EP1815118B1

EP1815118B1 - Dispositif et procede de determination de la quantite de nox emise par un moteur diesel de vehicule automobile et systemes de diagnostic et de controle du fonctionnement du moteur comprenant un tel dispositif.

Info

Publication number: EP1815118B1
Application number: EP05822931A
Authority: EP
Inventors: David Gimbres
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: ATE391231T1; JP2008522071A; ES2303699T3; EP1815118A1; US20080010973A1; FR2878569A1; DE602005005849D1; FR2878569B1; DE602005005849T2; WO2006056702A1

Description

La présente invention concerne un dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel de véhicule automobile associé à des moyens à rampe commune d'alimentation en carburant des cylindres de celui-ci, du type comprenant des moyens d'acquisition de la pression dans au moins un cylindre du moteur et des moyens de détermination de la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre.
L'invention concerne également des systèmes de diagnostic et de contrôle du fonctionnement du moteur utilisant un tel dispositif.
La quantité d'oxydes d'azote, ou NOx, émise par un moteur Diesel est une donnée importante du fonctionnement de celui-ci.
En effet, l'émission des NOx, qui sont des molécules polluantes, doit être minimisée. A cet effet, la quantité de carburant et le débit d'air injectés dans les cylindres sont déterminés pour minimiser la formation de NOx lors de la combustion du mélange dans les cylindres.
Le moteur est en outre généralement associé à des moyens de dépollution agencés dans la ligne d'échappement de celui-ci, comme par exemple un piège à NOx, et le fonctionnement du moteur est alors commandé pour optimiser le fonctionnement des moyens de dépollution. Le moteur peut ainsi être commandé selon plusieurs modes de fonctionnement par modification des quantités de carburant et d'air injectés dans les cylindres. Par exemple, le moteur peut fonctionner en mode riche pour la régénération du piège à NOx.
Un mauvais réglage du moteur, dû par exemple au vieillissement des injecteurs et/ou des cylindres, a pour effet d'augmenter l'émission de NOx. Ainsi, la quantité de NOx émise par un moteur Diesel est représentative de l'état du fonctionnement du moteur.
La connaissance précise de la quantité de NOx émise par le moteur permet d'optimiser le fonctionnement de celui-ci, ainsi que la quantité de polluant rejetée dans l'atmosphère par le véhicule.
Des dispositifs de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel de véhicule automobile associé à des moyens à rampe commune d'alimentation des cylindres de celui-ci utilisent les valeurs de réglage du moteur pour déterminer la quantité de NOx émise, comme par exemple des cartographies d'injection, et/ou des cartographies EGR de débit d'air si le moteur est associé à une boucle de recirculation des gaz d'échappement (EGR).
Toutefois, de tels systèmes ne se fondent pas sur les caractéristiques réelles du fonctionnement du moteur mais sur des valeurs de réglages prédéterminées en sortie d'usine.
Or, les caractéristiques du moteur évoluent au cours du temps du fait du vieillissement de ses organes, comme par exemple ses injecteurs et ses cylindres. Ainsi, en cas de dérives importantes de ces caractéristiques, la quantité de NOx déterminée peut être fortement erronée.
D'autres systèmes de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel détermine la température moyenne du mélange enflammé dans les cylindres pour en déduire une quantité de NOx à l'état d'équilibre et par suite la masse de NOx émise par cycle moteur par le moteur.
Toutefois, dans certaines conditions, les résultats renvoyés par de tels systèmes présentent une précision relativement faible et de tels systèmes ne permettent pas de calculer la quantité de NOx à chaque instant de la phase de combustion des cylindres du moteur.
Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné en proposant un dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel qui soit précis, peu gourmand en temps de calcul et qui détermine en temps réel la quantité de NOx émise par le moteur.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel de véhicule automobile associé à des moyens à rampe commune d'alimentation en carburant des cylindres de celui-ci, du type comprenant des moyens d'acquisition de la pression dans au moins un cylindre du moteur et des moyens de détermination de la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend

des moyens de détermination d'une température du front de flamme lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre ;
des moyens de détermination de la masse de carburant brûlée dans le cylindre ;
des moyens de calcul de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre en fonction de la pression acquise, de la fraction massique en oxygène du mélange, de la température du front de flamme et de la masse de carburant brûlée déterminées.

Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif susmentionné comprend l'une au moins des caractéristiques suivantes :

les moyens de détermination de la masse de carburant brûlée dans le cylindre comprennent des moyens de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre et des moyens de détermination de la masse instantanée de carburant brûlée dans le cylindres en fonction de cette dernière et du potentiel calorifique du carburant injecté dans le cylindre ;
les moyens de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir du premier principe de la thermodynamique en fonction de l'angle vilebrequin du cylindre et de la pression dans celui-ci ;
les moyens de détermination de la température du front de flamme comprennent des moyens de détermination de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci et des moyens de détermination de la température du front de flamme dans le cylindre en fonction de cette température du mélange admis non brûlé ;
les moyens de détermination de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle thermodynamique de compression isentropique selon la relation : $T_{nb} = T_{nb}^{0} {(\frac{P^{nb}}{P^{0}})}^{\frac{k}{k - 1}}$

_nb

^nb

⁰

il comprend des moyens de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre et des moyens de détermination de l'instant du début de la combustion du mélange admis propres à comparer la quantité instantanée de chaleur déterminée à une valeur seuil prédéterminée et à déterminer l'instant de début de la combustion lorsque la quantité instantanée de chaleur déterminée est supérieure à la valeur seuil ;
les moyens de détermination de la température du mélange admis pendant la combustion de celui-ci comprennent :
- des moyens de détermination du nombre de moles du mélange admis dans le cylindre ; et
- des moyens de détermination de la température T⁰ _nb de référence à partir d'un modèle thermodynamique du mélange admis en fonction du nombre de moles du mélange admis et de la pression P⁰ dans les cylindres à l'instant prédéterminé avant le début de combustion ;
les moyens de détermination de la température
de référence sont adaptés pour déterminer celle-ci selon la relation : $T_{nb}^{0} = \frac{P^{0} \times V^{0}}{n \times R}$
les moyens de détermination de la température du front de flamme sont adaptés pour déterminer une température adiabatique théorique du front de flamme ;
les moyens de détermination de la température adiabatique du front de flamme sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle thermodynamique de conservation de l'enthalpie des réactifs et des produits de la combustion du mélange admis dans le cylindre en fonction de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci et de la fraction massique en oxygène de celui-ci ;
le modèle thermodynamique de conservation de l'enthalpie est un modèle polynomial du premier ou du second ordre ;
le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times Tnb + c_{3} \times {XO}_{2}$

_ad

₂

₁

₂

₃

le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times Tnb + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P$

_ad

₂

₁

₂

₃

₄

le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times T_{nb} + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P + c_{5} \times {XO}_{2}^{2}$

_ad

₂

₁

₂

₃

₄

₅

les moyens de détermination de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange admis dans le cylindre sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle chimique de production de NOx lors de la combustion du mélange dans le cylindre ; et
le modèle chimique est un modèle selon la relation: $Q_{NOx} = \frac{\ln (P) + 1}{b \times {XO}_{2}} \times \exp (\frac{T_{ad} - c}{d \times {XO}_{2}}) \times \frac{MCB}{MCI}$

_NOx

_ad

₂

L'invention a également pour objet un procédé de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel de véhicule automobile comprenant des moyens à rampe commune d'alimentation en carburant des cylindres de celui-ci, du type comprenant une étape d'acquisition de la pression dans au moins un cylindre du moteur, et une étape de détermination de la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de :

détermination de la température du front de flamme lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre ;
détermination de la masse de carburant brûlée dans le cylindre ; et
de calcul de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre en fonction de la pression acquise, de la fraction massique en oxygène du mélange, de la température du front de flamme et de la masse de carburant brûlée déterminées.

L'invention a également pour objet un système de diagnostic du dysfonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif du type susmentionné, des moyens de comparaison de la quantité de NOx émise à un seuil prédéterminé et des moyens de déclenchement d'une alarme lorsque la quantité de NOx est supérieure à ce seuil.
L'invention a également pour objet un système de contrôle du fonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile associé à des moyens de dépollution des NOx agencés dans une ligne d'échappement de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif du type susmentionné, des moyens de calcul de la quantité de NOx stockée dans les moyens de dépollution en fonction de la quantité de NOx déterminée par le dispositif et des moyens de commande, en fonction de la quantité de NOx stockée, du fonctionnement du moteur pour piloter le fonctionnement des moyens de dépollution.
L'invention a également pour objet un système de contrôle du fonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif du type susmentionné et des moyens de réglage adaptés pour régler le fonctionnement des moyens d'alimentation en fonction de la quantité de NOx émise déterminée, pour corriger des dérives du fonctionnement de ceux-ci.
Selon une autre caractéristique, ce système est caractérisé en ce que le moteur est associé à des moyens de recirculation d'une partie des gaz d'échappement en entrée de celui-ci, et en ce que les moyens de réglage sont en outre adaptés pour régler le fonctionnement des moyens de recirculation en fonction de la quantité de NOx émise déterminée, pour corriger des dérives du fonctionnement des moyens d'alimentation et/ou de recirculation.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est une vue schématique d'une unité de propulsion à moteur Diesel d'un véhicule automobile associé à un dispositif selon l'invention.
la figure 2 est une vue schématique plus en détail du dispositif selon l'invention ;
la figure 3 est un organigramme du fonctionnement du dispositif selon l'invention ; et
la figure 4 est un graphique de résultats renvoyés par le dispositif selon l'invention lors d'une campagne de test.

Sur la figure 1, un moteur Diesel 10 de véhicule automobile est associé à des moyens 12 à rampe commune d'alimentation en carburant de ses cylindres, par exemple comprenant une rampe commune d'alimentation délivrant du carburant sous haute pression à des injecteurs pilotés propres à injecter dans les cylindres du moteur 10 du carburant sous la forme d'injections multiples par exemple.
Le moteur 10 est également associé à une boucle 14 de recirculation d'une partie des gaz d'échappement, ou EGR, en entrée de celui-ci. La boucle 14 de recirculation comprend une ligne de dérivation 16 d'une ligne 18 d'échappement du moteur 10. Cette ligne de dérivation 16 est propre à prélever des gaz d'échappement en sortie du moteur 10 et à délivrer ceux-ci à des moyens 20 d'admission de mélange air/gaz d'échappement en entrée du moteur 10. Ces moyens 20 d'admission reçoivent également de l'air en provenance d'une entrée d'air 22 et délivrent au moteur 10 un mélange air/gaz d'échappement.
A des fins de traitement des émissions de polluants du moteur 10, et notamment l'émission d'oxydes d'azote, ou NOx, des moyens 24 de dépollution sont agencés dans la ligne d'échappement 18. Les moyens 24 de dépollution comprennent par exemple un piège à NOx adapté pour stocker des NOx et déstocker ceux-ci sous une forme non polluante pour leur rejet dans l'atmosphère.
De manière classique, le fonctionnement du moteur et des organes qui viennent d'être décrits est commandé par une unité 30 de commande du fonctionnement du moteur.
L'unité 30 est connectée à des moyens 32 d'acquisition de (i) la pression dans chaque cylindre du moteur, comprenant par exemple un capteur de déformation piézoélectrique agencé dans la culasse du cylindre adapté pour mesurer la pression la chambre de combustion de celui-ci, (ii) du régime moteur, comprenant par exemple un capteur de régime, (iii) du couple moteur désiré par le conducteur du véhicule, comprenant par exemple un capteur de la position de la pédale d'accélérateur du véhicule, et (iv) de l'angle moteur, comprenant par exemple un capteur à effet hall agencé sur l'arbre moteur.
L'unité 30 est également connectée à des moyens 34 d'acquisition du débit d'air en entrée du moteur, par exemple un débit-mètre agencé dans l'entrée d'air 22 des moyens 20 d'admission.
L'unité 30 est adaptée pour déterminer des consignes d'injection pour les moyens 12 d'alimentation, notamment une consigne d'injection pilote et une consigne d'injection principale pour chaque cylindre et pour chaque cycle moteur, en fonction du régime, du couple et de l'angle vilebrequin du cylindre, ce dernier étant déterminé par l'unité 30 en fonction de l'angle moteur acquis.
L'unité 30 détermine également, pour le cycle moteur, une consigne EGR de débit d'air pour les moyens 20 d'admission en fonction du régime, du couple et de l'angle vilebrequin du cylindre.
L'unité 30 est également adaptée pour mettre en oeuvre une stratégie de pilotage du fonctionnement des moyens 24 de dépollution en commandant le phasage et/ou la quantité de carburant injectée dans les cylindres afin de piloter les états de stockage/déstockage des moyens 24 de dépollution.
Le moteur 10 est associé à un dispositif conforme à l'invention de détermination de la quantité de NOx émise par celui-ci. Ce dispositif détermine une telle quantité en se basant sur la quantité de mélange admis brûlé dans la chambre de combustion de chaque cylindre lors de la propagation dans celle-ci d'un front de flamme, le mélange admis dans un cylindre étant défini comme la somme des quantités d'air frais, de gaz d'échappement et de carburant admise dans le cylindre.
Dans l'exemple illustré sur la figure 1, ce dispositif est mis en oeuvre par une sous-unité 36 de l'unité 30. Dans une autre variante, le dispositif peut également être mis en oeuvre par une unité de traitement d'informations dédiée.
Il va maintenant être décrit, en relation avec les figures 2 et 3, l'agencement et le fonctionnement du dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par le moteur 10.
La quantité de NOx émise par le moteur est déterminée en fonction d'un modèle chimique de la production de NOx lors de la combustion du mélange admis dans un cylindre du moteur. Ce modèle a pour variable la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange admis dans le cylindre, la masse instantanée MCB de carburant brûlée dans le cylindre, la pression P dans le cylindre et une température théorique Tad du front de flamme se propageant dans la chambre de combustion du cylindre, et de manière préférentielle, une température adiabatique théorique du front de flamme, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.
Le dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par le moteur 10 comprend des moyens 50 de détermination de la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange admis devant être brûlé dans le cylindre lors d'un cycle moteur. Ces moyens 50 reçoivent en entrée le débit d'air DA acquis et le taux TEGR de gaz d'échappement recyclé en entrée du moteur.
Le taux TEGR de gaz d'échappement recyclé est déterminé par l'unité 30 en fonction du débit d'air DA acquis et du point de fonctionnement du moteur, par exemple à partir d'une cartographie prédéterminée mémorisée dans l'unité 30.
Les moyens 50 reçoivent également la quantité MCI totale de carburant injectée dans le cylindre pour le cycle moteur et sont adaptés pour déterminer la richesse du mélange admis en fonction de celle-ci, comme cela est connu en soi. Cette quantité MCI est déterminée par l'unité 30 en fonction des consignes d'injection délivrées aux moyens 12 d'alimentation, par exemple en sommant les quantités de carburant injectées dans le cylindre pour le cycle moteur.
Les moyens 50 de détermination de la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange déterminent alors celle-ci en fonction de la richesse du mélange admis et du taux TEGR déterminés en se fondant sur un bilan de combustion du mélange admis, la fraction massique d'oxygène XO₂ admise étant classiquement directement proportionnelle à la richesse et au taux d'EGR, comme cela est connu en soi dans l'état de la technique
Le dispositif selon l'invention comprend également des moyens 52 de détermination de la quantité instantanée MCB de carburant brûlée dans le cylindre lors du cycle moteur.
A cet effet, les moyens 52 comprennent des moyens 54 de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée par la combustion du mélange dans le cylindre lors de la phase de combustion du cycle de celui-ci. Cette détermination est réalisée en fonction de la pression acquise P dans la chambre de combustion du cylindre et l'angle vilebrequin α du cylindre, à partir du premier principe de la thermodynamique, selon la relation : $\frac{dQ}{dα} = \frac{1}{k - 1} \times (V \times \frac{dP}{dα} - k \times P \times \frac{dV}{dα})$

où dα est une variation prédéterminée de l'angle vilebrequin a du cylindre, dQ est la quantité de chaleur instantanée dégagée par la combustion du mélange pendant la variation dα de l'angle vilebrequin, V et P sont le volume de la chambre de combustion et la pression dans celle-ci à l'instant de début de la variation dα de l'angle vilebrequin respectivement, dV et dP sont les variations du volume de la chambre de combustion et de la pression dans celle-ci correspondant à la variation dα de l'angle vilebrequin respectivement, et k un coefficient polytropique prédéterminé.
Cette quantité de chaleur dQ déterminée est délivrée à des moyens 56 de détermination de la quantité de carburant brûlée correspondante. Les moyens 56 sont propres à déterminer cette quantité de carburant en divisant la quantité de chaleur dQ par la valeur du contenu énergétique massique du carburant utilisé dans le moteur, ou PCI pour potentiel calorifique inférieur (en J/kg). La valeur PCI est par exemple cartographiée dans les moyens 56.
Le dispositif selon l'invention comprend également des moyens 58 de détermination de la température T_nb du mélange admis non brûlé à un instant après le début de la combustion du mélange dans le cylindre. Cette température T_nb du mélange admis non brûlé est calculée en faisant une hypothèse de compression isentropique du mélange admis non brûlé depuis un instant qui précède le début de la combustion. Cette température T_nb du mélange admis non brûlé est ensuite utilisée pour la détermination de la température adiabatique théorique T_ad du front de flamme se propageant à l'intérieur de la chambre de combustion du cylindre, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.
Les moyens 58 de détermination de la température T_nb comprennent des moyens 60 de détermination du nombre de môles n du mélange admis présent dans la chambre de combustion du cylindre avant le début de la combustion en fonction du débit d'air DA acquis, du taux TEGR de gaz d'échappement recyclé en entrée du moteur et de la quantité totale de carburant injecté MCI dans le cylindre.
Le nombre n de môles est alors délivré à des moyens 62 de détermination de la température
du mélange admis à un instant prédéterminé avant le début de la combustion dans le cylindre, par exemple correspondant à un angle vilebrequin α⁰ compris dans la plage d'angles vilebrequin [-60° ; -20°] avant le point mort haut (PMH) du cycle du cylindre.
La détection de l'instant du début de combustion du mélange est réalisée par des moyens 64 de comparaison de la quantité instantanée dQ de chaleur dégagée par la combustion du mélange admis, déterminée par les moyens 54, à un seuil prédéterminé.
Lorsque la quantité dQ de chaleur atteint cette valeur seuil, le début de la combustion du mélange admis est détecté et le calcul de la température T_nb du mélange admis non brûlé pendant la combustion est déclenché.
Les moyens 62 déterminent alors la température
en considérant le mélange admis comme un gaz parfait selon la relation : $T_{nb}^{0} = \frac{P^{0} \times V^{0}}{n \times R}$

où V⁰ et P⁰ sont le volume de la chambre de combustion et la pression dans celle-ci à l'instant prédéterminé avant le début de combustion du mélange admis, et R est la constante des gaz parfaits.
Les valeurs de V⁰ et de P⁰ sont par exemple mémorisées dans les moyens 62 à la suite de la dernière acquisition de la pression P dans le cylindre pour l'angle vilebrequin α⁰ compris dans la plage d'angles vilebrequin [-60° ; - 20°] avant le point mort haut du cycle du cylindre, l'angle vilebrequin α⁰ correspondant au volume V⁰ de la chambre de combustion du cylindre.
La température
et la pression P⁰ avant le début de combustion sont délivrées comme température et pression de référence à des moyens 66 de détermination de la température T_nb du mélange admis non brûlé pendant la combustion, c'est-à-dire lors de la propagation du front de flamme dans la chambre de combustion du cylindre. Les moyens 66 déterminent cette dernière à partir d'un modèle thermodynamique de compression isentropique de la phase de compression du cycle du cylindre selon la relation : $T_{nb} = T_{nb}^{0} {(\frac{P^{nb}}{P^{0}})}^{\frac{k}{k - 1}}$
Les moyens 66 déterminent la température T_nb de manière continue pendant une période de temps correspondant à la combustion du mélange admis dans le cylindre. Cette période correspond par exemple à la plage d'angles vilebrequin [0 ; 120°] après le PMH si la charge du moteur est partielle
ou la plage [-15 ; 120°] par rapport au PMH si la charge du moteur est sensiblement maximale.
La température T_nb déterminée est délivrée à des moyens 68 de détermination de la température adiabatique T_ad du front de flamme lors de la combustion du mélange admis dans la chambre de combustion du cylindre.
Ces derniers déterminent la température T_ad à partir d'un modèle thermodynamique de conservation de l'enthalpie des réactifs et des produits de la combustion du mélange selon la relation : $H_{initial} (P, T_{nb}, {XO}_{2}) = H_{final} (P T_{ad} {XO}_{2})$

où H_initial est l'enthalpie du mélange admis avant l'instant de début de combustion de celui-ci et H_final est l'enthalpie admis des gaz brûlés issus de la combustion du mélange admis par le front de flamme.
De manière avantageuse, ce modèle de conservation de l'enthalpie est approximé par un modèle polynomial, la température T_ad adiabatique du front de flamme étant déterminée par les moyens 68 selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times Tnb + c_{3} \times {XO}_{2}$

où c₁, c₂ et c₃ sont des coefficients prédéterminés.
La corrélation entre la température adiabatique déterminée selon la relation (5) et une température adiabatique déterminée à partir d'un modèle complexe de celle-ci basée sur l'équation (4) présente un coefficient de corrélation R² sensiblement égal à 99,43%.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens 68 reçoivent également en entrée la pression P mesurée dans la chambre de combustion du cylindre et déterminent la température adiabatique du front de flamme selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times T_{nb} + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P$

où c₁, c₂, c₃, c₄ sont des coefficients prédéterminés.
L'introduction de la pression P dans le cylindre dans la relation (6) permet d'obtenir un coefficient R² sensiblement égal à 99,5%.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens 68 reçoivent également en entrée la pression P mesurée dans la chambre de combustion du cylindre et déterminent la température adiabatique du front de flamme selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times T_{nb} + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P + c_{5} \times {XO}_{2}^{2}$

où c₁, c₂, c₃, c₄ et c₅ sont des coefficients prédéterminés.
L'introduction du carré de la fraction massique XO₂ dans la relation (7) permet d'obtenir un coefficient R² sensiblement égal à 99,97%.
Ainsi, les moyens 68 déterminent la température T_ad adiabatique du front de flamme d'une manière simple et peu coûteuse en temps de calcul, tout en déterminant celle-ci de manière fiable.
Enfin, le dispositif selon l'invention comprennent des moyens 70 de calcul de la quantité instantanée de NOx émise par la combustion du mélange admis dans le cylindre en fonction de la pression P dans celui-ci, de la température adiabatique T_ad du front de flamme, .de la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange et de la masse instantanée MCB de carburant brûlé. Ce calcul est réalisé à partir d'un modèle chimique de production de NOx dans le cylindre prédéterminé par exemple selon la relation : $Q_{NOx} = \frac{\ln (P) + 1}{b \times {XO}_{2}} \times \exp (\frac{T_{ad} - c}{d \times {XO}_{2}}) \times \frac{MCB}{MCI}$

où Q_NOx est la quantité instantanée de NOx émise par la combustion du mélange admis dans le cylindre en gramme par kilogramme de carburant injecté dans le cylindre par degré vilebrequin, et b, c et d sont des paramètres prédéterminés.
Du fait du décalage temporel entre les phases de combustion dans les cylindres qui n'ont jamais lieu simultanément, la quantité instantanée Q_NOx de NOx produite lors de la combustion du mélange dans le cylindre est donc sensiblement égale à celle émise par le moteur 10.
La figure 3 est un organigramme du fonctionnement du dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par le moteur venant d'être décrit.
Successivement au démarrage du véhicule, le fonctionnement consiste en 50 à sélectionner la référence i du cylindre au sein duquel la prochaine combustion de mélange a lieu.
Ensuite, en 52, la masse totale de carburant MCI, le débit d'air DA et le taux EGR injectés TEGR dans ce cylindre i sont déterminés.
Une étape 54 suivante consiste alors à déterminer, en fonction des valeurs déterminées en 52, la richesse du mélange admis puis la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange admis dans le cylindre i.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention consiste alors en 56 à déterminer la quantité instantanée de chaleur dQ dégagée par la combustion du mélange admis dans le cylindre i selon la relation (1) et à comparer celle-ci, en 58, à la valeur de seuil de détection de l'instant de début de combustion du mélange.
Tant que cet instant n'est pas détecté, c'est-à-dire tant que la quantité dQ est inférieure au seuil de détection, le processus 58 boucle sur l'étape 56.
Si l'instant de début de combustion est détecté en 58, une étape 60 suivante du fonctionnement est une étape de détermination de la température
du mélange à l'instant prédéterminé avant le début de combustion de celui-ci selon la relation-(2).
L'étape 60 est alors suivie d'une étape 62 de détermination de la température T_nb du mélange admis non brûlé à un instant après le début de combustion selon la relation (3). L'étape 62 se poursuit par la détermination de la température adiabatique T_ad du front de flamme selon la relation (5) en fonction de la température T_nb du mélange admis non brûlé, de la fraction massique en oxygène XO₂ du mélange, et de la pression P du cylindre i si la relation (6) ou la relation (7) est utilisée.
La masse instantanée MCB de carburant brûlée dans le cylindre i est ensuite déterminée en 64 en fonction de la quantité de chaleur déterminée précédemment, comme cela a été décrit plus haut.
Le fonctionnement se poursuit alors par une étape 66 de détermination de la quantité instantanée Q_NOx de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre i selon la relation (8).
A la suite de la détermination de la quantité Q_NOx, un test est réalisé en 68 pour savoir si la combustion du mélange dans le cylindre i est terminée, par exemple en testant si la quantité instantanée de chaleur dQ déterminée est inférieure à une seconde valeur de seuil prédéterminée.
Si le résultat de ce test est positif, l'étape 68 boucle alors sur l'étape 50 pour le choix d'un nouveau cylindre i.
Si le résultat de ce test est négatif, une nouvelle quantité instantanée de chaleur dQ est déterminée en 70.
L'étape 70 boucle alors sur l'étape 62 pour la détermination d'une nouvelle quantité instantanée Q_NOx de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre i à un instant suivant de la combustion, par la mise en oeuvre des étapes 62, 64 et 66.
Le dispositif selon l'invention met en oeuvre un algorithme de détermination nécessitant une somme de calculs peu importante, tout en permettant la détermination de la quantité de NOx émise par le moteur en temps réel et de manière instantanée, c'est-à-dire y compris à chaque instant de la phase de combustion du cylindre.
D'autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention sont possibles.
Par exemple, en variante, le dispositif comprend une chaîne d'acquisition de la pression dans un seul cylindre du moteur et le dispositif est propre à déterminer la quantité de NOx émise par la combustion du mélange admis dans ce cylindre et à multiplier la quantité de NOx déterminée par le nombre de cylindres du moteur afin d'obtenir la quantité de NOx totale émise par le moteur.
En variante, la dispositif comprend une chaîne d'acquisition de pression dans un nombre n quelconque de cylindres du moteur, et est propre à déterminer la quantité de NOx émise par ces systèmes et à multiplier cette dernière par $\frac{N}{n},$
où N est le nombre de cylindres du moteur, afin d'obtenir la quantité de NOx totale émise par le moteur.
La figure 4 illustre la précision de la détermination de la quantité de NOx émise le moteur mise en oeuvre par le dispositif selon l'invention. En abscisse, il est représenté, pour différents points de fonctionnement d'un moteur Diesel de test, la quantité de NOx déterminée à l'aide d'un modèle physique complexe de production de NOx, et en ordonnée les quantités correspondantes obtenues par le dispositif selon l'invention.
Le dispositif selon l'invention permet donc de manière simple d'obtenir une précision importante pour une grande plage de fonctionnement du moteur.
Ainsi, il est possible d'utiliser un tel dispositif dans des systèmes plus complexes de diagnostic et/ou de contrôle du fonctionnement du moteur Diesel 10 utilisant des informations sur la quantité de NOx émise par le moteur.
Un premier système est un système de diagnostic du dysfonctionnement du moteur 10. En effet, si l'émission de NOx est anormalement élevée, un dysfonctionnement du moteur 10 peut être diagnostiqué.
Le système de diagnostic comprend à cet effet un dispositif selon l'invention qui délivre la quantité instantanée de NOx émise par le moteur à -des moyens de comparaison de celle-ci à un seuil prédéterminé. Des moyens de déclenchement d'une alarme reçoivent les résultats de cette comparaison et déclenchent une alarme, par exemple l'activation d'un voyant lumineux agencé sur la planche de bord du véhicule, lorsque la quantité de NOx déterminée est supérieure à ce seuil.
Il est également possible d'envisager un système contrôlant le fonctionnement du moteur Diesel 10 pour le pilotage des états de stockage et de déstockage des moyens 24 de dépollution se basant sur la quantité de NOx émise par le moteur.
Un tel système comprend par exemple un dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par le moteur conforme à l'invention délivrant cette quantité à des moyens de calcul de la quantité de NOx stockée dans les moyens 24 de dépollution en fonction de celle-ci.
La quantité de NOx stockée déterminée est alors délivrée à des moyens -de comparaison de celle-ci à des premier et second seuils prédéterminés. Des moyens de déclenchement de la régénération des moyens 24 de dépollution reçoivent le résultat de cette comparaison et déclenchent le fonctionnement du moteur 10 en mode de régénération des moyens 24 de dépollution lorsque la quantité de NOx stockée dans ceux-ci est supérieure au premier seuil, et désactivent un tel mode de fonctionnement du moteur 10 lorsque la quantité de NOx stockée est inférieure au second seuil.
La régénération des moyens de dépollution est alors déclenchée en fonction d'une information qui reste pertinente tout au long de la vie du véhicule. Le fonctionnement du moteur associé au pilotage des moyens 24 de dépollution est alors optimisé.
Il est également possible d'envisager un système de contrôle du fonctionnement du moteur 10 comprenant le dispositif conforme à l'invention et des moyens de réglage du fonctionnement des moyens 12 d'alimentation du moteur 10. Les moyens de réglage sont adaptés pour régler le fonctionnement des moyens 12 d'alimentation en fonction de la quantité de NOx émise déterminée par le dispositif afin de corriger des dérives du fonctionnement de ceux-ci. Par exemple, les moyens de réglage des moyens 12 d'alimentation sont propres à régler le phasage et/ou les quantités de carburant injectées dans les cylindres pour minimiser l'émission de NOx par le moteur 10.
Les moyens de réglage peuvent également être adaptés pour régler le fonctionnement la boucle 14 de recirculation en fonction de la quantité de NOx émise par le moteur 10 pour corriger des dérives du fonctionnement des moyens 12 d'alimentation et/ou la boucle 14 de recirculation afin également de minimiser l'émission de NOx.

Claims

Dispositif de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel (10) de véhicule automobile associé à des moyens (12) à rampe commune d'alimentation en carburant des cylindres de celui-ci, du type comprenant des moyens (32) d'acquisition de la pression dans au moins un cylindre du moteur et des moyens (50) de détermination de la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend
- des moyens (58, 68) de détermination d'une température du front de flamme lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre ;

- des moyens (52) de détermination de la masse de carburant brûlée dans le cylindre ; et

- des moyens (70) de calcul de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre en fonction de la pression acquise, de la fraction massique en oxygène du mélange, de la température du front de flamme et de la masse de carburant brûlée déterminées.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (52) de détermination de la masse de carburant brûlée dans le cylindre comprennent des moyens (54) de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre et des moyens (56) de détermination de la masse instantanée de carburant brûlée dans le cylindres en fonction de cette dernière et du potentiel calorifique du carburant injecté dans le cylindre.
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (54) de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir du premier principe de la thermodynamique en fonction de l'angle vilebrequin du cylindre et de la pression dans celui-ci.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (58, 68) de détermination de la température du front de flamme comprennent des moyens (58) de détermination de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci et des moyens (68) de détermination de la température du front de flamme dans le cylindre en fonction de cette température du mélange admis non brûlé.
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens (58) de détermination de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle thermodynamique de compression isentropique selon la relation : $T_{nb} = T_{nb}^{0} {(\frac{P^{nb}}{P^{0}})}^{\frac{k}{k - 1}}$

où T_nb et P^nb sont respectivement la température du mélange admis non brûlé et la pression correspondante dans le cylindre pendant la combustion du mélange,
et P⁰ sont respectivement une température et une pression de référence du mélange admis dans le cylindre à un instant prédéterminé avant le début de la combustion du mélange admis, et k est un coefficient polytropique prédéterminé.
Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (54) de détermination de la quantité instantanée de chaleur dégagée lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre et des moyens (64) de détermination de l'instant du début de la combustion du mélange admis propres à comparer la quantité instantanée de chaleur déterminée à une valeur seuil prédéterminée et à déterminer l'instant de début de combustion lorsque la quantité instantanée de chaleur déterminée est supérieure à la valeur seuil.
Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens (58) de détermination -de la température du mélange admis pendant la combustion de celui-ci comprennent :
- des moyens (60) de détermination du nombre de môles du mélange admis dans le cylindre ; et

- des moyens (62) de détermination de la température
de référence à partir d'un modèle thermodynamique du mélange admis en fonction du nombre de môles du mélange admis et de la pression P⁰ dans les cylindres à l'instant prédéterminé avant le début de combustion.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (62) de détermination de la température
de référence sont adaptés pour déterminer celle-ci selon la relation : $T_{nb}^{0} = \frac{P^{0} \times V^{0}}{n \times R}$
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que les moyens (58, 68) de détermination de la température du front de flamme sont adaptés pour déterminer une température adiabatique théorique du front de flamme.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 et la revendication 9 prises ensemble, caractérisé en ce que les moyens (68) de détermination de la température adiabatique du front de flamme sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle thermodynamique de conservation de l'enthalpie des réactifs et des produits de la combustion du mélange admis dans le cylindre en fonction de la température du mélange admis non brûlé pendant la combustion de celui-ci et de la fraction massique en oxygène de celui-ci.
Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le modèle thermodynamique de conservation de l'enthalpie est un modèle polynomial du premier ou du second ordre.
Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times Tnb + c_{3} \times {XO}_{2}$

où T_ad est la température adiabatique du front de flamme, XO₂ est la fraction massique en oxygène du mélange, et c₁, c₂ et c₃ sont des coefficients prédéterminés.
Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times T_{nb} + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P$

où T_ad est la température adiabatique du front de flamme, XO₂ est la fraction massique en oxygène du mélange, P est la pression dans le cylindre, et c₁, c₂, c₃, c₄ sont des coefficients prédéterminés.
Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le modèle polynomial est un modèle selon la relation : $T_{ad} = c_{1} + c_{2} \times T_{nb} + c_{3} \times {XO}_{2} + c_{4} \times P + c_{5} \times {XO}_{2}^{2}$

où T_ad est la température adiabatique du front de flamme, XO₂ est la fraction massique en oxygène du mélange, P est la pression dans le cylindre, et c₁, c₂, c₃, c₄ et c₅ sont des coefficients prédéterminés.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce les moyens (70) de détermination de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange admis dans le cylindre sont adaptés pour déterminer celle-ci à partir d'un modèle chimique de production de NOx lors de la combustion du mélange dans le cylindre.
Dispositif selon la revendication 15 et la revendication 9 prises ensemble, caractérisé en ce que le modèle chimique est un modèle selon la relation : $Q_{NOx} = \frac{\ln (P) + 1}{b \times {XO}_{2}} \times \exp (\frac{T_{ad} - c}{d \times {XO}_{2}}) \times \frac{MCB}{MCI}$

où Q_NOx est la quantité instantanée de NOx émise par le moteur, P est la pression dans le cylindre, T_ad est la température adiabatique du front de flamme dans le cylindre, XO₂ est la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre, MCB est la masse instantanée de carburant brûlé dans le cylindre, MCI est la masse de carburant injectée dans le cylindre, et b, c et d sont des paramètres prédéterminés.
Système de diagnostic du dysfonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, des moyens de -comparaison de la quantité de NOx émise à un seuil prédéterminé et des moyens -de déclenchement d'une alarme lorsque la quantité de NOx est supérieure à ce seuil.
Système de contrôle du fonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile associé à des moyens de dépollution des NOx agencés dans une ligne d'échappement de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 16, des moyens de calcul de la quantité de NOx stockée dans les moyens de dépollution en fonction de la quantité de NOx déterminée par le dispositif et des moyens de commande, en fonction de la quantité de NOx stockée, du fonctionnement du moteur pour piloter le fonctionnement des moyens de dépollution.
Système de contrôle du fonctionnement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 16 et des moyens de réglage adaptés pour régler le fonctionnement des moyens d'alimentation en fonction de la quantité de NOx émise déterminée, pour corriger des dérives du fonctionnement de ceux-ci.
Système selon la revendication 19, caractérisé en ce que le moteur est associé à des moyens de recirculation d'une partie des gaz d'échappement en entrée de celui-ci, et en ce que les moyens de réglage sont en outre adaptés pour régler le fonctionnement des moyens de recirculation en fonction de la quantité de NOx émise déterminée, pour corriger des dérives du fonctionnement des moyens d'alimentation et/ou de recirculation.
Procédé de détermination de la quantité de NOx émise par un moteur Diesel (10) de véhicule automobile comprenant des moyens (12) à rampe commune d'alimentation en carburant des cylindres de celui-ci, du type comprenant une étape d'acquisition de la pression dans au moins un cylindre du moteur, et une étape (54) de détermination de la fraction massique en oxygène du mélange admis dans le cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de:
- détermination (en 62) de la température du front de flamme lors de la combustion du mélange admis dans le cylindre ;

- détermination (en 64) de la masse de carburant brûlée dans le cylindre; et

- de calcul (en 66) de la quantité de NOx émise par la combustion du mélange dans le cylindre en fonction de la pression acquise, de la fraction massique en oxygène du mélange, de la température du front de flamme et de la masse de carburant brûlée déterminées.