Brevet FR2943385A1 — publié le 20100924

B08-4356FR MSA PJ 9608 Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif et procédé de commande de l'injection de carburant dans un moteur en fonction du taux de recirculation partielle des gaz d'échappement. Invention de : SERRA Bruno HOURLIER Sylvain Dispositif et procédé de commande de l'injection de carburant dans un moteur en fonction du taux de recirculation partielle des gaz d'échappement. L'invention a pour domaine technique le contrôle de la combustion dans un moteur à combustion interne et plus particulièrement le contrôle de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne muni d'une recirculation des gaz d'échappement. Les normes relatives aux émissions de polluants imposent un contrôle de plus en plus fin de la combustion ainsi que du circuit d'admission d'air des moteurs à combustion interne, notamment par l'intermédiaire de la commande du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR), et des différents organes situés en amont et en aval du moteur à combustion interne. Les émissions d'espèces polluantes sont directement liées aux quantités relatives d'air et de carburant admises dans le moteur à combustion interne. La connaissance et le contrôle de ce paramètre sont ainsi importants afin de réduire les émissions d'espèces polluantes. Les quantités relatives d'air et de carburant admises dans un moteur à combustion interne sont caractérisées par le paramètre de richesse. Ce paramètre dépend du rapport entre la masse de carburant et la masse d'air frais admis. Afin de réduire encore plus la consommation de carburant et les émissions d'espèces polluantes, on utilise un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement qui a pour conséquence de modifier le rapport entre le carburant et l'air frais admis. Cependant, la valeur du paramètre obtenue par le calcul ou la mesure ne tient compte que de l'air frais apporté par le circuit d'admission. L'oxygène et les hydrocarbures imbrûlés apportés par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement sont donc ignorés. La demande de brevet FR 2851014 décrit une méthode de calcul prenant en compte l'air frais provenant du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement. Cependant, il n'existe pas à ce jour de dispositif ou de procédé de détermination permettant de prendre en compte l'apport d'hydrocarbures imbrûlés par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement. Un tel procédé permettrait de déterminer la quantité d'hydrocarbures amenés par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement et de réduire d'autant la quantité de carburant injectée. L'objet de l'invention est d'estimer la quantité de carburant injecté en prenant en compte la quantité de carburant imbrûlée admise dans le moteur à combustion interne par la recirculation partielle des gaz d'échappement. Un autre objet de l'invention est d'estimer la quantité de gaz neutres dans les gaz d'échappement afin d'ajuster de façon optimale les quantités de carburant injectées et d'air frais admis. Selon un aspect de l'invention, on définit un dispositif de commande de l'admission de carburant d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile, ledit moteur à combustion interne étant relié en entrée à une conduite d'admission d'air frais et en sortie à une conduite d'échappement des gaz d'échappement, elle- même reliée à un catalyseur, un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement relie la conduite d'échappement à la conduite d'admission de l'air frais. Le dispositif comprend un moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, un moyen de détermination de la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne, et un moyen de commande électronique apte à déterminer la quantité de carburant à injecter en fonction des signaux reçus du moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé et du moyen de détermination de la quantité d'air frais admise. Le moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement peut comprendre une première sonde située en amont du catalyseur et un moyen d'estimation de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement en fonction des signaux reçus de la première sonde. Le moyen de détermination de la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne peut comprendre une deuxième sonde située en amont du point de piquage du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement sur la conduite d'admission de l'air frais et un moyen d'estimation de la masse d'air frais admise en fonction des signaux reçus de la deuxième sonde. Le moyen de commande électronique peut comprendre un moyen d'estimation du taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement en fonction des signaux reçus du moyen d'estimation de la masse d'air frais admise, et un moyen de détermination de la quantité de carburant à injecter en fonction des signaux reçus du moyen d'estimation de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, du moyen d'estimation de la masse d'air frais admise, et du moyen d'estimation du taux de gaz neutres. Le dispositif de commande peut comprendre en outre un collecteur d'admission, un collecteur d'échappement, et un turbocompresseur dont le compresseur est disposée entre la conduite d'admission de l'air frais et le collecteur d'admission, la turbine du turbocompresseur étant disposée entre la conduite d'échappement et le collecteur d'échappement, le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement est relié d'une part entre le collecteur d'échappement et le turbocompresseur, et d'autre part, entre le collecteur d'admission et le turbocompresseur. Dans une autre configuration, le dispositif de commande peut comprendre un collecteur d'admission, un collecteur d'échappement, et un turbocompresseur dont le compresseur est disposée entre la conduite d'admission de l'air frais et le collecteur d'admission, la turbine du turbocompresseur étant disposée entre la conduite d'échappement et le collecteur d'échappement, le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement est relié d'une part en sortie du catalyseur, et d'autre part, en amont du compresseur du turbocompresseur. Selon un autre aspect de l'invention, on définit un procédé de commande de l'admission de carburant d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile, ledit moteur à combustion interne étant relié en entrée à une conduite d'admission d'air frais et en sortie à une conduite d'échappement des gaz d'échappement, elle-même reliée à un catalyseur, un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement relie la conduite d'échappement à la conduite d'admission de l'air frais. Le procédé comprend des étapes aux cours desquelles : on détermine la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur, on détermine la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne par la conduite d'admission de l'air frais, et on détermine la quantité de carburant à injecter en fonction de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement et de la quantité d'air frais admise. Le procédé de commande peut comprendre en outre des étapes au cours desquelles : on estime le taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement en fonction de la masse d'air frais admise, et on détermine la quantité de carburant à injecter en fonction de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, de la masse d'air admise et du taux de gaz neutres. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un moteur à combustion interne muni d'un premier circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement et les principaux éléments d'un dispositif de commande de l'injection selon l'invention, - la figure 2 illustre un moteur à combustion interne muni d'un deuxième circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement et les principaux éléments d'un dispositif de commande de l'injection selon l'invention, et - la figure 3 illustre les principales étapes d'un procédé de commande de la quantité de carburant à injecter, selon l'invention. Sur la figure 1, on peut voir un moteur à combustion interne 1 comprenant un collecteur d'admission 2, un collecteur d'échappement 3 reliés à un ensemble 4 de cylindres par l'intermédiaire de soupapes non représentées. Le collecteur d'admission 2 et le collecteur d'échappement 3 sont reliés à un turbocompresseur 9. Plus précisément, le collecteur d'admission 2 est relié au compresseur 9a, le collecteur d'échappement 3 étant relié à la turbine 9b. Le compresseur 9a est relié en amont à une conduite 8 d'admission de l'air frais alors que la turbine 9b est reliée en sortie à une conduite d'échappement 5, comportant un catalyseur 10 de traitement des gaz d'échappement. Par ailleurs, le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 6 comprend une vanne 7 de recirculation partielle des gaz d'échappement permettant la commande du débit des gaz à travers le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement et une conduite de recirculation partielle. La conduite de recirculation partielle des gaz d'échappement est piqué entre le collecteur d'échappement 3 et la turbine 9b et relié en sortie entre le collecteur d'admission 2 et le compresseur 9a. Le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement illustré sur la figure 1 est par ailleurs qualifié de circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à haute pression de par sa situation dans une partie du groupe motopropulseur où la pression est élevée par l'action du compresseur 9a. Une unité de commande électronique 12 est reliée à une première sonde 11 disposée en amont du catalyseur 10 et en aval du turbocompresseur 9 par une connexion 14. L'unité de commande électronique 12 est par ailleurs connectée à des moyens de commande des injecteurs par une connexion 15. L'unité de commande électronique est également reliée par une connexion 17 à une deuxième sonde 16 située entre le turbocompresseur 9 et le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 6. Afin de tenir compte des hydrocarbures imbrûlés amenés par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement, il est nécessaire de distinguer plusieurs richesses. On définit d'abord la richesse d'injecteur qui correspond au rapport entre la quantité de carburant injectée et la quantité d'air frais admis : min] R .=K. ess M air(Eq. 1) avec M ss représentant la masse de carburant injectée Marreprésentant la masse d'air frais issue du papillon K représentant le rapport stoechiométrique air/essence Rcomb représente la richesse mesurée par la première sonde 11 placée au niveau de la conduite d'échappement 5, c'est-à-dire, en amont du catalyseur 10. R Mess+ MC 2 comb =K. M (Eq. ) air avec : M cRreprésentant la masse recirculée d'hydrocarbures imbrûlés. Le bilan massique du carburant combustion est le suivant : M = min] + MEGR = R Mair ess ess ess comb K avec Me?Rreprésentant la masse de carburant introduit dans la chambre de combustion par le biais du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement, MeSs représente la masse totale de carburant dans la chambre de combustion. Par ailleurs, on pose McGR = MtoGR ùMEN (Eq. 4) introduit dans la chambre de (Eq. 3) avec M oGR représentant la masse d'air totale réinjectée par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement MEGR GN représentant la masse de gaz neutres réinjectée par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement En combinant les équations 3 et 4, on obtient : Min' + MEGR \EGR = R M . ess tot GN comb K air (Eq. 5) On définit la masse totale d'air admis Madmis comme la somme de la masse d'air frais admis Mair et la masse totale de gaz réinjectée par le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement M oGR EGR Madmis - M tot + M air (Eq. 6) On divise alors l'équation 5 par l'expression de la masse totale d'air admis Madmis établie en fonction du bilan massique de l'air admis (Eq. 6). Minj MEGR _ MEGR ess + tot GN Madmis Madmis R comb M air Madmis K (Eq. 7) 25 Par ailleurs, on peut définir un taux de gaz neutres TGN : MEGR _ GN T GN En combinant les équations 4, 6, et 8, on peut récrire le taux de gaz neutres de la façon suivante : \EGR GN On peut définir également un taux de recirculation partielle des (Eq. 8) Madmis GN M + M EGR + M EGR air ess GN (Eq. 9) gaz d'échappement tEGR par la formule M EGR tot EGR M admissuivante : (Eq. 10) En combinant les équations 6 et 10, on peut réécrire le taux de recirculation partielle des gaz d'échappement de la façon suivante : M air 1 - _ T EGR M admis On peut alors exprimer la richesse en fonction du taux de recirculation partielle des gaz d'échappement et du taux de gaz neutres. En combinant les équations 1, 2 et 4, on obtient : 10 Rinj = Rcomb + K • (TGN ù TEGR) (Eq. 12) (1ù T EGR De même, on peut exprimer la richesse de combustion Rcomb en fonction du taux de recirculation partielle des gaz d'échappement. Si on combine les équations 2, 6 et 10, on obtient : Rinj ùT EGR 1ùTEGR On peut récrire l'équation 13 de la façon suivante _(1ùTEGR)•Rcomb +TEGR (Eq. 14) Si on combine les équations 12 et 14, on obtient l'équation du 20 second degré suivante : 'tEGR (Rcomb -1)+TEGR •(1+KùRcomb +K•TGN =0 (Eq. 15) L'unique solution positive de l'équation 15 est l'équation du taux de recirculation partielle des gaz d'échappement suivante : 25 _ ù(1+KùRcomb+~(1+KùRcomb )2+4•K•TGN •(Rcomb -1) (E 16 EGR \ q ) 2 (Rcomb -1) En combinant les équations 1 et 14, on obtient l'expression du débit de carburant corrigé à appliquer afin de tenir compte de la présence du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (Eq. 11) 15 R comb = (Eq. 13) = Mair �1 l K ûTEGR)•Rcomb +TEGR) (Eq.17) K Min; _ ess L'unité de commande électronique applique l'équation 17 à la valeur de la richesse de combustion Rcomb déterminée par la première sonde 11, et à la valeur de la masse d'air frais Mair admise dans le collecteur d'admission déterminée par la deuxième sonde 16 afin de déterminer la quantité de carburant à injecter M ss . Plus précisément, l'unité de commande électronique 12 comprend un moyen d'estimation 20 de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappements, un moyen d'estimation 18 de la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne, un moyen d'estimation 19 du taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement, un moyen d'estimation 21 du taux de gaz recirculés et un moyen de détermination 22 de la quantité de carburant à injecter. Le moyen d'estimation 18 de la quantité d'air frais est relié en entrée à la deuxième sonde 16 par la connexion 17, et est relié en sortie au moyen d'estimation 19 du taux de gaz neutres. Le moyen d'estimation 20 de la quantité de carburant imbrûlé est relié en entrée à la première sonde 11 par la connexion 14 et en sortie au moyen d'estimation 21 du taux de gaz recirculés et au moyen de détermination 22 de la quantité de carburant à injecter. Le moyen d'estimation 19 du taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement est relié en sortie au moyen d'estimation 21 du taux de gaz recirculés, lui-même relié au moyen de détermination 22 de la quantité de carburant à injecter. Le moyen de détermination 22 de la quantité de carburant à injecter est connecté en sortie aux moyens de commande des injecteurs, non représentés sur les figures 1 et 2, par la connexion 15. Selon un autre mode de réalisation, illustré par la figure 2, le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 6 peut être de type basse pression. En d'autres termes, le conduit de recirculation partielle des gaz d'échappement est piqué en sortie du catalyseur 10 et relié en amont du compresseur 9a sur la conduite 8 d'admission d'air frais. Ainsi, l'intégralité du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement se situe dans une partie du groupe motopropulseur présentant une pression inférieure à la pression régnant entre le compresseur 9a et la turbine 9b. L'unité de commande électronique 12 détermine la quantité de carburant à injecter d'une façon similaire à la détermination décrite dans le cadre du premier mode de réalisation. Cependant, l'estimation de la quantité de carburant recirculés par le biais du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 6 est modifiée pour tenir compte de l'effet de filtre catalytique qui dégrade les hydrocarbures imbrûlés. Pour cela, on utilise soit une détermination de la capacité de stockage en oxygène (OSC) du catalyseur, soit une valeur mémorisée de l'efficacité du catalyseur concernant la catalyse des hydrocarbures. La valeur de la richesse de combustion mesurée par la première sonde 11 est ainsi modulée pour tenir compte de la diminution de la quantité d'hydrocarbures dans les gaz d'échappement en sortie du catalyseur et en entrée du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 6. Le procédé de commande est illustré sur la figure 3. Le procédé débute par une étape 23 d'estimation de la masse d'air frais admise Mair. Cette masse est déterminée en fonction du signal reçu de la deuxième sonde 16. Le procédé se poursuit par une étape 24 d'estimation du taux de gaz neutre tiGN. L'équation 16 permet de déterminer tiGN en fonction des variables précédemment déterminées ou mesurées. A l'étape 25, on détermine la richesse de combustion Raomb. La richesse de combustion est déterminée en fonction du signal reçu de la première sonde 11. L'étape 26 suivante permet de déterminer le taux de recirculation partielle des gaz d'échappement tiEGR. L'équation 16 permet de déterminer tiEGR en fonction des variables précédemment déterminées ou mesurées. Le procédé se termine à l'étape 27 au cours de laquelle on détermine la quantité de carburant à injecter. Pour cela, on résout l'équation 17 en fonction des variables précédemment déterminées ou mesurées. Le dispositif et le procédé de commande de l'injection qui viennent d'être décrits permettent de déterminer avec précision une quantité strictement nécessaire de carburant à injecter dans un moteur à combustion interne afin d'obtenir un mélange de gaz admis dans le moteur présentant la richesse souhaitée. Cette richesse pouvant varier selon la phase de fonctionnement du moteur, l'invention est apte à déterminer en temps réel les paramètres d'injection afin de répercuter sans délai ces changements de fonctionnement et afin de conserver un fonctionnement optimum. I1 est à noter que le dispositif de commande fonctionne aussi bien avec un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement basse pression que haute pression, au prix de quelques aménagements du procédé permettant de tenir compte du placement du circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement. Le dispositif et le procédé de commande sont également aptes à déterminer la quantité de gaz neutres présente dans les gaz d'échappement afin d'ajuster de façon optimale les quantités de carburant et d'air frais admis. Un contrôle précis de la richesse du mélange admis est ainsi possible. REVENDICATIONS1. Dispositif de commande de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile, ledit moteur à combustion interne (1) étant relié en entrée à une conduite d'admission (8) d'air frais et en sortie à une conduite d'échappement (5) des gaz d'échappement comportant un catalyseur (10), un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (6) reliant la conduite d'échappement (5) à la conduite d'admission (8) de l'air frais, le dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, un moyen de détermination de la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne (1), et un moyen de commande électronique (12) apte à déterminer la quantité de carburant à injecter en fonction des signaux reçus du moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé et du moyen de détermination de la quantité d'air frais admise. 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, dans lequel le moyen de détermination de la quantité de carburant imbrûlé comprend une première sonde (11) située en amont du catalyseur (10) et un moyen d'estimation (20) de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement en fonction des signaux reçus de la première sonde (11). 3. Dispositif de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de détermination de la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne (1) comprend une deuxième sonde (16) située en amont du point de piquage du circuit de recirculation partielle (6) des gaz d'échappement sur la conduite d'admission (8) de l'air frais et un moyen d'estimation de la masse d'air frais admise (18) en fonction des signaux reçus de la deuxième sonde (16). 4. Dispositif de commande selon la revendication 3, dans lequel le moyen de commande électronique (12) comprend un moyen d'estimation (19) du taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement en fonction des signaux reçus du moyen d'estimation (18) de la masse d'air frais admise, et un moyen de détermination (22) de la quantité de carburant à injecter en fonction des signaux reçus du moyen d'estimation (20) de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, du moyen d'estimation (18) de la masse d'air frais admise, et du moyen d'estimation (19) du taux de gaz neutres. 5. Dispositif de commande selon l'une des revendications précédentes, comprenant un collecteur d'admission (2), un collecteur d'échappement (3), et un turbocompresseur (9) comprenant un compresseur (9a) et une turbine (9b), le compresseur (9a) étant disposé entre la conduite d'admission (8) de l'air frais et le collecteur d'admission (2), la turbine (9b) étant disposée entre la conduite d'échappement (5) et le collecteur d'échappement (3), le circuit de recirculation partielle (6) des gaz d'échappement comprend une vanne commandée et une conduite de recirculation partielle reliée d'une part entre le collecteur d'échappement (3) et la turbine (9b), et d'autre part, entre le collecteur d'admission (2) et le compresseur (9a). 6. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 5, compresseur (9a) et une turbine (9b), le compresseur (9a) étant disposé entre la conduite d'admission (8) de l'air frais et le collecteur d'admission (2), la turbine (9b) étant disposée entre la conduite d'échappement (5) et le collecteur d'échappement (3), le circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (6) comprend une vanne commandée et une conduite de recirculation partielle reliée d'une part en sortie du catalyseur (10), et d'autre part, en amont du compresseur (9a). comprenant un collecteur d'admission (2), un collecteur d'échappement (3), et un turbocompresseur (9) comprenant un 7. Procédé de commande d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile, ledit moteur à combustion interne (1) étant relié en entrée à une conduite d'admission (8) d'air frais et en sortie à une conduite d'échappement (5) des gaz d'échappement, elle-même reliée à un catalyseur (11), un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (6) reliant la conduite d'échappement (5) à la conduite d'admission (8) de l'air frais, caractérisé par le fait qu'il comprend des étapes aux cours desquelles : on détermine la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur (11), on détermine la quantité d'air frais admise dans le moteur à combustion interne (1) par la conduite d'admission (8) de l'air frais, et on détermine la quantité de carburant à injecter en fonction de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement et de la quantité d'air frais admise. 8. Procédé de commande selon la revendication 7, comprenant en outre des étapes au cours desquelles : on estime le taux de gaz neutres dans les gaz d'échappement en fonction de la masse d'air frais admise, et on détermine la quantité de carburant à injecter en fonction de la quantité de carburant imbrûlé dans les gaz d'échappement, de la masse d'air admise et du taux de gaz neutres.