est une fonction de la vitesse de rotation du moteur et de sa température.
5. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de détermination de la teneur en oxygène d'un mélange gazeux dans le moteur.
6. Procédé de détermination selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la fraction massique en oxygène dans un cylindre avant le début de la combustion, et en ce que cette teneur est obtenue à l'aide de la formule suivante :
MF ; : C : : MEGR k9h : ; 1
YO2INcyi = 0,23
MF + MAFcy| X p X MAFkgh c j
Où :
MF est la masse totale de carburant brûlée,
MAFCyi est la masse de gaz pour le cylindre considéré,
CF est le ratio stœchiométrique air/carburant pour le carburant choisi,
MEGRkgh est le débit gazeux dans le système de recirculation de gaz d'échappement,
MAFkgh est le débit d'air frais mesuré en entrée du moteur, et
ncyi est le nombre de cylindres du moteur.
7. Procédé de détermination selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la fraction massique d'oxygène dans un cylindre en fin du cycle de combustion, et en ce que la fraction massique d'oxygène dans les gaz brûlés est obtenue à l'aide de la formule suivante : MF
Υ02ΕΧΓΛ, = Y02 cyl C OF
MF + MAF
Où
est la fraction massique d'oxygène dans le cylindre considéré avant le début de la combustion,
MF est la masse totale de carburant injectée dans le cylindre,
MAF est la masse totale de gaz pour le cylindre considéré, et
C0F est le ratio stœchiométrique oxygène/carburant pour le carburant choisi.
8. Dispositif pour la détermination d'un débit de recirculation de gaz d'échappement dans un débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre (2) équipé d'un capteur de pression (22), ledit moteur comportant au moins un circuit de recirculation de gaz d'échappement ainsi que des moyens (32) permettant de mesurer le débit d'air frais introduit dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mise en oeuvre de chacune des étapes d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7.
PCT/EP2013/003826 2012-12-18 2013-12-18 Procédé de détermination du débit d'air recycle et de la quantité d'oxygène disponible a l'entrée d'un cylindre d'un moteur a combustion interne Ceased WO2014095052A1 (fr)

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