Brevet FR3076577A1 — publié le 20190712

PROCÉDÉ D'ESTIMATION D'UN DÉBIT DE GAZ D'ECHAPPEMENT RECIRCULÉS DANS UN COLLECTEUR D'ADMISSION D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur un procédé d'estimation d'un débit de gaz d'échappement recirculés dans un collecteur d'admission d'un moteur thermique au travers d'une vanne. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des véhicules automobiles. [0002] Dans un moteur thermique, les quatre temps du cycle thermodynamique - admission de gaz combustible et d'air, compression du mélange gazeux, détente due à la combustion du mélange, échappement - se déroulent successivement dans des enceintes des cylindres du moteur, dites chambres de combustion. Les gaz introduits dans ces chambres de combustion sont constitués d'une part d'air, de gaz d'échappement résiduels et/ou récirculés et d'autre part de carburant, selon des proportions dosées de manière adéquate suivant les moteurs et les systèmes d'allumage utilisés. Le mélange gazeux est alors enflammé dans la chambre de combustion. [0003] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules, et du dioxyde de carbone). Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. [0004] Une grande partie des polluants générés par un moteur thermique est due à une combustion incomplète du carburant. Pour réduire les rejets de polluants pénétrant dans la ligne d'échappement, il est connu d'utiliser un système dit EGR (acronyme pour "Exhaust Gas Recirculation") permettant de faire recirculer une partie des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission du moteur thermique. [0005] A cet effet, le système EGR comporte une conduite de redirection de gaz d'échappement apte à rediriger une partie des gaz d'échappement issus du collecteur d'échappement vers l'admission du moteur après passage dans un échangeur de chaleur. Une vanne EGR permet de gérer le débit de gaz d'échappement réinjecté à l'admission. 2 [0006] Dans le cadre du développement de nouveaux moteurs, il est important de maîtriser l'estimation du débit des gaz d'échappement recirculés au travers de la vanne EGR ainsi que le taux d'EGR correspondant au ratio entre le débit de gaz recirculés et la somme du débit de gaz recirculés et du débit d'air à l'admission. Toutefois, la mesure directe du 5 débit de gaz recirculés n'est pas possible compte tenu des contraintes thermiques, des contraintes d'encombrement, ainsi que du risque intrusif que représenterait l'intégration d'un système de mesure sur la ligne EGR. [0007] Par ailleurs, il est possible d'estimer le débit de gaz recirculés via une analyse de dioxyde de carbone effectuée dans le répartiteur admission, dite "Méthode 002". A cet effet, 10 on mesure le taux de dioxyde de carbone à l'admission et on en déduit le taux d'EGR en fonction de la teneur des gaz d'échappement. Toutefois, cette mesure présente un niveau de fiabilité faible du fait de la non répartition uniforme des gaz reciruclés dans le répartiteur d'admission. Par ailleurs, cette mesure est délicate à mettre en oeuvre selon la technologie adoptée, en particulier dans le cas où le moteur comporte un râteau de distribution en entrée 15 des conduits d'admission laissant peu de place pour intégrer un capteur. En outre, l'estimation selon cette technique ne permet pas de distinguer le dioxyde de carbone provenant des gaz réintroduits par le système EGR par rapport au dioxyde de carbone provenant d'une recirculation interne des gaz d'échappement appelé contre balayage qui dépend du croisement des soupapes et des pressions aux bornes des cylindres du moteur 20 thermique. [0008] L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'estimation d'un débit de gaz d'échappement réintroduits dans un collecteur d'admission d'un moteur thermique par un système de recirculation des gaz d'échappement, le système de recirculation des gaz d'échappement comprenant une vanne permettant de gérer, en 25 fonction de sa section, un débit de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte: - une étape de détermination de la section de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement, - une étape de détermination d'une pression en amont et en aval de la vanne du système 30 de recirculation des gaz d'échappement, - une étape de détermination d'une température en amont et en aval de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement, et - une étape d'estimation du débit des gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur thermique en fonction de la section de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement, de la pression en amont et en aval de la vanne du 3 système de recirculation des gaz d'échappement, et de la température en amont et en aval de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement. [0009] L'invention permet ainsi une estimation rapide et précise du débit de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur thermique pour un 5 point de fonctionnement du moteur thermique considéré dans un régime stabilisé. En effet, l'invention permet une estimation plus précise qu'une mesure par analyse de gaz, dans la mesure où elle exclut la prise en compte des gaz d'échappement recirculés par l'effet du contre balayage. L'invention est basée sur une instrumentation peu intrusive et facile à installer. 10 [0010] Selon une mise en oeuvre, la section de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement est déterminée à partir d'une cartographie de la vanne établissant une correspondance entre une position de la vanne et une section correspondante efficace de passage. [0011] Selon une mise en oeuvre, les pressions en amont et en aval de la vanne du 15 système de recirculation des gaz d'échappement sont obtenues à partir de mesures issues de capteurs de pression. [0012] Selon une mise en oeuvre, une acquisition de mesures de pression est réalisée sur la base d'une résolution comprise entre 0,05 degré vilebrequin et 0,15 degré vilebrequin et valant de préférence 0,1 degré vilebrequin. 20 [0013] Selon une mise en oeuvre, les températures en amont et en aval de la vanne du système de recirculation des gaz d'échappement sont obtenues à partir de mesures issues de capteurs de température. [0014] Selon une mise en oeuvre, les capteurs de température ont une fréquence d'acquisition comprise entre 5Hz et 20Hz et valant par exemple 10Hz. 25 [0015] Selon une mise en oeuvre, un modèle dit de Barré de Saint-Venant est utilisé pour réaliser l'estimation du débit des gaz d'échappement au travers de la vanne et réintroduits dans le collecteur d'admission. [0016] Selon une mise en oeuvre, des équations différentes dérivant du modèle dit de Barré de Saint-Venant sont utilisées en fonction de conditions de pression aux bornes de la 30 vanne du système de recirculation des gaz d'échappement. 4 [0017] Selon une mise en oeuvre, on distingue: - une première équation correspondant à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz recirculés non inversé, - une deuxième équation correspondant à un cas sonique et à un sens de flux de gaz 5 recirculés non inversé, - une troisième équation correspondant à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz recirculés inversé, et - une quatrième équation correspondant à un cas sonique et à un sens de flux de gaz recirculés inversé. 10 [0018] Selon une mise en oeuvre, le procédé comporte : - une étape d'évaluation, pour chaque position échantillonnée, du cas sonique ou subsonique et du sens du flux en fonction des informations de pression instantanées en amont et en aval de la vanne pour définir l'équation à utiliser pour calculer le débit de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission, 15 - une étape de calcul d'une intégral du débit instantané sur un cycle moteur moyen pour obtenir un débit moyen de recirculation des gaz d'échappement, et - une étape de détermination d'un taux de recirculation des gaz d'échappement délivré par la vanne à partir d'une mesure de débit d'air et l'estimation du débit moyen de recirculation des gaz d'échappement précédemment calculé traversant la vanne. 20 [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique avec laquelle est mis en oeuvre le procédé d'estimation de débit de gaz 25 d'échappement recirculés selon la présente invention; [0021] La figure 2 est une représentation graphique illustrant une caractéristique d'une vanne EGR établissant une correspondance entre une section efficace de la vanne EGR et une position d'ouverture de la vanne EGR; [0022] La figure 3 est une représentation graphique illustrant un débit instantané de gaz 30 d'échappement réintroduits dans un collecteur d'admission d'un moteur thermique en fonction d'un angle de vilebrequin sur un cycle moteur. 5 [0023] La figure 1 montre une architecture 1, notamment de véhicule automobile, comportant un moteur thermique 5 suralimenté par un turbocompresseur 2 comprenant un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur 5. A cet effet, le compresseur 5 3 est disposé sur une conduite d'admission 8 en amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur une conduite d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0024] De manière à maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 3, on 10 utilise un échangeur de chaleur 10 dit RAS (pour Refroidisseur d'Air de Suralimentation) apte à refroidir l'air circulant dans la conduite d'admission 8. L'échangeur 10 est monté en aval du compresseur 3 et en amont d'un doseur d'air 18. [0025] Par ailleurs, un système 23 de recirculation des gaz d'échappement (dit "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais) comporte une conduite de redirection 40 des gaz 15 d'échappement apte à rediriger une partie des gaz d'échappement issus d'un collecteur d'échappement 20 vers le collecteur d'admission 42 du moteur 5 après passage dans un échangeur 14. [0026] Ainsi, une partie des gaz d'échappement du moteur 5 est rejetée vers l'extérieur du véhicule automobile à travers la conduite d'échappement 9 et une autre partie des gaz est 20 recyclée. Le débit de gaz devant être remis en circulation est contrôlé par une vanne EGR 25 montée entre la sortie de la conduite de redirection 40 et le collecteur d'admission 42 du moteur 5. [0027] On décrit ci-après le procédé selon l'invention permettant l'estimation du débit de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission 42 par le système 23 de 25 recirculation des gaz d'échappement à travers la vanne EGR 25 sur un point de fonctionnement du moteur thermique 5 considéré en conditions stabilisées. Ce procédé est destiné à être mis en oeuvre sur banc moteur lors du développement d'un moteur thermique 5 mais n'est pas destiné à être embarqué dans le calculateur moteur. [0028] Plus précisément, l'estimation du débit Qegr de gaz d'échappement réintroduits 30 dans le collecteur d'admission 42 du moteur thermique 5 est basée sur l'utilisation de l'équation de Barré de Saint-Venant définie ci-dessous : 6 Avec: Segr correspondant à une section de la vanne V EGR, exprimée en m2, Pam correspondant à une pression instantanée absolue en amont de la vanne, exprimée en 5 Pa (piquage côté échappement), p' correspondant à une pression instantanée absolue en aval de la vanne, exprimée en Pa (piquage côté admission), T' correspondant à une température en degré Kelvin en amont de la vanne (piquage côté échappement), 10 ry' correspondant au rapport des capacités calorifiques spécifiques, fixé à 1.4 pour les gaz d'échappement, R correspondant à la constante des gaz parfait, fixé à 290J/(kg*K) pour les gaz d'échappement, et Qegr correspondant au débit, exprimé en kg/s. 15 [0029] En fonction des conditions de pression aux bornes de la vanne 25, on distingue l'état sonique et subsonique ainsi que l'inversion du sens du flux. Le calcul du seuil de régime sonique est réalisé de la manière suivante. [0030] Dans le cas où le ratio de la pression pay en aval de la vanne 25 divisée par la pression p' en amont de la vanne 25 est inférieur à 1 ln / \ 1-av, Pam 1), le seuil de régime sonique S2 est exprimé de la manière suivante: P av 1 > S2 avec S2- Pam `(y+ i) 30 7 [0033] Ainsi, si le ratio est supérieur à S2, alors on se trouve dans le régime sonique. Si le ratio est inférieur à S2, alors on se trouve dans le régime subsonique. [0034] Quatre équations différentes dérivant du modèle dit de Barré de Saint-Venant sont donc utilisées en fonction de conditions de pression aux bornes de la vanne 25 du système 5 23 de recirculation des gaz d'échappement. [0035] Une première équation correspond à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz recirculés non inversé (Pam/P' >1) : Qegr = Segr(V_EGR) x Pam x Pav)(1y) x y-i (R*Tam) 4am) 2xy x (1 HPav)( y )) y-1 Pam [0036] Une deuxième équation correspond à un cas sonique et à un sens de flux de gaz 10 recirculés non inversé (Pam/P' >1) : P am 2 ( ) 2Xy-1,) ( 1+1, Qegr = Segr(V_EGR) x ,(R*Tam) x x (- 1+y [0037] Une troisième équation correspond à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz recirculés inversé (Pam/P' REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation d'un débit (Qegr) de gaz d'échappement réintroduits dans un collecteur d'admission (42) d'un moteur thermique (5) par un système (23) de recirculation des gaz d'échappement, ledit système (23) de recirculation des gaz d'échappement comprenant une vanne (25) permettant de gérer, en fonction de sa section, un débit de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission (42) du moteur thermique (5), caractérisé en ce que ledit procédé comporte: - une étape de détermination de la section (Segr) de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement, - une étape de détermination d'une pression en amont et en aval lnam, ,- nav,1 de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement, - une étape de détermination d'une température en amont et en aval (T,,, Tay) de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement, et - une étape d'estimation du débit (Qegr) des gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission (42) du moteur thermique (5) en fonction de la section (Segr) de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement, de la pression en amont et en aval lnam, nav,1 de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement, et de la température en amont et en aval (T', T') de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section (Segr) de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement est déterminée à partir d'une cartographie de la vanne (25) établissant une correspondance entre une position (Pos van) de la vanne (25) et une section (Segr) correspondante efficace de passage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pressions en amont et en aval lnam, nav,1 de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement sont obtenues à partir de mesures issues de capteurs de pression (44.1, 44.2). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une acquisition de mesures de pression lnam, nav,1 est réalisée sur la base d'une résolution comprise entre 0,05 degré vilebrequin et 0,15 degré vilebrequin et valant de préférence 0,1 degré vilebrequin. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les températures en amont et en aval (T,,, Tay) de la vanne (25) du système (23) de 11 recirculation des gaz d'échappement sont obtenues à partir de mesures issues de capteurs de température (45.1, 45.2). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs de température (45.1, 45.2) ont une fréquence d'acquisition comprise entre 5Hz et 20Hz et valant par 5 exemple 10Hz. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un modèle dit de Barré de Saint-Venant est utilisé pour réaliser l'estimation du débit (Qegr) des gaz d'échappement au travers de la vanne et réintroduits dans le collecteur d'admission (42). 10 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que des équations différentes dérivant du modèle dit de Barré de Saint-Venant sont utilisées en fonction de conditions de pression aux bornes de la vanne (25) du système (23) de recirculation des gaz d'échappement. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on distingue: 15 - une première équation correspondant à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz recirculés non inversé, - une deuxième équation correspondant à un cas sonique et à un sens de flux de gaz recirculés non inversé, - une troisième équation correspondant à un cas subsonique et à un sens de flux de gaz 20 recirculés inversé, et - une quatrième équation correspondant à un cas sonique et à un sens de flux de gaz recirculés inversé. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'évaluation, pour chaque position échantillonnée, du cas sonique ou 25 subsonique et du sens du flux en fonction des informations de pression instantanées en amont et en aval (p am, 1 de la vanne (25) pour définir l'équation à utiliser pour calculer le débit (Qegr) de gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission (42), - une étape de calcul d'une intégral du débit instantané sur un cycle moteur moyen pour obtenir un débit moyen de recirculation des gaz d'échappement, et 30 - une étape de détermination d'un taux de recirculation des gaz d'échappement délivré par la vanne (25) à partir d'une mesure de débit d'air et l'estimation du débit moyen de recirculation des gaz d'échappement précédemment calculé traversant la vanne (25).