EP2069626A2 - Procede de protection pour un moteur a gaz et son dispositif - Google Patents

Procede de protection pour un moteur a gaz et son dispositif

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Publication number
EP2069626A2
EP2069626A2 EP07848344A EP07848344A EP2069626A2 EP 2069626 A2 EP2069626 A2 EP 2069626A2 EP 07848344 A EP07848344 A EP 07848344A EP 07848344 A EP07848344 A EP 07848344A EP 2069626 A2 EP2069626 A2 EP 2069626A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
value
engine
index
coefficient
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07848344A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Le Corre
Camal Rahmouni
Stéphane Rousseau
Laurent Truffet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalkia SA
Original Assignee
Dalkia France SCA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR0653902A external-priority patent/FR2906314A1/fr
Application filed by Dalkia France SCA filed Critical Dalkia France SCA
Publication of EP2069626A2 publication Critical patent/EP2069626A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D19/026—Measuring or estimating parameters related to the fuel supply system
    • F02D19/029—Determining density, viscosity, concentration or composition
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas engines, including gas engines intended to operate in steady state.
  • the present invention relates more particularly to a method of protection for a gas engine, in particular stationary, intended to adjust at least one parameter of the engine, the method comprising:
  • a step of obtaining an index representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine a step of obtaining an index representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine.
  • Such a motor is generally powered by a gaseous fuel, such as natural gas or gaseous biofuel.
  • a gaseous fuel such as natural gas or gaseous biofuel.
  • the method according to the present invention aims at protecting the engine from abnormal combustions, which are essentially due to the variation of the chemical composition of the fuel, this variation possibly resulting from the change of fuel supply source (in the case of natural gas). or fluctuations in the process of waste degradation (in the case of biofuel).
  • No. 5,333,591 proposes a method in which a sensor measures the thermal conductivity of the gas supplied to the engine and in which a mechanical knock sensor is provided in order to detect abnormal combustion. When an abnormal combustion is detected, the values of certain parameters are modified in order to find a normal combustion.
  • An object of the present invention is to provide a method of preventive protection for a gas engine, including stationary.
  • the invention achieves its object by the fact that the protection method further comprises;
  • the optimum adjustment value of the at least one parameter is, for a given gas, an advantageous value of the parameter for which the combustion of the gas in the engine is normal, that is to say free from rattling.
  • the engine may be a "physical" engine or a modeling thereof.
  • the value of the parameter is advantageously changed before the gas, the magnitude representative of its combustion behavior is measured, enters the engine, whereby it avoids the occurrence of rattling in the case where the measured magnitude reveals that this gas will lead to abnormal combustion.
  • the value of the parameter is therefore advantageously changed in a preventive manner to avoid damage to the engine due to abnormal combustion.
  • Another advantage of the present invention is to optimize the operation of the engine according to the "combustion quality" of the gas supplying the engine, the engine parameters not being modified empirically as in the prior art.
  • Another advantage of the invention is to minimize polluting discharges.
  • the invention also makes it possible to maximize the efficiency of the motor by suitably selecting the adjustment values of the parameter or parameters.
  • engine parameter means the parameters whose adjustment has an influence on the operation of the engine.
  • These parameters can be for example but not exclusively: the load, the ignition advance, the excess air, the admission conditions (pressure and temperature), the cooling temperature of the engine block (by brine) or ventilated by air).
  • the step of obtaining an index representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine may comprise a measurement and / or calculation step.
  • the magnitude representative of the combustion behavior of the gas supplied to the engine is the methane index of said gas.
  • the methane number of a gas is the percentage of methane in a gaseous mixture constituted by methane and hydrogen, this gaseous mixture and this gas having the same behavior with respect to abnormal combustions. , it being understood that this behavior is considered in a reference engine.
  • the determination step comprises a filtering step during which the index obtained is compared with a limit value of the predetermined index so that, in the event of success of the filtering step, the value of optimal setting is determined to be equal to a nominal setting value.
  • the filtering stage is successful when the index obtained is greater than or equal to the limit value, while the filtering step is a failure when the index obtained is strictly less than the value. limit.
  • An advantage of the filtering step is to overcome unwanted alerts, by filtering the situations for which no optimization calculation is necessary insofar as the gas does not present a risk of rattling, particularly for the nominal settings of the motor. Such situations arise when the gas index is sufficiently high.
  • Failure of the filtering step means that the gas potentially presents a risk of rattling as a result of which this risk must be evaluated according to the setting value of the engine parameters.
  • the limit value is parameterized by the user. It may be for example, but not exclusively, from recommendations provided by the engine manufacturer.
  • the determination step further comprises, in case of failure of the filtering step:
  • the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is a knock risk estimator.
  • the first comparison step is successful when the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is less than or equal to the limit value of the predetermined coefficient, while the first comparison step is a failure when the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is strictly greater than the limit value of the predetermined coefficient.
  • the limit value of the coefficient is between 0.5 and 10.
  • the coefficient representative of the combustion behavior of the motor is equal to the limit value of the predetermined coefficient, this means that the current adjustment value is optimal for the index obtained.
  • the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is strictly less than the limit value of the predetermined coefficient, this means that for the current adjustment value and given the index obtained, the operation of the engine is safe but the current setting value does not necessarily optimize the motor operation unless the current setting value is equal to the nominal setting value.
  • the first comparison step is a failure, it means that the current setting value does not guarantee safe operation of the motor, as a result of which the current setting value is changed.
  • an iterative loop comprising:
  • a step of generating a modified adjustment value from the current adjustment value a second step of determining the coefficient representative of the combustion behavior of the engine, especially from the modified adjustment value and the index obtained;
  • the second step of determining the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is identical or at least similar to the first determination step mentioned above.
  • the second comparison step is preferably, but not exclusively, successful when the coefficient is less than or equal to the limit value of the coefficient.
  • the second comparison step is identical to the first comparison step. It is understood that the realization of the iterative loop makes it possible to determine an optimum adjustment value for said parameter.
  • the generation step is capable of generating a modified adjustment value greater than the current adjustment value if the coefficient representative of the combustion behavior of the engine is less than the limit value of the coefficient and if the current adjustment value n is not equal to the nominal adjustment value, and the generation step is capable of generating a modified adjustment value lower than the current adjustment value if the coefficient representative of the combustion behavior of the motor is greater than the limit value coefficient.
  • the modified adjustment value is preferably generated using a gradient method, otherwise known, or by incrementing or decrementing the current setting value according to a predefined or user-defined sampling.
  • the step of obtaining the value of the index consists in measuring said index in situ, and said method according to the invention further comprises a step of transmitting the value of optimal adjustment to motor control means.
  • the engine control means make it possible to adjust the engine parameter to a value equal to the optimum adjustment value, so that the engine operates optimally.
  • the method according to the first embodiment makes it possible to optimize in real time the operation of the engine in order to guarantee a combustion free of rattling.
  • this method evaluates in real time the risk of abnormal combustion and determines, in real time, the optimum adjustment value so as to ensure safe operation of the engine.
  • the various steps of the protection method are determined by computer program instructions.
  • the invention also relates to a computer program on an information carrier, capable of being implemented in a motor or more generally in a computer, this program comprising instructions for performing the steps of the method as described above.
  • These programs may use any programming language, be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in a partially compiled form, or in any other form suitable.
  • the invention also relates to a computer-readable information medium comprising instructions of a computer program as mentioned above.
  • This information carrier may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may, for example, but not exclusively include storage means such as a ROM, a DVD, a CD, or a magnetic recording medium, such as a floppy disk or a hard disk.
  • the information medium may be an integrated circuit in which the program is incorporated, said circuit being intended to be used in the implementation of the method described above.
  • the invention also provides a method for generating a cartography, comprising:
  • a step during which a plurality of values of an index representative of the combustion behavior of the gas are provided a step during which the method according to the invention as described above is implemented; to obtain an optimum setting value for each of the index values provided in the previous step, a step during which the optimum adjustment values and the corresponding index values are stored in a memory.
  • the plurality of values of the index is stored in a database.
  • the memory contains the map as generated by the generation method.
  • the invention therefore also relates to a data structure, such as a database, comprising the mapping generated by the implementation of the generation method described above.
  • the present invention also relates to a mapping protection device for a gas engine and comprising a data structure according to the invention containing a map generated by the method described above, means for measuring the value of a representative magnitude. the combustion behavior of the gas supplied to the engine, means for determining an optimum setpoint value relating to an engine adjustment parameter from the mapping and the measured value of said quantity, and means for transmitting the setpoint value optimum to engine control means.
  • said optimal target value is determined from a value lower than the measured value of said quantity.
  • An advantage is to have a safety margin which corresponds to the difference between the measured value of said quantity and said lower value.
  • the magnitude representative of the combustion behavior of the gas is the methane index of said gas.
  • the present invention also relates to an energy installation comprising a gas engine and the protection device as described above, so as to protect said gas engine abnormal combustion.
  • the invention aims at a protection device for a gas engine, in particular a stationary engine, intended to adjust at least one parameter of the engine, the device comprising: means for obtaining an index representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine; the device further comprising:
  • the protection device further comprises;
  • filtering means for comparing the index obtained with the limit value of the index, so that, in the event of successful filtering, the optimum adjustment value is determined to be equal to a nominal adjustment value of said parameter; .
  • this protection device further comprises: means for determining a coefficient representative of the combustion behavior of the engine, in particular from a current adjustment value of the parameter and the index obtained;
  • FIG. 1 shows the block diagram of an installation comprising a stationary gas engine provided with a protection device implementing the protection method according to the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of the protection device according to the invention, designed to operate in real time;
  • FIG. 3 represents an exemplary control strategy of the engine in the event of a rattling alert
  • FIG. 4 is a block diagram of the protection device according to a second embodiment of the invention using a map.
  • an installation 10 such as an energy installation, comprising a gas engine 12, preferably but not exclusively of the stationary type, which is fed with a gaseous fuel conveyed to to an inlet of the motor 12 via a pipe 14.
  • the gaseous fuel may be natural gas, biogas or any other type of gas suitable for this purpose.
  • the gas engine comprises at least one cylinder in which the combustion of the gaseous fuel takes place, this combustion causing the rotation of a shaft 16 of the gas engine 12, so that said engine is capable of delivering, for example, electric power Pe via an alternator 18 connected to the motor shaft 12.
  • the installation further comprises control means 20 for setting one or more parameters of the gas engine 12, these parameters being for example but not exclusively the ignition advance, the load, the excess air, the conditions of admission (pressure and temperature), the cooling temperature of the engine block (by brine or air-cooled).
  • P j the value of the j-th parameter P j , where j is an integer between 1 and N, where N is the total number of motor parameters, will be referred to as P j .
  • the installation 10 further comprises a protection device 24 for the stationary gas engine.
  • This protection device advantageously makes it possible to prevent abnormal combustions of the fuel. gas in the gas engine 12, which generally result in the known phenomenon of rattling can severely damage the constituent elements of the gas engine 12.
  • the principle is to modify pre-emptively the engine parameter setting values P j if a variation in the "quality" of the gas is detected upstream of the engine 12.
  • the term "quality" of the gas means the combustion behavior of the gas supplied to the engine 12.
  • the device comprises means 26 for obtaining an index IM representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine 12.
  • this index is the methane number of said gas.
  • the "quality" of the gas entering the engine 12 is characterized here by its methane index. It is quite possible to choose other types of index, without departing from the scope of the present invention.
  • the measuring means 26 advantageously comprise a sensor 26 mounted on the pipe 14 upstream of the inlet of the gas engine, which sensor continuously measures the methane index IM of the gas.
  • a sensor can for example be designed based in particular on the technical teaching contained in patent EP 1 412 742 of the applicant.
  • the protection device 24 comprises means 28 for determining an optimum adjustment value P j opt for at least one parameter P j of the engine, taking into account the index obtained. , that is to say in this case given the methane index measured.
  • each of the parameters p ⁇ of the motor can be set independently of the others, for example according to a strategy imposed by the user.
  • the need for methane index BIM of the engine is modified, the idea being to adapt the methane index requirement with respect to the methane index of the gas which supplies it, so that the combustion is free of rattling.
  • the adjustment values P j of the parameters P j are advantageously modified since a variation in the quality of the gas is detected by the obtaining means 26 so that the combustion in the engine is never abnormal.
  • FIG. 1 A first embodiment of the protection device 100 is shown in FIG. 1
  • the protection device 100 operates in real time.
  • This protection device 100 is preferably designed to adjust several parameters p 3 of the motor 12.
  • the protection device 100 comprises means 102 for obtaining an index IMg representative of the combustion behavior of a gas that can be supplied to the engine 12.
  • the index is the methane index of said gas. It is also possible to use other indices representative of the quality of the gas, accessible in situ continuously, such as, for example, octane number, Wobbe index, the ICP or the chemical composition of the gas.
  • the obtaining means 102 comprise a sensor capable of measuring the methane index IM of the gas supplying the engine and, preferably, said obtaining means 102 are preferably, but not necessarily, capable of generating an IMg value lower than the measured methane index IM, said value being called methane index kept IMg.
  • the protection device 100 includes means 104 for determining an optimal setting value P j opt for said parameter, given the obtained index IMG.
  • the optimum adjustment value P j opt is preferably sent to control means 20 acting on the control members of the motor 12 as a function of the adjustment value received.
  • the protection device 100 further comprises a memory 106 containing an IML limit value of the predetermined index, as well as filtering means 108 for comparing the obtained index IMg with the limit value of the IML index
  • the filtering means 108 compare the kept methane index IMg with the limit value of the IML index.
  • the optimum adjustment value P j opt is determined to be equal at a nominal adjustment value P j name of the parameter p 3 after which, the protection device 100 transmits to the control means 20 the nominal adjustment value P j ⁇ om of the parameter p j .
  • all of the nominal adjustment values are contained in a memory 110 readable by the filtering means 108.
  • the filtering means 108 transmit to a motor simulator 110 the values of nominal settings so that the risk of knocking is assessed.
  • This engine simulator 110 constitutes in this case means for determining a coefficient representative of the combustion behavior MKC of the engine 12.
  • the engine simulator 110 is adapted to determine a representative MKC coefficient of combustion behavior of the motor 12 from a current setting value P j court parameter P j and the index obtained IMG.
  • the engine simulator 110 performs this determination also from data comprising the geometry of the engine 112 and current values of the engine parameters 114.
  • the calculation of the MKC coefficient which in this case is a rattling risk estimator, is based on the thermodynamic properties of the gases in the combustion chamber of the engine 12. These properties are deduced from the pressure and the temperature in the chamber. of combustion.
  • thermodynamic modeling The best known modeling for simulating these quantities is thermodynamic modeling. It requires knowledge of the behavior of combustion, in the form of a laminar flame speed for example.
  • [H] and [G] represent the concentration of hydrogen and alkanes, respectively.
  • the methane index IM is thus integrated into the description of the laminar flame speed, thereby creating a pseudo-flame velocity.
  • the present device is therefore not based on a description of the laminar flame speed, but on an image of the latter, taking into account the quality of the gas from a measurable quantity in situ.
  • the implementation of this original method makes it possible to evaluate the MKC estimator for any kind of gas characterized by a methane index.
  • the presence of the inert gases in the fuel is taken into account.
  • the presence of inert gases in the gaseous fuel can be taken into account by adding a corrective term based on the volume concentration of these gases.
  • the formulation used to calculate the laminar flame speed is in this case:
  • the composition of the hydrocarbon gas is taken into account.
  • Sz 0 - (1 - 2.06 Jf " 77 ) represents the speed of laminar flame of the hydrocarbon mixture C n H m in the gas. This speed can be calculated from the laminar flame speed of each component present in the gas, partially weighted by the molar fraction of said component.
  • the resulting flame speed can be corrected: According to the formulation [1] described above to take into account the presence of hydrogen,
  • the coefficient MKC can be replaced by the coefficient KCF relative to a knock criterion according to the crankshaft angle KC, this KCF value being taken at an AKCF angle corresponding to a certain point of advancement of the combustion. for example but not exclusively 7% of burnt mass.
  • this estimator does not generate an untimely alert (i.e. KCF> KCL) for high IM methane indices.
  • KCF> KCL an untimely alert
  • the coefficient MKC thus determined is then transmitted to comparison means 116 intended to perform a first comparison step between said coefficient MKC and a limit value KCL of the coefficient, the latter being preferentially stored in a memory 118.
  • This KCL limit value is parameterized by the user and can be between 0.5 and 10 depending on the engines.
  • the optimum adjustment value Pj opt is determined to be equal to the current adjustment value Pj. court .
  • the protection device 100 transmits this optimum adjustment value Pj opt to the control means 20.
  • an iterative loop comprising a step of generating a modified adjustment value P j modlf from the current setting value.
  • This generation step is implemented by generation means 120.
  • this generation step is performed taking into account the difference between the coefficient MKC and the limit value KCL, and a control-command strategy provided by a strategy module 122.
  • the strategy module 122 contains one or more strategies with at least one control variable, designed to minimize, maximize or optimize one or more criteria.
  • the original control strategy of the present device takes into account two engine tuning parameters: the ignition timing and the load (power) of the engine (via the position of the regulating throttle the air / fuel gas mixture rate).
  • This modified adjustment value p TM 0 ⁇ is then transmitted to the simulator 110.
  • the simulator 110 carries out a second step of determining the coefficient representative of the combustion behavior of the engine MKC, in particular from the modified adjustment value p J modlf and from the index obtained IMg.
  • This second determination step is similar to the first determination step described above.
  • This new value of the coefficient MKC is transmitted to the comparison means 116 where a second step of comparing this new value of the coefficient MKC with the limit value KCL is performed.
  • the comparison means 116 then perform a step where the modified adjustment value P j modlf is assigned to the current adjustment value P j court .
  • This iterative loop is performed until the second comparison step is successful, as defined above for the first time. comparison step, in which case the optimum setting value P j opt is determined to be equal to the current setting value P j court .
  • the protective device 100 transmits to the control means 20, this optimal setting value P j opt.
  • the generation means 120 are able to generate a modified adjustment value P 3 " 10 ⁇ greater than the current adjustment value if the coefficient representative of the combustion behavior MKC is lower than the limit value KCL and if the current setting value P j yard is not equal to the nominal setting value i, nr J
  • the generation means 120 are able to generate a modified adjustment value P j modlf lower than the current adjustment value P j court if the coefficient representative of the combustion behavior of the engine MKC is greater than the KCL limit value of the coefficient.
  • the protection device 200 uses a map that will be defined below.
  • This mapping protection device 200 is preferably intended to adjust several parameters p ⁇ of the motor 12.
  • Said mapping protection device 200 comprises means 250 for measuring the value of a magnitude representative of the combustion behavior of the gas supplied to the engine, preferably the methane index IM of said gas.
  • These means 250 preferably comprise a sensor, which has already been mentioned above, and a calculation means for generating a value less than the measured value of the index, said lower value being called IMg kept index.
  • the mapping protection device 200 further comprises means 252 for determining an optimum setpoint value X j opt relative to a motor setting parameter P j , and means 254 for transmitting the optimum setpoint value X j opt to control means 20 of the motor 12.
  • the protection device 200 further comprises a data structure 256 comprising a map, detailed below, this data structure being in this case a database.
  • the map contains a plurality of methane index values IM and, for each of these indices, optimal control values P j opt of several parameters Pj of the engine.
  • the optimum setpoint value X j opt is determined from the map and from said magnitude, preferably from the kept index IMg.
  • This optimal setpoint value X j opt can also be furthermore determined from a user strategy module 258.
  • a first step is performed during which a plurality of indices IMi representative of the combustion behavior of the gas is provided. These values are stored in a database
  • the latter having characteristics (composition, PCI, methane index, Wobbe index) of a number of gases.
  • the protection method according to the invention is implemented, namely that a step is performed during which each of the indices IMi is obtained, in this case from of the database 202, then for each of the indices IMi obtained, a step of determining an optimum adjustment value P j opt of said parameter taking into account said index obtained
  • BIM represents the methane index requirement of the engine, that is to say the minimum value of the gas methane index for which the combustion of this gas in said engine is normal and where j is an integer between 1 and N, N being the number of parameters P j of the engine 12.
  • This preliminary map is stored in a database 204 and is then inverted, thanks to an inverter 205, so as to obtain said map of the type:
  • the determination step comprises a filtering step, similar to the filtering step of the first embodiment, during which the index obtained IMi is compared to an IML limit value of the predetermined index. so that, in the event of success of the filtering step, the optimum setting value P j opt is determined to be equal to a nominal adjustment value P j ⁇ om . In this case, this nominal adjustment value P j nom is transmitted and the index IMi corresponding to the database 204.
  • the limit value IML is stored in a memory 208.
  • the methane index IMi and the nominal setting values P j engine name are transmitted to a motor simulator 210 similar to that described in the first embodiment, with the nominal setting values referenced 211.
  • the engine simulator 210 carries out a step of determining a coefficient MKC representative of the combustion behavior of the engine, in particular from a current adjustment value P j court and the index obtained IMi, then transmits this coefficient to comparison means 212 to perform a step of comparing the coefficient MKC with a limit value KCL of said coefficient included in a memory 213.
  • the coefficient MKC is determined in a manner similar to that described above in the context of the first embodiment and its variants.
  • the coefficient MKC is also determined from the geometry of the engine 12 referenced 220, and preferably from the values of the engine operating parameters other than pj. These bear the reference 222.
  • the mapping protection device comprises generation means 214 with a modified adjustment value P j modlf .
  • this modified adjustment value P j modlf is calculated according to a gradient method, for example using the method from the biggest slope.
  • This modified adjustment value Pj modlf is transmitted to the simulator 210 in order to calculate a new value of the coefficient MKC, the latter being then compared with the limit value KCL. Similarly to the first embodiment, this iterative loop is performed until the comparison step is successful. Or the failure is due to the fact that the coefficient MKC is strictly lower than the limit value KCL, in which case the methane index IMi corresponding to the coefficient MKC compared does not present any risk for the nominal adjustment value, as a result of which the torque (IMi, pj name ) is stored in the preliminary cartography 204.
  • the map is generated by performing a first and a second iterative loop.
  • the first loop makes it possible to select one of the parameters P j .

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de protection (24) pour un moteur à gaz (12), notamment stationnaire, destiné à régler au moins un paramètre (Pj) du moteur (12), le dispositif comportant : - des moyens (26) d'obtention d'un indice (IMi; IMg) représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur (12). L'invention se caractérise par le fait que le dispositif comporte en outre : - des moyens de détermination (28) d'une valeur de réglage optimale dudit paramètre compte tenu de l'indice obtenu (IMi; IMg).

Description

Procédé de protection pour un moteur à gaz et son dispositif
La présente invention concerne le domaine des moteurs à gaz, notamment les moteurs à gaz destinés à fonctionner en régime stationnaire.
La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de protection pour un moteur à gaz, notamment stationnaire, destiné à régler au moins un paramètre du moteur, le procédé comportant :
- une étape d'obtention d'un indice représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur.
Un tel moteur, bien connu par ailleurs, est généralement alimenté par un combustible gazeux, tel du gaz naturel ou du biocombustible gazeux. Le procédé selon la présente invention vise à protéger le moteur des combustions anormales, qui sont essentiellement dues à la variation de la composition chimique du combustible, cette variation pouvant résulter du changement de source d'approvisionnement en combustible (dans le cas du gaz naturel), ou bien de fluctuations dans le processus de dégradation des déchets (dans le cas du biocombustible).
Il est connu que les combustions anormales d'un moteur, qui se manifestent généralement par un phénomène de cliquetis, peuvent gravement endommager le moteur, et à tout le moins, entraînent une baisse de puissance. Le phénomène de cliquetis, bien connu par ailleurs, se traduit généralement par une auto inflammation du combustible dans un cylindre du moteur, laquelle génère une ou plusieurs micro-explosions sonores pouvant conduire à la destruction du piston ou du cylindre du moteur.
Comme l'apparition du phénomène de cliquetis est généralement accompagnée d'une baisse anormale de la puissance de sortie du moteur et d'un bruit spécifique plus ou moins audible, il était possible pour un opérateur de se rendre compte d'une combustion anormale, à la suite de quoi il pouvait baisser manuellement la puissance de consigne pour faire revenir le moteur dans une zone de fonctionnement exempte de cliquetis. US 5 333 591 propose un procédé dans lequel un capteur mesure la conductivité thermique du gaz fourni au moteur et dans lequel un capteur mécanique de cliquetis est prévu afin de détecter une combustion anormale. Lorsqu'une combustion anormale est détectée, les valeurs de certains paramètres sont modifiées afin de retrouver une combustion normale.
L'inconvénient des deux situations décrites ci-dessus est que l'action prise est curative, c'est-à-dire que l'on n'empêche pas l'apparition du phénomène de cliquetis, lequel endommage le moteur. Un but de la présente invention est de fournir un procédé de protection préventive pour un moteur à gaz, notamment stationnaire.
L'invention atteint son but par le fait que le procédé de protection comporte en outre ;
- une étape de détermination d'une valeur de réglage optimale dudit paramètre compte tenu de l'indice obtenu;
Au sens de la présente invention, la valeur de réglage optimale dudit au moins un paramètre est, pour un gaz donné, une valeur avantageuse du paramètre pour laquelle la combustion du gaz dans le moteur est normale, c'est-à-dire exempte de cliquetis. Au sens de l'invention, le moteur peut être un moteur "physique" ou une modélisation de celui-ci.
La valeur du paramètre est avantageusement changée avant que le gaz, dont la grandeur représentative de son comportement à la combustion est mesurée, n'entre dans le moteur, grâce à quoi on évite l'apparition de cliquetis dans le cas où la grandeur mesurée révèle que ce gaz conduira à une combustion anormale.
La valeur du paramètre est donc avantageusement changée de manière préventive afin d'éviter l'endommagement du moteur dû aux combustions anormales. Un autre avantage de la présente invention est d'optimiser le fonctionnement du moteur en fonction de la « qualité de combustion » du gaz alimentant le moteur, les paramètres du moteur n'étant pas modifiés empiriquement comme dans les techniques antérieures. Un autre intérêt de l'invention est de minimiser les rejets polluants. L'invention permet également de maximiser le rendement du moteur en choisissant convenablement les valeurs de réglage du ou des paramètres.
Au sens de la présente invention, par paramètre du moteur, on entend les paramètres dont le réglage a une influence sur le fonctionnement du moteur.
Ces paramètres peuvent être par exemple mais non exclusivement : la charge, l'avance à l'allumage, l'excès d'air, les conditions d'admission (pression et température), la température de refroidissement du bloc moteur (par eau glycolée ou ventilé par de l'air).
Conformément à la présente invention, l'étape d'obtention d'un indice représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur, peut comprendre une étape de mesure et/ou de calcul. De manière préférentielle, mais non nécessairement, la grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz fourni au moteur est l'indice méthane dudit gaz.
De manière connue, l'indice de méthane d'un gaz est le pourcentage de méthane dans un mélange gazeux constitué par du méthane et de l'hydrogène, ce mélange gazeux et ce gaz ayant le même comportement vis-à-vis des combustions anormales, étant entendu que ce comportement est considéré dans un moteur de référence.
Sans sortir du cadre de la présente invention, on pourrait choisir d'autres grandeurs représentatives du comportement à la combustion du gaz, par exemple des indices basés sur des pseudos-gaz tels que ceux décrits dans le brevet EP 1 412 742 de la demanderesse.
Avantageusement, l'étape de détermination comporte une étape de filtrage au cours de laquelle l'indice obtenu est comparée à une valeur limite de l'indice prédéterminée de telle sorte qu'en cas de succès de l'étape de filtrage, la valeur de réglage optimale est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale.
De préférence, mais non nécessairement, l'étage de filtrage est un succès lorsque l'indice obtenu est supérieur ou égal à la valeur limite, alors que l'étape de filtrage est un échec lorsque l'indice obtenu est strictement inférieur à la valeur limite. Un intérêt de l'étape de filtrage est de s'affranchir d'alertes intempestives, en filtrant les situations pour lesquelles aucun calcul d'optimisation n'est nécessaire dans la mesure où le gaz ne présente pas de risque de cliquetis, en particulier pour les réglages nominaux du moteur. De telles situations se présentent lorsque l'indice du gaz est suffisamment élevé.
L'échec de l'étape de filtrage signifie que le gaz présente potentiellement un risque de cliquetis en conséquence de quoi ce risque doit être évalué en fonction de la valeur de réglage des paramètres du moteur.
De préférence, la valeur limite est paramétrée par l'utilisateur. Elle peut être par exemple, mais non exclusivement, issu de préconisations fournies par le constructeur du moteur.
Avantageusement, l'étape de détermination comporte en outre, en cas d'échec de l'étape de filtrage :
- une étape de détermination d'un coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur notamment à partir d'une valeur de réglage courante et de l'indice obtenu ; - une première étape de comparaison dudit coefficient avec une valeur limite du coefficient prédéterminée ; de telle sorte qu'en cas de succès de la première étape de comparaison, la valeur de réglage optimale est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante. De préférence, le coefficient représentatif du comportement à Ia combustion du moteur est un estimateur de risque de cliquetis.
De préférence, mais non nécessairement, la première étape de comparaison est un succès lorsque le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est inférieur ou égal à la valeur limite du coefficient prédéterminée, alors que la première étape de comparaison est un échec lorsque le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est strictement supérieur à la valeur limite du coefficient prédéterminée.
De préférence mais non nécessairement, la valeur limite du coefficient est comprise entre 0,5 et 10. Dans le cas où le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est égal à la valeur limite du coefficient prédéterminée, cela signifie que la valeur de réglage courante est optimale pour l'indice obtenu. Dans le cas où le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est strictement inférieur à la valeur limite du coefficient prédéterminée, cela signifie que pour la valeur de réglage courante et compte tenu de l'indice obtenu, le fonctionnement du moteur est sûr mais la valeur de réglage courante n'optimise pas nécessairement le fonctionnement du moteur sauf si la valeur de réglage courante est égale à la valeur de réglage nominale.
Lorsque la première étape de comparaison est un échec, cela signifie que la valeur de réglage courante ne garantit pas un fonctionnement sûr du moteur, en conséquence de quoi on modifie la valeur de réglage courante.
Avantageusement, en cas d'échec de la première étape de comparaison, on réalise une boucle itérative comprenant :
- une étape de génération d'une valeur de réglage modifiée à partir de la valeur de réglage courante ; - une deuxième étape de détermination du coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur notamment à partir de la valeur de réglage modifiée et de l'indice obtenu ;
- une deuxième étape de comparaison dudit coefficient avec la valeur limite du coefficient;
- une étape où on affecte la valeur de réglage modifiée à la valeur de réglage courante ; cette boucle itérative étant réalisée jusqu'à ce que la deuxième étape de comparaison soit un succès, auquel cas la valeur de réglage optimale est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante.
De préférence, la deuxième étape de détermination du coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est identique ou à tout le moins similaire à la première étape de détermination précitée. La deuxième étape de comparaison est, de préférence mais non exclusivement, un succès lorsque le coefficient est inférieur ou égal à la valeur limite du coefficient. En d'autres termes, la deuxième étape de comparaison est identique à la première étape de comparaison. On comprend que la réalisation de la boucle itérative permet de déterminer une valeur de réglage optimale pour ledit paramètre.
Avantageusement, l'étape de génération est apte à générer une valeur de réglage modifiée supérieure à la valeur de réglage courante si le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est inférieur à la valeur limite du coefficient et si la valeur de réglage courante n'est pas égale à la valeur de réglage nominale, et l'étape de génération est apte à générer une valeur de réglage modifiée inférieure à la valeur de réglage courante si le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur est supérieur à la valeur limite du coefficient.
La valeur de réglage modifiée est de préférence générée en utilisant une méthode de gradient, connue par ailleurs, ou bien en incrémentant ou décrémentant la valeur de réglage courante selon un échantillonnage prédéfini ou fixé par l'utilisateur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'étape d'obtention de la valeur de l'indice consiste à mesurer ledit indice in situ, et ledit procédé selon l'invention comporte en outre une étape de transmission de la valeur de réglage optimale vers des moyens de commande du moteur. Les moyens de commande du moteur permettent de régler le paramètre du moteur à une valeur égale à la valeur de réglage optimale, de telle manière que le moteur fonctionne de manière optimale.
On comprend donc que le procédé selon le premier mode de réalisation permet d'optimiser en temps réel le fonctionnement du moteur afin de garantir une combustion exempte de cliquetis. Autrement dit, ce procédé évalue en temps réel le risque de combustion anormale et détermine, en temps réel, la valeur de réglage optimale de manière à garantir un fonctionnement sûr du moteur. Dans une variante particulière, les différentes étapes du procédé de protection sont déterminées par des instructions de programme d'ordinateur.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, susceptible d'être mis en œuvre dans un moteur ou plus généralement dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé tel que décrit ci-dessus.
Ces programmes peuvent utiliser n'importe quel langage de programmation, être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, telle que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme convenable.
L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus.
Ce support d'information peut être n'importe quelle entité ou dispositif apte à stocker le programme. Le support peut par exemple mais non exclusivement comporter un moyen de stockage tel qu'une ROM, un DVD, un CD, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, telle une disquette ou un disque dur.
Alternativement, le support d'information peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, ledit circuit étant destiné à être utilisé dans la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention vise également un procédé de génération d'une cartographie, comportant :
- une étape au cours de laquelle on fournit une pluralité de valeurs d'un indice représentatif du comportement à la combustion du gaz, - une étape au cours de laquelle on met en œuvre le procédé conforme à l'invention tel que décrit ci-dessus de manière à obtenir une valeur de réglage optimale pour chacune des valeurs de l'indice fournies au cours de l'étape précédente, - une étape au cours de laquelle on stocke dans une mémoire les valeurs de réglage optimales et les valeurs de l'indice correspondantes.
De préférence, la pluralité de valeurs de l'indice est stockée dans une base de données.
On comprend donc que la mémoire contient la cartographie telle que générée par le procédé de génération.
L'invention vise donc également une structure de données, telle une base de données, comportant la cartographie générée par la mise en œuvre du procédé de génération décrit ci-dessus.
La présente invention concerne également un dispositif de protection à cartographie pour un moteur à gaz et comportant une structure de données conforme à l'invention contenant une cartographie générée par le procédé décrit ci-dessus, des moyens pour mesurer la valeur d'une grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz fourni au moteur, des moyens pour déterminer une valeur de consigne optimale relative à un paramètre de réglage moteur à partir de la cartographie et de la valeur mesurée de ladite grandeur, et des moyens pour transmettre la valeur de consigne optimale à des moyens de commande du moteur.
De manière avantageuse, ladite valeur de consigne optimale est déterminée à partir d'une valeur inférieure à la valeur mesurée de ladite grandeur.
Un intérêt est de disposer d'une marge de sécurité qui correspond à la différence entre la valeur mesurée de ladite grandeur et ladite valeur inférieure.
De préférence, la grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz est l'indice de méthane dudit gaz.
La présente invention vise aussi une installation énergétique comportant un moteur à gaz et le dispositif de protection tel que décrit ci- dessus, de manière à protéger ledit moteur à gaz des combustions anormales.
Par ailleurs, l'invention vise un dispositif de protection pour un moteur à gaz, notamment stationnaire, destiné à régler au moins un paramètre du moteur, le dispositif comportant : - des moyens d'obtention d'un indice représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur ; le dispositif comportant en outre :
- des moyens de détermination d'une valeur de réglage optimale dudit paramètre compte tenu de l'indice obtenu ;
De préférence, le dispositif de protection comporte en outre ;
- une mémoire contenant une valeur limite de l'indice prédéterminée ;
- des moyens de filtrage pour comparer l'indice obtenu à la valeur limite de l'indice, de telle sorte qu'en cas de succès du filtrage, la valeur de réglage optimale est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale dudit paramètre.
Avantageusement, ce dispositif de protection comporte en outre : - des moyens de détermination d'un coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur notamment à partir d'une valeur de réglage courante du paramètre et de l'indice obtenu ;
- une mémoire contenant une valeur limite du coefficient prédéterminée ; et
- des moyens de comparaison dudit coefficient avec la valeur limite du coefficient ; de telle sorte qu'en cas d'échec du filtrage et en cas de succès de ladite comparaison, la valeur de réglage optimale est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante du paramètre.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, de modes de réalisation indiqués à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 montre le diagramme synoptique d'une installation comportant un moteur à gaz stationnaire muni d'un dispositif de protection mettant en œuvre le procédé de protection selon la présente invention ; - la figure 2 est un diagramme synoptique d'un premier mode de réalisation du dispositif de protection selon l'invention, destiné à fonctionner en temps réel ;
- la figure 3 représente un exemple de stratégie de commande du moteur en cas d'alerte au cliquetis ; et
- la figure 4 est un diagramme synoptique du dispositif de protection selon un second mode de réalisation de l'invention utilisant une cartographie.
A l'aide de la figure 1, on va tout d'abord décrire une installation 10, telle une installation énergétique, comprenant un moteur à gaz 12, de préférence mais pas exclusivement de type stationnaire, lequel est alimenté par un combustible gazeux acheminé jusqu'à une entrée du moteur 12 par l'intermédiaire d'une conduite 14.
Dans le cadre de la présente invention, le combustible gazeux peut être du gaz naturel, du biogaz ou tout autre type de gaz convenant à cet usage.
De manière connue, le moteur à gaz comprend au moins un cylindre dans lequel a lieu la combustion du combustible gazeux, cette combustion entrainant la rotation d'un arbre 16 du moteur à gaz 12, de telle sorte que ledit moteur est apte à délivrer, par exemple, une puissance électrique Pe par l'intermédiaire d'un alternateur 18 relié à l'arbre du moteur 12.
L'installation comporte en outre des moyens de commande 20 pour régler un ou plusieurs paramètres du moteur à gaz 12, ces paramètres pouvant être par exemple mais non exclusivement l'avance à l'allumage, la charge, l'excès d'air, les conditions d'admission (pression et température), la température de refroidissement du bloc moteur (par eau glycolée ou ventilé par de l'air).
Dans la suite de la présente description, on désignera par Pj la valeur de réglage du j-ème paramètre Pj, où j est un entier compris entre 1 et N, N étant le nombre total de paramètres moteur.
Conformément à la présente invention, l'installation 10 comporte en outre un dispositif de protection 24 pour le moteur à gaz stationnaire.
Ce dispositif de protection, qui sera détaillé ci-après, permet avantageusement de prévenir les combustions anormales du combustible gazeux dans le moteur à gaz 12, lesquelles se traduisent généralement par le phénomène connu de cliquetis pouvant endommager sévèrement les éléments constitutifs du moteur à gaz 12.
Le principe est de modifier préventivement les valeurs de réglages des paramètres Pj du moteur si une variation de la « qualité » du gaz est détectée en amont du moteur 12.
Au sens de l'invention, par « qualité » du gaz, il faut entendre le comportement à la combustion du gaz fourni au moteur 12.
Ainsi, pour une valeur de réglage d'un paramètre donnée, la combustion d'un gaz de mauvaise qualité aura tendance à présenter des anormalités se traduisant par du cliquetis, contrairement à la combustion d'un gaz de bonne qualité.
Pour ce faire, le dispositif selon l'invention comporte des moyens 26 d'obtention d'un indice IM représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur 12. De manière préférentielle, cet indice est l'indice de méthane dudit gaz.
Autrement dit, la « qualité » du gaz entrant dans le moteur 12 est caractérisée ici par son indice de méthane. Il est tout à fait possible de choisir d'autres types d'indice, sans sortir du cadre de la présente invention.
Pour mesurer l'indice de méthane du gaz, les moyens de mesure 26 comprennent avantageusement un capteur 26 monté sur la conduite 14 en amont de l'entrée du moteur à gaz, lequel capteur mesure en continu l'indice de méthane IM du gaz. Un tel capteur peut par exemple être conçu en se basant notamment sur l'enseignement technique contenu dans le brevet EP 1 412 742 de la demanderesse.
Comme on le voit sur la figure 1, le dispositif de protection 24 selon l'invention comporte des moyens 28 de détermination d'une valeur de réglage optimale Pj opt pour au moins un paramètre Pj du moteur compte tenu de l'indice obtenu, c'est-à-dire en l'espèce compte tenu de l'indice de méthane mesuré.
On comprend donc que chacun des paramètres p} du moteur peut être réglé indépendamment des autres, par exemple selon une stratégie imposée par l'utilisateur. En modifiant le réglage du ou des paramètres du moteur 12, on modifie le besoin en indice méthane BIM du moteur, l'idée étant d'adapter le besoin en indice méthane par rapport à l'indice de méthane du gaz qui l'alimente, de telle sorte que la combustion soit exempte de cliquetis. En résumé, les valeurs de réglage Pj des paramètres Pj sont avantageusement modifiées dès lors qu'une variation de la qualité du gaz est détectée par les moyens d'obtention 26 de manière que la combustion dans le moteur ne soit jamais anormale.
Le concept général de l'invention étant exposé, on va maintenant décrire plus en détail deux modes de réalisation avantageux de la présente invention.
Un premier mode de réalisation du dispositif de protection 100 est représenté sur la figure 2.
Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif de protection 100 fonctionne en temps réel.
Ce dispositif de protection 100 est de préférence destiné à régler plusieurs paramètres p3 du moteur 12.
Plus précisément, le dispositif de protection 100 comporte des moyens 102 d'obtention d'un indice IMg représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur 12.
De préférence, l'indice est l'indice de méthane dudit gaz. On pourrait également utiliser d'autres indices représentatifs de la qualité du gaz, accessibles in situ en continu, comme par exemple l'indice d'octane, l'indice de Wobbe, le PCI ou la composition chimique du gaz. En l'espèce, les moyens d'obtention 102 comportent un capteur apte à mesurer l'indice de méthane IM du gaz alimentant Ie moteur et, de préférence, lesdits moyens d'obtention 102 sont, de préférence mais non nécessairement, apte à générer une valeur IMg inférieure à l'indice de méthane mesuré IM, ladite valeur étant appelée indice de méthane gardé IMg.
Comme on l'a déjà expliqué ci-dessus, la différence entre l'indice de méthane mesuré IM et l'indice de méthane gardé IMg correspond à une garde de sécurité que l'on se fixe. Conformément à l'invention, le dispositif de protection 100 comporte des moyens 104 de détermination d'une valeur de réglage optimale Pj opt pour ledit paramètre, compte tenu de l'indice IMg obtenu.
La valeur de réglage optimale Pj opt est préférentiellement envoyée à des moyens de commande 20 agissant sur des organes de commande du moteur 12 en fonction de la valeur de réglage reçue.
Selon un aspect avantageux de l'invention, le dispositif de protection 100 comporte en outre une mémoire 106 contenant une valeur limite IML de l'indice prédéterminée, ainsi que des moyens de filtrage 108 pour comparer l'indice obtenu IMg à la valeur limite de l'indice IML
Autrement dit, les moyens de filtrage 108 comparent l'indice de méthane gardé IMg à la valeur limite de l'indice IML.
En cas de succès de l'étape de filtrage, c'est-à-dire si l'indice de méthane gardé IMg est supérieur ou égal à la valeur limite IML, alors la valeur de réglage optimale Pj opt est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale Pj nom du paramètre p3 à la suite de quoi, le dispositif de protection 100 transmet aux moyens de commande 20 la valeur de réglage nominale Pj πom du paramètre pj. De préférence, l'ensemble des valeurs de réglage nominales sont contenues dans une mémoire 110 lisible par les moyens de filtrage 108.
En revanche, en cas d'échec du filtrage, c'est-à-dire si l'indice de méthane gardé IMg est strictement inférieur à la valeur limite IML, alors les moyens de filtrage 108 transmettent à un simulateur moteur 110 les valeurs de réglages nominales pour que le risque de cliquetis soit évalué.
Ce simulateur moteur 110 constitue en l'espèce des moyens de détermination d'un coefficient représentatif du comportement à la combustion MKC du moteur 12.
Plus précisément, ce simulateur moteur 110 est apte à déterminer un coefficient MKC représentatif du comportement à la combustion du moteur 12 à partir d'une valeur de réglage courante Pj cour du paramètre Pj et de l'indice obtenu IMg.
De préférence, le simulateur moteur 110 effectue cette détermination également à partir de données comprenant la géométrie du moteur 112 et des valeurs courantes des paramètres moteur 114. Le calcul du coefficient MKC, qui en l'espèce est un estimateur de risque de cliquetis, est basé sur les propriétés thermodynamiques des gaz dans la chambre de combustion du moteur 12. Ces propriétés sont déduites de la pression et de la température dans la chambre de combustion.
La modélisation la plus connue permettant de simuler ces grandeurs est la modélisation thermodynamique. Elle requiert la connaissance du comportement de la combustion, sous la forme d'une vitesse de flamme laminaire par exemple.
Il existe dans la littérature des corrélations de cette vitesse pour les alcanes. La formulation suivante en est un exemple, intégrant la présence d'hydrogène dans le gaz :
is]
Où, à titre d'exemple non limitatif :
'=» est une corrélation obtenue a partir d'essais dans une enceinte à pression constante,
O0 = 2,18 - 0,8(0- 1)
β0 = -0,16 + 0,22(0- 1)
Φ est la richesse,
K est une constante,
représente la pseudo-concentration en hydrogène, (I H]/[ AIR 'JJsr est le PCO de l'hydrogène,
[H] et [G] représentent respectivement la concentration en hydrogène et en alcanes.
Cette formulation conduit à une vitesse laminaire identique quelle que soit la composition du gaz en alcanes. Seule la présence éventuelle d'hydrogène est prise en compte. Or la résistance du gaz au cliquetis, représentée par l'indice de méthane, ne dépend pas seulement de la présence éventuelle d'hydrogène, mais aussi, notamment, de la composition en alcanes.
Il est intéressant alors d'introduire l'indice de méthane du gaz IM dans le calcul de la vitesse laminaire, afin de corriger celle-ci en fonction de la qualité du gaz, en partant du postulat émis par les inventeurs, postulat selon lequel, deux gaz présentant les mêmes propriétés physiques ont les mêmes propriétés énergétiques, de sorte que deux gaz ayant les mêmes propriétés énergétiques présentent le même comportement à la combustion.
C'est l'idée originale exploitée par le présent dispositif, où le complément à 100 de l'indice de méthane IM remplace la concentration en hydrogène [H]1 et l'indice de méthane remplace la concentration en alcanes [G]. La formulation utilisée pour calculer la vitesse de flamme laminaire devient :
~2.06 - Xr)+ K2 - Vn, [mis]
avec
L'indice de méthane IM est ainsi intégré dans la description de la vitesse de flamme laminaire, créant de ce fait une pseudo-vitesse de flamme. Le présent dispositif ne repose donc pas sur une description de la vitesse de flamme laminaire, mais sur une image de cette dernière, prenant en compte la qualité du gaz à partir d'une grandeur mesurable in- situ. La mise en œuvre de cette méthode originale permet d'évaluer l'estimateur MKC pour toute sorte de gaz caractérisé par un indice de méthane.
Selon une première variante de l'invention, on prend en compte la présence des gaz inertes dans le combustible.
La présence de gaz inertes dans le combustible gazeux peut être prise en compte en ajoutant un terme correctif basé sur la concentration volumique de ces gaz. La formulation utilisée pour calculer la vitesse de flamme laminaire est dans ce cas :
[3] ^ P y
(l - 2.06 - Xl 77 )+ K2 - YιM + K3 - Yιικrte [m is]
où Ymerte représente la pseudo-concentration en gaz inertes.
Il convient alors de mesurer la concentration en gaz inertes in-situ en continu.
Selon une autre variante de l'invention, on prend en compte la composition du gaz en hydrocarbures.
Le terme Sz0 - (1 - 2.06 Jf"77) , représente la vitesse de flamme laminaire du mélange d'hydrocarbures CnH m dans le gaz. Cette vitesse pourra être calculée à partir de la vitesse de flamme laminaire de chaque composant présent dans le gaz, pondérée pour partie par la fraction molaire dudit composant.
La vitesse de flamme résultante pourra être corrigée : • selon la formulation [1] décrite ci-dessus pour tenir compte de la présence d'hydrogène,
• selon la formulation [3] décrite ci-pour tenir compte de la présence de gaz inertes. Dans ce premier mode de réalisation, à savoir une protection en temps réel, il convient de mesurer en continu la composition complète du gaz.
Selon une autre variante, le coefficient MKC peut être remplacé par le coefficient KCF relatif à un critère de cliquetis fonction de l'angle du vilebrequin KC, cette valeur KCF étant prise à un angle AKCF correspondant à un certain point d'avancement de la combustion, par exemple mais non exclusivement 7% de masse brûlée.
Un intérêt de cet estimateur est qu'il ne génère pas d'alerte intempestive (i.e. KCF>KCL) pour les indices de méthane IM élevés. Comme on le voit sur la figure 2, le coefficient MKC ainsi déterminé est ensuite transmis à des moyens de comparaison 116 destinés à effectuer une première étape de comparaison entre ledit coefficient MKC et une valeur limite KCL du coefficient, cette dernière étant préférentiellement stockée dans une mémoire 118. Cette valeur limite KCL est paramétrée par l'utilisateur et peut être comprise entre 0,5 et 10 selon les moteurs.
En cas de succès de la première étape de comparaison, c'est-à-dire si le coefficient MKC est égal à la valeur limite MKL, alors la valeur de réglage optimale Pjopt est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante Pjcour.
En conséquence de quoi, le dispositif de protection 100 transmet cette valeur de réglage optimale Pjopt aux moyens de commande 20.
Inversement, en cas d'échec de la première étape de comparaison, on réalise une boucle itérative comprenant une étape de génération d'une valeur de réglage modifiée Pj modlf à partir de la valeur de réglage courante
P]cour. Cette étape de génération est mise en œuvre par des moyens de génération 120.
De préférence, cette étape de génération est réalisée en tenant compte de l'écart entre le coefficient MKC et la valeur limite KCL, et d'une stratégie de contrôle-commande fournie par un module stratégie 122. De préférence, le module stratégie 122 contient une ou plusieurs stratégies à au moins une variable de commande, visant à minimiser, maximiser ou optimiser un ou plusieurs critères.
Voici un exemple de stratégie : La stratégie de commande originale du présent dispositif prend en compte deux paramètres de réglage du moteur : l'avance à l'allumage et la charge (puissance) du moteur (par l'intermédiaire de la position du papillon réglant le débit de mélange air/gaz combustible).
Cette stratégie est illustrée sur la figure 3 ; Dans un premier temps, on dégrade l'avance à l'allumage de A vers
B, pour retrouver un fonctionnement sûr (MKC≤KCL), jusqu'à atteindre une valeur limite inférieure.
Dans ce cas, la puissance du moteur est conservée mais son rendement est dégradé. Dans un second temps, lorsque l'avance à l'allumage a atteint sa limite inférieure, on dégrade la charge du moteur de B vers C pour retrouver un fonctionnement sûr (MKC≤KCL).
Dans ce cas, la puissance du moteur est dégradée.
Cette valeur de réglage modifiée p™0^ est ensuite transmise au simulateur 110.
Le simulateur 110 réalise une deuxième étape de détermination du coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur MKC, notamment à partir de la valeur de réglage modifiée pJ modlf et de l'indice obtenu IMg. Cette deuxième étape de détermination est similaire à la première étape de détermination décrite ci-dessus.
Cette nouvelle valeur du coefficient MKC est transmise aux moyens de comparaison 116 où l'on réalise une deuxième étape de comparaison de cette nouvelle valeur du coefficient MKC avec la valeur limite KCL. Les moyens de comparaison 116 réalisent ensuite une étape où l'on affecte la valeur de réglage modifiée Pj modlf à la valeur de réglage courante Pj cour.
Cette boucle itérative est réalisée jusqu'à ce que la deuxième étape de comparaison soit un succès, tel que défini ci-dessus pour la première étape de comparaison, auquel cas la valeur de réglage optimale Pj opt est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante Pj cour.
Par suite, le dispositif de protection 100 transmet aux moyens de commande 20 cette valeur de réglage optimale Pj opt.
Conformément à l'invention, les moyens de génération 120 sont aptes à générer une valeur de réglage modifiée P3"10^ supérieure à la valeur de réglage courante si le coefficient représentatif du comportement à la combustion MKC est inférieur à la valeur limite KCL et si la valeur de réglage courante Pj cour n'est pas égale à la valeur de réglage nominale i , nrom J
Ce cas de figure se rencontre lorsque les réglages courants n'optimisent pas le fonctionnement du moteur, les moyens de génération
120 devant alors augmenter la valeur de réglage modifiée p} moώf pour retrouver l'égalité entre le coefficient MKC et la valeur limite KCL, dans la limite des valeurs de réglages nominales.
Alternativement, selon l'invention, les moyens de génération 120 sont aptes à générer une valeur de réglage modifiée Pj modlf inférieure à la valeur de réglage courante Pj cour si le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur MKC est supérieur à la valeur limite KCL du coefficient.
Autrement dit, dans ce cas de figure, les valeurs de réglage courantes Pj cour ne garantissent pas un fonctionnement sûr. Les moyens de génération 120 doivent donc les diminuer pour retrouver l'égalité entre le coefficient MKC et la valeur limite KCL. A l'aide de la figure 4, on va maintenant décrire un second mode de réalisation d'un dispositif de protection 200 selon l'invention.
Dans ce second mode de réalisation, le dispositif de protection 200 utilise une cartographie que l'on définira ci-après.
Ce dispositif de protection à cartographie 200 est de préférence destiné à régler plusieurs paramètres p} du moteur 12.
Ledit dispositif de protection à cartographie 200 comporte des moyens 250 pour mesurer la valeur d'une grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz fourni au moteur, de préférence l'indice de méthane IM dudit gaz. Ces moyens 250 comprennent de préférence un capteur, dont on a déjà parlé ci-dessus, et un moyen de calcul pour générer une valeur inférieure à la valeur mesurée de l'indice, ladite valeur inférieure étant appelée indice gardé IMg. Le dispositif de protection à cartographie 200 comporte en outre des moyens 252 pour déterminer une valeur de consigne optimale Xj opt relative à un paramètre Pj de réglage moteur, ainsi que des moyens 254 pour transmettre la valeur de consigne optimale Xj opt à des moyens de commande 20 du moteur 12. Par ailleurs, le dispositif de protection 200 comporte en outre une structure de données 256 comportant une cartographie, détaillée ci-après, cette structure de données étant en l'espèce une base de données.
La cartographie contient une pluralité de valeurs d'indices de méthane IM et, pour chacun de ces indices, des valeurs de réglage optimales Pj opt de plusieurs paramètres Pj du moteur.
Conformément à l'invention, la valeur de consigne optimale Xj opt est déterminée à partir de la cartographie et de ladite grandeur, de préférence à partir de l'indice gardé IMg.
Cette valeur de consigne optimale Xj opt peut également être, en outre, déterminée à partir d'un module stratégie utilisateur 258.
On va maintenant décrire plus en détail un procédé de génération d'une telle cartographie selon l'invention.
On réalise tout d'abord une première étape au cours de laquelle on fournit une pluralité d'indices IMi représentatif du comportement à la combustion du gaz. Ces valeurs sont stockées dans une base de données
202, cette dernière comportant des caractéristiques (composition, PCI, indice de méthane, indice de Wobbe) d'un certain nombre de gaz.
Ensuite, pour chacun des paramètres Pj du moteur, on met en œuvre le procédé de protection selon l'invention, à savoir que l'on réalise une étape au cours de laquelle on obtient chacun des indices IMi, en l'espèce à partir de la base de données 202, puis l'on réalise, pour chacun des indices IMi obtenus, une étape de détermination d'une valeur de réglage optimale Pj opt dudit paramètre compte tenu dudit indice obtenu
IMi, grâce à des moyens 203 pour déterminer une valeur de réglage optimale P,opt. On obtient donc une cartographie préliminaire du type :
BIM = Z(Pj)
Où BIM représente le besoin en indice méthane du moteur, c'est-à- dire la valeur minimale de l'indice de méthane du gaz pour laquelle la combustion de ce gaz dans ledit moteur est normale et où j est un entier compris entre 1 et N, N étant le nombre de paramètres Pj du moteur 12.
Cette cartographie préliminaire est stockée dans une base de données 204 puis est ensuite inversée, grâce à un inverseur 205, de manière à obtenir ladite cartographie du type :
PjMA X = Z^ (IM)
C'est cette cartographie qui est stockée dans la structure de données 256.
On va maintenant décrire plus en détail l'étape de détermination de la valeur de réglage optimale.
Selon l'invention, l'étape de détermination comporte une étape de filtrage, similaire à l'étape de filtrage du premier mode de réalisation, au cours de laquelle l'indice obtenu IMi est comparé à une valeur limite IML de l'indice prédéterminée de telle sorte, qu'en cas de succès de l'étape de filtrage, la valeur de réglage optimale Pj opt est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale Pj πom. En ce cas, on transmet cette valeur de réglage nominale Pj nom et l'indice IMi correspondant à la base de données 204.
La valeur limite IML, du même type que celle mentionnée dans le premier mode de réalisation, est stockée dans une mémoire 208.
En cas d'échec de l'étape de filtrage, tel que défini dans le premier mode de réalisation, l'indice de méthane IMi et les valeurs de réglages nominales Pj nom du moteur sont transmis à un simulateur moteur 210 similaire à celui décrit dans le premier mode de réalisation, avec les valeurs de réglages nominales référencées 211.
Le simulateur moteur 210 réalise une étape de détermination d'un coefficient MKC représentatif du comportement à la combustion du moteur notamment à partir d'une valeur de réglage courante Pj cour et de l'indice obtenu IMi, puis transmet ce coefficient à des moyens de comparaison 212 pour réaliser une étape de comparaison du coefficient MKC avec une valeur limite KCL dudit coefficient incluse dans une mémoire 213.
Le coefficient MKC est déterminé d'une manière similaire à celle décrite ci-dessus dans le cadre du premier mode de réalisation et ses variantes.
De préférence, le coefficient MKC est aussi déterminé à partir de la géométrie du moteur 12 référencée 220, et de préférence à partir les valeurs des paramètres de fonctionnement du moteur autres que pj. Ceux- ci portent la référence 222.
En cas de succès de cette étape de comparaison, c'est-à-dire si le coefficient MKC est égal à la valeur limite KCL dudit coefficient, alors la valeur de l'indice méthane IMi représente le besoin en indice méthane du moteur pour le paramètre considéré. Cette valeur constitue alors un point de la cartographie préliminaire BIM = f(Pj).
En cas d'échec de l'étape de comparaison, alors de deux choses l'une :
Soit l'échec est dû au fait que le coefficient MKC est strictement supérieur à la valeur limite KCL, auquel cas la valeur de réglage courante Pjcour ne garantit pas un fonctionnement sûr, en conséquence de quoi on réalise une boucle itérative similaire à celle décrite dans le premier mode de réalisation. Similairement, le dispositif de protection à cartographie comporte des moyens de génération 214 d'une valeur de réglage modifiée Pj modlf, De préférence, cette valeur de réglage modifiée Pj modlf est calculée selon une méthode de gradient, par exemple en utilisant la méthode de la plus grande pente.
Cette valeur de réglage modifiée Pjmodlf est transmise au simulateur 210 afin de calculer une nouvelle valeur du coefficient MKC, cette dernière étant ensuite comparée à la valeur limite KCL. De façon similaire au premier mode de réalisation, cette boucle itérative est réalisée jusqu'à ce que l'étape de comparaison soit un succès. Ou bien l'échec est dû au fait que le coefficient MKC est strictement inférieur à la valeur limite KCL, auquel cas l'indice de méthane IMi correspondant au coefficient MKC comparé ne présente pas de risque pour la valeur de réglage nominale, en conséquence de quoi on stocke le couple (IMi, pjnom) dans la cartographie préliminaire 204.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la cartographie est générée en réalisant une première et une seconde boucle itérative. La première boucle permet de sélectionner un des paramètres Pj.
Pour le paramètre Pj en cours, une seconde boucle (indice i), incluse dans la première, permet de rechercher sa valeur maximale admissible pour chaque gaz n°i d'indice de méthane IMi. Le réglage nominal sert de condition initiale. On obtient alors la cartographie préliminaire BIM=f(Pj) que l'on inverse pour obtenir la cartographie Pf^=F'1 (IM).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de protection pour un moteur à gaz (12), notamment stationnaire, destiné à régler au moins un paramètre (p3) du moteur, le procédé comportant : une étape d'obtention d'un indice (IMi ; IMg) représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur ; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre : une étape de détermination d'une valeur de réglage optimale (Pjopt) dudit paramètre compte tenu de l'indice obtenu (IMi ; IMg).
2. Procédé de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination comporte une étape de filtrage au cours de laquelle l'indice obtenu (IMi ; IMg) est comparé à une valeur limite (IML) de l'indice prédéterminée de telle sorte qu'en cas de succès de l'étape de filtrage, la valeur de réglage optimale (Pj opt) est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale
3. Procédé de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de détermination comporte en outre, en cas d'échec de l'étape de filtrage : - une étape de détermination d'un coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur (MKC) notamment à partir d'une valeur de réglage courante (Pj cour) et de l'indice obtenu (IMi ; IMg); une première étape de comparaison dudit coefficient (MKC) avec une valeur limite (KCL) du coefficient prédéterminée ; de telle sorte qu'en cas de succès de la première étape de comparaison, la valeur de réglage optimale (Pj opt) est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante (P3 ∞ur).
4. Procédé de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en cas d'échec de la première étape de comparaison, on réalise une boucle itérative comprenant :
- une étape de génération d'une valeur de réglage modifiée (Pjmodιf^ à partjr de ,a va|e(jr de rég|age courante (Pj COϋr) ;
- une deuxième étape de détermination du coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur (MKC) notamment à partir de la valeur de réglage modifiée (p™00*) et de l'indice obtenu (IMi ; IMg); - une deuxième étape de comparaison dudit coefficient (MKC) avec la valeur limite (KCL) du coefficient;
- une étape où on affecte la valeur de réglage modifiée à la valeur de réglage courante (Pj cour) ; cette boucle itérative étant réalisée jusqu'à ce que la deuxième étape de comparaison soit un succès, auquel cas la valeur de réglage optimale (Pj opt) est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante (P/0111").
5. Procédé de protection selon la revendication 4, caractérisé en ce que : l'étape de génération est apte à générer une valeur de réglage modifiée (p ™oό]f) supérieure à la valeur de réglage courante si le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur (MKC) est inférieur à la valeur limite (KCL) du coefficient et si la valeur de réglage courante (Pj cour) n'est pas égale à la valeur de réglage nominale (Pj N0M), et en ce que : l'étape de génération est apte à générer une valeur de réglage modifiée (p3 modlf) inférieure à la valeur de réglage courante (Pjcour) si le coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur (MKC) est supérieur à la valeur limite (KCL) du coefficient,
6. Procédé de protection embarqué selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'obtention de la valeur de l'indice (IMg) consiste à mesurer ledit indice in situ, et en ce que ledit procédé comporte en outre une étape de transmission de la valeur de réglage optimale (Pj opt) vers des moyens de commande du moteur.
7. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
8. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
9. Procédé de génération d'une cartographie, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape au cours de laquelle on fournit une pluralité de valeurs d'un indice (IMi) représentatif du comportement à la combustion du gaz, - une étape au cours de laquelle on met en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 de manière à obtenir une valeur de réglage optimale (Pj opt) pour chacune des valeurs de l'indice (IMi) fournies au cours de l'étape précédente,
- une étape au cours de laquelle on stocke dans une mémoire les valeurs de réglage optimales et les valeurs de l'indice correspondantes.
10. Structure de données comportant la cartographie générée par la mise en œuvre du procédé selon la revendication 9.
11. Dispositif de protection à cartographie (200) pour un moteur à gaz (12), caractérisé en ce qu'il comporte une structure de données (256) selon la revendication 10 contenant une cartographie, des moyens pour mesurer la valeur d'une grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz (IM) fourni au moteur, des moyens (260) pour déterminer une valeur de consigne optimale (Xj opt) relative à un paramètre de réglage moteur à partir de la cartographie et de ladite grandeur (IM), et des moyens pour transmettre la valeur de consigne optimale (Xj opt) à des moyens de commande (20) du moteur.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite valeur de consigne optimale (Xj opt) est déterminée à partir d'une valeur (IMg) inférieure à la valeur mesurée de ladite grandeur (IM).
13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la grandeur représentative du comportement à la combustion du gaz est l'indice de méthane dudit gaz (IM).
14. Installation énergétique (10) caractérisé en ce qu'elle comporte un moteur à gaz (12) et le dispositif de protection à cartographie (200) selon Tune quelconque des revendications 11 à 13.
15. Dispositif de protection (24, 100, 200) pour un moteur à gaz, notamment stationnaire, destiné à régler au moins un paramètre (Pj) du moteur, le dispositif comportant :
- des moyens (26, 102, 260) d'obtention d'un indice (IMi ; IMg) représentatif du comportement à la combustion d'un gaz susceptible d'être fourni au moteur (12) ; le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens (28, 104, 203) de détermination d'une valeur de réglage optimale dudit paramètre compte tenu de l'indice obtenu (IMi ; IMg).
16. Dispositif de protection selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- une mémoire (106, 208) contenant une valeur limite (IML) de l'indice prédéterminée ;
- des moyens de filtrage (108, 206) pour comparer l'indice obtenu (IMi ; IMg) à la valeur limite de l'indice (IML), de telle sorte qu'en cas de succès du filtrage, la valeur de réglage optimale (Pj opt) est déterminée comme étant égale à une valeur de réglage nominale (P} mm) dudit paramètre.
17. Dispositif de protection (110, 210) selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens de détermination d'un coefficient représentatif du comportement à la combustion du moteur (MKC) notamment à partir d'une valeur de réglage courante (Pj cour) du paramètre (pj) et de l'indice obtenu (IMi ; IMg) ;
- une mémoire (118, 213) contenant une valeur limite (KCL) du coefficient prédéterminée ; et
- des moyens de comparaison (116, 212) dudit coefficient (MKC) avec la valeur limite (KCL) du coefficient ; de telle sorte qu'en cas d'échec du filtrage et en cas de succès de ladite comparaison, la valeur de réglage optimale (Pj opt) est déterminée comme étant égale à la valeur de réglage courante (Pj∞"') du paramètre.
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