Brevet FR2902466A1 — publié le 20071221

Système de recirculation de gaz d'échappement pour moteur à combustion du type Diesel suralimenté et procédé de commande d'un tel moteur La présente invention a pour objet un système de recirculation de gaz d'échappement à basse pression pour un moteur à combustion de véhicule automobile, du type diesel suralimenté, comprenant un dispositif de filtre à particules. L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un tel moteur à combustion. La présente invention se rapporte à la commande des moteurs à combustion, c'est-à-dire la gestion du fonctionnement des moteurs au moyen d'un ensemble de capteurs et d'actionneurs répondant à des lois de commande logicielle en fonction de paramètres de caractérisation et de calibration du moteur, mémorisés dans un calculateur appelé unité de contrôle électronique (UCE). Les normes limitant la quantité de polluants dans les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, en particulier les oxydes d'azote (NOx) et les particules de suie, sont de plus en plus sévères. Pour respecter ces normes, il est nécessaire de faire évoluer la conception des moteurs. Depuis quelques années, les moteurs à combustion comportent ainsi une boucle de recirculation reliant le collecteur d'échappement au plénum du collecteur d'admission. Par l'intermédiaire de cette boucle de recirculation, une partie des gaz d'échappement dits EGR (pour, en anglais : Exhaust Gaz Recirculation ) sont réintroduits à l'admission. Par conséquent, le mélange admis dans le moteur est composé d'air frais issu du compresseur, mélangé avec des gaz d'échappement EGR issus du collecteur d'échappement. On peut insérer une vanne (dite vanne EGR ) dans cette boucle de recirculation afin de réguler la quantité de gaz d'échappement recyclés à l'admission. Les gaz d'échappement ainsi recyclés et réadmis dans le moteur, sont inertes vis-à-vis de la combustion et ont pour effet de diminuer la température maximale de combustion et l'excès d'oxygène. 2 La formation des oxydes d'azotes NOx est favorisée par une température élevée et un taux d'oxygène élevé dans la combustion tandis que la formation des particules de suie est favorisée par un faible taux d'oxygène. L'admission de gaz d'échappement recyclés a donc pour conséquence directe de diminuer la quantité des oxydes d'azote NOx et d'augmenter le nombre de particules de suie issues de la combustion. Il est donc nécessaire de gérer la quantité de gaz d'échappement recyclés avec soin de façon à obtenir un compromis acceptable entre la quantité d'oxydes d'azote NOx et la quantité de particules de suie. Pour réduire les émissions de particules de suie, on installe généralement entre la turbine du turbocompresseur qui reçoit les gaz d'échappement du moteur et le dispositif silencieux monté dans la ligne d'échappement, un filtre à particules comprenant par exemple un ensemble de micro-canaux dans lesquels une grande partie des particules se trouvent piégées. Lorsque le filtre est saturé en particules de suie, il est nécessaire de le vider en brûlant les particules lors d'une phase appelée régénération . La régénération du filtre à particules peut être obtenue soit par un moyen de chauffage spécifique, soit par un réglage du fonctionnement du moteur permettant une oxydation des particules de suie par les gaz d'échappement. Pour améliorer encore les performances de pollution des moteurs Diesel, plusieurs modifications de la boucle de recirculation des gaz d'échappement ont été développées. Tout d'abord, un échangeur de chaleur a été placé dans la boucle de recirculation des gaz d'échappement afin de refroidir le mélange à l'admission et donc d'augmenter le remplissage du moteur et la quantité de gaz d'échappement recyclés admis dans le moteur. Selon un autre développement, une nouvelle boucle de recirculation des gaz d'échappement à basse pression a été utilisée. Une telle boucle de recirculation prélève les gaz d'échappement en aval du filtre à particules entre ce dernier et le silencieux, dans la ligne d'échappement du moteur. Les gaz d'échappement à basse pression ainsi prélevés sont ensuite réintroduits en amont du 3 compresseur afin que l'ensemble du mélange admis dans le moteur traverse l'échangeur de chaleur jouant le rôle de refroidisseur monté entre le compresseur et le plénum d'admission. L'efficacité de ce refroidisseur étant élevée et les gaz d'échappement prélevés en aval du filtre à particules ayant des températures beaucoup plus faibles qu'à la sortie du moteur, une telle boucle de recirculation à basse pression permet d'obtenir des températures plus faibles pour le mélange admis que dans le cas d'une boucle de recirculation classique même lorsque celle-ci comporte un dispositif de refroidissement. De ce fait, il est possible de réduire encore la quantité d'oxydes d'azote NOx produite à l'échappement grâce à l'abaissement de la température. De plus, selon cette technologie, les gaz d'échappement réintroduits dans le moteur contiennent très peu de particules de suie puisqu'ils ont tout d'abord traversé le filtre à particules contrairement à ce qui était le cas dans une boucle de recirculation de gaz d'échappement de type classique où les gaz d'échappement réintroduits à l'admission n'étaient pas filtrés et encrassaient la boucle de recirculation ainsi que le plénum d'admission et le moteur. La demande de brevet US 2005/0006978 décrit une telle boucle de recirculation de gaz d'échappement à basse pression dans laquelle l'introduction des gaz d'échappement recyclés dans le mélange à l'admission est faite au moyen d'un venturi créant une dépression capable d'aspirer les gaz devant être recyclés. Le taux des gaz d'échappement recyclés dans le mélange admis est régulé grâce à une commande de position de la vanne de recirculation montée sur la branche de dérivation des gaz d'échappement recyclés. Le taux des gaz d'échappement recyclés est le rapport du débit de ces gaz au débit total du mélange admis dans le moteur. Ce taux est estimé à partir d'une mesure de trois températures, à savoir la température du mélange admis en aval du venturi, la température de l'air en amont du venturi et la température des gaz d'échappement pénétrant dans le venturi. Dans cette réalisation, la différence de pression aux bornes de la vanne de recirculation est liée au point de fonctionnement du 4 moteur. Pour un point de fonctionnement du moteur à faible régime de rotation, la dépression créée par le venturi est très faible. Par conséquent, le débit des gaz d'échappement recyclés est limité et lié à la différence de pression aux bornes de la vanne de recirculation. La demande de brevet US 2005/00 45 407 comme le brevet US 5 806 308 décrivent également une boucle de recirculation à basse pression. Dans ces deux documents, il est prévu à la fois une vanne de recirculation EGR dans la boucle de recirculation et un volet à orientation variable placé dans la ligne d'échappement. Grâce une telle réalisation qui ne fait plus appel à un venturi comme dans le document précédent, il est possible de créer une différence de pression aux bornes de la vanne de recirculation EGR qui soit indépendante du point de fonctionnement du moteur. Toutefois, aucune loi de contrôle n'est prévue dans ce document pour une régulation convenable de la commande du moteur. La présente invention a pour objet un système et un procédé de commande de moteur à combustion du type Diesel suralimenté avec recirculation des gaz d'échappement à basse pression qui permettent de tenir compte dans les meilleures conditions, pour la régulation de la recirculation des gaz d'échappement, du point de fonctionnement instantané du moteur tout en assurant un temps de réponse minimal de la régulation. L'invention a également pour objet d'améliorer la dynamique de régulation d'un tel système de recirculation des gaz d'échappement. Dans un mode de réalisation, un système de recirculation de gaz d'échappement à basse pression est associé à un moteur à combustion de véhicule automobile du type Diesel suralimenté, comprenant un dispositif de filtre à particules et un volet d'échappement montés dans sa ligne d'échappement. Une boucle de recirculation est prévue entre la ligne d'échappement en aval du filtre à particules et une conduite d'admission d'air, avec une vanne de recirculation montée dans ladite boucle. Le système comprend des moyens de commande de la position de la vanne de recirculation et du volet d'échappement et des moyens de régulation d'un paramètre de fonctionnement du moteur, adaptés pour agir sur les moyens de commande de la position du volet d'échappement. Les moyens de commande de la position de la vanne de recirculation sont adaptés pour provoquer l'ouverture ou la fermeture de ladite vanne indépendamment des moyens de régulation. 5 La régulation est donc faite en agissant uniquement sur la position du volet d'échappement, tandis que la vanne de recirculation reste en position ouverte. Le temps de réponse du système s'en trouve amélioré. Dans un mode de réalisation préféré, le système comprend en outre des moyens d'activation et désactivation des moyens de régulation, capables d'activer et de désactiver les moyens de régulation et également d'agir sur les moyens de commande de la position de la vanne de recirculation pour provoquer l'ouverture ou la fermeture de ladite vanne. Les moyens d'activation et désactivation peuvent recevoir des informations concernant le fonctionnement du moteur, l'état des moyens de régulation ou l'environnement du véhicule et en déduire de désactiver ou d'activer la recirculation des gaz d'échappement et la régulation. En cas de désactivation, la vanne de recirculation reste en position fermée. Les moyens de régulation comprennent avantageusement un régulateur comportant une fonction intégrale. Dans ce cas, un comparateur de seuils est de préférence prévu pour recevoir le signal de commande de la position du volet d'échappement et supprimer l'action de ladite fonction intégrale lorsque les seuils sont dépassés. De préférence également, le système de recirculation de gaz d'échappement comprend des moyens d'initialisation de ladite fonction intégrale lors de l'activation des moyens de régulation. Il peut être avantageux, pour améliorer la dynamique de la régulation, de prévoir des moyens de prépositionnement du signal de commande de la position du volet d'échappement capables de déterminer une valeur de prépositionnement en fonction du point de fonctionnement du moteur et d'ajouter cette valeur au signal de sortie des moyens de régulation. 6 La grandeur régulée par les moyens de régulation peut être le débit d'air admis dans le moteur ou le taux de gaz de recirculation ou tout autre paramètre pertinent. Les valeurs de consigne de ces grandeurs sont de préférence déterminées au moyen de cartographies de valeurs de consigne en fonction du point de fonctionnement du moteur, ces cartographies étant mémorisées dans le système. Les grandeurs régulées sont en outre mesurées ou estimées par des moyens de détermination appropriés. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de commande d'un moteur à combustion de véhicule automobile du type Diesel suralimenté avec recirculation de gaz d'échappement à basse pression, dans lequel on régule un paramètre de fonctionnement du moteur en agissant uniquement sur un volet monté dans la ligne d'échappement du moteur. De préférence, on active et on désactive en outre la régulation en fonction de paramètres liés au fonctionnement du moteur ou de la régulation ou de paramètres d'environnement. Comme précédemment, la grandeur régulée peut être par exemple le débit d'air ou le taux des gaz d'échappement admis dans le moteur. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif illustré par les figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 illustre les principaux organes d'un moteur à combustion et de la boucle de recirculation des gaz d'échappement EGR ; - la figure 2 illustre le principe général de l'invention ; et - la figure 3 montre à titre d'exemple un mode de réalisation plus détaillé d'un système selon l'invention. Comme illustré sur la figure 1, un moteur à combustion 1 qui est ici un moteur Diesel, comporte un collecteur d'admission 2 et un collecteur d'échappement 3. Un turbocompresseur 4 comporte une 30 7 turbine 41 et un compresseur 42. Un refroidisseur 2a est monté entre le compresseur 42 et le collecteur d'admission 2. Les gaz d'échappement 6 qui passent à travers la turbine 41 sont acheminés vers un filtre à particules 7 à partir duquel une conduite de dérivation 8 permet de recycler une partie des gaz d'échappement vers le compresseur 42. Dans la conduite 8 se trouvent disposés un refroidisseur 9 et une vanne de recirculation EGR 10 de façon à refroidir et contrôler le débit des gaz d'échappement recyclés. La conduite 8 débouche dans une conduite 11 dans laquelle de l'air 13 peut circuler selon un débit qui peut être mesuré par un débitmètre 14. On notera que l'air 13 provient d'un filtre à air 15 connecté à une entrée d'air 16. L'ensemble composé de la conduite 8, du filtre à particules 7, du turbocompresseur 4 et de la conduite 11 forme une boucle de recirculation basse pression schématisée par le cercle 17 sur la figure 1. A la sortie du filtre à particules 7, les gaz d'échappement qui ne sont pas recyclés sont évacués dans une conduite d'échappement 18 dans laquelle se trouvent montés un volet d'échappement 19 et un dispositif silencieux 20. Le volet d'échappement 19 est commandé par l'intermédiaire d'une connexion 21 par laquelle transite un signal de commande provenant d'une unité de contrôle électronique UCE 22. La vanne de recirculation 10 est également commandée par l'intermédiaire d'une connexion 23 qui reçoit un signal de commande issu de l'unité de contrôle électronique 22. Ladite unité de contrôle électronique 22 reçoit différentes informations en provenance du moteur par des connexions non représentées ainsi que la mesure du débit d'air provenant du débitmètre 14, le signal étant véhiculé par la connexion 24. En se reportant à la figure 2 qui illustre dans son principe le système selon la présente invention, on voit que celui-ci comprend des moyens de régulation référencés 25 dans leur ensemble capables d'émettre un signal de commande de la position du volet d'échappement 19 par la connexion 21. A l'entrée des moyens de régulation 25, le signal d'erreur provient d'une comparaison entre une valeur de consigne Cons d'une grandeur de régulation et une valeur 8 mesurée ou estimée Mes de la même grandeur de régulation. La comparaison est effectuée au moyen de l'additionneur 26 qui reçoit la valeur de consigne sur son entrée positive et la valeur mesurée sur son entrée négative. Le système tel qu'illustré sur la figure 2 comprend en outre des moyens 27 d'activation et de désactivation qui agissent par la connexion 28 sur les moyens de régulation 25 de façon à activer ou désactiver la régulation. De plus, les moyens d'activation et de désactivation 27 agissent par la connexion 29 sur un bloc d'activation conditionnelle 30 qui provoque, par la connexion 23, l'ouverture ou la fermeture de la vanne de recirculation EGR 10. Lors de l'activation de la régulation, la vanne de recirculation EGR référencée 10 sur la figure 1 est ouverte de manière instantanée. Simultanément, en raison de l'activation des moyens de régulation 25, la position du volet d'échappement 19 est commandée de façon à réguler la grandeur à réguler souhaitée. La grandeur à réguler peut être le débit d'air, ou le taux de gaz d'échappement recyclés ou d'une manière générale toute grandeur appropriée. La figure 3 illustre de manière plus précise un mode de réalisation pratique dans lequel on retrouve les éléments principaux illustrés sur les figures précédentes et portant les mêmes références. Dans ce mode de réalisation pratique, les moyens de régulation 25 comprennent un régulateur du type proportionnel intégral dérivé (PID). D'autres types de régulateurs pourraient être envisagés, notamment un régulateur du type proportionnel intégral. Le gain des fonctions proportionnelles et intégrales est choisi de manière appropriée. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, la grandeur mesurée est le débit d'air. La valeur de consigne Qa,r-cons est déterminée en fonction du point de fonctionnement du moteur à partir d'une cartographie 31 mémorisée dans le système en fonction du régime de rotation du moteur Nmot et du couple C. 9 La valeur du débit d'air effectivement admis Qair-mes est mesurée par le débitmètre 14 (figure 1). En variante, on pourrait utiliser une valeur estimée par un des moyens d'estimation. Pour améliorer la dynamique de fonctionnement de la régulation et s'assurer que cette régulation se fait de préférence dans une plage linéaire, on a prévu dans le mode de réalisation décrit sur la figure 3, des moyens de prépositionnement du signal de commande de la position du volet d'échappement 19. A cet effet, une valeur de prépositionnement Pré est déterminée par une cartographie 32 également mémorisée dans le système en fonction du régime de rotation du moteur Nmo, et du couple du moteur. La valeur de prépositionnement ainsi déterminée est amenée par la connexion 33 à l'entrée positive d'un additionneur 34 qui reçoit par ailleurs sur son autre entrée positive, le signal élaboré par le régulateur 25. Les moyens d'activation et de désactivation référencés 27 agissent directement par la connexion 29 sur le bloc de commande 35 qui est capable de commander l'ouverture ou la fermeture de la vanne de recirculation 10. La position de la vanne de recirculation 10 est soit ouverte, ce qui est schématisé par le bloc 36 noté 1 sur la figure 3, ou fermée, ce qui est schématisé par le bloc 37 noté 0 sur la figure 3. Il s'agit donc d'une commande en tout ou rien et non pas d'une commande de position proportionnelle à un signal quelconque. Les moyens de désactivation et activation 27 agissent également comme précédemment indiqué par la connexion 28 sur la régulation de la commande de position du volet d'échappement par l'intermédiaire d'un bloc de commande 38 qui autorise le transfert du signal de commande issu de l'additionneur 34 jusqu'à la connexion 21 ou au contraire neutralise le signal de commande de régulation en laissant le volet d'échappement en position ouverte, ce qui est symbolisé par le bloc 39 référencé 0 sur la figure 3. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, il a également été prévu un moyen de suppression de la fonction intégrale du régulateur 25 en cas de saturation de la commande. Le bloc de saturation 40 vérifie en effet que le signal de commande élaboré par le 10 régulateur reste compris entre un seuil maximal et un seuil minimal. En cas de saturation, c'est-à-dire lorsque le signal excède le seuil maximal ou est inférieur au seuil minimal, un signal est émis par la connexion de retour 41 neutralisant la fonction intégrale du régulateur 25. En outre, compte tenu du fait que la régulation peut être désactivée par le moyen d'activation et désactivation 27, il est utile de prévoir des moyens d'initialisation 42 de la partie intégrale du régulateur 25 au moment de l'activation de la régulation. Le bloc d'initialisation 42 reçoit donc un signal par la connexion 43 lors de l'activation de la régulation et est capable d'émettre un signal d'initialisation qui est transmis par la connexion 44 au régulateur 25. La désactivation de la régulation par les moyens 27 pourra dépendre de diverses informations reçues par ces moyens Par exemple, on désactivera avantageusement la régulation en cas de demande de forte accélération, en phase de démarrage du véhicule, lorsque le régime de rotation du moteur excède un seuil maximal ou au contraire est inférieur à un seuil minimal, lorsque la température de refroidissement du moteur excède un seuil maximal ou lorsque la pression atmosphérique est inférieure à un seuil minimal. On désactivera également la régulation en cas de détection de défauts de fonctionnement de la régulation. Ce sera par exemple le cas si l'écart est négatif, ou si le fonctionnement de la vanne de recirculation ou du volet d'échappement est défectueux. Enfin on désactivera également la régulation en cas de détection de défauts de fonctionnement de différents capteurs utiles à la régulation tels que les capteurs de la pression atmosphérique, de la pression de l'air à la sortie du compresseur, de la température du liquide de refroidissement du moteur ou de la température de l'air admis dans le moteur Lors d'une désactivation de la régulation, la vanne de recirculation EGR 10 est instantanément fermée et la valeur de consigne de la position du volet d'échappement 19 passe à zéro grâce au bloc de commande 38 (position en tirets sur la figure 3), plaçant ainsi le volet 19 en position ouverte. 11 Lorsque la régulation est à nouveau activée, la vanne de recirculation EGR 10 est instantanément ouverte et la valeur de consigne de la position du volet d'échappement 19 est égale à la somme de la valeur de prépositionnement Pré et du signal de sortie du régulateur 25. Au moment de la réactivation de la régulation, la partie intégrale du régulateur PID 25 fait l'objet d'une initialisation. Dans l'exemple de réalisation illustré, la grandeur régulée est le débit d'air. Si la grandeur régulée est le taux des gaz d'échappement recyclés (EGR), la structure du système n'est pas modifiée. La valeur mesurée ou estimée du débit d'air est simplement remplacée par une valeur estimée du taux des gaz d'échappement recyclés (EGR). La demande de brevet US 2004/0006978 déjà citée au préambule de la présente description donne un exemple d'estimation d'un tel taux à partir de la mesure de trois températures à laquelle on pourra se reporter. Une autre manière de procéder à une telle estimation est d'utiliser une équation de conservation de la masse dans le collecteur d'admission du moteur. A cet effet, il convient de mesurer la température et la pression du mélange d'air et de gaz d'échappement dans le plénum d'admission. Le débit d'air admis doit également être mesuré ou estimé. Il est alors possible de calculer le débit Qmot des gaz admis dans le moteur selon la formule : = P r)vor'N'V 1 mot R.T x 120 où T est la température dans le plénum, P est la pression dans le plénum, 30 R est la constante des gaz parfaits, vo, est le rendement volumétrique du moteur, N est le régime de rotation du moteur, Vcy, est la cylindrée totale du moteur. 5 On peut en déduire le taux tegr des gaz d'échappement recyclés selon la formule : Qegr t = egr Qegr + Qair où Qegr = Q m o[-Qair et où Qair est le débit d'air admis tel qu'il a été mesuré ou estimé. REVENDICATIONS 1. Système de recirculation de gaz d'échappement à basse pression pour un moteur à combustion de véhicule automobile du type Diesel suralimenté, comprenant un dispositif de filtre à particules (7) et un volet d'échappement (19) montés dans sa ligne d'échappement, une boucle de recirculation entre la ligne d'échappement en aval du filtre à particules et une conduite d'admission d'air, une vanne (10) de recirculation du gaz d'échappement montée dans ladite boucle, comprenant des moyens de commande de la position de la vanne de recirculation et du volet d'échappement et des moyens de régulation (25) d'un paramètre de fonctionnement du moteur, adaptés pour agir sur les moyens de commande de la position du volet d'échappement, caractérisé par le fait que les moyens de commande de la position de la vanne de recirculation sont adaptés pour provoquer l'ouverture ou la fermeture de ladite vanne indépendamment des moyens de régulation. 2. Système selon la revendication 1 comprenant en outre des moyens (27) d'activation et désactivation des moyens de régulation, capables d'activer et de désactiver les moyens de régulation (25) et également d'agir sur les moyens de commande de la position de la vanne de recirculation pour provoquer l'ouverture ou la fermeture de ladite vanne. 3. Système selon les revendications 1 ou 2 dans lequel les moyens de régulation comprennent un régulateur comportant une fonction intégrale. 4. Système selon la revendication 3 comprenant un comparateur de seuils (40) recevant le signal de commande de la position du volet d'échappement et adapté pour supprimer l'action de ladite fonction intégrale lorsque les seuils sont dépassés. 5. Système selon les revendications 3 ou 4 comprenant des moyens (42) d'initialisation de ladite fonction intégrale lors de l'activation des moyens de régulation. 14 6. Système selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens (32) de prépositionnement du signal de commande de la position du volet d'échappement capables de déterminer une valeur de prépositionnement en fonction du point de fonctionnement du moteur et d'ajouter cette valeur au signal de sortie des moyens de régulation. 7. Système selon l'une des revendications précédentes comprenant une cartographie (31) de valeurs de consigne du débit d'air admis dans le moteur en fonction du point de fonctionnement du moteur et un moyen de détermination du débit d'air admis dans le moteur, ladite valeur de consigne étant amenée à l'entrée des moyens de régulation. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant une cartographie de valeurs de consigne du taux de gaz de recirculation admis dans le moteur en fonction du point de fonctionnement du moteur et un moyen de détermination du taux de gaz de recirculation, ladite valeur de consigne étant amenée à l'entrée des moyens de régulation. 9. Procédé de commande d'un moteur à combustion de véhicule automobile du type Diesel suralimenté avec recirculation de gaz d'échappement à basse pression caractérisé par le fait qu'on régule un paramètre de fonctionnement du moteur en agissant uniquement sur un volet monté dans la ligne d'échappement du moteur. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on active et on désactive en outre la régulation en fonction de paramètres liés au fonctionnement du moteur ou de la régulation ou de paramètres d'environnement.