Brevet FR2907506A1 — publié le 20080425

Procédé et dispositif de détection de l'encrassement d'un échangeur pour recyclage des gaz d'échappement dans un moteur Diesel. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de l'encrassement d'un échangeur de chaleur pour le recyclage des gaz d'échappement dans un moteur Diesel de véhicule automobile. Pour répondre aux normes actuelles d'anti-pollution et donc réduire la pollution atmosphérique occasionnée par les gaz d'échappement des moteurs Diesel montés notamment dans les véhicules automobiles, ces gaz doivent passer dans un circuit de recyclage. Ainsi, le recyclage des gaz d'échappement permet de réduire les émissions polluantes, en particulier les émissions d'oxydes d'azote, qui seront sévèrement limitées dès l'application des prochaines normes de dépollution. Pour augmenter le potentiel de réduction des oxydes d'azote à iso émission de particules, il faut refroidir les gaz recyclés, par un dispositif refroidisseur de type échangeur de chaleur gaz/eau ou air/air, pouvant être constitué par le circuit lui-même. Mais les échanges thermiques du refroidisseur comme les pertes de charge du circuit de recyclage des gaz dérivent au fil des kilomètres parcourus par le véhicule en raison du dépôt de particules et d'hydrocarbures dans le circuit de recyclage des gaz d'échappement dit EGR. Cette dérive peut être incompatible avec le maintien des niveaux d'émissions polluantes fixés par les normes, qui imposent leur maintien sur plusieurs dizaines de milliers de kilomètres de fonctionnement du moteur Diesel. Une solution pour détecter l'encrassement d'un échangeur dans le circuit de recyclage des gaz d'échappement est décrite dans le brevet US 6 904 898, au nom de VOLVO, qui décrit un procédé de réduction de la charge en particules d'un refroidisseur EGR par mesure des températures en amont et en aval, suivie d'un calcul d'efficacité du refroidisseur. Le but de l'invention est la détection de l'encrassement d'un échangeur de circuit de recyclage des gaz d'échappement EGR d'un moteur Diesel à partir de l'évolution des pertes de charge à ses bornes. Pour cela, le procédé de détection consiste en une mesure directe de la perméabilité de l'échangeur, connaissant la courbe d'évolution de la section équivalente réalisée avec un échangeur neuf. 2907506 2 Un premier objet de l'invention est un procédé de détection de l'encrassement d'un échangeur de chaleur placé dans un circuit de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, raccordé d'une part à la sortie des gaz du moteur et d'autre part à l'admission de l'air par l'intermédiaire d'une vanne de 5 recyclage des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il estime le niveau de perméabilité de l'échangeur, exprimé notamment par sa section équivalente Se, calculée à partir du débit QEGR des gaz d'échappement traversant l'échangeur et dont la masse volumique p est connue, et de la différence de pression totale APt aux bornes de l'échangeur selon la formule suivante : 10 S = QEGR e \/2*p*AP, puis comparée à un seuil minimal, cartographié lors de la mise au point du moteur pour différents points de fonctionnement correspondant à différentes températures du mélange gazeux représentatives des températures réelles du mélange des gaz d'échappement recyclés, et en ce qu'il détecte un encrassement de l'échangeur quand 15 la section équivalente calculée est inférieure audit seuil cartographié. Selon une autre caractéristique du procédé de détection selon l'invention, les seuils minimaux cartographiés en fonction du débit des gaz d'échappement recyclés, pour différentes températures moyennes en entrée de l'échangeur, tiennent compte 20 des dérivations de pertes de charge de l'échangeur donc de la section équivalente de l'échangeur, représentatives de l'usure naturelle dudit échangeur et acceptables en termes de fonctionnement. Un second objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre du procédé 25 de détection de l'encrassement d'un échangeur de chaleur placé dans un circuit de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile raccordé d'une part à la sortie des gaz du moteur et d'autre part à l'admission de l'air par l'intermédiaire d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement, ledit moteur étant commandé par un calculateur électronique de contrôle, caractérisé en ce qu'il 30 comprend de plus : - un capteur différentiel de pression aux bornes de l'échangeur, - un capteur de pression dans le collecteur d'admission, un capteur de température dans le collecteur d'admission, des capteurs de température mesurant la température en entrée et en 35 sortie de l'échangeur, 2907506 3 reliés au calculateur électronique qui calcule la section équivalente de l'échangeur et la compare à des cartographies de sections équivalentes en fonction du débit des gaz d'échappement recyclés, réalisées sur banc d'échangeur et banc moteur lors de la mise au point du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description illustrée par les figures suivantes qui sont : la figure 1 : un schéma d'un système de recyclage des gaz d'échappement dans un moteur Diesel selon l'invention ; la figure 2 : les variations de la section équivalente d'un échangeur EGR en fonction du débit du mélange gazeux qui le traverse. Comme le montre la figure 1, un exemple de système de re-circulation des gaz 15 d'échappement d'un moteur Diesel 1 comprend une première partie composée d'une turbine 2 actionnée par les gaz et associée à un compresseur 3 destiné à comprimer l'air frais atmosphérique après son passage dans un filtre 4 en vue de son admission dans le moteur, et d'un filtre à particules 5 destiné au post-traitement des gaz avant leur échappement dans l'atmosphère. II comprend une seconde partie pour le 20 recyclage d'une fraction des gaz d'échappement, comprenant un échangeur de chaleur EGR 6 destiné à les refroidir avant leur admission dans le moteur 1 via une vanne 7 de recyclage des gaz EGR. Cette admission des gaz d'échappement sous haute pression est mélangée à l'admission de l'air frais issu du compresseur 3, après son passage dans un second échangeur 8 destiné à le refroidir puis dans un volet 25 d'admission 9. Un calculateur électronique de contrôle moteur 10 commande le débit d'air frais à l'admission, mesuré par un débitmètre 16, en fonction de la demande de couple souhaitée par le conducteur. L'échangeur 6 en mode de re-circulation des gaz d'échappement EGR en haute 30 pression HP doit refroidir lesdits gaz qui arrivent du moteur avec une température de l'ordre de 400 C, afin de les densifier en entrée du moteur. Pour baisser la température des gaz en dessous de 100 C, il faut des moyens de refroidissement important de l'échangeur, qui ont pour conséquence l'encrassement de l'échangeur par des particules et par des hydrocarbures. Cet encrassement de l'échangeur peut entraîner une perte de son efficacité et une diminution de son influence sur les niveaux de polluants en sortie du moteur. Avec les normes futures de dépollution, les niveaux des oxydes d'azote visés amènent à travailler avec des réglages de taux de 5 10 2907506 4 gaz d'échappement recyclés EGR très élevés, ce qui oblige à recourir à un échangeur EGR très efficace et perméable dans le cas d'une architecture EGR haute pression très refroidie. Si l'échangeur est encrassé, sa perméabilité va diminuer, il va développer moins de puissance d'échange, et poser des problèmes tels que le 5 grippage de la vanne EGR ou une modification de la régulation entre l'air et les gaz d'échappement recyclés qui va ouvrir plus la vanne EGR pour maintenir sa consigne d'air ou son taux d'EER. A la place de l'efficacité thermique de l'échangeur, qui est fondée 10 exclusivement sur les températures, l'invention utilise un autre paramètre de détection de l'encrassement qui est la section équivalente Se dans le but d'estimer le niveau de perméabilité de l'échangeur. Calculée à partir de la contre-pression aux bornes de l'échangeur, cette section équivalente permet d'estimer le colmatage de l'échangeur par comparaison de la mesure instantanée avec la valeur caractérisée 15 au préalable sur un banc d'échangeur, ou directement par le fournisseur de l'échangeur. Selon les équations de la mécanique des fluides, la perte de charge, c'est-à-dire la différence de pression totale APt aux bornes de l'échangeur placé dans le 20 circuit d'échappement, s'exprime par l'équation suivante (E,) : (E,) OP,=k*I*poV2 avec : k le coefficient de perte de charge, sans dimension, 25 p la masse volumique moyenne du mélange gazeux traversant l'échangeur en kg/m3 V leur vitesse moyenne dans la section S considérée en m/s. La section équivalente de l'échangeur est définie par l'équation (E2) suivante : (E2) Se = S (en m2) -Jk sachant que la section géométrique S est utilisée dans l'expression du débit QEGR des gaz d'échappement traversant l'échangeur, selon l'équation (E3) suivante : 30 35 (E3) QEGR =P*S*V 2907506 5 de sorte que la section équivalente Se de l'échangeur s'exprime selon l'équation (E4) suivante : (E4) Se EGR :- ./2*p*Ap, 5 Le procédé selon l'invention consiste donc à calculer la section équivalente de l'échangeur, qui est une image des pertes de charge à ses bornes, à partir du débit QEGR de gaz d'échappement recyclés traversant l'échangeur et à partir d'un capteur 11 différentiel de pression installé aux bornes de l'échangeur 6 pour connaître la 10 différence de pression entre l'entrée et la sortie de ce composant. Ce débit QEGR est une information délivrée par le calculateur électronique 10 de contrôle du moteur. Selon l'équation de remplissage du moteur, le débit du mélange air frais et gaz recyclés admis dans le moteur Qmot , en kg/h, est égal à : Qmor = Kr * 100 * R *Tc0, avec le débit volumique du mélange air frais/ gaz EGR égal à : 20 K.= rl~o,*N*Vy, 120 3 Kr=3600*10eù120 *77",*N*VcY,=0.03*r7vo,*N*V,y, La température Tco, du mélange air/gaz recyclés dans le collecteur est mesurée 25 par un capteur 15 et exprimée en Kelvin, la pression Poo, du mélange air/gaz recyclés dans le collecteur est mesurée par un capteur 12 et exprimée en mbars, le volume d'un cylindre Voy, est exprimé en litres, le débit volumique Kr en m3/h, le régime du moteur N en tr/min et la constante R est égale à 287J/kg.K. 30 Le rendement volumique rlvo, est égal au rapport entre le débit réel Qrée1 de gaz admis et le débit théorique Qthé d'air frais admissible, sachant que le débit réel est égal à la somme du débit des gaz d'échappement recyclés QEGR et du débit d'air Qa,r , qui 15 5 2907506 6 est aussi égal au débit théorique. Le débit réel Qrée, s'exprime en fonction du débit d'air et du taux de recyclage des gaz d'échappement 'tEGR selon l'équation (E5) suivante : ~Y.air * ZEGR) 1 + _ Q = Qrée, ù ~_ rEGR) J Q air ù air (1 ù QEGR) 600)* [Q_ QEGR )~ en kg/h Le débit théorique Qthé s'exprime en fonction de la masse de gaz dans les quatre cylindres, de volume unitaire , du moteur par l'équation (E6) suivante : Qthé ù (N 60)*V*p*V,y,*4ù(N 0)*2*, *Vcy,Tola,4 10 Ainsi, le rendement volumique rivé, du moteur est égal à : )* *[120/ J 1~ Qair L J x/3600 (1 ù ZEGR) Vcy,Taia, * p * N) 15 sachant que la masse volumique est égale à : p =100 * Pco, 287 * Tea, En appliquant l'équation de conservation de la masse Ma;r.coä dans le collecteur d'admission, avec le débit d'air Qair délivré par le débitmètre : 20 dMair colt =QEGR + air -. Q. = 0 dt on obtient le débit des gaz d'échappement recyclés QEGR , en kg/h, par l'équation (E7) suivante : Q = Kr * Pro, û() a,r = 0.348K r * Pca, EGR R *Tco, Teo, 25 Enfin, la masse volumique moyenne p du mélange gazeux traversant l'échangeur s'exprime par l'équation (E6) suivante, en fonction des pressions Pam en amont et Pav en aval de l'échangeur et des températures BeEGR en entrée et 9sEGR en sortie de l'échangeur : " 29(1000?,,, +1010) 29(1000?,, +1010) " 8,31 * 10(9eEGR + 273) + 8,31.10(9sEGR + 273) ) 71 va, = 30 (E7) p = 0.5 * 2907506 7 les températures BeEGR et esEGR , délivrées par des capteurs 14, étant en degrés Celsius et les pressions Pam et Pav en Pascal. Une fois que la section équivalente de l'échangeur Se a été calculée par le 5 calculateur de contrôle moteur à partir des informations précédemment décrites, celui-ci la compare à la section équivalente de référence figurant sur une cartographie établie au cours de la mise au point du moteur sur un banc d'échangeur et sur un banc moteur stationnaire. Cette mise au point permet d'établir des cartographies de la section équivalente de l'échangeur en fonction du débit d'EGR QEGR pour différents 10 points de fonctionnement du moteur définis, par exemple par la température BeEGR du mélange EGR en entrée de l'échangeur correspondant à différentes températures du mélange gazeux représentatives des températures réelles du mélange des gaz d'échappement recyclés, ou par le débit de gazole. 15 Le calculateur procède à une comparaison de la section équivalente calculée avec un seuil minimal cartographié préalablement, pour un débit de gaz EGR donné. La figure 2 est un exemple de cartographie de la section équivalente Se en cm2, d'un échangeur EGR en fonction du débit QEGR , en kg/h,du mélange gazeux qui le traverse, pour cinq valeurs de température TI à T5. Ainsi, à une température moyenne TeEGR 20 donnée en entrée de l'échangeur, si la section équivalente représentant les pertes de charge, est inférieure au seuil cartographié correspondant, le calculateur de contrôle moteur détecte un encrassement de l'échangeur. Le seuil de comparaison est déterminé à partir des données établies sur le banc d'échangeur et des dérivations de sections équivalentes, acceptables en termes de fonctionnement de l'échangeur et qui 25 prennent en compte l'usure naturelle du composant. En considérant la cartographie de la figure 2, dans le cas où la température BeEGR d'entrée des gaz EGR dans l'échangeur est égale à T, pour un débit de gaz d'échappement recyclés QEGR égal à 30kg/h, si la section équivalente Se mesurée par 30 le calculateur de contrôle moteur est inférieure à 3,5 cm2, + ou û l'hystérésis éventuellement, alors le calculateur détecte un encrassement de l'échangeur et peut autoriser le déclenchement d'un procédé de décrassage. La mise en oeuvre de ce procédé de détection de l'encrassement d'un 35 échangeur de chaleur 6 placé dans un circuit de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile raccordé d'une part à la sortie des gaz du moteur et d'autre part à l'admission de l'air par l'intermédiaire d'une vanne 7 de 2907506 8 recyclage des gaz d'échappement, ledit moteur étant commandé par un calculateur électronique de contrôle 10, est mis en oeuvre par un dispositif comprenant de plus : un capteur différentiel 11 de pression aux bornes de l'échangeur 6, un capteur 12 de pression Pte, dans le collecteur d'admission, 5 - un capteur 15 de température Tom, dans le collecteur d'admission, - des capteurs 14 de température mesurant la température 9eEGR en entrée et 9sEGR en sortie de l'échangeur, reliés au calculateur électronique 10 qui calcule la section équivalente Se de l'échangeur et la compare à des cartographies de sections équivalentes en fonction du 10 débit des gaz d'échappement recyclés, réalisées sur banc d'échangeur et banc moteur lors de la mise au point du moteur. L'intérêt de cette détection de l'encrassement de l'échangeur EGR est qu'elle 15 permet de déclencher un procédé de décrassage, en le faisant parcourir par exemple par un mélange gazeux dans des conditions thermiques suffisantes pour un décrassage correct lui assurant un retour des propriétés quasi initiales. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'encrassement d'un échangeur de chaleur placé dans un circuit de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, raccordé d'une part à la sortie des gaz du moteur et d'autre part à l'admission de l'air par l'intermédiaire d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il estime le niveau de perméabilité de l'échangeur (6), exprimé notamment par sa section équivalente (Se), calculée à partir du débit (QEGR) des gaz d'échappement traversant l'échangeur et dont la masse volumique (p) est connue, et de la différence de pression totale (APt ) aux bornes de l'échangeur selon la formule suivante : S = QEGR e I2*p*ter puis comparée à un seuil minimal, cartographié lors de la mise au point du moteur (1) pour différents points de fonctionnement correspondant à différentes températures du mélange gazeux représentatives des températures réelles du mélange des gaz d'échappement recyclés, et en ce qu'il détecte un encrassement de l'échangeur quand la section équivalente calculée est inférieure audit seuil cartographié. 2 Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seuils minimaux cartographiés en fonction du débit des gaz d'échappement recyclés, pour différentes températures moyennes en entrée de l'échangeur, tiennent compte des dérivations de pertes de charge de l'échangeur, donc de sa section équivalente, représentatives de l'usure naturelle dudit échangeur et acceptables en termes de fonctionnement. 3. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de gaz d'échappement recyclés (QEGR) est défini à partir du débit d'air frais (Qair) admis par le moteur, selon une cartographie établie lors de la mise au point du moteur, et à partir du taux (rEGR2) de recyclage des gaz d'échappement selon l'équation suivante : QEGR = Kr * Par Q = 0.348 Kr * R Pcor ù Qair T par T cor dans laquelle Kr est le débit volumique du mélange air frais/gaz d'échappement recyclés, Pte, et Tao, sont la pression et la température dudit mélange dans le collecteur, Qair le débit d'air admis et R une constante égale à 287 J/kg.K. 2907506 10 4. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse volumique moyenne (p) du mélange gazeux traversant l'échangeur s'exprime par l'équation suivante, en fonction des pressions (Pam) en amont et (Pav) en aval de l'échangeur et des températures (OeEGR) en entrée et (OsECR) en sortie de l'échangeur : 29(1000Pm +1010) 29(1000P,, +1010) " 8,31 * 10(eeEGR + 273) + 8,31.10(9sEGR + 273) J 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé de détection de l'encrassement d'un échangeur de chaleur placé dans un circuit de recyclage des gaz d'échappement 10 d'un moteur Diesel de véhicule automobile raccordé d'une part à la sortie des gaz du moteur et d'autre part à l'admission de l'air par l'intermédiaire d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement, ledit moteur étant commandé par un calculateur électronique de contrôle, selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : 15 un capteur différentiel (11) de pression aux bornes de l'échangeur (6), - un capteur (12) de pression dans le collecteur d'admission, un capteur (15) de température dans le collecteur d'admission, des capteurs (14) de température mesurant la température (9eEGR ) en entrée et (OSEGR ) en sortie de l'échangeur, 20 reliés au calculateur électronique (10) qui calcule la section équivalente (Se) de l'échangeur et la compare à des cartographies de sections équivalentes en fonction du débit (QEGR) des gaz d'échappement recyclés, réalisées sur banc d'échangeur et banc moteur lors de la mise au point du moteur. 5 p=0.5*