La présente invention concerne de manière générale le domaine de la recirculation des gaz brûlés depuis l'échappement vers l'admission d'un moteur à combustion interne.
Elle concerne plus particulièrement un procédé de pilotage d'une vanne de régulation d'un débit de liquide de refroidissement circulant dans un circuit de refroidissement d'une ligne de recirculation d'un moteur à combustion interne.
Elle concerne également un circuit de refroidissement des gaz brûlés circulant dans une ligne de recirculation d'un moteur à combustion interne comprenant :
- un échangeur thermique,
- deux conduits de circulation de liquide de refroidissement raccordés respectivement en entrée et en sortie dudit échangeur thermique, et
- une vanne de régulation d'un débit de liquide de refroidissement, qui est agencée sur l'un desdits conduits de circulation.
Elle concerne en outre un moteur à combustion interne comprenant :
- un bloc-moteur qui définit intérieurement des cylindres,
- une ligne d'admission de gaz d'admission dans lesdits cylindres,
- une ligne d'échappement des gaz brûlés hors desdits cylindres,
- une ligne de recirculation des gaz brûlés, qui prend naissance dans ladite ligne d'échappement et qui débouche dans ladite ligne d'admission.
Les moteurs à combustion interne du type précité utilisent comme gaz d'admission un mélange d'air frais et de gaz brûlés. Ces gaz brûlés sont prélevés dans la ligne d'échappement, directement en aval du collecteur d'échappement du moteur à combustion interne, et sont introduits dans la ligne d'admission d'air frais, directement en amont du répartiteur d'air du moteur à combustion interne. Ils sont communément appelés gaz de recirculation ou gaz EGR (acronyme anglais de « Exaust Gaz Recirculation »).
Ces gaz de recirculation sont chargés de particules de suie et d'hydrocarbure en suspension lorsque ces gaz sont chauds.
Il est connu de refroidir ces gaz de recirculation par un circuit de refroidissement avant leur introduction dans la ligne d'admission d'air, de manière à assurer au moteur à combustion interne de meilleures performances.
Un tel circuit de refroidissement comprend alors un échangeur thermique, dit refroidisseur EGR, qui est traversé, d'une part, par les gaz de recirculation, et, d'autre part, par un liquide de refroidissement. Le circuit de refroidissement comporte également une vanne bistable, située en aval du refroidisseur EGR, qui est pilotée en position ouverte ou fermée en fonction de la température mesurée des gaz de recirculation.
L'ouverture de la vanne bistable génère un refroidissement important et brutal des gaz de recirculation, en particulier lorsque le moteur à combustion interne n'a pas encore atteint sa température optimale de fonctionnement.
Ce refroidissement brutal des gaz de recirculation expose le refroidisseur EGR à un dépôt important de particules de suie et d'hydrocarbure, ce qui provoque un encrassement rapide de ce refroidisseur EGR et réduit ses performances.
La fermeture de la vanne bistable interdit par ailleurs toute circulation de liquide de refroidissement dans le refroidisseur EGR, ce qui peut entraîner un défaut de refroidissement des gaz de recirculation et un rejet dans l'atmosphère d'une quantité importante de particules de suie et d'hydrocarbure.
En outre, dans cette configuration, le liquide de refroidissement bloqué dans le refroidisseur EGR risque d'atteindre sa température d'ébullition et d'occasionner une détérioration du refroidisseur EGR.
Un procédé similaire de pilotage d'une vanne de régulation est connu du
Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose un procédé de pilotage de la vanne de régulation plus fiable.
Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de pilotage d'une vanne de régulation d'un débit de liquide de refroidissement circulant dans un circuit de refroidissement d'une ligne de recirculation d'un moteur à combustion interne, qui comprend des étapes consistant à :
- a) acquérir la température dudit liquide de refroidissement,
- b) déterminer, en fonction de la température acquise à l'étape a), une consigne de pilotage de ladite vanne de régulation dans une position stable choisie parmi au moins trois positions stables, et
- c) piloter la vanne de régulation selon la consigne de pilotage déterminée à l'étape b).
Selon l'invention, à l'étape b), on mesure la température ambiante, on en déduit une température cible de liquide de refroidissement et on élabore la consigne de pilotage en fonction de la température du liquide de refroidissement mesurée et de la température cible.
Ainsi, grâce à l'invention, la vanne de régulation est pilotée entre un plus grand nombre de positions, ce qui permet une meilleure régulation du débit de liquide de refroidissement et évite tout problème d'ébullition ou de changement de température brusque.
Cette meilleure régulation réduit par ailleurs considérablement l'encrassement du circuit de refroidissement, notamment au démarrage du moteur ou lorsque la température ambiante est faible.
Enfin, le pilotage de la vanne de régulation en fonction de la température du liquide de refroidissement assure une régulation plus précise de la température des gaz de recirculation.
D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du procédé de pilotage conforme à l'invention sont les suivantes :
- le circuit de refroidissement comportant un échangeur thermique positionné sur la ligne de recirculation, à l'étape a), on mesure la température du liquide de refroidissement dans ledit échangeur thermique ;
- le circuit de refroidissement comportant un échangeur thermique positionné sur la ligne de recirculation, à l'étape a), on mesure la température du liquide de refroidissement à distance dudit échangeur thermique ;
- à l'étape a), on mesure la température du liquide de refroidissement en aval dudit échangeur thermique ;
- à l'étape b), on estime une valeur de température du liquide de refroidissement en amont dudit échangeur thermique en fonction de la température mesurée de liquide de refroidissement, d'un débit de gaz brûlés dans ladite ligne de recirculation et d'une température de gaz brûlés dans ladite ligne de recirculation;
- la charge (C) instantanée du moteur à combustion interne (1) et/ou le régime (R) instantané du moteur à combustion interne (1), et/ou le débit de carburant injecté dans des cylindres (11) du moteur à combustion interne (1) sont utilisés pour calculer la température cible (Tc).
L'invention propose également un circuit de refroidissement tel que défini dans l'introduction qui comprend une unité de pilotage de ladite vanne de régulation, qui est adaptée à mettre en oeuvre un procédé de pilotage tel que définit précédemment.
L'invention propose en outre un moteur à combustion interne tel que défini dans l'introduction qui comprend un circuit de refroidissement tel que défini précédemment, dont l'échangeur thermique est positionné sur ladite ligne de recirculation.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la
figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; - la
figure 2 est une vue schématique d'une partie du circuit de refroidissement secondaire selon un premier mode de réalisation du moteur à combustion interne de lafigure 1 ; - la
figure 3 est un chronogramme illustrant les étapes de mise en oeuvre du procédé de pilotage de la vanne de régulation du circuit de refroidissement secondaire de lafigure 2 .
Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés dans l'atmosphère.
Sur la
En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui débouche dans un répartiteur d'air 25 agencé pour répartir l'air vers chacun des quatre cylindres 11 du bloc-moteur 10. Cette ligne d'admission 20 comporte, dans le sens d'écoulement de l'air frais, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère, un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé, et une vanne d'admission 24 qui permet de réguler le débit d'air frais débouchant dans le répartiteur d'air 25.
En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 80 qui s'étend depuis un collecteur d'échappement 81 dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11, jusqu'à un silencieux d'échappement 87 permettant de détendre les gaz brûlés avant qu'ils ne soient évacués dans l'atmosphère. Elle comporte par ailleurs, dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une turbine 82, et un pot catalytique 83 de traitement des gaz brûlés.
La turbine 82 est entraînée en rotation par le flux de gaz brûlés sortant du collecteur d'échappement 81, et elle permet d'entraîner le compresseur 22 en rotation, grâce à des moyens de couplage mécanique tels qu'un simple arbre de transmission.
Le pot catalytique 83 est quant à lui ici un catalyseur trois voies qui renferme un catalyseur d'oxydation 84, un filtre à particules 85 et un piège à oxydes d'azote 86.
Ici, le moteur à combustion interne 1 comporte également une ligne de recirculation des gaz brûlés à haute pression, depuis la ligne d'échappement 80 vers la ligne d'admission 20. Cette ligne de recirculation est communément appelée ligne EGR-HP 40, conformément à l'acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - High Pressure ». Elle prend naissance dans la ligne d'échappement 80, entre le collecteur d'échappement 81 et la turbine 82, et elle débouche dans la ligne d'admission 20, entre la vanne d'admission 24 et le répartiteur d'air 25.
Cette ligne EGR-HP 40 permet de prélever une partie des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 80, appelés gaz de recirculation ou gaz EGR, pour la réinjecter dans les cylindres 11 afin de réduire les émissions polluantes du moteur, et en particulier les émissions d'oxydes d'azote, de suie et de particules d'hydrocarbure.
Cette ligne EGR-HP 40 comporte une vanne EGR-HP 41 pour réguler le débit de gaz EGR débouchant dans le répartiteur d'air 25.
En complément ou en variante, cette ligne EGR-HP pourrait être complétée ou remplacée par une ligne de recirculation des gaz brûlés à basse pression, communément appelée ligne EGR-LP conformément à l'acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - Low Pressure ». Cette ligne EGR-LP prendrait alors naissance dans la ligne d'échappement, à la sortie du pot catalytique, et déboucherait dans la ligne d'admission, entre le filtre à air et le compresseur.
Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 60 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 60 comporte une pompe d'injection 62 agencée pour prélever le carburant dans un réservoir 61 afin de l'amener sous pression dans un rail de distribution 63 qui débouche dans les cylindres 11 via quatre injecteurs 64.
Le moteur à combustion interne 1 comporte en outre un circuit de refroidissement primaire (non représenté), qui traverse notamment le bloc-moteur 10 et le refroidisseur d'air principal 23 et dans lequel circule un liquide de refroidissement.
Le moteur à combustion interne 1 comporte également un circuit de refroidissement secondaire 30, qui pourrait éventuellement être confondu avec le circuit de refroidissement primaire, et qui comporte un échangeur thermique 31 prévu pour refroidir les gaz EGR circulant dans la ligne EGR-HP 40 (ou, en variante, dans la ligne EGR-LP), de manière à réduire au mieux la température des gaz dans le répartiteur d'air 25 afin d'assurer au moteur à combustion interne 1 de meilleures performances.
Comme le montrent la
Le refroidisseur EGR 31 comprend plus précisément une canalisation principale 31A au travers de laquelle circulent les gaz EGR, et une canalisation secondaire 31 B au travers de laquelle circule un liquide de refroidissement.
La canalisation principale 31A est connectée, d'un côté, à la ligne d'échappement 80 via un conduit amont 42 de la ligne EGR-HP 40, et, de l'autre, à la vanne EGR-HP 41 via un conduit aval 43 de la ligne EGR-HP 40.
La canalisation secondaire 31 B est quant à elle connectée au reste du circuit de refroidissement secondaire 30, d'un côté, par un conduit amont 33, et, de l'autre, par un conduit aval 34.
Le circuit de refroidissement secondaire 30 comprend par ailleurs une vanne de régulation 35 du débit de liquide de refroidissement.
Cette vanne de régulation 35 est ici agencée sur le conduit amont 33 du circuit de refroidissement secondaire 30. En variante, elle pourrait bien entendu être agencée ailleurs, par exemple sur le conduit aval.
La vanne de régulation 35 est adaptée à être pilotée dans l'une ou l'autre d'au moins trois positions stables, dont :
- une position extrême de fermeture dans laquelle elle obture totalement le conduit amont 33, de sorte que le débit du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30 est nul,
- une position extrême d'ouverture dans laquelle elle libère totalement le conduit amont 33, de sorte que le débit du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30 est maximal, et
- au moins une position intermédiaire dans laquelle elle obture partiellement le conduit amont 33, de sorte que le débit du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30 est non nul et est strictement inférieur au débit maximal.
La vanne de régulation 35 est ici un volet papillon, mais il pourrait bien entendu en être autrement.
Classiquement, la circulation du liquide de refroidissement dans ce circuit de refroidissement secondaire 30 est assurée par une pompe de mise en pression (non représentée). Le liquide de refroidissement utilisé ici est un mélange d'eau et de glycol.
Comme le montre la
Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 100 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs au fonctionnement du moteur et aux conditions climatiques.
Parmi ces capteurs, il est notamment prévu une première sonde de température 101 qui permet de mesurer la température To instantanée du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30.
Dans le mode de réalisation du moteur à combustion interne 1 représenté sur la
Dans ce mode de réalisation, la première sonde de température sera donc positionnée à distance du refroidisseur EGR 31, de préférence à 10cm de celui-ci, de manière à ce que les mesures ne soient pas perturbées par le refroidisseur EGR 31.
Selon une variante non représentée, on pourrait toutefois prévoir que la première sonde de température soit située à l'intérieur du refroidisseur EGR lui-même.
Grâce à ces sondes de température et à différents autres capteurs, le calculateur 100 mémorise ainsi en continu dans sa mémoire vive :
- la charge C instantanée du moteur à combustion interne 1,
- le régime R instantané du moteur à combustion interne 1,
- la température To du liquide de refroidissement,
- la température ambiante Ta (dans le premier mode de réalisation), et
- le débit de carburant injecté dans les cylindres 11.
La charge C (également appelée « charge-moteur ») correspond au rapport du travail fourni par le moteur sur le travail maximal que pourrait développer ce moteur à un régime donné. Elle est généralement approximée à l'aide d'une variable appelée pression moyenne effective PME.
Le régime R correspond à la vitesse de rotation du vilebrequin, exprimée en tours par minute.
Grâce à une cartographie prédéterminée sur banc d'essais et mémorisée dans sa mémoire morte (ROM), le calculateur 100 est adapté à générer, pour chaque condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie.
Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 100 est adapté à transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment à la vanne de régulation 35.
Classiquement, lorsque le conducteur du véhicule automobile met le contact, le calculateur 100 s'initialise puis commande le démarreur et les injecteurs de carburant 64 pour que ceux-ci démarrent le moteur à combustion interne 1.
Lorsque le moteur est démarré, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21, comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air principal 23, puis brûlé dans les cylindres 11.
A leur sortie des cylindres 11, les gaz brûlés sont détendus dans la turbine 82, traités et filtrés dans le pot catalytique 83, puis détendus à nouveau dans le silencieux d'échappement 84 avant d'être rejetés dans l'atmosphère.
Une partie de ces gaz brûlés est toutefois prélevée par la ligne EGR-HP 40 pour être réinjectée dans la ligne d'admission 20. Ces gaz EGR sont alors préalablement refroidis dans le refroidisseur EGR 31.
Le calculateur 100 pilote à cet effet la vanne de régulation 35 du débit de liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30, de manière que ces gaz EGR soient refroidis à la température souhaitée.
Ainsi, par exemple, au démarrage du moteur, lorsque la température ambiante Ta est faible, cette vanne de régulation 35 est pilotée en position extrême de fermeture (le temps que la température des gaz EGR augmente) avant d'être progressivement ouverte.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le calculateur 100 est adapté à mettre en oeuvre un procédé de pilotage de la vanne de régulation 35 qui comprend les trois étapes suivantes :
- a) acquérir la température To du liquide de refroidissement,
- b) déterminer, en fonction de la température To acquise à l'étape a), une consigne de pilotage C1 de la vanne de régulation 35 dans l'une de ses positions stables, et
- c) piloter la vanne de régulation 35 selon cette consigne de pilotage C1.
Grâce à l'invention, le débit de liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 30 est régulé en fonction de la température To du liquide de refroidissement (et non en fonction de la température des gaz EGR), ce qui évite notamment tout risque d'ébullition ou de changement de température brusque du liquide de refroidissement, au bénéfice de la longévité du refroidisseur EGR 31.
On notera ici que plus le nombre de positions stables (dans lesquelles la vanne de régulation 35 pourra être piloté) sera grand, plus la régulation de la température des gaz EGR pourra être affinée, ce qui réduira en conséquence l'encrassement de la ligne EGR-HP 40, notamment lorsque la température ambiante Ta est faible.
Ainsi, si le nombre minimal de positions stables est de trois, on prévoira de préférence que la vanne de régulation 35 puisse présenter au moins cinq positions stables. On pourra bien entendu prévoir qu'elle puisse présenter plus de 10 positions stables.
Dans l'exemple qui sera exposé dans la suite de cet exposé, la vanne de régulation 35 pourra prendre une infinité de positions stables.
Lorsque le moteur à combustion interne 1 sera du type de celui représenté sur la
Plus précisément, après le démarrage du moteur à combustion interne (opération 71), l'initialisation du calculateur 100 et le début de la circulation du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement secondaire 30 (opération 72), le calculateur 100 met en oeuvre l'algorithme suivant.
Le calculateur 100 vérifie tout d'abord si un arrêt du moteur à combustion interne 1 est requis (opération 73).
Si une commande d'arrêt du moteur à combustion interne 1 est détectée, le calculateur 100 pilote l'arrêt de la pompe de mise en pression du liquide de refroidissement (opération 74) puis l'arrêt de l'injection de carburant dans les cylindres 11 (opération 75).
Dans le cas contraire, le calculateur 100 acquiert la température To du liquide de refroidissement en aval du refroidisseur EGR 31 (opération 76) ainsi que la température ambiante Ta (opération 77).
Le calculateur 100 calcule alors une température cible Tc de liquide de refroidissement en fonction au moins de la température ambiante Ta mesurée (opération 78). Cette température cible Tc correspond à la température optimale du liquide de refroidissement, assurant un encrassement réduit de la ligne EGR-HP 40.
Le calcul de cette température cible Tc est réalisé à l'aide d'une formule mathématique ou d'une cartographie mémorisée dans la mémoire morte (ROM) du calculateur 100 (cette cartographie faisant correspondre, à chaque température ambiante Ta, une température cible Tc).
En variante, on pourrait utiliser des paramètres supplémentaires pour calculer cette température cible Tc, par exemple la charge C instantanée du moteur à combustion interne 1 et/ou le régime R instantané du moteur à combustion interne 1, et/ou le débit de carburant injecté dans les cylindres 11.
Le calculateur 100 compare ensuite la température To du liquide de refroidissement mesurée avec la température cible Tc calculée (opération 79).
Si la température To du liquide de refroidissement est inférieure à la température cible Tc, alors la vanne de régulation 35 est pilotée à l'ouverture (opération 84), de manière à augmenter le débit de liquide de refroidissement circulant dans le refroidisseur EGR 31.
La consigne de pilotage C1 étant ici formée par l'angle d'ouverture que la vanne de régulation 35 doit prendre (C1 étant égal à zéro en position extrême de fermeture), cette consigne de pilotage C1 est calculée de la manière suivante (opération 83) :
- t est le temps,
- k est une constante prédéterminée enregistrée dans la mémoire morte (ROM) du calculateur 100,
- Δt est une différence de temps (en l'occurrence le pas de temps entre deux calculs successifs de la consigne de pilotage C1), et
- ΔC1 = C1 (t) - C1 (t - Δt).
Au contraire, si la température To du liquide de refroidissement est supérieure ou égale à la température cible Tc, alors la vanne de régulation 35 est pilotée à la fermeture (opération 82), de manière à réduire le débit de liquide de refroidissement circulant dans le refroidisseur EGR 31.
La consigne de pilotage C1 est alors calculée de la manière suivante (opération 81) :
Cette consigne de pilotage C1 est ensuite transmise à la vanne de régulation 35, qui s'ouvre ou se ferme en conséquence (opérations 82 ou 84).
Puis, le calculateur 100 revient au début de la boucle (opération 73).
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
On pourra par exemple prévoir de piloter la vanne de régulation du débit de liquide de refroidissement autrement, notamment lorsque la sonde de température sera située dans le refroidisseur EGR ou en aval du refroidisseur EGR.
Dans cette variante, on pourra prévoir d'évaluer, en fonction de la température mesurée et éventuellement d'autres paramètres (par exemple le débit et la température des gaz EGR), une température estimée du liquide de refroidissement en amont du refroidisseur EGR.
Dans cette variante, le débit et la température des gaz EGR pourront être mesurés ou calculés en fonction du régime et du couple moteur.