Brevet FR3042000A1 — publié le 20170407

Procédé de commande d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. L'invention a pour domaine technique la commande des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement l'estimation des espèces polluantes émises lors du fonctionnement de tels moteurs. Les normes de dépollution obligent les constructeurs concevoir des moteurs de plus en plus performants équipés de systèmes de post traitement des gaz d'échappement de plus en plus évolués. Aujourd'hui les moteurs diesel pour les normes euro 6 sont tous équipés de catalyseur d'oxydes d'azote NOx (portant également l'abréviation anglophone NOx-Trap) ou de SCR (acronyme anglophone pour « Selective Catalytic Reduction », réduction catalytique sélective). Pour le bon fonctionnement de ces systèmes de post traitement, il est important de bien connaître la quantité de NOx dans les gaz d'échappement de ceux-ci afin d'optimiser les phases de purge au juste nécessaire. En effet, dans le cas des catalyseurs d'oxydes d'azote NOx-Trap, les purges entraînent une surconsommation de carburant qui se traduit par une augmentation de la quantité de CO2 rejetée. Dans le cas des SCR, les purges entraînent une consommation d'urée. Dans ces conditions, les constructeurs utilisent des capteurs d'oxydes d'azote NOx en amont des systèmes de post traitement afin de mesurer les débits d'oxydes d'azote NOx à traiter. Aujourd'hui, afin de ne pas devoir supporter le coût supplémentaire de ce capteur certains constructeurs reconstruisent cette information à partir de la mesure de pression dans les cylindres. Cette reconstruction d'information est décrite dans les documents FR2922262, FR2936015 et FR2945320. Cette solution d'estimation des quantités d'oxydes d'azote NOx avec mesure de pression dans les cylindres est très performante, mais peut être prise en défaut lors de fortes variations de taux d'EGR 3042000 2 (acronyme anglophone pour « Exhaust Gaz Recirculation », Recirculation des gaz d'échappement). Cette solution peut alors présenter de fortes erreurs sur la quantité d'oxydes d'azote estimée. En effet, il est très difficile d'estimer seulement avec la pression dans les 5 cylindres, le taux d'EGR dans un moteur diesel. Avec les normes euros 6c (effective en 2017), la prédiction des émissions polluantes comme les oxydes d'azote NOx ou les particules devient primordiale. Mais l'étendue des cycles de dépollution (NEDC, acronyme anglophone pour « New European Driving Cycle » / WLTC acronyme anglophone 10 pour « Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle ») mais surtout l'introduction de cycles clients (RDE, acronyme anglophone pour « Real Drive Emission »), c'est-à-dire de cycles aléatoires, les zones de dépollution s'étendes. Par cette extension de la zone de dépollution, la recirculation partielle des gaz d'échappement EGR doit 15 être employée sur beaucoup plus de zones, chacune plus étendue que les zones habituellement concernées par l'EGR. Les zones sont étendues notamment vers des zones de fortes charges. La réduction des émissions d'oxydes d'azote NOx varie quasiment de façon exponentielle avec la quantité de gaz d'échappement partiellement 20 recirculés. En d'autres termes, dans certaines zones, la réduction des d'oxydes d'azote NOx avec l'EGR est extrêmement discontinue. Une erreur de 1 à 2 % de la quantité de gaz EGR dans la chambre de combustion peut entraîner une erreur d'estimation des émissions 25 d'oxydes d'azote NOx de 20% à 50%. Par ailleurs, dans la zone entre 7 % et 12 % d'EGR, le ratio de la quantité d'oxydes d'azote NOx produite avec EGR (NOx) divisée par la quantité d'oxydes d'azote NOx produite sans EGR (NOx n) varie de 0.2 à 1. En d'autres termes, lorsque 12 % des gaz admis dans 30 les cylindres sont des gaz d'échappement recirculés issus du circuit d'EGR, les émissions d'oxydes d'azote représentent seulement 20 % des émissions d'oxydes d'azotes NOx sans EGR. Par contre, lorsque 7% des gaz admis dans les cylindres sont des gaz d'échappement recirculés issus du circuit d'EGR, les émissions d'oxydes d'azote 3042000 3 représentent la même quantité que ceux émis sans gaz d'échappement recirculés. Par ces exemples, on se rend bien compte de la discontinuité dans la relation rejet d'oxydes d'azote-EGR. La solution actuelle passe par un capteur d'oxydes d'azote NOx 5 avec une précision de +/- 15 % pour un coût de 70 E / véhicule, un capteur de pression dans les cylindres avec un algorithme demandant de fortes ressources pour une précision de +/- 20 % et un coût de 20 E, ou un estimateur de quantité d'oxydes d'azote sans mesure de pression dans les cylindres tel que décrit dans le document W02015/059034. 10 Le niveau de la précision de détermination de la quantité d'oxydes d'azotes NOx sur les véhicules intégrant une dépollution par SCR, notamment des véhicules à forte cylindrée, demande l'utilisation de la mesure de pression dans les cylindres pour l'estimation de la quantité d'oxydes d'azote NOx. Les estimateurs de NOx sans mesure 15 de la pression dans les cylindres ne sont plus assez précis dans ces cas. Toutefois, la précision des estimateurs de quantité d'oxydes d'azote NOx avec un seul capteur de pression des cylindres n'offre une précision sur la quantité d'oxydes d'azote que de +/- 20 %. Dans les nouvelles zones de dépollution spécifiées dans la norme euro 6c, ces 20 estimateurs peuvent présenter une marge d'erreur de plus de 40 % sur la valeur estimée de la quantité d'oxydes d'azote à cause d'une mauvaise prise en compte du taux d'EGR. Les estimateurs existants avec mesure de pression des cylindres ne sont plus assez précis pour les prochaines normes. 25 De l'état de la technique antérieure, on connaît le document FR1360264 décrivant l'estimation des oxydes d'azote NOx sans capteur de pression des cylindres. Toutefois, cette solution sans mesure de la pression dans les cylindres est principalement destinée aux moteurs entrée de gamme afin d'économiser le coût de tels 30 capteurs tout en satisfaisant aux exigences des normes de pollution. Sur les moteurs plus haut de gamme, des capteurs de pression dans les cylindres sont embarqués. Sur ces plus gros moteurs, le surcoût est acceptable et la précision de l'estimation de la quantité d'oxydes d'azote NOx et de particules doit être bien plus grande. 3042000 4 On connaît également les documents suivants. Le document FR2947007 décrit l'estimation du retard du circuit d'EGR à basse pression en empilant des modèles de type ler ordre. 5 Le document FR2949137 décrit également l'estimation du retard du circuit d'EGR à basse pression, en utilisant un filtre de Padé. Cette solution manque toutefois de robustesse. Le document FR2878569 décrit la détermination d'un débit d'oxydes d'azote NOx par mesure de la pression dans les cylindres. La 10 formule retenue pour déterminer un tel débit fait intervenir la pression de cylindre (P), la température adiabatique de front de flamme (Tad), la masse de carburant brûlée (MCB), la masse de carburant totale introduite dans la chambre de combustion (MCI) ainsi que la fraction d'oxygène (X02). Toutefois, la détermination de la fraction d'oxygène 15 (X02) est une simple fonction qui se base sur une cartographie prédéterminée de taux d'EGR. Cette approche ne peut plus être appliquée aujourd'hui à cause de la complexité des réglages de mise au point des moteurs actuels, notamment en tenant compte des normes euro6c. 20 De plus, déterminer et utiliser une grandeur comme la température adiabatique de front de flamme semble difficile à réaliser, même dans une unité de commande électronique actuelle. Il existe un besoin pour une estimation des émissions polluantes telles que les oxydes d'azote et les particules comprenant 25 une mesure de la pression dans les cylindres et une estimation du taux de gaz frais admis dans le collecteur d'admission. L'invention a pour objet un procédé de commande d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile muni d'une recirculation partielle des gaz d'échappement et commandé par une 30 unité de commande électronique. L'unité de commande électronique est apte à estimer la fraction d'air frais admise dans le collecteur d'admission du moteur à combustion interne. L'unité de commande électronique est également apte à déterminer la quantité de carburant injectée et le phasage de l'injection pilote la plus avancée. L'unité de 3042000 5 commande électronique est en outre apte à déterminer la pression maximale dans les cylindres en fonction de la mesure d'au moins un capteur de pression dans les cylindres. Le procédé comprend une étape au cours de laquelle on estime 5 la quantité d'une espèce polluante dans le collecteur d'échappement en fonction de paramètres de fonctionnement comprenant la quantité de carburant injectée, le phasage de l'injection pilote la plus avancée, la fraction d'air frais admise dans le collecteur d'admission et la pression maximale dans les cylindres en fonction d'un modèle polynomial. 10 On peut calibrer le modèle polynomial en mesurant sur banc d'essai la quantité de l'espèce polluante dans le collecteur d'admission et les paramètres de fonctionnement desquels le modèle dépend, puis en déterminant les paramètres du modèle reliant la mesure de la quantité d'espèce polluante aux mesures des paramètres de 15 fonctionnement. L'espèce polluante peut être les oxydes d'azote, le modèle polynomial dépendant alors également de la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion et du taux d'humidité de l'air ambiant mesuré par un capteur. 20 On peut estimer la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion par une équation de remplissage fonction de la pression dans le collecteur d'admission, la température dans le collecteur d'admission, le volume d'une chambre de combustion et une cartographie de remplissage moteur fonction de la vitesse de rotation 25 du moteur et de la pression dans le collecteur d'admission. L'espèce polluante peut être les particules, le modèle polynomial dépendant alors également de la masse de l'injection décalée, si elle existe. Le procédé de commande permet de rendre plus robuste la 30 prédiction des émissions polluantes. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif. 3042000 6 On va maintenant décrire l'estimation de la quantité d'oxydes d'azote NOx dans le collecteur d'échappement en fonction de la quantité Qinj de carburant injecté, du phasage ADV de l'injection pilote la plus avancée, de la pression maximale Pmax dans la chambre 5 de combustion, de la masse totale MT de gaz enfermée dans la chambre de combustion, de la fraction Fcol d'air frais admis dans le collecteur d'admission et du taux HU d'humidité de l'air ambiant. Il est à noter que la quantité de carburant injectée Qinj et le phasage de l'injection pilote la plus avancée ADV sont des grandeurs 10 imposées par l'unité de commande électronique. La pression maximale dans la chambre de combustion Pmax est mesurée par le capteur de pression dans les cylindres. Le taux d'humidité de l'air ambiant HU peut être mesuré par un capteur d'humidité, tel que celui du système de climatisation du 15 véhicule. Le taux d'humidité de l'air ambiant HU peut être aussi estimé par un modèle non explicité ici. La masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion MT est estimée à partir de la pression et de la température régnant dans le collecteur admission et de la vitesse de rotation du 20 moteur. L'estimation de la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion est décrite plus loin. L'estimation de la fraction d'air frais admis dans le collecteur d'admission Fcol est également décrite plus loin. L'estimateur de la quantité d'oxydes d'azote NOx dans le 25 collecteur d'échappement prend la forme d'un polynôme du deuxième degré. NOx = (a, (Eq. 1) + a,- Qinj +a,- ADV + a, - Pmax+ a, -MT + a, - Fcol +a6 -Qinj2 +a, - ADJ/2 +a8 - P max + a, -MT2 +a10 - Fcol2 +a'-Qinj - ADV + a' - Qinj - Pmax+ a' - Qinj .MT + a' - Qinj - Fcol +a15 - ADV - P max+ al6 -ADV .MT + a' - ADV - Fcol +a18 - P max- MT +a' - Pmax- Fcol +a20 - MT - Fcol)-031+ 132 - HU + 13, - 1-10 3042000 7 Avec NOx : la quantité d' oxydes d' azote dans le collecteur d' échappement c et 13i des paramètres de réglage. 5 Ce polynôme est identifié à partir de mesures stabilisées sur banc moteur. Cette identification peut être réalisée à partir d'une méthode comme les moindres carrés qui minimise la différence entre la mesure et la sortie prédite par cette équation. On va maintenant décrire l'estimation de la quantité de 10 particules dans le collecteur d'échappement en fonction de la quantité Qinj de carburant injecté, du phasage ADV de l'injection pilote la plus avancée, de la masse Mpost de l'injection décalée si elle existe, de la pression maximale Pmax dans la chambre de combustion, et de la fraction Fcol d'air frais admis dans le collecteur d'admission. 15 On rappelle que l'injection décalée (post-injection) intervient après l'injection principale fournissant le couple moteur, et permet de modifier les conditions régnant dans la chambre de combustion afin de réduire la quantité de particules de suies produites . Comme pour l'estimateur d'oxydes d'azote, il est à noter que la 20 quantité de carburant injectée Qinj et le phasage de l'injection pilote la plus avancée ADV sont des grandeurs imposées par l'unité de commande électronique. L'unité de commande électronique impose également la masse de l'injection décalée, injection la plus tardive qui sert à réduire les émissions de particules pour un moteur diesel. 25 La pression maximale dans la chambre de combustion Pmax est mesurée par le capteur de pression dans les cylindres. L'estimation de la fraction d'air frais admis dans le collecteur d'admission Fcol est décrite plus loin. L'estimateur de la quantité de particules dans le collecteur 30 d'échappement prend la forme d'un polynôme du deuxième degré 3042000 8 (Eq.2) Particules = 61 +62 - Qinj + 2. - ADV + - P max+ -Mpost+65- Fcol +66- Qinj2 +6, - ADV2 +68- Pmax2+ 89 - Mpost2 +610 - Fcol2 + 611 - Qinj - ADV + 612 - Qinj - P max+ 613 - Qinj -Mpost + 814 - Qinj - Fcol +615 - ADV - P max+ 616 - ADV -Mpost + 817 - ADV - Fcol +618 - P max-Mpost + 619 - Pmax- Fcol +620 - Mpost - Fcol Avec Particules : la quantité de particules dans le collecteur 5 d' échappement ô' des paramètres de réglage. Ce polynôme est également identifié à partir de mesures stabilisées sur banc moteur. Cette identification peut être réalisée à partir d'une méthode comme les moindres carrés qui minimise la 10 différence entre la mesure et la sortie prédite par cette équation. Il apparaît ainsi que l'estimation de la quantité d'oxydes d'azote et l'estimation de la quantité de particules dans les gaz d'échappement sont fonction de données de commande émises par l'unité de commande électronique telles que la quantité de carburant 15 injecté Qinj, le phasage ADV de l'injection pilote la plus avancée et la masse Mpost de l'injection décalée, la mesure Pmax de la pression maximale dans la chambre de combustion, le taux d'humidité de l'air ambiant HU et la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion MT. 20 L'estimation de la quantité d'oxydes d'azote et l'estimation de la quantité de particules dans les gaz d'échappement dépendent également de la fraction d'air frais admis dans le collecteur d'admission Fcol. Afin de pouvoir estimer la quantité d'oxydes d'azote et 25 l'estimation de la quantité de particules dans les gaz d'échappement, il est donc nécessaire de disposer de l'estimation de la fraction d'air frais admis dans le collecteur d'admission Fcol et de la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion MT. 3042000 9 L'estimation de la masse totale enfermée (MT), dans le cas des moteurs diesel, est obtenue à partir d'une équation de remplissage classique : 5 MT - Pcol T1- Cylindree r - Tcol (Eq. 3) Avec : MT : masse totale enfermée [kg] Pcol : pression dans le collecteur d'admission [Pa] 10 Tcol : température dans le collecteur d'admission [K] R : constante des gaz parfaits riv : Cartographie de remplissage moteur Cylindree : volume d'une chambre de combustion [m3] 15 La cartographie de remplissage moteur est une cartographie à deux dimensions reliant le taux de remplissage des chambres de combustion avec la vitesse N de rotation du moteur [tr/min] et la pression Pcol dans le collecteur d'admission [Pa]. Cette cartographie est identifiée par mesure sur banc moteur. 20 La principale difficulté de l'estimation de la quantité d'oxydes d'azote NOx et de particules est de connaître précisément la fraction de gaz brûlés dans le collecteur d'admission (Xgbr) ou la fraction de gaz frais (Fcol) admis dans le collecteur d'admission. Il est à noter que les deux fractions sont liées par une relation simple : 25 Fcol=1-Xgbr (Eq. 4) Le document FR2973441 divulgue un estimateur de la fraction massique Fcol de gaz frais dans le collecteur d'admission utilisant la 30 technique des observateurs non linéaires du type « à mode glissant ». On se référera plus particulièrement aux équations de la page 12, lignes 10 à 14, qui résument les termes du modèle. Cet estimateur peut s'appliquer à un moteur diesel simple ou double boucle EGR. 3042000 10 Lorsque l'on dispose de l'estimation de la fraction de gaz frais (Fcol) admis dans le collecteur d'admission, de l'estimation de la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion MT et des paramètres de fonctionnement du moteur, il est possible de 5 déterminer la quantité d'oxydes d'azote NOx dans le collecteur d'échappement en appliquant l'équation (Eq. 1) et la quantité de particules dans le collecteur d'échappement en appliquant l'équation (Eq. 2). On va maintenant décrire la calibration de l'estimateur de 10 quantité d'oxydes d'azote NOx dans le collecteur d'échappement. Au cours d'une première étape, on calibre l'observateur Fcol avec les grandeurs géométriques de la chaîne d'air du moteur à l'étude, tel que définies dans le document FR2973441. Au cours d'une deuxième étape, on détermine les coefficients 15 c et pi de l'estimateur de quantité d'oxydes d'azote NOx dans le collecteur d'échappement. Pour réaliser cela, sur banc d'essai, on mesure la quantité NOx d'oxydes d'azote dans le collecteur d'échappement et les grandeurs intervenant dans l'estimateur, en particulier la quantité Qinj de 20 carburant injecté, le phasage ADV de l'injection pilote la plus avancée, la pression maximale Pmax dans la chambre de combustion, la masse totale MT de gaz enfermée dans la chambre de combustion, la fraction Fcol d'air frais admis dans le collecteur d'admission et le taux HU d'humidité de l'air ambiant. 25 Une calibration similaire est appliquée à l'estimateur de quantité de particules dans le collecteur d'échappement. Au cours d'une première étape, on calibre l'observateur Fcol avec les grandeurs géométriques de la chaîne d'air du moteur à l'étude, tel que définies dans le document FR2973441. 30 Au cours d'une deuxième étape, on détermine les coefficients de l'estimateur de quantité de particules dans le collecteur d' échappement. Pour réaliser cela, sur banc d'essai, on mesure la quantité de particules dans le collecteur d'échappement et les grandeurs 3042000 11 intervenant dans l'estimateur, en particulier la quantité Qinj de carburant injecté, le phasage ADV de l'injection pilote la plus avancée, la masse Mpost de l'injection décalée si elle existe, la pression maximale Pmax dans la chambre de combustion, et la fraction 5 Fcol d'air frais admis dans le collecteur d'admission. Le modèle de quantité de polluants (NOx, particule) peut être différent de l'approche polynômiale décrite ici. Elle peut prendre la forme d'un réseau de neurones tel que décrit dans le document FR2936015, d'un Krigeage tel que décrit dans le document 10 FR2922262, d'un spline ou de tout autre modèle dit « boîte noire » ou « statistique ». Le procédé décrit ci-dessus porte sur l'estimation des oxydes d'azote NOx et des particules, mais peut être étendu aux autres polluants comme le monoxyde d'azote NO, le dioxyde d'azote NO2, les 15 hydrocarbure imbrûlés HC, le méthane CH4, le monoxyde de carbone CO ainsi qu'aux nuisances sonores émises, la température en sortie du cylindre, et à la quantité d'oxygène imbrûlée dans les gaz d' échappement. Le procédé de commande décrit ici peut également être 20 appliqué sur les moteurs essence, les moteurs HCCI (acronyme anglophone pour « Homogeneous Charge Compression Ignition ») et les admissions de type CAI (acronyme anglophone pour « cold air intake »). 25 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile muni d'une recirculation partielle des gaz d'échappement et commandé par une unité de commande électronique, l'unité de commande électronique étant apte à estimer la fraction d'air frais admise dans le collecteur d'admission du moteur à combustion interne, l'unité de commande électronique étant également apte à déterminer la quantité de carburant injectée et le phasage de l'injection pilote la plus avancée, l'unité de commande électronique étant en outre apte déterminer la pression maximale dans les cylindres en fonction de la mesure d'au moins un capteur de pression dans les cylindres, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape au cours de laquelle on estime la quantité d'une espèce polluante dans le collecteur d'échappement en fonction de paramètres de fonctionnement comprenant la quantité de carburant injectée, le phasage de l'injection pilote la plus avancée, la fraction d'air frais admise dans le collecteur d'admission et la pression maximale dans les cylindres en fonction d'un modèle polynomial. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on calibre le modèle polynomial en mesurant sur banc d'essai la quantité de l'espèce polluante dans le collecteur d'admission et les paramètres de fonctionnement desquels le modèle dépend, puis en déterminant les paramètres du modèle reliant la mesure de la quantité d'espèce polluante aux mesures des paramètres de fonctionnement. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'espèce polluante est les oxydes d'azote, le modèle polynomial dépendant alors également de la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion et du taux d'humidité de l'air ambiant mesuré par un capteur. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on estime la masse totale de gaz enfermée dans la chambre de combustion par une 3042000 13 équation de remplissage fonction de la pression dans le collecteur d'admission, la température dans le collecteur d'admission, le volume d'une chambre de combustion et une cartographie de remplissage moteur fonction de la vitesse de rotation du moteur et de la pression 5 dans le collecteur d'admission. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'espèce polluante est les particules, le modèle polynomial dépendant alors également de la masse de l'injection décalée, si elle existe. 10