Brevet FR2910929A1 — publié le 20080704

La présente invention concerne un groupe motopropulseur, en particulier pour véhicule automobile, comprenant un moteur à combustion interne, suralimenté au moyen d'un compresseur, en particulier d'un turbocompresseur. Elle a plus précisément pour objet un procédé et un système d'estimation et de régulation du débit d'air frais à un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est équipé de deux circuits d'EGR, l'un dit haute pression (HP) et l'autre basse pression (BP). La suralimentation d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, consiste à l'alimenter au moyen d'un turbocompresseur avec de l'air qui est comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique, de manière à améliorer la puissance du moteur. Le turbocompresseur est susceptible d'assurer également une recirculation des gaz d'échappement, usuellement désignés EGR (Exhaust Gaz Recirculation). Cette recirculation a pour intérêt de réduire l'émission globale des polluants, en particulier des NOx (oxydes d'azote), car certaines particules nocives qui n'ont pas été brûlées au cours d'une première phase de combustion peuvent l'être au cours de la suivante. Le domaine technique auquel se rapporte l'invention est le contrôle du moteur à combustion interne, et sa gestion avec l'ensemble de ses capteurs et actionneurs. L'ensemble des lois de contrôle de la commande (stratégies logicielles) et des paramètres de caractérisation (calibrations) du moteur est contenu dans un calculateur appelé UCE (unité de contrôle électronique). Le recirculation des EGR est actuellement pratiquement généralisée 25 sur les moteurs Diesel équipant les véhicules automobiles modernes. La quantité d'oxydes d'azote produits par un moteur Diesel est fortement liée à la composition du mélange réactif dans les cylindres du moteur en air, carburant et à la présence de gaz inertes. Ces gaz ne participent pas à la combustion et proviennent d'un circuit dérivant une partie des gaz d'échappement 30 vers le circuit d'admission. Le circuit permet la recirculation des gaz d'échappement (EGR). L'EGR est assuré en mettant en communication le circuit d'échappement et le circuit d'admission via une section de passage dont la dimension est réglée par une vanne EGR. Il existe deux types de circuit possibles d'EGR, l'un dit haute pression (HP) et l'autre basse pression (BP). Les figures 1 et 2 annexées représentent un système à circuit HP et, respectivement, BP. Sur ces figures, les mêmes chiffres et lettres de référence ont été utilisées pour désigner des éléments identiques ou similaires, les éléments spécifiques au circuit HP ayant été affectés de l'indice (a), et ceux spécifiques au circuit BP de l'indice (b). En référence à la figure 1, le moteur 1 comporte un bloc moteur 10, par exemple à quatre cylindres, pourvu d'un collecteur d'admission 5 du gaz comburant froid, et d'un collecteur d'échappement 6 des gaz brûlés chauds. Les références 50 et 60 désignent les branches du collecteur d'admission 5 et, respectivement, les branches du collecteur d'échappement 6, par lesquelles les collecteurs se raccordent à chacun des cylindres. Le turbocompresseur 2 comprend une première turbine (motrice) 20, à géométrie variable, raccordée au collecteur 6, et entraînée par les gaz d'échappement, ainsi qu'une seconde turbine (menée) 21 assurant la suralimentation du moteur 1. L'air frais ambiant AF est amené à la turbine 20 au moyen d'une 20 conduite 3, via un filtre à air 30 et un débitmètre 31. Cette turbine 21 fournit de l'air comprimé au collecteur 5 au moyen d'une conduite 4, via un échangeur de chaleur 40. En aval de cet échangeur, et en amont de l'embouchure du collecteur 5, la conduite 4 -ou plenum - est munie d'un volet d'admission 41, du genre vanne 25 papillon , qui permet de faire varier le débit d'air passant dans la conduite 4. La référence 8a désigne un conduit by-pass qui fait communiquer le collecteur d'échappement 6 avec la portion amont (d'entrée) du collecteur d'admission 5 via un dispositif de refroidissement 80a. Ce conduit 8a est équipé d'une vanne de réglage du débit 81a (vanne 30 EGR HP) située en amont du refroidisseur de gaz 80a. Le conduit 8a permet ainsi le refroidissement et la recirculation, avec un débit réglable, des EGR dans le moteur via le collecteur 5. Les gaz brûlés GB non recyclés sont évacués de la turbine 20 vers l'extérieur par un conduit d'échappement 7, via un filtre à particules 70. Ce type de circuit est dit haute pression car il est interne au circuit de suralimentation. De fait, l'entrée du conduit by-pass 8a se trouve en amont de la turbine 20, et sa sortie en aval du turbocompresseur. Un tel circuit est mis en oeuvre sur l'ensemble des moteurs qui 5 satisfont à la norme de dépollution actuelle dite EURO IV . En référence à la figure 2, qui représente un système à circuit basse pression , la recirculation des EGR est réalisée au moyen d'un conduit 8b qui relie le conduit d'échappement 7 au conduit d'amenée 3 de l'air frais et filtré au turbocompresseur 2. 10 Plus précisément, le conduit 8b se raccorde, à son extrémité amont, à la portion 72 du conduit d'échappement 7 qui est située en aval du filtre à particules 70 et, à son extrémité aval, en une zone du conduit 3 située en aval du débitmètre 31. Le conduit 8b est muni d'un dispositif refroidisseur de gaz 80b et 15 d'une vanne de réglage du débit 81b (vanne EGR BP) située en amont de ce refroidisseur. En aval de la zone de raccordement avec le conduit 8b, ladite portion 72 est munie d'un volet d'échappement 71. Ce type de circuit est dit basse pression car il est externe au 20 circuit de suralimentation. De fait, l'entrée du conduit 8b se trouve en sortie du filtre à particules 70, et sa sortie en amont du turbocompresseur. L'invention se rapporte uniquement aux moteurs équipés à la fois d'un circuit d'EGR haute pression et d'un circuit d'EGR basse pression . Un système de ce genre, qui regroupe les deux conduits 8a et 8b dont 25 il a été fait état plus haut, est illustré sur la figure 3. La recirculation EGR haute pression est assurée en mettant en communication le circuit d'échappement avant turbine 20 et le circuit d'admission après compresseur 2 via une section de passage dont la valeur est réglée par la vanne 81a. Un volet d'admission (non représenté) placé en amont de cette vanne 30 permet d'augmenter la différence de pression aux bornes du circuit EGR haute pression et donc d'augmenter le taux d'EGR haute pression. La recirculation EGR basse pression est assurée en mettant en communication le circuit d'échappement après filtre à particules 70 et le circuit d'admission avant compresseur 2 via une section de passage dont la dimension est 35 réglée par la vanne EGR basse pression 81b. Le volet échappement 71 placé dans la ligne d'échappement 72, après le piquage EGR basse pression, permet d'augmenter la différence de pression aux bornes du circuit EGR basse pression, et donc d'augmenter le taux d'EGR basse pression. L'ensemble des gaz EGR (BP + HP) permet de baisser la quantité d'oxydes d'azote mais il risque d'augmenter les fumées si le taux d'EGR est trop élevé. Il est donc nécessaire de calculer la quantité juste nécessaire d'EGR total (HP + BP). De plus, les deux circuit EGR HP et BP permettent aussi de contrôler la thermique des gaz admis dans le moteur afin de réduire les émissions d'hydrocarbure (HC) et de monoxyde carbone (CO), ainsi que pour contrôler le délai d'auto inflammation du carburant. En effet en modulant la proportion de l'EGR HP (chaud) et de l'EGR BP (froid), il est possible de contrôler la thermique des gaz d'admission. L'information relative au débit d'air frais entrant dans le moteur est 15 utilisée principalement par PUCE pour : - limiter la quantité de carburant injecté dans le moteur pour éviter une émission de particules trop importante ; -contrôler le débit EGR total (HP + BP) en régulant, via les vannes EGR HP et BP, le volet d'admission et le volet échappement, le débit d'air frais sur 20 une consigne contenue dans PUCE. Les normes de dépollution étant de plus en plus sévères, la quantité de particules rejetée par un moteur Diesel doit être de plus en plus faible. Le filtre à particules est une solution qui permet de réduire la quantité de particules rejetée dans l'environnement. Il est composé d'un ensemble de micro canaux dans lesquels 25 une grande partie des particules se trouvent piégées. Une fois le filtre plein, il faut vider le filtre en brûlant les particules, cette phase est appelée : régénération . La régénération peut être obtenue soit par un dispositif de chauffe, soit par des réglages spécifiques du moteur. Le filtre à particules est placé dans la ligne d'échappement après le turbo compresseur. 30 L'invention se propose de faire une estimation et une régulation du débit d'air frais entrant sur un moteur équipé de deux circuits EGR HP et BP sans l'aide d'un débitmètre, conformément à la configuration illustrée sur la figure 3. Les problèmes techniques rencontrés à cet égard vont maintenant être exposés. Comme déjà dit, la double recirculation d'EGR HP et BP permet de réduire la production d'oxydes d'azote et de contrôler la thermique des gaz admis dans le moteur. La consigne de base du débit d'air moteur est cartographiée en fonction du régime moteur et du débit de carburant (ou du couple moteur), puis corrigée en fonction de plusieurs grandeurs physiques. Ces corrections diminuent ou augmentent la consigne de débit d'air moteur pour maintenir un niveau acceptable de polluant. Un exemple de régulation d'EGR HP et BP avec un débitmètre 10 d'air est donné ci-après, en référence à la figure 4 annexée. L'unité de contrôle électronique (UCE), qui porte la référence 9, comprend une unité 90 de calcul de la consigne de débit d'air Qair. cons et une unité 900 de régulation du débit d'air. La consigne de débit d'air est définie en fonction du compromis des 15 quantités d'oxydes d'azote et de particules produites par le moteur sur des points stabilisés (régime moteur et débit carburant constants). Pour un régime moteur et un débit carburant, le metteur au point identifie une quantité d'air optimisant les oxydes d'azote et les particules. La fonction du régulateur de débit d'air est de minimiser en 20 permanence l'écart entre la consigne Qair. cons et la mesure du débit d'air Qair.mes en contrôlant les positions des vannes EGR HP 80a, BP 80b, du volet d'amission 41 et du volet d'échappement 71. Le débit d'air frais Qair.mes peut être mesuré par un capteur à fil chaud placé en sortie du filtre à air 30. Le principe de mesure est d'asservir la température 25 d'un élément chauffant placé dans le flux d'air. Le courant de chauffage est donc l'image du débit d'air frais traversant le débitmètre. La variation de courant est traduite en tension qui est mesurable par le calculateur d'injection. Une fois la tension numérisée, elle est traduite kilogramme par heure (kg/h) via une table de correspondance. 30 Les inconvénients d'un tel capteur en sont notamment le coût, les perturbations du signal de mesure, les perturbations dues aux retours d'ondes de pression, les risques d'encrassement liés à la proximité des gaz EGR BP, les difficultés de la mise au point de sa caractéristique, ainsi que les dérives et dispersions du composant. Comme indiqué précédemment, l'invention a pour but de proposer une estimation et une régulation du débit d'air entrants dans le moteur équipé des deux circuits EGR (HP + BP), ceci sans l'aide d'un débitmètre. L'état de la technique en la matière, tel que connu de la 5 demanderesse, va maintenant être exposé. Pour s'affranchir de la présence d'un débitmètre, il est connu de déterminer la quantité d'air totale aspirée à partir de la pression et de la température de l'air dans le collecteur d'admission, et du régime moteur. En présence de gaz recirculés (EGR), ce procédé n'est cependant plus 10 applicable. Une autre solution consiste à mesurer la quantité de carburant injectée dans les cylindres du moteur et à détecter un éventuel excès d'air entrant dans les cylindres, à l'aide d'une sonde à oxygène placé dans la tubulure d'échappement du moteur. Les inconvénients de ce procédé sont, d'une part, le coût 15 élevé de ce composant et, d'autre part, le retard induit par le capteur dans la détermination de la quantité d'air, tout particulièrement en phase d'accélération et de décélération. D'autres solutions, qui sont décrites dans les brevets suivants, concernent des moteurs équipés d'un seul circuit EGR, à savoir un circuit HP. 20 Ainsi, le document FR 2 789 731 décrit une méthode d'estimation du débit d'air total entrant dans le moteur en fonction de la pression et de la température d'air dans le collecteur d'admission ainsi que du régime, et une estimation du débit EGR HP à l'aide de la position de la vanne et de l'application de la formule de Barré de Saint-Venant aux bornes de la vanne. 25 Cette formulation, toutefois, n'est plus valable en présence d'une contre-pression variable à l'échappement, par exemple lors de l'utilisation d'un turbocompresseur à géométrie variable ou d'un filtre à particules. Le document FR 2 824 596 est un perfectionnent du précédent qui prend en compte de la différence de pression aux bornes de la vanne EGR HP lors 30 de l'application de la formule de Barré de Saint-Venant. L'inconvénient principal est la forte sensibilité du modèle lorsque les pressions aux bornes de la vanne EGR sont très proches, ce qui représente la majorité des points de fonctionnement. Les documents FR 2 833 648, FR 2 833 649, et EP 1 024 262 décrivent, quant à eux, une méthode d'estimation du débit EGR HP par l'utilisation 35 de la formule de Barré de SaintûVenant, puis du débit d'air frais en retranchant le débit EGR HP de la quantité totale admise. Le débit d'air frais résultant est filtré par l'utilisation d'un observateur sur la pression au collecteur. On y retrouve le même inconvénient que dans le brevet précédent. Les brevets US 5 270 935 et US 5 293 553 décrivent une méthode d'estimation du débit d'air entrant dans le moteur par comparaison entre une valeur de pression collecteur estimée par un modèle paramétrique et la valeur de cette pression mesurée. L'écart entre la mesure et l'estimation de la pression au collecteur est combinée à un jeu de coefficients de correction optimisé off line pour recalculer à la fois la pression collecteur et le débit d'air. Le brevet US 5 273 019 permet la détermination du débit d'EGR HP entrant par l'estimation de la pression d'air partielle dans le collecteur par la même méthode que les brevets précédents. Les solutions proposées par ces brevets sont difficilement applicables dans des calculateurs industriels en raison, d'une part, de la difficulté d'implémentation liée à la taille mémoire requise et, d'autre part, au temps de calcul important nécessaire. Dans le brevet US 5 497 329, la pression collecteur ou le débit d'air est mesuré. La variation de la variable non mesurée est estimée à partir de la 20 variation de la variable mesurée. Cette méthode utilise en outre le modèle connu de remplissage. Aucun élément de cet art antérieur n'est compatible avec un moteur équipé d'un circuit d'EGR BP. L'invention propose donc un nouveau système d'estimation et de 25 régulation des débits entrant dans un moteur à combustion interne équipé de deux circuit d'EGR, l'un HP, l'autre BP, s'affranchissant des inconvénients lié à utilisation d'un capteur de débit d'air (ou débitmètre), notamment son coût, les perturbations du signal de mesure, les perturbations dues aux retours d'ondes de pression, les risques d'encrassement liés à la proximité des gaz EGR BP, les 30 difficultés de la mise au point de sa caractéristique, ainsi que les dérives et dispersions du composant. L'invention concerne tout d'abord un procédé d'estimation du débit d'air frais alimentant un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est suralimenté par un turbocompresseur, dans lequel un conduit amène de l'air 35 frais ambiant au turbocompresseur, qui le refoule, après compression, au collecteur d'admission du moteur, le collecteur d'échappement du moteur étant connecté à la turbine d'entrée du turbocompresseur, un conduit d'échappement évacuant vers l'extérieur au moins une partie des gaz brûlés qui ont été fournis à la turbine par le collecteur d'échappement, un premier conduit, formant by-pass, dit circuit EGR haute pression reliant la portion aval du collecteur d'échappement à la portion amont du collecteur d'admission, tandis qu'un second conduit, dit circuit EGR basse pression relie le conduit d'échappement au conduit d'amenée de l'air frais au turbocompresseur. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'on estime le débit d'air frais alimentant le moteur par un calcul prenant en compte au moins les données 10 suivantes : - pression dans le collecteur d'admission; - température à l'entrée du collecteur d'admission ; - température dans le conduit d'amenée de l'air frais, en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression ; 15 - température dans le collecteur d'échappement ; - température dans le conduit d'échappement. Dans un mode de mise en oeuvre possible, le calcul prend également en compte la température dans le conduit d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression . 20 L'invention concerne également un procédé de régulation du débit d'air frais alimentant un tel moteur, dans lequel les premier et second conduits EGR haute pression et basse pression sont munis chacun d'une vanne de réglage de débit; selon ce procédé, on estime le débit d'air frais alimentant le moteur par un calcul prenant en compte au moins les données suivantes : 25 - pression dans le collecteur d'admission; - température à l'entrée du collecteur d'admission ; -température dans le conduit d'amenée de l'air frais, en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression ; - température dans le collecteur d'échappement ; 30 - température dans le conduit d'échappement. - température T5 dans le conduit d'échappement (7). et on commande lesdites vannes de réglage des débits d'EGR haute et basse pression en fonction de cette estimation, afin de réguler le débit d'air frais fourni au moteur. Avantageusement, ce calcul prend également en compte la température mesurée dans le conduit d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression . Le procédé étant appliqué à un moteur muni d'un volet d'admission à débit variable situé en amont du collecteur d'admission on commande également, de préférence, ce volet d'admission en fonction de l'estimation par le calcul du débit d'air frais alimentant le moteur. Le procédé étant appliqué à un moteur dont le conduit d'échappement est muni d'un volet d'échappement à débit variable placé en sortie du conduit d'échappement, on commande également, de préférence, ce volet d'échappement en fonction de l'estimation par le calcul du débit d'air frais alimentant le moteur. Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives, de l'invention, le procédé comprend 15 avantageusement les étapes suivantes : - calcul du débit de gaz à l'entrée du moteur ; - mesure de la température à l'entrée du collecteur d'admission ; - mesure de la température à la sortie du collecteur d'échappement ; - calcul du débit des gaz dans le circuit EGR haute pression . 20 - calcul du débit d'air de remplissage du moteur. - calcul de la température des gaz dans le circuit EGR haute pression ; - le moteur étant muni d'un volet d'admission à débit variable situé en amont du collecteur d'admission, calcul du débit des gaz au niveau de ce volet 25 d'admission ; - calcul du débit massique d'EGR à haute pression alimentant le moteur ; - calcul de la pression des gaz en amont dudit volet d'admission ; - calcul du débit des gaz à l'entrée du turbocompresseur ; 30 - le conduit d'EGR basse pression étant muni d'un refroidisseur, calcul de la température des gaz en aval de celui-ci ; -calcul de la température à la sortie du turbocompresseur ; - calcul de la température à l'entrée du turbocompresseur ; - lorsqu'on ne mesure pas la température dans le conduit d'amenée 35 de l'air frais ambiant, calcul de la température à l'entrée du turbocompresseur. io L'invention a aussi pour objet un système d'estimation et de régulation du débit d'air frais alimentant un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est suralimenté par un turbocompresseur, dans lequel : a) un conduit amène de l'air frais ambiant à travers un filtre à air au turbocompresseur, lequel le refoule, après compression, au collecteur d'admission du moteur, via un conduit muni d'un volet d'admission à débit variable ; b) le collecteur d'échappement du moteur est connecté à la turbine d'entrée du turbocompresseur ; c) un conduit d'échappement évacue vers l'extérieur, à travers un filtre à particules, au moins une partie des gaz brûlés qui ont été fournis à la turbine par le collecteur d'échappement, ceci via un volet d'échappement à débit variable placé en aval du filtre à particules; d) un premier conduit, formant by-pass, dit circuit EGR haute 15 pression muni d'une vanne de réglage de débit, relie la portion aval du collecteur d'échappement à la portion amont du collecteur d'admission; e) un second conduit, dit circuit EGR basse pression muni d'une vanne de réglage de débit, relie une zone de la portion aval du conduit d'échappement située en aval du filtre à particules, mais en amont dudit volet 20 d'échappement au conduit d'amenée de l'air frais ambiant, en une zone située entre le filtre à air et le turbocompresseur ; ce système étant caractérisé par le fait qu'il comporte une unité de contrôle électronique apte à actionner lesdits volets d'admission et d'échappement et lesdites vannes de réglage des débits d'EGR haute et basse pression afin de 25 réguler le débit d'air frais fourni au moteur, ceci à partir d'une estimation de ce débit qui est calculée par ladite unité en fonction d'au moins les grandeurs suivantes, mesurées par des capteurs : - pression dans le collecteur d'admission ; - température en amont du volet d'admission ; 30 - température dans le conduit d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du filtre à air et en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression ; - température dans le collecteur d'échappement ; - température dans la portion aval du conduit d'échappement. 35 Dans un mode de réalisation possible de ce système l'unité de contrôle électronique calcule l'estimation du débit d'air frais fourni au moteur en 5 10 20 25 30 fonction également de la température dans le conduit d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression , cette température étant mesurée par un capteur : Le lexique ci-après énonce les différentes grandeurs concernées, dont les points de mesure sont indiqués sur la figure 5. PO : Pression ambiante, Pl : Pression entrée compresseur, P20 : Pression sortie compresseur, P21 : Pression avant volet admission, P22 : Pression collecteur admission, P3 : Pression avant turbine, P4 : Pression après turbine, P5 : Pression avant volet échappement, P6 : Pression après volet échappement, T1O : Température sortie filtre à air, Tl 1 : Température entrée compresseur, T20 : Température sortie compresseur, T21 : Température avant volet admission, T22 : Température collecteur admission, T23 : Température sortie refroidisseur EGR HP, T3 : Température avant turbine, T4 : Température après turbine T5 : Température avant volet d'échappement, T6 : Température sortie refroidisseur EGR BP, en- : Débit d'air frais estimée (en remplacement du débitmètre : Débit de gaz entrée moteur. Q''GR-gr : Débit d'EGR BP, QEGR-HP : Débit d'EGR HP, 2v"'-ad'" : Débit volet d'admission, d'air), Qc""'p : Débit de gaz entré compresseur Qm"1 L'estimation du débit d'air nécessite une mise en équation du circuit d'air d'un moteur équipé de deux circuit EGR HP et BP Cette mise en équation peut être faite en 2 parties : Partie 1 : mise en équation du circuit HP : Les grandeurs ci-après indiquées sont représentées sur la vue partielle qui fait l'objet de la figure 6. Equation 1 : Débit moteur P = 3600 x 22 VV 1 N Q,,,,` R • T22 2 60 ~Îr Symboles Descriptions Valeur unités R Constante de l'air 287 J/kg/K V,vr Cylindrée du moteur - m3 N Régime de rotation moteur - tr/min 17. Rendement volumétrique du moteur exprimé - - comme une fonction du régime moteur N et de P22 la densité des gaz admis R .T22 P22 Pression collecteur admission .. Pa T22 Température collecteur admission - K V är Volume du circuit de - m3 suralimentation : entre la sortie compresseur et l'entrée moteur Q ,ûä Débit de gaz d'entrée moteur - Kg/h Il convient de noter que le débit de gaz d'entrée moteur est un débit 15 de remplissage du moteur. Dans ce tableau Q, et T22 sont des inconnues, tandis que P22 est une valeur mesurée. ( N, P22 R • T22 ~ 20 Equation 2 : Température sortie refroidisseur EGR HP T23 = T3 ù 8EC;R HP \T3 ù Tau Symboles Descriptions Valeur unités Symboles Descriptions Valeur unités 8EGR_HP Efficacité de refroidissement de l'échangeur - - EGR HP Te,. Température de l'eau de refroidissement de - K l'échangeur EGR HP T3 Température avant turbine, - K T23 Température sortie refroidisseur EGR HP - K Où ÈGR_BP = f (param1,param2, ....) avec ÈGR_BP= f(QEGR_HI') est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Ici, T23 est une inconnue, tandis que T3 est une valeur mesurée. Equation 3 : Température collecteur d'admission Symboles Descriptions Valeur unités Cpair Chaleur spécifique de l'air - J/kg/K Cpeeh Chaleur spécifique des gaz - J/kg/K d'échappement Q,~rl_adn Débit volet admission - kg/h T2, Température avant volet d'admission - K T23 Température sortie refroidisseur - K EGR HP T22 Température collecteur admission - K QEGR _ HP Débit d' EGR HP - Kg/h Avec les chaleurs spécifiques de l'air 15 d'échappement (CPeG•h) qui sont déterminés comme suit : (C pair Qval _adm T21 + Cpech . QEGR_ HP 'T 23 ) T22 = (C pair Qvol _ adm + C pech Q1iGlt _ HP J C pai ( r ) et des gaz 20 - pour l'air frais à l'admission : CPair = f (paraml, param2, ) où CPair= f (T21) est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. -pour l'échappement : CPech = f (param 1, param2,...) Cpeeh = T où f ( 3 , Ri_ech) est un cas particulier privilégié dans le mode avec am, debit massique de carburant, eu. débit massique d'air et K • = 14.8 est le coefficient stoechiométrique. Inconnues : T22 , Ql' ' _ adm et QEGR _ HP 10 Valeur mesurée : T21 Equation 4 : Bilan des débits dans le collecteur d'admission a,. = Qva! adm + QEGR HP Symboles Descriptions Valeur unités Qvor_adm Débit volet admission - kg/h QEGR_HP Débit d'EGR HP - kg/h Qmal Débit de gaz entré moteur. .. kg/h Inconnues : Qin", Qvoi _ adm et QEGR -HP Equation 5 : Température avant turbine 711h • Per . Qga; 3 ù 22 + Cpech (Qvo/_adm + QEGR_HP ) Symboles Descriptions Valeur unités Pc, Pouvoir calorifique du gasoil - J/kg Cpech Chaleur spécifique des gaz -J/kg/K d'échappement Qgo; Débit carburant - kg/h de réalisation. ech Qcarb an, Où 77,, Rendement de combustion - - T3 Température avant turbine - K T22 Température collecteur admission - K QEGR _HP Débit d'EGR HP Kg/h Qvo(_ad,n Débit volet d'admission - Kg/h E'!th . rcr - Qgo, où ' représente la somme des productions d'enthalpies par les différentes injections (exemple : 1=lère_pré-inj, 2=2nde_pré_inj, 3=main_inj,....)Inconnues : T22 , Qvo!_adm et QEGR_HP Valeur mesurée : T3 Au bilan, il y a donc un système de cinq équations à cinq inconnues, 10 susceptible d'être résolu. Si la température avant turbine T3 n'est pas disponible, on rajoute une sixième équation ci-après. 15 Equation 6 : Formule de Barré Saint Venant aux bornes de la vanne EGR HP QEGR_HP = Sef,EGR_HP ff VR.T3 1 2 y+l - iP '\ iP Y 22 22 P3 \P3 i P3 i 2 Y Symboles Descriptions Valeur unités Y Rapport de chaleur spécifique pour l'air 1.4 - P3 Pression avant turbine - Pa Se1f,EGR_HP Section du circuit EGR HP - m3 R Constante de l'air 287 J/kg/K P22 Pression collecteur admission - Pa T3 Température avant turbine - K QIiGR _ HP Débit d'EGR HP - Kg/h Inconnues : Qr•GR _ HP T3 Mesures : P22 , P3 Bilan : un système résolvable de six équations à six inconnues, La méthode de résolution de ces équations relatives à la partie HP va maintenant être exposée, en référence notamment aux figures 6 et 7. Etape A : la pression P22 est mesurée à l'aide d'un capteur Etape B : les températures T, T21 et la température d'eau sont 10 mesurées à l'aide de capteurs Etape C : Dans cette étape, on calcule le débit de remplissage du moteur : i Q = 3600. Pz2,mes VVyi N • ~7,. N, Pz2,,,,es mol,C''tl R . T22,es,, tù1 2 60 R • Tzz,e',i 15 T à 1'initialisation -• `s" =T21•"7e' Etape D : on calcule la température de l l'EGR HP : T23,ee,, = T3,mes HGR _ HP ( \T3,mes ù Teau,mes ) Où EHGRùHP = f (paraml, param2, ....) avec SHGR_HP= f(QEGR_HP,e.,r") 20 est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Etape E : Les chaleurs spécifiques de l'air (CPa"') et des gaz d'échappement (C'Paa sont déterminés comme suit : - pour l'air frais à l'admission : Cpa'r = f (paraml, param2, ) où - pour l'échappement : CPec"= f (paraml, param2,...) où ") est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Ri Ks Qcar" _ec" = Où Qair,e.sti avec Qcar6 débit massique de carburant, Qair,esti débit massique d'air et = 14.8, est le coefficient stoechiométrique. 30 Etape F : on calcule le débit volet d'admission : 25 Cpair= f (T21,17ev) est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Cpec" = f (T3,mes th Pci Qgoi Etape G : dans cette étape, le débit d'EGR HP massique entrant dans 5 le moteur est calculé à partir du débit d'air calculé à l'étape C et du débit remplissage calculé à l'étape F : QEGR_HP,esti = Qmot,esti ù Qvol _adm,esti 10 Cette étape est nécessaire pour le calcul du taux d'EGR HP et des pertes d'énergie d'enthalpie au pas de temps suivant et pour l'étape H suivante Etape H : on calcule la nouvelle température des gaz dans le collecteur admission : T22,esti r l \C pair Qvol _ adm,esti + Cpech ' QEGR _ HP,esti ! Cette étape est nécessaire pour le calcul du remplissage au pas de temps suivant 20 Partie 2: mise en équation du circuit BP : Il sera pour cela fait référence aux figures 7 et 8. Equation 1 : Débit entrée compresseur 25 Qcomp = Qvol _ adm û 3 600 • dt R .T21 Symboles Descriptions Valeur unités R Constante de l'air 287 J/kg/K P21 Pression amont volet admission - Pa T21 Température collecteur admission - K 17 C pech 'Qmot ,esti •`T23,esti ù T3 ,mes ) + h Qvol _adnt,esti Cpech T23,esti ù Cpair T21,mes h= ,Oë 15 (Cpair Qvol _ adm,esti T21,mes + Cpech . QEGR _ HP,esti •T 23,esti ) d P21 Vsural Vsural Volume du circuit de suralimentation : - m3 entre la sortie compresseur et l'entrée moteur Q.,-,,,, Débit de gaz à l'entrée compresseur - kg/h Qvol_adm Débit volet admission - kg/h Le débit de gaz à l'entrée du compresseur est égal au débit du volet d'admission Qvol_adm , moins un terne correctif dérivé : 3600 . d Pu • Vsural dtR T21 exprimant le temps de transfert des gaz dans le circuit de suralimentation. De plus, nous faisons l'hypothèse que les températures amont et aval volet admission sont identiques et égales à T21 Inconnues : Qcomp et P21 Valeur calculée : Qvol -a' calculé dans la partie 1 Valeur mesurée : T21 15 Equation 2 : Pression en amont du volet admission 10 Qvol adm . JR T21 2 y+1 P y P y 22 ù _ 22 21 t_1 % 21Jt_1 ) P = 21 Svol adm . .\ Y Symboles Descriptions Valeur unités Y Rapport de chaleur spécifique pour 1.4 l'air P21 Pression amont volet admission - Pa R Constante de l'air 287 J/kg/K P22 Pression collecteur admission - Pa T21 Température avant volet d'admission - K 5 15 20 Qvarad,n Débit volet d'admission - Kg/h svor_acrm Section équivalente du volet d'admission - m3 Inconnue : P21 Calcul : Q oj_mh'n calculé dans la partie 1 Mesures : P22, T21 Equation 3 : débit d'air Qai,. = Qcomp QEGR _ BP Symboles Descriptions Valeur unités Qair Débit d'air - Kg/h- Qcomp Débit de gaz entrée compresseur Kg/h- QEGR_BP Débit d'EGR BP - Kg/h- Inconnues : Qalr , Qcomp et QEGR_ BP Equation 4 : Température à la sortie du refroisseur BP T6 = T5 ùÈGR BP(T6 ùTan) Symboles Descriptions Valeur unités EEGR_BP Efficacité de refroidissement de l'échangeur - - EGR BP Tau Température de l'eau de refroidissement de -K l'échangeur EGR BP T5 Température avant volet d'échappement - K T6 Température sortie refroidisseur EGR BP - K Où ÈGR_BP = f (paraml,param2, ..) avec ÈGR_BP= f(QEGR_BP) est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Inconnue : 6 T Valeur mesurée : s T Equation 5 : débit d'air \Cpair - Qcamp . T 1 ù Cpech QEGR _ Bp T 6 ) Qair Cpair ' T i o Symboles Descriptions Valeur unités Cpair Chaleur spécifique de l'air -J/kg/K Cpech Chaleur spécifique des gaz d'échappement - J/kg/K Qconrp Débit de gaz en entrée du compresseur - kg/h QF.GR_BP Débit d'EGR BP kg/h T6 Température de sortie du refroidisseur EGR BP - K Tio Température de sortie du filtre à air - K Température d'entrée du compresseur - K Qair Débit d'air frais estimé (en remplacement du - mg/cp débitmètre d'air), Avec les chaleurs spécifiques de l'air (CPai'') et des gaz 10 d'échappement (CP"h) qui sont déterminés comme suit : - pour l'air frais à l'admission : Cpair = f (paraml, param2, ) où Cpair = f ( T o) est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. - pour l'échappement : Cpec.ii f (paraml, param2,...) où Cl'aah= f (T5, x' -ech) est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. R K ` .carb i_ech = K 15 Où Qa" avec Qùb débit massique de carburant, en. débit massique d'air et K,. = 14.8 est le coefficient stoechiométrique. Inconnues : " camp T6 T i , Qair et QEGR _ BP Valeurs mesurées : To , T 1 20 20 20 Au bilan, il y a donc un système de cinq équations à cinq inconnues, susceptible d'être résolu. Dans l'hypothèse où on ne mesure pas T11 , on rajoute la sixième équation suivante. Equation 6 : Température sortie compresseur T20 = T21 ù rus . Teau 1ùBRAS Symboles Descriptions Valeur unités BRAS Efficacité de refroidissement de l'échangeur - - d'air d'admission (RAS) l'eau Température de l'eau de refroidissement de - K l'échangeur d'air d'admission T21 Température collecteur admission - K T20 Température sortie compresseur - K Cette relation décrit le refroidissement du gaz comprimé dans le refroidisseur d'air de suralimentation. Où BRAS = f (paraml, param2, ....) où BRAS = f (QCOmn) est un cas 15 particulier privilégié dans le mode de réalisation. Inconnue : T20 Valeur mesurée : T21 Equation 7 : Température à l'entrée du compresseur T20 . rI cp,• P20 ' Ql i P Tll = (Pzo \ r., / 20 -1+1Î P cpr P ,Qi~ Il / Il / Symboles Descriptions Valeur unités Pair Rapport de chaleur spécifique pour l'air 1.4 - 10 7l cpr Rendement du compresseur = fonction du - - (P zo \ rapport P 1 et du débit gaz en entrée du compresseur (Q11 T20 Température sortie compresseur - K P20 Pression sortie compresseur - Pa P Pression entrée compresseur - Pa Qcomp Débit de gaz en entrée du compresseur - kg/h Tif Température d'entrée du compresseur - K Cette relation décrit l'échauffement du gaz dans le compresseur. Inconnues : T20 P2o P 1 , Qcomp Valeur mesurée : P 1 Equation 8 : 2 P20 = 4 RAS X Qvol adm + P21 Symboles Descriptions Valeur unités RAS Perte de charge dans le RAS - Pa/(kg/h)2 P2o Pression sortie compresseur - Pa P21 Pression amont volet admission -Pa Qvol_adn: Débit volet admission - kg/h Inconnues : P20P21 15 Valeur calculée : Q'-adm Au bilan, on obtient un système de huit équations à huit inconnues, susceptible d'être résolu. La méthode de résolution de ces équations relatives à la partie BP va 20 maintenant être exposée, en référence notamment aux figures 9 et 10. 10 a) En présence du capteur de température T11 (figure 9) : Etape I: en plus des mesures de la partie 1, les 5 températures Ts,me., , T' ''''e' et T sont mesurées à l'aide de capteurs. Etape J : dans cette étape on calcule la pression en amont du volet d'admission 41 P2',esti P21,esti Qvol _ adm,esti x .\/R ' T21 mes Svol_adm,mes x 2 y-l) P22,mes P21,esti I t_1 Y 2 Y 25 i Etape K : Dans cette étape, on calcule le débit Qe""lp,esti traversant le compresseur en tenant compte du chargement aéraulique du RAS (Refroidisseur d'air de suralimentation) lors des transitoires :..DTD: Qcomp,esti = Qvol_adm,csti ù 3600 • d P2',est1 ' Vrural dt R • T2',mes Etape L : on calcule la température de l'EGR BP : T6,esti = TS,mes ù EEGR_BP `TS,mes Tean,mes ) Où GGR- BP = f (param l , param2, ..) avec 6EGR _ BP _ f (QEGR _ BP) est 20 un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. Etape M : on calcule le débit d'air frais à l'admission par la formule suivante : Qcomp,esti \pair 1,mes ù Cpech T6,e.sti Sur le schéma de la figure 9, Eo désigne l'unité électronique de calcul du débit au volet admission Q vol adm.esti• Eb y désigne l'unité électronique de calcul des débits BP : 10 15 Qafl',esli (( \C pair 10,mes ùC pech ' T6,e.sti 10 24 Q comp, esti ; Q air,esti ; Q EGR BP,esti•..DTD: a) En l'absence du capteur-de température Tl l (figure 10) : Etape I' : idem I Etape J' : idem J Etape K' : idem K Etape L' : idem L Etape L" : calcul de T'es"` en trois sous étapes : T20,esti - - calcul de T21,mes ù RAS . Teau,mes 1 ù BRAS à partir de T21,mec Symboles Descriptions Valeur unités RAS Efficacité de refroidissement de l'échangeur - - d'air d'admission (RAS) Teau,mes Température de l'eau de refroidissement de - K l'échangeur d'air d'admission mesurée T21,mes Température collecteur admission mesurée - K T20,es" Température sortie compresseur estimée - K 15 Cette relation décrit le refroidissement du gaz comprimé dans le refroidisseur d'air de suralimentation. Où RAS = f (paraml, param2, ....) où RAS = f (QCOmP,es") est un cas particulier privilégié dans le mode de réalisation. 2 20 - calcul de P2o,esti = PAS X Qcomp,esti + P21,e" à partir de P21,esti - finalement, calcul de 10 15 T 1,estl = (y äo- 1) P20,esi/ r L 2 ' P1 -1 + 77ep, P Qcomp,esl l,mes j I I,mes P avec '''"'es qui est approximativement égale à la pression atmosphérique mesurée. Symboles Descriptions Valeur unités Yom;, Rapport de chaleur spécifique pour l'air 1.4 - 77cpl• Rendement du compresseur = fonction du - .. rapport P20,esti du compresseur \ , et du débit gaz en entrée (Q' 'p•e•`ll T20,esti Température sortie compresseur estimée - K P20,e.sti Pression sortie compresseur estimée - Pa PI l,me.Y Pression entrée compresseur mesurée - Pa Qcolnp Débit de gaz en entrée du compresseur - kg/h mesurée l,est; Température d'entrée du compresseur - K estimée Cette relation décrit l'échauffement du gaz dans le compresseur. Etape M': idem M Sur le schéma de la figure 10, E0 désigne l'unité électronique de calcul du débit au volet admission Q vol adm.esti• E'b y désigne l'unité électronique de calcul des débits BP : Q .9mp, est/ ; Q air,esti ; Q EGR BP,esti. P20,esti T20,esti . 77cpr ' Qcomp,esii P11,me.s Synthèse des Méthodes de résolution HP + BP : Le schéma ci-après donne la synthèse de la résolution des deux méthodes, qui est mise en oeuvre sur le système qui fait l'objet de la présente 5 invention. Qair,est, vol _ adm,e.su T2 t.mes T3.me.s Résolution HP Q L mat ,est! ~vol_adm,esti ùle' QEGR _ HP, esl Qmat ,C.st! QEGR HP,esl, P22.mes --~ T21.mes --0> "5.mes -4 TlO.mes ù~ T l.mes Qcamp,e., Q EGR _ BP , esii Résolution BP QCamp,esti Qair,esti QEGR _ HP, 10 La figure 11 illustre le fonctionnement d'un tel système. Pour ne pas nuire à la clarté du schéma, les liens entre les capteurs et 15 PUCE 9 n'y sont pas représentés. L'UCE 9 comprend un estimateur HP 91, un estimateur BP 92, une unité de calcul de la consigne de débit d'air Q air. cons, et une unité de régulation de débit d'air 94. L'UCE, en fonction des valeurs de pression et de température fournis 20 par les capteurs agit sur le volet d'admission 41, sur la vanne EGR haute pression 81a, sur la vanne EGR basse pression 81b ainsi que sur le volet d'échappement 71, après traitement et calcul informatique conformément aux méthodes exposées plus haut. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation du débit d'air frais alimentant un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est suralimenté par un turbocompresseur, dans lequel un conduit (3) amène de l'air frais ambiant (AF) au turbocompresseur (2) qui le refoule, après compression, au collecteur d'admission (5) du moteur (1), le collecteur d'échappement (6) du moteur étant connecté à la turbine (20) d'entrée du turbocompresseur (2), un conduit d'échappement (7) évacuant vers l'extérieur au moins une partie des gaz brûlés (GB) qui ont été fournis à la turbine (20) par le collecteur d'échappement (6), un premier conduit (8a), formant by-pass, dit circuit EGR haute pression reliant la portion aval du collecteur d'échappement (6) à la portion amont du collecteur d'admission (5), tandis qu'un second conduit (8b), dit circuit EGR basse pression relie le conduit d'échappement (7) au conduit (3) d'amenée de l'air frais au turbocompresseur (2) ; caractérisé par le fait qu'on estime le débit d'air frais alimentant le moteur par un calcul prenant en compte au moins les données suivantes : - pression P22 dans le collecteur d'admission (5) ; -température T21 à l'entrée du collecteur d'admission (5); - température Tlo dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais, en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression (8b); - température T3 dans le collecteur d'échappement (6); - température T5 dans le conduit d'échappement (7). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le calcul prend également en compte la température Til dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression (Sb). 3. Procédé de régulation du débit d'air frais alimentant un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est suralimenté par un turbocompresseur, dans lequel un conduit (3) amène de l'air frais ambiant (AF) au turbocompresseur (2) qui le refoule, après compression, au collecteur d'admission (5) du moteur (1), le collecteur d'échappement (6) du moteur étant connecté à la turbine (20) d'entrée du turbocompresseur (2), un conduit d'échappement (7) évacuant vers l'extérieur au moins une partie des gaz brûlés (GB) qui ont été fournis à la turbine (20) par le collecteur d'échappement (6), un premier conduit (8a), formant by-pass, dit circuit EGR haute pression muni d'une vanne de réglage dedébit (8la), reliant la portion aval du collecteur d'échappement (6) à la portion amont du collecteur d'admission (5), tandis qu'un second conduit (8b), dit circuit EGR basse pression muni d'une vanne de réglage de débit (81 b), relie le conduit d'échappement (7) au conduit (3) d'amenée de l'air frais au turbocompresseur (2) ; caractérisé par le fait qu'on estime le débit d'air frais alimentant le moteur par un calcul prenant en compte au moins les données suivantes : - pression P22 dans le collecteur d'admission (5) ; - température T21 à l'entrée du collecteur d'admission (5) ; - température Tlo dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais, en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression (8b) ; -température T3 dans le collecteur d'échappement (6) ; - température T5 dans le conduit d'échappement (7). et qu'on commande lesdites vannes de réglage des débits d'EGR haute et basse pression (81 a, 81b) en fonction de cette estimation, afin de réguler le 15 débit d'air frais fourni au moteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le calcul prend également en compte la température T11 mesurée dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression (8b). 20 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, qui est appliqué à un moteur dont le conduit d'échappement (7) est muni d'un volet d'échappement (71) à débit variable placé en sortie du conduit d'échappement (7), caractérisé par le fait qu'on commande également ce volet d'échappement (71) en fonction de l'estimation par le calcul du débit d'air frais alimentant le moteur. 25 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on mesure également la température T3 à la sortie du collecteur d'échappement (6). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de calcul du débit (QI-GR_HP) des gaz 30 dans le circuit EGR haute pression . 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de calcul de la température T23 des gaz dans le circuit EGR haute pression . 9. Système d'estimation et de régulation du débit d'air frais 35 alimentant un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, qui est suralimenté par un turbocompresseur, dans lequel :a) un conduit (3) amène de l'air frais ambiant (AF), à travers un filtre à air (30) au turbocompresseur (2), lequel le refoule, après compression, au collecteur d'admission (5) du moteur (1), via un conduit (4) muni d'un volet d'admission (41) à débit variable ; b) le collecteur d'échappement (6) du moteur est connecté à la turbine (20) d'entrée du turbocompresseur (2) ; c) un conduit d'échappement (7) évacue vers l'extérieur, à travers un filtre à particules (70), au moins une partie des gaz brûlés (GB) qui ont été fournis à la turbine (20) par le collecteur d'échappement (6), ceci via un volet d'échappement (71) à débit variable placé en aval du filtre à particules (70) ; d) un premier conduit (8a), formant by-pass, dit circuit EGR haute pression muni d'une vanne de réglage de débit (8la), relie la portion aval du collecteur d'échappement (6) à la portion amont du collecteur d'admission (5) ; e) un second conduit (8b), dit circuit EGR basse pression muni d'une vanne de réglage de débit (81b), relie une zone de la portion aval (72) du conduit d'échappement (7) située en aval du filtre à particules (70), mais en amont dudit volet d'échappement (71) au conduit (3) d'amenée de l'air frais ambiant, en une zone située entre le filtre à air (30) et le turbocompresseur (2) ; caractérisé par le fait qu'il comporte une unité de contrôle électronique (9) apte à actionner lesdits volets d'admission (41) et d'échappement (71) et lesdites vannes de réglage des débits d'EGR haute et basse pression (81a, 81b) afin de réguler le débit d'air frais fourni au moteur, ceci à partir d'une estimation de ce débit qui est calculée par ladite unité en fonction d'au moins les grandeurs suivantes, mesurées par des capteurs : - pression P22 dans le collecteur d'admission (5) ; - température T21 en amont du volet d'admission (41) ; - température Tlo dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du filtre à air (30) et en amont du point de branchement du circuit EGR basse pression (8b) ; - température T3 dans le collecteur d'échappement (6) ; - température T5 dans la portion aval (72) du conduit d'échappement (7). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'unité de contrôle électronique (9) calcule l'estimation du débit d'air frais fourni au 35 moteur en fonction également de la grandeur suivante, mesurées par un capteur :- température T11 dans le conduit (3) d'amenée de l'air frais ambiant, en aval du point de branchement du circuit EGR basse pression (8b).