Brevet FR3021999A1 — publié le 20151211

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé pour dé- terminer l'émission d'oxydes d'azote pendant le fonctionnement d'un moteur thermique. Etat de la technique On connaît déjà des procédés pour déterminer la teneur en oxydes d'azote. Le document DE 10 2011 075 875 Al concerne un pro- cédé de calcul des émissions brutes d'oxydes d'azote NOx par un mo- teur à combustion interne. Pour cela, on utilise les paramètres de fonctionnement du moteur et une fonction de correction tient compte de la pression de charge. Selon le document DE 10 2010 041 907 A1, on connaît un procédé de gestion d'un moteur à combustion interne selon lequel on détermine une valeur modélisée d'oxydes d'azote NOx à l'aide d'un modèle NOx. En particulier, on tient compte des tolérances des pièces du système d'injection et des tolérances des pièces du système d'alimentation en air. La valeur obtenue pour l'émission des oxydes d'azote sert, par exemple, à corriger les doses de carburant et/ou d'urée injectées pour améliorer le fonctionnement des catalyseurs et, en défini- tive, réduire globalement les émissions d'oxydes d'azote. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un procédé pour dé- terminer une émission d'oxydes d'azote n '),(k) pour gestion d'un mo- teur à combustion interne, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine l'émission des oxydes d'azote n '),(k) en fonction de la température de combustion Tcoll,b(k) dans la chambre de combustion et en fonction de la teneur en oxygène [02(ktc après la combustion. Comme l'émission des oxydes d'azote se détermine en fonction de la température de combustion dans la chambre de combus- tion et en fonction de la teneur en oxygène après la combustion, on peut déterminer, en sécurité et de façon avantageuse, l'émission des oxydes d'azote même dans les plages de fonctionnement transitoires du moteur à combustion interne. Les plages de fonctionnement transitoires correspondent, par exemple, à une réduction de charge ou à une aug- mentation de charge et une augmentation de la masse de carburant dosée ou une réduction de la masse de carburant dosée par comparaison aux temps ou phases de combustion antérieures. De façon avantageuse, le procédé selon l'invention permet une plus grande précision vis-à-vis de la valeur fournie par un capteur d'oxydes d'azote NOx ; cela permet de mieux surveiller le capteur d'oxydes d'azote NOx, voire de le remplacer. La suppression du capteur d'oxydes d'azote NOx a l'avantage d'économiser le coût du capteur et d'éliminer une éventuelle source de défauts. Selon un développement avantageux, on détermine l'émission des oxydes d'azote en fonction de trois paramètres obtenus au préalable, ce qui simplifie le travail de calcul. Selon un développement avantageux, les trois paramètres obtenus au préalable du moteur à combustion interne se déterminent de manière spécifique à l'aide de l'émission des oxydes d'azote mesurée par un capteur d'oxydes d'azote dans la région de l'échappement du moteur et par l'enregistrement de ces valeurs. Ainsi, pendant l'application, on peut déterminer un jeu de paramètres correspondant à tous les moteurs à combustion interne d'un certain type. Selon un développement avantageux, on filtre les émis- sions d'oxydes d'azote mesurées, à l'aide d'un filtre passe-bas. Les paramètres déterminés au préalable sont déterminés en fonction d'au moins une émission d'oxydes d'azote filtrée par un filtrage passe-bas et ces paramètres ayant été obtenus pendant le mode de fonctionnement stationnaire du moteur à combustion interne. L'état stationnaire cor- respond à un régime moteur essentiellement constant (vitesse de rotation constante du moteur à combustion interne). Le filtrage passe-bas des émissions d'oxydes d'azote mesurées sert à tenir compte de la propagation de la veine des gaz d'échappement sur le trajet de l'échappement du moteur jusqu'au capteur d'oxydes d'azote. Cela per- met de comparer les deux grandeurs relatives aux oxydes d'azote NOx du modèle présenté et du capteur NOx pour des variations dynamiques de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. La variation dynamique de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne est, par exemple, la variation du régime moteur. En particulier pour déterminer les trois paramètres, il est avantageux de faire un filtrage passe-bas car on évite la dispersion des valeurs ou du moins on réduit très fortement cette dispersion. Dessin La présente invention sera décrite, ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation du procédé pour déterminer l'émission d'oxydes d'azote d'un moteur à combustion interne, représenté dans l'unique dessin annexé. Description d'un exemple de réalisation de l'invention L'unique figure du dessin montre un moteur à combus- tion 2 équipé d'un système d'admission d'air 4, d'un système de gaz d'échappement 6 et d'un retour de gaz d'échappement 8. Il comporte également une chambre de combustion 10. Les zones 12-20 sont également représentées. Le moteur à combustion interne 2, tel que repré- senté, utilise l'injection directe de carburant par des injecteurs 22 dans la chambre de combustion 10 selon le principe de combustion des moteurs à essence, celui des moteurs Diesel ou d'un autre principe de fonctionnement. Dans le cas des moteurs à essence, l'allumage commandée de la charge de la chambre de combustion formé par de l'air et du carburant injecté se fait à l'aide d'une bougie d'allumage 24. Si le moteur à combustion interne 2 est un moteur Diesel, il n'y aura pas de bougie d'allumage 24. Chaque chambre de combustion 10 fermée de manière étanche et mobile par un piston 26 est remplie avec de l'air par le sys- tème d'admission 4. La charge brûlée de la chambre de combustion 10 est expulsée dans le système d'échappement 6. Le remplacement des charges des chambres de combustion est commandé par les soupapes d'échange de gaz 28 et 30. Le retour des gaz d'échappement 8 se fait pour une vanne de retour de gaz d'échappement 32 ouverte pour ren- voyer les gaz d'échappement dans la chambre de combustion 10 et di- minuer l'émission brute des oxydes d'azote par le moteur à combustion interne. Le système d'admission 4 transfère les gaz du côté air frais de la zone partielle 12 vers la zone partielle 16 et ferme la chambre de combustion 10. Le retour des gaz d'échappement 8 arrive dans le sys- tème d'admission 4 entre la zone partielle 12 et la zone partielle 16. La zone partielle 16 est également appelée conduite ou pipe d'admission. Le système des gaz d'échappement 6 comporte un cap- teur d'oxydes d'azote NOx 34 appliquant ces signaux à un appareil de commande 36. Le procédé, permet de supprimer le capteur d'oxydes d'azote NOx 34. En outre, le système des gaz d'échappement peut comporter une sonde Lambda 38 dans ou en amont de la zone 18 et avant la dérivation vers le retour des gaz d'échappement. Le capteur 40 détecte la position de rotation du vilebrequin. D'autres capteurs de tempé- rature ou autres capteurs peuvent être prévus dans la région du moteur à combustion interne 2. L'appareil de commande 36 exécute le procédé tel que présenté. En particulier, l'appareil de commande 36 est équipé d'un calculateur numérique appliquant un programme d'ordinateur. Le capteur 38 permet de déterminer, par exemple, la te- neur en oxygène des gaz d'échappement en aval de la zone de combus- tion. A la place du capteur 38 on peut prévoir un capteur dans la chambre de combustion 10 donnant la teneur en oxygène après la combustion. Selon une variante, on détermine la teneur en oxygène après la combustion en fonction d'autres grandeurs déjà présentes dans l'appareil de commande. La température de combustion dans la chambre 10 au cours de la combustion se calcule de préférence en fonction de l'équation 13 donnée ci-après. Selon un mode de réalisation avantageux, on détermine l'émission brute d'oxydes d'azote NOx en fonction de paramètres prédéfinis, ce qui simplifie les calculs. La composition massique dans l'une des plages 12-10 du moteur à combustion interne 2 peut se décrire de façon générale par un vecteur massique [mX] selon l'équation 1. L'indice, dans l'équation 1 correspond à la matière, à la molécule ou au combustible de la masse correspondante. T [mX [nl 02 ni N2 rn CO2 mH20 111 NO2 Ill Fuel (1) Selon l'équation 2, dans la zone 12 du système d'admission 4, on détermine le vecteur massique [mX],,,(k) pour un temps (phase) de combustion donné, avec : 11 E [0,0.01] qui représente l'humidité choisie de manière appropriée. La masse totale ma, (k) dans la région 12 se détermine à l'aide du capteur massique d'air 40. 0.23135 0.75518 [mx] (k)= 0 - maiY A. maiY (2) 11 0 0 Pour sélectionner l'humidité, on a deux possibilités. Selon la première possibilité, on utilise un capteur pour mesurer l'humidité et on applique la valeur fournie par le capteur pour améliorer la précision du résultat fourni par le modèle prédéfini. La seconde possibilité con- siste à choisir l'humidité sans capteur et d'utiliser une valeur fixe dans l'intervalle donné. Dans la région 14 du retour de gaz d'échappement 8, on aura la composition massique pour le temps de combustion k par le vecteur massique [mMEGR(k) selon l'équation 3 ; le vecteur massique se détermine à un instant (k - 6) pour tenir compte du retard lié au trajet : 02 k -Ô - M EGR B(k- 15) M EGR (k) (3) [111N 21 [Ill CO21 (k)= [11111201 [Ill NO21 Fuel 1_ La chambre de combustion 10 reçoit une masse de car- burant [MX]F.uel(k) selon l'équation 4 au cours de la phase de combustion k. 0 0 0 0 C - nip,,,,,i(k) (4) 0 1 Ainsi, pour la composition massique dans la chambre de combustion 10 avant la combustion, on aura la combinaison selon l'équation 5 suivante : [rnX]bc (k) = [rnX]mr(k)+ [rnX]E' (k) + [rnX]Fue/ (k) (5) La modification après la combustion par rapport à la composition massique [mX],c(k) dans la chambre de combustion 10 avant la combustion, de la composition massique [mX]c est donnée par l'équation 6 dans laquelle : n 0 2 ,bc (k) est la masse d'oxygène avant la combustion, [O2 ]air 0,23135 est la teneur en oxygène dans la plage 12, L' = 14,5 correspondant à un moteur Diesel et L' =14,7 à un moteur à essence, mFuel ,bC(k) représente la masse de carburant avant la combustion, W. NOx représente la masse molaire des oxydes d'azote, avec nNox(k) représentant la quantité de matière dans la phase de combustion k et l'indice « C » de la composition massique [mX]c représente l'expression "combustion". On a l'inégalité À,min dans laquelle représente la limite minimalemn pour une combustion complète. Pour l'essence, on a =1. Pour lesmn moteurs à combustion interne Diesel, on détermine la valeur de qui améliore la précision du modèle. [mx]Fue, (k) = - min 402 (k), [02 Lir L'Amill - m Fuel ,bC(k)) 0 ( ( yyl (k) 2 min mFuel ,bC (k), ,02 bc P2Jair L st Âmin min (m 02 bc, (k), [0 2]air Lst Amin - m Fuel ,bC (k))) ( n1 (k) 02,bC 1 min inFuel ,bC(k), [ 0 2lair L st min)± min (m 02 bc, (k), [0 2]air Lst Amin - m Fuel ,bC (k))) m NOx - n NOx (k) (k) - min m Fuel ,bC (k), 11102,bc [02 'air L st Âmin [mx], = (6) Le coefficient À, , est donné par l'équation 7 pour l'instant de la combustion. L'inégalité À, > À signifie qu'une partie du combus- tible n'a pas été brûlée car il y avait un manque d'oxygène pour la com- bustion : = air m02 (7) LstmFuel [0 2]air LstmFuel Après la combustion, on aura dans la chambre de com- bustion 10 et dans la zone 18, une composition massique [mX]ac(k) donnée par l'équation 8 suivante : [rnXtic (k) [rnXibc (k) + [rnX]c (k) (8) La masse totale rntotai,aC(k), après la combustion, est donnée par l'équation 9 : ni totai,ac (k i][inxlac (k) (9) La concentration massique B(k) dans la région 14 du retour des gaz d'échappement 8 résulte de l'équation 10 dans laquelle [XL représente la concentration massique pour chaque teneur. 20 B(k) = [[.x]', ]' (k) = (k) [mx]'. (k) (10) Le vecteur E résulte de l'équation 11 et les différentes va- leurs représentent les valeurs caractéristiques de la masse molaire res- pective : E=[1/32 1/28 1/44 1/18 1/46 1/98] (11) Le vecteur E permet de déterminer la composition totale nTo, après la combustion, selon l'équation 12 : n T0,= E -[mX]ac (12) La température de combustion Tço',b(k), au moment de la combustion, résulte de l'équation 13 dans laquelle F représente un vecteur selon l'équation 14 avec des pouvoirs calorifiques isobares spécifiques, séparés, et les valeurs séparées correspondent au tableau suivant : Cp02 = 0.9181 kJ/kg K , CpN2 =1.04 kJ/kg K , Cpc02 = 0.844 kJ/kg K , Cp120 =1.865 kJ/kg K , CpFue, = 1.926 kJ/kg K , et Cp1,102 = 0.7938 kJ/kg K . Le pouvoir calorifique du gas-oil donne par exemple BrennwertFuel = 45.4 -106J/Kg Tcomb (k) BrennwertFuel -InFuei(k)± (13) .1, Tai, (k) - F - [mX]o, + TEGRds (k) - F - [mX]EoR F - [mX]oc F = [Cp02 CpN, Cpco2 CpH20 CpNO2 Cp ] (14) Fuel On forme ainsi la relation selon l'équation 15. Les para- mètres al,a2,a3 sont des nombres réels : Log ( nNOx (k) =al- Log(Tcomb (k))+ a2 . [02(k)laC+ a3 (15) Tot ) Dans l'espace ( Log n N°x (k) ,Log(Tcomb(k) [02(k)lac Tot ot ) avec les paramètres a1,a2,a3 on établit un plan. Avec certaines valeurs des paramètres a1,a2,a3, on pourra pour chaque temps de combustion k, déterminer la quantité d'oxydes d'azote n',c(k) selon l'équation 16. La quantité d'oxydes d'azote n',c(k) est aussi appelée émission d'oxydes d'azote : a2 - 02(k)] n NOx(k)= n Tot(k). Tcomb (k)a 1 - e aC . ea3 (16) REVENDICATIONS1°) Procédé pour déterminer une émission d'oxydes d'azote (nNox(k)) pour la gestion d'un moteur à combustion interne (2), procédé caractérisé en ce qu' on détermine l'émission des oxydes d'azote (nNox(k)) en fonction de la température de combustion (Te.',b(k)) dans la chambre de combustion (10) et en fonction de la teneur en oxygène ( [02(k)ac ) après la combustion. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la température de combustion (Te.'b(k)) en fonction de la masse de carburant fournie (m,'el(k)), en fonction de la composition de la masse ([mX] ) dans le moteur en combustion interne (2) et en fonction de températures (Ta,, (k) , TEGRds (k)). 3°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on détermine la température de combustion (Tcoinb(k)) en fonction d'une première composition massique dinn,r(k)) à l'entrée (12) du moteur et d'une première température (Taff (1()) à l'entrée (12) du moteur, - en fonction d'une seconde composition massique drnXIEGR) dans le retour des gaz d'échappement (8), - d'une seconde température (TEGRds(k)) dans le retour des gaz d'échappement (8), et - en fonction d'une troisième composition massique (Pinc) après la combustion dans la chambre de combustion (10). 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine l'émission d'oxydes d'azote (NOx) après chaque temps de combustion (k). 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine la température de combustion (Tco.b(k)) selon l'équation : BrennwertFuel MFuel (k) + N' Tai, (k) - F [Mnir TEGRds (k) - F - [mXtGR T (k) = (13) F - [mXtc étant le pouvoir calorifique du combustible, étant la masse de combustible alimentant la chambre de combustion (10), étant la température à l'entrée (12) du moteur, étant la capacité calorifique, étant la composition massique à l'entrée (12) du moteur, étant la température dans le retour des gaz d'échappement (8), étant la composition massique dans le retour des gaz d'échappement (8), et étant la composition massique après la combustion. Brennwert Fuel MFuel (k) T., (k) F [rnXi',. TEGRds (k) [MX ]EGR [mX I, 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émission d'oxydes d'azote (NOx) se détermine en fonction de trois paramètres (al, a2, a3) obtenus au préalable, selon la relation : a2 [0 ,(k)] a 2 aC 3 n NOx(k)= n Tot(k). Tcomb(k)al - e - e n Tot(k) = composition totale après combustion. 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les trois paramètres obtenus au préalable (al, a2, a3) se déterminent de manière spécifique au moteur thermique par l'émission mesurée desoxydes, par un capteur d'oxydes d'azote (34) dans la région de l'échappement (20) du moteur et ces paramètres sont mémorisés. 8°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les paramètres (al, a2, a3) obtenus au préalable se déterminent pour un état essentiellement stationnaire du moteur thermique (2). 9°) Programme d'ordinateur pour un calculateur numérique destiné à appliquer le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour déterminer une émission d'oxydes d'azote (nNox(k)) par la gestion d'un moteur à combustion interne (2), consistant à : déterminer l'émission des oxydes d'azote (nNox(k)) en fonction de la température de combustion (Tcomb (k)) dans la chambre de combustion (10) et en fonction de la teneur en oxygène ([02 (ktc ) après la combustion. 10°) Appareil de commande (36) pour gérer un moteur à combustion interne (2) équipé d'un calculateur numérique, notamment d'un microprocesseur appliquant un programme d'ordinateur selon la revendica- tion 9.25