FR3014145A1 - Procede de determination de la pression de gaz en amont d'une turbine de suralimentation d'un moteur a combustion interne et systeme d'asservissement mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

Procede de determination de la pression de gaz en amont d'une turbine de suralimentation d'un moteur a combustion interne et systeme d'asservissement mettant en oeuvre un tel procede Download PDF

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Abstract

Ce procédé de détermination de la pression de gaz en amont d'une turbine (12) de suralimentation d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un turbocompresseur à haute pression (9) et un turbocompresseur à basse pression (8) comprenant chacun une turbine entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur et un compresseur lié à la turbine, comprend les étapes de : - calcul du régime du turbocompresseur à haute pression ; - calcul de la puissance du compresseur du turbocompresseur à haute pression ; - calcul de la puissance de la turbine du turbocompresseur à haute pression ; - calcul du rapport de détente de la turbine du turbocompresseur à haute pression. La pression de gaz en amont de la turbine du turbocompresseur à haute pression est déterminée à partir de la pression en amont de la turbine du turbocompresseur à basse pression et du rapport de détente calculé.

Description

Procédé de détermination de la pression de gaz en amont d'une turbine de suralimentation d'un moteur à combustion interne et système d'asservissement mettant en oeuvre un tel procédé La présente invention concerne le domaine du contrôle du fonctionnement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile et se rapporte plus particulièrement au contrôle d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne doté d'un double système de suralimentation, c'est-à-dire comprenant un turbocompresseur basse pression et un turbocompresseur haute pression étagés. Comme on le sait, les turbocompresseurs comprennent une turbine entraînée en rotation par les gaz d'échappement et un compresseur lié en rotation à la turbine pour augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur. Dans les moteurs ayant une architecture bi-turbos étagés, les turbocompresseurs sont montés en série de sorte que le compresseur du turbocompresseur basse pression alimente en air le compresseur du turbocompresseur haute pression, la turbine du turbocompresseur haute pression étant disposée en amont de la turbine du turbocompresseur basse pression. Avec l'augmentation des performances spécifiques des moteurs diesel suralimentés, les niveaux de pression de suralimentation augmentent de sorte que les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. Il est donc important de piloter le plus finement possible les turbocompresseurs, et en particulier le turbocompresseur à haute pression, afin d'éviter leur détérioration et d'améliorer le comportement du véhicule lors des accélérations et par conséquent l'agrément de conduite.
On connaît, dans l'état de la technique, diverses techniques permettant de piloter les turbocompresseurs d'un moteur à combustion interne à double suralimentation.
On pourra, à cet égard, se référer au document FR 2 932 224 qui concerne la régulation de la pression de suralimentation d'un moteur à combustion interne comprenant deux turbocompresseurs étagés.
Le système de régulation décrit dans ce document est fondé sur une estimation dynamique du comportement du turbocompresseur basse pression et comporte des moyens pour prépositionner des actionneurs de commande de papillons de réglage de la pression de sortie de chacun des deux turbocompresseurs pour modifier la pression à la sortie de l'un des turbocompresseurs ou à la sortie de l'autre turbocompresseur. Ce système permet de prendre en compte les interactions entre les deux turbocompresseurs pour prépositionner les actionneurs de commande et pour calculer les valeurs de consigne des régulateurs.
Or, ce système met en oeuvre des calculs récurrents, ce qui est susceptible de générer dans certaines conditions des instabilités numériques pouvant rendre inutilisable l'estimation du régime du turbocompresseur basse pression. Par ailleurs, la commande des papillons réglant les zones de fonctionnement de chacun des turbocompresseurs est généralement effectuée au moyen de régulateurs de type PID ou RST qui peuvent être enrichis par l'utilisation d'une ou de plusieurs précommandes qui servent à prépositionner les papillons afin de rejeter certaines perturbations.
Dans le cadre de l'asservissement en position d'un papillon de commande du fonctionnement d'une turbine d'un turbocompresseur haute pression, une mesure de la pression régnant en amont de la turbine peut être utilisée pour l'élaboration d'une précommande. Le document FR 2 941 267 se propose, quant à lui, de remplacer la mesure de pression par une estimation, la pression en amont de la turbine étant calculée en fonction de la pression en aval de la turbine et du rapport de détente de la turbine. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de déterminer la pression de gaz en amont d'une turbine de suralimentation d'un turbocompresseur à haute pression capable en outre de prendre en compte les efforts des gaz d'échappement agissant sur le papillon. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un procédé de détermination de la pression de gaz en amont d'une turbine de suralimentation d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un turbocompresseur à haute pression et un turbocompresseur à basse pression comprenant chacun une turbine entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur et un compresseur lié à la turbine, le procédé comprenant les étapes de : -calcul du régime du turbocompresseur à haute pression ; -calcul de la puissance du compresseur du turbocompresseur à haute pression ; -calcul de la puissance de la turbine du turbocompresseur à haute pression ; -calcul du rapport de détente de la turbine du turbocompresseur à haute pression. Selon ce procédé, la pression du gaz en amont de la turbine du turbocompresseur à haute pression est alors déterminée à partir de la pression en amont de la turbine du turbocompresseur à basse pression et du rapport de détente calculé. Selon une autre caractéristique de ce procédé, le régime du turbocompresseur à haute pression est calculé à partir de la relation : dans laquelle - TAVCHP est la température en amont du turbocompresseur à haute pression ; - Tref e est une température de référence dudit compresseur à haute pression ; et - Wadm cor est un débit corrigé du turbocompresseur à haute pression calculé à partir d'une fonction du débit corrigé d'air d'admission dans le compresseur à haute pression et du rapport de compression du compresseur à haute pression, ladite fonction étant définie par une cartographie en deux dimensions. Selon encore une autre caractéristique, le débit d'air corrigé est calculé à partir de la relation : dans laquelle : - Wadm est le débit d'air d'admission ; - P AVCHP est la pression en amont du compresseur à haute pression ; et - Pref c est une pression de référence du compresseur à haute pression. Par ailleurs, la puissance du compresseur à haute pression peut être calculée selon la relation : 1 yadm-1 PCHP =WadmCPadm HP yadm -1 AVCH lic HP dans laquelle: - Cpadm est une première constante thermodynamique de l'air d'admission ; - 11c HP est le rendement du compresseur à haute pression ; - PR, HP est le rapport du compresseur à haute pression ; et - yadm est une deuxième constante thermodynamique de l'air d'admission.
En ce qui concerne la puissance Pt du turbocompresseur à haute pression, celle-ci peut être calculée selon la formule : ci Pt = - Pc où: Pc est la puissance du compresseur à haute pression ; N est le régime du turbocompresseur ; et J est une constante égale au moment d' inertie du turbocompresseur à haute pression. Selon encore une autre caractéristique du procédé de détermination selon l'invention, le rapport de détente de la turbine du turbocompresseur à haute pression est extrait d'une cartographie. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un système d'asservissement de la position d'une vanne de commande de dérivation d'une turbine d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un turbocompresseur à haute pression et un turbocompresseur à basse pression comprenant chacun une turbine entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur et un compresseur lié à la turbine, le système d'asservissement comprenant un régulateur d'asservissement de la position de la vanne à partir d'une valeur de consigne de position. Ce système d'asservissement comprend en outre un étage de prépositionnement de la vanne recevant en entrée une valeur de pression différentielle aux bornes de la vanne, ladite valeur de pression différentielle étant élaborée à partir d'un procédé de détermination tel que défini ci-dessus. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne à double système de suralimentation ; - la figure 2 est un schéma synoptique montrant le principe de commande d'une vanne de contrôle d'une dérivation d'une turbine du turbocompresseur à haute pression du moteur de la figure 1 ; - la figure 3 montre une courbe illustrant la variation de la section de passage à travers la vanne en fonction de la position d'une tige de commande de la vanne ; - la figure 4 est une cartographie utilisée pour le calcul du régime du turbocompresseur à haute pression ; - la figure 5 montre un schéma général du système d'asservissement conforme à l'invention ; - la figure 6 montre un premier exemple d'élaboration d'une valeur de prépositionnement de la vanne ; et - la figure 7 montre une autre variante d'élaboration de la valeur de prépositionnement de la vanne. On se réfèrera tout d'abord à la figure 1 qui illustre la structure générale d'un moteur à combustion interne bi-turbo d'un véhicule automobile, ici de type diesel.
Dans l'exemple de réalisation considéré, le moteur 1 est pourvu de quatre cylindres 2 disposés en lignes. Les cylindres 2 sont alimentés en air par l'intermédiaire d'un répartiteur d'admission 3, lui-même alimenté par une conduite 4 d'admission pourvue d'un filtre à air 5.
Un collecteur d'échappement 6 récupère les gaz d'échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l'extérieur, par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement 7 dotée d'un système 7a de traitement d'effluents gazeux comprenant notamment un filtre à particule FAP.
Comme on le voit, le moteur 1 est doté d'un turbocompresseur à basse pression, désigné par la référence numérique 8 et d'un turbocompresseur à haute pression, désigné par la référence numérique générale 9.
Les turbocompresseurs 8 et 9 sont montés en série. En d'autres termes, le turbocompresseur basse pression 8 comporte un compresseur 10 qui comprime l'air dans la conduite d'admission 4. Le turbocompresseur haute pression comporte également un compresseur 11 qui comprime à son tour l'air manipulé par le compresseur basse pression et le fournit au répartiteur d'admission 3. Les turbocompresseurs basse pression et haute pression comportent également chacun une turbine 12 et 13 auxquelles sont liés les compresseurs 10 et 11. Un échangeur de chaleur peut être placé après chaque sortie du compresseur pour refroidir l'air de sortie des compresseurs basse et haute pression. Comme on le voit, une conduite de dérivation 14 est utilisée pour limiter la perte de pression dans le compresseur haute pression 11 lorsque celui-ci ne participe pas à l'augmentation de la pression de suralimentation. De même, des conduites de dérivation 15 et 16 équipées de vannes de commande 17 et 18 permettent de renvoyer les gaz d'échappement directement dans la ligne d'échappement 7. On voit enfin qu'un circuit de recirculation des gaz d'échappement 19, équipé ici d'un refroidisseur 20 et d'une vanne de commande de recirculation EGR 21, récupère une partie des gaz d'échappement et les réinjecte dans le répartiteur d'admission de manière à limiter la quantité d'oxydes d'azote produits par la combustion tout en évitant la formation de fumées dans les gaz d' échappement. On a représenté sur la figure 2 un dispositif de commande de la vanne 17 placée dans la conduite de dérivation 15 associée au turbocompresseur haute pression pour contrôler ses zones de fonctionnement.
Sur cette figure, la conduite Cl désigne la portion de conduite située entre la sortie du moteur et l'entrée de la turbine à haute pression et la conduite C2 désigne la portion de conduite débouchant dans l'entrée de la turbine à basse pression. On reconnaît par ailleurs la vanne 17 de commande de la dérivation de la turbine à haute pression. L'ouverture et la fermeture de cette vanne 17 sont commandées par le déplacement de la tige T d'un actionneur pneumatique 22, également désigné par le terme de poumon, qui est solidaire d'une membrane 23 se déformant sous l'action d'une dépression produite par une pompe à vide 24 sous le contrôle d'une électrovanne 25 recevant un signal de commande PWM. Un ressort R de rappel placé dans l'actionneur pneumatique permet l'ouverture complète de la vanne 17.
La force Fpoumon appliquée à la membrane qui assure le déplacement de la tige de l'actionneur pneumatique est proportionnelle à la dépression appliquée sur le poumon et cette force est contrôlée par la commande PWM de l'électrovanne. Cette force est égale à : P71r (p avec SI = surface de la membrane de l'actionneur pneumatique, P atm = pression atmosphérique, Pvide =dépression dans l'actionneur pneumatique, Par ailleurs, la force du ressort de rappel Fressort qui ramène la vanne 17 dans sa position de repos xo lorsque la pression différentielle agissant sur le poumon est nulle (PWM = 0) est proportionnelle à la raideur kr du ressort R et au déplacement de l'actionneur par rapport à sa position de repos x-xo. Cette force est égale à : = -, Enfin, la force des gaz s'appliquant sur la vanne de la conduite de dérivation 15 constitue une perturbation qui doit être considérée compte tenu des fortes pressions différentielles que subit le dispositif pour une consigne de position correspondant à une section Sact de passage des gaz à travers la vanne 17. Cette force Fgaz est représentée par la relation : avec Senax = section de passage maximal des gaz à travers la vanne 17 de la conduite de dérivation 15, Pavt HP = pression en amont de la turbine à haute pression, Pavt BP pression en amont de la turbine à basse pression. Le bilan des forces lorsque le système est à l'équilibre donne : soit, ou encore, Sachant que la section de passage des gaz Sact est une fonction f non linéaire de la position x de la tige de commande (Sact=f(x)), on peut alors écrire : 25 On a représenté sur la figure 3 un exemple d'évolution de la section de passage Sact en fonction de la position x de la vanne de 30 commande 17. Etant donné que la différence entre la pression atmosphérique Patin et la pression du circuit de la pompe à vide 24 est constante, le dénominateur de l'équation ci-dessus est une constante. La commande 20 appliquée à l'électrovanne pour atteindre une consigne de position souhaitée S't dépend dès lors de cette consigne et de la pression différentielle agissant sur la vanne 17 du circuit de dérivation 15 de la turbine haute pression. En d'autres termes, le signal de commande PWM de l'électrovanne 17 est donné par la relation suivante : C On va maintenant décrire l'asservissement en position de la vanne 17 du circuit 15 de dérivation, avec compensation des efforts des gaz d'échappement s'exerçant sur la vanne, par une prise en compte de la pression différentielle aux bornes de la conduite 15 de dérivation. L'estimation de la pression différentielle aux bornes de la conduite 15 est tout d'abord fondée sur l'estimation de la pression en amont de la turbine haute pression P - avtHP- Cette estimation est quant à elle fondée sur le calcul du régime du turbocompresseur haute pression. Le régime du turbocompresseur NHP est estimé en fonction du rapport de compression PRc HP du compresseur 11, et du débit corrigé Wadm cor d'air d'admission dans le compresseur haute pression. Le débit corrigé est donné par la relation : dans laquelle : - Wadm est le débit d'air d'admission ; - TAVCHP est la température en amont du turbocompresseur à haute pression ; -. PAVCHP est la pression en amont du compresseur à haute pression ; - Tref est une température de référence dudit compresseur à haute pression ; et Pref e est une pression de référence du compresseur à haute pression. Ainsi, le régime corrigé Ncor_Hp du turbocompresseur est donné par la relation : Arcor HP= f i(FeRc 11P.W adm car) Le régime corrigé du turbo compresseur est donc une fonction fl du rapport de compression et du débit corrigé du compresseur. Cette fonction fl est définie par une cartographie à deux dimensions visible sur la figure 4. Le régime NHP du turbocompresseur à haute pression est alors calculé à partir de la relation : %FP = Ncor HP Lors de l'étape suivante, on procède à l'estimation de la puissance du compresseur à haute pression, selon la relation : 2adm-1 PC HP = WadmCP adm T AVCHP PR, HP e2dm r c HP Avec c HP f 2(Ar HP" adla rar) représente l'estimation du rendement du compresseur du turbocompresseur haute pression, f2 étant une cartographie en deux dimensions en régime corrigé et en débit corrigé du compresseur; Cpadm = 1005J/kg/K Yadm = 1.4.
Lors de l'étape suivante, on procède au calcul de la puissance de la turbine selon la formule : Pt = Pc dans laquelle: J est une constante égale au moment d'inertie du turbocompresseur à haute pression; Pc est la puissance du compresseur à haute pression ; et N est le régime du turbocompresseur à haute pression. On procède ensuite au calcul du rapport ou taux de détente de la turbine PRt HP comme suit : dNHP Pc HP rip dt C P -TA vifip AVTBP 1 Pf rei VTAVTHP T ref , N Hp T AVTHP PRt HP = F1 Où F désigne une cartographie intégrant des cartographies donnant le rendement de la turbine et le débit de la turbine. Finalement, l'estimation de la pression en amont de la turbine est obtenue en multipliant le rapport de détente de la turbine PRt HP et la pression en amont de la turbine basse pression, soit: X P PAVT HP PRt HP AVTBP On se réfèrera enfin aux figures 5, 6 et 7 qui illustrent un système d'asservissement de la position de la vanne 17 de commande à partir de la pression différentielle ainsi calculée. Comme on le voit, ce système d'asservissement est fondé sur l'utilisation d'un régulateur ici de type RST utilisant des régulateurs R, T et S, pour calculer le rapport cyclique d'ouverture RCO du signal de commande PWM de la vanne, lequel est fourni à l'étage de puissance 27 qui pilote la vanne 17. Ce régulateur RST est complété par un bloc de précommande 28 servant à prépositionner la vanne 17 à partir de la valeur de pression différentielle Pdiff aux bornes de la conduite 15 de dérivation. En se référant à la figure 6, le calcul de la précommande peut être effectué à partir d'une cartographie donnant une valeur V de commande pour chaque valeur de pression différentielle. En se référant à la figure 7, le calcul de la précommande peut également se faire à partir de la pression différentielle aux bornes de la conduite 15 et à partir de la position POS lue par un capteur selon la relation : Fgaz=(PAVT HP-PAVT BT) (Snia,-Sait)

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la pression de gaz en amont d'une turbine (12) de suralimentation d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un turbocompresseur à haute pression (9) et un turbocompresseur à basse pression (8) comprenant chacun une turbine entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur et un compresseur lié à la turbine, comprenant les étapes de : -calcul du régime du turbocompresseur à haute pression ; -calcul de la puissance du compresseur (11) du turbocompresseur à haute pression ; -calcul de la puissance de la turbine (12) du turbocompresseur à haute pression ; -calcul du rapport de détente de la turbine du turbocompresseur à haute pression, caractérisé en ce que la pression de gaz en amont de la turbine du turbocompresseur à haute pression est déterminée à partir de la pression en amont de la turbine du turbocompresseur à basse pression et du rapport de détente calculé, le régime du turbocompresseur à haute pression étant une fonction définie par une cartographie du rapport de compression et du débit du compresseur, ledit débit étant corrigé pour compenser les efforts des gaz d'échappement sur une vanne d'un circuit de dérivation de la turbine haute pression.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le régime du turbocompresseur à haute pression est calculé à partir de la relation suivante : .'iNhip = N cor HP TAYGHF Trars dans laquelle F. NHP désigne le régime du turbocompresseur à haute pression- TAyclip est la température en amont du compresseur à haute pression ; - Tref c est une température de référence dudit compresseur à haute pression ; -Ncor_HP est un débit corrigé du turbocompresseur à haute pression calculé à partir d'une fonction du débit corrigé d'air d'admission dans le compresseur à haute pression et du rapport de compression du compresseur à haute pression, ladite fonction étant définie par une cartographie en deux dimensions.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le débit d'air corrigé est calculé à partir de la relation : dans laquelle - Wadm_cor est le débit d'air corrigé ; - Wadm est le débit d'air d'admission ; - PAVCHP est la pression en amont du compresseur à haute pression ; et - Pref c est la pression de référence du compresseur à haute pression.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la puissance du compresseur à haute pression est calculée selon la relation : yadm-1 = Wadm CP adm fr Alia& PR. HP eide -1 77c _HP où - Pcjip désigne la puissance du compresseur à haute pression;Wadm est le débit d'air d'admission ; - Cpadm est une première constante thermodynamique de l'air d'admission ; - qc_Hp est le rendement du compresseur à haute pression ; TiwcHp la température en amont du compresseur à haute pression ; - PRc_Hp est le rapport de compression du compresseur à haute pression ; et yadm est une seconde constante thermodynamique de l'air d'admission.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la puissance de la turbine Pt du turbocompresseur à haute pression est calculée selon la formule : dN Pt = Pc où Pt est la puissance de la turbine du turbocompresseur; - Pc est la puissance du compresseur à haute pression ; N est le régime du turbocompresseur ; et - J est une constante égale au moment d'inertie du turbocompresseur à haute pression.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport de détente de la turbine du turbocompresseur à haute pression est extrait d'une cartographie.
  7. 7. Système d'asservissement de la position d'une vanne (17) de commande de dérivation d'une turbine (12) d'un turbocompresseur à haute pression d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un turbocompresseur à haute pression et un turbocompresseur à basse pression comprenant chacun une turbine entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur et un compresseur lié à la turbine, comprenant un régulateur d'asservissement de la vanne à partir d'une valeur de consigne de position, caractérisé en ce qu'il comprend un étage (28) de prépositionnement de la vanne recevant enentrée une valeur de pression différentielle aux bornes de la vanne, la valeur de pression différentielle étant calculée à partir d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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