1 DISPOSITIF DE REGLAGE DE SURALIMENTATION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
DESCRIPTION
L'invention présente a trait à un dispositif de réglage de suralimentation d'un moteur à combustion interne. Elle se situe dans le domaine de la commande de moteurs, afin de les gouverner avec l'ensemble de leurs capteurs et de leurs actionneurs. La suralimentation des moteurs implique l'emploi d'un turbocompresseur composé d'une turbine disposée à travers un conduit des gaz d'échappement et d'un compresseur entraîné par la turbine, disposé à travers un conduit d'admission de l'air menant au moteur, et dont la fonction est d'augmenter la pression de l'air et le débit de mélange parvenant au moteur. De nombreux dispositifs de suralimentation existants ne comportent aucun mode de réglage du turbocompresseur, dont la vitesse de rotation s'équilibre en fonction des efforts que font subir aux ailettes de la turbine et du compresseur l'air d'admission et les gaz d'échappement. D'autres comportent au contraire un réglage du turbocompresseur afin de faire varier l'intensité de la suralimentation ; un moyen répandu comprend une électrovanne à commande progressive ouvrant de la quantité voulue une canalisation d'aspiration d'air entre une pompe à vide et le réservoir de ce qu'on appelle un poumon mécanique, et convertissant la dépression appliquée par la pompe à vide en un 2 déplacement proportionnel d'une tige coulissante ; et une transmission disposée entre la tige et le turbocompresseur, qui modifie le calage angulaire des ailettes du compresseur d'après la position de la tige.
L'électrovanne et les équipements qui en dépendent sont commandés par une unité centrale qui contient usuellement deux modules. L'un d'entre eux est un régulateur qui reçoit une consigne d'un paramètre lié à la suralimentation, comme la pression de suralimentation de l'air, ainsi que la mesure de ce paramètre et qui calcule leur différence puis une quantité de modification de la commande de l'électrovanne. L'autre module est un module de pré-positionnement qui fournit une valeur de base de la commande de l'électrovanne d'après une cartographie qui est fonction, notamment, de l'état de fonctionnement du moteur et de paramètres de l'environnement tels que la température et la pression. L'emploi du module de pré-positionnement répond à une exigence de rapidité plus grande de l'asservissement de la suralimentation et permet de mieux suivre la consigne lors des changements d'état de la conduite du véhicule. Une qualité encore meilleure de la réponse de l'asservissement de la suralimentation est toutefois recherchée, ce qui justifie l'invention. L'invention est fondée sur un dispositif de réglage de la suralimentation qui se distingue de ceux qui sont connus par la prise en compte de caractéristiques associées à l'ensemble de commande mécanique entre l'électrovanne et l'organe agissant sur le réglage de suralimentation, et notamment de 3 caractéristiques de raideur ou d'inertie et de relations d'équilibre des forces qui régissent les mouvements de cet ensemble, qu'on peut représenter par une relation numérique. L'inversion de cette relation permet de déduire la commande qu'il convient d'appliquer. Ces paramètres permettent d'appréhender l'effet de phénomènes perturbateurs de la suralimentation, mesurés par l'intermédiaire de la pression ou du débit de l'air d'admission ou des gaz d'échappement, sur le mécanisme de réglage et le turbocompresseur 7, et de les atténuer par une régulation adaptée. L'invention est plus précisément relative, sa forme la plus générale, à un dispositif de suralimentation d'un moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur à compresseur disposé à travers un conduit d'air d'admission vers le moteur et une turbine disposée à travers un conduit de gaz d'échappement venant du moteur, un moyen de réglage de la suralimentation, un ensemble de commande du moyen de réglage comprenant une unité centrale de commande et un mécanisme actionneur, l'unité centrale de commande comprenant un module régulateur, sensible à une consigne d'un paramètre de la suralimentation comparée à une mesure de ce paramètre, et un module de pré-positionnement du moyen de réglage pour délivrer conjointement une commande du moyen de réglage au mécanisme actionneur, caractérisé en ce que le module de pré-positionnement est conçu pour recevoir et traiter une mesure d'un second paramètre de la 4 suralimentation en fonction de caractéristiques mécaniques du mécanisme actionneur. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes : - la figure 1 représente une installation de suralimentation ; - la figure 2 représente une portion d'unité centrale de commande responsable du réglage de suralimentation ; - la figure 3 représente un module de pré-positionnement ; - et la figure 4 représente une courbe de réglage. La figure 1 représente un moteur 1 à 15 explosion alimenté en air frais par une entrée 2 et qui rejette les gaz brûlés par un échappement 3. L'air frais parcourt un conduit d'admission 8 et passe successivement par un filtre 4, un débitmètre 5 et un compresseur 6 d'un turbocompresseur 7 à régler. Après 20 avoir été comprimé, il passe par un refroidisseur 9 et une vanne 10 de re-circulation des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement s'écoulent par un conduit d'échappement 11 et traversent une turbine 12 du turbocompresseur 7 reliée à un filtre à particules 13 25 avant de parvenir à l'échappement 3. Une unité de calcul électronique (UCE) est désignée par 14, une électrovanne par 16, une pompe à vide par 17 et une tige de régulation du turbocompresseur 7 par 18. Un capteur de pression de suralimentation 19 est disposé 30 dans le conduit d'admission 8 en aval du compresseur 6, et un capteur de pression des gaz d'échappement 24 est 10 disposé dans le conduit d'échappement 11 en amont de la turbine 12. Tous deux renseignent l'UCE 14. L'UCE 14 comprend un régulateur qui fournit un signal de commande à l'électrovanne 16 qui, étant à 5 ouverture progressive en fonction du signal de commande, ouvre ou ferme à un degré variable un conduit d'aspiration 20 entre une chambre 21 située derrière la tige 18 et la pompe à vide 17 et permet donc de faire varier à volonté la pression dans la chambre 21 et l'enfoncement de la tige 18 : la chambre 21 appartient à un poumon mécanique 15 qui comprend encore une membrane liée à la tige 18 et mobile dans la chambre 21, ainsi qu'un ressort 20 repoussant la membrane 22. Plus la dépression est forte dans la chambre 21, plus la membrane 22 est aspirée et comprime le ressort 23. L'invention peut s'appliquer à des suralimentations différentes, comprenant d'autres capteurs, d'autres ensembles de commande de la suralimentation ou d'autres équipements parmi ceux qui ne font pas partie de l'invention. On se reporte maintenant à une description plus détaillée de l'UCE 14 au moyen de la figure 2. La partie de l'UCE 14 qui est responsable du réglage de la suralimentation comprend un module régulateur 25 et un module de pré-positionnement 26. Le module régulateur 25 est alimenté par la différence E entre une consigne de pression de suralimentation définie par une carte logique d'après le débit de carburant injecté et la vitesse de rotation du moteur fournie par une ligne 27 et une mesure de la pression de suralimentation réelle, originaire du capteur 19 et 6 fournie par une ligne 28, ces deux grandeurs étant soustraites l'une de l'autre par un soustracteur 29. Le module régulateur 25 effectue un asservissement classique de genre PID et peut comprendre un premier sous-module 30 qui reçoit la différence E et l'intègre avec le temps, et un autre sous-module 31 qui reçoit à la fois le signal E et un signal dérivé du précédent par rapport au temps (dE/dt) fourni par un différentiateur 32. Les sous-modules 30 et 31 fournissent chacun un résultat à un additionneur 33. Le module de pré-positionnement 26 fournit aussi un signal à l'additionneur 33. Le résultat sorti de l'additionneur 33 permet de commander l'électrovanne 16 par une ligne 34.
La figure 3 représente le module de pré-positionnement 26. Il comprend d'abord une carte 37 qui délivre un signal de sortie en fonction du point de fonctionnement du moteur et notamment de sa vitesse de rotation N et de son couple C ; un sous-module de correction 38 pour tenir compte des conditions ambiantes et qui fournit un signal de sortie en fonction notamment de la température extérieure T et de la pression extérieure P ; et un additionneur 39 faisant la somme des signaux de sortie et fournissant un signal X18 exprimant la position qu'il conviendrait d'attribuer à la tige 18 pour obtenir l'angle de calage des ailettes du turbocompresseur 7 et la suralimentation souhaitée. Le reste du module de pré-positionnement 26 forme la partie originale de l'invention et permet de tenir compte du comportement de la chaîne cinématique. 7 Il permet de déterminer avec plus d'exactitude la composante de commande à fournir à l'additionneur 33 en tenant compte de caractéristiques mécaniques de l'actionneur et de phénomènes perturbateurs. On recourt pour cela à un bilan des forces exercées par la tige 18. Il s'agit de la pression relative sur la membrane 22, de l'effort de rappel du ressort 23 et de l'effort exercé par les gaz d'échappement sur les ailettes de la turbine 12, puis sur la transmission menant à la tige 18 et sur la tige 18 elle-même. Cet effort des gaz d'échappement peut être déterminé par une carte 40 en fonction de la position de la tige 18, au moyen du signal X18, et d'un second paramètre caractéristique de la suralimentation qui peut être le débit d'air Qair mesuré par le débitmètre 5, ou la pression Pavt des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement 11, mesurée par le capteur 24. La carte 40 est obtenue par des essais. Le signal d'estimation de la force des gaz Fgaz est fourni avec le signal X18 à un module de calcul de fonction de poumon 41 qui calcule la fonction de transfert inverse du poumon 15, c'est-à-dire qui donne la pression PapEV qu'il convient de fournir dans la chambre 21 pour la position voulue de la tige 18. En supposant que les conditions sont quasiment statiques et que les frottements sont négligeables, l'équation suivante s'applique : k . x = S. (PapEV - Patm) + Fgaz, , OÙ k est la raideur du ressort 15, x la position de la tige 18, S la superficie de la membrane, PapEV la pression dans la chambre 21, Patm la pression atmosphérique, et Faaz la force des gaz d'échappement. 8 L'extension de l'invention a un problème dynamique ou comportant des frottements est simple, et régie par la relation plus détaillée m. K = ûkfrot-sec •signe (X) û Ffrot-sec .Slgne (X) û k. X + S. (PapEV ù Patm)+ Fgdz , où m est la masse de l'ensemble coulissant et Kv La valeur de PapEV obtenue en résolvant cette équation est fournie à un module de calcul de fonction d'électrovanne 42 qui, de façon correspondante au module 41, calcule l'inverse de la fonction de transfert de l'électrovanne 16, c'est-à-dire indique la commande permettant de produire la valeur voulue de PapEV. Il s'agit cette fois d'une carte dont un exemple est donné par la figure 4, qui indique en ordonnées le rapport de commande d'ouverture en centièmes et en absicisses la pression à instaurer dans la chambre 21 en millibar. La carte est aussi déterminée par des essais. Le signal de sortie de module de calcul de fonction d'électrovanne 42 est fourni à l'additionneur 33.
On voit qu'une façon importante de réaliser l'invention consiste à construire le module de pré-positionnement 26 avec des éléments successifs (40 à 42 ici) qui évaluent successivement l'effort subi par l'élément de réglage (la tige 18) à l'extrémité du mécanisme actionneur par les gaz d'échappement (éventuellement par une mesure indirecte portant sur l'air d'admission), puis l'effort qui doit être subi en conséquence par un élément respectif du mécanisme actionneur aboutissant au moyen de réglage pour obtenir le rélgage voulu. Les éléments successifs du module de pré-positionnement 26 sont disposés en série et leurs 9 résultats dépendent de ceux des modules précédents, et éventuellement d'autres (comme 37 et 38). Il sont associés aux éléments de la chaîne du mécanisme actionneur en ordre inverse, c'est-à-dire qu'ils évaluent successivement les efforts sur des éléments de la chaîne du mécanisme actionneur qui sont de plus en plus proches de l'élément initial de la commande (l'électrovanne 16), d'après les relations établies par la physique entre les éléments de cette chaîne.
L'invention est transposable à d'autres suralimentations réglables, notamment à celles de genre connu où le turbocompresseur 7 a des ailettes à calage fixe et où la régulation s'effectue par une dérivation d'une proportion variable des gaz d'échappement autour de la turbine 12 par la commande d'une soupape de décharge. C'est alors l'électrovanne placée à l'entrée de la dérivation qui serait commandée, au moyen de cartes classiques analogues aux cartes 37 et 38 et d'une carte analogue à la carte 40, sensible à une pression ou à un débit de l'air ou des gaz et qui donnerait un terme correctif du rapport de commande d'ouverture de l'électrovanne.