EP2807353B1

EP2807353B1 - Procédé de protection thermique des composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique

Info

Publication number: EP2807353B1
Application number: EP13704153.9A
Authority: EP
Inventors: Guillaume Allegre; Efstratios KRETZAS
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: FR2986264B1; CN104246160B; WO2013110873A1; FR2986264A1; BR112014017533B1; EP2807353A1; CN104246160A; BR112014017533A2; BR112014017533A8

Description

La présente invention concerne un procédé de protection thermique des composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique dont le carburant est l'essence, que le moteur soit suralimenté ou non et qu'il soit à injection directe ou indirecte.
Les composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique sont constitués par les éléments se trouvant dans le circuit d'évacuation des gaz brulés, en commençant, dans le sens d'évacuation des gaz, par les soupapes d'échappement, en passant successivement par le collecteur des gaz d'échappement, le turbocompresseur pour les moteurs suralimentés, le catalyseur muni de sondes (sondes à oxygène par exemple), et en terminant par le silencieux. Les composants peuvent être plus ou moins chauds selon les conditions de fonctionnement du moteur. Si la température des gaz d'échappement est trop élevée, la température d'un composant peut éventuellement dépasser une température critique à partir de laquelle le composant peut être endommagé. Il est donc important de bien maitriser la température dans la ligne d'échappement afin d'éviter d'endommager un composant et donc de ne pas dépasser la température critique.
Le contrôle de la température d'un catalyseur placé dans la ligne d'échappement est par exemple décrit dans plusieurs documents. Plus particulièrement, le document JP4060106(A ) concerne un dispositif permettant de comparer la mesure de l'exotherme d'un catalyseur, par un capteur de température, avec l'estimation de cet exotherme afin de déterminer l'état de vieillissement du catalyseur. Si l'exotherme ne correspond pas à celui estimé, on peut en déduire que le catalyseur est détérioré. Ce dispositif ne concerne pas la protection d'un composant d'une ligne d'échappement par limitation thermique.
Le document JP5312074(A ) concerne un procédé de compensation d'un capteur d'oxygène à l'échappement, en aval du catalyseur, en fonction de la température du catalyseur et de l'oxygène stocké dans le catalyseur. Cependant ce document ne concerne pas la protection thermique de la ligne d'échappement par enrichissement de la combustion.
Le brevet US6691507(B1 ) décrit un dispositif de mise en température et de maintien en température d'un élément de post traitement des oxydes d'azote, ainsi que la régénération de ce dispositif par fonctionnement alterné riche/pauvre du contrôle de la richesse du mélange de combustion carburant/air. Ce brevet ne concerne pas la protection thermique d'un composant en jouant sur la richesse.
Le brevet FR2141049(A5 ) concerne la détermination de la richesse en entrée d'un catalyseur afin d'optimiser le post traitement des gaz d'échappement.
On connait par le document EP1329627 un procédé de protection thermique des composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique selon lequel les températures des gaz d'échappement et des parois de la ligne d'échappement sont déterminées et selon lequel le composant de la ligne d'échappement ayant atteint sa limite maximale de température est détecté, et dans lequel on :

détermine une température de consigne des gaz d'échappement en sortie dudit moteur pour ne pas dépasser sa limite maximale de température, et
élabore une consigne de richesse permettant d'assurer ladite température de consigne des gaz d'échappement,
ladite consigne de richesse étant déduite de la température des gaz d'échappement en sortie moteur estimée par cartographie en fonction de paramètres moteurs prédéterminés.

La présente invention propose un procédé permettant de protéger thermiquement les composants d'une ligne d'échappement en contrôlant la richesse.
De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de protection thermique des composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique selon lequel les températures des gaz d'échappement et des parois de la ligne d'échappement sont déterminées (estimées ou mesurées) et selon lequel le composant de la ligne d'échappement ayant atteint sa limite maximale de température est détectée. Selon ledit procédé,

on détermine une température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie dudit moteur, et
on élabore une consigne de richesse φ_consigne permettant d'assurer ladite température de consigne des gaz d'échappement.

Ladite consigne de richesse φ_consigne est déterminée dans la limite de la richesse maximale acceptable par le moteur.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré, ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie moteur est déterminée par prépositionnement de la température de consigne et par régulation, ledit prépositionnement délivrant une température de consigne de base T3(x)_base déterminée à l'aide de cartographies en fonction du point de fonctionnement moteur et du composant x à protéger. Lesdites cartographies peuvent être des cartographies charge-régime moteur avec pour paramètre la température en sortie moteur T3. Ladite régulation est de préférence du type proportionnel et intégral qui délivre un terme correctif. Ledit terme correctif est additionné à la valeur de prépositionnement T3(x)_base pour fournir ladite température T3_consigne.
Au lieu d'actionner ledit prépositionnement et ladite régulation, il est possible de choisir une valeur par défaut pour ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie moteur.
Selon un autre mode de mise en oeuvre, ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie moteur peut être déterminée par inversion des modèles de la ligne d'échappement.
Afin d'élaborer ladite consigne de richesse φ_consigne, selon l'invention, on détermine une température des gaz d'échappement en sortie moteur T3_estim pour une richesse φ. Ladite température T3_estim est déterminée à partir d'une température T3_estimφ=1 en fonction des différents paramètres moteur et pour une richesse φ=1, ladite température T3_estimφ=1 étant corrigé à l'aide d'une fonction de correction f(Q_ech, _φ) déterminé par cartographie (débit Q_ech des gaz d'échappement - richesse de consigne φ).
Selon l'invention, ladite température T3_estim est déterminée à partir de la relation: $T 3_{estim} = {T 3}_{estimφ = 1} \times f (Q_{ech}, φ)$
et ladite richesse de consigne de protection du composant x est déterminée à partir de la relation: $φ = f^{- 1} (Q_{ech}, \frac{T 3_{Consigne}}{T 3_{estim φ = 1}})$
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins annexés qui montrent:

la figure 1, le schéma d'une ligne d'échappement avec les points protégés thermiquement par une adaptation du pilotage moteur;
la figure 2, l'architecture de la fonction de protection thermique;
le figure 3, l'illustration du calcul de la consigne de température échappement;
la figure 4, la représentation d'un modèle direct de température des gaz d'échappement et la dépendance en richesse; et
la figure 5, la représentation du modèle inverse pour la détermination de la richesse de protection d'un composant de la ligne d'échappement.

La figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement 10 d'un moteur thermique 12 avec sa culasse 14. Les gaz d'échappement sortent des cylindres 16 par les soupapes d'échappement 18 pour entrer dans le collecteur d'échappement 20. Les gaz passent ensuite successivement par un turbocompresseur 22 (pour un moteur suralimenté) muni d'une turbine 24 et d'un by-pass 26 ("waste gate"), un catalyseur 28 avec une sonde à oxygène en amont 30 et une sonde en aval 32, et des silencieux 34 et 36. Les points à surveiller thermiquement, et les composants que l'on souhaite protéger thermiquement, sont principalement l'amont 40 du turbocompresseur 22, l'amont 42 et l'aval 44 du catalyseur 28 avec les sondes 30 et 32, ainsi que l'intérieur 46 du catalyseur 28 et le collecteur 20 (le point surveillé du collecteur est désigné par 48 sur la figure 1). Selon l'invention les composants sont protégés thermiquement par une adaptation du pilotage du moteur thermique. Le but poursuivi est que les températures aux points surveillés ne dépassent pas une valeur critique pour laquelle et au-delà de laquelle les composants (ici le turbocompresseur et le catalyseur avec ses sondes) pourraient être endommagés.
De façon succincte, l'invention consiste en une limitation de la température des gaz d'échappement à la sortie du moteur, en déterminant l'enrichissement nécessaire pour ne pas dépasser la température critique du composant ayant atteint cette température critique, par inversion des modèles de thermique de la ligne d'échappement.
Selon le procédé de l'invention, on détermine une température de consigne en sortie moteur T3_consigne et la richesse φ_consigne permettant d'assurer ladite température de consigne.
La figure 2 illustre schématiquement les étapes principales du procédé. Les deux premières étapes, correspondant aux modules 50 et 52, sont généralement connues, le périmètre de l'invention concernant les deux modules suivants 54 et 56 entourés du rectangle 55.
Le module 50 permet d'estimer, à l'aide d'un ou plusieurs modèle(s), les températures dans la ligne d'échappement en fonction de divers paramètres tels que le régime moteur, la charge, l'avance à l'allumage et la température extérieure au véhicule. Le module 50 fournit les températures Tech_estim des gaz et des parois de la ligne d'échappement, qui sont modélisés séparément ou qui peuvent être mesurées par des capteurs.
Le module 52 permet de détecter, autrement dit d'identifier parmi les composants de la ligne d'échappement que l'on souhaite protéger thermiquement, à partir de l'information Tech_estim fournie par le module 50, le composant ayant atteint sa température critique (température à partir de laquelle le composant peut être endommagé). Pour cela, on peut utiliser un moniteur connu qui scrute toutes les températures surveillées et qui indique l'élément à protéger. Le module 52 fournit trois informations:

x qui est l'indice de l'élément détecté comme celui ayant atteint sa température critique (la détection est faite à l'aide de modèles);
Tech(x)_max qui est la température maximale admissible par le composant x qui a été détecté comme celui ayant atteint sa limite en température, et
Tech(x)_estim qui est la température courante (à l'instant considéré) du composant x.

Ces trois informations sont alors fournies à un module 54 qui élabore une température de consigne T3_consigne (indiquée également sur la figure 1) qui est la température de consigne des gaz d'échappement en sortie du moteur thermique et donc en sortie du collecteur d'échappement 20. La description détaillée du module 54 sera faite ci-après à l'aide de la figure 3.
Cette température de consigne T3_consigne est fournie à un module 56 qui élabore une consigne de richesse φ_consigne à appliquer au contrôleur moteur. La description détaillée du module 56 sera faite ci-après à l'aide des figures 4 et 5.
Le procédé, objet de la présente invention, peut être résumé de la façon suivante:

les températures des gaz d'échappement et des parois dans la ligne échappement sont estimées (module 50) ou mesurées;
le composant de la ligne échappement ayant atteint sa limite maximale de température est détecté (module 52);
une température de consigne des gaz d'échappement au niveau de la sortie du moteur (sortie culasse) est déterminée (module 54); et
dans la limite de la richesse maximale acceptable sur le moteur, une richesse est déterminée afin de respecter la consigne de température des gaz d'échappement en sortie du moteur précédemment définie (module 56). La richesse maximale admissible par le moteur correspond à la limite en dessous de laquelle la qualité de la combustion est acceptable (stabilité de la combustion).

La consigne de température des gaz d'échappement en sortie du moteur, T3_consigne représente ainsi la température des gaz d'échappement à respecter en sortie du moteur pour ne pas dépasser la limite maximale de température critique Tech[x]max de l'élément x identifié. L'écart entre les deux températures, T3_consigne et Tech[x]max peut être défini par une fonction de transfert qui prend en compte les échanges thermiques dans la ligne d'échappement entre la sortie moteur et l'élément x. Cependant une telle fonction de transfert est complexe à modéliser, La figure 3 représente en détails un mode de mise en oeuvre avantageux du procédé concernant l'élaboration de la consigne de température des gaz d'échappement en sortie du moteur, T3_consigne (module 54), permettant d'éviter la modélisation d'une telle fonction de transfert. On distingue ici deux étapes: d'une part, le prépositionnement de la température de consigne (illustré par le rectangle 58) qui fournit, pour l'élément x, une température de base T3(x)_base (la température T3 est la température des gaz d'échappement à la sortie du moteur, plus précisément à la sortie du collecteur échappement) et, d'autre part, une régulation de la température (rectangle 60) qui fournit un terme de correction de la température T3(x)_base .
Le prépositionnement permet d'initier la régulation à partir d'une température de base T3(x)_base proche de la consigne de température des gaz d'échappement en sortie du moteur recherchée, ce qui permet une régulation plus rapide. Pour le prépositionnement, on peut utiliser des cartographies 62, une cartographie par élément x (on ne surveille qu'un seul élément à la fois, l'élément x). L'indice x de l'élément à surveiller est introduit par l'entrée 64 d'un sélecteur 66 qui sélectionne la cartographie de l'élément x. Les cartographies représentent avantageusement la charge en air du moteur 76 en ordonnée en fonction du régime moteur 74 en abscisse, avec comme paramètre la température T3. La cartographie concernant l'élément x donne la température T3(x)_base en boucle ouverte que l'on affine à l'aide du régulateur 60.
Le régulateur 60 est de préférence du type proportionnel et intégrale, bien qu'un autre type pourrait être utilisé (par exemple du type proportionnel, intégral et dérivée ou proportionnel et dérivée ou encore d'un type plus complexe). Il fournit un terme correctif à la température T3(x) base. Le régulateur se compose d'une commande proportionnelle 68 et d'une commande intégrale 70. Ces deux commandes reçoivent une information 72 qui représente l'erreur de température du composant x à protéger, cette erreur étant égale à (Tech(x)_max - Tech(x)_estim). Les deux commandes 68 et 70 reçoivent aussi le régime moteur 74 et la charge en air 76. La commande proportionnelle 68 délivre un terme correctif 78 qui est proportionnel à l'erreur 72 et la commande intégrale 70 fournit un terme correctif 80 qui représente l'intégration de l'erreur en fonction du temps de façon à faire converger le signal d'erreur. Les termes correctifs 78 et 80 sont additionnés dans un additionneur 82 qui fournit le terme correctif 84. Ce dernier est additionné avec la température T3(x)_base fourni par le prépositionnement 58, dans un additionneur 86. La température régulée (T3(x)_base + le terme correctif) est fournit à une entrée 88 d'un sélecteur 90. Ce dernier permet de choisir, soit la température régulée, soit une valeur de température par défaut T_défaut (fourni par un module 92 de valeurs de températures sans protection) lorsque la protection n'est pas active. Le choix entre ces deux entrées est effectué à l'aide d'un signal "activation protection composant" appliqué sur l'entrée 94 du module 90. Ce dernier délivre la température des gaz d'échappement de consigne T3_consigne.
En résumé, le calcul de la consigne de température échappement T3_consigne permettant de réaliser la protection des composants de la ligne échappement peut être composé par :

un prépositionnement (ou boucle ouverte) cartographié en fonction du point de fonctionnement moteur et de l'élément à protéger (rectangle 58);
un régulateur de type proportionnel-intégral dont les gains dépendent du point de fonctionnement et de l'élément à protéger (rectangle 60); et
un arbitrage (rectangle 90) permettant de choisir entre :
- * une valeur par défaut (valeur élevée) lorsque la protection n'est pas active, et
- * la somme du pré positionnement et du terme correctif issue du régulateur.

Selon une variante de réalisation de l'invention, le mode de mise en oeuvre représenté schématiquement sur la figure 3 (prépositionnement et régulateur) peut être remplacé par une inversion des modèles de la ligne d'échappement. Cette variante permet de réduire le temps de calibration ainsi que le nombre de calibrations. Cependant, elle présente les inconvénients d'être complexe à mettre en oeuvre et de ne pas offrir de degré de liberté dans la calibration pour la maitrise du comportement du système. Le mode de mise en oeuvre illustré par la figure 3 est alors préféré.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement un mode de mise en oeuvre de l'élaboration d'une consigne de richesse (module 56 de la figure 2), la figure 4 représentant schématiquement un modèle direct de température des gaz d'échappement et la dépendance en richesse et la figure 5 illustrant un modèle inverse pour la détermination de la richesse permettant la protection des composants.
Sur la figure 4, la température T3_estimφ=1 des gaz d'échappement, estimée pour une richesse de combustion de consigne φ égale à 1 et pour un point de fonctionnement considéré, est délivrée par le module 100 en fonction des différents paramètres du moteur (point de fonctionnement, température d'eau, dégradation d'avance à l'allumage, position des arbres à cames, etc....). Des cartographies 102, obtenues au banc d'essais et représentant en ordonnée le débit Q_ech des gaz d'échappement et en abscisse la richesse φ, permettent d'obtenir une fonction de correction f( ) de la température échappement en fonction du débit Q_ech des gaz d'échappement et de la richesse φ. La fonction de correction f( ) est délivré à un multiplicateur 104. Ce dernier délivre à sa sortie la température T3_estim qui est la température estimée des gaz d'échappement en sortie moteur (sortie du collecteur échappement) pour une richesse φ, ce qui s'exprime par: $T 3_{estim} = T 3_{estimφ = 1} \times f (Q_{ech}, φ)$
La fonction f( ) étant bijective sur l'intervalle de richesse [1,φ_max], φ_max étant la limite maximale de richesse en dessous de laquelle la qualité de la combustion est acceptable (stabilité de la combustion), il est possible de déterminer la richesse permettant de respecter une température des gaz d'échappement pour un point de fonctionnement donné. En effet: ${T 3}_{estim} = T 3_{estim φ = 1} \times f (Q_{ech}, φ) \Rightarrow φ = f^{- 1} (Q_{ech}, \frac{T 3_{Consigne}}{T 3_{estim φ = 1}})$
Avec:

T3_consigne : la température de consigne des gaz d'échappement en sortie moteur, et
f¹( ): la fonction inverse de f( ) par rapport à la richesse. Cette fonction f^-1( ) est fournie par une cartographie issue de l'inversion de la cartographie de f().

Ce modèle inverse est illustré sur la figure 5. Un diviseur 106 (c'est en effet un diviseur puisque le multiplicateur 104 de la figure 4 est inversé) reçoit sur l'une de ses entrées la température T3_consigne (donnée par le module 54 de la figure 2) et sur une autre entrée la température estimée T3_estimφ=1 estimée en sortie du moteur pour la richesse φ=1. Le module 50 de la figure 2 (estimation des températures dans la ligne échappement) fournit directement cette température T3_estimφ=1.
En comparaison avec les solutions existantes, la présente invention permet une réduction des émissions de CO₂ puisqu'on définit un enrichissement juste nécessaire. De plus, elle permet une bonne performance de limitation de la température des composants de la ligne échappement se traduisant, soit par une possibilité de réduction du cout des composants en permettant un fonctionnement à des températures plus proches des limites des matériaux (dimensionnement au plus juste), soit par une réduction des émissions de CO₂ en n'anticipant pas l'activation de la fonction. L'invention permet aussi un gain en cout de calibration: en effet, les modèles directs étant déjà calibrés, aucun essai supplémentaire n'est nécessaire puisqu'il suffit d'inverser numériquement les cartographies des modèles directs.

Claims

Procédé de protection thermique des composants de la ligne d'échappement d'un moteur thermique selon lequel les températures des gaz d'échappement et des parois de la ligne d'échappement sont déterminées et selon lequel le composant de la ligne d'échappement ayant atteint sa limite maximale de température est détecté, et dans lequel on :
- détermine (54) une température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie dudit moteur pour ne pas dépasser sa limite maximale de température, et

- élabore (56) une consigne de richesse φ_consigne permettant d'assurer ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement,
ledit procédé étant caractérisé en ce que, afin d'élaborer ladite consigne de richesse φ_consigne, on détermine une température des gaz d'échappement en sortie moteur T3_estim pour une richesse φ, ladite température T3_estim étant déterminée à partir d'une température T3_estimφ=1 en fonction des différents paramètres moteur (100) et pour une richesse φ=1, ladite température T3_estimφ=1 étant corrigée à l'aide d'une fonction de correction f(Q_ech, φ) déterminée par cartographie débit Q_ech des gaz d'échappement - richesse de consigne φ, T3_estim étant déterminée à partir de la relation : $T 3_{estim} = T 3_{estimφ = 1} \times f (Q_{ech}, φ)$
et ladite richesse de consigne de protection du composant est déterminée à partir de la relation : $φ_{consigne} = f^{- 1} (Q_{ech}, \frac{T 3_{Consigne}}{T 3_{estim φ = 1}})$
f^-1 ( ) étant la fonction inverse de f( ) par rapport à la richesse.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite consigne de richesse φ_consigne est déterminée dans la limite de la richesse maximale acceptable par le moteur.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie moteur est déterminée par prépositionnement (58) de la température de consigne qui fournit une température de base T3(x)_base et par une régulation (60) qui fournit un terme de correction de la température de base.
Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit prépositionnement (58) délivre une température de consigne de base T3(x)_base déterminée à l'aide de cartographies (62) en fonction du point de fonctionnement moteur et du composant x à protéger.
Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdites cartographies sont des cartographies charge-régime moteur avec pour paramètre la température en sortie moteur T3.
Procédé selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que ladite régulation (60) est du type proportionnelle (68) et intégrale (70) qui délivre un terme correctif (84).
Procédé selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que ledit terme correctif (84) est additionné (86) à la valeur de prépositionnement T3(x)_base pour fournir ladite température T3_consigne.
Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ladite température de consigne T3_consigne des gaz d'échappement en sortie moteur est déterminée par inversion des modèles de la ligne d'échappement.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits paramètres moteur sont constitués d'au moins l'un des paramètres suivants: point de fonctionnement, température d'eau, dégradation de l'avance à l'allumage et positionnement du calage des arbres à cames.