Brevet FR2934644A1 — publié le 20100205

B07-4634FR - GBO Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s Module de puissance pouvant être alimenté par un carburant comprenant de l'essence et de l'alcool dans des proportions variables, et procédé de commande associé Invention de : LE THI Chi BEN-CHERIF Karim DARMON-FERME Adeline Module de puissance pouvant être alimenté par un carburant comprenant de l'essence et de l'alcool dans des proportions variables, et procédé de commande associé L'invention concerne les modules de puissance pour véhicule automobile et, plus particulièrement, les modules de puissance pouvant être alimentés par de l'essence, par de l'alcool, en particulier de l'éthanol, ou par un mélange quelconque des deux. Dans un module de puissance de type multi-carburant, le carburant utilisé peut varier d'un remplissage à l'autre du réservoir. En particulier, la proportion d'alcool dans le carburant peut augmenter ou diminuer. De plus, le mélange du dernier carburant utilisé avec le reste du carburant précédent peut conduire à un mélange dont la proportion d'alcool et d'essence ne correspond à aucun carburant commercialisé. Le type de carburant alimentant le module de puissance modifie le fonctionnement du module et peut éventuellement entraîner une dégradation de celui-ci. Une détection du type de carburant peut permettre alors d'adapter le fonctionnement du module au carburant utilisé et d'améliorer les performances et la longévité du module. Il existe déjà des dispositifs de commande de module de puissance, qui permettent de modifier l'alimentation du module en fonction de paramètres prédéfinis. De tels dispositifs sont notamment décrits dans les brevets US 6 585 785, US 6 306 531 et dans la demande EP 0 393 694. Cependant, de tels dispositifs modifient l'alimentation du module en fonction des besoins (thermiques notamment), et non en fonction du type de carburant alimentant ledit module. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient. L'invention a donc pour objet un module de puissance apte à être alimenté par du carburant comprenant de l'essence et de l'alcool, le module de puissance comprenant un moyen de combustion pouvant être alimenté par le carburant et par de l'air, et une unité de commande. Le module comprend également un capteur de mesure d'un paramètre caractéristique de la combustion dans le moyen de combustion, et l'unité de commande comprend un premier moyen capable de déterminer la proportion d'alcool dans le carburant, à partir des mesures du capteur et des débits de carburant et d'air alimentant le moyen de combustion, et éventuellement du débit d'eau ou de la température des gaz alimentant le moyen de combustion. Ainsi, à partir du fonctionnement du moyen de combustion et des réactifs l'alimentant, le dispositif selon l'invention peut déterminer la composition du carburant utilisé. Préférentiellement, le premier moyen est capable de déterminer la proportion d'alcool dans le carburant, par conservation de la masse et/ou de l'énergie. Le moyen de combustion comprend un moteur à combustion interne et/ou un brûleur et/ou un réacteur de reformage. On détermine la proportion d'alcool comprise dans le carburant, pour les différents moyens de combustion dont le fonctionnement peut varier en fonction de la composition du carburant. En particulier, chacun des moyens peut mettre en oeuvre une réaction de combustion dans laquelle le carburant utilisé réagit avec l'oxygène pour produire notamment du dioxyde de carbone et de l'eau. Selon un mode de réalisation, le capteur est un capteur de température monté en contact ou en aval du moyen de combustion. Dans ce cas, la détermination de la composition du carburant est basée sur la conservation de l'énergie, et en particulier sur le pouvoir calorifique inférieur propre au carburant utilisé. Selon un autre mode de réalisation, le capteur est une sonde à oxygène ou un débitmètre monté en aval du moyen de combustion. En particulier, le débitmètre peut comprendre un capteur de pression différentielle. Dans ce cas, la détermination de la composition du carburant est basée sur la conservation de la masse. Selon un mode de réalisation, le premier moyen peut comprendre un estimateur dynamique du pouvoir calorifique inférieur du carburant. Dans le cas présent, la grandeur utilisée pour déterminer la composition n'est pas mesurée directement, mais est déterminée à partir d'une autre grandeur mesurée et d'un modèle. Préférentiellement, le module peut comprendre également un injecteur capable d'injecter, dans le module de puissance, le carburant alimentant le moyen de combustion, et l'unité de commande peut comprendre un deuxième moyen capable de modifier la commande de l'injecteur en fonction de la proportion d'alcool dans le carburant. Ainsi, l'invention permet de modifier et d'adapter le fonctionnement du module en fonction de la composition du carburant. En particulier, le débit de carburant injecté dans le module peut être modifié afin d'améliorer le fonctionnement du module et de correspondre à la demande de l'utilisateur. L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un module de puissance comprenant un moyen de combustion pouvant être alimenté par de l'air et par un carburant comportant de l'essence et de l'alcool. Selon le procédé, on mesure un paramètre caractéristique de la combustion dans le moyen de combustion, et on détermine la proportion d'alcool dans le carburant à partir des valeurs du paramètre mesuré et des débits de carburant et d'air alimentant le moyen de combustion, et éventuellement du débit d'eau ou de la température des gaz alimentant le moyen de combustion. Préférentiellement, on détermine la proportion d'alcool dans le carburant par conservation de la masse ou de l'énergie. Selon un mode de mise en oeuvre, on utilise un débitmètre pour mesurer le paramètre caractéristique. Selon un autre mode de mise en oeuvre, on utilise une sonde à oxygène pour mesurer le paramètre caractéristique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant l'architecture d'un module de puissance selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant l'architecture d'un module de puissance selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1, l'architecture générale d'un premier mode de réalisation d'un module de puissance 1 conforme à l'invention et capable de déterminer la composition du carburant qui l'alimente. Le module de puissance 1 comporte un réacteur de reformage, constituant un moyen de combustion 2, alimenté notamment en carburant et en oxygène. Le réacteur de reformage est utilisé pour produire un gaz riche en hydrogène alimentant une pile à combustible ou un dispositif de dépollution par exemple. Alternativement, le moyen de combustion 2 peut comprendre un moteur à combustion interne, par exemple le moteur d'entraînement d'un véhicule. Le moyen de combustion peut également comprendre un brûleur, par exemple catalytique, utilisé par exemple dans un véhicule pour valoriser des gaz de rejet ou pour augmenter la température de certains réactifs. En particulier, le moyen de combustion 2 est un moyen capable de mettre en oeuvre une réaction de combustion entre, d'une part, le carburant pour lequel on souhaite déterminer la composition, et en particulier la proportion d'alcool, et d'autre part l'oxygène. Un injecteur 3 est monté en amont du réacteur de reformage. L'injecteur 3 permet d'injecter, et en particulier de contrôler, la quantité de carburant alimentant le réacteur de reformage. L'injecteur 3 est commandé par l'unité de commande électronique 4 (UCE). Plus précisément, un moyen de commande 5 de l'UCE délivre à l'injecteur 3 un signal de commande qui dépend notamment de la consigne reçue par le moyen de commande 5, et de la composition du carburant. Un capteur 6 de mesure d'une grandeur caractéristique de la combustion dans le réacteur de reformage, est monté en aval du moyen de combustion 2. En particulier, le capteur 6 mesure la grandeur dans les gaz de sorti du réacteur de reformage. Le capteur 6 peut être un débitmètre, par exemple un capteur de pression différentielle, capable de mesurer le débit des gaz sortant du réacteur de reformage, ou bien une sonde à oxygène capable de mesurer la quantité d'oxygène présente dans les gaz issus du réacteur de reformage, ou la richesse des gaz sortant du réacteur de reformage. Les mesures du capteur 6 sont envoyées à l'UCE 4, et plus particulièrement à un bloc de détermination 7, par exemple un automate programmable ou un bloc logiciel ou encore un circuit logique électronique, capable de déterminer la proportion d'alcool dans le carburant. Le bloc de détermination 7 reçoit les mesures du capteur 6, ainsi que les débits d'air Qair et de carburant Qf1el alimentant le réacteur de reformage. Les débits d'air Qair et de carburant Qfuel peuvent être mesurés par des débitmètres et transmis au bloc de détermination 7. Ils peuvent également être déterminés à partir des signaux de commande contrôlant l'alimentation en carburant et en air du réacteur de reformage, par exemple les signaux de commande envoyés par un moyen de commande 5 à l'injecteur 3. Selon la méthode détermination de la composition du carburant, le bloc de détermination 7 peut également recevoir d'autres signaux, par exemple le débit d'eau alimentant le réacteur de reformage. La méthode de détermination de la composition du carburant mise en oeuvre par le bloc de détermination 7 peut être basée sur la conservation de la masse et/ou sur la conservation de l'énergie. On considère dans un premier temps que le bloc de détermination 7 utilise la conservation de la masse. On considère également que le réacteur de reformage est un réacteur de réformage autotherme utilisant de l'air, de l'eau et du carburant. dans laquelle `P est le rapport de la quantité d'azote sur la quantité 5 d'oxygène, dans l'air. En écrivant le bilan massique, on obtient alors l'expression suivante : mtotal = nfuel 'Mfuel +v air'Mair +nH20'MHz0 x+y--Ph 2 4 J //''++ Pth 0,21.0M + x+yû~ .M +A•x.021.0'M z PCC . 0,21 .0 .M fuel fuel 2 4 / aar H O 10 dans laquelle : - Mf1el, Mair et MHZO représentent respectivement les masses molaires du carburant, de l'air et de l'eau, et nfuel, nair et nH2o représentent respectivement le nombre de moles du carburant, 15 de l'air et de l'eau, - PCI est le pouvoir calorifique inférieur du carburant (en Joules par gramme), et Pth est l'énergie thermique dissipée (en Joules), - A est le rapport de l'eau injectée dans le reformeur sur le carbone contenu dans le carburant. 20 - et 0 est la richesse de fonctionnement du réacteur de reformage, c'est-à-dire : masse d'air e masse de carburant /stoechiométrique masse d' air dans le mélange masse de carburant dans le mélange /réel La réaction complète de combustion du carburant CXHyOZ peut s'écrire sous la forme (1) : r r' y ? (Oz +yr.Nz) x.COz + Y .HzO +yr .x + 7-s Nz (1) 2 4 2 2 4/ + Main + n fuel .A.x.MHSO PCI 0,21.0 Les grandeurs Pth, 0 et A sont contrôlées par le système de commande du module de puissance, et sont donc connues. De plus, les grandeurs x, y, z, Mfuel et PCI varient de manière linéaire en fonction de la proportion d'alcool dans le carburant, et peuvent donc être exprimées en fonction du pourcentage d'alcool dans le carburant. Ainsi, pour un carburant comprenant de l'essence et de l'éthanol avec une proportion CEtOH, on peut exprimer les grandeurs x, y, z, Mf1el et PCI de manière approximative, par les équations : PCI = -31,41.CEtoH + 4376 Mf1el = - 0,5643. CEtOH + 102,5 x = 0,054. CEtOH + 7,4 y = 0,078. CEtOH + 13,8 Z = CEtOH Ainsi, en mesurant mtotal avec le capteur 6, par exemple un débitmètre, il est possible de calculer, à partir des équations précédentes, la proportion CEtOH du carburant, c'est-à-dire la proportion d'éthanol dans le carburant. I1 est également possible d'utiliser comme capteur 6, un capteur de pression différentielle à la place du débitmètre, afin de déterminer mtotal et en déduire la proportion d'éthanol dans le carburant. Selon une variante, le moyen de combustion 2 peut être un brûleur ou un moteur à combustion interne. Dans ce cas, le bloc de détermination 7 utilise toujours la réaction complète de combustion du carburant CXHyOZ : CHO Y z (02 ,...art Y Trä, Y z ar x y z masse de carburant /sroechtometrtque v 2 4 / Mei et la richesse 0 du mélange par : 2 4) 2 2 4) dans laquelle `P est le rapport de la quantité d'azote sur la quantité d'oxygène, dans l'air. On définit Xst par l'équation : ( masse d'air y z Maur sz = = x+--- masse de carburant du mélange masse d'air du mélange /réel e = Xst En se rapportant à une mole d'oxygène, on peut alors écrire l'équation de combustion du carburant sous la forme : •6 CXH2Oz +02 +R-*v.O2 + P st'Mfuel dans laquelle R et P sont les autres réactifs et produits de la réaction qui ne sont pas détaillés ici, et v est le coefficient stoechiométrique de l'oxygène. Ainsi, en utilisant une sonde à oxygène comme capteur 6, on peut mesurer la richesse du brûleur, et la comparer à la richesse calculée en fonction de la nature du carburant. On peut alors déduire l'écart entre les deux valeurs, et déterminer la nature du carburant, notamment la proportion d'alcool dans le carburant. En particulier, lorsque le moyen de combustion 2 est un brûleur ou un moteur à combustion interne, il est préférable d'utiliser, pour le capteur 6, une sonde à oxygène plutôt qu'un débitmètre en raison de la température des gaz de sortie du brûleur ou du moteur à combustion, qui est plus élevée que celle des gaz de sortie d'un reformeur. On considère dans un deuxième temps que le bloc de détermination 7 utilise la conservation de l'énergie. Le moyen de combustion 2 est soit un réacteur de reformage, soit un brûleur, soit un moteur à combustion interne, et le capteur 6 est capteur de température. Le bloc de détermination 7 comprend un estimateur dynamique du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du carburant. Selon un mode de réalisation, le bloc de détermination 7 peut utiliser un modèle du type : dt par exemple un modèle simplifié du premier ordre sur un brûleur n'utilisant que du carburant et de l'air en excès : M azr dT OUT gaz f( , fuel , ~ TgINaz , TgOUTazPCI) gaz > > dTOUT (Mgaz .c) gaz = ùQgaz .CP .(Tg°z T -T' ) + Q ei .PCI + Pertes gaz dans lequel : - Qgaz représente le débit des gaz sortant du moyen de combustion 2 Qf1el représente le débit de carburant alimentant le moyen de combustion 2 TgazOUT représente la température des gaz en sortie du moyen de combustion 2 ; - TgazlN représente la température des gaz alimentant le moyen de combustion 2 ; - Mgaz représente la masse des gaz sortant du moyen de combustion 2 - Cp représente la capacité calorifique massique des gaz sortant du moyen de combustion 2. 15 On construit alors le système suivant, pour déterminer le pouvoir calorifique inférieur PCI, : da =/ (X,Qfuel ) Y=C.X=T°Z 20 Le bloc de détermination 7 permet d'estimer le pouvoir calorifique inférieur PCI du carburant à partir de l'estimateur dynamique X qui est donné par le système suivant : dX =f(X,Qfuel )+K.(Yûdt 25 Y=C.X La matrice K est choisie de manière à assurer la convergence de l'observateur et à lui fixer une dynamique satisfaisante. On peut alors estimer la valeur du pouvoir calorifique inférieur du carburant, et en déduire la proportion d'alcool dans celui-ci. 10 T OUT avec X = gaz PCI Lorsque le bloc de détermination 7 a déterminé la proportion d'alcool dans le carburant, celle-ci est transmise à un bloc d'adaptation 8 de l'UCE, par exemple un automate programmable ou un bloc logiciel ou encore un circuit logique électronique. Le bloc d'adaptation 8 est capable de modifier la commande de l'injecteur en fonction de la proportion d'alcool dans le carburant. Par exemple, on considère que le débit de carburant injecté par l'injecteur est donné par la relation suivante : Qfue, = k(a).~ k.a.-NWP dans laquelle : - AP est la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'injecteur - k est un terme de proportionnalité, et - a est la rapport cyclique d'ouverture de l'injecteur (a est compris entre 0 et 1). Le bloc d'adaptation 8 permet d'ajuster le modèle de l'injection, en utilisant la valeur, transmise par le bloc de détermination 7, de la proportion d'alcool dans le carburant. En particulier, le bloc d'adaptation 8 peut comprendre un algorithme d'optimisation de la consommation et un algorithme d'adaptation aux injecteurs. L'algorithme d'optimisation de la consommation permet d'adapter le débit de carburant à injecter en fonction de la nature de celui-ci. Ainsi, selon la puissance thermique souhaitée (consigne) et selon la nature du carburant, le débit de carburant à injecter dans le moyen de combustion 2 est modifié. Le bloc d'adaptation 8 permet de prendre en compte le pouvoir calorifique inférieur PCI du carburant déterminé par le bloc de détermination 7, afin d'obtenir dans le moyen de combustion 2, la puissance thermique correspondant à la consigne. Par ailleurs, le bloc d'adaptation 8 peut également comprendre un algorithme d'adaptation aux injecteurs. L'algorithme permet de modifier le modèle de commande de l'injecteur 3 en fonction de la nature du carburant. Ainsi, grâce à cet algorithme, la commande de l'injecteur permettra d'obtenir effectivement le débit de carburant souhaité. L'ajustement du modèle d'injection est alors transmis au moyen de commande 5 qui va adapter la commande de l'injecteur de manière à ce que le débit injecté corresponde à la consigne de l'utilisateur. On obtient alors une puissance thermique dans le moyen de combustion 2 qui correspond à la consigne donnée par l'utilisateur. Sur la figure 2, un autre mode de réalisation est représenté dans lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans le deuxième mode de réalisation, un capteur 9 de température est placé en contact avec le moyen de combustion 2, par exemple un brûleur, et permet de déterminer la température à l'intérieur de celui-ci. Les signaux du capteur 9 sont transmis au bloc de détermination 7 qui peut recevoir également la température Ti des gaz entrant dans le brûleur. Le bloc de détermination 7 peut utiliser la conservation de l'énergie pour déterminer la proportion d'alcool dans le carburant. En particulier, le bloc de détermination 7 utilise la différence de pouvoir calorifique inférieur entre l'essence et l'alcool. Par exemple, lorsque l'alcool est de l'éthanol, le pouvoir calorifique inférieur PCI d'un mélange d'essence et d'éthanol peut s'écrire approximativement sous la forme : PCI = -31,41.CEtox + 4376 où CEtOH est la proportion d'éthanol dans le carburant. Le bloc de détermination 7 reçoit les débits d'air et de carburant alimentant le brûleur, ainsi que la température dans le brûleur. Lorsque, pour les mêmes débits d'air et de carburant, la température du brûleur varie, le bloc de détermination 7 en déduit une modification de la nature du carburant. Plus particulièrement, en fonction de la nouvelle température et de valeurs mémorisées, le bloc de détermination 7 peut déterminer la proportion d'alcool dans le carburant. Ainsi, il est possible d'entrer dans l'UCE 4 un ensemble de valeurs correspondant aux différentes températures de stabilisation du brûleur en fonction du débit et de la nature du carburant. A partir de cet ensemble de valeurs, le bloc de détermination 7 est alors capable de déduire la proportion d'alcool dans le carburant utilisé. La sortie du bloc de détermination 7 est alors transmise au bloc d'adaptation 8 afin d'adapter les paramètres de fonctionnement du module de puissance 1 au nouveau carburant. Ainsi, le module de puissance décrit précédemment permet de détecter la nature du carburant à partir d'un capteur de mesure, et permet d'améliorer le fonctionnement du module de puissance. De plus, le module de puissance permet également d'ajuster des paramètres de fonctionnement, par exemple la richesse des gaz sortant du moyen de combustion, à partir de la quantité et de la nature du carburant injecté. Le module de puissance permet donc d'améliorer les performances en dynamique et de limiter la consommation en carburant en régime statique ou en régime transitoire. De plus, le moyen de détection de la nature du carburant nécessite peu de modifications du module de puissance et présente ainsi l'avantage d'être indépendant de l'architecture du module de puissance ou de son application. REVENDICATIONS1. Module de puissance (1) apte à être alimenté par du carburant comprenant de l'essence et de l'alcool, le module de puissance comprenant : - un moyen de combustion (2) pouvant être alimenté par le carburant et par de l'air, et - une unité de commande (4) caractérisé en ce que le module comprend également un capteur (6, 9) de mesure d'un paramètre caractéristique de la combustion dans le moyen de combustion, et en ce que l'unité de commande comprend un premier moyen (7) capable de déterminer la proportion d'alcool dans le carburant, à partir des mesures du capteur et des débits de carburant et d'air alimentant le moyen de combustion, et éventuellement du débit d'eau ou de la température des gaz alimentant le moyen de combustion. 2. Module de puissance selon la revendication 1 dans lequel le premier moyen (7) est capable de déterminer la proportion d'alcool dans le carburant, par conservation de la masse et/ou de l'énergie. 3. Module de puissance selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le moyen de combustion (2) comprend un moteur à combustion interne et/ou un brûleur et/ou un réacteur de reformage. 4. Module de puissance selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le capteur (6, 9) est un capteur de température monté en contact ou en aval du moyen de combustion. 5. Module de puissance selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le capteur (6) est une sonde à oxygène ou un débitmètre monté en aval du moyen de combustion. 6. Module de puissance selon la revendication 5 dans lequel le débitmètre comprend un capteur de pression différentielle. 7. Module de puissance selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le premier moyen (7) comprend un estimateur dynamique du pouvoir calorifique inférieur du carburant. 8. Module de puissance selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant également un injecteur (3) capable d'injecter, dans le module de puissance, le carburant alimentant le moyen de combustion, et dans lequel l'unité de commande (4) comprend un deuxième moyen (8) capable de modifier la commande de l'injecteur en fonction de la proportion d'alcool dans le carburant. 9. Procédé de commande d'un module de puissance (1) comprenant un moyen de combustion (2) pouvant être alimenté par de l'air et par un carburant comportant de l'essence et de l'alcool, dans lequel on mesure un paramètre caractéristique de la combustion dans le moyen de combustion, et dans lequel on détermine la proportion d'alcool dans le carburant à partir des valeurs du paramètre mesuré et des débits de carburant et d'air alimentant le moyen de combustion, et éventuellement du débit d'eau ou de la température des gaz alimentant le moyen de combustion. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on détermine la proportion d'alcool dans le carburant par conservation de la masse ou de l'énergie. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel on utilise un débitmètre pour mesurer le paramètre caractéristique. 12. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel on utilise une sonde à oxygène pour mesurer le paramètre caractéristique.