Brevet FR2953887A1 — publié le 20110617

Procédé de détermination de la température des gaz d'échappement et unité de contrôle moteur pour la mise en oeuvre dudit procédé Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé pour estimer la température des gaz d'échappement, plus particulièrement pour un moteur à combustion interne à essence comprenant une phase de croisement de soupapes d'admission et d'échappement. Arrière-plan technologique Les normes européennes deviennent de plus en plus sévères pour les moteurs automobiles. Il est donc important pour les constructeurs automobiles de réduire les émissions polluantes de leurs moteurs, sans toutefois négliger la consommation de carburant et les performances des moteurs. En conséquence, les dispositifs de dépollution à l'échappement deviennent de plus en plus sophistiqué et de plus en plus cher. Pour certains des dispositifs connus de dépollution et pour les stratégies d'optimisation des performances des moteurs, un des paramètres les plus importants est la température à l'échappement des moteurs. La température à l'échappement sert au contrôle moteur à déterminer les conditions thermiques dans la ligne d'échappement et est par exemple utilisée pour la mise en oeuvre de stratégies de pilotage d'un filtre à particule ou d'un piège à oxyde d'azote. Elle est également utilisée pour maintenir un niveau donné de performance d'un moteur. Cependant, dans un moteur à combustion interne, les stratégies de contrôle moteur qui calculent les conditions thermiques dans la ligne d'échappement détermine la température des gaz d'échappement produits dans la chambre de combustion mais ne prennent pas en compte le phénomène de post-oxydation dans la ligne d'échappement d'hydrocarbures imbrûlés qui peut avoir lieu lorsque les conditions sont favorables. Les conditions de post oxydation peuvent notamment être favorisées par un apport d'air frais durant la phase de croisement de soupapes, c'est-à-dire pendant les quelques instants au cours d'une phase d'échappement du cycle moteur pendant lesquels les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes simultanément. L'absence de prise en compte de la post-oxydation dans les stratégies qui calculent les conditions thermiques dans la ligne d'échappement engendre une sous-estimation de la température dans certaines parties de la ligne d'échappement avec un risque associé d'endommagement de la partie en question. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un nouveau procédé permettant une détermination plus précise de la température des gaz d'échappement. L'invention concerne donc un procédé de détermination de la température des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne essence comprenant une chambre de combustion reliée à des moyens d'admission d'air et des moyens d'échappement des gaz d'échappement, lesdits moyens coopérant respectivement avec des soupapes d'admission et d'échappement et lesdites soupapes comprenant lors du fonctionnement du moteur une phase dite de croisement, ledit procédé comprenant une étape de détermination de la température initiale des gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une étape de détermination d'une élévation de température des gaz d'échappement due à un apport de chaleur par une réaction de combustion à l'échappement, dite de post-oxydation, entre une masse d'air en excès et une masse de carburant imbrulé présents dans les gaz d'échappement, ladite masse d'air en excès comprenant au moins en partie une masse d'air dite balayée provenant de l'admission et apportée à l'échappement pendant la phase de croisement des soupapes. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence l'étape de détermination de l'élévation de température des gaz d'échappement comprend les étapes suivantes, consistant à : -Déterminer la masse d'air balayée, -Déterminer la masse de carburant imbrulé présent dans les gaz d'échappement, -Déterminer une masse d'air résiduelle présente dans les gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion, -Déterminer la masse d'air en excès à partir de la masse d'air balayée et de la 30 masse d'air résiduel, -Déterminer un coefficient d'air de post-oxydation à partir de la masse d'air balayée la masse de carburant imbrûlé, - Déterminer, lorsque le coefficient d'air de post oxydation est compris dans des limites d'inflammabilité du carburant imbrûlé, la quantité de chaleur massique 35 générée par la réaction de post-oxydation entre la masse d'air en excès et la masse de carburant imbrulé, - Déterminer une quantité de chaleur apportée par la réaction de post oxydation à partir de la quantité de chaleur massique, la masse d'air en excès et la masse de carburant imbrulé, - Déterminer l'élévation de température des gaz d'échappement à partir de la quantité de chaleur apportée dans les gaz d'échappement. De préférence, la masse d'air balayée est déterminée à partir d'un modèle de remplissage d'air. Dans une variante, l'étape de détermination de la masse de carburant imbrulé présent dans les gaz d'échappement comprend une étape de détermination d'une masse de carburant balayé, à partir de la masse d'air balayée. L'invention a aussi pour objet une unité électronique de contrôle moteur comprenant des moyens de calculs et de traitement permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne à essence comprenant une unité électronique de contrôle moteur de l'invention. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un moteur à combustion interne. La figure 2 représente un schéma logique du procédé de l'invention. 30 Description détaillée Sur la figure 1 est présenté un moteur à combustion interne 1 comprenant au moins un cylindre 2 d'axe longitudinal XX, fermé en partie supérieure par une culasse 3. A l'intérieur de ce cylindre 2 est logé un piston 4 qui permet de délimiter avec le cylindre 2 et la 35 culasse 3 une chambre de combustion 5 à l'intérieur de laquelle est admis un fluide pour réaliser la combustion d'un mélange carburé. 25 Le moteur 1 comprend des moyens d'admission, généralement porté par la culasse 3, qui comprennent au moins un conduit d'admission 6 débouchant par un orifice 7 et utilisé avec au moins une soupape d'admission dont seul l'axe général 8 est représenté sur la figure 1 pour des raisons de clarté, qui permettent de faire entrer de l'air dans la chambre de combustion 5 . Le moteur 1 est également doté de moyens d'échappement comprenant au moins un conduit d'échappement 9 utilisé avec au moins une soupape d'échappement, dont seul le trait d'axe général 10 est représenté sur la figure 1 pour des raisons de clarté, qui permettent d'évacuer les gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion 5. Les moyens d'admission d'air et les moyens d'échappement des gaz d'échappement coopèrent respectivement avec les soupapes d'admission et d'échappement. Lors du fonctionnement du moteur 1, les soupapes comprennent une phase dite de croisement de soupapes, c'est-à-dire qu'il se trouve quelques instants au cours d'une phase d'échappement du cycle moteur pendant lesquels les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes simultanément. Cette phase de croisement de soupapes favorise d'une part l'évacuation des gaz brûlés de la chambre de combustion vers l'échappement et permet, d'autre part, à une quantité d'air frais provenant du conduit d'admission 6 de traverser la chambre de combustion 5 et de sortir directement par le conduit d'échappement 9. En présence de carburant imbrûlé et d'une température élevée de l'ordre à titre indicatif de 400°C dans le conduit d'échappement 9 et dans le collecteur d'échappement, non représenté, une combustion du mélange entre l'air frais et le carburant imbrulé encore nommée post- oxydation se développe après la soupape d'échappement. Pour que la combustion ait lieu il faut cependant que le mélange soit dans les limites de l'inflammabilité du carburant imbrûlé. Conformément à l'invention, le procédé comprend une étape de détermination d'une élévation de température des gaz d'échappement due à un apport de chaleur par une réaction de combustion à l'échappement, dite de post-oxydation, entre une masse d'air en excès et une masse de carburant imbrulé présents dans les gaz d'échappement, ladite masse d'air en excès comprenant au moins en partie une masse d'air dite balayée provenant de l'admission et apportée à l'échappement pendant la phase de croisement des soupapes. Plus précisément, la détermination de l'élévation de température des gaz d'échappement du à la réaction exothermique de post-oxydation se déroule selon les principales étapes suivantes schématisées en figure 2 : L'étape 20 concerne la détermination de la masse d'air en excès Mde dans les gaz d'échappement. La masse d'air en excès Mde est constituée d'une masse d'air résiduelle Mar, non consommée pendant la combustion siégeant dans la chambre de combustion 5 et d'une masse d'air frais dite balayée Mab représentant une masse d'air supplémentaire provenant du conduit d'admission 6, traversant la chambre de combustion 5 et sortant par le conduit d'échappement 9 lors de la phase de croisement des soupapes. Classiquement, la masse d'air balayée Mab dans les gaz brûlés peut être calculée de préférence par un modèle dit de remplissage de la chambre de combustion 5 en air. On peut écrire : Mae = Mar + Mab (1) L'étape 21 concerne la détermination de la masse MHC de carburant imbrûlé à l'échappement dans les gaz d'échappement. On peut écrire : MHC = MHCe + Mcb (2) Avec MHCe, la masse de carburant en excès, après combustion, Mcb, désigne une masse de carburant balayée, Classiquement, la masse MHCe de carburant en excès et la masse Mar d'air résiduelle sont de préférence déterminées à partir de l'équation du coefficient d'air Àm du mélange carburé admis dans le cylindre 2 en vue de la combustion. Maa M (3) ça m (A~ F stoich Avec : Maa est la masse d'air admise dans le cylindre, Mca est la masse de carburant admise dans le cylindre, - (AIF)stoich est le ratio entre la masse d'air et la masse de carburant à la stoechiométrie. Ce ratio est connu comme étant une valeur constante déterminée par l'équation stoechiométrique de combustion du carburant utilisé pour le fonctionnement du moteur à combustion interne. Dans le cas où le coefficient d'air Àm du mélange carburé est supérieur à 1, il y a excès d'air et donc mélange pauvre. Après combustion, la masse MHCe de carburant en excès est nulle et la masse Mar d'air résiduelle autrement dit qui n'a pas participé à la combustion, se détermine par la relation suivante : M = M ù M ar aa ca /A~ F stoich (4) Dans le cas où le coefficient d'air Àm du mélange carburé est inférieur à 1, il y a déficit d'air et donc mélange riche. Après combustion, la masse Mar d'air résiduelle est nulle et la masse MHCe de carburant en excès se détermine par la relation suivante : Dans le cas d'un moteur à essence à injection indirecte, avec l'air balayé il y a aussi une partie d'essence balayée. Dans ce cas, le coefficient d'air du mélange balayé est celui du 25 mélange carburé admis dans le cylindre 2. La masse Mcb de carburant balayée est se détermine par la relation suivante : Maa M = M HCe - ca /A (5) Mcb = Mab /A F Jstoich (6) 30 Dans le cas du moteur à injection directe il y a que l'air qui est balayée. Au cours de l'étape 22, on détermine un coefficient d'air Àp dit de post-oxydation et désignant l'écart entre le mélange air disponible à l'échappement dans les gaz brûlés-carburant imbrûlé et le rapport de masses théorique nécessaire. Le coefficient d'air Àp de post-oxydation est défini de la façon suivante : Mae 21, _ MHC P (A F Jstoich Pour laquelle : - Mde est la masse d'air en excès à l'échappement, 10 - MHc est la masse du carburant imbrulé à l'échappement, A ce niveau de la procédure, on peut ainsi déduire si on se trouve en dehors des limites de l'inflammabilité du carburant et dans ce cas la combustion est absente, ou si on a une combustion riche ou pauvre. Pour que la combustion ait lieu il faut que le mélange soit donc dans les limites de l'inflammabilité du carburant, c'est-à-dire pour Àp compris entre 0,3 et 1,7 pour des conditions de combustion particulièrement favorable et généralement plutôt entre 0,7 et 1,3 dans les conditions du moteur aux conduits d'échappement. 20 En étape 23 on détermine, lorsque le coefficient d'air Àp de post oxydation est compris dans les limites d'inflammabilité du carburant, une quantité de chaleur massique q générée par la réaction de post-oxydation. Dans le cas contraire, il n'y a pas de réaction exothermique de post-oxydation, donc pas d'élévation de température des gaz 25 d'échappement. Dans le cas d'une combustion riche, c'est-à-dire pour un coefficient d'air Àp de post oxydation compris entre 0,3 et 1, et plutôt entre 0,7 et 1, la quantité de chaleur massique q générée par la post oxydation entre la masse Mde d'air en excès et la masse MHc de 30 carburant imbrulé s'écrit : X PCI q= (7) 15 MHc (8) PCI est le pouvoir calorifique inferieur du carburant exprimé en kJ/kg, Dans le cas d'une combustion pauvre, c'est-à-dire pour Àp compris entre 1 et 1,7 et plutôt entre 1 et 1,3 : PCI q=iM ae +1 MHC En étape 24 on détermine la quantité de chaleur Q apportée par la réaction de post oxydation. La quantité de chaleur générée par la post oxydation combustion est égale à la chaleur spécifique q multipliée par la masse du mélange impliquée dans la réaction de post oxydation, c'est-à-dire la masse Mde d'air en excès et la masse MHC de carburant imbrulé. Q=q.(Mae+MHC) (10) En étape 25 on détermine une température des gaz d'échappement Tout corrigée d'une élévation de température AT induite par l'apport de la quantité de chaleur Q due à la réaction de post-oxydation et diffusée dans les gaz brûlés. On notera que la masse des gaz d'échappement est augmentée de la masse Mab d'air apportée par le balayage pendant la phase de croisement de soupapes. La température des gaz d'échappement Tout prenant en compte la réaction de post oxydation s'écrit donc : 30 Où Tout est exprimée en Kelvin, Tn est la température initiale des gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion 5, en Kelvin, déterminée par calcul, sans prise en compte de la réaction de post-oxydation, mGB est la masse des gaz brulés produite (9) Tout = Tin + AT Avec l'élévation de température AT telle que : AT= Q (12) (MGB +Mab). CPGB par réaction de combustion dans la chambre de combustion 5 et CPGB est la chaleur spécifique à pression constante des gaz brulés, exprimée en kJ/kg.K. Le procédé de détermination de la température des gaz d'échappement de l'invention est de préférence programmé dans une unité électronique de contrôle moteur, non représentée dans ce mémoire, comprenant des moyens de calculs et de traitement permettant la mise en oeuvre dudit procédé. Le procédé de l'invention a pour avantage d'améliorer la précision de l'estimation du remplissage et le calcul de la température des gaz dans la ligne d'échappement ce qui permet par exemple de diminuer les risques d'endommagement d'organes de dépollution. Revendications1. Procédé de détermination de la température des gaz d'échappement (Tout) produits par un moteur à combustion interne (1) essence comprenant une chambre de combustion (5) reliée à des moyens d'admission d'air et des moyens d'échappement des gaz d'échappement, lesdits moyens coopérant respectivement avec des soupapes d'admission et d'échappement et lesdites soupapes comprenant lors du fonctionnement du moteur une phase dite de croisement, ledit procédé comprenant une étape de détermination de la température initiale des gaz d'échappement (Tin) provenant de la chambre de combustion (5), caractérisé en ce qu'il comprend de plus une étape de détermination d'une élévation de température (AT) des gaz d'échappement due à un apport de chaleur (Q) par une réaction de combustion à l'échappement, dite de post-oxydation, entre une masse d'air en excès (Mde) et une masse de carburant imbrulé (MHC) présents dans les gaz d'échappement, ladite masse d'air en excès (Mde) comprenant au moins en partie une masse d'air dite balayée (Mab) provenant de l'admission et apportée à l'échappement pendant la phase de croisement des soupapes. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de détermination de l'élévation de température (AT) des gaz d'échappement comprend les étapes suivantes, consistant à : -Déterminer la masse d'air balayée (Mab), -Déterminer la masse de carburant imbrulé (MHC) présent dans les gaz d'échappement, -Déterminer une masse d'air résiduelle (Mar) présente dans les gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion, -Déterminer la masse d'air en excès (Mde) à partir de la masse d'air balayée (Mab) et de la masse d'air résiduel (Mar), -Déterminer un coefficient d'air de post oxydation (?) à partir de la masse d'air en excès (Mde) et de la masse de carburant imbrûlé (MHC), -Déterminer, lorsque le coefficient d'air de post oxydation (?) est compris dans des limites d'inflammabilité du carburant imbrûlé, la quantité de chaleur massique (q) générée par la réaction de post-oxydation entre la masse d'air en excès (Mde) et la masse de carburant imbrulé (MHC), -Déterminer une quantité de chaleur (Q) apportée par la réaction de post oxydation à partir de la quantité de chaleur massique (q), la masse d'air en excès (Mde) et la masse de carburant imbrulé (MHC), -Déterminer l'élévation de température (AT) des gaz d'échappement à partir de la quantité de chaleur apportée (Q) dans les gaz d'échappement. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse d'air balayée (Mab) est déterminée à partir d'un modèle de remplissage d'air. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la masse de carburant imbrulé (MHC) présent dans les gaz d'échappement comprend une étape de détermination d'une masse de carburant balayé (Mcb) à partir de la masse d'air balayée (Mab). 5. Unité électronique de contrôle moteur caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de calculs et de traitement permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Moteur à combustion interne à essence, caractérisé en ce qu'il comprend une unité électronique de contrôle moteur selon la revendication 5.