Brevet FR2919024A1 — publié le 20090123

Procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel. Le domaine de l'invention est, d'une façon générale, celui des boucles d'air de moteurs diesel. Ce contrôle porte plus particulièrement sur un débit d'air frais et sur un taux de recyclage de gaz d'échappement communément appelé EGR (Exhaust Gas Recirculation en langue anglaise). Une réinjection d'une partie des gaz d'échappement au niveau de l'admission du moteur a pour objet de limiter les émissions d'oxydes d'azote (NOx). La formation d'oxyde d'azote est due principalement aux températures très élevées des chambres de combustion sous fortes charges. Pour diminuer ces températures, une solution consiste à réinjecter des gaz inertes qui vont se mélanger avec les gaz frais pour ralentir la vitesse de combustion. Or, les gaz d'échappement sont des gaz déjà brûlés, donc inertes. Le procédé permet d'introduire des gaz d'échappement, en quantité suffisante, et au moment opportun, dans le collecteur d'admission. Un moteur peut fonctionner avec un mélange contenant jusqu'à vingt-cinq pour cent de gaz brûlés. Le contrôle actuel de la boucle d'air est principalement basé sur la connaissance de deux informations. La première information correspond à un débit d'air mesuré par un débitmètre d'air. Cette mesure alimente une boucle de régulation qui, en fonction d'une consigne de débit d'air cartographié, pilote une électrovanne de gaz d'échappement recyclés pour atteindre cette consigne. Par ailleurs, cette information permet aussi de contrôler les émissions de fumée des moteurs diesel au moyen d'une limitation de la quantité de carburant injectée. La deuxième information correspond à la pression d'admission des gaz dans le moteur, mesurée par un capteur de pression plenum. Cette mesure alimente une boucle de régulation qui, en fonction d'une consigne de pression admission cartographiée, pilote la géométrie variable d'un turbocompresseur. Le débitmètre d'air, normalement placé en amont du moteur, délivre une information qui est en avance sur ce que le moteur aspire réellement. En plus d'une dispersion en fin de chaîne d'admission, le débitmètre d'air est exposé à des risques de dérive liés à un encrassement de ses éléments de 2 mesure. Ces risques peuvent conduire au dépassement des normes réglementaires liées aux émissions polluantes. C'est pourquoi il est aujourd'hui envisagé de supprimer le débitmètre d'air dont la robustesse en terme de précision n'est pas garantie dans le temps. En alternative, un contrôle de la boucle d'air par sonde à oxygène fait actuellement l'objet de travaux d'études. Son principe de régulation est proche de celui avec débitmètre d'air frais sauf que dans ce cas, on fonctionne avec une consigne de richesse cartographiée. Le principe de ce contrôle est représenté sur la figure 1. Une richesse de consigne Ri_cons est définie en fonction du régime N du moteur et du débit Qinj de carburant injecté, aussi appelé charge. D'autre part, une richesse Rimes est mesurée par une sonde à oxygène. Dès lors, l'écart e = Rimes û Ri_cons alimente un régulateur de type Proportionnel Intégral. Ce régulateur vient piloter, au moyen d'une commande RCO_Egr, un vanne de gaz d'échappement recyclés pour annuler cet écart. Néanmoins, ce type de contrôle reste faillible en cas de dérive du système d'injection en carburant. Cette dérive modifie la consigne de richesse Ri_cons qui est cartographiée en régime et en débit Qinj d'injection. Concrètement, la dérive du système d'injection se traduit par une variation au cours du temps du débit Qinj réellement injecté pour une consigne de débit en carburant constante. En effet, ces systèmes sont sujets en sortie d'usine à une dispersion et à une dérive dans le temps, au cours de l'utilisation du véhicule, de la caractéristique en débit des injecteurs utilisés, principalement dues aux tolérances de fabrication et aux pressions extrêmement élevées mises en jeu. Autrement dit, Qinj = consigne de débit x (1 +dérive) L'information de consigne de débit en carburant, qui est gérée par un calculateur de contrôle du moteur, correspond à une entrée de la plupart des cartographies qui définissent le mode de fonctionnement du moteur. Ce mode de fonctionnement détermine notamment une consigne d'injection et une consigne de la boucle d'air. Dès lors, lorsque le système d'injection dérive, les consignes en sortie des cartographies ne sont plus cohérentes avec le débit de carburant réellement injecté. En particulier, dans le cas du contrôle de la boucle d'air présenté ci-dessus, la consigne de richesse n'est pas adaptée au débit de 3 carburant réellement injecté, ce qui conduit à une dégradation des émissions de gaz polluants. Pour contrer ce dernier phénomène, la stratégie proposée dans l'état de la technique prévoit d'ajuster le système d'injection. Cet ajustement se réalise en recalant la valeur de la consigne de débit en carburant sur le débit Qinj en carburant réellement injecté. Ce qui nécessite toujours un estimateur de débit Qinj. Dans l'état de la technique, parmi les procédés d'ajustement de l'injection existants, on connaît une première méthode utilisant un capteur de pression cylindre. Cette méthode s'appuie sur l'analyse du dégagement de chaleur lié à la combustion pour évaluer le débit de carburant injecté. Elle nécessite cependant la présence du débitmètre dont les mesures restent toujours en avance sur ce que le moteur aspire réellement. On connaît une deuxième méthode d'ajustement de l'injection par utilisation d'une sonde à oxygène et d'un débitmètre. Le principe de cette deuxième méthode s'appuie sur l'estimation du débit de carburant à partir de la richesse mesurée par une sonde à oxygène et malheureusement du débit d'air mesuré par le débitmètre. Comme indiqué précédemment, le débitmètre est un capteur qui pose problème du fait de sa sensibilité à l'encrassement. La présente invention propose une fonction d'ajustement de l'injection dans le cas où le débitmètre d'air est supprimé. Dans l'invention, le contrôle de la boucle d'air s'appuie sur le fait que le débit d'air aspiré par le moteur est estimé à l'aide de la connaissance d'un rendement volumétrique du moteur. L'invention concerne donc une méthode pouvant être intégrée dans le calculateur d'un moteur diesel à injection directe. Elle permet donc, pour des moteurs diesel dont la boucle d'air est gérée par une sonde à oxygène suite à une suppression du débitmètre d'air, d'ajuster les systèmes d'injection. Cet ajustement permet de garantir dans le temps un niveau d'émissions polluantes et ainsi de satisfaire aux exigences réglementaires. L'invention a donc pour objet un procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel à injection directe à l'aide d'un calculateur de contrôle du moteur, dans lequel - on mélange de l'air et une partie recyclée des gaz d'échappement du moteur, - on fait aspirer le mélange par le moteur à l'aide d'un collecteur d'admission, - on mesure avec un capteur une température d'admission Tad de l'air et avec un capteur une pression d'admission Pad de l'air, - on mesure une richesse Ri d'échappement au moyen d'une sonde à 5 oxygène, - on établit une consigne de richesse Ri_cons d'échappement pour contrôler une vanne des gaz d'échappement recyclés ; ladite consigne étant cartographiée en fonction du régime du moteur et d'une consigne de débit Qcons de carburant, 10 caractérisé en ce que - on détermine, au moyen d'un rendement volumétrique qvol du moteur, un débit Qair d'air, - on estime un débit Qinj_est de carburant injecté dans le moteur en fonction du débit Qair d'air et de la richesse Ri, 15 - on calcule un écart entre le débit Qinj_est de carburant injecté et la consigne de débit Qcons en carburant, - on ajuste la consigne de débit Qcons en fonction de cet écart pour obtenir une nouvelle consigne de débit Qcons_cor corrigée définissant une nouvelle consigne de richesse Ri_cons_cor pour contrôler la vanne. 20 L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - figure 1, déjà décrite : une représentation synoptique d'un contrôle 25 de la boucle d'air par utilisation d'une sonde à oxygène selon l'état de la technique ; - figure 2 : une représentation schématique d'une architecture globale de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - figure 3a : une représentation synoptique d'un programme 30 d'apprentissage de corrections présent dans une mémoire de programmes de contrôle de la boucle d'air selon l'invention ; - figure 3b : une représentation synoptique d'un programme d'application de corrections présent dans une mémoire de programmes de contrôle de la boucle d'air selon l'invention ; 35 - figure 4: un graphique en trois dimensions représentant une évolution d'une consigne de richesse en fonction du régime du moteur et d'une consigne de débit en carburant et d'une valeur de régime moteur ; - figure 5 : un graphique en deux dimensions représentant une évolution d'une consigne de richesse d'échappement en fonction d'une 5 consigne de débit de carburant, pour un régime moteur figé. Dans un exemple, le procédé selon l'invention s'applique à la boucle d'air d'un moteur diesel à injection directe dite common rail ou d'injecteurs-pompes. La figure 2 représente une architecture globale d'un ensemble moteur pour la mise en oeuvre, dans un calculateur de contrôle, du procédé selon l'invention. Cet ensemble moteur comporte une entrée 1 d'air frais dans un circuit 2 d'admission. Un filtre 3 à air est positionné entre cette entrée 1 et un compresseur 4. Le débitmètre d'air frais de l'état de la technique, généralement situé entre le filtre 3 à air et le compresseur 4, est supprimé. L'ensemble moteur comporte un turbocompresseur. Celui-ci est un dispositif alliant une turbine 5 et le compresseur 4. La turbine 5, située dans un circuit 6 de gaz d'échappement d'un moteur diesel 7, entraîne par un axe 8 le compresseur 4 qui augmente la pression de l'air admis dans le moteur. Le turbocompresseur permet d'augmenter la puissance du moteur seulement à partir d'un certain régime N du moteur 7. A la sortie du compresseur 4, le circuit 2 se sépare en deux branches. La première branche conduit l'air dans in échangeur 9 air/eau et, à sa sortie, dans une vanne papillon 10 de réchauffage. La vannel0 est connectée à un bus 11 de données. Le bus 11 est relié à un calculateur 12 de contrôle du moteur 7 et à une mémoire 13. La mémoire 13 comporte deux programmes : un programme 14 d'apprentissage des corrections à apporter au débit en carburant injecté et un programme 15 d'application de ces corrections La deuxième branche conduit l'air dans un échangeur 16 air/air et, à sa sortie, dans une vanne papillon 17 de refroidissement connectée aussi au bus 11 Les deux branches du circuit 2 se rejoignent pour atteindre un collecteur 18 d'admission du moteur 7. Un capteur 19, positionné en amont du collecteur 18, mesure une température Tad, exprimée en K, d'admission de l'air et une pression Pad, exprimée en Pa, d'admission de l'air. 6 Un réservoir 20 de carburant est relié au moteur 7 par un circuit 21 de carburant. Un capteur 22 de température du carburant est positionné dans une arrivée 23 du carburant dans une pompe 24 de haute pression du moteur 7. Un capteur 25 mesure une pression du carburant entre la pompe 24 et lemoteur7. Le circuit 6 d'échappement des gaz issus du moteur 7 comporte une vanne 26 de gaz d'échappement recyclés placée en amont de la turbine 5. Pour ce type d'architecture, le contrôle de la vanne 26 s'effectue via une consigne de richesse Ri cons d'échappement pré-établie par le calculateur 12 et cartographiée en fonction du régime N, exprimé en tours par minute, du moteur 7 et de la consigne de débit Qcons en carburant. La vanne 26 permet de prélever une partie des gaz d'échappement recyclés et de les injecter dans un circuit 27 qui aboutit au collecteur 18 où ils ont mélangés à l'air frais. Le mélange ainsi obtenu est aspiré par le moteur 7. La vanne 26 est commandée par le calculateur 12, et permet de doser le taux de recyclage des gaz d'échappement. Le circuit 27 comporte un échangeur 28 gaz/eau. Une sonde 29 à oxygène est positionnée dans le circuit 27, en aval de la turbine 5. La sonde 29 est un capteur spécifique aux dispositifs d'injection. La sonde dite de type proportionnelle fournit un signal électrique proportionnel à la richesse d'échappement. Ce signal électrique peut par exemple être compris entre 0 et 5 volts. Ce positionnement est un compromis entre le besoin de localisation de la sonde 29 au plus près de la sortie du moteur 7 et la tenue de la sonde 29 à la pression des gaz d'échappement. La sonde 29 mesure une richesse Ri d'échappement. En aval de la turbine 5 et en amont d'une sortie 30 des gaz d'échappement, le circuit 6 comporte un catalyseur 31 d'oxydation et un filtre 32 à particules. Un capteur 33 de pression différentielle est branché de part et d'autres du catalyseur 31 et du filtre 32. Les figures 3a et 3b représentent la mémoire 13 de deux programmes 14 et 15 de contrôle de la boucle d'air selon l'invention. Le programme 14 d'apprentissage des corrections gère une première phase essentielle du procédé selon l'invention qui consiste à calculer un écart entre la consigne de débit Qcons en carburant et le débit en carburant estimé par la sonde 29. Plus précisément, dans le programme 14, - on mesure 34 la richesse Ri par utilisation de la sonde à oxygène 26, - on calcule 35 le débit Qair d'air en fonction de la pression Pad, de la température Tad et du rendement volumétrique nvol, - on estime 36 le débit Qinj_est de carburant injecté Pour réaliser ces étapes, à l'activation de ce mode de fonctionnement par le calculateur 12, la fonction de recyclage des gaz d'échappement du moteur 7 est coupée 37 afin de permettre l'estimation du débit Qair d'air à partir d'un rendement volumétrique vol et des conditions de pression Pad et de température Tad. Le rendement volumétrique qvol est soit cartographié, soit issu d'un modèle. Pour effectuer le calcul 35 du débit Qair, la formule suivante, dans laquelle la cylindrée du moteur est exprimée m3, s'applique : Qair = (qvol x Cylindrée x 60 x N x Padm) / (2 x 287 x Tadm) Le débit Qinj_est de carburant injecté est alors estimé 36 à partir du débit Qair d'air et de la richesse Ri mesurée par la sonde 26 de la façon suivante : Qinj_est = ((12+Y)x Ri x Qair) I (1+Y/4)(32+28tp) dans laquelle Qinj_est est exprimé en mg/cp, Qair est exprimé en mg/cp, Y 20 est un rapport HIC du carburant et 4P est un rapport de concentration en N2/O2 de l'air. Dans cet exemple, Y = 1,7315 et 4) = 3,76. D'autre part, un gestionnaire 38 d'apprentissage enregistre d'autres conditions de fonctionnement du moteur 7, à savoir des mesures sur une température Teau de l'eau, une température Tair de l'air ambiant, une 25 pression atmosphérique Patm et sur d'éventuelles données supplémentaires. Ce gestionnaire 38 communique avec un module 39 stabilisé du moteur 7 et avec la vanne 26 via le bus 11 pour effectuer la coupure 37 de ladite vanne 26. Le module 39 recueille des informations sur le régime N du moteur 7 et sur sa charge. 30 Un interrupteur 40 établit une liaison entre les données issues du calcul 36 et du gestionnaire 38. L'écart entre le débit Qinj_est et la consigne de débit Qcons en carburant injecté, gérée par le calculateur 12 de contrôle du moteur 7, est enregistré dans une table 42 de correctifs de débit en carburant. 35 L'activation de ce mode est périodique au cours de la vie du moteur 9 8 du fait notamment du besoin de couper 37 momentanément la vanne 26. Dans un perfectionnement, le calculateur 12 prend aussi en considération d'autres conditions de fonctionnement du moteur 7 telles que sa température en fonctionnement, l'altitude...pour éviter des apprentissages à risque. En outre, il est nécessaire d'avoir un fonctionnement stabilisé du moteur 7 pour tenir compte du temps de réponse de la boucle d'air et de la sonde 26. Une deuxième phase essentielle du procédé selon l'invention consiste à ajuster la consigne de débit Qcons en carburant. Dans le programme 15 d'application des corrections, on applique la table 42 de correctiofs établie dans la phase d'apprentissage. La consigne de débit Qcons en carburant est alors corrigée. On obtient une nouvelle consigne Qcons cor qui est entrée avec le régime N du moteur en entrée de cartographies 43 de gestion de l'air. Ces cartographies 43 de gestion de l'air fournissent, en sortie, une nouvelle consigne de richesse Ri_cons_cor d'échappement. Cette consigne de richesse Ri_cons_cor pilote la vanne 26 pour optimiser le taux de recyclage des gaz d'échappement. A titre d'exemple, on représente sur la figure 4, une cartographie de consigne de richesse Ri_cons établie dans le cadre de travaux de recherche sur DV6 modifié pour atteindre la norme EUS. La consigne de richesse Ri_cons d'échappement est un paramètre dont les valeurs varient généralement entre 0,2 et 0,8 sur un moteur diesel. Le débit en carburant injecté à chaque cylindre est un paramètre dont les valeurs varient ici entre 1 mg/cp et 14 mg/cp. L'unité mg/cp correspond à des milligrammes par coup. Une zone 44 correspond à des valeurs de consigne de richesse Ri_cons d'échappement comprises entre 0,3 et 0,4 pour un régime N avoisinant les 3000 tours par minute et un débit proche de 1 mg/cp. Une zone 45 correspond à des valeurs de Ri_cons comprises entre 0,4 et 0,5 pour un régime N avoisinant les 3000 tours par minute et un débit proche de 2 mg/cp. Une zone 46 correspond à des valeurs de Ri_cons comprises entre 0,5 et 0,7 pour un régime N compris entre 1000 tr/min et 2500 tr/min et un débit compris entre 2 mg/cp et 14 mg/cp. Une zone 47 correspond à des valeurs de Ri_cons comprises entre 0,7 et 0,8 pour un régime N compris entre 1500 tr/min et 2500 tr/min et un débit compris entre 2 mg/cp et 14 mg/cp. Une zone 48 correspond à des valeurs de Ri_cons comprises entre 9 0,8 et 0,9 pour un régime N compris entre 1500 tr/min et 2500 tr/min et un débit compris entre 4 mg/cp et 14 mg/cp. Une zone 49 correspond à des valeurs de Ri_cons comprises entre 0,9 et 1 pour un régime N avoisinant les 1500 tours par minute et un débit compris entre 10 mg/cp et 14 mg/cp. La figure 5 représente un graphique en deux dimensions représentant une évolution d'une consigne de richesse Ri_cons d'échappement en fonction d'une consigne de débit Qcons en carburant et pour un régime N du moteur de 1000 tours par minute. En cas de dérive du système d'injection, la consigne de débit Qcons injecté, qui correspond à une entrée des cartographies 43 de contrôle du moteur 7, n'est plus identique au débit injecté réel. La consigne de richesse Ri_cons, qui dépend de la consigne de débit Qcons injecté, est donc modifiée alors que le débit de carburant réellement injecté n'a pas varié. Dans cet exemple, la dérive du système d'injection entraîne une augmentation 50 de la consigne de richesse Ri_cons d'échappement. Dans d'autres exemples de réalisation du procédé selon l'invention, par exemple, dans le cas d'un contrôle de moteur 9 fonctionnant en structure couple, les entrées de cartographies du contrôle moteur sont le régime N et le couple du moteur 7. Le débit Qinj_est injecté estimé doit alors être traduit en couple via la cartographie. La correction ne se fait alors plus en débit de carburant mais en couple. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle d'une boucle d'air d'un moteur diesel (7) à injection directe à l'aide d'un calculateur (12) de contrôle du moteur, dans lequel - on mélange de l'air (2) et une partie (27) recyclée des gaz d'échappement (6) du moteur, - on fait aspirer le mélange par le moteur à l'aide d'un collecteur (18) d'admission, - on mesure avec un capteur (19) une température d'admission Tad de l'air et avec un capteur (19) une pression d'admission Pad de l'air, - on mesure (34) une richesse Ri d'échappement au moyen d'une sonde (29) à oxygène, - on établit une consigne de richesse Ri_cons d'échappement pour contrôler une vanne (26) des gaz d'échappement recyclés ; ladite consigne étant cartographiée en fonction du régime (N) du moteur et d'une consigne de débit Qcons en carburant, caractérisé en ce que - on détermine (35), au moyen d'un rendement volumétrique vol du moteur, un débit Qair d'air, - on estime (36) un débit Qinj_est de carburant injecté dans le moteur en fonction du débit d'air Qair et de la richesse Ri, - on calcule un écart entre le débit Qinj_est de carburant injecté et la consigne de débit Qcons en carburant, - on ajuste la consigne de débit Qcons en fonction de cet écart pour obtenir une nouvelle consigne de débit Qcons_cor corrigée définissant une nouvelle consigne de richesse Ri_cons_cor pour contrôler la vanne. 2 - Procédé selon la revendications 1, caractérisé en ce que le débit global Qair du mélange est défini par l'équation suivante : Qair = Oro{ x Cylindrée x 60 x N x Pad) / (2 x 287 x Tad) 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le débit Qinj_est de carburant injecté dans le moteur est défini par l'équation suivante : Qinj_est = ((12+Y)x Ri x Qair) / (1+Y/4)(32+28yy) dans laquelle Y est un rapport H/C du carburant et 'P est un rapport de concentration en N2/O2 de l'air ; dans un exemple, Y = 1,7315 et 'P = 3,76. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écart entre la consigne Qcons et le débit Qinj_est de carburant injecté est enregistré dans une table (42) de correctifs qui produit Qcons_cor. -Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 5 que le rendement volumétrique qvol du moteur est cartographié 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rendement volumétrique 'Ivoi du moteur est modélisé. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 modifiée en ce qu'on remplace le débit en carburant injecté par un couple du moteur. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que - on détermine, un couple réel du moteur, - on calcule un écart entre le débit couple réel du moteur et la consigne de couple du moteur, - on régule la consigne de couple du moteur en fonction de cet écart.