WO2020083826A1

WO2020083826A1 - Procede de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d'echappement dans un dispositif de traction pour vehicule automobile

Info

Publication number: WO2020083826A1
Application number: PCT/EP2019/078548
Authority: WO
Inventors: Cedric LEFEVRE; Vincent-Pierre AVONS; Luc Pereira
Original assignee: Renault S.A.S
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-04-30
Also published as: FR3087844A1; FR3087844B1

Abstract

Un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d'échappement dans un dispositif de traction pour véhicule automobile comportant un moteur fonctionnant en mélange pauvre et un turbocompresseur, le procédé comprenant : l'établissement d'une consigne de masse d'air frais entrant dans le moteur (Q_air); l'établissement d'une consigne de taux de recirculation des gaz d'échappement (_T,,,); l'établissement d'une consigne de quantité de carburant injecté (Qinj) dans un ou plusieurs cylindres du moteur; la détermination d'une consigne de pression de suralimentation (P_coi) dans un collecteur d'admission du moteur, déterminée en fonction de la consigne de masse d'air frais entrant dans le moteur (Q_air) et de la consigne de taux de recirculation des gaz d'échappement (x_egr), pour l'application d'une puissance prédéterminée au moteur; l'établissement d'une consigne de richesse maximale admissible (Ri_max); et l'ajustement (16) de la consigne de taux de recirculation des gaz d'échappement (T_egr) lorsque la pression de suralimentation (P_coi) est inférieure à la consigne de pression de suralimentation (P_coi) déterminée, afin de maintenir une valeur de richesse inférieure ou égale à la consigne de richesse maximale admissible (Ri_max).

Description

PROCEDE DE COORDINATION DE CONSIGNES DE SURALIMENTATION ET DE RECIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT DANS UN DISPOSITIF DE

TRACTION POUR VEHICULE AUTOMOBILE

La présente invention se rapporte, de manière générale, à la suralimentation et à la recirculation des gaz d’échappement dans un dispositif de traction de véhicule automobile.

Plus précisément, l’invention se rapporte à un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de consignes de recirculation des gaz d’échappement dans un dispositif de traction de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, notamment un moteur de type diesel, et un turbocompresseur.

Dans un véhicule automobile, il est fréquent d’augmenter les performances d’un moteur à combustion en procédant à sa suralimentation. La suralimentation consiste à favoriser le taux de remplissage des cylindres par introduction d’air dans le collecteur d’admission à une pression supérieure à la pression atmosphérique grâce à un turbocompresseur, et se traduit par l’augmentation de la puissance du moteur à une vitesse de rotation similaire.

Par ailleurs, les normes de dépollution courantes imposent un contrôle des émissions d’oxydes d’azote (NOx). A cet égard, une technique de recirculation des gaz d’échappement, dite « EGR » de l’anglais « Exhaust Gaz Recirculation », consiste en la redirection d’une partie des gaz d’échappement vers le collecteur d’admission, ce qui permet d’abaisser la température de combustion et de réduire la quantité d’oxygène dans les cylindres et, par conséquent, de diminuer les émissions de NOx.

Classiquement, le fonctionnement du moteur, notamment son régime et son couple, peuvent être réglés par la quantité d’air admise dans le collecteur d’admission, en comprimant plus ou moins les gaz grâce au turbocompresseur, par la quantité de gaz d’échappement recyclés à l’admission du moteur, en pilotant une vanne, et par la quantité de carburant injectée dans les cylindres en pilotant l’ouverture des injecteurs.

Cependant, les deux procédés de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement interagissent et leur mise en œuvre combinée est complexe.

De plus, le turbocompresseur est soumis à des contraintes thermomécaniques limitant sa capacité de compression et limitant ainsi la pression de suralimentation et/ou le taux de compression.

En effet, en altitude, la pression de l’air admis dans le moteur diminue. Afin de conserver la même masse d’air admise pour la production d’un couple identique à un couple obtenu à une altitude située au niveau de la mer (i. e. à une pression égale à 1 bar), et afin d’assurer un niveau de richesse constant garant d’un niveau d’émission de NOx maîtrisée, il est nécessaire d’augmenter le rapport de compression du compresseur du turbocompresseur afin de rester à une pression de suralimentation P_coi constante.

En outre, par forte température ambiante, la température d’admission T_coi est susceptible d’augmenter, conduisant à une baisse de la densité de l’air admis. Il convient donc d’augmenter la pression de suralimentation P_coi afin de conserver une masse d’air admise constante pour la production d’un couple et afin de conserver un niveau de richesse constant garant d’une émission de NOx maîtrisée.

Enfin, la contre-pression à l’échappement, peut notamment varier avec le chargement en suies du filtre à particules dont le dispositif de traction du véhicule automobile peut être équipé, en aval d’une turbine du turbocompresseur. Il convient alors pour maintenir la même masse d’air admise pour la production du couple et assurer un niveau de richesse constant garant d’une émission maîtrisé, d’avoir un taux de compression constant.

Cependant, cette hausse de rapport de compression finit par se heurter à des limites du turbocompresseur relatives à des contraintes thermomécaniques liées, par exemple : au régime de rotation maximal du turbocompresseur, avec le risque pour le turbocompresseur de rentrer dans une zone dite de pompage ; au rapport de compression maximal, avec un risque de survitesse pouvant engendrer une casse mécanique ; à la température maximale en aval du compresseur, avec un risque de cokéfaction d’huile et un risque de résistance des conduits d’air situés en aval du compresseur ; à la température en amont de la turbine du turbocompresseur. Cette hausse du rapport de compression peut encore se heurter à des limites liées à la pression maximale en amont de la turbine pouvant engendrer la ré-ouverture des soupapes d’échappement du moteur si elle est dépassée.

Par conséquent, les consignes de suralimentation ainsi que le procédé de coordination des consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement doivent être adaptées aux limites du turbocompresseur.

L’invention concerne alors un procédé permettant de coordonner les consignes de suralimentation et les consignes de recirculation des gaz en tenant compte des limites thermomécaniques du turbocompresseur.

Il est donc proposé un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement dans un dispositif de traction pour véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre et un turbocompresseur, le procédé comprenant : l’établissement d’une consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur ; l’établissement d’une consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement ; l’établissement d’une consigne de quantité de carburant injecté dans un ou plusieurs cylindres du moteur ; la détermination d’une consigne de pression de suralimentation dans un collecteur d’admission du moteur, déterminée en fonction de la consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur et de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement, pour l’application d’une puissance prédéterminée au moteur ; l’établissement d’une consigne de richesse maximale admissible ; et l’ajustement de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement lorsque la pression de suralimentation est inférieure à la consigne de pression de suralimentation déterminée, afin de maintenir une valeur de richesse inférieure ou égale à la consigne de richesse maximale admissible.

De préférence, le procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement comprend l’établissement d’une consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement et la diminution de la consigne de quantité de carburant injecté lorsque la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement ajustée a atteint la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement.

Selon un mode de réalisation, la valeur de la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement est définie en fonction du régime et du couple moteur, du type de recyclage partiel des gaz d’échappement à l’admission qui est utilisé (à haute pression et/ou à basse pression) et du débit minimal desdits gaz recyclés qui soit contrôlables par le ou les actionneurs de réglage correspondants (vannes). Elle peut éventuellement être égale à zéro.

Avantageusement, le procédé peut comprendre la détermination d’une consigne de pression de suralimentation maximale pouvant être générée par le turbocompresseur à partir des consignes de masse d’air frais entrant dans le moteur, de taux de recirculation des gaz d’échappement, de quantité de carburant injecté, de richesse maximale admissible et en fonction d’au moins un paramètre limitant le fonctionnement du turbocompresseur.

De préférence, la pression de suralimentation maximale est déterminée en fonction d’au moins un paramètre limitant le fonctionnement du turbocompresseur parmi : la température ambiante, l’altitude et la contre-pression à l’échappement.

En outre, le procédé peut comprendre le calcul d’un débit d’air réellement admis par le moteur en fonction de la pression de suralimentation courante et du taux de recirculation des gaz d’échappement courant.

De plus, le procédé peut comprendre l’ajustement de la consigne de quantité de carburant injecté en fonction du débit d’air réellement admis calculé et de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement ajustée.

D’autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- La figure 1 illustre un dispositif de traction pour véhicule automobile comprenant un moteur diesel et un turbocompresseur ;

- La figure 2 illustre un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement dans un moteur pour véhicule automobile comportant un turbocompresseur, selon l’invention ; et

- Les figures 3 a, 3b, 3c et 3d illustrent respectivement, l’évolution de la masse d’air frais entrant dans le moteur, de la pression de suralimentation, de la richesse et le taux de recirculation des gaz d’échappement, en fonction du temps, lors de différentes étapes d’un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement, dans des conditions d’incapacité progressive du turbocompresseur.

La figure 1 illustre un dispositif de traction pour véhicule automobile comprenant un moteur à combustion 1 et un turbocompresseur 2.

Dans l’exemple illustré, le moteur est un moteur diesel à quatre cylindres comprenant un turbocompresseur à géométrie variable.

Selon l’invention, le moteur est un moteur qui fonctionne en mélange pauvre, c’est-à-dire plus précisément, à une richesse inférieure à 1 , le couple moteur étant ajusté en réglant une quantité plus ou moins grande de carburant injecté dans le moteur, dans des proportions par rapport à la quantité d’air qui sont inférieures aux proportions stoechiométriques.

Chaque cylindre est avantageusement équipé d’un injecteur de carburant pour l’injection d’une quantité de carburant Q _{l n}j dans le moteur. Un circuit d’admission 3 permet l’admission d’air dans les cylindres du moteur 1 et un circuit d’échappement 4 permet l’échappement des gaz produits après combustion.

Un compresseur 5 du turbocompresseur est disposé en amont des cylindres et est configuré pour comprimer l’air qui le traverse. Un refroidisseur d’air peut être placé en aval du compresseur afin de refroidir l’air dont la température a augmenté lors de sa compression.

Un volet d’admission 7 permet de contrôler l’admission d’air dans un collecteur d’admission 8 du circuit d’admission 3 où régnent une pression de suralimentation P_coi et une température T_coi.

Après combustion, les gaz d’échappement sortent dans un collecteur d’échappement 9 du circuit d’échappement 4 et se dirigent vers une turbine 6 du turbocompresseur, disposée en aval des cylindres et configurée pour détendre l’air qui la traverse.

Avantageusement, sont également disposés des dispositifs de dépollution tels qu’un catalyseur 10 et un filtre à particules 1 1 , en aval de la turbine 6.

En outre, le dispositif de traction comprend au moins un circuit de recirculation des gaz d’échappement, EGR.

Dans l’exemple illustré, le dispositif de traction comprend un circuit de recirculation des gaz d’échappement à haute pression 12 configuré pour prélever une partie au moins des gaz d’échappement du collecteur d’échappement, en aval du moteur 1 et en amont de la turbine 6, et les rediriger en amont du moteur 1 et en aval du compresseur 5.

De préférence, le dispositif de traction comprend également un circuit de recirculation des gaz d’échappement à basse pression 13 configuré pour prélever une partie au moins des gaz d’échappement du collecteur d’échappement, en aval de la turbine 6, et avantageusement en aval des dispositifs de dépollution, et les rediriger en amont du compresseur 5.

La quantité des gaz redirigés via les circuits de recirculation à haute pression 12 et à basse pression 13 est avantageusement contrôlée par une vanne, respectivement 14 et 15. Dans un mode de réalisation non représenté, la quantité de gaz d’échappement à basse pression recyclés à l’admission peut aussi être contrôlée par une vanne à l’échappement du moteur, c’est-à-dire par une vanne montée dans le circuit d’échappement 4 du moteur, en un point situé en aval du point de prélèvement desdits gaz d’échappement à basse pression recyclés à l’admission. La fermeture d’une telle vanne est apte à créer une contrepression à l’échappement et à forcer la circulation desdits gaz dans le circuit de recirculation à basse pression 13.

La figure 2, illustre un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement.

Le procédé comprend l’établissement d’une consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur Q _air , d’une consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr et d’une consigne de quantité de carburant injecté Q _{l n}j dans les cylindres du moteur 1 .

Par consigne, on entend, une valeur imposée d’un paramètre auquel elle est appliquée.

De plus, une consigne de pression de suralimentation P_coi dans le collecteur d’admission 8 du moteur 1 est déterminée en fonction des consignes de masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r et de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr, pour l’application d’une puissance prédéterminée au moteur 1 .

Une consigne de richesse maximale admissible Ri_max à ne pas dépasser est également établie et, lorsque la pression de suralimentation P _coi est inférieure à la consigne de pression de suralimentation P_coi déterminée, le procédé comprend la détermination 16 d’une consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr ajustée afin de maintenir la valeur de richesse inférieure ou égale à la consigne de richesse maximale admissible Ri_max. La valeur de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr est avantageusement diminuée jusqu’à un taux minimal, qui peut être déterminé en fonction du régime et du couple moteur, du type de circuit de recirculation 12, 13 et du débit minimal desdits gaz recyclés qui soit contrôlable par une vanne 14, 15. Il correspond une quantité maximale admissible de NOx.

La consigne de richesse maximale admissible Ri_max peut être ajustée en fonction du point de fonctionnement du moteur et du caractère dynamique ou statique, en d’autres termes, du fait que le point de fonctionnement du moteur soit un point transitoire ou stabilisé.

De préférence, le procédé de coordination comprend l’établissement d’une consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement T_{e g}rmin .

Lorsque la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement r_egr ajustée a atteint la valeur de la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement T _{e g}rmin et ne peut plus être diminuée, sauf à entraîner des émissions de NOx inacceptables, le procédé comprend la détermination 17 d’une quantité de carburant injecté Q _{l n}j ajusté. La valeur de la quantité de carburant Q _{l n}j est avantageusement diminuée.

Dans l’exemple illustré, la valeur de la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement r_{e g}rmin est strictement supérieure à zéro.

De préférence, le procédé de coordination comprend la détermination d’une consigne de pression de suralimentation maximale P _coimax pouvant être générée par le turbocompresseur 2 en prenant en compte au moins un paramètre susceptible d’affecter le fonctionnement du turbocompresseur 2.

Cette consigne de pression de suralimentation maximale P _Coimax réalisable tenant compte des limitations du turbocompresseur 2 peut avantageusement être calculée à partir des consignes de masse d’air frais traversant le compresseur et entrant dans le moteur Q _air , de taux de recirculation des gaz d’échappement r_egr, de quantité de carburant injecté Q inj , et de richesse maximale admissible Ri_max.

La pression de suralimentation maximale P _{c o} im_ax est, de préférence, déterminée en fonction d’au moins un paramètre limitant le fonctionnement du turbocompresseur 2.

Parmi ces paramètres limitants, on prendra, de préférence, en compte : la température ambiante, l’altitude et la contre-pression à l’échappement.

La figure 3 illustre un mode de réalisation d’un procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement dans des conditions de limitations du fonctionnement du turbocompresseur 2 et illustre notamment différentes étapes mises en œuvre en fonction de l’incapacité progressive du turbocompresseur 2 face, par exemple, à l’altitude, la température ambiante ou la contre- pression à l’échappement qui augmente par rapport à des conditions standards dans lesquelles par exemple la température ambiante est égale à 20°C et l’altitude de zéro mètre au niveau de la mer.

Dans une première étape 18, le turbocompresseur 2 compense les conditions limitantes et maintient une consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r similaire à une consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r dans des conditions standards, comme on peut le voir à la figure 3a.

On peut voir à la figure 3b que la pression de suralimentation P _{c o i} est maintenue à une pression de suralimentation maximale P co imax , en trait plein, ou augmentée si nécessaire jusqu’à la pression de suralimentation maximale P co imax , en pointillé.

Comme cela est illustré à la figure 3c, la richesse est maintenue à une valeur inférieure à la consigne de richesse maximale admissible Ri_max et la consigne de taux recirculation des gaz d’échappement z_egr, visible à la figure 3d est maintenue similaire à un fonctionnement du dispositif de traction dans des conditions standards. L’émission de NOx est maîtrisée.

Dans une deuxième étape 19, les conditions s’éloignent plus encore des conditions standards, et commencent à limiter le fonctionnement du turbocompresseur 2, la masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r diminue ainsi que la pression de suralimentation P _{c o i} qui s’éloignent de la consigne de pression de suralimentation maximale P_coimax-

Dans ces conditions, la richesse augmente, ainsi donc que la production de suies, mais reste inférieure à la consigne de richesse maximale admissible Ri_max au-dessus de laquelle la production de suies n’est plus acceptable. La consigne de recirculation des gaz d’échappement z_egr est donc maintenue égale à la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr dans des conditions standards. Dans une troisième étape 20, sous des conditions de plus en plus limitantes du fonctionnement du turbocompresseur 2, la masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r et la pression de suralimentation P_coi ont diminué, de sorte que la richesse a augmenté et a atteint la consigne de richesse maximale admissible Ri_max.

La consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement z_egr est alors ajustée et limitée de sorte que la richesse soit maintenue à une valeur qui ne dépasse pas la consigne de richesse maximale admissible

Rimax ·

Dans une quatrième étape 21 , les conditions sont devenues plus limitantes encore et la masse d’air frais entrant dans le moteur Q_a;r et la pression de suralimentation P_coi ont plus encore diminué.

De plus, la consigne de taux minimal de recirculation des gaz e_grmin, strictement supérieure à zéro dans l’exemple illustré, est atteinte. La consigne de taux de recirculation des gaz T _{e g}rmin ne peut plus être diminuée.

La quantité de carburant injecté Qi_nj est alors diminuée, ce qui a pour conséquence, en dernier ressort, une diminution du couple du moteur 1 .

On pourra prévoir que le dispositif de traction du véhicule automobile comprenne un catalyseur de réduction sélective de réductions des NOx ou d’ajuster la quantité de réducteur si le véhicule en est déjà équipé, de manière à compenser l’absence de recirculation des gaz d’échappement et de manière à réduire les émissions de NOx lorsque la consigne de recirculation des gaz d’échappement z_egr est égale à un taux minimal donné et ne peut plus être diminuée.

Dans un mode de réalisation du procédé de coordination des consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement, on pourra également prévoir qu’il comprenne le calcul d’un débit d’air réellement admis par le moteur en fonction de la pression de suralimentation courante P_coi et du taux courant de recirculation des gaz d’échappement z_egr.

Avantageusement, la consigne de quantité de carburant injecté Q _{l n}j pourra être ajustée en fonction du débit d’air réellement admis calculé et de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement courant T_{e g}r afin de tenir compte au mieux des limitations du turbocompresseur 2.

Le procédé de coordination des consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement permet de corréler la consigne de recirculation des gaz d’échappement T_egr et la capacité de suralimentation du turbocompresseur 2 au travers d’une cible de richesse maximale admissible à ne pas dépasser.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé de coordination de consignes de suralimentation et de recirculation des gaz d’échappement dans un dispositif de traction pour véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre et un turbocompresseur, le procédé comprenant :

l’établissement d’une consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur ( Q _air) ;

l’établissement d’une consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement (r_egr) ;

l’établissement d’une consigne de quantité de carburant injecté ( Q inj ) dans un ou plusieurs cylindres du moteur ; et

la détermination d’une consigne de pression de suralimentation (P_coi) dans un collecteur d’admission du moteur, déterminée en fonction de la consigne de masse d’air frais entrant dans le moteur ( Q _air) et de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement (r_egr) , pour l’application d’une puissance prédéterminée au moteur ;

l’établissement d’une consigne de richesse maximale admissible (Ri_max) ; et

l’ajustement ( 16) de la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement (r _egr) lorsque la pression de suralimentation (P coi) est inférieure à la consigne de pression de suralimentation (P _{c o}i ) déterminée, afin de maintenir une valeur de richesse inférieure ou égale à la consigne de richesse maximale admissible (Ri_max).

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comprend :

l’établissement d’une consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement (r_egrmin) ; et

la diminution ( 17) de la consigne de quantité de carburant injecté ( Q inj ) lorsque la consigne de taux de recirculation des gaz d’échappement (x _{e g}r) ajustée a atteint la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement (T_{e g}rmin) .

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de la consigne de taux minimal de recirculation des gaz d’échappement (r _{e g}rmin) est déterminée en fonction du régime et du couple moteur, du type de recirculation des gaz et du débit minimal des gaz recyclés qui soit contrôlable.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend la détermination d’une consigne de pression de suralimentation maximale (P co imax) pouvant être générée par le turbocompresseur à partir des consignes de masse d’air frais entrant dans le moteur ( Q _air) , de taux de recirculation des gaz d’échappement (r _{e gr}) , de quantité de carburant injecté ( Q inj ) , de richesse maximale admissible (Ri_max) et en fonction d’au moins un paramètre limitant le fonctionnement du turbocompresseur.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pression de suralimentation maximale (P _Co i_{m ax}) est déterminée en fonction d’au moins un paramètre limitant le fonctionnement du turbocompresseur parmi : la température ambiante, l’altitude et la contre-pression à l’échappement.

6. Procédé selon l’une des revendications 4 ou 5 , caractérisé en ce qu’il comprend le calcul d’un débit d’air réellement admis par le moteur en fonction de la pression de suralimentation courante (P_coi) et du taux de recirculation des gaz d’échappement courant (r_{e g}r) .

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comprend l’ajustement de la consigne de quantité de carburant injecté ( Q inj ) en fonction du débit d’air réellement admis calculé et du taux de recirculation des gaz d’échappement courant (r_{e g}r) .