FR3082887A1 - Procede de determination d’une consigne de puissance d’un compresseur de moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de determination d’une consigne de puissance d’un compresseur de moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination d'une consigne de puissance (Pcomp_cons) d'un compresseur équipant une ligne d'admission reliée à un moteur à combustion interne au niveau d'un répartiteur d'air, dans lequel la consigne de puissance (Pcomp cons) du compresseur est déterminée à partir d'un débit d'air, caractérisé en ce que ce débit d'air est une consigne de débit d'air (Qair cons), cette consigne de débit d'air (Qair_cons) étant obtenue partir d'une détermination préalable du rendement volumétrique courant (ηvol) du moteur correspondant au ratio entre le débit de gaz réellement admis dans le moteur, et le débit théorique pouvant être admis dans le moteur, de la température courante (Tp) et de la pression courante (Pp) dans le répartiteur d'admission, du régime moteur (N), de la pression de suralimentation courante (Psural_cour) et de la consigne de pression de suralimentation (Psural_cons) en aval du compresseur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION D’UNE CONSIGNE DE PUISSANCE D’UN COMPRESSEUR DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de détermination d’une consigne de puissance d’un compresseur de moteur à combustion interne.
Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro VI, relatives aux niveaux d’émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères.
Les niveaux de performance requis pour les fonctions de contrôle moteur étant par conséquent de plus en plus exigeant, il est intéressant de bien connaître l’état du système à contrôler en stabilisé et en transitoire. Cette connaissance passe actuellement par l’implantation de capteur complétée par une modélisation des phénomènes physiques présents. Une grandeur spécifique du système peut alors être estimée via la mesure du capteur et par le résultat de la modélisation.
En particulier dans le cas d’un moteur à combustion interne à allumage par compression équipé d’un système de suralimentation tel qu’un turbocompresseur, l’estimation du débit d’air qui va traverser le compresseur du turbocompresseur est nécessaire pour contrôler correctement par exemple, la vanne de décharge, encore désignée communément « waste gate >> en anglais. Cette estimation demande de calculer la puissance que la turbine devra fournir au compresseur.
La détermination de la puissance nécessaire au compresseur peut être réalisée à partir du débit d’air courant, cependant cela implique
-une possible divergence car lorsque la pression de suralimentation va être plus élevée que la consigne, alors le débit d’air réalisé sera plus élevé que prévu. Hors, si le débit d’air est plus élevé que prévu alors les pertes de charges du filtre à air et du refroidisseur d’air de suralimentation vont augmenter. La puissance nécessaire au compresseur va alors augmenter, ce qui va avoir pour conséquence d’augmenter la pression de suralimentation et donc d’amplifier le phénomène.
-Une réponse peu dynamique de la suralimentation. En effet en se basant sur le débit d’air courant, qui est dépendant de la pression de suralimentation réalisée, le calcul de la puissance compresseur va augmenter lorsque la pression de suralimentation va augmenter. Pour être plus dynamique il faudrait que la puissance compresseur soit d’une forme de type créneau, qu’elle passe directement à la valeur qu’on voit lorsque l’on est sur point stabilisé.
Il existe donc un besoin pour estimer avec précision la puissance demandée au compresseur,
Un but de la présente invention est de proposer un procédé qui permet d’améliorer la précision d’estimation de la puissance demandée au compresseur d’un tel turbocompresseur.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un procédé de détermination d’une consigne de puissance d’un compresseur équipant une ligne d’admission reliée à un moteur à combustion interne au niveau d’un répartiteur d’air, dans lequel la consigne de puissance du compresseur est déterminée à partir d’un débit d’air, caractérisé en ce que ce débit d’air est une consigne de débit d’air, cette consigne de débit d’air étant obtenue partir d’une détermination préalable :
-du rendement volumétrique courant du moteur correspondant au ratio entre le débit de gaz réellement admis dans le moteur, et le débit théorique pouvant être admis dans le moteur, -de la température courante et de la pression courante dans le répartiteur d’admission,
- du régime moteur,
- de la pression de suralimentation courante et de la consigne de pression de suralimentation en aval du compresseur.
L’effet technique est de créer un débit d’air de consigne qui est cohérent avec la pression consigne de pression de suralimentation, ce qui évite le risque de divergence en débit d’air et pression de suralimentation.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, on détermine à partir du rendement volumétrique courant un rendement volumétrique courant filtré par un filtre passe-bas.
Selon une réalisation, le filtre bas prend en compte un coefficient de filtrage qui dépend de l’écart entre la valeur filtrée et non filtrée du rendement volumétrique courant.
Selon une réalisation, le coefficient de filtrage est obtenu au moyen d’une cartographie qui établit ce coefficient de filtrage en fonction de l’écart entre la valeur filtrée et non filtrée du rendement volumétrique courant.
Selon une réalisation, pour laquelle le moteur comprend de plus une ligne de recirculation des gaz d’échappement, la détermination de la consigne de débit d’air, et du rendement volumétrique courant comprend une détermination préalable d’un taux courant de gaz d’échappement en recirculation.
Selon une réalisation, le procédé est activé lorsque le taux courant de gaz d’échappement en recirculation est inférieur ou égal à 5%.
Selon une réalisation, que la consigne de débit d’air Qairconsest donnée par la relation :
Figure FR3082887A1_D0001
Avec
-Tp et Pp respectivement la température et la pression dans le répartiteur d’admission (9), Psural_cons ©t Psural_cour respectivement la consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation courante,
-Tegr, le taux courant de gaz d’échappement en recirculation,
-rpienum, la constante spécifique des gaz dans le répartiteur d’admission, ‘ η'νοίle renc|ement volumétrique courant filtré.
L’invention a aussi pour objet un ensemble moteur comprenant :
-un moteur à combustion interne
-une ligne d’admission d’air équipée d’un compresseur et reliée au moteur à combustion interne au niveau d’un répartiteur d’air,
-le cas échéant, une ligne de recirculation des gaz d’échappement, caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur électronique comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d’un procédé selon l’une des variantes précédemment décrites.
L’invention a aussi pour objet un comprenant un tel ensemble moteur pour son déplacement.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique d’un moteur thermique conforme à l’invention.
- La figure 2 est une représentation schématique du procédé de l’invention.
La figure 1 présente un moteur thermique 1, par exemple un moteur à combustion interne à allumage par compression, comprenant un bloc-moteur avec au moins un cylindre 2, par exemple ici quatre cylindres, pour la combustion. Un tel moteur thermique peut équiper un véhicule, par exemple un véhicule pour permettre un déplacement de celui-ci.
Le moteur thermique 1 comporte en outre un calculateur, non représenté, comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé détaillé après.
Le moteur thermique 1 est relié à une ligne 3 d’admission d’air et à une ligne 4 d’échappement des gaz brûlés. Le moteur thermique 1 comprend encore un turbocompresseur 5, avec son compresseur 6 disposé dans la ligne d’admission et sa turbine 7 disposée dans la ligne 4 d’échappement. La ligne 3 d’admission comprend encore une vanne 8 de dosage d’air pour le contrôle du débit d’air admis dans le moteur 1, pouvant être par exemple classiquement un boîtier papillon, et un répartiteur 9 d’air vers les cylindres 2 du moteur thermique. La ligne 3 d’admission peut comprendre encore un filtre à air 10 placé en amont du compresseur 6 et un refroidisseur d’air de suralimentation 11 placé en aval du compresseur 8
Le moteur thermique 1 comprend encore une ligne 12 de recirculation des gaz d’échappement reliant la ligne 4 d’échappement à la ligne 3 d’admission. La ligne 12 de recirculation des gaz d’échappement est reliée à une de ses extrémités à la ligne 4 d’échappement par un piquage situé en amont de la turbine 7, relativement au sens d’écoulement des gaz d’échappement. La ligne 12 de recirculation des gaz d’échappement est reliée à l’autre de ses extrémités à la ligne 3 d’admission par un piquage situé en aval du compresseur 6, relativement au sens de circulation de l’air d’admission. La ligne 12 de recirculation des gaz d’échappement comprend classiquement une vanne 13 de dosage de la quantité de gaz d’échappement à faire recirculer.
La figure 2 détaille les étapes du procédé de l’invention.
Au bloc 20 est calculé le rendement volumétrique ηνοι courant. Le rendement volumétrique correspond au ratio entre le débit de gaz réellement admis dans le moteur, Qtotadmis, et le débit théorique pouvant être admis dans le moteur :
Qtotadmis ^Ivol q ''-totadmiS-theorique
Avec d’une part :
Qtotadmis Qair + Qegr
Et,
Qair, le débit d’air courant dans la ligne 3 d’admission. Ce débit d’air courant est par exemple mesuré par un débitmètre,
Qegr, le débit de gaz d’échappement en recirculation.
Le taux courant de gaz d’échappement en recirculation, Tegr , est donné par la relation :
Tegr = 100 x Qesr
Qtotadmis
En pratique, ce taux courant de gaz d’échappement en recirculation est estimé en fonction du le débit d’air courant, Qair, et du point de fonctionnement moteur.
Le débit de gaz réellement admis dans le moteur, Qtotadmis, s’écrit alors : 100
Qtotadmis - 10() - Tegr X
Le débit total théorique au moteur, Qtotadmis théorique’ corresPond à :
PP
Qtotadmis borique - Z X ^unitaire x Nbrecylindre X N 1 plenum Λ
Avec :
N, le régime du moteur, qui peut être obtenu par mesure à l’aide d’un capteur de régime,
Nbrecyiindre, le nombre de cylindre du moteur,
Cylunitaire, la cylindrée d’un seul cylindre du moteur,
Pp, la pression dans le plénum, autrement dit dans le répartiteur d’admission 9, qui peut être mesurée au moyen d’un capteur de pression,
Tp, la température dans le plénum, qui peut être mesurée par un capteur ou estimée par calcul, rpienum, la constante spécifique des gaz dans le plénum,
Le rendement volumétrique s’écrit alors de la manière suivante :
100
100 - Tegr X Qair
Vvol ~
Pp — rp x Cylunitaire x Nbrecyiindre x N 'plenum Λ 'p
On fait ici comme hypothèse que la constante spécifique des gaz dans le plénum est égale à celle de l’air :
^plénum ï'air =287 J/kg/K
Ce rendement volumétrique qvoiest ensuite filtré via un filtre passe-bas (bloc 23), dont la valeur du filtrage dépend de l’écart entre la valeur du rendement volumétrique ηνοχ, et la valeur de rendement volumétrique η'νοι filtrée. Cet écart entre la valeur non filtrée et la valeur filtrée du rendement volumétrique est réalisé sur le figure 2 au bloc 21. A partir de cet écart, il est déterminé au bloc 22 un coefficient de filtrage, qui peut être déterminé à partir d’une cartographie qui établit le coefficient de filtrage en fonction de l’écart entre la valeur non filtrée et la valeur filtrée du rendement volumétrique.
Ce filtre permet d’atténuer les oscillations du rendement volumétrique dues aux différents calculs.
Sur la figure 2, le débit d’air de consigne est ensuite calculé au bloc 24, de la manière suivante :
P) consigne _ / v Ω consigne ^totadmis *1 V°1 ^totadmis_theorique
Avec le rendement volumétrique η'νοι filtré, et
Qt°tadmisC°nSlgne ’la consi9ne de débit total de gaz à admettre dans le moteur,
Qtotadmis théoriqueCOnSlgne’ la θοηδ'9ηθ de débit total de 9az pouvant être admis dans le moteur,
En utilisant la pression plénum de consigne, PpienumC°nSlgne - on peut calculer le débit total, Qtotadmis theOriqueC°nSlgne correspondant à cette pression :
p consigne
Qtotadmis théorique § = χ ψ X ^unitaire x Nbrecylindre X N 1 plenum
Pour calculer la pression plénum de consigne :
p consigne _ p _ Ap consigne ^plénum ” *sural_cons ^^doseur
Avec Psurai cons ,|a consigne de pression de suralimentation, et, APdoseurconsigne , la consigne d’écart de pression au niveau du doseur d’air 8. Cette consigne, APdoseurconsi'qne, d’écart de pression au niveau du doseur d’air 8 étant impossible à prédire, nous faisons l’hypothèse que la valeur courante correspond à la valeur de consigne :
«p consigne _ «p courant _ p _ p doseur doseur * sural cour tp
Avec Pp la pression plenum courante, et PSUrai cour-la pression courante de suralimentation , en aval du compresseur 6 et en amont du doseur 8. Cette pression courante de suralimentation PSUrai cour- PeLJt être estimée via Qair, le débit d’air courant dans la ligne 3 d’admission, la pression plenum courante, Pp, et la position du papillon du doseur 8.
La pression plénum de consigne, PpienumC°nSlgne’ s’écrit alors :
p consigne _p _ fp _p t rPlenum ~ rsural_cons \rsural_cour rP J
Soit pour le débit total :
consigne
100
100 - Tegr consisne X Q air cons
Avec Tegr consigne, la consigne de taux de gaz d’échappement en recirculation. Cette consigne de taux de gaz d’échappement en recirculation étant impossible à prédire, nous faisons également l’hypothèse que la valeur courante correspond à la valeur de consigne : T consigne _ T Legr ~~ Legr
On obtient alors pour le débit d’air de consigne, Qair_cons _ 100 - Tegr air_cons 100
X q consigne
Soit en définitive :
Qa.îrcons
100 1-egr ,
----------— X T) ,
100 1 V01
Psuralcons (Psural_cour ^plenum X Tp * Cylunitaire * NbreCyijn(jre X N
Le débit d’air de consigne étant directement liée à la pression de suralimentation de consigne, le risque de divergence est supprimé car on ne dépend plus de la pression de suralimentation réalisée dans le calcul de la puissance demandée au compresseur.
Avantageusement, le procédé est utilisé lorsqu’il y a recirculation de gaz d’échappement pour une plage de taux de gaz d’échappement en recirculation faible, c’est-à-dire dans une plage inférieure à ou égale à 5%. En effet si l’estimation de taux de gaz d’échappement en recirculation est entachée d’erreur, cela permet de limiter cette erreur et donc en définitive celle de la consigne de puissance du compresseur 6.
Au bloc 28 on détermine, P commons, la consigne de puissance du compresseur 6. Cette consigne de puissance est obtenue à partir la consigne de débit d’air, Qair_cons > des consignes de pression amont et aval du compresseur, Pam_comP_cons ©t Pav_comP_cons, ainsi que de Tam comp, la consigne de température d’air en amont du compresseur 6 :
Yair 1
Pav_comp_cons \ ^air 1 P / -1 ram_comp_cons/
Qair cons X ^Pair ^am comp X
P = ---------------------rcomp_cons •Icomp
Avec, î]comp Je rendement compresseur, cPair, la capacité calorifique de l’air,
Yair, coefficient adiabatique de l’air
La consigne de pression en amont du compresseur, Pam_comP_cons est déterminée au bloc 25 à partir de la consigne de débit d’air, Qair cons, et en prenant en compte les pertes de charge induites par le filtre à air 10.
La consigne de pression en aval du compresseur, Pav_comP_cons est déterminée à partir de la consigne de débit d’air, Qair cons, en prenant en compte les pertes de charge induites par le refroidisseur d’air de suralimentation 11 (bloc 26) et PSUrai cons Ja consigne de pression de suralimentation (bloc 27).
L’invention permet de créer un débit d’air de consigne qui est cohérent avec la pression plénum de consigne.
L’invention a pour avantage de supprimer le risque de divergence en débit d’air et pression de suralimentation qui font que lorsque la pression de suralimentation augmente alors le débit d’air augmente ce qui a tendance à faire diverger la loi de commande car la puissance demandée au niveau du compresseur augmente. De plus, elle permet d’avoir une puissance demandée au compresseur qui est de type « créneau >> lorsque l’on impose un créneau de couple au moteur, ce qui permet d’améliorer la dynamique de la pression de suralimentation.
Cette invention permet d’améliorer la qualité des régulations de pression de suralimentation et de débit de gaz d’échappement en recirculation, en réduisant le risque d’oscillation ainsi que le temps de réponse de la pression de suralimentation. Cette invention n’induit pas de coût matériel supplémentaire car il s’agit d’un contrôle commande simple à mettre en place.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de détermination d’une consigne de puissance (Pcomp_cons) d’un compresseur (6) équipant une ligne d’admission (3) reliée à un moteur (1) à combustion interne au niveau d’un répartiteur d’air (9), dans lequel la consigne de puissance (Pcomp_cons) du compresseur est déterminée à partir d’un débit d’air, caractérisé en ce que ce débit d’air est une consigne de débit d’air (Qair_cons), cette consigne de débit d air (Qair_cons) étant obtenue partir d’une détermination préalable : -du rendement volumétrique courant (T|voi) du moteur correspondant au ratio entre le débit de gaz réellement admis dans le moteur, et le débit théorique pouvant être admis dans le moteur,
    -de la température courante (Tp) et de la pression courante (Pp) dans le répartiteur d’admission (9),
    - du régime moteur (N),
    - de la pression de suralimentation courante (Psural_cour) et de la consigne de pression de suralimentation (Psural_cons) en aval du compresseur (6).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on détermine à partir du rendement volumétrique courant (T]voi) un rendement volumétrique courant filtré (T|’voi) par un filtre passe-bas (23).
  3. 3. Procédé selon revendication 2, caractérisé en ce que le filtre passe-bas (23) prend en compte un coefficient de filtrage (22) qui dépend de l’écart (21) entre la valeur filtrée et non filtrée du rendement volumétrique courant.
  4. 4. Procédé selon revendication 3, caractérisé en ce que le coefficient de filtrage est obtenu au moyen d’une cartographie qui établit ce coefficient de filtrage en fonction de I écart (21) entre la valeur filtrée et non filtrée du rendement volumétrique courant.
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (1) comprenant de plus une ligne (12) de recirculation des gaz d’echappement, la détermination de la consigne de débit d’air (Qair_cons), et du rendement volumétrique courant (T|voi) comprend une détermination préalable d’un taux courant de gaz d’échappement en recirculation (Tegr).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il est activé lorsque le taux courant de gaz d échappement en recirculation (Tegr) est inférieur ou égal à 5%.
  7. 7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6 et la revendication 2, caractérisé en ce que la consigne de débit d’air (Qair_cons) est donnée par la relation
    Avec
    Q-aircons
    A22__Ξegr , Psuralcons (Psural_cour Pp)
    100 X η vol x ---------------‘plenum Λ ‘p
    -Tp et Pp respectivement la température et la pression dans le répartiteur d’admission (9),
    -Psural_cons et Psural_cour respectivement la consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation courante,
    -Tegr, le taux courant de gaz d’échappement en recirculation,
    -rpienum, la constante spécifique des gaz dans le répartiteur d’admission,
    - îj’voi le rendement volumétrique courant filtré.
  8. 8. Ensemble moteur comprenant :
    -un moteur (1) à combustion interne
    -une ligne d’admission d’air (3) équipée d’un compresseur (6) et reliée au moteur (1) à combustion interne au niveau d’un répartiteur d’air (9), caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur électronique comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
  9. 9. Ensemble moteur comprenant
    -un moteur (1) à combustion interne,
    -une ligne d’admission d’air (3) équipée d’un compresseur (6) et reliée au moteur (1) à combustion interne au niveau d’un répartiteur d’air (9),
    -une ligne (12) de recirculation des gaz d’échappement, caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur électronique comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7.
  10. 10. Véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble moteur selon la revendication 8 ou la revendication 9 pour son déplacement.
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