Brevet FR2939475A1 — publié le 20100611

REN I35FR / PJ9491 - dépôt DA 1 L'invention concerne un procédé anti-pollution pour véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne, comprenant une phase de recirculation des gaz d'échappement vers l'admission du moteur selon une méthode couramment connue par sa dénomination d'EGR (pour Exhaust Gaz Recirculation)... Il existe dans l'état de la technique des solutions pour lutter contre la pollution provoquée par les gaz d'échappement des véhicules automobiles. La figure 1 illustre une telle solution, qui comprend un moteur 1 alimenté en air par une entrée d'air frais 2, cet air frais traversant un compresseur 3, un échangeur 4 avant d'atteindre une admission 5 vers le moteur 1. Pour diminuer l'émission des composants polluants à base d'oxydes d'azote (Nox) présents dans les gaz d'échappement sortant sur l'échappement 6 du véhicule, une première solution, connue sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR haute pression, consiste en une recirculation 8 des gaz d'échappement en sortie du moteur, traversant un échangeur 9 avant de rejoindre l'admission moteur 5, sous le contrôle d'une première vanne haute pression, non représentée. Une seconde solution, connue sous sa dénomination d'EGR basse pression, consiste en une recirculation 10 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie du véhicule, après leur passage par différents dispositifs de traitements comme un catalyseur, pour leur réadmission à l'entrée du compresseur 3. Une seconde vanne d'échappement 7 permet de régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. Le taux TEGR d'un tel groupe motopropulseur est défini par la formule EGR = MEGR , c'est-à-dire comme le rapport entre le débit de MEGR + Mai,. gaz d'échappement recirculé par la voie EGR sur le débit total entrant REN 135FR / P19491 - dépôt DA 2 dans le moteur, soit la somme du débit recirculé et du débit d'air à l'admission. Pour un moteur à combustion fonctionnant sur le principe de l'injection à une certaine pression pour un certain régime du moteur, l'estimation du débit d'air frais en admission du moteur est obtenue à partir d'une cartographie et à partir de la mesure de la pression du collecteur, de la température de l'air dans le collecteur et du régime moteur. L'estimation de débit EGR est une fonction de la pression aux bornes de la vanne d'échappement EGR et de la température des gaz d'échappement en amont de la vanne EGR, ainsi que de la section efficace de passage des gaz dans la vanne EGR. Le taux EGR voulu est basé sur l'estimation correcte de ces deux débits. Ce taux est important puisque sa surestimation ou sa sous-estimation conduit à une mauvaise optimisation du procédé EGR de dépollution des gaz d'échappement, qui peut induire un rejet important de composants polluants dans l'atmosphère, et conduit à une instabilité du groupe motopropulseur qui nuit globalement à ses performances. Les solutions existantes présentent l'inconvénient d'un manque de précision sur le taux d'EGR mis en oeuvre. Le but de l'invention est de fournir un procédé et dispositif anti-pollution 20 EGR, obviant aux inconvénients cités précédemment, et plus particulièrement atteignant une plus grande précision. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de traitement anti-pollution des gaz d'échappement générés par un groupe motopropulseur d'un 25 véhicule automobile, comprenant une phase de recirculation vers l'admission du moteur (EGR) d'une partie des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : -mesure d'une grandeur de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule automobile ; REN 135FR / PJ9491 - dépôt DA 3 - estimation par un calculateur de cette même grandeur de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule automobile ; - déduction d'une correction de la courbe aéraulique de la vanne de recirculation dépendant de la différence entre les valeurs mesurées et estimées de la grandeur de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule. Le procédé peut comprendre les étapes suivantes, réalisées dans un mode de fonctionnement du groupe motopropulseur sans recirculation de 10 gaz d'échappement : - mesure de la grandeur de fonctionnement ; - estimation par un calculateur de cette même grandeur ; - déduction d'une correction de la courbe aéraulique de la vanne d'admission dépendant de la différence entre les valeurs mesurées et 15 estimées de la grandeur de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule. La correction de la courbe aéraulique de la vanne de recirculation peut être établie dans un mode de fonctionnement du groupe motopropulseur 20 avec une recirculation d'au moins une partie des gaz d'échappement, en prenant en compte la correction de la courbe aéraulique de la vanne d'admission établie durant le mode de fonctionnement du groupe motopropulseur sans recirculation de gaz d'échappement. 25 La grandeur peut être la pression au niveau du collecteur ou un débit au sein du groupe motopropulseur ou la richesse du mélange introduit dans la chambre de combustion. La grandeur peut être la pression au niveau du collecteur, et le procédé 30 peut comprendre les étapes suivantes : REN I35FR / PJ949I - dépôt DA 4 - calcul d'un débit EGR de consigne à partir du débit d'air et du taux d'EGR de consigne; - calcul de la section efficace de consigne (SEGR consigne) de la vanne EGR à partir de la mesure de la pression aux bornes de la vanne EGR et de la température en amont de cette vanne, sur la base de l'équation de débit de Barré Saint Venant ; -calcul de l'angle d'ouverture de consigne (aEGR consigne) de la vanne EGR à partir de la courbe aéraulique de la vanne EGR et de la section efficace de consigne (SEGR consigne) ; -calcul de la pression au niveau du collecteur (Pcol modélisée) à partir d'un modèle de calcul utilisant en entrée l'ouverture de la vanne EGR mesurée (aEGR mesuré) et la courbe aéraulique de la vanne EGR ; -calcul d'un facteur de correction de la courbe aéraulique de la vanne EGR à partir de la différence entre les valeurs modélisées (Pcol modélisée) et mesurées (Pcol mesurée) de la pression au niveau du collecteur qui représente l'erreur causée par l'imprécision de cette courbe aéraulique. La grandeur peut être la richesse, et le procédé peut comprendre les 20 étapes suivantes : - calcul du débit d'air corrigé en fonction d'un facteur de correction estimé dans un mode de fonctionnement sans recirculation de gaz d'échappement, par la formule suivante : Mair corrigée air estimée x Erreur moyenne (Ri) 25 -calcul du débit EGR corrigé par la formule suivante : MEGR corrigé Mtotal pompé ù Mair corrigé - calcul de la section aéraulique corrigée (Seff corrigée) de la vanne EGR à l'angle d'ouverture donné, par la formule suivante provenant de l'équation de débit de Barré Saint Venant : REN 135FR / PJ949I - dépôt DA 5 L'invention porte aussi sur un groupe motopropulseur pour véhicule automobile, comprenant une vanne d'admission d'air frais, une vanne de recirculation de gaz d'échappement, un moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur mettant en oeuvre un procédé de traitement antipollution tel que décrit précédemment. La grandeur peut être la pression au niveau du collecteur et le groupe motopropulseur peut comprendre un moteur atmosphérique ou un circuit de recirculation des gaz d'échappement haute pression d'un moteur suralimenté. La grandeur peut être la richesse et le groupe motopropulseur peut comprendre un circuit de recirculation des gaz d'échappement basse pression et un moteur suralimenté. 20 L'invention porte aussi sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un groupe motopropulseur tel que décrit précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes d'exécution 25 particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : MEGR corrigé X \/Tamont Pavai Pamont / Seff corrigée = Pamont x C/ eBSV15 REN135FR / PJ9491 - dépôt DA 6 La figure 1 représente schématiquement un groupe motopropulseur selon l'état de la technique. La figure 2 représente schématiquement la courbe de la fonction mise en 5 oeuvre dans l'équation de débit dite de Barré Saint Venant. La figure 3 représente schématiquement la courbe aéraulique d'une vanne. 10 La figure 4 représente schématiquement quelques composants du groupe motopropulseur selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 5 représente schématiquement le procédé mis en oeuvre selon le premier mode d'exécution de l'invention. La figure 6 représente schématiquement des phases de calcul mises en oeuvre selon un second mode d'exécution de l'invention. Selon le concept de l'invention, l'estimation du débit recirculé EGR est 20 améliorée en augmentant la précision de la courbe aéraulique de la vanne EGR, qui peut s'éloigner de la courbe nominale ou théorique suite par exemple au vieillissement ou l'encrassement de la vanne, ou par une dispersion de sa géométrie lors de son procédé de fabrication. 25 Le dispositif anti-pollution de l'invention repose sur un groupe motopropulseur et un calculateur, qui peut être l'unité de commande électronique (ECU) du véhicule automobile, qui met en oeuvre un procédé de gestion anti-pollution des gaz d'échappement dont les étapes principales sont détaillées par la suite. 15 30 REN 135FR / PJ9491 - dépôt DA 7 Ce procédé met en oeuvre une estimation du débit Q de gaz d'échappement recirculés basée sur l'équation de débit dite de Barré Saint Venant, qui relie les conditions de pression Pamont et de température Tamont en amont d'une vanne avec la section efficace Se de passage du fluide dans la vanne et les conditions de pression Pavai en aval de la vanne, selon la formule suivante : Pamont X Seff = x Cfeasv Tamont La valeur de la fonction CfeBsv est obtenue par la courbe 12 représentée 10 sur la figure 2. L'application de l'équation de débit de Barré Saint Venant pour obtenir le débit EGR dépend donc grandement de la section efficace débitante Seff de la vanne EGR. Cette section Se est obtenue à partir d'une courbe 13 15 représentée en figure 3 la reliant à la mesure de l'angle d'ouverture de la vanne, qui est mesuré et connu. Cette courbe 13 est appelée courbe aéraulique de la vanne. Toute modification de cette courbe aéraulique par rapport à celle prise en 20 compte par le procédé de gestion du groupe motopropulseur entraîne une mauvaise estimation du débit EGR et une mauvaise optimisation de la dépollution EGR. Le procédé selon l'invention permet de déterminer un coefficient correcteur, variable avec le temps, de la courbe aéraulique nominale mémorisée, afin de pouvoir optimiser la précision du calcul. 25 Pour cela, le principe de l'invention consiste à comparer une grandeur mesurée du fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule automobile par rapport à la même valeur estimée par calcul, cette grandeur étant choisie de sorte que l'écart ou erreur obtenue entre ces REN 135FR / PJ949I - dépôt DA 8 deux valeurs est au moins selon une partie significative causée par la modification de la courbe aéraulique de la vanne EGR de sorte de pouvoir en déduire un facteur de correction de cette courbe aéraulique, et permettre par exemple de recaler point par point la forme de la courbe aéraulique de section efficace de la vanne EGR. Ainsi, il est possible d'obtenir une grande précision du taux d'EGR réel obtenu, et une plus grande efficacité de la gestion de la pollution des gaz d'échappement. Selon un premier mode d'exécution particulièrement adapté à un groupe motopropulseur comprenant un moteur atmosphérique ou un circuit EGR haute pression d'un moteur suralimenté, la grandeur considérée est avantageusement la pression du collecteur. Selon un second mode d'exécution particulièrement adapté à un groupe motopropulseur comprenant un circuit EGR basse pression et un moteur suralimenté, la grandeur considérée est avantageusement la richesse du mélange introduit dans la chambre de combustion. Nous allons maintenant détailler le premier mode d'exécution dans lequel l'observation de la pression du collecteur permet un apprentissage de la section aéraulique de la vanne EGR. En général, lorsque le groupe motopropulseur fonctionne dans un état nominal, l'asservissement du groupe motopropulseur permet d'atteindre une pression en aval de la vanne EGR et un débit au travers de cette vanne, dont les valeurs mesurées sont identiques aux valeurs souhaitées. Lorsque ce groupe motopropulseur ne fonctionne pas selon les conditions nominales, soit suite à son vieillissement, soit suite à des dispersions obtenues par le procédé de fabrication, les mesures de ces grandeurs de pression aval ou de débit de la vanne ne correspondent plus à la consigne souhaitée. Le procédé selon l'invention met en oeuvre le calcul d'un facteur correctif permettant d'effectuer une correction en boucle fermée. REN 135FR / PJ949I - dépôt DA 9 Selon ce mode d'exécution, le procédé est mis en oeuvre sur la base de la pression au niveau du collecteur du groupe motopropulseur. Un procédé similaire peut être mis en oeuvre en variante avec une autre grandeur, comme le débit. La figure 4 représente schématiquement la vanne d'admission 20 d'air frais disposée au niveau d'une voie d'admission 21, la vanne EGR 22 déterminant la quantité de gaz d'échappement recirculée par une voie de recirculation 23, puis un ou plusieurs capteurs 24 permettant de mesurer certaines grandeurs en aval de la jonction entre les voies d'admission 21 et de recirculation 23, avant l'entrée dans le moteur 25 non explicitement représenté. La vanne d'admission 20 ou papillon est caractérisée par son angle d'ouverture apaP et sa section efficace Spap, et la vanne EGR 22 est de manière similaire caractérisée par son angle d'ouverture aEGR et sa section efficace SEGR. Les deux angles d'ouverture de ces deux vannes sont mesurés pour donner des valeurs mesurées apaP mesuré et aEGR mesuré• Ces deux vannes d'admission 20 et EGR 22 définissent la valeur d'un débit les traversant, respectivement le débit d'air frais Qair frais, et le débit recirculé QEGR. Ces deux débits se rejoignent pour former un débit total Qmoteur entrant dans le moteur 25. Un ou plusieurs capteurs 24 mesure(nt) une ou plusieurs grandeurs du système dont la pression du collecteur Psi mesurée. Le groupe motopropulseur est asservi, un calculateur définissant ses conditions optimales de fonctionnement, permettant d'atteindre une performance et une dépollution des gaz d'échappement optimale. Ainsi, ce calculateur définit certaines valeurs de consigne pour les vannes du système, comme les consignes apaP consigne et aEGR consigne pour leurs angles REN I35FR / PJ9491 ù dépôt DA 10 d'ouverture. II estime d'autre part d'autres grandeurs selon des modèles de calcul, comme la pression du collecteur Pool modélisée Le procédé asservi comprend une étape de comparaison entre la pression du collecteur estimée Poo, modélisée et la pression du collecteur mesurée Pu0I mesurée La différence entre les deux valeurs correspond à une erreur, qui peut être attribuée aussi bien au papillon 20 d'admission et de régulation de l'air frais qu'à la vanne EGR 22, en fonction du point de fonctionnement. Le procédé mis en oeuvre est illustré sur la figure 5. Dans une première étape, le fonctionnement du groupe motopropulseur est analysé dans une phase sans recirculation des gaz d'échappement EGR pour réaliser la correction de la seule vanne d'admission 20, en utilisant l'enseignement du document FR2907851. Notamment, la courbe aéraulique de la vanne d'admission 20 est corrigée dans ces conditions particulières de fonctionnement sans EGR. Pour cela, la pression du collecteur modélisée Poo, modélisée est obtenue à partir de l'équation de débit de Barré Saint Venant, en utilisant l'angle d'ouverture mesuré apap mesuré et sa section efficace Spap donnée par la courbe aéraulique. L'erreur entre la pression obtenue Pool modélisée et la pression mesurée Pool mesurée permet d'en déduire la correction de la courbe aéraulique de la vanne d'admission. Dans une seconde étape, le fonctionnement du groupe motopropulseur est maintenant asservi dans un mode de fonctionnement comprenant une recirculation de gaz d'échappement. Le calculateur établit le débit EGR de consigne à partir du débit d'air de consigne et le taux d'EGR. Il est alors possible de déduire une valeur de la section efficace SEGR consigne dite de consigne de la vanne EGR à partir de la mesure de la pression aux bornes de la vanne EGR et de la température en amont de cette vanne. REN 135FR / PJ9491 - dépôt DA 11 La courbe aéraulique de la vanne EGR permet de déduire l'angle d'ouverture de consigne 0EGR consigne de la vanne, qui est appliqué à l'actionneur de la vanne. Ensuite, la pression au niveau du collecteur Pool modélisée est calculée à partir d'un modèle de calcul utilisant en entrée la mesure de l'ouverture de la vanne EGR aEGR mesuré et la courbe aéraulique. La différence entre les valeurs modélisées Pco, modélisée et mesurées Pcol mesurée de cette pression au niveau du collecteur permet de construire un facteur de correction de la courbe aéraulique de la vanne EGR. Nous allons maintenant détailler le second mode d'exécution dans lequel la dérive de richesse permet un apprentissage de la section aéraulique de la vanne EGR. Le principe de calcul est le même que celui par prédiction de pression et/ou de débit détaillé précédemment, la grandeur considérée étant la richesse, qui permet de représenter le rapport entre le carburant et l'air frais présents à l'entrée du moteur, et notamment de le comparer avec les conditions stoechiométriques. Plus précisément, la richesse Ri se calcule par le rapport massique entre le débit de carburant et d'air à la stoechiométrie selon la formule suivante : Ri = K x Mess Mair Où K est le rapport stoechiométrique, Mess la masse de carburant et Maur la masse d'air frais admis. Ce mode d'exécution est particulièrement adapté à une configuration avec 25 une recirculation des gaz d'échappement sur la boucle basse pression d'un moteur suralimenté. La figure 6 représente la courbe 14 de tension mesurée par un capteur qui représente les alternances de périodes pauvres et riches de l'alimentation REN 135FR / PJ9491 - dépôt DA 12 du moteur. La courbe 15 représente le terme correctif du temps d'injection, géré par le calculateur. La courbe 16 représente la correction moyenne assimilée à l'erreur de richesse. Dans une première phase, le dispositif est étudié sans recirculation de gaz d'échappement, afin de mesurer les erreurs de richesse sans EGR, exclusivement causées par une dérive de la courbe aéraulique du papillon d'admission d'air frais. Ce calcul peut être appliqué en fonctionnement du groupe motopropulseur à une richesse égale à 1, soit pour des conditions stoechiométriques, en boucle fermée, en utilisant une sonde lambda binaire. En variante, ce calcul peut être effectué pour toute autre valeur de richesse, avec une régulation permanente utilisant une sonde de richesse proportionnelle. Dans une seconde phase de fonctionnement du groupe motopropulseur avec EGR, l'erreur de débit est alors affectée à une mauvaise estimation du taux d'EGR, qui peut être corrigée puisque l'erreur du débit d'air est corrigée, selon la formule suivante : Mair corrigée Mair estimée x Erreur moyenne (Ri) Il est alors possible d'en déduire l'erreur du débit d'EGR puis la section aéraulique corrigée Seff corrigée de la vanne EGR à l'angle d'ouverture donné, par les formules suivantes : MEGR corrigé Mtotal pompé ù Mair corrigé25 REN 135FR / PJ949I - dépôt DA 13 _ MEGR corrigé x .\/Tamont Seff corrigée = Pavai Pamont X CfeBSV Pamont /