Brevet FR2911643A1 — publié le 20080725

Méthode et système de contrôle du fonctionnement d'une pompe La présente invention concerne une méthode de contrôle du fonctionnement d'une pompe ainsi qu'un système permettant d'appliquer cette méthode. Avec l'entrée en vigueur en 2005 de la norme Euro IV sur les émissions à l'échappement pour les poids lourds, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azote) ont dû être mis en place. Le système retenu par la plupart des constructeurs de poids lourds pour réduire les émissions de NOx à la valeur requise consiste généralement à réaliser une réaction de catalyse sélective avec des réducteurs tels que l'urée ( Urea SCR ou Réduction Catalytique Sélective utilisant l'ammoniac généré in situ dans les gaz d'échappement par décomposition de l'urée). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'urée, d'un dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter dans la ligne d'échappement et d'un dispositif d'alimentation en solution d'urée du dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter. En général, le dispositif d'alimentation comprend une pompe entraînée par un moteur. De préférence, le fonctionnement de cette pompe est contrôlé au moyen d'un contrôleur qui peut agir sur la pression de fonctionnement de la pompe, le sens de rotation de la pompe (pour soit alimenter l'urée, soit effectuer la purge des canalisations), le démarrage et/ou l'arrêt de la pompe et/ou d'établir un diagnostic de l'état de fonctionnement de la pompe. Dans l'art antérieur, plusieurs systèmes ont été prévus pour contrôler le fonctionnement d'une pompe. Ainsi, le brevet US 5,670,852 décrit un dispositif de contrôle de la vitesse d'un moteur d'entraînement d'une pompe agissant uniquement au niveau de la vitesse du moteur d'entraînement indépendamment de la pression en entrée et en sortie de la pompe. La pression de sortie de la pompe n'est par conséquent pas contrôlée. Le dispositif de contrôle régule la vitesse du moteur à partir de deux données d'entrée: un signal de mesure de la vitesse du moteur fourni par des capteurs de commutation et un signal de consigne de la vitesse du moteur. Ce dernier est soit une tension soit une fréquence d'une onde carrée. Le dispositif de contrôle selon le brevet US `852 permet, à l'aide d'un seul signal (44), de gérer 2 tous les modes de fonctionnement de la pompe (marche avant, marche arrière). Par contre, il est complexe et nécessite l'emploi d'un comparateur, d'une boucle à verrouillage de phase (ou de fréquence), de comparateurs de commutation, etc. En outre, il ne permet pas d'établir un diagnostic du fonctionnement de la pompe et, en particulier, d'identifier un risque d'explosion dans le cas où un bouchon s'est formé à la sortie de la pompe ou un risque de pollution s'il y a une fuite dans le circuit d'alimentation, la pression en sortie de la pompe n'étant pas contrôlée. La demande US 2002/0043253 propose un système de régulation d'une pompe permettant de résoudre ce problème en contrôlant directement la pression à la sortie de la pompe. Ce dispositif comprend un contrôleur (36) qui reçoit une valeur de consigne de pression d'une unité de commande électronique (38), compare cette valeur avec celle mesurée par un capteur de pression (30) pour créer un signal d'erreur et générer une tension modulée (PWM ou Pulse Width Modulated) qui contrôle directement la vitesse de rotation du moteur. Le système décrit dans cette demande est spécifique aux systèmes à carburant, où le moteur est soit en marche, soit à l'arrêt, mais ne présente qu'un seul sens de rotation. Notamment pour les pompes à urée mentionnées ci-dessus, il est intéressant de prévoir également un sens de rotation inverse pour pouvoir effectuer des cycles de purge. En outre, les circuits d'urée peuvent se boucher (notamment suite au gel de la solution) et/ou présenter des fuites auquel cas la pompe est avantageusement arrêtée. Or, le système décrit dans cette demande US ne prévoit pas d'effectuer un diagnostic sur le fonctionnement de la pompe. La présente invention vise à fournir un système et une méthode de contrôle du fonctionnement d'une pompe qui est simple et permet néanmoins de gérer à la fois l'arrêt, le démarrage et le sens de rotation de ladite pompe, ainsi que (selon une variante préférée) de fournir un diagnostic de bon ou de mauvais fonctionnement à l'unité de commande électronique (ECM ou Electronic Control Module) gérant la pompe. A cet effet, la présente invention concerne une méthode de contrôle du fonctionnement d'une pompe entraînée par un moteur et contrôlée par un contrôleur, selon laquelle un ECM envoie au contrôleur, un signal de commande de type PWM ( Pulse Width Modulation ) ayant un rapport cyclique variable en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées pour la pompe et selon laquelle le contrôleur agit sur le moteur pour appliquer lesdites conditions de fonctionnement à la pompe. -3 La méthode selon l'invention peut s'appliquer à des pompes ayant des usages divers. En particulier, il peut s'agir d'une pompe permettant d'amener un liquide d'un réservoir de stockage vers une ligne d'injection et étant pour ce faire reliée au réservoir de stockage par une ligne d'alimentation. La méthode selon l'invention donne de bons résultats dans le cadre des systèmes d'injection d'urée dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion. La pompe à laquelle s'applique la méthode selon l'invention est une pompe de n'importe quel type connu entraînée par un moteur et dont le contrôleur est géré par un ECM. De préférence la pompe est du type pompe à engrenages. Elle comprend en général un stator et un rotor et peut fonctionner selon deux sens de rotation opposés, l'un correspondant en général à l'alimentation en liquide de la ligne d'alimentation et l'autre correspondant à une purge de la ligne d'alimentation. Tout type de moteur électrique rotatif peut convenir. De préférence le moteur est du type moteur à courant continu sans balais ( brushless direct current ou BLDC). Dans ce cas, l'entraînement de la pompe est réalisé par un couplage magnétique entre le rotor de la pompe et un axe d'entraînement du moteur. Selon l'invention, le moteur est contrôlé par un contrôleur c.à.d. une unité de commande (comprenant généralement un régulateur PID et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur) et d'alimentation électrique qui fournit au moteur, la puissance nécessaire pour le faire tourner à la vitesse souhaitée et qui permet d'inverser son sens de rotation, le cas échéant. Le contrôleur de la pompe est lui-même alimenté en électricité soit via l'ECM, soit via une source de courant spécifique telle qu'une batterie par exemple. Le recours à une batterie et en particulier, une batterie débitant 12 V de courant continu (DC) donne de bons résultats. Selon l'invention, le contrôleur de la pompe est piloté par un ECM qui lui envoie un signal de commande de type PWM ( Pulse Width Modulation ) incluant des informations relatives aux conditions de fonctionnement de la pompe. Par ces conditions, on entend désigner une information relative à la pression de fonctionnement de la pompe ainsi qu'au moins une autre information telle que son arrêt/blocage, son sens de rotation.... Il s'agit de préférence de toutes les conditions de fonctionnement de la pompe à savoir: arrêt, marche avant, marche arrière, pression de fonctionnement (en sortie de pompe)... de 4 sorte que le fonctionnement de la pompe est entièrement conditionné par un seul signal. L'ECM dont il est question dans le cadre de l'invention est soit un ECM spécifique à cette fonction, soit un ECM susceptible d'également assurer d'autres fonctions et étant pour cela capable de communiquer également avec des composants autres que la pompe, par exemple avec des capteurs de température et/ou de pression, ainsi que de commander et/ou de contrôler le fonctionnement de ces composants. Cet ECM peut par exemple être spécifique à une fonction SCR d'un véhicule, soit être intégré à l'ECM du moteur (ou ECU = Engine Control Unit). Le signal PWM envoyé par l'ECM se présente de préférence sous la forme d'une onde carrée c.à.d. d'un train d'impulsions rectangulaires ayant une durée et une amplitude données et émises avec une période donnée. Un tel signal (de type PWM) peut être caractérisé par son rapport cyclique ( duty cycle ) c'est-à-dire le rapport entre la durée des impulsions et leur période. Selon l'invention, ce signal est variable et véhicule des informations relatives aux conditions de fonctionnement de la pompe, à savoir: arrêt, marche avant, marche arrière et pression de fonctionnement. Par variable on entend que le rapport cyclique de ce signal varie en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées. De préférence, à une gamme de valeurs du rapport cyclique correspond un mode de fonctionnement donné du moteur (arrêt, démarrage, marche avant, marche arrière). Dès lors, de préférence, le contrôleur comprend une mémoire dans laquelle est stockée une table de correspondance entre le rapport cyclique du signal PWM émis par l'ECM et le mode de fonctionnement de la pompe. La table peut ainsi faire correspondre une 1 e`e gamme de rapports cycliques (I) avec une consigne d'arrêt de la pompe; une 2ème gamme de rapports cycliques (II) avec une consigne de marche en avant de la pompe; et une 3ème gamme de rapports cycliques (III) avec une consigne de marche arrière de la pompe. Afin de véhiculer l'information relative à la pression de fonctionnement, il peut être avantageux d'utiliser la gamme (II) pour donner une fonction linéaire de la pression souhaitée en fonction du rapport cyclique du signal. Dans le cas où la pompe est destinée à un système SCR tel que décrit précédemment, la marche arrière (en sens inverse) de la pompe est généralement destinée à la purge qui s'effectue en général à plein débit; dans ce cas donc, l'envoi d'une pression de consigne n'est pas nécessaire lorsque la pompe tourne à l'envers. Dès lors, de préférence, la gamme (II) donne une fonction linéaire de la pression souhaitée en fonction du rapport cyclique, alors qu'à la gamme (III) est associée la vitesse maximale du moteur de la de pompe. Généralement, le signal PWM envoyé par l'ECM est un signal de tension électrique et généralement, de basse tension (5V ou 12V à titre d'exemple). Il peut être généré par une unité de commande, par exemple par l'ECU ou Engine Control Unit (désignant généralement le système de commande du moteur d'un véhicule automobile) ou par un ECM spécifique à la fonction où la pompe est impliquée (fonction SCR par exemple). Afin de s'assurer que la pompe débite à la pression de fonctionnement le plus rapidement et le plus précisément possible (ou en d'autres termes: que la pression de sortie de la pompe s'aligne rapidement et correctement sur la pression de consigne envoyée par l'ECM), il est avantageux que le contrôleur soit relié à un capteur de pression et comprenne un régulateur de pression et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur. Ceci permet, en boucle, de comparer la valeur de consigne de la pression, le cas échéant (c.à.d. lorsque la pompe est en marche) avec la valeur mesurée par le capteur et d'agir en conséquence sur la vitesse de rotation du moteur au moyen du contrôleur de celle-ci. Généralement, le régulateur effectue la comparaison entre la pression souhaitée et la pression mesurée et génère un signal d'erreur pour le contrôleur de la vitesse de rotation du moteur. Dans cette variante, le régulateur peut être de tout type connu mais il est de préférence de type PID (Proportionnel Intégral Dérivé). Quant au capteur de pression, il est de préférence intégré à la pompe c'est-à-dire qu'il peut être fixé à la pompe par tout moyen de fixation connu. Selon une variante préférée de l'invention, le contrôleur de la pompe peut envoyer à l'ECM un signal de diagnostic du fonctionnement de la pompe. En général, ce signal correspond à une tension électrique. Lorsque le contrôleur de la pompe détecte une anomalie (par un détecteur qui peut être spécifique à cette fonction et/ou par le régulateur de pression: voir ci-dessous), le signal PWM peut par exemple être mis à la masse par le contrôleur du moteur, provoquant ainsi un courant de court-circuit qui est mesuré par l'ECM et détecté comme un état d'anomalie du fonctionnement de la pompe. De préférence, le contrôleur effectue un diagnostic (détecte des anomalies) en permanence de sorte que 1"ECM peut détecter à tout moment s'il y a une anomalie de fonctionnement de lia pompe. Une première anomalie de fonctionnement de la pompe peut consister en une vitesse trop élevée du moteur d'entraînement (A). L'anomalie peut être causée par un blocage de la pompe par de la glace, par le fait que le capteur de pression est altéré et indique une pression trop faible ; par la présence d'une fuite en aval de la pompe qui fait que la pression de consigne ne peut être atteinte etc... Cette anomalie peut être détectée par le régulateur qui compare la pression en sortie de la pompe avec celle de consigne et peut donc envoyer un signal d'anomalie lorsque cette dernière n'est pas atteinte au bout d'un certain temps. Une deuxième anomalie de fonctionnement de la pompe peut consister en une vitesse trop faible du moteur (B). Cette anomalie peut par exemple être causée par un capteur de pression bloqué par une condition de gel à un niveau de pression mesurée plus élevé qu'en réalité. Le contrôleur reçoit alors du régulateur une indication comme quoi pression à la sortie de la pompe reste supérieure à la consigne de pression et il peut communiquer cette information à l'ECM. Une troisième anomalie de fonctionnement de la pompe peut être due au blocage du moteur, ayant pour conséquence une surchauffe de celui-ci par une augmentation de l'intensité de courant électrique dans le moteur (C). Cette anomalie peut être détectée par un capteur de courant intégré dans le contrôleur du moteur. Dans une forme de réalisation préférée, la pompe est destinée à alimenter un circuit d'alimentation en additif liquide pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à partir d'un réservoir à additif. Dès lors, la présente invention concerne également un système d'alimentation en additif liquide pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit circuit étant muni d'un dispositif de régulation susceptible d'appliquer la méthode décrite ci-dessus et comprenant à cet effet: une pompe permettant d'alimenter ledit additif d'un réservoir dans les gaz d'échappement; un moteur électrique rotatif permettant d'entraîner la pompe; un contrôleur capable de recevoir d'une unité de commande électronique (ECM), un signal de commande de type PWM ( Pulse Width Modulation ), d'en déduire les conditions de fonctionnement de la pompe et d'adapter la vitesse et/ou le sens de rotation du moteur en conséquence. L'additif dont il est question dans le cadre de cette variante de l'invention est de préférence un agent réducteur susceptible de réduire les NOx présents dans -7 les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Il s'agit avantageusement d'un précurseur d'ammoniac en solution aqueuse. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques d'urée pour lesquelles il existe un standard qualité : par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlue (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31.8 % et 33.2 % (en poids) (soit 32.5 +/- 0.7 % en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18.0 % e 18.8 %. L'invention peut également s'appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium vendus sous la marque DenoxiumTM et dont l'une des compositions (Denoxium- 30) contient une quantité équivalente en ammoniac à celle de la solution d'AdBlue . Ces derniers présentent comme avantage par rapport à l'urée, le fait de ne geler qu'à partir de -30 C (par rapport à -11 C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération éventuelle d'acide formique. Cette variante de la présente invention peut être appliquée à tout moteur à combustion interne. Elle est avantageusement appliquée à des moteurs diesel et en particulier, à des moteurs diesel de poids lourds. De manière préférée, le système selon cette variante de l'invention est généralement également équipé d'un injecteur permettant l'injection de l'additif dans les gaz d'échappement. Cet injecteur peut être de tout type connu. Il peut par exemple être un injecteur dit actif c'est-à-dire incluant la fonction de dosage. Le plus souvent, le système selon l'invention comprend un calculateur relié à l'injecteur et permettant d'injecter dans les gaz d'échappement la quantité d'additif requise (notamment en fonction des paramètres suivants : taux d'émission et de conversion des NOx; température et pression; vitesse et charge du moteur... et éventuellement, de la qualité (état de vieillissement) de la solution). Dans certains cas, tout le flux d'additif pourvu par la pompe n'est pas injecté dans les gaz d'échappement et la partie non injectée doit alors être recirculée. Un tel flux excédentaire peut servir à refroidir certains types d'injecteurs actifs (tels que celui décrit dans la demande US 5,976,475 par exemple). Il peut également être nécessaire à une régulation précise du dosage comme dans le système décrit dans la demande FR 06.06425 au nom de la demanderesse et impliquant le recours à une vanne doseuse et à un régulateur de pression. 8 Pour les raisons expliquées ci-dessus, il peut être avantageux de munir le système selon cet aspect de l'invention d'au moins un des éléments suivants: un capteur de pression permettant de vérifier que la pression de consigne est atteinte; un régulateur PID de la pression demandée; un contrôleur de la vitesse du moteur; û un circuit de diagnostic permettant d'envoyer à I'ECM, un signal de diagnostic concernant le fonctionnement de la pompe. De même, toutes les autres caractéristiques présentées comme avantageuses dans le cadre de la description de la méthode selon l'invention le sont également dans le cadre du système selon l'invention et en particulier, lorsqu'il s'agit d'un système SCR. La présente invention est illustrée de manière non limitative par la figure 1. Celle-ci représente une variante avantageuse de système selon l'invention destiné à injecter une solution d'urée dans les gaz d'échappement d'un véhicule à diesel. Elle illustre un schéma bloc du système de contrôle d'une pompe à urée (8) entraînée par un moteur BLDC (7) et qui est contrôlée par un contrôleur (15). Le contrôleur (15) comprends un régulateur PID (3), un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur (5) et un bloc d'alimentation électrique (4). Le contrôleur (15) jouit lui-même d'une alimentation électrique (10) de 12 V DC et d'une mise à la masse (11). Le contrôleur (15) reçoit d'un ECM (:l), un signal PWM (2) -dont un exemple sera décrit plus en détail ci-après. Le contrôleur (15) renvoie alors à l'ECM (1), un signal de diagnostic de l'état de fonctionnement de la pompe (8). Il reçoit également comme signal d'entrée un signal de la pression mesurée (12) par un capteur de pression (9) qui est alimenté électriquement par le bloc d'alimentation (4) au travers d'un signal (13) et d'une masse (14). Le contrôle de la vitesse de rotation du moteur (7) est réalisé en envoyant au moteur (7), une tension donnée (6), qui peut également être sous la forme d'une tension PMW, de manière à ce que la pression de sortie à la pompe (8) suive la consigne véhiculée par le signal de commande (2). Un exemple de signal PWM qui peut être émis par l'ECM est un train d'impulsions rectangulaires émises à une fréquence de 1 kHZ, avec une tension de 12V et une intensité de 50mA. Selon l'invention, ce train d'ondes a un rapport cyclique variable selon les conditions de fonctionnement de la pompe. Ainsi, dans l'exemple considéré: à des rapports cycliques compris entre 0 et 10 % ou entre 90 et 100% correspond une consigne d'arrêt de la pompe; -en fonctionnement normal (marche avant), le rapport cyclique est fixé à une valeur comprise entre 20 et 90%, sachant qu'à une valeur de 20% correspond une pression de 1 bar et que celle-ci varie linéairement pour atteindre 8 bar (pression maximale dans cet exemple) à 90% de rapport cyclique; et - à un rapport cyclique compris entre 10 et 20% correspond le fonctionnement en mode inversé de la pompe à vitesse maximale du moteur de sorte à pouvoir effecteur la purge d'un système SCR. Dans cet exemple, pour effectuer un cycle de purge, l'ECM émet un signal PWM dont le rapport cyclique a une valeur comprise entre 0 et 10% pendant 500ms (pour arrêter la pompe); ensuite, il change le rapport cyclique du signal pour le mettre à une valeur comprise entre 10 et 20% et provoquer la purge. La durée de la purge (et donc: la durée de la période pendant laquelle le signal PWM a une valeur comprise entre 10 et 20%) dépend de la configuration du système à purger. Cette durée est typiquement de 10 s à 1 min pour les systèmes SCR. Enfin, l'ECM modifie une dernière fois le rapport cyclique du signal PWM et le met à une valeur comprise entre 0 et 10% pour arrêter à nouveau la pompe. Signes de référence des figures: ECM signal PWM émis par l'ECM régulateur PID bloc d'alimentation contrôleur du moteur tension d'alimentation du moteur moteur pompe capteur pression alimentation masse signal du capteur pression alimentation du capteur pression masse du capteur pression contrôleur de la pompe qui englobe (3), (4) et (5) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) REVENDICATIONS 1. Méthode de contrôle du fonctionnement d'une pompe entraînée par un moteur et contrôlée par un contrôleur, selon laquelle un ECM envoie au contrôleur, un signal de commande de type PWM ( Pulse Width Modulation ) ayant un rapport cyclique variable en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées pour la pompe et selon laquelle le contrôleur agit sur le moteur pour appliquer lesdites conditions de fonctionnement à la pompe. 2. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le moteur est du type moteur à courant continu sans balais ( brushless direct 10 current ou BLDC). 3. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le signal PWM se présente sous la forme d'une onde carrée. 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisée en ce qu'à une lè1e gamme de rapports cycliques (I) correspond une consigne d'arrêt de la pompe; à une 2ème gamme de rapports cycliques (II) correspond une consigne de marche avant de la pompe; à une 3è11e gamme de rapports cycliques (III) correspond une consigne de marche arrière de la pompe. 5. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la 20 gamme (II) donne une fonction linéaire de la pression souhaitée en fonction du rapport cyclique. 6. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le contrôleur est relié à un capteur de pression et comprend un régulateur de pression et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur; et en ce que, en 25 boucle, le contrôleur compare la valeur de consigne de la pression avec la valeur mesurée par le capteur et agit en conséquence sur la vitesse de rotation du moteur au moyen du contrôleur de celle-ci. 7. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le régulateur est de type PID et en ce qu'il génère un signal d'erreur pour le 30 contrôleur de la vitesse de rotation du moteur. 8. Méthode de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le contrôleur de la pompe peut envoyer à l'ECM un signal de diagnostic du fonctionnement de la pompe en détectant en-11- permanence les anomalies de fonctionnement de celle-ci à l'aide d'un détecteur et en mettant le signal PWM à la masse lorsqu'une telle anomalie est détectée. 9. Système d'alimentation en additif liquide pour des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant: - une pompe permettant d'alimenter ledit additif d'un réservoir dans les gaz d'échappement; - un moteur électrique rotatif permettant d'entraîner la pompe ; - un contrôleur capable de recevoir d'une unité de commande électronique (ECM), un signal de commande de type PWM ( Pulse Width Modulation ), d'en déduire les conditions de fonctionnement de la pompe et d'adapter la vitesse et/ou le sens de rotation du moteur en conséquence. 10. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un des éléments suivants: un capteur de pression; un régulateur PID; un contrôleur de la vitesse du moteur; un circuit de diagnostic permettant d'envoyer à l'ECM, un signal de diagnostic concernant le fonctionnement de la pompe.