Brevet FR2930596A1 — publié le 20091030

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, notamment de type à autoallumage, en particulier pour un moteur Diesel. La recirculation des gaz d'échappement à l'admission de ce type de moteur, plus généralement connue sous le vocable de EGR (Exhaust Gas Recirculation), est largement utilisée pour réduire les émissions de polluants, comme les oxydes d'azotes (NOx), qui sont émis lors de la combustion du mélange carburé de ce moteur. Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet japonais JP-A-7-233761, il existe deux types de recirculation des gaz d'échappement pour un moteur suralimenté, une recirculation à haute pression, dite EGR HP, et une recirculation à basse pression, dénommée EGR BP. Dans ce document, le moteur comprend au moins un cylindre à l'intérieur duquel se produit la combustion d'un mélange carburé, un collecteur d'admission, un collecteur de gaz d'échappement raccordé à une ligne d'échappement, et un dispositif de suralimentation de l'air d'admission, généralement un turbocompresseur. Ce turbocompresseur comprend un compresseur comportant une admission en air extérieur et une sortie alimentant le collecteur d'admission en air suralimenté. Le turbocompresseur comprend également une turbine d'entraînement du compresseur qui est parcourue, entre une entrée et une sortie de gaz, par les gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement de façon à être entraînée en rotation. La recirculation à haute pression (EGR HP) consiste, par un circuit EGR HP, à prélever des gaz d'échappement en amont de la turbine, généralement à la sortie du collecteur d'échappement, pour les introduire en aval du compresseur et plus précisément pour les injecter dans le collecteur d'admission. Les gaz d'échappement sont ainsi mélangés avec l'air suralimenté introduit dans le collecteur d'admission. Ce mélange est ensuite admis dans les cylindres où se produit la combustion de ce mélange avec un carburant injecté dans cette chambre. La recirculation à basse pression (EGR BP) consiste, grâce à un circuit EGR BP, à prélever les gaz d'échappement à la sortie de la turbine du turbocompresseur pour les diriger à l'admission du compresseur. De ce fait, le mélange de gaz d'échappement et d'air d'admission est comprimé par le compresseur pour être ensuite dirigé vers le collecteur d'admission à partir duquel il est introduit dans les cylindres. Comme cela est largement connu, l'EGR BP ou l'EGR HP sont utilisées en fonction des conditions opératoires du moteur. En effet, la quantité de gaz d'échappement recirculés introduite dans le collecteur d'admission est réalisée tout d'abord par le circuit EGR HP. Cependant, lorsque cette quantité est maximale, il se produit une situation dans laquelle l'énergie fournie à la turbine du turbocompresseur pour entraîner le compresseur est insuffisante pour réaliser le niveau de suralimentation demandée de l'air d'admission et par conséquent pour obtenir le niveau de puissance demandée au moteur. Dans ce cas, il est prévu d'arrêter l'introduction de gaz d'échappement recirculés dans le collecteur d'admission par le circuit EGR HP de façon à pouvoir obtenir une quantité suffisante de gaz d'échappement à gérer à l'entrée de la turbine pour l'entraîner à une vitesse telle que le compresseur peut générer un air suralimenté répondant à la demande de puissance. Le circuit EGR BP est alors opérationnel pour compenser le manque de gaz recirculés dans le cylindre du moteur. Grâce à cela, des gaz d'échappement recirculés sont introduits dans les cylindres dans des quantités requises pour permettre ainsi de limiter les émissions de polluants. Cependant ce changement de circuit EGR génère des perturbations de fonctionnement du moteur lors du passage du circuit EGR HP au circuit EGR BP, perturbations qui sont nuisibles au confort de conduite du véhicule comportant un tel moteur. De plus, la multiplicité des organes de commande liés aux circuits EGR HP et BP (Vanne EGR HP, vanne EGR BP, Vanne de décharge) nécessite un processus de contrôle lourd et complexe. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à une utilisation adéquate des gaz d'échappement provenant du circuit EGR HP et du circuit EGR BP tout en étant à l'optimum de consommation. En outre, la présente invention permet de simplifier le contrôle et la gestion des différents circuits EGR. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, notamment de type à autoallumage, avec un turbocompresseur comprenant une turbine, traversée par au moins une partie de gaz d'échappement du moteur, et un compresseur, un circuit haute pression de recirculation de gaz d'échappement reliant l'échappement de ce moteur à son admission, et un circuit basse pression de recirculation de gaz d'échappement reliant la sortie de la turbine à l'entrée du compresseur, caractérisé en ce qu'il consiste : - jusqu'à un seuil déterminé de puissance du moteur, à introduire la quantité requise de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur par le circuit haute pression de gaz d'échappement recirculés, - pour des puissances du moteur au-delà dudit seuil, à diminuer la quantité de gaz d'échappement recirculés admise à l'admission par le circuit haute pression de gaz d'échappement recirculés et à compenser cette diminution par l'introduction de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur par le circuit basse pression de gaz d'échappement recirculés de façon à obtenir la quantité totale requise de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur. Le procédé peut consister, pour des puissances de moteur au-delà dudit seuil, à réaliser la compensation en complétant la quantité de gaz d'échappement recirculés du circuit haute pression par une quantité de gaz d'échappement recirculés du circuit basse pression introduite à ladite admission jusqu'à une valeur correspondant sensiblement à 100% de la valeur de la quantité des gaz d'échappement recirculés. Le procédé peut consister, conjointement à la diminution de la quantité de gaz d'échappement du circuit haute pression, à contrôler la quantité de gaz d'échappement traversant la turbine par un circuit de décharge. 10 Le procédé peut consister à introduire les gaz d'échappement recirculés du circuit basse pression à l'admission du compresseur. Le procédé peut consister à contrôler la quantité de gaz d'échappement par des vannes. Le procédé peut consister à évaluer le seuil déterminé de puissance du moteur par l'optimum de rendement du turbocompresseur. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la 20 lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée : - la figure 1 qui montre un moteur à combustion interne suralimenté utilisant le procédé selon l'invention et - la figure 2 qui est un graphe illustrant les courbes de la quantité (Q 25 en %) de la valeur de gaz d'échappement recirculés de l'EGR HP et de l'EGR BP en fonction de la puissance (représentée par sa Pression Moyenne Effective - PME) du moteur. Sur la figure 1, le moteur à combustion interne 10 est associé à une ligne 30 d'échappement 12, dans laquelle circulent les gaz d'échappement (Flèches FI ), un circuit de recirculation des gaz d'échappement haute pression 14 (EGR HP), 15 un circuit de suralimentation 16 de l'air d'admission et un circuit de recirculation des gaz d'échappement basse pression 18 (EGR BP). Le moteur 10 comprend au moins un cylindre 20 avec au moins un moyen d'admission 22 avec une soupape d'admission 24 et une tubulure d'admission 26 et au moins un moyen d'échappement 28 avec une soupape d'échappement 30 et une tubulure d'échappement 32. Comme connu en soi, les tubulures d'admission sont raccordées à un collecteur d'admission 34 alors que lies tubulures d'échappement 32 aboutissent à un collecteur d'échappement 36. Le collecteur d'échappement 36 est raccordé à la ligne d'échappement 12, qui est constituée généralement d'un conduit d'échappement 38, servant à évacuer dans l'atmosphère les gaz d'échappement du moteur selon les flèches FI avec ou sans post-traitement de ces gaz. Dans l'exemple illustré non limitatif, le moteur à combustion interne est un moteur à autoallumage à injection directe, notamment de type Diesel, et chaque cylindre est pourvu d'un injecteur de carburant 40. Le circuit EGR HP 14 comprend une conduite de recirculation haute pression 42 de gaz d'échappement (avec une recirculation des gaz selon la flèche F2) qui prend naissance au conduit d'échappement 38 et qui aboutit à l'entrée du collecteur d'admission 34. Cette conduite de recirculation porte une vanne 44, dite vanne EGR HP, qui permet de régler la quantité de gaz d'échappement réintroduite dans le collecteur 34 à partir du conduit d'échappement. Avantageusement, cette conduite de recirculation peut porter un échangeur-refroidisseur (non référencé) qui est traversé par les gaz d'échappement selon la flèche F2 et qui est parcouru par un fluide de refroidissement, généralement le fluide de refroidissement du moteur. Le circuit de suralimentation 16 comprend un turbocompresseur 46 dont l'entrée et la sortie de l'étage d'entraînement 48 de ce turbocompresseur sont placées sur le conduit d'échappement 38 en aval de l'intersection entre ce conduit et la conduite de recirculation 42, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement selon la flèche FI. Généralement, cet étage d'entraînement comporte une turbine qui est entraînée en rotation sous l'action des gaz d'échappement qui la traversent. Ce turbocompresseur comprend également un étage de compression 50, plus communément désigné sous le terme de compresseur, relié à rotation à la turbine 48. Ce compresseur admet de l'air extérieur (Flèche F3) par une conduite d'alimentation en air 52 et la sortie de ce compresseur est reliée au collecteur d'admission 34 par une conduite de suralimentation 54 avec un sens de circulation de fluide(s) selon la flèche F4. Un circuit de décharge de gaz d'échappement 56 pour le turbocompresseur comporte un conduit de contournement 58 (avec un sens de circulation des gaz d'échappement selon la flèche F5) qui prend naissance sur le conduit d'échappement 38 en amont de la turbine 48 et en aval de l'intersection du conduit 38 et de la conduite de recirculation HP 42. Ce conduit de contournement 58 contourne la turbine 48 pour déboucher sur le conduit d'échappement en aval de cette turbine. Une vanne de décharge 60, plus connue sous la terminologie de "vvaste gate", est placée dans ce conduit de contournement pour contrôler le débit de gaz d'échappement traversant la turbine 48. Avantageusement, cette vanne de décharge est placée à l'intersection entre le conduit de contournement et le conduit d'échappement. Le circuit EGR BP 18 comprend une conduite de recirculation basse pression 62 de gaz d'échappement (avec une circulation de ces gaz selon la flèche F6) qui débute à partir du conduit d'échappement en aval de la turbine 48 et du débouché du conduit de contournement. Cette conduite de recirculation arrive à l'entrée du compresseur 50 directement ou par raccordement avec la conduite d'alimentation en air 52. De même, une vanne 64, dite vanne EGR BP, est placée dans la conduite de recirculation BP en permettant de régler la quantité de gaz d'échappement dirigée vers le compresseur 50. De manière préférentielle, cette vanne EGR BP est placée à l'intersection entre le conduit d'échappement et la conduite de recirculation BP 62. De manière avantageuse, la conduite de recirculation 62 peut également porter un échangeur-refroidisseur des gaz d'échappement (non référencé). Une unité de contrôle du moteur 66, tel qu'un calculateur moteur, est 10 prévue pour contrôler le fonctionnement du moteur. Cette unité contient des cartographies ou des tables de données permettant d'évaluer, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, comme le régime du moteur, sa c;harge, la vitesse du turbocompresseur, les pressions d'admission et d'échappement au niveau des cylindres 20, la 15 puissance que doit générer ce moteur pour répondre à la demande du conducteur du véhicule. Pour cela, ce calculateur reçoit des informations de la part de différents capteurs prévus sur le moteur ainsi que de son environnement via des lignes de données 68. Ce calculateur commande alors, en fonction des conditions de 20 fonctionnement requis, les différents actionneurs du moteur par des lignes de commandes. Plus précisément, ce calculateur-moteur permet de contrôler les vannes 44, 60, 64 par des lignes de commandes respectivement 70, 72, 74 dans des multiplicités de position entre une position de pleine ouverture et une 25 position de pleine fermeture de la conduite (ou du conduit) qui la porte. Lors du fonctionnement du moteur le calculateur 66 commande, dans une première étape de démarrage du moteur, la vanne EGR BP 64, par la ligne 74, dans sa position de fermeture de la conduite de recirculation 62, la vanne de 30 décharge 60, par la ligne 72, dans sa position de pleine ouverture du conduit de contournement 58 et, par la ligne 70, la vanne EGR HP 44 dans une position allant vers un début d'ouverture de la conduite de recirculation 42 de façon à5 admettre des gaz d'échappement en quantité variable dans le collecteur d'admission à partir du conduit d'échappement. Après cette phase de démarrage, lorsque la demande de puissance requise pour le moteur est en augmentation, le calculateur contrôle, simultanément ou l'une après l'autre, d'une part, l'ouverture de la vanne EGR HP 44 jusqu'à sa position extrême de pleine ouverture de la conduite 42 et, d'autre part, la fermeture de la vanne de décharge 60 jusqu'à sa position extrême de pleine fermeture du conduit de contournement 58. Cela permet d'introduire à l'admission du moteur la quantité de gaz d'échappement recirculés qui est requis pour le point de fonctionnement du moteur et de réaliser le taux de compression de l'air d'admission pour ce même point de fonctionnement. Dans les positions extrêmes précitées de ces vannes, les gaz d'échappement qui sont évacués du collecteur d'échappement 36 sont partagés en deux parties sensiblement égales, une première partie qui est dirigée en totalité vers l'entrée de la turbine 48 sans passer par le conduit de contournement et une autre partie qui est introduite dans la conduite de recirculation. Compte tenu de la position de pleine ouverture de la vanne 44, la totalité de cette autre partie de gaz d'échappement circulant dans la conduite 42 est introduite dans le collecteur d'admission 34, ce qui correspond au point de fonctionnement PME1 de la figure 2 avec 100% de la valeur requise pour la quantité de gaz d'échappement recirculés admise à l'admission du moteur. Avantageusement, le point de fonctionnement PME1 (ou seuil déterminé de puissance) du moteur est évalué à l'optimum de rendement du turbocompresseur 46. Dans le cas où un surcroît de puissance est demandé au moteur à partir du point de fonctionnement PME1, la quantité d'air introduite dans le cylindre 20 doit augmenter alors que la proportion de gaz d'échappement à l'admission doit être maintenue, voire augmentée. De ce fait, la turbine 48 doit accroître sa vitesse de rotation de manière à ce que cette augmentation de vitesse soit transmise au compresseur auquel elle est liée de façon à ce que l'air sortant de ce compresseur soit à une pression requise pour obtenir la puissance souhaitée au moteur. II est cependant nécessaire que ce moteur garde sa capacité à n'émettre que des faibles quantités de NOx grâce à l'EGR. Dans ce cas, il est prévu de diminuer la quantité de gaz d'échappement recirculés provenant du circuit EGR HP en commandant la vanne EGR HP 44 dans une position telle qu'elle limite l'introduction de gaz dans la conduite 42 et de compenser cette diminution par une introduction de gaz d'échappement recirculés provenant du circuit EGR BP dans le collecteur d'admission. Pour cela, le calculateur 66 commande le maintien de la vanne 60 en une position de pleine fermeture du conduit de contournement 58 de façon à ce que les gaz d'échappement traversent la turbine sans passer par le conduit de contournement. Ce calculateur 66 commande également les vannes EGR HP 44 et EGR BP 64 d'une manière sensiblement proportionnelle l'une par rapport à l'autre. Cette proportionnalité permet de compenser toute diminution de gaz d'échappement recirculés par le circuit EGR HP dans le collecteur d'admission par une introduction de gaz d'échappement recirculés dans ce même collecteur par le circuit EGR BP. Plus précisément, la vanne EGR HP44 est commandée d'une position de pleine ouverture au point PME1 jusqu'à une position de pleine fermeture de la conduite de recirculation 42 au point PME2, qui correspond à une admission nulle de gaz d'échappement recirculés. Simultanément, la vanne EGR BP 64 est contrôlée pour aller d'une position pleine fermeture de la conduite de recirculation 62 au point de fonctionnement PME1 (correspondant à 0% de gaz d'échappement recirculés en EGR BP) jusqu'à une position de pleine ouverture de cette conduite au point PME'?. Dans cette position, la quantité de gaz d'échappement recirculés introduit à l'admission par le circuit EGR BP correspond à l'intégralité de la consigne de gaz d'échappement recirculés introduits à l'admission. De plus, pour contrôler la vitesse de rotation de la turbine, la vanne de décharge 60 est contrôlée en fermeture par le calculateur 66 et la pression de suralimentation est contrôlée par la quantité de gaz d'échappement recirculés introduite à l'admission. A titre d'exemple et comme cela est illustré sur la figure 2, le point de fonctionnement PME' requiert une puissance du moteur plus grande que le point PME1 avec une valeur prédéterminée de la quantité de gaz d'échappement recirculés correspondant à 100% et un taux de compression de l'air d'admission plus grand que le point de fonctionnement PME1 du moteur. Pour cela, le calculateur commande la vanne de décharge 60 en position de fermeture du conduit 58 de manière à ce que la totalité des gaz d'échappement circulant dans la conduite 38 traversent la turbine 48. Ce calculateur commande également la vanne EGR 44 pour que soit introduit, dans le collecteur d'admission, 75% de la valeur requise de la quantité de gaz d'échappement, le surplus de gaz d'échappement circulant dans la conduite 38 étant utilisé pour augmenter la vitesse de rotation de la turbine 48 et par conséquent le taux de compression de l'air sortant du compresseur 50. Le reste (25%) de la valeur requise de la quantité de gaz d'échappement recirculés est réalisé par la commande du calculateur sur la vanne EGR BP 64 qui permet de contrôler les gaz d'échappement introduits dans la conduite de recirculation EGR BP 62. Ceci permet d'obtenir en final, dans le collecteur d'admission 34, la valeur totale (100%) de la quantité requise de gaz d'échappement correspondant au point de fonctionnement du moteur. Avantageusement, les gaz d'échappement du circuit EGR BP sont mélangés avec l'air d'admission de la conduite d'alimentation 52 avant la compression de ce mélange par le compresseur 50. Ce mélange comprimé est ensuite dirigé vers le collecteur d'admission 34 par la conduite de suralimentation 54. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, le calculateur connaît à tous moments la position des différentes vannes (par exemple par des capteurs de type potentiométrique) et contrôlera en conséquence, par exemple, la position de la vanne 64 d'une manière telle que la quantité de gaz d'échappement recirculés circulant dans la conduite 62 corresponde à la quantité de gaz d'échappement qui n'est pas introduite dans le collecteur d'admission par le circuit EGR HP pour obtenir la valeur de 100% de cette quantité. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes ou équivalents. Notamment, il peut être envisagé d'utiliser un turbocompresseur avec une turbine à géométrie variable dont le point de fonctionnement PME1 est défini par l'optimum de rendement de la turbomachine.15 REVENDICATIONS1) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, notamment de type à autoallumage, avec un turbocompresseur (46) comprenant une turbine (48), traversée par au moins une partie de gaz d'échappement du moteur, et un compresseur (50), un circuit haute pression de recirculation de gaz d'échappement (14) reliant l'échappement de ce moteur à son admission, et un circuit basse pression de recirculation de gaz d'échappement (18) reliant la sortie de la turbine à l'entrée du compresseur, caractérisé en ce qu'il consiste : - jusqu'à un seuil déterminé de puissance (PME1) du moteur, à introduire la quantité requise de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur par le circuit haute pression de gaz. d'échappement recirculés (14), - pour des puissances du moteur au-delà dudit seuil, à diminuer la quantité de gaz d'échappement recirculés admise à l'admission par le circuit haute pression de gaz d'échappement recirculés (14) et à compenser cette diminution par l'introduction de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur par le circuit basse pression de gaz d'échappement recirculés (18) de façon à obtenir la quantité totale requise de gaz d'échappement recirculés à l'admission du moteur. 2) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour des puissances de moteur au delà dudit seuil, à réaliser la compensation en complétant la quantité de gaz d'échappement recirculés du circuit haute pression (14) par une quantité de gaz d'échappement recirculés du circuit basse pression (18) introduite à ladite admission jusqu'à une valeur correspondant sensiblement à 100% de la valeur de la quantité des gaz d'échappement recirculés. 3) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il consiste, conjointement à la diminution de la quantité de gaz d'échappement du circuit haute pression (14), à contrôler la quantité de gaz d'échappement traversant la turbine (48) par un circuit de décharge (56). 4) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire les gaz d'échappement recirculés du circuit basse pression (18) à l'admission du compresseur (50). 5) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la quantité de gaz d'échappement par des vannes (44, 60, 64). 6) Procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à évaluer le seuil déterminé de puissance (PME1) du moteur à l'optimum de rendement du turbocompresseur (46).