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FR2928182A3 - Procede de controle du debit d'air d'un moteur automobile diesel suralimente par turbocompresseur et dispositif correspondant. - Google Patents

Procede de controle du debit d'air d'un moteur automobile diesel suralimente par turbocompresseur et dispositif correspondant. Download PDF

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FR2928182A3
FR2928182A3 FR0851277A FR0851277A FR2928182A3 FR 2928182 A3 FR2928182 A3 FR 2928182A3 FR 0851277 A FR0851277 A FR 0851277A FR 0851277 A FR0851277 A FR 0851277A FR 2928182 A3 FR2928182 A3 FR 2928182A3
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FR
France
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engine
loop
particulate filter
recycling
exhaust gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR0851277A
Other languages
English (en)
Inventor
Emmanuel Buis
Jacques Olivier Lombardin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Priority to FR0851277A priority Critical patent/FR2928182A3/fr
Publication of FR2928182A3 publication Critical patent/FR2928182A3/fr
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Abstract

L'invention concerne notamment un procédé de contrôle du débit d'air d'un moteur automobile diesel suralimenté par turbocompresseur et comprenant :un filtre à particules,une première boucle de recyclage haute pression (22) équipée d'une première vanne pilotable (18), et reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission,une deuxième boucle de recyclage basse pression (23) équipée d'une deuxième vanne pilotable (16) et d'un refroidisseur d'air de suralimentation (17), et reliant la sortie du filtre à particules (14) à l'amont du turbocompresseur,le procédé comprenant une étape consistant à recycler une partie au moins des gaz d'échappement.Selon l'invention le procédé est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à activer sélectivement la première ou la deuxième boucle de recyclage en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.

Description

PROCEDE DE CONTROLE DU DEBIT D'AIR D'UN MOTEUR AUTOMOBILE DIESEL SURALIMENTE PAR TURBOCOMPRESSEUR ET DISPOSITIF CORRESPONDANT. La présente invention concerne le domaine du 5 contrôle moteur. Plus précisément, selon un premier de ses objets, l'invention concerne un procédé de contrôle du débit d'air d'un moteur automobile diesel suralimenté par turbocompresseur et comprenant : 10 un filtre à particules, une première boucle de recyclage haute pression équipée d'une première vanne pilotable, et reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission, une deuxième boucle de recyclage basse pression 15 équipée d'une deuxième vanne pilotable et d'un refroidisseur d'air de suralimentation, et reliant la sortie du filtre à particules à l'amont du turbocompresseur, le procédé comprenant une étape consistant à : 20 recycler une partie au moins des gaz d'échappement. Notamment du fait des normes limitant la quantité autorisée de polluants produits à l'échappement d'un véhicule automobile, de plus en plus de véhicules intègrent une première boucle, dite haute pression, 25 reliant le collecteur d'échappement au plenum du collecteur d'admission par l'intermédiaire d'une première vanne pilotable. Par cette première boucle (EGR pour Exhaust Gas Recycling ou Recirculation), des gaz d'échappement sont 30 réintroduits à l'admission du moteur. Par conséquent, le mélange admis est alors composé d'air frais issu du compresseur et de gaz issus du collecteur d'échappement.
La première vanne pilotable permet de réguler la quantité de gaz issus du collecteur d'échappement réintroduits à l'admission.
Par comparaison d'un moteur diesel suralimenté par turbocompresseur comprenant ladite première boucle dite haute pression avec le même moteur ne comprenant pas ladite première boucle de réintroduction des gaz, les gaz réintroduits à l'admission ont pour effet de diminuer la température maximale de combustion et de diminuer l'excès d'oxygène. Or, au regard des polluants produits à l'échappement, si la formation de NOx (oxydes d'azote) est favorisée par une combustion dont la température et le taux d'oxygène sont élevés, la formation de particules de suies est, elle, favorisée par un taux d'oxygène faible. La réintroduction de gaz d'échappement par la première boucle a donc pour conséquence de diminuer la quantité de NOx et d'augmenter celle des particules produites à l'issue de la combustion. Pour cette raison, on équipe le moteur d'un filtre à particules (FAP), qui n'évite cependant pas l'encrassement des éléments de ladite première boucle, du plenum et du moteur par les particules produites. Certains moteurs comprennent également une deuxième boucle dite basse pression reliant la sortie du filtre à particules (FAP) à l'amont du turbocompresseur par l'intermédiaire d'une deuxième vanne pilotable et d'un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS).
Ainsi, tout le mélange peut passer par le refroidisseur d'air de suralimentation situé entre le turbocompresseur et le plenum. Grâce à l'efficacité très élevée du refroidisseur d'air de suralimentation et des températures des gaz d'échappement plus faibles en aval du filtre à particules qu'en sortie du moteur, la deuxième boucle de réintroduction des gaz d'échappement permet d'obtenir des températures de mélange à l'admission encore plus faibles que celles obtenues avec la première boucle, même équipée d'un refroidisseur. En outre, grâce à cette deuxième boucle, les gaz réintroduits dans le moteur ne contiennent que très peu de particules puisque ces gaz sont prélevés en sortie du filtre à particules. Toutefois, le fonctionnement d'un moteur à des températures trop froides du mélange à l'admission augmente la production des hydrocarbures (HC) et du monoxyde de carbone (CO) à l'échappement, dits HC/CO, et retarde l'amorçage du catalyseur d'oxydation lors de démarrages à froid. Des stratégies de contrôle moteur équipé d'une première boucle haute pression et d'une deuxième boucle basse pression sont connues de l'homme du métier, notamment par l'exemple qu'en donne le document de l'état de la technique antérieure EP 1808591. Ce document divulgue essentiellement l'utilisation des deux boucles de manière combinée, avec la capacité de couper boucle haute pression. L'utilisation privilégiée de la boucle basse pression permet de respecter une consigne de débit d'air ou de taux de gaz réintroduits.
Toutefois dans ce document, afin de limiter les pertes par pompage et donc d'optimiser la consommation, il est prévu de figer les positions de la boucle basse pression, et d'utiliser en complément la boucle haute pression à la détection d'une perte de charge trop importante de la boucle basse pression, la perte de charge étant mesurée par un capteur de pression différentielle positionné entre l'aval du volet d'admission et l'amont du volet d'échappement. Ce qui implique donc l'utilisation de capteur supplémentaire, donc un coût supplémentaire. En outre, ce document interdit l'utilisation de la boucle haute pression pour un moteur à froid, afin d'éviter tout risque de blocage de la vanne lié à une réintroduction trop importante d'hydrocarbures.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une solution simple et exempte de capteurs supplémentaires.
Avec cet objectif en vue, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à : - activer sélectivement la première ou la deuxième 25 boucle en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. Grâce à l'invention, on peut profiter, en fonction de certains points de fonctionnement du moteur, des avantages du recyclage des gaz d'échappement par la 30 boucle basse pression, par exemple l'obtention d'un fort taux de recyclage, et des avantages du recyclage des gaz d'échappement par la boucle haute pression, par exemple la réduction des HC/CO par l'augmentation de la température du mélange à l'admission. Grâce à l'invention, on peut ainsi gérer au mieux les compromis NOx/particules et HC/CO/NOx.
Selon l'invention, le paramètre de fonctionnement du moteur est au moins l'un des éléments suivants . température d'eau, température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation du filtre à particules. Comme décrit ultérieurement, l'activation sélective peut également être fonction d'une détection de levée de pied du conducteur. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne également un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'invention lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
De préférence, le programme d'ordinateur selon l'invention est stocké dans une mémoire et mis en oeuvre par l'unité de contrôle électronique (ECU) du moteur. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne enfin un dispositif de contrôle du débit d'air d'un moteur automobile diesel suralimenté par turbocompresseur, susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, le moteur comprenant : un filtre à particules, une première boucle de recyclage haute pression équipée d'une première vanne pilotable, et reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission, une deuxième boucle de recyclage basse pression équipée d'une deuxième vanne pilotable et d'un refroidisseur d'air de suralimentation, et reliant la sortie du filtre à particules à l'amont du turbocompresseur, le dispositif comprenant : - des moyens de pilotage de la première et de la 5 deuxième vanne pilotable. Selon l'invention, le dispositif est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens pour activer sélectivement la première 10 ou la deuxième boucle en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. Dans un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend des moyens de mesure d'au moins l'un des paramètres de fonctionnement du moteur suivants . 15 température d'eau, et température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur du filtre à particules. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens pour détecter une levée de pied du conducteur. 20 Dans un mode de réalisation, les moyens pour détecter une levée de pied du conducteur sont reliés aux moyens de pilotage. L'invention concerne enfin un véhicule automobile équipé du dispositif selon l'invention. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : 30 la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, et la figure 2 est une vision synoptique d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Comme illustré à la figure 1, un moteur 20 automobile diesel actuel est généralement suralimenté par turbocompresseur 13, permettant de compresser notamment l'air frais 10 arrivant dans le moteur à travers un filtre à air 11 et des moyens de débit réglables en fonction d'une consigne de débit d'air 12. En outre, selon l'invention, le moteur 20 comprend 10 un filtre à particules 14. Pour recycler les gaz d'échappement, on définit une première boucle de recyclage haute pression 22 reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission. Cette boucle est équipée d'une première vanne pilotable 15 18. Avantageusement, la première boucle comprend en outre des moyens de refroidissement, en l'espèce un refroidisseur air/eau 19, permettant de diminuer la température du mélange à l'admission et d'améliorer le 20 remplissage moteur, par conséquent de favoriser la quantité de gaz recyclés par ladite première boucle dans le moteur, donc de diminuer la quantité de NOx produits par un contrôle de la température dudit mélange. Pour recycler les gaz d'échappement, on définit 25 également, en outre, une deuxième boucle de recyclage basse pression 23 reliant la sortie du filtre à particules 14 à l'amont du turbocompresseur. Cette boucle est équipée d'une deuxième vanne pilotable 16 et d'un refroidisseur d'air de suralimentation 17. 30 Classiquement, en sortie du filtre à particules 14, la ligne d'échappement est équipée d'un volet à l'échappement 15 permettant d'obturer tout ou partie de l'échappement 24. La première vanne pilotable 18 et la deuxième vanne pilotable 16 sont pilotées par des moyens de pilotage 21.
De préférence, les moyens de pilotage 21 selon l'invention sont compris dans l'unité de contrôle électronique ECU du moteur, l'unité de contrôle électronique ECU du moteur étant en général un calculateur contenant sous forme logicielle l'ensemble des lois de contrôle-commande, et des paramètres de caractérisation (calibrations) du moteur. Selon l'invention, les moyens de pilotage 21 sont configurés pour activer sélectivement la première ou la deuxième boucle en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. Bien que non représentés, le dispositif selon l'invention comprend également des moyens de mesure, en l'espèce sous forme de capteurs, d'au moins l'un des paramètres de fonctionnement du moteur suivants . température d'eau, et température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur du filtre à particules. L'invention consiste essentiellement à activer sélectivement, c'est-à-dire exclusivement, la première ou la deuxième boucle de recyclage en fonction de la valeur d'au moins des paramètres de fonctionnement du moteur susmentionnés.
Le fonctionnement de l'invention est illustré figure 2 dans laquelle, par convention, la position 0 correspond à une fermeture des deux vannes 16 et 18, et à une ouverture du volet échappement 15. La première boucle de recyclage haute pression 22 est activée lors des phases de fonctionnement à froid du moteur. A l'inverse, la deuxième boucle de recyclage basse pression 23 est activée lors des phases de fonctionnement à chaud du moteur.
Le basculement de l'activation de la première vers la deuxième boucle de recyclage est effectué en fonction de la température (paramètre de fonctionnement du moteur). Une fois que la température d'eau et/ou température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation du filtre à particules a dépassé la valeur d'une température seuil respective, le basculement, c'est-à-dire la désactivation de la première boucle et activation de la deuxième boucle de recyclage, peut être mis en oeuvre (bloc 200 figure 2). Grâce à la température d'eau et/ou température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation du filtre à particules, on peut activer le recyclage des gaz d'échappement avec la deuxième boucle de recyclage basse pression 23 même lorsque le moteur est sous démarreur, par exemple lors d'un démarrage à chaud. En fonctionnement, c'est-à-dire lorsque le moteur est autonome, on attend avantageusement en outre la détection d'une levée de pied par le bloc 210 du conducteur pour ledit basculement. A cet effet, le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens (non représentés) en l'espèce sous forme de capteurs, pour détecter une levée de pied du conducteur.
Un mode de réalisation de la détection d'une levée de pied du conducteur est illustré figure 3 par une mise en oeuvre à double seuillage, portant respectivement sur le régime et le couple du moteur. Le régime moteur N est mesuré 310 par un capteur et comparé 320, grâce au comparateur, à un seuil N th ; et le couple moteur Cpl est mesuré (ou estimé) par le bloc 330 et comparé par le comparateur 340 à un autre seuil Cpl th. Lorsque (bloc 350) à la fois le régime moteur N est supérieur au seuil N th et le couple moteur Cpl est inférieur au seuil Cpl th, alors on en déduit que le conducteur a levé le pied, et un signal 360 peut par exemple être émis à cet effet. Lors d'une levée de pied du conducteur, il n'y a plus d'injection de carburant dans le moteur, aussi n'est-il pas nécessaire de recycler les gaz d'échappements pour réduire les émissions de NOx. Ainsi, lors de la détection d'une levée de pied du conducteur (bloc 210 figure 2), on peut prévoir de couper le recyclage des gaz d'échappement dans l'une et l'autre des première et deuxième boucles de recyclage. Avantageusement, la coupure de la régulation du recyclage des gaz d'échappement permet alors également d'optimiser le brio lors du posé de pied suivant. Le signal émis en sortie du bloc 210 de détection d'une levée de pied du conducteur est envoyé vers les moyens de pilotage 21 (ECU), et peut, comme illustré figure 2, être également envoyé vers un séparateur de consigne 250. Comme illustré figure 2, le débit d'air peut être contrôlé en activant soit la première boucle haute pression de recyclage, c'est-à-dire en agissant sur la première vanne pilotable 18 ; soit la deuxième boucle de recyclage basse pression 23, c'est-à-dire en agissant sur la deuxième vanne pilotable et le volet à l'échappement. Comme décrit précédemment, l'activation sélective de la première boucle haute pression ou de la deuxième boucle de recyclage basse pression est mise en oeuvre, bloc 200, grâce à un actionneur respectif, par les moyens de pilotage 21. Une consigne de débit d'air 12 est émise par les moyens de pilotage 21, et une mesure du débit d'air 260 est effectuée. L'écart Ereg-entre la valeur de la consigne et celle de la mesure est envoyé à un régulateur d'air 230 qui traduit cet écart en consigne de position. Dans un mode de réalisation, cette consigne de position est alors envoyée dans un séparateur de consigne 250 qui, en fonction d'une éventuelle calibration 220, traduit la consigne de position issue du régulateur d'air 230 en une ou plusieurs consignes de position distinctes, en l'espèce deux consignes, en fonction de la boucle activée : - lorsque la première boucle de recyclage haute pression 22 est activée, la consigne de position issue du régulateur d'air 230 est traduite par le séparateur de consigne 250 en une unique consigne de position 251 de la première vanne pilotable 18 ; -lorsque la deuxième boucle de recyclage basse pression 23 est activée, la consigne de position issue du régulateur d'air 230 est traduite par le séparateur de consigne 250 en deux consignes de position distinctes, a. une consigne de position 252 de la deuxième vanne pilotable 16, et b. une consigne 253 pour le volet d'échappement 15.
En l'espèce, le régulateur d'air 230 est un régulateur proportionnel intégral PI dont les gains respectifs KP et KI ont des valeurs respectives spécifiques à l'actionneur utilisé pour activer sélectivement la première ou la deuxième boucle. De préférence, la consigne de débit d'air 12 dépend du point de fonctionnement du moteur (régime, couple). Avantageusement, la consigne de débit d'air 12 est corrigée en fonction d'au moins l'un des paramètres suivants : la température d'eau du moteur, la température d'air et la pression atmosphérique. De préférence, à chaque boucle de recyclage activée correspond une valeur de consigne respective spécifique. Le fonctionnement d'un séparateur de consigne configuré pour séparer la consigne de position issue du régulateur d'air 230 en deux consignes de position distinctes (lorsque la deuxième boucle de recyclage basse pression 23 est activée) est décrite dans la demande FR2894623 déposée par la demanderesse. Ce fonctionnement est illustré figure 4, dans laquelle PHI 16 et PHI 15 illustrent les débits en fonction du temps au niveau de la deuxième vanne pilotable 16 et du volet d'échappement 15 respectivement, chaque débit étant compris entre deux positions de saturation.
Lorsque la consigne de position issue du régulateur d'air 230 est inférieure à la position de saturation SAT 16 de la deuxième vanne pilotable basse pression 16, c'est cette deuxième vanne pilotable basse pression 16 qui régule le débit d'air par la consigne de position 252. En revanche, lorsque la consigne de position issue du régulateur d'air devient supérieure à la position de En revanche, lorsque la consigne de position issue du régulateur d'air devient supérieure à la position de saturation SAT 16 de la deuxieme vanne pilotable basse pression 16, c'est le volet d'échappement qui régule le débit d'air, par la consigne de position 253, la deuxième vanne pilotable basse pression 16 étant figée en position de saturation. On peut prévoir également des moyens de coupure du recyclage 240 de la première et de la deuxième boucle.
La régulation du débit d'air 12 peut être coupée sur commande, par exemple suivant des conditions de mise au point (forte accélération, régime trop haut, seuils de température d'eau, d'air, de pression atmosphérique, ralenti trop long, etc.), ou suite à une défaillance d'un composant du circuit d'air (débitmètre, capteur de température d'eau, d'air, de pression atmosphérique, vanne haute pression, vanne basse pression, etc.). Les calculs du régulateur sont alors stoppés et la sortie du régulateur est basculée vers une valeur de fermeture de la deuxième vanne pilotable basse pression 16 et d'ouverture du volet d'échappement 15. Le régulateur est de préférence réinitialisé quand le moteur est coupé.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Procédé de contrôle du débit d'air d'un moteur automobile diesel suralimenté par turbocompresseur 5 et comprenant : un filtre à particules, une première boucle de recyclage haute pression (22) équipée d'une première vanne pilotable (18), et reliant le collecteur d'échappement au collecteur 10 d'admission, une deuxième boucle de recyclage basse pression (23) équipée d'une deuxième vanne pilotable (16) et d'un refroidisseur d'air de suralimentation (17), et reliant la sortie du filtre à particules (14) à l'amont du 15 turbocompresseur, le procédé comprenant une étape consistant à : - recycler une partie au moins des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape 20 consistant à : -activer sélectivement la première ou la deuxième boucle de recyclage en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le 25 paramètre de fonctionnement du moteur est au moins l'un des éléments suivants : température d'eau, température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation du filtre à particules.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel 30 l'activation sélective est également fonction d'une détection de levée de pied du conducteur.
4. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
5. Dispositif de contrôle du débit d'air d'un moteur automobile diesel suralimenté par turbocompresseur, susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le moteur comprenant : un filtre à particules, une première boucle de recyclage haute pression (22) équipée d'une première vanne pilotable (18), et reliant le collecteur d'échappement au collecteur 15 d'admission, une deuxième boucle de recyclage basse pression (23) équipée d'une deuxième vanne pilotable (16) et d'un refroidisseur d'air de suralimentation (17), et reliant la sortie du filtre à particules (14) à l'amont du 20 turbocompresseur, le dispositif comprenant : - des moyens (21) de pilotage de la première (18) et de la deuxième (16) vanne pilotable, caractérisé en ce que : 25 - lesdits moyens de pilotage (21) sont configurés pour activer sélectivement la première ou la deuxième boucle en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.
6. Dispositif selon la revendication 5, comprenant 30 des moyens de mesure d'au moins l'un des paramètres de fonctionnement du moteur suivants : température d'eau,température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur du filtre à particules.
7. Dispositif selon la revendication 6, comprenant en outre des moyens pour détecter une levée de pied du 5 conducteur.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les moyens pour détecter une levée de pied du conducteur sont reliés aux moyens de pilotage (21).
9. Véhicule automobile équipé du dispositif selon 10 l'une quelconque des revendications 5 à 8.
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