FR3059719A1 - Procede de commande d'un moteur thermique suralimente comprenant un circuit de recirculation des gaz d'echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur thermique suralimenté, comprenant un compresseur de turbocompresseur (21) et un compresseur additionnel (25) dans un circuit d'admission et une turbine de turbocompresseur (31) à géométrie variable dans un circuit d'échappement comportant un volet d'échappement (38) en aval de la turbine, le moteur comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement (33) en amont de la turbine vers le collecteur d'admission. En cas d'activation (EO) du circuit de recirculation des gaz d'échappement, si le compresseur additionnel (25) est en fonctionnement, on commande (E2) le volet d'échappement (38) de façon à augmenter la pression (PAVT) à l'échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l'échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une pression de suralimentation au niveau du collecteur d'admission.

Description

Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions simplifiée, NISSAN MOTOR CO. LIMITED.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : RENAULT SAS.
FR 3 059 719 - A1 t54) PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE COMPRENANT UN CIRCUIT DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT.
©) L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur thermique suralimenté, comprenant un compresseur de turbocompresseur (21 ) et un compresseur additionnel (25) dans un circuit d'admission et une turbine de turbocompresseur (31) à géométrie variable dans un circuit d'échappement comportant un volet d'échappement (38) en aval de la turbine, le moteur comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement (33) en amont de la turbine vers le collecteur d'admission. En cas d'activation (EO) du circuit de recirculation des gaz d'échappement, si le compresseur additionnel (25) est en fonctionnement, on commande (E2) le volet d'échappement (38) de façon à augmenter la pression (PAVT) à l'échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l'échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une pression de suralimentation au niveau du collecteur d'admission.
Procédé de commande d’un moteur thermique suralimenté comprenant un circuit de recirculation des gaz d’échappement
La présente invention concerne de façon générale le domaine de la recirculation des gaz d’échappement depuis l’échappement vers l’admission d’un moteur à combustion interne.
Elle concerne plus particulièrement un procédé de commande d’un moteur thermique suralimenté, le moteur comprenant :
- des cylindres de combustion,
- un circuit d’admission de gaz d’admission comprenant un compresseur de turbocompresseur et un compresseur additionnel pour accroître la quantité de gaz d’admission fournie à un collecteur d’admission du circuit d’admission relié aux cylindres,
- un circuit d’échappement comprenant un collecteur d’échappement relié aux cylindres, une turbine de turbocompresseur à géométrie variable en sortie du collecteur d’échappement, couplée en rotation au compresseur de turbocompresseur, et une sortie d’échappement, en aval de la turbine, munie d’un volet d’échappement, le moteur comprenant en outre un circuit de recirculation des gaz d’échappement depuis le circuit d’échappement, entre le collecteur d’échappement et la turbine de turbocompresseur à géométrie variable, vers le collecteur d’admission.
Dans le cas d’un moteur suralimenté tel que décrit ci-dessus, le compresseur additionnel, qu’il s’agisse d’un compresseur électrique entraîné en rotation au moyen d’un moteur électrique ou encore d’un compresseur mécanique, ne peut pas être utilisé pour augmenter la quantité d’air envoyée à l’admission pendant certaines phases de fonctionnement du moteur et, en particulier, pendant les phases de fonctionnement où la recirculation des gaz d’échappement est activée.
En effet, lorsque le compresseur additionnel fonctionne en complément du compresseur de turbocompresseur, la pression au niveau du collecteur d’admission, dite pression à l’admission, devient supérieure à la pression à l’échappement. Aussi, dans cette configuration, il n’est plus possible d’avoir une pression motrice entre l’échappement et l’admission susceptible de pouvoir entraîner l’écoulement des gaz dans le circuit de recirculation des gaz d’échappement depuis le circuit d’échappement vers le collecteur d’admission.
C’est pourquoi il n’est pas possible d’utiliser le compresseur additionnel dans les phases où la recirculation des gaz d’échappement vers l’admission est activée, ni non plus d’activer cette recirculation lorsque le compresseur additionnel fonctionne.
La présente invention vise à pallier cette limitation.
Cet objectif est atteint par un procédé de commande, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, dans lequel, en cas d’activation du circuit de recirculation des gaz d’échappement, si le compresseur additionnel est en fonctionnement, on commande le volet d’échappement de façon à augmenter la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une pression de suralimentation au niveau du collecteur d’admission.
De la sorte, il est possible d’assurer d’utiliser le circuit de recirculation des gaz d’échappement de manière simultanée avec le fonctionnement du compresseur additionnel.
Avantageusement, on commande le volet d’échappement à partir de la détermination de la pression en amont de la turbine, par exemple au moyen d’un capteur de pression disposé dans le circuit d’échappement en amont de la turbine.
Avantageusement, la commande du volet d’échappement consiste à commander une position de plus grande fermeture du volet d’échappement par rapport à une position de fermeture normalement utilisée.
De préférence, on régule le taux de gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission au moyen des éléments de changement de géométrie de la turbine à géométrie variable et du volet d’échappement, par rapport à une consigne d’écart entre les pressions dans le circuit d’échappement en amont de la turbine de turbocompresseur à géométrie variable et au niveau du collecteur d’admission.
En variante, on régule le taux de gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission au moyen des éléments de changement de géométrie de la turbine à géométrie variable et du volet d’échappement (38), par rapport à une consigne de taux.
Avantageusement, on régule la pression de suralimentation au moyen du turbocompresseur et du compresseur additionnel par rapport à une consigne de pression de suralimentation.
l’invention concerne également un moteur thermique suralimenté comprenant :
- des cylindres de combustion,
- un circuit d’admission de gaz d’admission comprenant un compresseur de turbocompresseur et un compresseur additionnel pour accroître la quantité de gaz d’admission fournie à un collecteur d’admission du circuit d’admission relié aux cylindres,
- un circuit d’échappement comprenant un collecteur d’échappement relié aux cylindres, une turbine de turbocompresseur à géométrie variable en sortie du collecteur d’échappement, couplée en rotation au compresseur de turbocompresseur, et une sortie d’échappement en aval de la turbine, munie d’un volet d’échappement, le moteur comprenant en outre un circuit de recirculation des gaz d’échappement depuis le circuit d’échappement, entre le collecteur d’échappement et la turbine de turbocompresseur à géométrie variable, vers le collecteur d’admission, le moteur étant caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commande d’une position du volet d’échappement adaptés à commander le volet d’échappement de façon à augmenter la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une pression de suralimentation au niveau du collecteur d’admission, lorsque le circuit de recirculation des gaz d’échappement est activée et que le compresseur additionnel est en fonctionnement.
L’invention concerne encore un véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un moteur thermique suralimenté tel que décrit ci-dessus.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre de façon schématique une architecture de moteur à combustion interne suralimenté en air par un turbocompresseur et comportant un compresseur additionnel, suivant un premier mode de réalisation conforme à l’invention ;
- la figure 2 est un organigramme décrivant la stratégie de commande du moteur selon l’invention.
La figure 1 illustre un moteur thermique 1 suralimenté conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, de type à quatre cylindres de combustion 10, 12, 14, 16 en ligne dans l’exemple illustré. Le moteur comporte îo un circuit d’admission d’air 2 comprenant d’amont en aval (par rapport au sens d’écoulement des gaz) : un filtre à air 20, un compresseur 21 de turbocompresseur, dit compresseur principal, qui aspire l’air ambiant à la pression atmosphérique et l’envoie sous pression à l’admission du moteur, un refroidisseur d’air admis suralimenté 22 (R.A.S.), un volet d’admission 23, tel que par exemple un boîtier papillon dans le cas d’un moteur essence, et un répartiteur d’admission ou collecteur d’admission 24.
Par ailleurs, le moteur 1 dispose également d’un circuit d’échappement 3 reliée à une sortie d’échappement des cylindres du moteur, comportant d’amont en aval (par rapport au sens d’écoulement des gaz) : un collecteur d’échappement 30, une turbine 31 de turbocompresseur, un ou plusieurs systèmes de post-traitement des gaz d’échappement 32 et une sortie d’échappement 37 munie d’un volet d’échappement 38. Par exemple, le système de post-traitement des gaz d’échappement 32 comprend un catalyseur 320 et un filtre à particules 321 situé juste après le catalyseur. Il peut également comprendre un piège à oxydes d’azote (NOx). Le volet d’échappement 38 permet notamment de contrôler le débit des gaz d’échappement en sortie du circuit d’échappement.
La turbine 31 de turbocompresseur est couplée en rotation au compresseur principal 21 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission, et permet d’entraîner le compresseur principal 21 en rotation pour comprimer l’air qui rentre dans le collecteur d’admission lorsque la turbine 31 de turbocompresseur est entraînée en rotation par les gaz d’échappement sortant du collecteur d’échappement 30.
La turbine 31 est ici à géométrie variable. Elle comporte des ailettes mobiles à orientation variable 310 au niveau de l’entrée de la turbine, permettant de modifier la géométrie de la turbine de façon à influer sur l’écoulement des gaz d’échappement sur la turbine 31. Un actionneur (non représenté) est utilisé pour commander l’orientation des ailettes 310 de la turbine. Les signaux de commande de cet actionneur sont fournis par une unité de commande électronique du moteur. Les ailettes 310 peuvent être commandées dans différents états de fermeture de façon à modifier (diminuer ou augmenter) la section de passage des gaz d’échappement vers la turbine 31 et ainsi moduler la puissance fournie par les gaz d’échappement à la turbine 31.
Ici, le moteur 1 comporte également un circuit 33 de recirculation des gaz d’échappement à haute pression, depuis le circuit d’échappement 3 vers le circuit d’admission 2. Ce circuit de recirculation est aussi communément appelé circuit ou ligne EGR-HP, conformément à l’acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - High Pressure >>. Elle comprend une entrée qui prend naissance dans le circuit d’échappement 3, entre le collecteur d'échappement 30 et la turbine 31, et une sortie qui débouche dans le circuit d’admission 2, directement en amont du collecteur d’admission 24, entre le volet d’admission 23 et le collecteur 24.
Cette ligne EGR-HP 33 permet de prélever une partie des gaz circulant dans le circuit d’échappement 3, appelés gaz de recirculation ou gaz EGR, directement en aval du collecteur d’échappement, pour la réinjecter dans les cylindres du moteur afin de réduire les émissions polluantes du moteur, et en particulier les émissions d’oxydes d’azote. Cette ligne EGR-HP 33 comporte une vanne EGR-HP 34 pour réguler le débit de gaz EGR débouchant dans le collecteur d’admission 24. Lorsque la vanne 34 est fermée, aucun gaz EGR n’est introduit dans le circuit d’admission via la ligne EGR-HP 33. Par contre, lorsqu’il est nécessaire d’introduire des gaz EGR dans le circuit d’admission d’air frais via la ligne EGR-HP 33, on active la ligne EGR-HP 33 en commandant à l’ouverture la vanne 34, permettant le passage d’un débit de gaz d’échappement plus ou moins important vers le circuit d’admission.
En complément, cette ligne EGR-HP 33 est ici complétée par un circuit 35 de recirculation des gaz d’échappement à basse pression, aussi communément appelé circuit ou ligne EGR-LP conformément à l’acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - Low Pressure >>. Cette ligne EGR-LP prend naissance dans le circuit d’échappement 3, à la sortie du système de post-traitement 32, et débouche dans le circuit d’admission 2, entre le filtre à air 20 et le compresseur principal 21. Cette ligne EGR-LP 35 comporte une vanne EGR-LP 36 pour réguler le débit de gaz EGR débouchant dans le circuit d’admission 2. Les gaz d’échappement, qui ne sont pas re-circulés via la ligne EGR-LP 35, sont évacués dans la conduite de sortie d’échappement 37 dans laquelle se trouve le volet d’échappement 38.
Le moteur thermique comprend également un compresseur additionnel îo 25, disposé dans le circuit d’admission 2 en série avec le compresseur principal
21. Selon l’exemple de la figure 1, le compresseur additionnel 25 est disposé en aval du compresseur principal 21. En variante, il pourrait être disposé en amont du compresseur principal 21 dans le circuit d’admission.
Le compresseur additionnel 25 est ici un compresseur électrique entraîné 15 en rotation au moyen d’un moteur électrique (non représenté). II peut également s’agir d’un compresseur mécanique, typiquement couplé au vilebrequin du moteur. Contrairement au turbocompresseur, le fonctionnement du compresseur additionnel est indépendant des gaz d’échappement et permet d’accroître la quantité d’air à l’admission quel que soit le niveau de charge du moteur et notamment à faible charge et bas régime.
Ce compresseur additionnel présente une entrée 26 et une sortie 27, ladite entrée 26 étant reliée dans le circuit d’admission d’air 2 en aval du compresseur principal 21, soit en sortie de ce dernier, selon l’exemple de la figure 1, et ladite sortie 27 débouchant en amont du refroidisseur d’air suralimenté 22.
Le compresseur additionnel 25 peut être by-passé (contourné) par un conduit de dérivation 28 du circuit d’admission s’étendant entre l’entrée 26 et la sortie 27 du compresseur additionnel 25 et dans lequel est disposée une vanne de dérivation 29. Ainsi, lorsque le compresseur additionnel 25 est désactivé, en commandant l’ouverture de la vanne de dérivation 29, on by-passe le compresseur additionnel 25. Par contre, lorsque le compresseur additionnel 25 est activé, la vanne de dérivation 29 est fermée et l’air ayant bénéficié d’une première compression dans le compresseur principal 21, va bénéficier d’une seconde compression dans le compresseur additionnel 25.
Le moteur comprend également des moyens de commande (non représentés), qui admettent en entrée une mesure de la pression PAVT en amont de la turbine 31 (soit en entrée de la ligne EGR-HP 33), obtenue au moyen d’un capteur de pression, ou en variante, une mesure du taux d’EGR, soit la proportion des gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission 25 du moteur via la ligne EGR-HP 33, et/ou une estimation de l’écart de pression PAVT-PCOLL entre la pression PAVT à l’échappement en amont de la turbine 31 et la pression PCOLL au niveau du collecteur d’admission 25. Les moyens de commande admettent également en entrée une consigne de pression de suralimentation Psural_cible au niveau du collecteur d’admission, élaborée par exemple en fonction du régime moteur, et une consigne d’écart de pression PAVT-PCOLL_cible entre la pression PAVT à l’échappement en amont de la turbine 31 et la pression PCOLL au niveau du collecteur d’admission 25 ou en variante une consigne de taux d’EGR. Les moyens de commande sont adaptés à délivrer un premier signal de commande permettant de contrôler le turbocompresseur et le compresseur additionnel pour assurer la régulation de la pression de suralimentation par rapport à la consigne. Les moyens de commande sont également adaptés à délivrer un deuxième signal de commande permettant de contrôler la position du volet d’échappement 38 pour assurer la régulation du taux d’EGR. En particulier, le signal de commande précité permet de contrôler une position d’ouverture/fermeture du volet d’échappement 38.
La figure 2 illustre la stratégie de commande du moteur selon l’invention permettant d’assurer la dépollution via l’activation de la ligne EGR-HP 33 et ce, de manière simultanée avec le fonctionnement du compresseur additionnel 25.
Si un besoin d’activation de la ligne EGR-HP 33 est identifié dans une étape EO, autrement dit si l’introduction de gaz d’échappement dans le circuit d’admission via la ligne EGR-HP 33 est requis par la stratégie moteur, on détermine tout d’abord dans une étape E1, si le compresseur additionnel 25 est en fonctionnement ou doit être utilisé.
Si c’est le cas, dans une étape E2, on commande le volet d’échappement 38 de façon à imposer une position de fermeture du volet, dite position de plus grande fermeture, correspondant à une position de fermeture du volet plus importante que celle normalement utilisée. La position de plus grande fermeture du volet d’échappement 38 permet d’augmenter fortement la pression PA VT à l’échappement en amont de la turbine 31, où prend naissance la ligne EGR-HP 33, pour un même niveau de pression PCOLL au niveau du collecteur d’admission 25, en aval duquel débouche la ligne EGR-HP 33. De ce fait, l’écart de pression PAVT-PCOLL redevient positif, générant une différence de pression motrice entre les deux extrémités d’entrée et de sortie de la ligne EGR-HP 33, respectivement côté échappement et côté admission, permettant de faire circuler les gaz de recirculation au travers de la ligne EGR-HP de l’échappement vers l’admission.
îo La commande du volet d’échappement est assurée à partir de la détermination de la pression PA VT à l’échappement en amont de la turbine 31, par exemple au moyen d’un capteur de pression disposé dans le circuit d’échappement en amont de la turbine, à l’extrémité d’entrée de la ligne EGRHP 33, apte à fournir une pression mesurée à cet endroit. Néanmoins, l’utilisation de ce capteur de pression en amont de la turbine peut être évitée si l’on dispose d’autres moyens pour mesurer le taux d’EGR, soit la proportion des gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission 25 du moteur via la ligne EGR-HP 33, et/ou l’écart de pression PAVT-PCOLL.
Dans une étape E3, on met en œuvre une phase de régulation de la pression de suralimentation Psural des gaz d’admission au collecteur d’admission, où le turbocompresseur et le compresseur additionnel sont commandés pour ramener sans cesse la pression mesurée au collecteur d’admission à la consigne Psural_cible.
Dans le même temps, on met en œuvre une phase de régulation du taux d’EGR, de sorte que la régulation soit assurée par les ailettes de la turbine 31 et par le volet d’échappement 38, dont la position est commandée pour ramener sans cesse l’écart de pression PAVT-PCOLL déterminé par exemple à partir des mesures de pression en amont de la turbine d’une part, et au collecteur d’admission, d’autre part, à un la consigne d’écart entre ces pressions PAVT-PCOLL_cible. En variante, dans cette phase de régulation, les ailettes de la turbine 31 et le volet d’échappement sont commandés grâce à la mesure du taux d’EGR, pour ramener sans cesse ce taux mesuré à la consigne de taux d’EGR taux d’EGR cible.
Dans une étape E4, lorsque la ligne EGR-HP 33 est désactivée, on arrête la stratégie de commande et on interrompt les régulations de l’étape E3.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de commande d’un moteur thermique suralimenté, le moteur comprenant :
    5 - des cylindres de combustion (10, 12, 14, 16),
    - un circuit d’admission (2) de gaz d’admission comprenant un compresseur de turbocompresseur (21) et un compresseur additionnel (25) pour accroître la quantité de gaz d’admission fournie à un collecteur d’admission (25) du circuit d’admission relié aux cylindres, îo - un circuit d’échappement (3) comprenant un collecteur d’échappement (30) relié aux cylindres, une turbine de turbocompresseur (31) à géométrie variable en sortie du collecteur d’échappement (30), couplée en rotation au compresseur de turbocompresseur (21), et une sortie d’échappement (37), en aval de la turbine, munie d’un volet d’échappement (38),
    15 le moteur comprenant en outre un circuit de recirculation des gaz d’échappement (33) depuis le circuit d’échappement, entre le collecteur d’échappement (30) et la turbine de turbocompresseur à géométrie variable (31) , vers le collecteur d’admission (25), le procédé étant caractérisé en ce que, en cas d’activation (E0) du circuit
    20 de recirculation des gaz d’échappement, si le compresseur additionnel (25) est en fonctionnement, on commande (E2) le volet d’échappement (38) de façon à augmenter la pression (PAVT) à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une
    25 pression de suralimentation au niveau du collecteur d’admission.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on commande le volet d’échappement (38) à partir de la détermination de la pression (PAVT) en amont de la turbine (31), par exemple au moyen d’un capteur de pression disposé dans le circuit d’échappement (2) en amont de la turbine (31 ).
    30
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la commande du volet d’échappement (38) consiste à commander une position de plus grande fermeture du volet d’échappement par rapport à une position de fermeture normalement utilisée.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’on régule (E3) le taux de gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission (25) au moyen des éléments (310) de changement de géométrie de la turbine à géométrie
  5. 5 variable (31 ) et du volet d’échappement (38), par rapport à une consigne d’écart (PAVT-PCOLL_cible) entre les pressions dans le circuit d’échappement en amont de la turbine de turbocompresseur à géométrie variable (31) et au niveau du collecteur d’admission.
    5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, îo caractérisé en ce qu’on on régule (E3) le taux de gaz d’échappement présents dans les gaz d’admission entrant dans le collecteur d’admission (25) au moyen des éléments (310) de changement de géométrie de la turbine à géométrie variable (31) et du volet d’échappement (38), par rapport à une consigne de taux (taux_d’EGR_cible).
    15
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu’on régule la pression de suralimentation au moyen du turbocompresseur et du compresseur additionnel par rapport à une consigne de pression de suralimentation (Psural_cible).
  7. 7. Moteur thermique suralimenté comprenant :
    20 - des cylindres de combustion (10, 12, 14, 16),
    - un circuit d’admission (2) de gaz d’admission comprenant un compresseur de turbocompresseur (21) et un compresseur additionnel (25) pour accroître la quantité de gaz d’admission fournie à un collecteur d’admission (25) du circuit d’admission relié aux cylindres,
    25 - un circuit d’échappement (3) comprenant un collecteur d’échappement (30) relié aux cylindres, une turbine de turbocompresseur (31) à géométrie variable en sortie du collecteur d’échappement (30), couplée en rotation au compresseur de turbocompresseur (21), et une sortie d’échappement en aval de la turbine, munie d’un volet d’échappement,
    30 le moteur comprenant en outre un circuit de recirculation des gaz d’échappement (33) depuis le circuit d’échappement, entre le collecteur d’échappement (30) et la turbine de turbocompresseur à géométrie variable (31) , vers le collecteur d’admission (25), le moteur étant caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commande d’une position du volet d’échappement adaptés à commander le volet d’échappement de façon à augmenter la pression (PAVT) à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable, de sorte à rétablir une différence de pression positive entre la pression à l’échappement en amont de la turbine à géométrie variable et une pression de suralimentation au niveau du collecteur d’admission, lorsque le circuit de recirculation des gaz d’échappement est activée et que le compresseur additionnel (25) est en fonctionnement.
  8. 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un moteur thermique suralimenté selon la revendication 7.
    1/1
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