FR2948414A3 - Systeme et procede de commande de puissance d'une turbine de turbocompresseur pour moteur de vehicule automobile - Google Patents

Abstract

Le système de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile, comprenant une unité électronique de commande (12) contenant une loi de commande programmée, une électrovanne de commande (13) actionnée par un signal de tension électrique provenant de la batterie du véhicule et modulé en fonction de la loi de commande et un dispositif d'actionnement (15) piloté par l'électrovanne et capable d'agir sur la puissance fournie par la turbine (8), Le système de commande comprend des moyens de correction du signal de tension capables d'appliquer un premier correctif (c ) dépendant d'une tension de référence et de la tension de la batterie et un deuxième correctif (c ) défini par une fonction de la tension de la batterie et égal à 1 pour la tension de référence.

Description

B09-0360FR ûAxC/cal

Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système et procédé de commande de puissance d'une turbine de turbocompresseur pour moteur de véhicule automobile Invention de : GUINOIS Arnaud DUBOIS Didier ALLEGRE Guillaume Système et procédé de commande de puissance d'une turbine de turbocompresseur pour moteur de véhicule automobile

La présente invention concerne, d'une manière générale, le contrôle d'un moteur à combustion interne, c'est-à-dire la technique de gestion d'un tel moteur, en particulier un moteur de véhicule automobile, à l'aide d'un certain nombre de capteurs et d'actionneurs. D'une manière générale, l'ensemble des lois de commande sous forme de stratégies logicielles et des paramètres de caractérisation calibrant le moteur à combustion interne est contenu dans un calculateur embarqué dit unité électronique de commande (UCE). Les moteurs à combustion interne actuels sont le plus souvent suralimentés et comportent à cet effet un turbocompresseur qui comprend une turbine et un compresseur capable d'augmenter la quantité d'air admis dans le moteur. La turbine est placée à la sortie du collecteur d'échappement et est entraînée par les gaz d'échappement. Le compresseur et la turbine sont montés sur un arbre commun. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut être modulée par différents moyens. On peut utiliser une turbine à géométrie variable munie d'ailettes d'inclinaison variable. On peut également utiliser une soupape de décharge montée en amont de la turbine qui est alors du type à géométrie fixe. Un dispositif d'actionnement piloté par une électrovanne est capable d'agir sur la puissance fournie par la turbine en pilotant l'ouverture et la fermeture de la soupape de décharge associée à une turbine à géométrie fixe ou l'orientation des ailettes d'une turbine à géométrie variable. Le signal de commande du dispositif d'actionnement est élaboré par l'unité électronique de commande et permet d'asservir la pression des gaz dans le collecteur d'admission. La consigne de pression est calculée par l'unité électronique de commande en fonction de la demande du conducteur du véhicule et de différents paramètres. La pression régnant effectivement dans le collecteur d'admission est mesurée par un capteur de pression placé dans le collecteur d'admission.

Afin de répondre le plus rapidement possible à la demande du conducteur du véhicule, il est nécessaire de pouvoir piloter le turbocompresseur avec un temps de réponse le plus court possible quelque soit le point de fonctionnement du moteur. On peut, par exemple, prévoir un pré-positionnement de la commande en fonction du point de fonctionnement du moteur de façon à accroître la rapidité de l'asservissement en réduisant les temps de réponse lors des sollicitations du turbocompresseur. On rencontre, dans la pratique, des difficultés dues aux dispersions et aux dérives des composants de la chaîne de commande qui comprend notamment l'électrovanne et le dispositif d'actionnement. Les fluctuations de la tension de la batterie du véhicule entraînent également des dérives dans la commande qui ne permettent pas d'aboutir à un asservissement satisfaisant. En effet, le signal de commande élaboré par l'unité électronique de commande et fourni à l'électrovanne dépend de la tension de la batterie du véhicule. I1 s'agit le plus souvent d'une modulation de fréquence de la tension de la batterie. Un signal présentant un rapport cyclique d'ouverture déterminé, sert à moduler la tension moyenne fournie à l'électrovanne.

On constate que la tension moyenne aux bornes de l'électrovanne varie lorsque la tension de la batterie varie et ce, même si le rapport cyclique d'ouverture reste constant. I1 en résulte une position des ailettes de la turbine dans le cas d'une turbine à géométrie variable, qui ne correspond pas à celle qui devrait être théoriquement obtenue.

La pression de suralimentation n'est donc pas non plus exactement celle qui était souhaitée. Or, si la pression de suralimentation est trop importante, le turbocompresseur risque d'être détérioré. A contrario, une valeur trop faible de la montée en pression de suralimentation affecte le brio souhaité par le conducteur du véhicule.

La demande de brevet européen 1 300 559 décrit un système de commande pour un moteur à combustion interne muni d'un turbocompresseur de suralimentation à commande électronique. I1 est prévu de mesurer en temps réel la tension de la batterie du véhicule afin d'en tenir compte lors de la commande. Plus précisément, le système de commande décrit dans ce document prévoit d'utiliser l'alternateur de charge de batterie en mode de fonctionnement normal et de passer sur une utilisation exclusive de la batterie lorsque l'état du système d'alimentation électrique n'est pas conforme à un état prédéterminé. Dans la demande de brevet européen 1 300 561 qui décrit également un système de commande pour un moteur à combustion interne muni d'un dispositif de suralimentation à commande électronique, il est prévu de restreindre le fonctionnement du turbocompresseur si la tension de la batterie tombe au dessous d'une limite déterminée afin de ne pas exagérément décharger la batterie. Aucun de ces documents ne s'intéresse cependant au maintien de l'exactitude d'un asservissement du turbocompresseur quelque soit la valeur de la tension de la batterie.

La présente invention a pour objet précisément de résoudre ces difficultés. L'invention a notamment pour objet un système de commande de la puissance fournie par la turbine d'un turbocompresseur qui ne dépende pas de la valeur effective de la tension de la batterie.

De manière plus précise, l'invention a pour objet un tel système de commande comportant un dispositif d'actionnement piloté par une électrovanne dans lequel la position du dispositif d'actionnement soit uniquement fonction du rapport cyclique d'ouverture qui caractérise le signal de commande de l'électrovanne.

Dans un mode de réalisation, un système de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprend une unité électronique de commande contenant une loi de commande programmée, une électrovanne de commande actionnée par un signal de tension électrique provenant de la batterie du véhicule et modulé en fonction de la loi de commande et un dispositif d'actionnement piloté par l'électrovanne et capable d'agir sur la puissance fournie par la turbine. Le système comprend en outre des moyens de correction du signal de tension capables d'appliquer un premier correctif dépendant d'une tension de référence et de la tension de la batterie et un deuxième correctif défini par une fonction de la tension de la batterie et égal à 1 pour la tension de référence. Cette double correction permet d'obtenir une commande de la puissance fournie par la turbine, indépendante des fluctuations de la tension de la batterie. Le signal de tension fourni à l'électrovanne reste parfaitement défini par la loi de commande programmée dans l'unité électronique de commande quel que soit l'état de la batterie du véhicule.

De préférence, le premier correctif est le rapport de la tension de référence à la tension de la batterie. La fonction définissant le deuxième correctif peut être obtenue par des mesures préalables du signal de tension pour différentes valeurs de la tension de la batterie. Cette fonction définissant le deuxième correctif est de préférence une fonction quadratique. Le dispositif d'actionnement peut être capable d'agir sur l'orientation d'ailettes de la turbine qui est alors du type à géométrie variable. En variante, le dispositif d'actionnement peut être capable d'agir sur une soupape de décharge montée en amont de la turbine qui est alors du type à géométrie fixe. Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne de véhicule automobile, au moyen d'une chaîne de commande faisant intervenir la tension électrique de la batterie du véhicule. Selon ce procédé, on applique à un signal de commande dépendant de la tension de la batterie, un premier correctif dépendant d'une tension de référence et de la tension de la batterie et un deuxième correctif défini par une fonction de la tension de la batterie et égal à 1 pour la tension de référence. De préférence, le premier correctif est le rapport de la tension de référence à la tension de la batterie.

La fonction définissant le deuxième correctif peut être obtenue par des mesures préalables du signal de tension pour différentes valeurs de la tension de la batterie. Cette fonction est de préférence une fonction quadratique.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : • la figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne suralimenté avec un dispositif d'actionnement d'une turbine à géométrie variable ; • la figure 2 montre un graphique de la tension aux bornes de l'électrovanne de commande en fonction du temps pour un rapport cyclique d'ouverture de 50% ; • la figure 3 est un graphique analogue à la figure 2 pour un rapport cyclique d'ouverture de 25% ; • la figure 4 est un exemple d'une courbe montrant la valeur d'un coefficient correctif en fonction de la tension de la batterie ; • et la figure 5 montre schématiquement les principaux éléments d'un système de commande selon l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne 1 comportant quatre cylindres 2 munis d'injecteurs de carburant 3, l'air étant admis par un collecteur d'admission 4 tandis que les gaz d'échappement sont repris par un collecteur d'échappement 25 5. Le moteur 1 est équipé d'un turbocompresseur 6 qui comprend un compresseur 7 et une turbine 8 qui, dans l'exemple illustré, est du type à géométrie variable. Le collecteur d'échappement 5 amène les gaz d'échappement à l'entrée de la turbine 8 dans laquelle ces gaz se 30 détendent avant d'être rejetés par la ligne d'échappement 9. L'énergie délivrée par les gaz d'échappement 5 lors de leur passage dans la turbine 8 permet d'entraîner le compresseur 7 par l'arbre de transmission 10 qui est commun à la turbine 8 et au compresseur 7. L'air frais amené par la conduite d'air 11 peut ainsi être comprimé par 15 20 le compresseur 7 avant d'être admis dans le moteur par le collecteur d'admission 4. Bien entendu, le moteur 1 peut être, en outre, équipé de nombreux organes supplémentaires qui n'ont pas été représentés sur la figure pour des raisons de simplification. On peut, en particulier, prévoir un recyclage partiel des gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement 5 dans le collecteur d'admission 4 afin de réduire les gaz polluants dans la ligne d'échappement 9. La ligne d'échappement 9 peut également comporter différents dispositifs de traitement du type catalyseur ou filtre à particules qui n'ont pas été représentés sur la figure. Le contrôle du moteur se fait au moyen d'une unité électronique de commande (UCE) référencée 12 sur la figure 1, laquelle reçoit des informations provenant de différents capteurs non représentés sur la figure. L'unité électronique de commande 12 comporte des moyens de mémoire contenant divers logiciels et diverses lois de commande programmées pour le fonctionnement du moteur 1. On a également représenté sur la figure une électrovanne de commande 13 qui reçoit un signal de commande par la connexion 14 en provenance de l'unité électronique de commande 12. L'électrovanne 13 convertit le signal de commande qu'elle reçoit en une dépression qui est amenée à un actionneur pneumatique 15 par une conduite 16. L'actionneur pneumatique 15 peut mettre en mouvement une tige de commande 17 qui agit sur l'orientation des ailettes de la turbine 8.

La figure 1 montre également la batterie du véhicule référencée 18 dont le signal de tension est amené par la connexion 19 à l'unité électronique de commande 12 et qui peut, en outre, alimenter l'électrovanne par la connexion électrique 20. Des moyens non représentés permettent de mesurer en temps réel la tension effective de la batterie 18, le résultat de cette mesure étant utilisé dans l'unité électronique de commande 12. Le signal de commande pour l'électrovanne 13, élaboré par l'unité électronique de commande 12 résulte d'une modulation de fréquence de la tension de la batterie.

La figure 2 illustre à titre d'exemple un tel signal de commande.

Sur la figure 2, on a représenté en ordonnées la tension U aux bornes de l'électrovanne 13. La tension de la batterie est notée UB. Le temps t est représenté en abscisses. Le signal est un signal cyclique de période T qui passe de la valeur UB à la valeur 0 sur une demi période T Le signal comporte ainsi un rapport cyclique d'ouverture Rco de 2

50% dans le cas illustré sur la figure 2. La tension moyenne est ici égale à la moitié de la tension de la batterie UB soit 2B .

Dans une variante illustrée sur la figure 3, le rapport cyclique d'ouverture Rco est égal à 25%, la tension passant de la valeur maximale UB à la valeur 0 sur une durée égale au quart de la période soit 4 . Dans ce cas, la tension moyenne appliquée à l'électrovanne est égale au quart de la tension de la batterie UB soit UB . 4 Le signal fourni à l'électrovanne 13 dépend donc la valeur de la tension de la batterie UB. Si la tension de la batterie fluctue, il en résulte une fluctuation de la commande de l'électrovanne qui entraîne à son tour une fluctuation de la position des ailettes de la turbine à géométrie variable 8 et, par conséquent, une réponse différente du turbocompresseur 6 et une variation de la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission 4.Afin de corriger le signal fourni à l'électrovanne et d'obtenir un signal RCOcorr, il convient de déterminer un double correctif tenant compte de la valeur mesurée de la tension de la batterie.

A cet effet, on définit tout d'abord une tension de référence Uréf qui peut être choisie quelconque. Toutefois, il préférable de choisir une valeur de la tension de référence proche de la valeur de la tension de la batterie qui est usuellement celle de la batterie du véhicule en fonctionnement normal. On choisira, par exemple, une tension de référence Uréf égale à 14,2 Volts. On pourra cependant choisir également une tension de référence comprise en 11 et 15 Volts.

Un premier correctif à appliquer ci est alors défini comme étant le rapport de la tension de référence à la tension mesurée de la batterie, soit ci = Uref UB Ce premier correctif n'est cependant pas suffisant pour assurer une indépendance convenable du signal de commande de l'électrovanne 13 quelque soient les fluctuations de la batterie. Afin d'obtenir une dépression dans le dispositif actionneur pneumatique 15 correspondant exactement au rapport cyclique d'ouverture RCO calculé par l'unité électronique de commande quelque soit la tension de la batterie à tout instant, on utilise un deuxième correctif c2 dont la valeur est fournie par une fonction quadratique en fonction de la valeur mesurée de la batterie.

Pour déterminer cette courbe des variations du coefficient correctif c2 en fonction de la tension de la batterie UB, qui est illustrée à titre d'exemple sur la figure 4, on réalise une série d'essais à une tension de référence donnée et avec plusieurs valeurs de la tension de la batterie. En conservant une valeur égale à 1 pour le coefficient correctif c2 lorsque la tension de la batterie est égale à la tension de référence Uréf, on peut alors, par interpolation des différents points mesurés, tracer une courbe similaire à celle qui est représentée sur la figure 4 et en déduire sa traduction mathématique sous la forme quadratique :

y=axe+bx+c,

Les coefficients algébriques a, b et c sont déterminés par la courbe ainsi tracée.

Le signal corrigé peut alors être défini par la formule suivante : RCOcorr = RCOIN1T x C1 x C2 dans laquelle RCOJNJT est le signal fourni par l'unité électronique de commande pour la tension de batterie mesurée à chaque instant. ci est le premier coefficient correctif égal à UB et C2 est le deuxième coefficient correctif obtenu expérimentalement sous la forme de la fonction quadratique telle que celle illustrée sur le figure 4 avec la condition supplémentaire selon laquelle si UB = Uréf alors c2 est égal à 1.

La figure 5 illustre à titre d'exemple un mode de réalisation possible d'une régulation mettant en oeuvre cette double correction. Un régulateur 21 du type PID comprend un bloc intégrateur 22, un bloc proportionnel 23 et un bloc dérivateur 24. Un comparateur 25 reçoit sur son entrée positive une consigne de pression de suralimentation et sur son entrée négative la valeur de la pression de suralimentation mesurée par un capteur non représenté sur les figures. Le signal d'erreur E qui en résulte est amené aux entrées respectives du bloc intégrateur 22, du bloc proportionnel 23 et du bloc différentiel 24. Un bloc de prépositionnement 26 reçoit sur l'une de ses entrées une information concernant le point de fonctionnement du moteur et sur sa deuxième entrée des informations sur les conditions environnementales dans lesquelles se trouve le moteur. Différentes cartographies sont contenues dans une mémoire 27 du bloc de prépositionnement 26, lequel peut en déduire par calcul une valeur de prépositionnement de la régulation. Cette valeur de prépositionnement est amenée par la connexion 28 à l'une des entrées d'un additionneur 29 qui reçoit sur ses autres entrées le signal de sortie du régulateur 21 et le signal de sortie du bloc intégrateur 22. Le signal de commande qui en résulte traverse un premier bloc de traitement 30 qui élimine les valeurs trop importantes ou trop faibles avant d'être amené à l'entrée d'un premier bloc de correction 31 qui reçoit, en outre, sur sa seconde entrée le premier coefficient correctif ci = U"f UB Le résultat de cette première correction est amené par la connexion 32 sur la première entrée d'un deuxième bloc de correction 33 qui reçoit sur sa deuxième entrée 34 le deuxième coefficient correctif c2. Ce coefficient correctif c2 est calculé par le bloc 35 dans lequel se trouve mémorisée la fonction quadratique définissant ce deuxième coefficient correctif en fonction de la tension mesurée de la batterie UB qui est amenée à l'entrée 36 du bloc 35. Le signal finalement corrigé RCOcorr peut alors alimenter par la connexion 37 l'électrovanne 13, laquelle fournit une dépression à l'actionneur pneumatique 15 en vue du déplacement des ailettes de la turbine à géométrie variable 8 illustrée sur la figure 1. En variante, l'actionneur provoque une modification de position d'une soupape de décharge non illustrée sur les figures. La commande de suralimentation correspond ainsi très précisément à la valeur de consigne calculée par l'unité électronique de commande (UCE) 12 en fonction de la valeur mesurée UB de la tension de la batterie à chaque instant. Grâce à la double correction effectuée par les deux coefficients correctifs ci et c2, la valeur de la dépression dans l'actionneur pneumatique 15 correspond très exactement à la valeur du signal de commande calculée par l'unité électronique de commande et ne dépend plus des fluctuations de la tension de la batterie de part et d'autre de la tension de référence.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Système de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile, comprenant une unité électronique de commande (12) contenant une loi de commande programmée, une électrovanne de commande (13) actionnée par un signal de tension électrique provenant de la batterie du véhicule et modulé en fonction de la loi de commande et un dispositif d'actionnement (15) piloté par l'électrovanne et capable d'agir sur la puissance fournie par la turbine (8), caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de correction du signal de tension capables d'appliquer un premier correctif (ci) dépendant d'une tension de référence et de la tension de la batterie et un deuxième correctif (c2) défini par une fonction de la tension de la batterie et égal à 1 pour la tension de référence.
2. 2. Système de commande selon la revendication 1 dans lequel le premier correctif ci est le rapport de la tension de référence à la tension de la batterie.
3. 3. Système de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel la fonction définissant le deuxième correctif c2 a été obtenue par des mesures préalables du signal de tension pour différentes valeurs de la tension de la batterie.
4. 4. Système de commande selon la revendication 3 dans lequel la fonction définissant le deuxième correctif est une fonction quadratique.
5. 5. Système de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif d'actionnement est capable d'agir sur l'orientation d'ailettes de la turbine (8) qui est du type à géométrie variable.
6. 6. Système de commande selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le dispositif d'actionnement est capable d'agir sur une soupape de décharge montée en amont de la turbine qui est du type à géométrie fixe.
7. 7. Procédé de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile, au moyen d'une chaîne de commande faisant intervenir la tension électrique de la batterie du véhicule, caractérisé par le fait que l'on applique à un signal de commande dépendant de la tension de la batterie, un premier correctif dépendant d'une tension de référence et de la tension de la batterie et un deuxième correctif défini par une fonction de la tension de la batterie et égal à 1 pour la tension de référence.
8. 8. Procédé de commande selon la revendication 7 dans lequel le premier correctif est le rapport de la tension de référence à la tension de la batterie.
9. 9. Procédé de commande selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel la fonction définissant le deuxième correctif est obtenue par des mesures préalables du signal de tension pour différentes valeurs de la tension de la batterie.
10. 10. Procédé de commande selon la revendication 9 dans lequel la fonction définissant le deuxième correctif est une fonction quadratique.