WO2008084169A2 - Procede d'estimation de la pression des gaz d'echappement en amont d'une turbine de turbocompresseur - Google Patents

Procede d'estimation de la pression des gaz d'echappement en amont d'une turbine de turbocompresseur Download PDF

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of control of a vehicle engine, comprising a turbocharger.
  • the invention relates more specifically to a method for estimating the pressure upstream of the turbine of the turbocharger.
  • the invention applies in particular to a turbocharged supercharger diesel engine.
  • the pressure upstream of the turbine can be used for engine control for different purposes.
  • a pressure sensor To know the pressure upstream of the turbine of the turbocharger, a pressure sensor is often used. But a pressure sensor has several disadvantages such as the disturbance of the measurement signal, the drifts and dispersions thereof, especially in a severe thermal environment, or the difficulties of implantation.
  • Document DE 103293 discloses, for example, a method for estimating this pressure, which is based on a power budget on the turbocharger shaft and on the knowledge of the characteristics of the turbine.
  • a disadvantage of this method is that it requires heavy mathematical operations, difficult to implement in the calculators usually used.
  • Another disadvantage is related to manufacturing dispersions, which cause inaccuracy on the knowledge of the characteristics of the turbine.
  • the document FR 2 853 693 presents, for example, a method for estimating this pressure, which is based on a measurement of the mass of gases in the exhaust manifold.
  • An object of the invention is to provide a new method for estimating the pressure of the exhaust gas am am turbocompressor turbine.
  • Another object of the invention is to propose a com m eted motor, for which this new process is implemented.
  • a method for estimating the exhaust gas pressure in a turbocharger turbine of an internal combustion vehicle engine is provided within the scope of the invention, characterized in that the turbine upstream pressure is estimated by the following formula:
  • P 4 i is the exhaust gas pressure downstream of the turbine
  • P 1 the air intake pressure in am have compressor
  • P 21 the air pressure downstream of the compressor
  • the functions f! and f 3 corrective functions of constant value or dependent on one of the following parameters: admission air flow rate, fuel flow rate, engine exhaust gas flow rate, gas flow rate recirculation, variation of the air flow at the intake, variation of the fuel flow, variation of the exhaust gas flow at the engine output, variation of the recirculation gas flow rate, engine speed, torque demand m operator, variation of the engine torque demand, com m iter of the position of the fins or bypass, variation of the turbocompressor control, temperature and pressure upstream of the particulate filter in the case of a diesel engine, coolant temperature; and the functions f 2 a dependent corrective function at the pressures P 21 and P 1 .
  • FIG. a diagram of an internal combustion engine for a vehicle, fitted with a turbocharger;
  • FIGS. 2, 3 and 4 respectively illustrate the errors between a measurement of the am am pressure of the turbine as a function of the time on a vehicle engine and, respectively, different models for estimating the pressure upstream of the engine. the turbine.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1, comprising a turbocharger, for the purpose of increasing the quantity of air admitted into the cylinders.
  • the turbocompressor consists of a compressor 20 located on the adm ission line of the motor 1 and m onté on the same axis as a turbine 21 as for it located at the output of the exhaust manifold.
  • the turbine 21 is driven by the exhaust gas and the power supplied by it can be modulated by installing a relief valve if the turbine is a fixed geometry turbine or variable geometry vanes (TGV).
  • TSV variable geometry vanes
  • the discharge circuit is a bypass of the turbine permitting not to use the entire flow of the exhaust gas to drive the turbine.
  • the fins allow to modulate the incidence of the flow of the exhaust gases on the turbine and therefore on the power it provides.
  • the motor 1 also comprises, in a conventional manner, an admission flap 2, an engine block 10 comprising the cylinders, an EGR circuit 3 comprising a valve 31, a cooler 32 and a bypass 33.
  • the engine 1 also includes in the exhaust line, a set of gas treatment m aines in the case of a diesel engine, namely a pre-catalyst 41, a particulate filter 42 and a silencer 43, for example.
  • Ti and Pi are defined as the temperature and the motor inlet pressure (or upstream compressor 20).
  • the temperatures and pressure downstream of the compressor are also respectively defined as T 21 and P 21 respectively.
  • T 31 and P 31 respectively define the temperature and pressure am am of the turbine.
  • T 41 and P 41 respectively define the temperature and pressure downstream of the turbine.
  • Cp g az and C P ⁇ a ⁇ r are the heating capacities at constant pressure of exhaust gases and air at admission respectively
  • the invention proposes to reduce equation (1) to equation (2):
  • the functions f 1 , f 2 , f 3 are corrective functions that may be constants or be expressed as a function of at least one of the following parameters, provided in a nonlimiting manner:
  • FIGS. 2, 3 and 4 respectively illustrate the errors between a measurement of the pressure upstream of the turbine as a function of the time on a vehicle engine and, respectively, different models for estimating the pressure P 31 in FIG. am have turbine 21.
  • the model thus considered is very simple, but it results in a relative error of ⁇ 20%.
  • This model is more complicated than the first and makes it possible to define a generally less spread error with respect to the data resulting from the measurement. In other words, we find that the average value of the error committed over the duration of the test is less than with the first model. (To make this comparison, keep in mind that an absolute error of 500mbar is roughly equivalent to a relative error of 20%).
  • a 1 and B are mappings based on the influence of the variation of pressure (P 21 -P 1 ) across the compressor and the flow (Q gas ) of the exhaust gas at the output of the engine and, A 2 is a mapping established according to the influence of the temperature T 3 1 of the exhaust gases in am have the turbine and the power control setpoint (RCO) is either an actuator of the blades of the turbine if it is a variable geometry turbine or an actuator of bypass of the exhaust gas if the turbine is geometry fixed.
  • RCO power control setpoint
  • This third model is a little more complicated than the other two, but can further reduce the error estimation of the pressure. Indeed, it is found that the average value of the error com m on the duration of the test is lower than for the other two models.
  • the average error is approximately 10%, which corresponds to the measurement accuracy of a pressure sensor which is used for series vehicles.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de la pression (P31) des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur d'un moteur de véhicule à combustion interne. Dans ce procédé, on estime la pression amont turbine (P31) par la formulation P31-P41 = f1*f2(P21-P1)+f3 où P41 est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, P1 la pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, et les fonctions f1, f2, et f3, des fonctions correctives dépendantes de nombreux paramètres.

Description

Procédé d'estimation de la pression des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur
L'invention concerne le domaine du contrôle d'un moteur de véhicule, comprenant un turbocompresseur.
L'invention concerne plus précisément un procédé d'estimation de la pression en amont de la turbine du turbocompresseur.
L'invention s'applique en particulier à un moteur diesel de véhicule suralimenté par turbocompresseur. La pression en amont de la turbine peut être utilisée pour le contrôle moteur dans différents buts.
Par exemple, il s'avère intéressant de connaître celle-ci pour protéger la turbine de surpressions éventuelles ou pour le calcul des pertes par pompage du moteur, ou encore dans la mesure où elle sert en tant que paramètre d'entrée dans les modèles thermodynamiques permettant de déterminer la performance du moteur.
Pour connaître la pression en amont de la turbine du turbocompresseur, on utilise souvent un capteur de pression. Mais un capteur de pression présente plusieurs inconvénients comme la perturbation du signal de mesure, les dérives et dispersions de celui-ci surtout dans un environnement thermique sévère, ou encore les difficultés d'implantation.
Pour éviter ces inconvénients, on a donc recours à des procédés et moyens permettant de fournir une estimation de la pression en amont de la turbine.
Le document DE 103293 30 présente par exemple un procédé pour estimer cette pression, lequel est basé sur un bilan de puissance sur l'arbre du turbocompresseur et sur la connaissance des caractéristiques de la turbine. Un inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite des opérations mathématiques lourdes, difficilement implémentables dans les calculateurs usuellement employés. Un autre inconvénient est lié aux dispersions de fabrication, qui engendrent une imprécision sur la connaissance des caractéristiques de la turbine. Le document FR 2 853 693 présente par exem ple un procédé pour estimer cette pression, qui est basé sur un bilan de m asse des gaz dans le collecteur d'échappem ent.
Un objectif de l'invention est de proposer un nouveau procédé d'estimation de la pression des gaz d'échappement en am ont d'une turbine de turbocom presseur.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un m oteur com m andé, pour lequel ce nouveau procédé est m is en oeuvre.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu dans le cadre de l'invention un procédé d'estim ation de la pression des gaz d'échappement en am ont d'une turbine de turbocompresseur d'un m oteur de véhicule à combustion interne, caractérisé en ce qu'on estim e la pression amont turbine par Iq form ulation suivante :
où P4i est la pression des gaz d'échappem ent en aval de la turbine, P1 la pression d'adm ission de l'air en am ont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du com presseur, les fonctions f! et f3 des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au m oins des param ètres suivants : débit d'air à l'adm ission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation, variation du débit d'air à l'adm ission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie m oteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime m oteur, demande de couple m oteur, variation de la demande de couple moteur, com m ande de la position des ailettes ou de la dérivation, variation de la com mande de turbocom presseur, température et pression en amont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissem ent ; et la fonctions f2 une fonction corrective dépendante au m oins des pressions P21 et P1.
Le procédé selon l'invention pourra en outre présenter au m oins l'une des caractéristiques suivantes : on estime la pression en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives fi = 1 , f2 = P21-P1, et f3 = constante ; on estime la pression en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives fi = A(Qgaz, P21-P1) , f2 =
P21-P1, et f3 = B(Qgaz, P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21- P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement du moteur ; - on estime la pression en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions fi = A1(Q932, P21-P1)* A2(RCO, T31) , f2 = P21-P1 et f3 = B(Qgaz, P21-P1) où A1 et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21- P1) aux bornes du compresseur et du débit Qgaz des gaz d'échappement du moteur et, où A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de la température des gaz T31 d'échappement en amont de la turbine et de la consigne de commande de puissance RCO soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à géométrie fixe ; pour déterminer les fonctions correctives f1; f2, f3, on effectue une mesure de l'évolution de la pression en amont de la turbine en fonction du temps sur un moteur, on propose des fonctions f1; f2, f3, et on compare les valeurs estimées, avec ces fonctions correctives, de la pression P31 en amont de la turbine aux valeurs mesurées de cette pression.
Pour atteindre cet objectif, il est également prévu un moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant un turbocompresseur formé d'un compresseur et d'une turbine, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exem ples non lim itatifs et sur lesquels : - la figure 1 illustre un schém a d'un m oteur à com bustion interne pour véhicule, m uni d'un turbocompresseur ; les figures 2, 3 et 4 illustrent respectivem ent les erreurs entre une m esure de la pression en am ont de la turbine en fonction du tem ps sur un moteur de véhicule et, respectivement, différents modèles d'estimation de la pression en amont de la turbine.
Sur la figure 1 , il est représenté un moteur à com bustion interne 1 , comprenant un turbocompresseur, dans le but d'augmenter la quantité d'air adm ise dans les cylindres. Le turbocom presseur est constitué d'un compresseur 20 situé sur la ligne d'adm ission du m oteur 1 et m onté sur le m êm e axe qu'une turbine 21 quant à elle située en sortie du collecteur d'échappement.
La turbine 21 est entraînée par les gaz d'échappement et la puissance fournie par ceux-ci peut être modulée en installant une soupape de décharge si la turbine est une turbine à géom étrie fixe ou encore des ailettes à géométrie variable (TGV) .
Dans le cas d'un turbocompresseur à géom étrie fixe, le circuit de décharge est une dérivation de la turbine perm ettant de ne pas utiliser la totalité du débit des gaz d'échappement pour actionner la turbine. Dans le cas d'un turbocom presseur à géométrie variable, les ailettes perm ettent de moduler l'incidence du débit des gaz d'échappement sur la turbine et donc sur la puissance qu'elle fournit.
Le m oteur 1 com prend en outre, et ce de manière classique, un volet d'adm ission 2, un bloc moteur 10 comprenant les cylindres, un circuit EGR 3 comprenant une vanne 31 , un refroidisseur 32 et un by- pass 33. Enfin, le m oteur 1 com prend également dans la ligne d'échappem ent, un ensemble de m oyens de traitem ent des gaz d'échappem ent, à savoir par exem ple dans le cas d'un moteur Diesel, un pré-catalyeur 41 , un filtre à particules 42 et un silencieux 43.
Sur cette figure 1 , on définit Ti et Pi les température et pression d'entrée moteur (ou amont com presseur 20) . On définit également respectivement T21 et P21 com me les tem pérature et pression en aval du compresseur. T31 et P31 définissent respectivement les température et pression en am ont de la turbine. Enfin, T41 et P41 définissent respectivement les tem pérature et pression en aval de la turbine.
Pour estimer la pression amont turbine P31 , on propose ici de se baser sur une sim plification (ou réduction) des équations régissant le fonctionnem ent du turbocompresseur.
Pour déterm iner le fonctionnement du turbocompresseur, on effectue un bilan de puissance sur l'arbre de celui-ci, en ayant préalablement déterm iné l'énergie échangée dans le compresseur d'une part et dans la turbine d'autre part. On aboutit alors, en fonctionnement stabilisé du turbocom presseur, à la relation suivante :
" ~~ )
Figure imgf000007_0001
où Cp gaz et CPιaιr sont les capacités calorifique à pression constante des gaz d'échappem ent et de l'air à l'adm ission respectivem ent, γ est le rapport de la capacité calorifique spécifique à pression constante et la capacité calorifique spécifique à volum e constant (γ = cp/cv) , et ηturbme et η compresseur les rendem ents de la turbine 21 et du com presseur 20 respectivement.
La relation ( 1 ) issue d'un bilan de puissance est parfaitement connue de l'hom me du m étier.
L'invention se propose de réduire l'équation ( 1 ) pour aboutir à l'équations (2) :
Figure imgf000008_0001
dans lesquelles les fonctions fi , f2, f3 sont des fonctions correctives pouvant être des constantes ou être exprim ées en fonction d'au moins l'un des param ètres suivants, fournis à titre non lim itatif :
- débit d'air à l'adm ission, débit de carburant, débit des gaz d'échappem ent en sortie moteur, débit de gaz de recirculation (circuit EGR) ;
- variation du débit d'air à l'adm ission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation (circuit EGR) ;
- régime m oteur, demande de couple moteur ; variation de la dem ande de couple moteur ; - com m ande de la position des ailettes (turbocompresseur à géométrie variable) ou de la dérivation (turbocom presseur à géom étrie fixe) , variation de la com m ande de turbocom presseur ;
- tem pérature et pression en am ont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, tem pérature de liquide de refroidissem ent.
On notera que cette réduction aboutissant à l'équation (2) est basée sur une form e a priori de la loi de comportem ent, inspirée de la form e physique de la loi de com portement. Une telle réduction présente l'avantage de prendre en compte de nombreux paramètres, contrairement à l'art antérieur où on choisit le plus souvent de ne pas en considérer certains.
Les figures 2, 3 et 4 illustrent respectivem ent les erreurs entre une m esure de la pression en amont de la turbine en fonction du tem ps sur un moteur de véhicule et, respectivem ent, différents modèles d'estimation de la pression P31 en am ont de la turbine 21 .
Ces m odèles sont basés sur l'équation (2) et consistent donc à proposer différentes fonctions correctives fi , f2 et f3. Pour cela, on effectue un test dans lequel la pression P31 est mesurée par un capteur de pression, on propose des fonctions correctives f1; f2 et f3, on détermine cette même pression P31 par l'équation (2) et on calcule l'erreur entre le modèle et les données issues des mesures (figures 2 à 4).
Dans un premier cas, illustré sur la figure 2, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives U = 1 , f2 = P21-P1, et f3 = constante. Le modèle ainsi considéré est très simple, mais il aboutit à une erreur relative de ± 20%.
Dans un deuxième cas, illustré sur la figure 3, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives f! = A(Qgaz, P21-P1) , f2 = P21-P1, et f3 = B(Qgaz, P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur 20 et du débit Qgaz des gaz d'échappement en sortie du moteur (entrée turbine). Le plus souvent, ces cartographies sont établies par des moyens de calculs automatiques, qui permettent en fonction des paramètres variables choisis dans celle-ci de coller au mieux aux résultats des essais.
Ce modèle est plus compliqué que le premier et permet de définir une erreur globalement moins étalée par rapport aux données issues de la mesure. En d'autres termes, on constate que la valeur moyenne de l'erreur commise sur la durée du test est moindre qu'avec le premier modèle. (Pour effectuer cette comparaison, il faut garder à l'esprit qu'une erreur absolue de 500mbar correspond a peu près à une erreur relative de 20%).
Dans un troisième cas, illustré sur la figure 4, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions f, = A1(Q932, P21-P1)^A2(RCO, T31) , f2 = P21-P1 et f3 = B(Qgaz,
Dans ce troisième cas, A1 et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement en sortie du m oteur et, A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de la température T31 des gaz d'échappement en am ont de la turbine et de la consigne de com m ande de puissance (RCO) soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à géométrie fixe.
Ce troisièm e modèle est un peu plus compliqué que les deux autres, m ais permet de réduire encore l'erreur d'estimation de la pression. En effet, on constate que la valeur m oyenne de l'erreur com m ise sur la durée de l'essai est plus faible que pour les deux autres m odèles.
En effet, l'erreur m oyenne est globalem ent de ±10% , ce qui correspond à la précision de mesure d'un capteur de pression usuellem ent utilisé pour les véhicules de série.
Quel que soit le m odèle choisi, la réduction des équations permet d'im plém enter ce modèle dans l'unité de contrôle électronique ( UCE) du m oteur avec un temps de calcul raisonnable.
Selon l'application désirée, on pourra cependant choisir d'im plém enter, en fonction de l'importance relative attachée à la précision de la mesure d'une part ou au temps de calcul d'autre part, l'un ou l'autre de ces modèles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation de la pression (P3i) des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur d'un moteur de véhicule à combustion interne, caractérisé en ce qu'on estime la pression amont turbine (P3i) par la formulation suivante:
Figure imgf000011_0001
où P41 est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, Pi la pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, les fonctions U et f3, des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au moins des paramètres suivants : débit d'air à l'admission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation, variation du débit d'air à l'admission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime moteur, demande de couple moteur, variation de la demande de couple moteur, commande de la position des ailettes ou de la dérivation, variation de la commande de turbocompresseur, température et pression en amont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissement ; et la fonctions f2 une fonction corrective dépendante au moins des pressions P21 et P1.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives f! = 1 , f2 = P21-P1, et f3 = constante.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions correctives f! = A(Qgaz, P21-P1) , f2 = P21-P1, et f3 = B(Qgaz, P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement du moteur.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (2), en considérant les fonctions :
U = A1(Q931, P21-P1TA2(RCO, T31) , f2 = P21-P1 et f3 = B(Qgaz, P21-P1)
où A1 et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qga∑) des gaz d'échappement du moteur et,
où A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de la température (T31) des gaz d'échappement en amont de la turbine et de la consigne de commande de puissance (RCO) soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à géométrie fixe.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour déterminer les fonctions correctives f1; f2, f3, on effectue une mesure de l'évolution de la pression en amont de la turbine en fonction du temps sur un moteur, on propose des fonctions f1; f2, f3, et on compare les valeurs estimées, avec ces fonctions correctives, de la pression (P31) en amont de la turbine aux valeurs mesurées de cette pression.
6. Moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant un turbocompresseur formé d'un compresseur et d'une turbine, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour estimer la pression (P31) des gaz d'échappement en amont de la turbine selon la formulation suivante:
Figure imgf000013_0001
où ( P41) est la pression des gaz d'échappem ent en aval de la turbine, P1 la pression d'adm ission de l'air en amont du com presseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, les fonctions ^ et f3 des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au m oins des param ètres suivants : débit d'air à l'adm ission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie m oteur, débit de gaz de recirculation, variation du débit d'air à l'adm ission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie m oteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime moteur, demande de couple moteur, variation de la demande de couple m oteur, com m ande de la position des ailettes ou de la dérivation, variation de la com mande de turbocompresseur, tem pérature et pression en am ont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissem ent ; et la fonction f2 une fonction corrective dépendante au m oins des pressions P21 et P1.
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