FR2923544A1 - Moteur a combustion interne du type diesel suralimente et procede de commande du debit d'air et du taux de gaz d'echappement recycle dans un tel moteur - Google Patents

Moteur a combustion interne du type diesel suralimente et procede de commande du debit d'air et du taux de gaz d'echappement recycle dans un tel moteur Download PDF

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Abstract

Le moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté comprend : un filtre à particules (15) et un volet d'échappement commandé (19), montés dans la conduite d'échappement ; une boucle (17) de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression incluant une vanne de recirculation commandée (18) , ladite boucle reliant la conduite d'échappement, en aval du filtre à particules (15) avec la conduite d'arrivée d'air, en amont du compresseur de suralimentation (6) ; un volet d'admission commandé (22), monté dans la conduite d'admission du mélange des gaz dans le moteur, en amont du collecteur d'admission (3); et une unité électronique de commande (24) capable de recevoir des valeurs de paramètres de fonctionnement du moteur et de commander différents organes du moteur ; caractérisé par le fait que l'unité électronique de commande comprend des moyens pour calculer des valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation, du volet d'échappement et du volet d'admission à partir de valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur et du taux des gaz d'échappement recyclés dans le moteur.

Description

DEMANDE DE BREVET B07/0674FR AxC/cal
Société Anonyme dite : RENAULT s.a.s. Moteur à combustion interne du type diesel suralimenté et procédé de commande du débit d'air et du taux du gaz d'échappement recyclé dans un tel moteur Invention de : BUIS Emmanuel GUINOIS Arnaud Moteur à combustion interne du type diesel suralimenté et procédé de commande du débit d'air et du taux de gaz d'échappement recyclé dans un tel moteur La présente invention concerne les moteurs à combustion interne du type diesel suralimenté utilisé dans les véhicules automobiles et comprenant un filtre à particules monté dans la conduite d'échappement et une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression. D'une manière plus générale, l'invention concerne le contrôle du moteur, c'est-à-dire la gestion de l'ensemble des capteurs et actionneurs permettant d'optimiser le fonctionnement du moteur. L'ensemble des lois de contrôle de commande, qui se présente généralement sous la forme de stratégies logicielles et des paramètres de caractérisation représentant la calibration du moteur, sont mémorisés dans un calculateur généralement appelé unité de contrôle électronique (UCE). Les normes limitant la quantité de polluants produits à l'échappement du véhicule et, en particulier, les différents oxydes d'azote (NO, NO2, N2O, notés de manière générique, NOx) et les particules de suie, sont de plus en plus sévères. Pour respecter ces normes sur les nouveaux véhicules il est nécessaire de faire évoluer la conception de ces derniers et plus particulièrement celle des moteurs. Dans ce but on peut prévoir d'intégrer au moteur une boucle de recirculation reliant le collecteur d'échappement au plenum du collecteur d'admission. Par l'intermédiaire de cette boucle, une partie des gaz d'échappement (dits EGR pour Exhaust Gas Recirculation) est réintroduite à l'admission. Il en résulte que le mélange de gaz admis dans le moteur est composé d'air frais issu du compresseur de suralimentation et de gaz d'échappement issus du collecteur d'échappement. On peut insérer une vanne de recirculation (dite vanne EGR) dans cette boucle afin de réguler la quantité de gaz d'échappement recyclés à l'admission du moteur. Les gaz d'échappement recyclés étant inertes vis-à-vis de la combustion, cette recirculation partielle a pour effet de diminuer la température maximale de combustion et de réduire l'excès d'oxygène par rapport à un moteur diesel du même type dépourvu d'une telle boucle de recirculation. La formation des oxydes d'azote lors de la combustion est favorisée par une température et un taux d'oxygène élevé. La formation des particules de suie imbrûlées est, quant à elle, favorisée par un taux d'oxygène faible. La recirculation partielle de gaz d'échappement a donc comme conséquence directe de diminuer la quantité des oxydes d'azote et d'augmenter la quantité des particules de suie formées lors de la combustion. Pour palier à cette augmentation de particules de suie imbrûlées, on peut installer, entre la turbine du turbocompresseur et le silencieux d'échappement, un dispositif permettant de piéger les particules, appelé filtre à particules, qui peut, par exemple, comprendre un ensemble de micro-canaux traversé par les gaz d'échappement chargés de particules. Une fois le filtre saturé en particules de suie, il est nécessaire de le vider en brûlant les particules par une élévation convenable de la température. Cette phase est appelée phase de régénération. La régénération peut être obtenue soit par un dispositif intégré au filtre, soit au moyen de réglages spécifiques du moteur qui ont pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement traversant le filtre à particules pendant la phase de régénération.
La recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur mentionnée ci-dessus, ne permet pas néanmoins de réduire la quantité de polluants produit à l'échappement d'une manière suffisante pour répondre aux normes futures. Afin d'améliorer le traitement des gaz rejetés dans l'atmosphère, on a donc imaginé de refroidir le mélange des gaz admis dans le moteur au moyen d'un échangeur air/eau placé dans la boucle de recirculation des gaz d'échappement. La diminution de la température des gaz admis dans le moteur permet d'introduire une masse plus importante de gaz d'échappement recyclés étant donné que le remplissage du moteur augmente avec la diminution de la température du mélange admis. I1 en résulte que la quantité d'oxydes d'azote émise diminue, à la fois en raison de la diminution de la température et en raison de l'augmentation de la quantité de gaz d'échappement recyclés.
Une autre possibilité consiste à prévoir sur le moteur une boucle de recirculation des gaz d'échappement à basse pression. Dans ce cas, les gaz d'échappement recyclés à l'admission sont prélevés entre le filtre à particules et le silencieux monté dans la ligne d'échappement. Ces gaz d'échappement sont ensuite réintroduits en amont du compresseur de suralimentation afin que le mélange d'air et de gaz d'échappement recyclés traverse le refroidisseur d'air de suralimentation qui se présente sous la forme d'un échangeur de chaleur monté entre le compresseur et le collecteur d'admission. Etant donné que l'efficacité du refroidisseur d'air de suralimentation est importante et que les gaz d'échappement en aval du filtre à particules ont des températures beaucoup plus faibles qu'en sortie du moteur, un tel système permet d'obtenir des températures du mélange gazeux admis dans le moteur encore plus faibles que dans le cas d'une boucle de recirculation classique comportant un refroidisseur. De ce fait, il est possible de réduire encore la quantité d'oxydes d'azote produite à l'échappement grâce à l'abaissement de la température et à l'augmentation de la quantité des gaz d'échappement recyclés. De plus, les gaz d'échappement réintroduits dans le moteur contiennent très peu de particules de suie puisqu'ils ont traversé le filtre à particules avant d'être réintroduits dans le moteur, contrairement à ce qui était le cas avec une boucle de recirculation de type classique dans laquelle les gaz d'échappement recyclés ne sont pas filtrés et entraînent un encrassement de la boucle de recirculation, du collecteur d'admission et du moteur.
La diminution de la quantité d'oxydes d'azote produits entraîne cependant, comme il a été dit précédemment, une augmentation de la quantité de particules de suie imbrûlées dans les gaz d'échappement. Ces particules de suie saturent le filtre à particules plus rapidement. I1 est donc nécessaire, pour un point de fonctionnement donné, de déterminer un compromis entre la quantité d'oxydes d'azote et la quantité de particules de suie en agissant convenablement sur le taux des gaz d'échappement ainsi que sur le mélange admis dans le moteur. La demande de brevet US 2004/0006978 décrit un moteur à combustion interne de type diesel suralimenté équipé d'une boucle de recirculation des gaz d'échappement à basse pression. Le piquage de la boucle de recirculation est situé entre le filtre à particules et le silencieux monté dans la ligne d'échappement. Le retour se fait entre le filtre à air et le compresseur. La boucle de recirculation des gaz d'échappement comprend une vanne commandée qui permet de réguler le taux des gaz d'échappement recyclés (EGR). Les gaz d'échappement recyclés sont introduits dans une dépression créée par un venturi monté dans la conduite d'admission en amont du compresseur de suralimentation. I1 en résulte que la différence de pression que peut détecter la vanne de recirculation est liée au point de fonctionnement du moteur. En effet, par exemple, pour un point de fonctionnement à faible régime, la dépression créée par le venturi est très faible. Par conséquent, le débit maximal des gaz d'échappement recyclés pour ce point de fonctionnement reste limité et lié à la différence de pression entre l'amont et l'aval du venturi. La demande de brevet US 2005/0045407 au même titre que le brevet US 5 806 308 proposent de supprimer le venturi et de le remplacer par un volet à l'échappement. I1 devient ainsi possible de créer une différence de pression aux bornes de la vanne de recirculation, indépendante du point de fonctionnement du moteur. La demande de brevet français FR-A-2 894 623 (Renault) est relative à un procédé de contrôle du débit d'air sur un moteur suralimenté à injection directe qui prévoit une gestion de la fonction d'une vanne de recirculation EGR et d'un volet à l'échappement.
Dans tous ces moteurs, il est nécessaire de prévoir un filtre à particules dans la ligne d'échappement afin de capturer les suies qui risqueraient d'encrasser la ligne d'admission et les organes qui s'y trouvent montés tels que le compresseur et le refroidisseur d'air de suralimentation. Le filtre à particules est également nécessaire pour réduire le plus possible la quantité de particules de suies dans les gaz d'échappement rejetés dans l'atmosphère. Comme il a été indiqué plus haut, il est nécessaire de procéder périodiquement à la régénération du filtre à particules, par exemple en augmentant la température des gaz d'échappement pendant les phases de régénération. On constate néanmoins, pendant ces phases de régénération, une augmentation de la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère.
La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés et d'améliorer les stratégies de régulation du débit d'air admis dans le moteur et du taux de recirculation des gaz d'échappement recyclés dans le cas d'un moteur diesel suralimenté équipé d'une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression.
Dans un mode de réalisation, un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté comprend : un filtre à particules et un volet d'échappement commandé, montés dans la conduite d'échappement ; une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression incluant une vanne de recirculation commandée, ladite boucle reliant la conduite d'échappement, en aval du filtre à particules avec la conduite d'arrivée d'air, en amont du compresseur de suralimentation ; un volet d'admission commandé, monté dans la conduite d'admission du mélange des gaz dans le moteur, en amont du collecteur d'admission ; et une unité électronique de commande capable de recevoir des valeurs de paramètres de fonctionnement du moteur et de commander différents organes du moteur. L'unité électronique de commande comprend des moyens pour calculer des valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation, du volet d'échappement et du volet d'admission à partir de valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur et du taux de gaz d'échappement recyclés dans le moteur. L'unité électronique de commande peut comprendre un premier régulateur pour la détermination des valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation et du volet d'échappement et un deuxième régulateur, associé à un dispositif de prépositionnement, pour la détermination de la valeur de consigne de position du volet d'admission. Dans un mode de réalisation préféré, l'unité électronique de commande comprend des premiers moyens de calcul capables d'estimer une valeur de consigne de la pression au niveau du volet d'admission et une valeur de consigne du débit des gaz traversant le volet d'admission ainsi que des deuxièmes moyens de calcul capables d'estimer le débit effectif des gaz traversant le volet d'admission.
Les premiers moyens de calcul peuvent recevoir en entrée les valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur et du taux de gaz d'échappement recyclés dans le moteur afin de calculer la valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur à partir d'équations mémorisées correspondant à un modèle inversé du collecteur d'admission. Les premiers moyens de calcul peuvent également calculer la valeur de consigne de la pression dans le collecteur d'admission du moteur, au niveau du volet d'admission. Les deuxièmes moyens de calcul sont capables quant à eux de déterminer la valeur du débit des gaz traversant le volet d'admission à partir d'équations mémorisées correspondant à un modèle du débit des gaz admis dans le moteur. Le deuxième régulateur et le dispositif de prépositionnement peuvent recevoir sur leur entrée respective, une valeur de la section de passage efficace du volet d'admission, estimée à partir du débit des gaz traversant le volet d'admission et une valeur de consigne de la section de passage efficace du volet d'admission, estimée à partir des valeurs de consigne de la pression dans le collecteur d'admission au niveau du volet d'admission et du débit des gaz traversant le volet d'admission. Le premier régulateur peut, de préférence, recevoir en entrée, une valeur de consigne d'un paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur et une valeur mesurée dudit paramètre, de façon à déterminer les valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation et du volet d'échappement, en vue d'une régulation dudit paramètre. Ce paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur peut être le débit des gaz d'échappement recyclés, le taux de gaz d'échappement recyclés ou encore, le débit d'air admis dans le moteur. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de commande du débit d'air et du taux de gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté. Le moteur comprend : un filtre à particules et un volet d'échappement commandé, montés dans la conduite d'échappement ; une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression incluant une vanne de recirculation commandée, ladite boucle reliant la conduite d'échappement, en aval du filtre à particules avec la conduite d'arrivée d'air, en amont du compresseur de suralimentation ; un volet d'admission commandé, monté dans la conduite d'admission du mélange des gaz dans le moteur, en amont du collecteur d'admission. Selon le procédé de commande, on régule un paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur en agissant sur la vanne de recirculation et sur le volet d'échappement. On régule en outre le débit d'air admis dans le moteur en agissant sur le volet d'admission. Le paramètre précité peut être le débit des gaz d'échappement recyclés, le taux des gaz d'échappement recyclés ou le débit d'air admis dans le moteur. Généralement, l'écart entre la consigne et la mesure du débit des gaz d'échappement recyclés est amené à l'entrée de la régulation du débit d'air, qui émet un signal de consigne de position. Plusieurs cas sont alors envisageables, selon la valeur de consigne du taux de gaz d'échappement recyclés. Normalement, la régulation du débit des gaz d'échappement recyclés est faite par la boucle de recirculation en agissant sur la vanne de recirculation et sur le volet d'échappement tandis que, simultanément, on agit sur le volet d'admission pour commander le remplissage du moteur.
Toutefois dans certains cas, on régule le débit d'air admis dans le moteur en agissant uniquement sur la vanne de recirculation et sur le volet d'échappement, le volet d'admission étant maintenu en position ouverte et on applique une saturation au calcul de la valeur de consigne du débit des gaz d'échappement recyclés. Dans d'autres cas, on régule le débit d'air admis dans le moteur en agissant uniquement sur le volet d'admission, le volet d'échappement étant maintenu en position ouverte et la vanne de recirculation étant maintenue en position fermée.
I1 est ainsi possible de commander le débit d'air admis dans le moteur et le taux des gaz d'échappement recyclés de manière à réduire au maximum les émissions d'oxydes d'azote NOx, même pendant les phases de régénération du filtre à particules. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un exemple de réalisation et de mise en oeuvre illustré par les dessins annexés sur lesquels : • la figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne de type diesel suralimenté selon la présente invention ; et • la figure 2 montre les principaux éléments de calculs et de régulation permettant la mise en oeuvre de la stratégie de régulation du débit d'air et du taux de gaz d'échappement recyclés selon l'invention. Tel qu'illustré sur la figure 1, le moteur à combustion interne de type diesel référencé 1 dans son ensemble, comporte quatre cylindres 2 recevant, par un collecteur d'admission 3, un mélange d'air et de gaz d'échappement recyclés et émettant des gaz d'échappement par un collecteur d'échappement 4. Le moteur 1 est associé à un turbocompresseur 5 comprenant un compresseur 6 et une turbine 7 montés sur un arbre commun 8. L'air frais symbolisé par la flèche 9 traverse tout d'abord un filtre à air 10, puis un débitmètre 11 avant d'être amené par la conduite 12 à l'entrée du compresseur 6. Les gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement 4 sont amenés par la conduite 13 à l'entrée de la turbine 7, dans laquelle ils se détendent, entraînant en rotation la turbine 7 qui, elle- même, entraîne le compresseur 6. La conduite d'échappement 14 est reliée à la sortie de la turbine 7. Ainsi les gaz d'échappement issus de la turbine 7 traversent tout d'abord un filtre à particules 15, puis un dispositif silencieux 16 avant d'être rejetés dans l'atmosphère. I1 est également possible de disposer dans la ligne d'échappement 14 d'autres dispositifs tels que des dispositifs catalyseurs. Une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement EGR à basse pression est constituée par une conduite de dérivation 17 qui est piquée dans la ligne d'échappement 14 en aval du filtre à particules 15 et qui ramène une partie des gaz d'échappement ayant traversés le filtre à particules 15 dans la conduite 12 en amont du compresseur 6. Une vanne de recirculation commandée 18 est montée dans la boucle de recirculation 17. De plus, un volet d'échappement 19, qui peut être commandé, est monté dans la ligne d'échappement 14, en aval du piquage de la boucle de recirculation 17. Le mélange de l'air frais issu du filtre à air 10 et des gaz d'échappement recyclés issus de la boucle de recirculation 17 est comprimé par le compresseur 6 et sort de celui-ci par la conduite 20 à haute température. Un échangeur de chaleur 21 constitue un refroidisseur de suralimentaiton capable d'abaisser la température de ce mélange comprimé. Un volet d'admission commandé 22 est monté dans la conduite d'admission 23 qui relie l'échangeur 21 au collecteur d'admission 3. Une unité électronique de commande (UCE) référencée 24 reçoit différents paramètres de fonctionnement du moteur et est capable d'agir sur différents actionneurs afin de commander le fonctionnement du moteur. On a représenté en particulier sur la figure 1 différents capteurs et actionneurs. Le débit d'air admis dans le moteur Qair est mesuré par le débitmètre 11 et amené par la connexion 25 à l'entrée de l'unité électronique de commande 24. Un capteur de pression 26 mesure la pression des gaz admis dans le moteur en amont du volet d'admission 22. La valeur mesurée de cette pression notée Pboost est amenée par la conduite 27 à l'entrée de l'unité électronique de commande 24. Un capteur de température 28 mesure la température du mélange gazeux en amont du volet d'admission 22. La valeur de la température mesurée notée Tboost est amenée par la connexion 29 à l'entrée de l'unité électronique de commande 24. Un capteur de pression 30 mesure la pression Peol dans le collecteur d'admission 3, c'est-à-dire en aval du volet d'admission 22. La valeur mesurée est amenée par la connexion 31 à l'entrée de l'unité électronique de commande 24. Dans l'exemple illustré, un capteur de température 30a mesure la température Teol dans le collecteur d'admission, la valeur mesurée étant amenée par la connexion 31a à l'entrée de l'unité électronique de commande 24. L'unité électronique de commande 24 est capable d'émettre des signaux afin de modifier la position de la vanne de recirculation EGR 18 par la connexion 32, du volet d'échappement 19 par la connexion 33 et du volet d'admission 22 par la connexion 34. On va maintenant décrire de manière plus précise un mode de réalisation des moyens de calculs et de régulation inclus dans l'unité électronique de commande 24 et permettant de définir les valeurs de consigne de position pour la vanne de recirculation EGR 18, le volet d'échappement 19 et le volet d'admission 22. On se reportera à cet effet à la figure 2, qui illustre une vue d'ensemble de la stratégie logicielle de régulation du débit d'air Qair et du taux de gaz d'échappement recyclés EGR noté 'tegr. L'objectif de la stratégie est de suivre un débit d'air et un taux de gaz d'échappement recyclés en agissant sur les trois actionneurs que constituent la vanne de recirculation EGR 18, le volet à l'échappement 19 et le volet d'admission 22. On notera, pour mémoire, que le taux des gaz d'échappement recyclés 'Legr représente la proportion des gaz d'échappement recyclés par rapport au débit total des gaz admis dans le moteur. On a donc : tiegr Qegr équation 1 egr + Vair et = tegr egr Qair = Qmot ù Qair équation 2 1ùtegr dans laquelle Qmot est le débit total des gaz admis dans le moteur et Qair est le débit d'air admis tel que mesuré par le débitmètre 11.
Dans la présente description, on utilisera les abréviations
suivantes :
Qmot_dyn : débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission 22,
Pboost : pression de suralimentation en amont du volet d'admission 22 tel que mesurée par le capteur 26,
Tboost : température de suralimentation en amont du volet d'admission 22 telle que mesurée par le capteur 28,
Pcol : pression dans le collecteur d'admission 3 en aval du volet d'admission telle que mesurée par le capteur 30,
Tcol : température dans le collecteur d'admission 3 en aval du volet d'admission telle que mesurée par le capteur 30a,
R : constante des gaz parfaits,
Seff : section efficace de passage du volet d'admission 22 (en m2), Kr : coefficient de remplissage,
rivol : rendement de remplissage,
Nmot : régime de rotation du moteur 1,
Vcyl : cylindrée du moteur 1
Vcol : volume du collecteur d'admission 3.
Le suffixe _cons est ajouté lorsqu'il s'agit d'une valeur de consigne.
Les valeurs de consigne de débit d'air Qair cons et de taux de gaz d'échappement recyclés ERG Tegrcons sont définis dans les blocs 35 et 35a et amenées à l'entrée de premiers moyens de calcul 36 inclus dans l'unité électronique de commande 24 (figure 1) et correspondant à un
modèle inversé du collecteur d'admission 3. Ces valeurs de consigne sont transformées par les premiers moyens de calcul 36 en une consigne de débit de gaz d'échappement recyclés Qegrcons qui apparaît sur la sortie 37, une valeur de consigne de la pression dans le collecteur d'admission 3, Pcol cons apparaissant sur la sortie 38 et une valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission 22, Qmot_dyn_cons apparaissant sur la sortie 39. Des deuxièmes moyens de calcul 40 comprennent un modèle dynamique du débit des gaz admis dans le moteur Qmot inclus dans l'unité électronique de commande 24 (figure 1). Les moyens de calcul 40 sont capables de déterminer une valeur estimée du débit effectif des gaz traversant le volet d'admission Qmotdyn à partir de paramètres d'entrée comprenant la pression Pcol dans le collecteur d'admission 3, la pression Pboost et la température Tboost en amont du volet d'admission 22, ces valeurs étant mesurées respectivement par les capteurs 26 et 28 (figure 1). Le modèle dynamique des deuxièmes moyens de calcul 40 reçoit également en entrée la valeur du coefficient de remplissage Kr. Ce coefficient de remplissage Kr est également amené à l'entrée des premiers moyens de calcul 36. La valeur estimée du débit moteur au niveau du volet d'admission 22 Qmotdyn apparaît à la sortie 41 des deuxièmes moyens de calcul 40. La valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur Qmot_dyn_cons ainsi que la valeur estimee Qmotdyn sont transformées dans les blocs de calculs 42 et 43 respectivement afin de prendre en compte les phénomènes physiques dans le circuit d'admission. Les blocs 42 et 43 comprennent un modèle inversé fondé sur la formule de Barré Saint Venant qui permet de déterminer, à la sortie 44 du bloc de calcul 42, une valeur de consigne pour la section efficace de passage du volet d'admission 22 notée Seff cons. De la même manière, à la sortie 45 du bloc de calcul 43 apparaît une valeur estimée de cette section efficace de passage Seff. Le bloc de calcul 42 reçoit sur ses entrées, outre la valeur de consigne de la pression dans le collecteur d'admission Pcol cons et la valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission Qmot_dyn_cons, la pression et la température de suralimentation Pboost et Tboost. Le bloc de calcul 43 reçoit, quant à lui sur ses entrées, outre la valeur estimée du débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission Qmotdyn, la valeur de la pression dans le collecteur d'admission Peol et la température et la pression de suralimentation Pboost et Tboost. La consigne de section efficace de passage Seff cons détermine une commande de pré-positionnement symbolisée par le bloc 46 qui est associé à un régulateur 47 qui est, dans l'exemple illustré, un régulateur proportionnel intégral avec un coefficient de proportionnalité Kp et un coefficient d'intégration K. Le régulateur 47 reçoit sur son entrée 48 le signal d'erreur déterminé par le comparateur 48a, qui fait la différence entre la valeur de consigne de la section efficace de passage Seff calculée par le bloc 42 et la valeur estimée issue du bloc 43. La sortie de l'additionneur 49 qui reçoit à la fois le signal de sortie du régulateur 47 et le signal de pré-positionnement issu du dispositif 46, fournit la valeur de consigne de position pour le volet d'admission 22.
La valeur de consigne du débit des gaz d'échappement recyclés Qegr cops apparaissant sur la sortie 37 du premier moyen de calcul 36 est comparée dans le comparateur 50 à une valeur estimée du débit des gaz d'échappement recyclés Qegr déterminée dans un bloc de calcul 51 qui comprend un modèle mémorisé et qui reçoit sur ses entrées, les valeurs du débit d'air Qair de la pression et de la température de suralimentation Pboost et Tboost et le coefficient de remplissage Kr. Le résultat de cette comparaison constitue le signal d'erreur amené à l'entrée d'un régulateur 52, qui est du type proportionnel intégral dans l'exemple illustré, avec une constante de proportionnalité Kp et une constante d'intégration K. Le régulateur traduit cet écart en une valeur de consigne de position qui apparaît sur la sortie 53 d'un additionneur 53a. Cette valeur de consigne est envoyée sur un séparateur de consigne 54 qui traduit la valeur de consigne issue du régulateur 52 en deux consignes distinctes, l'une pour la position de la vanne de recirculation 18 et l'autre pour le volet d'échappement 19. Le séparateur de consigne 54 comprend deux blocs de saturation référencés respectivement 55 et 56. Le premier bloc 55 reçoit la valeur de consigne issue du régulateur 52 ainsi qu'un seuil de saturation par la connexion 57. Le bloc de saturation 55 émet sur sa sortie 58, le signal de consigne de position pour la vanne de recirculation EGR 18. La valeur de consigne issue du régulateur 52 est, par ailleurs, amenée par la connexion 59 sur un additionneur 60 qui compare cette valeur au seuil de saturation provenant de la connexion 57. Le résultat de la comparaison est amené à l'entrée du deuxième bloc de saturation 56 qui émet sur sa sortie 61 un signal de consigne de position pour le volet d'échappement 19. Grâce à cette disposition, lorsque la consigne de position issue du régulateur 52 est inférieure à la position de la vanne de recirculation EGR 18 qui correspond au seuil de saturation, c'est la vanne de recirculation EGR 18 qui régule le débit d'air à partir de la valeur de consigne de position apparaissant sur la sortie 58. Au contraire, lorsque la consigne de position issue du régulateur 52 est supérieure à cette position de saturation, c'est le volet d'échappement 19 qui régule le débit d'air, la vanne de recirculation 18 restant figée sur sa position de saturation. La stratégie adoptée pour réguler le volet d'admission 22 consiste à prépositionner la consigne de position du volet d'admission 22 à partir d'une inversion d'un modèle du débit des gaz traversant le volet d'admission, modèle mémorisé dans le bloc 42, basé sur la formule de Barré Saint Venant (BSV) en utilisant des valeurs de consigne du débit moteur et de la pression dans le collecteur. De plus, le régulateur 47 se trouve linéarisé grâce à l'utilisation d'un modèle de Barré Saint Venant inversé mémorisé dans le bloc 43, appliqué cette fois à la valeur mesurée ou estimée du débit des gaz admis dans le moteur. La formule de Barré Saint Venant adaptée au volet d'admission 22 dans le cas illustré d'un moteur comportant un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement EGR à basse pression est la suivante : n _S P (P `Gmot_dyn ù boost BSV boost équation 3 eff VR.Tboost BSV La fonction BSV qui regroupe plusieurs termes de la formule de Barré Saint Venant dépend du rapport de pression entre l'aval et30 l'amont de l'organe considéré. Elle varie entre 0 et environ 0,7 en fonction de la valeur de ce rapport de pression. On va maintenant préciser les différentes formules utilisées dans les moyens de calcul 36 et 40 et correspondant aux modèles mémorisés dans les blocs 42 et 43. Modèle inversé du collecteur d'admission Pour déterminer la valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur, ramenée au niveau du volet d'admission Qmot_dyn_aons, on part des valeurs de consigne du débit d'air Qair cons provenant du bloc 35 et du taux de gaz d'échappement recyclés Tegrcons provenant du bloc 35a. On utilise alors les équations de définition du taux de gaz d'échappement recyclés, de conservation de la masse dans le collecteur d'admission et de remplissage du moteur. On obtient : équation 4 = Vcol dtegr_cons Qair cons Vcol 1 dQair cons + Qair cons dyn cons Kr dt (1ùtegrcons ) Kr (1ùtegrcons ) dt 1ùtegrcons avec Kr = 120
Pour déterminer la valeur de consigne de la section efficace de passage du volet d'admission 22, il est également nécessaire de connaître la valeur de consigne correspondante de la pression dans le collecteur d'admission. Cette valeur de consigne s'obtient à partir de l'équation de remplissage du moteur et en faisant l'hypothèse d'un gaz parfait : 'col cons R 1 )Qair consTboost Pboostéquation 5 ~Kr (1 ùtegrcons La valeur de consigne du débit des gaz d'échappement recyclés Qegr_cons est déterminée simplement à partir de la définition du taux de gaz d'échappement recyclés :
~egr_cons ~egr_cons = air cons équation 6 1 egrcons 'IvolNmotVcyi Modèle dynamique du débit des gaz admis dans le moteur Le débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission 22, que l'on appelle le "débit moteur dynamique" et qui est noté Qmot_dyn, peut être obtenu dans les moyens de calcul 40 à partir du remplissage du moteur et de l'équation de conservation de la masse dans le collecteur d'admission : i Qmot_dyn = VCO PCOl + Kr PCOl équation 7 R dt Tcoi ~ R Tcol Dans l'exemple illustré sur la figure 1, on a prévu de mesurer la température des gaz dans le collecteur d'admission Taol au moyen d'un capteur 30a. On peut également remplacer cette mesure par une estimation en supposant les gaz parfaits : Qmotdyn = VC` d 1 Pol + Kr 1 P,017 équation 8 R dt Tboost 7 R Tboost Pboost Pboost Y Modèle de Barré Saint Venant inversé L'utilisation de la formule de Barré Saint Venant permet de déterminer la valeur de consigne de la section efficace de passage à travers le volet d'admission 22 à partir de la valeur de consigne du débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission Qmot_dyn_cons et de la valeur de consigne de la pression dans le collecteur d'admission Pool cons calculée précédemment et obtenue dans le moyen de calcul 36. On a en effet : .jRTboost Pboost BSV Seffcons = Qmotdyncons équation 9 ( 1 col cons De la même manière, dans le bloc de calcul 43, on estime la à travers le volet d'admission 22 section efficace de passage courante au moyen de la formule : jRTboost Seff = Qmotdyn / P Pboost boost BSV Pcol équation 10 Régulateur 52 Le régulateur 52 est du type PI dans l'exemple illustré, comme indiqué précédemment. La régulation est calibrée en fonction des deux paramètres Kp et K; qui représentent respectivement le gain proportionnel et le gain intégral et qui permettent de calibrer le compromis dépassement/temps de réponse de la régulation. La dynamique de régulation du débit des gaz d'échappement recyclés avec la vanne de recirculation 18 étant différente de la dynamique de régulation avec le volet d'échappement 19, les gains Kp et K; ont, de préférence, deux jeux de valeurs. Un premier jeu de valeurs correspond au contrôle du débit des gaz d'échappement recyclés EGR par la vanne de recirculation 18. Un autre jeu correspond au contrôle du débit des gaz d'échappement recyclés par le volet d'échappement 19.
L'estimation du débit des gaz d'échappement recyclés Qegr est faite dans le bloc 51 à partir du débit d'air Qair mesuré par le débitmètre 11 et du remplissage du moteur par la formule : Qegr Q.,,ùQair = Kr 1 Pcotl ùQair équation 11 R 1 boost P boost y La coordination entre les deux régulateurs 52 et 47 entraîne plusieurs situations différentes selon les cas. Dans le cas nominal, la régulation du débit des gaz d'échappement recyclés se fait par le circuit basse pression au moyen de la combinaison de la vanne de recirculation 18 et du volet d'échappement 19, tandis que le remplissage du moteur est régulé par le volet d'admission 22.
Dans un autre cas, on régule uniquement le débit des gaz d'échappement recyclés par le circuit basse pression et on n'agit pas sur le volet d'admission qui est maintenu en position ouverte. Pour que le volet d'admission soit maintenu en position ouverte, il faut que la valeur de consigne de la section efficace de passage Seff cons soit maximale. Cette valeur de consigne est définie par l'équation 9 précédente.
Pour que cette valeur soit maximale, il faut que le rapport Pboost I Pcol cons soit proche de 1. Dans ces conditions, une valeur de consigne pour le taux de gaz d'échappement recyclés répond à la condition : \ Qair cons egr_cons I 1 équation 13 de sorte que le signal d'erreur qui est amené à l'entrée du régulateur 52 dépend uniquement de la valeur de consigne du débit d'air et de la valeur mesurée pour le débit d'air, étant donné que l'on a : ( ~egrcons Qegr_cons _ ùmin Qair cons 9 mot ù Qair cons équation 14 l ùt \, egrcons Dans cette situation il est donc possible de forcer l'ouverture du volet d'admission 22 par le biais de la valeur de consigne du taux de gaz d'échappement recyclés. La régulation du débit des gaz d'échappement recyclés EGR se fait dans ce cas uniquement par le circuit basse pression au moyen de la vanne de recirculation 18 et du volet d'échappement 19. Afin de s'assurer cependant que le débit d'air admis dans le moteur est bien régulé sans risquer une pénalisation due à une incertitude sur la valeur du remplissage du moteur, on applique de préférence une saturation sur le calcul de la valeur de consigne du débit des gaz d'échappement recyclés de la manière suivante : Qegrcons ù Qegr = air ù Qair cons ) équation 15 Dans une autre situation, la régulation du débit d'air se fait, au contraire, uniquement par le volet d'admission 22 et il n'y a pas de recirculation des gaz d'échappement. Dans ce cas, le taux de gaz d'échappement recyclés est nul et l'on a : R Qair cons Tboost Pcol cons Pboost ~Gmot Dans ce cas, on a effectivement Qegr_cons = Qmot ù Qair cons équation 12 K Pboost air cons Qmot équation 16 coi dQair_cons + Qmotdyncons _ K dt Qair cons r équation 17 Dans cette situation, deux actionneurs sont capables d'agir sur une seule grandeur de commande. I1 est donc nécessaire d'inhiber la régulation d'air par le circuit basse pression dès que la valeur de consigne du taux des gaz d'échappement recyclés est nulle. Cela entraîne une ouverture complète du volet d'échappement 19 et une fermeture complète de la vanne de recirculation 18 montée dans le circuit basse pression. La régulation du débit d'air se fait, dans ce cas, uniquement par le volet d'admission 22. La valeur d'erreur qui est amenée à l'entrée du régulateur 52 est égal à : Qmotùdyncons `Gmot_dyn BSV P BSboost BSV Pboost \,P \, COI / col / Afin de limiter au maximum une éventuelle dérive liée à l'estimation du remplissage du moteur, il est préférable, dans ce cas, de remplacer le calcul de la valeur estimée du débit des gaz admis dans le moteur au niveau du volet d'admission 22 Qmotdyn, qui est déterminée par les moyens de calcul 40 à partir des mesures de température et de pression, par une mesure directement effectuée par le débitmètre en la ramenant au niveau du volet d'admission 22 par la formule : `Gmot_dyn = Qair_dyn = `Gain R LCat Tboost / où Vadm représente le volume entre le débitmètre 11 et le volet d'admission 22. On voit donc qu'il est possible de gérer les deux actionneurs du circuit de recirculation des gaz d'échappement basse pression constitués par la vanne de recirculation 18 et le volet d'échappement 19 ainsi que le volet d'admission 22, d'une manière appropriée selon les cas. D'une manière plus précise, lorsque la valeur de consigne du taux des gaz d'échappement recyclés répond à la condition : S -s = .NIR loost eff cons effff Pboost équation 18 25 Vadm d Pb°ost équation 19 Qmot les gaz d'échappement recyclés sont admis dans le moteur. Les valeurs de consigne sont le débit d'air Qair et le taux de gaz d'échappement recyclés 'tegr. La régulation est faite sur le débit des gaz d'échappement recyclés Qegr pour le circuit basse pression et la régulation est faite sur le débit des gaz admis dans le moteur Qmot pour le volet d'admission 22. Qmot les gaz d'échappement sont recyclés à l'admission du moteur, mais le volet d'admission est maintenu en position ouverte. La valeur de consigne est le débit d'air admis Qair et la régulation se fait sur le débit des gaz d'échappement recyclés Qegr pour le circuit de 15 recirculation à basse pression avec la valeur de consigne : Qegr cons = Qmot ù Qair_cons équation 22 Enfin, lorsque la valeur de consigne du taux de gaz d'échappement recyclés est égale à zéro, les gaz d'échappement ne sont plus recyclés à l'admission et on agit uniquement sur le remplissage du 20 moteur par une régulation de la position du volet d'admission 22. La valeur de consigne est le débit d'air admis Qair et la régulation se fait sur le débit d'air admis Qair pour le volet d'admission 22 avec : Qmot ù Qair La présente invention permet ainsi de contrôler de manière 25 satisfaisante le débit d'air et le taux de gaz d'échappement recyclés dans un moteur tel que décrit et ce, même au cours des phases de régénération du filtre à particules en limitant au maximum les émissions de polluants. Dans la présente description, on s'est attaché essentiellement à 30 la régulation du débit des gaz d'échappement recyclés au moyen du régulateur 52 associé au séparateur de consigne 54, de façon à obtenir des valeurs de consigne de position pour la vanne de recirculation 18 Qair cons O <tiegrcons < 1ù - équation 20 Dans l'hypothèse au contraire où la valeur de consigne du taux de gaz d'échappement recyclés répond à la condition : ti )1ù Qair-cons équation 21 egr cons et le volet d'échappement 19. On pourrait également, en variante, réguler non plus le débit des gaz d'échappement recyclés Qegr mais au contraire le taux de gaz d'échappement recyclés, auquel cas le signal d'erreur à l'entrée du régulateur 52 serait la différence entre une valeur de consigne du taux de gaz d'échappement recyclés et une valeur mesurée. On pourrait également réguler le débit d'air Qair, auquel cas le signal d'erreur à l'entrée du régulateur 52 serait la différence entre une valeur de consigne du débit d'air et une valeur mesurée pour le débit d'air.10

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté comprenant : un filtre à particules (15) et un volet d'échappement commandé (19), montés dans la conduite d'échappement ; une boucle (17) de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression incluant une vanne de recirculation commandée (18) , ladite boucle reliant la conduite d'échappement, en aval du filtre à particules (15) avec la conduite d'arrivée d'air, en amont du compresseur de suralimentation (6) ; un volet d'admission commandé (22), monté dans la conduite d'admission du mélange des gaz dans le moteur, en amont du collecteur d'admission (3); et une unité électronique de commande (24) capable de recevoir des valeurs de paramètres de fonctionnement du moteur et de commander différents organes du moteur ; caractérisé par le fait que l'unité électronique de commande comprend des moyens pour calculer des valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation, du volet d'échappement et du volet d'admission à partir de valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur et du taux des gaz d'échappement recyclés dans le moteur.
2. Moteur selon la revendication précédente dans lequel l'unité électronique de commande comprend un premier régulateur (52) pour la détermination des valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation et du volet d'échappement et un deuxième régulateur (47) , associé à un dispositif de prépositionnement (46), pour la détermination de la valeur de consigne de position du volet d'admission.
3. Moteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité électronique de commande comprend des premiers moyens de calcul (36) capables d'estimer une valeur de consigne de la pression au niveau du volet d'admission et une valeur de consigne du débit des gaz traversant le volet d'admission et des deuxièmes moyens de calcul (40) capables d'estimer le débit effectif des gaz traversant le volet d'admission (22).
4. Moteur selon la revendication 3 dans lequel les premiers moyens de calcul (36) reçoivent en entrée les valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur et du taux de gaz d'échappement recyclés dans le moteur afin de calculer la valeur de consigne du débit des gaz traversant le volet d'admission (22) et la valeur de consigne de la pression dans le collecteur d'admission du moteur, à partir d'équations mémorisées correspondant à un modèle inversé du collecteur d'admission.
5. Moteur selon la revendication 3 dans lequel les deuxièmes moyens de calcul (40) sont capables de déterminer la valeur du débit des gaz traversant le volet d'admission (22) à partir d'équations mémorisées correspondant à un modèle du débit des gaz admis dans le moteur.
6. Moteur selon la revendication 3 dans lequel le deuxième régulateur (47) et le dispositif de prépositionnement (46) reçoivent sur leur entrée respective, une valeur de la section de passage efficace du volet d'admission estimée à partir du débit des gaz traversant le volet d'admission et une valeur de consigne de la section de passage efficace du volet d'admission estimée à partir des valeurs de consigne de la pression dans le collecteur d'admission et du débit des gaz traversant le volet d'admission.
7. Moteur selon l'une des revendications 2 à 6 dans lequel le premier régulateur (52) reçoit en entrée, une valeur de consigne d'un paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur et une valeur mesurée dudit paramètre, de façon à déterminer les valeurs de consigne de position de la vanne de recirculation (18) et du volet d'échappement (19) en vue d'une régulation dudit paramètre
8. Moteur selon la revendication 7 dans lequel le paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur est choisi parmi le débit des gaz d'échappement recyclés, le taux des gaz d'échappement recyclés et le débit d'air admis dans le moteur.
9. Procédé de commande du débit d'air et du taux de gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne du type Diesel suralimenté comprenant : un filtre à particules (15) et un volet d'échappement commandé (19), montés dans la conduite d'échappement ; une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement à bassepression incluant une vanne de recirculation commandée (18), ladite boucle reliant la conduite d'échappement, en aval du filtre à particules avec la conduite d'arrivée d'air, en amont du compresseur de suralimentation (6) ; un volet d'admission commandé (22), monté dans la conduite d'admission du mélange des gaz dans le moteur, en amont du collecteur d'admission, caractérisé par le fait qu'on régule un paramètre lié à l'admission des gaz dans le moteur en agissant sur la vanne de recirculation (18) et sur le volet d'échappement (19) et qu'on régule en outre le débit d'air admis dans le moteur en agissant sur le volet d'admission (22).
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel ledit paramètre est choisi parmi le débit des gaz d'échappement recyclés, le taux des gaz d'échappement recyclés et le débit d'air admis dans le moteur.
11. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on régule le débit d'air admis dans le moteur en agissant uniquement sur la vanne de recirculation et sur le volet d'échappement, le volet d'admission étant maintenu en position ouverte et on applique une saturation au calcul de la valeur de consigne du débit des gaz d'échappement recyclés.
12. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on régule le débit d'air admis dans le moteur en agissant uniquement sur le volet d'admission, le volet d'échappement étant maintenu en position ouverte et la vanne de recirculation étant maintenue en position fermée.
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