Procédé d'estimation de la pression des gaz dans un collecteur d'admission de moteur à combustion interne

Abstract

 Procédé d'estimation de la pression dans le collecteur d'admission 3 d'un moteur à combustion interne 1, dans lequel on calcule le débit de gaz dans le moteur 1, on calcule la masse de gaz dans le circuit d'admission, puis on calcule la pression dans le collecteur 3 connaissant la température des gaz dans le collecteur d'admission 3 et dispositif de contrôle et de commande 19 d'un moteur à combustion interne 1.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un procédé permettant l'estimation de la pression des gaz d'échappement dans un collecteur d'admission de moteur à combustion interne équipé d'un ensemble turbocompresseur de suralimentation comprenant un compresseur et une turbine à géométrie variable. L'invention concerne également un dispositif de commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne. L'invention peut s'appliquer à différents types de moteur, à cycle Beau de Rochas ou à cycle Diesel, suralimenté ou non.

[0002] La commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne consiste à gérer le moteur à partir d'un ensemble de capteurs et d'actionneurs. L'ensemble des lois de commande sous forme de stratégie logicielle et des paramètres de caractérisation sous forme de calibration d'un moteur sont généralement mémorisées dans un calculateur se présentant sous la forme d'une unité de contrôle électronique (UCE).

[0003] Le moteur peut comprendre un ensemble turbocompresseur pourvu d'une turbine et d'un compresseur ayant pour but d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur. Dans le cas d'un moteur suralimenté par deux ensembles turbocompresseurs, par exemple lorsque l'architecture du moteur est du type en V bi-turbo, deux turbines sont placées à la sortie des collecteurs de gaz d'échappement du moteur de façon à être entraînées par les gaz d'échappement des deux bancs de cylindres du moteur. Les sorties des deux bancs de cylindres sont reliées en aval des deux turbines. La puissance fournie par les gaz d'échappement aux turbines peut être modulée en installant des soupapes de décharge ou en prévoyant des turbines munies d'ailettes à orientation variable de façon à constituer un turbocompresseur à géométrie variable (TGV).

[0004] Chaque compresseur est monté sur un axe mécanique recevant également la turbine de sorte que les deux compresseurs compriment l'air qui entre dans le collecteur d'admission.

[0005] Un échangeur de chaleur peut être placé entre les compresseurs et le collecteur d'admission commun aux deux bancs de cylindres afin de refroidir l'air comprimé à la sortie des compresseurs.

[0006] Des actionneurs sont utilisés pour piloter l'ouverture et la fermeture des soupapes de décharge ou l'orientation des ailettes des turbines de façon à modifier la géométrie desdites turbines. Les signaux de commande de ces actionneurs sont fournis par l'unité de contrôle électronique (UCE) et permettent notamment d'asservir la pression régnant dans le collecteur d'admission.

[0007] Dans le cas particulier d'une architecture de moteur en V bi-turbo où les deux compresseurs compriment l'air dans une admission commune à tous les cylindres, il est important de bien maîtriser l'équilibrage des deux turbocompresseurs. En effet, en phase transitoire, les deux compresseurs doivent participer à l'élaboration de la consigne de suralimentation sans interaction de l'un sur l'autre. En fonctionnement stabilisé, les deux compresseurs doivent tourner à la même vitesse pour fournir les mêmes conditions de fonctionnement sur les deux bancs de cylindres.

[0008] Dans le cas d'un moteur Diesel, la quantité d'oxydes d'azote produite est liée en majeure partie à la composition du mélange réactif dans les cylindres du moteur, mélange qui contient de l'air, du carburant et des gaz inertes. Ces gaz inertes ne participent pas à la combustion et proviennent d'un circuit dérivant une partie des gaz d'échappement vers le circuit d'admission afin de réduire la quantité d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement. Ce circuit de dérivation permettant la recirculation d'une partie des gaz d'échappement, dit "circuit EGR" comporte une vanne qui permet de moduler la quantité de gaz d'échappement recyclés dans le collecteur d'admission.

[0009] Toujours dans le cas d'un moteur Diesel et afin de réduire la quantité de particules rejetées dans les gaz d'échappement, on peut prévoir le montage d'un filtre à particules dans la canalisation d'échappement. Un tel filtre comprend un ensemble de microcanaux dans lesquels une grande partie des particules se trouve piégée. Lorsque le filtre est saturé en particules, il convient de le vider en brûlant les particules au cours d'une phase de régénération qui peut être mise en oeuvre au moyen d'un dispositif de chauffe ou par un réglage spécifique du moteur.

[0010] L'introduction d'un tel filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des turbines des ensembles turbocompresseurs, entraîne une augmentation de la contrepression d'échappement d'autant plus importante que le filtre se charge progressivement en particules. Une telle contrepression se traduit dans les turbocompresseurs par une réduction du taux de détente représenté par le rapport de la pression des gaz d'échappement en amont de la turbine à la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine. Il en résulte également une réduction de la puissance fournie par les gaz d'échappement aux turbines et une diminution des performances du moteur.

[0011] Pour lutter contre cette réduction de puissance et maintenir le même niveau de performances, il convient de maintenir le taux de détente en augmentant la pression régnant dans les gaz d'échappement en amont de la ou des turbines. On obtient une telle augmentation de pression par la fermeture des soupapes de décharge ou par une orientation appropriée des ailettes modifiant la géométrie de la ou des turbines.

[0012] Une telle régulation de la suralimentation d'un moteur thermique se fait donc habituellement par asservissement de la pression dans le collecteur d'admission sur une consigne de pression mémorisée dans l'unité commande électronique UCE. La consigne de pression peut par exemple résulter d'une cartographie en fonction du régime de rotation du moteur et du débit de carburant injecté, cartographie qui est mémorisée dans l'unité de contrôle électronique. Un dispositif de régulation, par exemple du type PID (proportionnel, intégral, dérivée) peut alors réguler la pression du collecteur d'admission à partir de la valeur de consigne, en agissant sur l'orientation des ailettes de façon à modifier la géométrie des turbines.

[0013] Dans le cas d'un moteur bi-turbo comprenant deux ensembles turbocompresseurs, la régulation doit également assurer un équilibrage des deux turbocompresseurs afin de les maintenir à la même vitesse de rotation.

[0014] Dans tous les cas, la régulation compense la diminution du taux de détente des turbines en augmentant la pression régnant dans le collecteur d'admission et donc dans les gaz d'échappement en amont des turbines. Une telle régulation donne satisfaction bien qu'il n'y ait aucun contrôle de la valeur absolue de la pression régnant dans les gaz d'échappement en amont des turbines.

[0015] Toutefois, la pression dans le collecteur d'admission est asservie à une consigne. La consigne peut être cartographiée en fonction du régime du moteur et du débit de carburant. Un régulateur se charge de réguler la pression dans le collecteur d'admission sur la consigne. Il est donc nécessaire de connaître la pression dans le collecteur d'admission. On peut prévoir un capteur à cette fin.

[0016] Toutefois un tel capteur de pression est onéreux et nécessite une modification du collecteur d'admission pour être installé.

[0017] La présente invention a pour objet de résoudre les difficultés rencontrées avec les dispositifs connus et de permettre une détermination économique de la pression des gaz dans le collecteur d'admission.

[0018] La présente invention a également pour objet un procédé et un dispositif permettant une détermination précise de la pression régnant dans le collecteur d'admission.

[0019] Le procédé d'estimation de la pression dans le collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne, selon un aspect de l'invention, comprend une étape de calcul du débit de gaz dans le moteur, une étape de calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission, et une étape de calcul de la pression dans le collecteur d'admission connaissant la température des gaz dans le collecteur d'admission. On peut ainsi se passer de capteur de pression monté sur le collecteur d'admission, d'où une réduction de coût appréciable.

[0020] Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une étape de calcul du débit de gaz dans le moteur à partir d'une mesure du régime du moteur, et d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur.

[0021] Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une étape de calcul du débit de gaz dans le moteur à partir d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission.

[0022] Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une étape de calcul du débit de gaz dans le moteur à partir d'une cartographie du rendement de remplissage du moteur compte tenu d'une mesure du régime du moteur, d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission, et d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission.

[0023] Dans un mode de réalisation de l'invention, le débit de gaz dans le moteur est égal à une constante près au produit du régime du moteur, de la cylindrée du moteur, d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission, d'une cartographie du rendement de remplissage du moteur divisé par la température des gaz dans le collecteur. Au démarrage du moteur, on peut considérer que la pression dans le collecteur d'admission est égale à la pression atmosphérique.

[0024] Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une étape de calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission à partir d'une intégration de la différence entre une mesure du débit de gaz dans un débitmètre d'entrée et le calcul du débit de gaz dans le moteur.

[0025] Dans un mode de réalisation de l'invention, la masse de gaz dans le circuit d'admission est égal au maximum de l'intégrale de la différence entre une mesure du débit de gaz dans un débitmètre d'entrée et le calcul du débit de gaz dans le moteur, et du quotient à une constante près de la pression atmosphérique par la température des gaz dans le collecteur d'admission.

[0026] Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une étape de calcul d'une pression estimée dans le collecteur d'admission à partir du calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission et d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission.

[0027] Dans un mode de réalisation de l'invention, la pression estimée dans le collecteur d'admission est égale au produit à une constante près de la masse de gaz dans le circuit d'admission et de la température des gaz dans le collecteur d'admission.

[0028] L'invention propose également un dispositif de contrôle et de commande d'un moteur à combustion interne, comprenant un moyen de mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission, un moyen de calcul du débit de gaz dans le moteur, un moyen de calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission, et un moyen de calcul de la pression dans le collecteur d'admission.

[0029] Le dispositif de contrôle et de commande est adapté à la commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un ensemble turbocompresseur de suralimentation comprenant un compresseur et une turbine à géométrie variable, le compresseur alimentant le moteur en air à une pression supérieure à la pression atmosphérique et la turbine étant traversée par les gaz d'échappement issus du moteur.

[0030] Le dispositif comprend une unité de commande électronique (UCE) capable d'effectuer des calculs à partir de données mémorisées et de valeurs mesurées et des capteurs pour mesurer notamment le débit d'air entrant dans le moteur, le débit de carburant alimentant le moteur et la géométrie instantanée de la turbine. L'unité de commande électronique comprend des moyens pour calculer par itération une valeur estimée de la pression des gaz dans le collecteur d'admission en amont des cylindres du moteur. La pression atmosphérique est déterminée au moyen d'un capteur qui peut se trouver dans l'unité de commande électronique.

[0031] L'invention propose également un moteur à combustion interne comprenant un circuit d'admission pourvu d'un collecteur, au moins un cylindre, et un dispositif de contrôle et de commande comprenant un moyen de mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission, un moyen de calcul du débit de gaz dans le moteur, un moyen de calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission, et un moyen de calcul de la pression dans le collecteur d'admission.

[0032] Le moteur à combustion interne peut comprendre un ou deux ensembles turbocompresseur alimentant le moteur en air comprimé par un collecteur d'admission unique.

[0033] Le dispositif est particulièrement adapté à un moteur Diesel, dont la canalisation d'échappement est munie d'un filtre à particules.

[0034] L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier décrit à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels :

• la figure 1 illustre schématiquement les principaux éléments d'un moteur diesel turbocompressé équipé d'un dispositif de régulation du débit de carburant injecté selon l'invention ; et
• la figure 2 montre un exemple de réalisation du régulateur utilisé dans le dispositif de régulation de l'invention.

[0035] Sur la figure 1, se trouve représenté un moteur diesel 1 à quatre cylindres, chaque cylindre étant associé à un dispositif d'injection de carburant, référencé 2. L'air frais pénétrant dans le répartiteur d'admission 3 du moteur 1 traverse au préalable un turbocompresseur 4 comprenant un compresseur 5 et une turbine 6 montés sur un arbre commun 7. Les débits fournis par le compresseur 7 et la turbine 6 peuvent être modulés par un dispositif, non illustré sur la figure, qui peut comporter par exemple un moyen de modification de l'orientation d'ailettes internes du compresseur 5 et/ou de la turbine 6. L'air frais prélevé à l'extérieur traverse tout d'abord un filtre à air 8, puis un débitmètre 9, avant de pénétrer dans le compresseur 5. La circulation d'air à la pression atmosphérique est symbolisée sur la figure 1 par les flèches 10. L'air comprimé issu du compresseur 5 traverse, dans l'exemple illustré, un échangeur de chaleur 11 qui permet de refroidir les gaz admis. En sortie de l'échangeur 11, l'air comprimé refroidi traverse une vanne à trois voies 12 capable de réguler un débit de recirculation des gaz d'échappement avant de pénétrer dans le répartiteur d'admission 3. La circulation de l'air comprimé est symbolisée par les flèches 13 sur la figure 1.

[0036] Les gaz d'échappement issus du collecteur d'échappement 14, après combustion dans le moteur 1, sont dirigés en partie vers la vanne 12, afin d'être en partie recirculés après mélange dans l'air d'admission 13 dirigé vers le répartiteur d'admission 3. L'autre partie des gaz d'échappement, dont l'écoulement est symbolisé par la flèche 15, est amenée sur la turbine 6 afin d'entraîner le compresseur 5. A la sortie de la turbine 6, les gaz d'échappement, dont le flux est symbolisé par la flèche 16, traversent, dans l'exemple illustré, un filtre à particules 17 avant d'être rejetés dans l'atmosphère par le pot d'échappement 18.

[0037] Une unité de commande électronique (UCE) référencée 19, reçoit différents signaux permettant le fonctionnement du dispositif de régulation de l'invention. L'unité de commande électronique 19 reçoit en particulier par la connexion 20 un signal de position d'une pédale d'accélérateur actionnée par le conducteur. Le débit d'air frais Q_deb, mesuré par le débitmètre 9, est amené sous la forme d'un signal par la connexion 21 à l'unité de commande électronique 19. Un capteur de température 22, placé dans le collecteur d'admission 3, permet la mesure de la température des gaz avant qu'ils pénètrent dans les cylindres, que l'on appellera T_col. Le signal correspondant à cette température est transmis à l'unité de commande électronique 19 par la connexion 23. L'unité de commande électronique reçoit encore, par les connexions 24 et 25, des informations concernant le régime de rotation du moteur N_mot et la température de l'air T_air dans le débitmètre 9. L'unité de commande électronique 19 comprend un capteur 26 de la pression atmosphérique P_atmo·

[0038] L'unité de commande électronique 19 émet différents signaux permettant la gestion du fonctionnement du moteur 1 ainsi que d'autres organes du véhicule, non représentés sur la figure. L'unité de commande électronique émet en particulier par la connexion 27, un signal de commande de pilotage de la vanne 12. L'unité de commande électronique émet également, par la connexion 28, un signal de commande pour un régulateur du débit de carburant injecté dans le moteur 1 par les différents dispositifs d'injection 2.

[0039] L'estimation de la pression dans le collecteur P_col comprend une première étape de calcul du débit d'air aspiré par le moteur Q_mot. On a Q_mot = N_mot * V_cyl * P_col /( R_air*T_col*120) * η_v{N_mot, P _coolant /( R_air*T_col)}

[0040] V_cyl est la cylindrée du moteur. A_air est la constante massique de l'air, soit 287. P_coolant est la pression de collecteur estimée antérieurement. η_v est une cartographie du rendement de remplissage du moteur en fonction du régime du moteur et du quotient de la pression de collecteur estimée antérieurement par le produit de la température mesurée dans le collecteur et de la constante massique de l'air.

[0041] En intégrant la différence entre le débit d'air Q_mot dans le moteur et le débit d'air Q_deb on obtient la masse d'air M_adm dans le circuit d'admission entre le débitmètre et le collecteur d'admission. On a M_adm = Max{ ∫(Q_deb - Q_mot )dt, P_atm * V_adm /( R_air*T_col)} avec V_adm le volume du circuit d'admission. Les grandeurs R_air, V_cyl, V_adm sont constantes et connues par l'unité de commande électronique 19.

[0042] On applique ensuite la loi des gaz parfaits pour calculer une estimation de la pression: P_col = M_adm * R_air* T_col / V_adm· On peut se reporter à la figure 2.

[0043] Grâce à l'invention, on réduit le coût des constituants du moteur et on simplifie le collecteur d'admission. On accroît la fiabilité de fonctionnement de l'unité de commande électronique en supprimant un capteur, donc une source potentielle de panne.

Revendications

1. Procédé d'estimation de la pression dans le collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne, dans lequel on calcule le débit de gaz dans le moteur, on calcule la masse de gaz dans le circuit d'admission, puis on calcule la pression dans le collecteur d'admission connaissant la température des gaz dans le collecteur d'admission.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on calcule le débit de gaz dans le moteur à partir d'une mesure du régime du moteur, et d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on calcule le débit de gaz dans le moteur à partir d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on calcule le débit de gaz dans le moteur à partir d'une cartographie du rendement de remplissage du moteur compte tenu d'une mesure du régime du moteur, d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission, et d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le débit de gaz dans le moteur est égal à une constante près au produit du régime du moteur, de la cylindrée du moteur, d'une estimation antérieure de la pression dans le collecteur d'admission, d'une cartographie du rendement de remplissage du moteur divisé par la température des gaz dans le collecteur d'admission.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on calcule la masse de gaz dans le circuit d'admission à partir d'une intégration de la différence entre une mesure du débit de gaz dans un débitmètre d'entrée et le calcul du débit de gaz dans le moteur.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la masse de gaz dans le circuit d'admission est égal au maximum de l'intégrale de la différence entre une mesure du débit de gaz dans un débitmètre d'entrée et le calcul du débit de gaz dans le moteur, et du quotient à une constante près de la pression atmosphérique par la température des gaz dans le collecteur d'admission.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on calcule une pression estimée dans le collecteur d'admission à partir du calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission et d'une mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pression estimée dans le collecteur d'admission est égale au produit à une constante près de la masse de gaz dans le circuit d'admission et de la température des gaz dans le collecteur d'admission.

10. Dispositif de contrôle et de commande (19) d'un moteur à combustion interne (1), caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de mesure (22) de la température des gaz dans le collecteur d'admission (3), un moyen de calcul du débit de gaz dans le moteur, un moyen de calcul de la masse de gaz dans le circuit d'admission, et un moyen de calcul de la pression dans le collecteur d'admission (3).

11. Moteur à combustion interne (1) comprenant un circuit d'admission pourvu d'un collecteur (3), au moins un cylindre, et un dispositif selon la revendication 10.

Dessins