Brevet FR2911635A1 — publié le 20080725

"Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur et de deux circuits de recirculation des gaz d'échappement de type haute pression et basse pression". L'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour compresser un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur. Ce moteur est en outre équipé d'un circuit de recirculation pour récupérer des gaz d'échappement du moteur afin de les réinjecter en entrée du moteur. Le mélange gazeux admis dans le compresseur est ainsi un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés. L'intérêt de reconduire à l'admission les gaz d'échappement du moteur est de diminuer l'émission de substances polluantes telles que les oxydes d'azote dits Nox. En effet, ces Nox sont formés par la combinaison à haute température de l'oxygène et de l'azote contenus dans l'air frais alimentant le moteur. Ainsi, le fait de remplacer lors de certaines phases de fonctionnement du moteur, une partie de cet air par des gaz pauvres en oxygène, diminue la quantité d'oxygène disponible et ainsi la formation de Nox. L'exemple de la figure 1 représente un moteur diesel suralimenté répondant à la définition ci-dessus. Ce moteur 1 est alimenté d'une part en air 4 par un conduit d'admission 2 et d'autre part en gaz par un circuit de recirculation de ces gaz 3. Dans le conduit d'admission 2, l'air frais 4 est véhiculé au travers d'un filtre 6. Sa température et son débit massique sont mesurés respectivement par un capteur de température 7a et un capteur de débit (débitmètre) 7b, préalablement à l'introduction au sein du compresseur 8 de cet air 4. L'air compressé issu du compresseur est soit refroidit par le refroidisseur 9 puis acheminé vers un doseur 10 soit directement véhiculé jusqu'à ce doseur 10 au moyen d'une conduite de dérivation 12, qui court-circuite le refroidisseur 9. L'air en sortie du doseur 10 circule jusqu'à une jonction de mélange 11 située en amont de l'admission du moteur. Le circuit 3 est apte à prélever les gaz d'échappement directement à la sortie 13 du moteur 1 à laquelle ces gaz présentent une pression et une température élevées, et les achemine vers la jonction de mélange 11. Pour ces raisons ce circuit constitue un circuit de recirculation dit haute pression, haute température. Il comprend une vanne de régulation, dite vanne haute pression 14, ainsi qu'un échangeur de chaleur 16. Les gaz issus du moteur qui ne sont pas recirculés sont acheminés vers la turbine 17 du turbocompresseur, au moyen de laquelle ces gaz sont détendus. Ces gaz dits basse pression BP sont épurés par l'intermédiaire d'un catalyseur 18 et filtrés par le filtre à particule 19, préalablement à leur évacuation au niveau de l'échappement 21 du véhicule. Cependant, une quantité trop importante de gaz recirculés entraîne une augmentation des taux de suie, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbure qui constituent à l'image des Nox, des substances polluantes. Ainsi, un contrôle précis de la quantité de gaz recirculés est nécessaire pour gérer au mieux le compromis entre la diminution des émissions de Nox d'une part et l'augmentation des émissions de suie, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbure d'autre part. Ce contrôle est assuré par le pilotage de la vanne de régulation du circuit 14 qui régule les proportions d'air et de gaz du mélange gazeux d'admission, tel qu'illustré sur la figure 2. Selon cette figure 2, une consigne de débit d'air 23 est déterminée en fonction du régime courant du moteur 24 et d'une consigne de débit du carburant à injecter 26. Un certain nombre de corrections pourront être ajoutées ou multipliées. Cette consigne 23 est communiquée à un comparateur 27 qui détermine une information 28 représentative de l'écart existant entre la consigne calculée 23 et une mesure courante du débit d'air 29. Cette information 28 est ensuite transmise à une unité de commande qui comprend une boucle ouverte et un régulateur proportionnel intégral dérivé (PID) à paramètres variables 31HP, qui reçoit également les données relatives au régime moteur 24 et à la consigne de débit de carburant 26 et un certain nombre de corrections. Ce régulateur 31HP est apte à faire correspondre aux trois paramètres 24, 26, 28 qu'il reçoit, une consigne 32HP de position pour la vanne HP 14 à laquelle cette vanne 14 permet un ajustement du débit d'air à la valeur souhaitée 23. Cette consigne de position 32HP est transmise à une unité de commande 33HP qui intègre également la position courante 34HP de la vanne 14 et qui communique en fonction de l'écart existant entre ces deux données 32, 34, une commande 36HP de déplacement de la vanne 14. Cette consigne 32 est également transmise à une unité 37 de contrôle de la position du doseur d'air 10 qui réceptionne en outre les données relatives au régime courant du moteur 24, au débit de carburant à injecter 26 et l'information 28 et qui calcule en fonction des données qu'elle reçoit une commande 38 de la position du doseur 10. En parallèle du contrôle du débit d'air, une régulation de la pression de suralimentation est réalisée en asservissant un actionneur de turbine à géométrie variable 22, tel qu'illustré sur la figure 3. Selon ce schéma, une consigne de pression de suralimentation 39 est déterminée à partir du régime courant du moteur 24 et de la consigne de débit du carburant à injecter 26 précités. Un comparateur 42 compare cette consigne 39 à une mesure de la pression courante de suralimentation 41 et transmet une information 40 représentant l'écart existant entre ces deux grandeurs à un régulateur PID 43. En fonction de cette information 40, du régime courant du moteur 24 et de la consigne de débit du carburant à injecter 26, le régulateur 43 détermine la position particulière de l'actionneur de la turbine qui permet d'atteindre la pression de consigne 39. Cette donnée est associée à une information sur le pré positionnement 44 de l'actionneur 22 pour déterminer un signal 45 représentatif du déplacement nécessaire pour l'actionneur 22. Une unité de contrôle 47 est alors utilisée pour déplacer l'actionneur 22 à la position souhaitée. Avantageusement, un contrôle précis de la position de l'actionneur 22 est obtenu lorsque le moteur comprend un capteur de position 48 de l'actionneur 22. Cependant, malgré les contrôles de débit d'air et de pression de suralimentation, les émissions de substances polluantes générées par le moteur sont encore importantes. L'invention vise à pallier cet inconvénient tout en conservant l'efficacité du moteur. A cet effet, l'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour compresser un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, ce moteur étant équipé d'un circuit de recirculation pour récupérer des gaz d'échappement du moteur afin de les réinjecter en entrée du moteur. Selon l'invention, le circuit de recirculation est de type basse pression et comprend des moyens de récupération des gaz en sortie de turbine et des moyens pour injecter ces gaz en amont du compresseur. Selon une autre caractéristique, une vanne de régulation équipe le circuit basse pression. Avantageusement, un échangeur thermique refroidit les gaz circulant dans le circuit basse pression. Selon une autre caractéristique, le moteur comprend un circuit de recirculation de type haute pression, pourvu de moyens de récupération des gaz en amont de la turbine et des moyens injecte ces gaz en aval du compresseur. De préférence, une vanne de régulation équipe le circuit haute pression. L'invention concerne également le procédé de pilotage du moteur ci-dessus, dans lequel le mélange gazeux admis dans le compresseur est un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés. Selon ce procédé, les proportions de ce mélange sont ajustées en pilotant la vanne de régulation du circuit basse pression lorsque le moteur fonctionne à régime élevé. Selon un mode de réalisation préféré, les proportions du mélange sont ajustées en pilotant la vanne de régulation du circuit haute pression lorsque le moteur est en dessous d'un seuil de température. Le moteur est dit froid. De préférence, les proportions de ce mélange sont ajustées en pilotant la vanne de régulation du circuit basse pression et dans lequel la température du mélange gazeux compressé qui est admis dans le moteur est régulée en pilotant la vanne de régulation du circuit haute pression lorsque le moteur a atteint un seuil de température. Le moteur est dit chaud. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description suivante, faite en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 précitée représente une vue schématique d'un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur de type connu, - la figure 2 susmentionnée illustre un schéma de principe d'une régulation du débit d'air frais au sein du 10 moteur de la figure 1, - la figure 3 montre un schéma de principe d'une régulation de la pression de suralimentation du moteur de la figure 1, la figure 4 illustre une vue schématique d'un 15 moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, selon l'invention, - la figure 5 représente les différentes phases d'utilisation d'un véhicule automobile avec P1 : phase urbaine, P2 : phase intermédiaire, P3 : phase extra 20 urbaine, - la figure 6 illustre un schéma de principe du procédé de contrôle du moteur de la figure 4 durant P3, - la figure 7 représente un schéma de principe du procédé de contrôle du moteur de la figure 4 durant P1, 25 - la figure 8 est un agrandissement de la zone repérée par VIII sur la figure 4, et représentant les paramètres utilisés pour améliorer le fonctionnement du procédé en phase P2, la figure 9 illustre la loi de commande 30 utilisant ces paramètres. Le moteur 51 selon l'invention représenté sur la figure 4 comprend en outre de ses éléments communs avec le moteur de l'état de la technique de la figure 1, un 35 circuit de recirculation 52 de type basse pression. Ce circuit 52 est constitué par une conduite dont une extrémité débouche au sein du conduit d'échappement 20 c'est-à-dire entre le filtre à particules et l'échappement du véhicule, l'extrémité opposée débouchant dans le conduit d'admission 5, à savoir entre le débitmètre 7 et le compresseur 8. La fonction de ce circuit 52 est d'injecter les gaz d'échappement prélevés en aval de la turbine 17, c'est-à-dire des gaz à basse pression, en amont de l'admission du moteur et plus particulièrement, en amont du compresseur 8. Ce circuit 52 comprend en outre un échangeur thermique 53 pour refroidir les gaz circulant en son sein ainsi qu'une vanne de régulation, dite vanne basse pression 54. Ce moteur 51 est piloté par un procédé qui gère l'utilisation des circuits basse et haute pression 3 et 51 en fonction des phases P1, P2, P3 d'utilisation du véhicule : En phase P1 dite urbaine, le mélange gazeux d'admission est froid et sa combustion au sein du moteur serait susceptible de fabriquer des suies, du monoxyde de carbone, et des hydrocarbures. Le procédé est réglé pour utiliser principalement, voire exclusivement le circuit haute pression 3 afin de relever la température de ce mélange et d'éviter la formation des substances polluants indésirables. A noter que l'échangeur 16 est de préférence court-circuité. Plus précisément, dans cette phase, la vanne basse pression 54 est commandée à une position d'obturation du circuit basse pression 51 et les proportions air/gaz du fluide d'admission sont ajustées en pilotant la vanne 14 de régulation du circuit haute pression. Le contrôle de ces proportions est réalisé par une régulation identique à celle décrite précédemment pour la figure 2 et celui de la pression de suralimentation, par une régulation similaire à celle décrite ci-dessus pour la figure 3. En phase P3, dite extra urbaine, le mélange gazeux d'admission est chaud et serait susceptible de fabriquer des Nox lors de sa combustion. Le procédé selon l'invention est réglé en conséquence pour utiliser principalement, voire exclusivement, le circuit basse pression 52 afin de diminuer la température de ce mélange gazeux et d'éviter la formation de ces Nox Plus particulièrement, dans cette phase P3, la vanne haute pression 14 est commandée à une position d'obturation du circuit haute pression 3 et les proportions air/gaz du fluide d'admission sont ajustées en pilotant la vanne 54 de régulation du circuit basse pression. Le contrôle de ces proportions est rendu possible au moyen de la régulation de la figure 6, qui est analogue à celle de la figure 2, mais appliquée à la vanne basse pression 54 et est ainsi dépourvue de doseur. Les paramètres de contrôle pourront être différents. Sur cette figure, les données relatives à la vanne basse pression portent les mêmes numéros que les données correspondantes de la figure 2 avec comme indice BP pour basse pression en remplacement de HP de la figure 2. Le contrôle de la pression de suralimentation, est assuré par une régulation similaire à celle décrite précédemment pour la figure 3. Les paramètres de contrôle pourront être différents. En phase P2, la température du mélange d'admission est intermédiaire et il est nécessaire de trouver un compromis entre la formation des substances carbonées indésirables et celle des Nox. Le procédé selon l'invention est réglé pour gérer à la fois le circuit basse pression 51 et le circuit haute pression 3. Durant cette phase P2, la solution de contrôle consiste à réguler une consigne de débit d'air frais à l'aide de la vanne basse pression 54 et à réguler une consigne de température à l'aide de la vanne haute pression 14. En effet, des études ont permis de montrer que la température dans le collecteur d'admission était fortement dépendante de l'ouverture de la vanne haute pression 14 et très faiblement de celle de la vanne basse pression 54. Ainsi, le procédé de contrôle utilise pour cette phase P2 la régulation de la figure 6 pour contrôler le débit d'air au moyen de la vanne basse pression 54 et la régulation de la figure 7 pour contrôler la température du collecteur d'admission au moyen de la vanne haute pression 14. Plus précisément, pour cette dernière régulation, une consigne de température 57 est déterminée à partir du régime courant du moteur 24, d'une consigne de débit du carburant à injecter 26 et de la température 58 d'un fluide du moteur représentatif de son état de chauffe tel que l'eau de refroidissement de ce moteur. Un certain nombre de corrections pourront être ajoutées ou multipliées. Un régulateur PID 31 recueille une information représentative de l'écart existant entre la température mesurée 59 dans le collecteur d'admission et la température de consigne ci-dessus 57 et y fait correspondre une consigne de position 61 pour la vanne haute pression 14. A partir de cette position de consigne 61 et la position courante 62 de la vanne haute pression 54, l'unité de commande 33 de la position de cette vanne 14, permet un contrôle rapproché de la position de cette vanne 14. Par ailleurs, le contrôle de la pression de suralimentation, est assuré par une régulation similaire à celle décrite ci-dessus pour la figure 3. Les paramètres de contrôle pourront être différents. De plus, le procédé est apte à déterminer le moment optimal pour réaliser le passage de la phase P1 à la phase P2, à savoir : - lorsque la température d'un fluide du moteur représentatif de son état de chauffe, tel que l'eau de refroidissement de ce moteur, a atteint un certain seuil de température Tseuill, et de préférence lorsque la transition ne perturbe pas la production de couple par le moteur, c'est-à-dire lorsque le conducteur n'exerce pas un effort sur la pédale d'accélérateur. Avantageusement, un prépositionnement de la vanne basse pression 54 peut être ajouté afin d'améliorer encore la transition entre les phases P1 et P2 et la robustesse de la double régulation du débit d'air et de la température des gaz dans le collecteur d'admission en phase P2. Sa détermination repose sur la mesure de trois températures et de deux pressions : - la température de l'air d'admission 4 (Tair) mesurée par le capteur 7a, - la température des gaz circulant dans le circuit basse pression (Tegrbp) en amont de la vanne basse pression 54, - la température du mélange gazeux air/gaz d'échappement (Tavc) en amont du compresseur 8, - la pression des gaz du circuit basse pression (Pegrbp), et la pression de l'air d'admission (Pair) qui est sensiblement équivalente à la pression du mélange air/ gaz circulant dans le circuit basse pression, en amont du compresseur 8. Ce prépositionnement de la vanne 54 est opéré selon le schéma représenté sur la figure 9. Ce dernier reprend le schéma de régulation du débit d'air par la vanne basse pression 54 tel que décrit pour la figure 6 mais comprend une boucle supplémentaire pour transmettre la consigne de débit d'air 23 à un modèle enthalpique 66 afin de calculer une consigne de débit de gaz basse pression 67. Cette dernière est elle-même communiquée à un modèle inverse de saint venant 68 qui calcule une consigne de section efficace de la vanne basse pression 54, elle-même transmise à une unité dans laquelle les caractéristiques de la vanne BP 54 sont enregistrées et qui est apte à faire correspondre à la consigne de section efficace un prépositionnement de la vanne basse pression 54. Plus précisément, le modèle enthalpique (1) consiste à calculer la consigne 67 de débit de gaz traversant la vanne basse pression (nommée Qegrbp cons dans la formule (1) ci-dessous), en fonction de la consigne de débit d'air 23 (Qair cons dans la formule (1)) de la manière suivante : (Tavc ù Tair ) (1) Qegrbp_cons = Q air cons (T egrbp ù Tavc ) Le modèle inverse de Saint Venant (2) consiste à calculer la consigne 69 de section efficace de la vanne basse pression (Seff egrbp cons) en fonction de la consigne 67 de débit d'air (Qegrbp cons) en loi de Barré de Seff egrbp cons = Où Kbsv est une constante et fbsv est une fonction prédéterminée. La consigne de section efficace 69 est transmise à une unité intégrant les caractéristiques géométriques de la vanne et y faisant correspondre un pré-positionnement pour cette vanne 54. Il est à noter que la transition entre les phases P2 et P3 est moins perturbante pour le fonctionnement du Saint Venant i.e. . Qegrbp cons 1~ S1 Pegrbp > Pair ' egrbp Î (' egrbp ) bsv VTegrbp 1~ Pair inversant la (2) moteur. En effet, contrairement à la transition précédente, aucun changement d'actionneur n'est réalisé sur la consigne de débit d'air, puisque c'est la vanne basse pression 54 qui est utilisée pour ces deux phases P2, P3. Cette transition consiste à arrêter la régulation de température des gaz dans le collecteur d'admission par la vanne haute pression 14 lorsque le fluide du moteur représentatif de son état de chauffe atteint une deuxième température seuil Tseuil2. L'invention telle que décrite ci-dessus présente différents avantages, parmi lesquels : - l'utilisation dans un moteur d'un circuit de recirculation de type basse pression et d'un circuit de type haute pression, permettant de diminuer les émissions de NOx d'un moteur Diesel suralimenté tout en respectant les seuils réglementaires sur les autres polluants (suies, monoxyde de carbone, hydrocarbures...), - la mise en oeuvre d'un procédé de contrôle de ces deux circuits en fonction des phases courantes de 20 fonctionnement du moteur, et - la stabilité des performances du moteur lors d'une transition de phase. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur (8) pour compresser un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur (1) et une turbine (17) entraînant mécaniquement ce compresseur (8) et située en sortie du moteur (1) pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur (1), ce moteur (1) étant équipé d'un circuit de recirculation pour récupérer des gaz d'échappement du moteur afin de les réinjecter en entrée du moteur (1), caractérisé en ce que le circuit de recirculation est de type basse pression (51) et comprend des moyens de récupération des gaz en sortie de turbine (17) et des moyens pour injecter ces gaz en amont du compresseur (8). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne (54) de régulation équipant le circuit basse pression. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (53) pour refroidir les gaz circulant dans le circuit basse pression (51). 4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de recirculation de type haute pression (3), pourvu de moyens de récupération des gaz en amont de la turbine (17) et des moyens pour injecter ces gaz en aval du compresseur (8). 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en 30 ce qu'il comprend une vanne de régulation (14) équipant le circuit haute pression (3). 6. Procédé de pilotage du moteur selon la revendication 2, dans lequel le mélange gazeux admis dans le compresseur (8) est un mélange d'air frais et de gaz 35 d'échappement recirculés et dans lequel les proportions de ce mélange sont ajustées en pilotant la vanne derégulation (54) du circuit basse pression (51) lorsque le moteur fonctionne à régime élevé. 7. Procédé de pilotage du moteur selon la revendication 2, dans lequel le mélange gazeux admis dans le compresseur (8) est un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés et dans lequel les proportions de ce mélange sont ajustées en pilotant la vanne de régulation (14) du circuit haute pression (3) lorsque le moteur est en dessous d'un seuil de température. 8. Procédé de pilotage du moteur selon les revendication 2 et 5, dans lequel le mélange gazeux admis dans le compresseur est un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés, dans lequel les proportions de ce mélange sont ajustées en pilotant la vanne de régulation (54) du circuit basse pression (51) et dans lequel la température du mélange gazeux compressé qui est admis dans le moteur (1) est régulée en pilotant la vanne de régulation (14) du circuit haute pression (3) lorsque le moteur a atteint un seuil de température.