Brevet FR2924217A1 — publié le 20090529

Procédé de mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile et débitmètre correspondant. L'invention concerne les systèmes de recirculation des gaz d'échappement (EGR, exhauted gas recirculation) des moteurs thermiques des véhicules automobiles. Les systèmes EGR permettent d'introduire des gaz inertes dans les circuits lo d'alimentation air des moteurs de façon contrôlée. On supprime ainsi l'excès d'oxygène présent dans le mélange air pour obtenir une combustion plus complète à l'intérieur du moteur. Ainsi, non seulement on abaisse la température de combustion mais 15 surtout on réduit le taux d'émission de monoxyde ou de dioxyde d'azote (gaz Nox) et on respecte les normes automobiles, de plus en plus restrictives, de pollution. Il apparaît donc maintenant nécessaire de disposer d'une valeur précise du 20 débit de gaz d'échappement circulant dans le moteur. Or actuellement, le débit massique des gaz d'échappement circulant dans le système EGR est calculé à partir d'une mesure et d'une estimation : • A l'aide d'un débitmètre ordinaire, on mesure le débit d'air frais à 25 l'admission du moteur, • A l'aide d'un courbe caractéristique du moteur considéré, appelée cartographie, par exemple, on estime le débit de gaz (air frais + gaz d'échappements recirculés) entrant dans le moteur. 30 Cette méthode ne permet d'obtenir qu'une mesure approximative du débit massique des gaz d'échappement circulant dans le circuit EGR. II existe donc un impérieux besoin, et c'est l'objet de la présente invention, de disposer d'une mesure précise et fiable du débit massique de 35 gaz EGR circulant dans le système EGR, et nécessaire pour la maîtrise fine de cette quantité. A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure de débit massique (Q,n) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, procédé dans lequel ladite mesure est réalisée en tirant profit de la géométrie (S, / S2 , point 1, point 2) du circuit (10) du système EGR au niveau d'un organe déprimogène sur le trajet des gaz EGR. On entend par � organe déprimogène � toute portion du circuit EGR induisant une perte de pression, par exemple une variation de section ou un coude. Toute zone du circuit EGR présentant induisant des pertes de charge peut servir à la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Tout élargissement, io rétrécissement, ou coude, de préférence non brusque, dans le circuit EGR permet cette mesure sans interférence, ou très peu, avec le circuit EGR lui-même, sans générer de perte de charge supplémentaire ni ajouter de nouvelles pièces. Par rapport aux solutions antérieures, celle de l'invention est 15 particulièrement simple. On notera que la perte de pression dans la zone du circuit EGR utilisée pour la mesure de débit correspond à une partie de la perte de la charge générée par le circuit. Une tuyère ou un tube de Venturi peuvent également former un tel organe 20 déprimogène. Avantageusement, lorsque le système EGR comporte un échangeur, l'organe déprimogène est formé par au moins une portion de cet échangeur. Un échangeur de type I, que les gaz traversent de part en part, peut être 25 utilisé à cette fin. Avantageusement encore, on choisit sur l'échangeur un point amont et un point aval d'une zone de variation de section du circuit EGR (par exemple, la bride de sortie de l'échangeur du système EGR). On calculer le débit massique à partir des mesures de la pression absolue et de la 30 température en l'un des points et de la mesure de la pression différentielle entre les deux points. L'invention concerne également un débitmètre pour la mesure de débit massique de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, ce débitmètre comportant une 35 portion de circuit qui forme un organe déprimogène comportant un capteur de pression absolue et un capteur de température, en l'un des deux points amont et aval de la portion, et un capteur de pression différentielle entre les deux points amont et aval. L'organe déprimogène est avantageusement formé par un échangeur, 5 lesdits capteurs étant intégrés à l'échangeur. L'invention concerne également un module EGR comportant une vanne EGR et un échangeur, ainsi qu'un débitmètre tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante du procédé de mesure de débit et du débitmètre de l'invention, en ro référence au dessin en annexe, sur lequel: - la figure 1 représente un schéma simplifié de la section longitudinale d'un circuit système EGR sur laquelle apparaît l'échangeur EGR; - la figure 2 représente le même schéma simplifié de la section longitudinale, cette dernière étant équipée des capteurs nécessaires 15 pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention et constituant le débitmètre de l'invention et - la figure 3 représente un organigramme chronologique de la mise en oeuvre du procédé de l'invention. 20 En référence à la figure 1, un système EGR (partiellement représenté) d'un véhicule automobile comporte un échangeur 10, qui est, dans le présent exemple, un échangeur de type I, c'est-à-dire traversé de part en part par le flux. Cet échangeur 10 comporte une entrée 21, de section connue SI, par où entrent les gaz d'échappement, chauds, et une sortie 25 22, de section connue S2 plus petite, par où les gaz sortent, refroidis. L'échangeur 10 présente au niveau de sa bride de sortie un changement de section, ici un rétrécissement, entre deux points du circuit EGR, le point amont 1 où la section est SI et le point aval 2 où la section est S2, la bride 30 de sortie induit une perte de pression, ce qui permet de réaliser une mesure in situ du débit massique des gaz d'échappement recirculés. A une température de référence TYef et une pression de référence pYef, les gaz qui traversent la bride de sortie de l'échangeur 10 de part en part, ont 35 une masse volumique pYef, ces grandeurs de référence sont connues et, tout comme SI et S2, sont mémorisées dans le système EGR. Ici, on utilise la géométrie de l'échangeur 10, qui est une portion du circuit EGR, qu'on utilise comme organe déprimogène. On suppose, ou l'on fait l'approximation que les gaz suivent la loi de Mariotte (p. V = constante). Ainsi la masse volumique pl des gaz en un point donné, ici le point 1, de la bride de l'échangeur 1 0 est uniquement fonction de la pression pl (respectivement p2 au point 2) et de la température TI en ce point : Pref Tl Et on applique la formule du théorème de Bernoulli donnant le débit massique Qä des gaz passant à travers le circuit 10 entre les deux points 1 15 et2: Q. =Cdder, jplDÎT Dans cette formule: zip est la différence de pression entre les points 1 et 2, 20 dp =PI ùp2 Cd est le coefficient de décharge qui permet la correction de l'erreur due à la perte de charge entre les deux points 1 et 2 (il est fonction du nombre de Reynolds), e est un coefficient qui tient compte de la compressibilité du fluide: il est 25 égal à 1 pour un fluide incompressible et est fonction des caractéristiques thermodynamiques pour un fluide compressible, km est une constante englobant le coefficient de vitesse d'approche, 2 1 1 S2 S2 2 1 Les valeurs de ces coefficients sont tabulées à partir d'abaques généraux de fluidique et mémorisées dans le système EGR pour pouvoir être exploitées lors des calculs de débit. _ Tre f P1 Pref = 30 En résumé: La valeur du débit peut donc être déterminée par trois mesures simples: • la pression absolue pi au point 1; • la mesure de la température Tl en ce même point 1; io la mesure de la pression différentielle dp entre les deux points 1 et 2. II en va d'ailleurs de même pour un fluide qui subit une compression adiabatique entre les points 1 et 2 (p. I'= constante). 15 En effet, il est alors encore possible d'exprimer la masse volumique seulement en fonction de la pression absolue et de la température au point 1 et de la différence de pression entre les points 1 et 2, à condition de faire intervenir également les propriétés thermodynamiques du fluide dans le calcul du débit massique, tout particulièrement la constante adiabatique y. 20 Pour réaliser le débitmètre, ici, on implante deux capteurs au point 1, l'un 32 qui est un capteur de pression absolue et l'autre 31, qui est un capteur de température, et, entre les points 1 et 2, un capteur de pression différentielle 33. 25 Le procédé de mesure de débit massique des gaz d'échappement circulant dans la portion 10 du circuit EGR consiste, en référence à la figure 3, à réaliser une mesure directe du débit massique Qm des gaz grâce à l'exécution des étapes suivantes: 30 - une étape d'initialisation 1, dans laquelle on mémorise pref, pref, Tref, et on calcule et on mémorise km, Cd et e, la constante km étant calculée selon la formule ci-dessus donnant km, et itérativement à la fréquence nécessaire pour l'exploitation, par le système EGR, de la valeur du débit massique Qm: 5 - une étape 2 dans laquelle on collecte les mesures TI et pl des capteurs 31 et 32 et on calcule A selon la formule donnant p/ ci-dessus, - une étape 3 dans laquelle on collecte la mesure dp du capteur 33 et on calcule Q,n selon la formule donnant an ci-dessus. -une étape 4 d'exploitation, classique, du débit Q,n. On remarque dans l'expression du débit massique Q,, que la géométrie du système EGR va influencer la valeur de la pression différentielle Ap et tout particulièrement le rapport des sections SI et S2 des deux points 1 io et 2 entre lesquels on effectue la mesure de cette valeur. Le tableau ci-dessous rends compte d'essais destinés à montrer l'influence du rapport des sections SI / S2 sur la valeur de la pression différentielle dp dans le cas de gaz d'échappement à une température de 150°C et pour un 15 débit de 150kg/h, en supposant que ces gaz suivent la loi de Mariotte et que la section Si soit égale à 2925 mm2: SI/ S2 2 4 6 8 10 Ap 4,5 22 50 87 132 (mbar) La valeur de la pression différentielle croît avec le rapport des deux 20 sections. Ainsi, les capteurs de pression et de température peuvent être choisis d'autant moins précis que le rapport des sections SI / S2 est grand. On choisira donc des points 1 et 2 de telle sorte que ce rapport soit maximum. Du fait de la présence de filtres à particules en amont de la sortie de 25 l'échangeur dans la configuration d'un circuit EGR basse pression, les capteurs sont peu exposés à l'encrassement ce qui assure une bonne fiabilité des mesures, même s'il y a des perturbations générées par des ondes de pression ou par la nature pulsatile du fluide, du fait que l'on mesure des différences de pression et non des pressions absolues et que 30 les pulsations fluidiques sont fortement atténuées par les organes en amont sur le circuit 10 (en particulier le filtre à particules). On choisira également des capteurs insensibles à la corrosion due aux gaz d'échappement. Par exemple, pour le capteur de température, on choisira un capteur du type CTN dont la thermistance est protégée par un plongeur 35 en acier inoxydable. 5 Le principe de cette mesure directe ne se limite pas qu'à un rétrécissement de section au niveau de l'échangeur 10. Toute variation de section ou de forme dans le circuit EGR est potentiellement une zone d'implantation des capteurs 31, 32, 33. io REVENDICATIONS 1- Procédé de mesure de débit massique (an) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, procédé dans lequel ladite mesure est réalisée en tirant profit de la géométrie (SI / S2 , point 1, point 2) du circuit (10) du système EGR au niveau d'un organe déprimogène sur le trajet des gaz EGR. 2- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le système EGR comporte i o un échangeur (10), l'organe déprimogène étant formé par cet échangeur. 3- Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise un échangeur (10) de type I que les gaz traversent de part en part. 4- Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel on choisit sur la bride de l'échangeur (10) un point amont (1) et un point aval (2) de la 15 variation de section (SI, S2) dudit échangeur. 5- Procédé selon la revendications 4, dans lequel on calcule la valeur du débit massique (Q,n) à partir des mesures de la pression absolue (pl) et de la température (Tl) en l'un desdits points et de la mesure de la pression différentielle (zip) entre les deux points (1,2). 20 6- Débitmètre pour la mesure de débit massique (Qm) de gaz d'échappement circulant dans un système EGR d'un moteur thermique de véhicule automobile, ce débitmètre comportant une portion de circuit qui forme un organe déprimogène comportant un capteur de pression absolue (32) et un capteur de température (31), en l'un (1) des deux points amont 25 et aval de la portion, et un capteur de pression différentielle (33) entre les deux points amont et aval (1,2). 7. Débitmètre selon la revendication 6, dans lequel l'organe déprimogène est formé par un échangeur (10), lesdits capteurs (32, 31, 33) étant intégrés à l'échangeur (10). 30 8. Module EGR comportant une vanne EGR et un échangeur (10), caractérisé en ce qu'il comporte un débitmètre selon l'une des revendications 6 ou 7.