EP2414657A1 - Procede, pour un turbcompresseur de suralimentation, de determination d'une consigne de position d'un actionneur de by-pass - Google Patents
Procede, pour un turbcompresseur de suralimentation, de determination d'une consigne de position d'un actionneur de by-passInfo
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Abstract
Procédé, pour un turbocompresseur (1, 11) de suralimentation d'un moteur thermique (4) comprenant une turbine (2, 12), un compresseur (3, 13) et un actionneur de by-pass (15, 16) permettant de commander un débit d'air (Wact) ne traversant pas la turbine (2, 12), comportant une étape de détermination d'une consigne de position (asp) de l'actionneur de by-pass (15, 16) en fonction d'une consigne de rapport de compression (PRc,sp), d'une mesure de rapport de compression (PRc,m), d'une mesure de débit (Wc,m) au travers du compresseur (3, 13), d'une mesure de pression Pdt en aval de la turbine (2, 12), d'une mesure de pression Pdc en aval du compresseur (3, 13), d'une mesure de température Tut en amont de la turbine (2, 12), et d'une mesure de température Tuc en amont du compresseur (3, 13). Application au pilotage d'un dispositif de suralimentation à turbocompresseur simple ou double.
Description
Procédé, pour un turbocompresseur de suralimentation, de détermination d'une consigne de position d'un actionneur de by-pass
La présente invention concerne le contrôle moteur et plus particulièrement le pilotage d'un dispositif de suralimentation à turbocompresseur par un procédé de détermination d'une consigne de position d'un actionneur de by-pass turbine en fonction d'une consigne de rapport de compression.
L'invention s'applique à un dispositif de suralimentation comprenant un turbocompresseur à géométrie fixe, ou encore deux tels turbocompresseurs montés en série.
Avec l'augmentation des performances des moteurs suralimentés, les niveaux de pressions de suralimentation augmentent et les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. Il est important de piloter le plus finement possible ces turbocompresseurs pour éviter la détérioration du turbocompresseur tout en améliorant le brio du véhicule lors des accélérations.
Les normes de dépollution étant de plus en plus sévères, la quantité de particules rejetée par un moteur est de plus en plus faible. Le filtre à particules, FAP, est une solution qui permet de réduit la quantité de particules rejetée dans l'environnement. Il est composé d'un ensemble de micro canaux dans lesquels une grande partie des particules se trouvent piégées. Une fois le filtre plein, il faut vider le filtre en brûlant les particules, cette phase est appelée «régénération». La régénération peut être obtenue soit par un dispositif de chauffe, soit par des réglages moteur spécifique. Le filtre à particules est placé dans la ligne d'échappement en aval de la turbine basse pression.
L'introduction d'un tel dispositif produit une augmentation de la contre pression d'échappement. Cette contre pression est d'autant plus importante que le filtre est chargé en particules. Cette contre pression échappement se traduit vis-à-vis du turbocompresseur par une réduction du taux de détente, qui entraîne une réduction de la puissance
fournie par les gaz d'échappement aux turbines et une diminution des performances moteurs. Pour obtenir le même niveau de performance, il faut maintenir le taux de détente en augmentant la pression en amont de la turbine. L'augmentation de la pression en amont des turbines est obtenue par une fermeture adéquate des actionneurs de by- pass. Une commande de ces actionneurs permet de piloter le dispositif de suralimentation.
Dans le domaine du pilotage de tels dispositifs de suralimentation doubles, la demanderesse a développé un procédé de pilotage à double boucle pilotant simultanément les deux turbocompresseurs et décrit dans la demande de brevet FR 08 53686 déposée le 4 juin 2008. Un tel système fournit des performances remarquables mais nécessite un capteur de pression d'échappement en amont de la turbine haute pression. L'implantation d'un tel capteur est coûteuse. La présente invention se propose de supprimer ce capteur.
Pour cela le procédé de pilotage utilise avantageusement une variable rapport de compression du compresseur pour piloter un turbocompresseur dans le cas où il est unique. De plus, dans le cas d'un double turbocompresseur, le procédé remplace un pilotage à double boucle par un pilotage à un instant donné de l'un ou de l'autre des turbocompresseurs, combiné à un gestionnaire qui sélectionne le turbocompresseur piloté.
L'invention a pour objet un procédé, pour un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur thermique comprenant une turbine entraînée par les gaz d'échappement, un compresseur entraîné en rotation par la turbine afin de comprimer l'air d'admission, et un actionneur de by-pass de la turbine permettant de commander un débit d'air ne traversant pas la turbine, ledit procédé déterminant une consigne de position de l' actionneur de by-pass en fonction d'une consigne de rapport de compression, d'une mesure de rapport de compression, d'une mesure de débit au travers du compresseur, d'une mesure de pression en aval de la turbine, d'une mesure de pression en aval du compresseur, d'une mesure de température en amont de la turbine, et d'une mesure de
température en amont du compresseur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la détermination d'une consigne de position de l'actionneur de by-pass comprend : - détermination d'une consigne de taux de détente en fonction de la consigne de rapport de compression et de la mesure de rapport de compression,
- détermination d'une consigne de position de l'actionneur de by-pass en fonction de la consigne de taux de détente ainsi déterminée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la détermination de la consigne de position de l'actionneur de by-pass, en fonction de la consigne de taux de détente utilise un modèle d'actionneur inverse. Selon une autre caractéristique de l'invention, la consigne de taux de détente est, préalablement à l'utilisation du modèle d'actionneur inverse, saturée en fonction d'une pression maximale autorisée en aval de la turbine, selon la formule :
PRt,sP,sat est la consigne de taux de détente après saturation, PRt, sp est la consigne de taux de détente avant saturation, Pdt est la pression en aval de la turbine, Pdt,maχ est la pression maximale acceptable en aval de la turbine, la valeur de consigne de rapport de compression saturée remplaçant pour la suite la valeur de consigne de rapport de compression initiale.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la consigne de taux de détente est égale à la somme d'une consigne de taux de détente en boucle ouverte calculée en fonction de la consigne de rapport de compression par un module de pré positionnement, et d'une consigne de taux de détente en boucle fermée calculée en fonction d'une erreur entre la consigne de rapport de compression et la mesure de rapport de compression par un premier module contrôleur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la
consigne de position de 1 ' actionneur de by-pass est égale à la somme d'une consigne de position en boucle ouverte calculée en fonction de la consigne de rapport de compression, et d'une consigne de position en boucle fermée calculée en fonction d'une erreur entre la consigne de rapport de compression et la mesure de rapport de compression par un second module contrôleur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la détermination de la consigne de position en boucle ouverte comprend les étapes de :
- détermination d'une consigne de taux de détente en boucle ouverte en fonction de la consigne de rapport de compression par un module de pré positionnement,
- détermination d'une consigne de position en boucle ouverte en fonction de la consigne de taux de détente en boucle ouvert ainsi déterminée en utilisant un modèle d' actionneur inverse .
Selon une autre caractéristique de l'invention, la consigne de position est finalement saturée, selon la formule: α^=™(αç.α^) ' où αsp,sat est la consigne de position après saturation, αsp est la consigne de position avant saturation, αSp,maχ est une consigne de position maximale. Selon une autre caractéristique de l'invention, la consigne de position maximale est déterminée en fonction du taux de détente en boucle ouverte en utilisant un modèle d' actionneur inverse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la consigne de taux de détente en boucle ouverte est, préalablement à l'application du modèle d' actionneur inverse pour déterminer la consigne de position maximale, saturée en fonction d'une pression maximale autorisée en aval de la turbine, selon la formule : p PRt,sp,sat = ™∞(PKsp,ol ' -^- ) ' OU
"dt
PRt,sP,sat est la consigne de taux de détente après saturation, PRt, sp est la consigne de taux de détente avant saturation,
Pdt est la pression en aval de la turbine,
Pdt,maχ est la pression maximale acceptable en aval de la turbine, la valeur de consigne du taux de détente saturée remplaçant pour la suite la valeur initiale de consigne du taux de détente en boucle ouverte.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le module de pré positionnement comprend les étapes suivantes : détermination d'une mesure de débit corrigé d'air d'admission au travers du compresseur en fonction d'une mesure de débit d'air d'admission au travers du compresseur, selon la formule : Wcmcor
Wc,m, cor est la mesure de débit corrigé d'air d'admission au travers du compresseur, Wc,m est la mesure de débit d'air d'admission au travers du compresseur,
Tuc est une température en amont du compresseur,
Puc est une pression en amont du compresseur,
Tc,ref est une température de référence du compresseur, Pc,ref est une pression de référence du compresseur,
- détermination d'une consigne de régime corrigé relativement au compresseur, au moyen d'une fonction du rapport de compression et du débit corrigé d'air d'admission au travers du compresseur, ladite fonction étant définie par une cartographie à deux dimensions,
- détermination d'une consigne de régime en fonction de la consigne de régime corrigé relativement au compresseur selon la formule :
Nsp est la consigne de régime du turbocompresseur,
Nsp,corc est la consigne de régime corrigé relativement au compresseur du turbocompresseur,
Tuc est la température en amont du compresseur,
Tc,ref est la température de référence du compresseur, - calcul d'un rendement du compresseur en fonction de la
consigne de régime corrigé relativement au compresseur du turbocompresseur et de la consigne de débit corrigé d'air d'admission au travers du compresseur, au moyen d'une fonction de la consigne de régime corrigé relativement au compresseur du turbocompresseur et de la consigne de débit corrigé d'air d'admission au travers du compresseur, ladite fonction étant définie par une cartographie à deux dimensions,
- calcul d'une consigne de puissance compresseur selon la formule :
Hc,sp est la consigne de puissance du compresseur,
Wc,m est la mesure de débit d'air d'admission au travers du compresseur, ηc est le rendement du compresseur,
Tuc est la température en amont du compresseur,
PRc,sp est la consigne de rapport de compression du compresseur,
Cpc est une première constante thermodynamique de l'air d'admission, γc est une seconde constante thermodynamique de l'air d ' admission, calcul d'une consigne de puissance turbine selon la formule : Htsp=Hcspl où
Ht,Sp est la consigne de puissance de la turbine, Hc,sp est la consigne de puissance du compresseur, - détermination d'une consigne de régime corrigé relativement à la turbine en fonction de la consigne de régime selon la formule :
Nsp est la consigne de régime du turbocompresseur, Nsp,cort est la consigne de régime corrigé relativement à la turbine du turbocompresseur, Tut est une température en amont de la turbine,
Tt,ref est une température de référence de la turbine,
- calcul de la consigne de taux de détente en boucle ouverte
selon la formule PRtspol =F ι ,N s.p,cort OU
PRt, sp, oi est le taux de détente en boucle ouverte de la turbine,
Ht,sp est la consigne de puissance de la turbine,
Nsp,cort est la consigne de régime corrigé relativement à la turbine du turbocompresseur, et
F une fonction définie par une cartographie à deux dimensions et obtenue par inversion de l'équation suivante :
Ht,sp est la consigne de puissance de la turbine,
PRt,sP,oi est le taux de détente en boucle ouverte de la turbine, Cpt est une première constante thermodynamique du gaz d ' échappement,
Yt est une seconde constante thermodynamique du gaz d ' échappement, ηt est un rendement de la turbine pouvant être exprimé au moyen d'une fonction de la consigne de régime corrigé relativement à la turbine du turbocompresseur et de la consigne de taux de détente en boucle ouverte, ladite fonction étant définie par une cartographie à deux dimensions, Wt, Sp est une consigne de débit de gaz d'échappement au travers de la turbine déterminée par la formule :
Wt, Sp est une consigne de débit de gaz d'échappement au travers de la turbine, Wt,sp,cor est une consigne de débit corrigé de gaz d'échappement au travers de la turbine pouvant être exprimée
au moyen d'une fonction de la consigne de régime corrigé relativement à la turbine du turbocompresseur et de la consigne de taux de détente en boucle ouverte, ladite fonction étant définie par une cartographie à deux dimensions,
Tut est une température en amont de la turbine,
Tt,ref est une température de référence de la turbine,
Pdt est une pression en aval de la turbine,
Pt,ref est une pression de référence de la turbine. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier module contrôleur, respectivement le second module contrôleur, est un régulateur configuré de manière à annuler ladite erreur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le régulateur utilise des règles de logique floue.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le régulateur comprend un module Proportionnel Intégral Dérivé, PID.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'actionneur de by-pass de la turbine est modélisé par une équation de Barré Saint Venant, selon la formule :
PR désigne la grandeur d'entrée soit respectivement :
PRt, Sp la consigne de taux de détente, PRt,sp,oi la consigne de taux de détente en boucle ouverte,
PRt,sP,oi,sat la consigne de taux de détente en boucle ouverte saturée,
Wact est un débit au travers de l'actionneur, Sact est une section de l'actionneur, Pdt est une pression en aval de la turbine,
Tdt est une température en aval de la turbine, Ψ une fonction de la variable X, définie par :
Yt est une première constante thermodynamique du gaz d'échappement, égale à 1,4,
R est la constante des gaz, égale à 287 J/kg/K.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le débit au travers de l'actionneur est déterminé selon la formule :
' oUùU Wc,m est une mesure du débit au travers du compresseur, Wt, sp est une consigne de débit au travers de la turbine.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite section de l'actionneur est cartographiée en fonction de la consigne de position dudit actionneur et de la consigne de taux de détente.
L'invention concerne encore un procédé, pour un dispositif de suralimentation double à géométrie fixe d'un moteur thermique, comprenant :
- un premier turbocompresseur haute pression comprenant une turbine haute pression entraînée par les gaz d'échappement issus dudit moteur thermique, un compresseur haute pression entraîné en rotation par la turbine haute pression afin de comprimer l'air d'admission injecté dans le moteur thermique, et un actionneur de by-pass haute pression de la turbine haute pression permettant de commander un débit d'air ne traversant pas la turbine haute pression,
- un second turbocompresseur basse pression comprenant une turbine basse pression entraînée par les gaz d'échappement issus dudit moteur thermique via la turbine haute pression ou l'actionneur de by-pass haute pression, un compresseur basse pression entraîné en rotation par la turbine basse pression afin de comprimer l'air d'admission injecté dans le moteur thermique via le compresseur haute pression, et un actionneur de by-pass basse pression de la turbine basse pression permettant de commander un débit d'air ne traversant pas la turbine basse pression, et une vanne de by-pass du compresseur haute pression permettant sélectivement de by-passer le compresseur haute pression afin de relier en direct le compresseur basse pression au moteur, de détermination d'une consigne de commande de l'actionneur de by-pass haute pression et d'une consigne de commande de l'actionneur de by-pass basse pression en fonction d'une
consigne de rapport de pression haute pression, d'une consigne de rapport de pression basse pression, d'une mesure de rapport de pression haute pression, d'une mesure de rapport de pression basse pression, d'une mesure du débit d'air au travers des compresseurs haute pression et basse pression, des mesures de pression en aval respectivement de la turbine haute pression et de la turbine basse pression, des mesures de pression en aval respectivement du compresseur haute pression et du compresseur basse pression, des mesures de température en amont respectivement de la turbine haute pression et de la turbine basse pression, et des mesures de température en amont respectivement du compresseur haute pression et du compresseur basse pression, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - sélection au moyen d'un gestionnaire d'un actionneur de by- pass à commander parmi l' actionneur de by-pass haute pression et l' actionneur de by-pass basse pression,
- détermination en conséquence d'une consigne de position de l' actionneur de by-pass haute pression en fonction d'une consigne de rapport de compression haute pression et d'une mesure de rapport de compression haute pression, ou d'une consigne de position de l' actionneur de by-pass basse pression en fonction d'une consigne de rapport de compression basse pression et d'une mesure de rapport de compression basse pression, selon le procédé de l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape de sélection est effectuée par le gestionnaire selon les règles suivantes : - l' actionneur de by-pass haute pression est piloté lorsque le régime du moteur est inférieur à un seuil, la vanne de by- pass du compresseur haute pression étant commandée fermée et 1' actionneur de by-pass basse pression étant commandé fermé,
- l' actionneur de by-pass basse pression, est piloté lorsque le régime du moteur est supérieur à un seuil, la vanne de by- pass du compresseur haute pression étant commandée ouverte et 1' actionneur de by-pass haute pression étant commandé ouvert.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le seuil
de régime du moteur est égal à 2750 tr/mn.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : la figure 1 illustre un moteur thermique avec un turbocompresseur de suralimentation,
- la figure 2 illustre un moteur thermique équipé d'un dispositif de suralimentation comprenant deux turbocompresseurs,
- la figure 3 présente un bloc-diagramme d'un mode de réalisation "série" du procédé selon l'invention,
- la figure 4 présente un bloc-diagramme d'un mode de réalisation "parallèle" du procédé selon l'invention,
- la figure 5 présente un bloc-diagramme intégrant deux modules série ou parallèle, les figures 6 et 7 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction fl, pour le turbocompresseur haute pression, les figures 8 et 9 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction fl, pour le turbocompresseur basse pression, les figures 10 et 11 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction f2, pour le turbocompresseur haute pression, les figures 12 et 13 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction f2, pour le turbocompresseur basse pression, - les figures 14 et 15 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction F"1, pour le turbocompresseur haute pression, les figures 16 et 17 présentent respectivement une cartographie et un tableau de valeurs numériques définissant la fonction F"1, pour le turbocompresseur basse pression,
- les figures 18 et 19 illustrent les résultats obtenus respectivement avec le module série et avec le module parallèle .
Afin de faciliter la lecture de la description, des blocs-diagrammes et particulièrement des formules, il est utilisé les notations suivantes : variables :
N : régime ou vitesse de rotation (du turbocompresseur) , PR : rapport de pression (rapport de compression du compresseur, taux de détente de la turbine) ,
W débit, P pression H puissance, T température, η rendement,
RM régime moteur, Cp constante thermodynamique, capacité thermique à pression constante,
Cv constante thermodynamique capacité thermique à volume constant,
Y : constante thermodynamique, coefficient égal à Cp/Cv, J : moment d'inertie (du turbocompresseur), indices :
C compresseur, t turbine, sp consigne, m mesurée, observée, ou simulée, cor corrigée, cort corrigée relativement à la turbine, corc corrigée relativement au compresseur, ref de référence,
U amont, d aval, ol boucle ouverte, cl boucle fermée, sat saturé
HP haute pression,
BP basse pression.
La figure 1 illustre le contexte de l'invention dans le cas d'un unique turbocompresseur 1. Un moteur thermique 4
reçoit classiquement par des tubulures d'admission 6 de l'air 5. Le moteur 4 produit des gaz d'échappement 7 qui s'échappent par des tubulures d'échappement 8. Un turbocompresseur 1 de suralimentation permet d'augmenter la quantité d'air 5 admise par le moteur thermique 4. Pour cela le turbocompresseur 1 comprend une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 est fluidiquement connectée sur les tubulures d'échappement 8 afin d'être entraînée par les gaz d'échappement 7 issus du moteur thermique 4. La turbine 2 est mécaniquement solidaire du compresseur 3 qu'elle entraîne en rotation. Le compresseur 3 est fluidiquement connecté sur les tubulures d'admission 6, afin que le compresseur 3 comprime l'air d'admission 5 avant son entrée dans le moteur thermique 4. Il est possible d'isoler la turbine 2 au moyen d'un actionneur de by-pass 15. Il est possible d'isoler le compresseur au moyen d'une vanne de by-pass 14. Le repère 9 figure un capteur de débit d'air Wc,m d'admission 5.
La figure 2 illustre le contexte de l'invention dans le cas d'un double turbocompresseur 1, 11. Un premier turbocompresseur 1 haute pression est identique au turbocompresseur précédemment décrit avec une turbine 2 haute pression, un compresseur 3 haute pression et un actionneur à commande proportionnelle de by-pass 15 haute pression permet de régler un débit ne traversant pas la turbine 2 haute pression. Un second turbocompresseur 11 basse pression est relié en série avec le premier turbocompresseur 1. La turbine 12 basse pression est entraînée par le gaz d'échappement 7 sortant à l'aval de la turbine 2 haute pression, ou lorsqu'il est au moins partiellement commandé ouvert, de l' actionneur de by-pass 15 haute pression. En sortie de la turbine 12 basse pression le gaz d'échappement 7 est dirigé vers l'échappement. La turbine 12 basse pression est mécaniquement solidaire du compresseur 13 basse pression qu'elle entraîne en rotation. Le compresseur 13 basse pression reçoit l'air issu du filtre à air le comprime avant de le transmettre à l'amont du compresseur 3 haute pression. Si la vanne tout ou rien de by-pass 14 est ouverte, le compresseur 13 basse pression transmet l'air directement au moteur 4 via la
tubulure d'admission 6.
Les deux actionneurs de by-pass haute pression 15 et basse pression 16 commandables proportionnellement sont disposés entre l'amont et l'aval respectivement de la turbine 2 haute pression et de la turbine 12 basse pression. De même la vanne de by-pass 14 compresseur commandable en tout ou rien est disposée entre l'amont et l'aval du compresseur 3 haute pression. Ces trois dispositifs permettent de contrôler l'ensemble du système 20 de suralimentation. Alors que la commande double boucle de l'art antérieur, pilote simultanément les deux actionneurs 15, 16 de by-pass, la suppression souhaitée d'un capteur de pression d'échappement Put,HP en amont de la turbine haute pression 2 ne permet plus un tel pilotage. Un des principes de l'invention est de ne piloter qu'un seul turbocompresseur 1, 11 à la fois en agissant sur l'actionneur de by-pass 15, 16 correspondant.
Selon l'invention, le module central du procédé comporte une étape de détermination d'une consigne de position αsp d'un actionneur de by-pass 15, 16 en fonction d'une consigne de rapport de compression PRc,sP et d'une mesure de rapport de compression PRc,m- Deux rapports de pression PR peuvent être définis comme le rapport de la pression amont P11 à la pression aval Pd. Pour un compresseur 3, 13 ce rapport de pression est nommé rapport de compression PRC et est égal
P àPi?c=—^. Pour une turbine 2, 12 ce rapport de pression est
nommé taux de détente PRt et est égal à
Le module central accepte en entrée une consigne de rapport de compression PRc,sP à partir de laquelle sont déterminées des grandeurs en boucle ouverte. Afin d'affiner le procédé, des grandeurs en boucle fermée sont aussi déterminées. Pour cela le procédé est rebouclé sur une grandeur indicative de la réponse du système 20. Cette grandeur mesurée peut être une mesure de rapport de compression PRc,m ou ce qui est équivalent, un écart dudit rapport de compression εPRc calculé par εPRc = PRc,sP - PRc,m.
Ce module central peut être mis en œuvre selon plusieurs modes de réalisation. Deux modes de réalisation illustratifs sont ici présentés. Ces deux modes utilisent des modules identiques ou similaires organisés différemment. Un premier mode de réalisation "série" est illustré à la figure 3. Un second mode de réalisation "parallèle" est illustré à la figure 4.
En se référant à la figure 3, dans le mode série, la détermination d'une consigne de position αsp de l'actionneur de by-pass 15, 16 peut se décomposer en une première étape de détermination, par les blocs 21, 22, 23, d'une consigne de taux de détente PRt, sp en fonction de la consigne de rapport de compression PRc,sP et de la mesure de rapport de compression PRc,m, ou de l'écart εPRC, disponibles en entrée, suivie d'une seconde étape de détermination d'une consigne de position αsp de l'actionneur de by-pass 15, 16 en fonction de la consigne de taux de détente PRt, sp ainsi déterminée, au sein du bloc 25 et le cas échéant du bloc 24. La détermination de la consigne de position αsp de l'actionneur de by-pass 15, 16 en fonction de la consigne de taux de détente PRt, sp utilise un modèle d'actionneur inverse, situé dans le bloc 25. Ce modèle d'actionneur inverse réutilisé à plusieurs reprises, sera détaillé plus loin.
Au sein du bloc de limitation 24, la consigne de taux de détente PRt, sp est avantageusement saturée, avant application du modèle d'actionneur inverse 25. Cette saturation est avantageusement réalisée en bornant ledit taux de détente PRt, sp par un taux de détente PRt,Sp,maχ maximum, calculé en fonction d'une pression Pdt,maχ maximale autorisée en aval de la turbine 2, 12, selon la formule :
Après limitation le taux de détente PRt, sp est partout remplacé par le taux de détente saturé PRt,sP,sat-
La consigne intermédiaire de taux de détente PRt, sp est déterminée en ajoutant, par le sommateur 23, une consigne de
taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte et une consigne de taux de détente PRt,sp,ci en boucle fermée.
La consigne de taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte est calculée en fonction de la consigne de rapport de compression PRc,sP par un module modélisant le système 20. Ce module dit de pré positionnement, implémenté au bloc 21, réutilisé à plusieurs reprises, sera détaillé plus loin.
La consigne de taux de détente PRt,sp,ci en boucle fermée utilise un rebouclage sur des grandeurs mesurées ou estimées issues du système 20 afin d'asservir le procédé. Elle est calculée en fonction d'une erreur ou écart εPRc entre la consigne de rapport de compression PRc,sp et la mesure du rapport de compression PRc,m effectivement réalisé. Le calcul est réalisé par un premier module contrôleur 22. Ce module contrôleur, implémenté au bloc 22, réutilisé à plusieurs reprises, sera détaillé plus loin.
En se référant à la figure 4, dans le mode parallèle, la consigne de position αsp de l'actionneur de by-pass 15, 16 est déterminée en ajoutant, par le sommateur 29, une consigne de position αsp,oi en boucle ouverte et une consigne de position αsp,ci en boucle fermée.
La consigne de position αsp,ci en boucle fermée utilise un rebouclage sur des grandeurs mesurées ou estimées issues du système 20 afin d'asservir le procédé. Elle est calculée en fonction de l'erreur εPRc entre la consigne de rapport de compression PRc,sp et la mesure de rapport de compression PRc,m par un second module contrôleur 27. Ce module contrôleur, implémenté au bloc 27, est très semblable à celui utilisé dans le mode série. La consigne de position αsp,oi en boucle ouverte est calculée en fonction de la consigne de rapport de compression PRC;Sp par un module modélisant le système 20. Ce module comprend en séquence un module de pré positionnement 26, implémenté au bloc 26 et identique au module de pré positionnement 21 du mode série, et un module modèle d'actionneur inverse, implanté au bloc 28 et identique au module modèle d'actionneur inverse 25 du mode série. La détermination de la consigne de position αsp,oi en boucle
ouverte comprend les étapes successives de détermination d'une consigne de taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte en fonction de la consigne de rapport de compression PRc,sp par le module de pré positionnement 26 et de détermination d'une consigne de position αsp,oi en boucle ouverte en fonction de la consigne de taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte ainsi déterminée en utilisant un modèle d'actionneur inverse, implémenté au bloc 28.
La saturation, optionnelle, réalisée sur la grandeur taux de détente PRt, sp au sein du bloc 24 du mode série, est ici réalisée sur la grandeur position αsp de l'actionneur de by- pass 15, 16, au sein du bloc 32, la grandeur majorante consigne de position maximale αsp,max, correspondant à la même pression maximale acceptable Pdt,maχ dans la tubulure d'échappement en aval de la turbine 2, 12. Cette saturation est réalisée selon la formule :
α¥|JΛ =min(αψ,αψmax)
où αsp,sat est une consigne de position après saturation, αsp est la consigne de position avant saturation et αsp,max est une consigne de position maximale.
La consigne de position αsp,max maximale est déterminée en fonction du taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte en utilisant un modèle d'actionneur inverse, implémenté au bloc
31. Ce modèle d'actionneur inverse est identique à celui implanté au bloc 28 et au bloc 25 du mode série.
Avantageusement, la consigne de taux de détente PRt,sp,oi en boucle ouverte est, préalablement à l'application du modèle d'actionneur inverse 31 pour déterminer la consigne de position maximale αsp,max, saturée, au bloc 30, en fonction de la pression maximale Pdt,maχ autorisée en aval de la turbine 2, 12.
Certains modules communs aux modes série et parallèles : pré positionnement, contrôleur et modèle d'actionneur inverse, vont maintenant être décrits plus en détail.
Le module de pré positionnement, implanté aux blocs 21 et 26, détermine une consigne de taux de détente à partir de la
consigne de rapport de compression. Il s'appuie sur une hypothèse d'égalité des puissances du compresseur et de la turbine en régime stabilisé. Il peut se décomposer en quatre étapes .
Etape n°l : Calcul d'une consigne de régime turbocompresseur
Une consigne de régime est calculée à partir d'une fonction fl, donnée sous forme d'une cartographie compresseur fl, fournie par le constructeur en fonction de grandeurs réduites ou corrigées en pression et température relativement à des valeurs de référence. Cette cartographie est représentée aux figures 6 à 9. Elle donne le rapport de compression PRC sur la roue du compresseur 3, 13 en fonction du débit Wc,m,cor corrigé et du régime Nsp,corc corrigé relativement au compresseur. Le régime N étant défini indifféremment pour la turbine 2, 12 ou le compresseur 3, 13 peut être corrigé Nsp,cort relativement à la température Tut de la turbine 2, 12 ou encore corrigé Nsp,corc relativement à la température Tuc du compresseur 3, 13. On a :
PRc,Sp = /l tyc,m,cor » N sp,corc ) ' ^ Ve C
i KVf sp,corc - ~ iKVf ' p KfL I 'f' - ~ --<- -— W'' -
Le débit Wc,m,cor d'air d'admission 5 est obtenu par la formule précédente en fonction du débit Wc,m,cor d'air. Ce débit Wc,m,cor est par exemple mesuré par un débitmètre 9. Hypothèse est faite que le débit au travers du compresseur 13 basse pression est identique au débit au travers du compresseur 3 haute pression.
La consigne Nsp de régime turbocompresseur s'obtient ainsi en fonction de la consigne de rapport de compression PRc,sp et du débit Wc,m par inversion de la fonction f1.
Etape n°2 : Calcul de la consigne de puissance compresseur.
La puissance Hc du compresseur 3, 13 s'exprime analytiquement en appliquant le principe fondamental de la thermodynamique à la roue du compresseur 3, 13. Il en résulte une expression faisant apparaître les conditions de pression aux bornes du compresseur 3, 13, le débit Wc,m le traversant et la température Tuc en amont :
Le rendement ηc dans l'expression précédente est relié au régime Nsp et au débit Wc,m. Cette relation est donnée par une fonction f2, établie par le constructeur, par exemple sous forme d'une cartographie f2. Une telle cartographie est représentée aux figures 10 à 13.
A cette étape, on connaît la consigne de rapport de pression PRc,sp, la mesure de débit Wc,m et la consigne de régime Nsp. Il est ainsi possible de calculer la consigne de puissance Hc,sp compresseur. Cette puissance Hc,sp consommée par le compresseur 3, 13 correspond à la puissance qui doit être récupérée par la turbine 2, 12 et transmise audit compresseur 3, 13 pour atteindre la pression de suralimentation Pdt,HP souhaitée dans le répartiteur d'admission 6.
Etape n°3 : Calcul de la puissance de la turbine.
L'étape 3 transforme la consigne de puissance Hc,sp compresseur en consigne de puissance Ht,sp turbine. La vitesse de rotation ou régime N du turbocompresseur 1, 11 est obtenue par le principe fondamental de la dynamique appliqué au système composé de la turbine 2, 12, du compresseur 3, 13 et de l'axe de couplage entre turbine et compresseur. Cette relation permet de transférer les consignes « admission »
(sur le compresseur) en consignes « échappement » (sur la turbine) . Le régime N du turbocompresseur 1, 11 dépend essentiellement de la différence entre la puissance Ht de la turbine 2, 12 et la puissance Hc du compresseur 3, 13. Ces puissances s'expriment analytiquement à partir de l'application du premier principe de la thermodynamique. Dans l'équation ci-dessous, les puissances sont remplacées par leur consigne :
JN^ = H<«-H°«>
où J est l'inertie et d/dt l'opérateur de dérivation par rapport au temp.
On fait l'hypothèse que le système est à l'équilibre. Ceci permet de négliger le terme dynamique. Selon cette hypothèse, toute la puissance turbine est transmise au compresseur :
Etape n°4 : Calcul de la consigne de taux de détente en boucle ouverte
La puissance Ht,sp turbine est connue et dépend explicitement du taux de détente PRt,sp, selon la formule suivante :
Ht,sp avec
II est possible d'écrire cette formule en fonction de la consigne taux de détente PRt, sp et de l'inverser afin de calculer une consigne PRt, sp de taux de détente turbine.
Dans l'expression de la puissance turbine ci dessous, le débit W,sp et l'efficacité ηr sont donnés par des fonctions f3 et f4 fournies sous forme de cartographies établies par le constructeur du turbocompresseur 1, 11. Elles dépendent du régime turbine N et du taux de détente PRf L'équation d'égalité des consignes de puissance peut être réécrite en remplaçant la consigne de puissance Ht,sp turbine par son expression :
Ensuite, si on remplace le débit et le rendement par leurs expressions respectives, il vient :
* * c,sp ~ ' ' ut ' J Z V ^t,sp,ol ' -^ sp,cort ) ' J 4 V ^t,sp,ol ' ^ sp,cort ) ' 1-
Finalement, la relation ci-dessus est inversée afin de calculer la consigne de taux de détente PRt,sp,oi nécessaire pour atteindre la puissance compresseur Hc,sp souhaitée qui, à son tour, permettra d'obtenir la consigne de rapport de compression PRc,sp et donc la pression Pdt,sP de suralimentation souhaitée.
La cartographie F intègre les cartographies f3 et f4
Un exemple d'une telle cartographie F"1 est illustré aux figures 14 à 17.
Les grandeurs utilisées dans les formules précédentes sont des grandeurs de consigne d'entrée ou sont déterminées par les formules précédentes. Il peut encore s'agir de constantes. Ainsi les constantes thermodynamiques : Cpt capacité thermique du gaz d'échappement 7 à pression constante est égale 1136 J/kg/K,
Yt, coefficient rapport Cpt/Cvt des capacités thermiques du gaz d'échappement 7 respectivement à pression constante et à volume constant, est égale à 1,34,
Cpc capacité thermique de l'air d'admission 5 à pression constante est égal 1005 J/kg/K,
Yc, coefficient rapport Cpc/Cvc des capacités thermiques de l'air d'admission 5 respectivement à pression constante et à volume constant, est égale à 1,4.
En ce qui concerne les autres grandeurs :
Pdt,maχ est une constante déterminée par des calculs de résistance de la tubulure, Wc,m est déterminé par le débitmètre 9, compte tenu de la conservation des masses, hypothèse est faite que Wc,m,Hp est
Pdt, Pdc, Tuc, Tut sont déterminées par des capteurs, des estimateurs ou toute autre méthode connue de l'homme du métier. Ainsi, la température Tut en amont de la turbine peut être connue par une cartographie en fonction du régime moteur
RM et de la charge du moteur 4.
Les températures et pressions de références, utilisées pour déterminer les grandeurs réduites corrigées, sont dans les exemples illustratifs fournis, égales à :
Tc,ref = 298°K, Tt,ref = 873°K, Pc,ref = Pt,ref = 1 atm.
Ceci est valable tant pour le turbocompresseur 1 haute pression, que pour le turbocompresseur 11 basse pression.
Le contrôleur est un autre module réutilisé dans les différents modes de réalisation. Un premier module contrôleur
22 est utilisé par le mode série, et un second module contrôleur 27 est utilisé par le mode parallèle. La fonction d'un tel régulateur est, de manière connue, de modifier une
grandeur de sortie, ici PRt, sp ou αsp, afin d'annuler l'écart εPRc mesuré en entrée. L'homme du métier connaît différentes méthodes pour réaliser une telle fonction. On peut ainsi citer le cas où le contrôleur est un régulateur 22, 27 utilisant des règles de logique floue. De manière classique encore, le régulateur 22, 27 peut comprendre un module Proportionnel, Intégral, Dérivé ou PID.
Un autre module réutilisé dans les différents modes de réalisation est un module modélisant un actionneur de by-pass 15, 16. Un tel actionneur placé dans une tubulure est commandable proportionnellement par une consigne αsp afin de modifier la section de Sact de son ouverture entre 0 et 100%. Une telle modélisation est par exemple obtenue en utilisant une équation de Barré Saint Venant, selon la formule :
PR désigne la grandeur d'entrée soit respectivement : PRt, Sp la consigne de taux de détente,
PRt,sp,oi la consigne de taux de détente en boucle ouverte, PRt,sp,oi,sat la consigne de taux de détente en boucle ouverte saturée,
Wact est un débit au travers de l' actionneur 15, 16, Sact est une section de l' actionneur 15, 16, Pdt est une mesure de pression en aval de la turbine, Tdt est une mesure de température en aval de la turbine, Ψ une fonction de la variable X, définie par :
Yt est une première constante thermodynamique du gaz d'échappement (7), égale à 1,4,
R est la constante des gaz, égale à 287 J/kg/K.
Dans la formule précédente le débit Wact au travers de 1' actionneur 15, 16 peut être déterminé, du fait de la conservation des masses selon la formule : WYV act =WYV c,m -WYV t,sp ' oUùU
Wc,m est un débit mesuré au travers du compresseur 3, 13,
Wt, sp est une consigne de débit au travers de la turbine 2,
12.
Avantageusement, afin de pouvoir déterminer plus rapidement une valeur de section Sact de l'actionneur 15, 16, ladite section peut être cartographiée en fonction de la consigne de position αsp dudit actionneur 15, 16 et de la consigne de taux de détente PRt,sp.
Jusqu'à présent a été décrit un procédé permettant de piloter un turbocompresseur 1, 11. Dans le cas d'un double turbocompresseur, tel qu'illustré à la figure 2, comprenant un premier turbocompresseur 1 haute pression comprenant une turbine 2 haute pression entraînée par les gaz d'échappement 7 issus du moteur thermique 4, un compresseur 3 haute pression entraîné en rotation par la turbine 2 haute pression afin de comprimer l'air d'admission 5 injecté dans le moteur thermique 4, et un actionneur de by-pass 15 haute pression de la turbine 2 haute pression permettant de commander un débit d'air Wact,HP ne traversant pas la turbine 2 haute pression, un second turbocompresseur 11 basse pression comprenant une turbine 12 basse pression entraînée par les gaz d'échappement 7 issus dudit moteur thermique 4 via la turbine 2 haute pression ou l'actionneur de by-pass 15 haute pression, un compresseur 13 basse pression entraîné en rotation par la turbine 12 basse pression afin de comprimer l'air d'admission 5 injecté dans le moteur thermique 4 via le compresseur 3 haute pression, et un actionneur de by-pass 16 basse pression de la turbine 12 basse pression permettant de commander un débit d'air Wact,BP ne traversant pas la turbine 12 basse pression, et une vanne de by-pass 14 du compresseur 3 haute pression permettant sélectivement de by-passer le compresseur 3 haute pression afin de relier en direct le compresseur basse pression 13 au moteur 4, un procédé peut être utilisé pour commander chacun des deux turbocompresseur 1, 11 à tour de rôle. Un tel procédé détermine une consigne αsp,Hp de commande de l'actionneur de by-pass 15 haute pression et/ou une consigne αsp,Bp de commande de l'actionneur de by-pass 16 basse pression en fonction d'une consigne de rapport de
pression PRc,sp,Hp haute pression, d'une consigne de rapport de pression PRc,sp,Bp basse pression, d'un débit Wc,m d'air au travers du compresseur, d'une température Tuc en amont du compresseur 3, 13, d'une température Tut en amont de la turbine 2, 12.
Un mode de réalisation d'un tel procédé est illustré à la figure 5. Un gestionnaire 19 assure l'arbitrage entre deux boucles indépendantes dédiées chacune à la commande d'un des turbocompresseurs 1, 11 au moyen de son actionneur de by- pass, respectivement l' actionneur de by-pass 15 haute pression et l' actionneur de by-pass 16 basse pression. Un seul des deux turbocompresseurs 1, 11, déterminé par le gestionnaire 19, est piloté à la fois. Le gestionnaire 19 détermine ainsi les entrées nécessaires et soit la consigne de position αsp,Hp de l' actionneur de by-pass 15 haute pression en fonction d'une consigne de rapport de compression PRC,SP,HP haute pression et d'une mesure de rapport de compression PRc,m,Hp haute pression si le turbocompresseur 1 haute pression est piloté, ou la consigne de position αsp,Bp de l' actionneur de by-pass 16 basse pression en fonction d'une consigne de rapport de compression PRc,sp,Bp basse pression et d'une mesure de rapport de compression PRc,m,Bp basse pression si le turbocompresseur 11 basse pression est piloté. Chacune de ces deux consignes de position αsp,Hp, αsp,Bp, est déterminée selon l'un des modes de réalisation du procédé précédemment décrit.
Ainsi le gestionnaire 19 détermine quel turbocompresseur haute pression 1 ou basse pression 11 est piloté. Selon le cas, il reçoit soit une consigne de position αsp,Hp haute pression déterminée par un module haute pression 17, soit une consigne de position αsp,BP basse pression déterminée par un module basse pression 18.
Lorsque le turbocompresseur 1 haute pression est piloté le gestionnaire 19 pilote l' actionneur haute pression 15 par la consigne αsp,Hp, commande l' actionneur basse pression 16 en position fermée par une commande αsp,BP à 0%, et commande la vanne haute pression 14 en position fermée par une commande
Lorsque le turbocompresseur 11 basse pression est piloté le gestionnaire 19 pilote l'actionneur basse pression 16 par la consigne αsp,BP, commande l'actionneur haute pression 15 en position ouverte par une commande αsp,Hp à 100%, et commande la vanne haute pression 14 en position ouverte par une commande β .
Les grandeurs d'entrée de consigne ou de mesure PRc,sp,Hp, PRc,m,HP, PRC,SP,BP et PRc,m,Bp sont éventuellement mise en forme par un bloc d'entrée 35 à partir de grandeurs plus élémentaires telles que des pressions. Ainsi la consigne principale est une pression de suralimentation ou pression Pdc,sP,HP en aval du compresseur 3 haute pression. La mesure de cette même grandeur Pdc,m,HP encore notée Pdc,HP est aussi disponible mesurée ou estimée à partir du système 20 piloté. La mesure de pression PUc,m,HP encore notée PUC,HP amont du compresseur 3 haute pression est encore disponible par la mesure ou une estimation. Ceci permet de calculer les grandeurs d'entrée du module 17 haute pression :
pn _ Puc,m,HP pp _ Puc,m,HP ^dc,sp,HP ^dc,m,HP εPRCHP
v^-a Ie sommateur 33.
Les autres grandeurs utiles Wc,m,HP, Pdt,HP, Pdc,HP, Tut,Hp, Tuc,Hp sont obtenues par un capteur, un estimateur ou une cartographie.
Pour le module basse pression, il est nécessaire de connaître Pdc,sP,BP, Pdc,m,BP, et PUc,m,BP- Lorsque l'on pilote le turbocompresseur 11 basse pression, la vanne de by-pass compresseur 14 est ouverte. La pression aval Pdc,sP,BP basse pression est alors égale à la pression de suralimentation ou pression aval Pdc,sP,HP haute pression qui est connue. De même pour la mesure de cette grandeur Pdc,m,BP = Pdc,m,HP- La pression amont PUc,m,BP basse pression est égale à la pression d'admission de l'air 5 soit la pression atmosphérique Patm égale à 1 atm. Ceci permet de calculer les grandeurs d'entrée du module 18 basse pression :
ZpRc,BP
via le sommateur 34.
Les autres grandeurs utiles Wc,m,Bp, Pdt,BP, Pdc,BP, Tut,BP, Tuc,Bp sont obtenues par un capteur, un estimateur ou une cartographie .
L'étape de sélection de turbocompresseur 1, 11 est effectuée par le gestionnaire 19 selon les règles suivantes : - le turbocompresseur 1 haute pression via l'actionneur de by-pass 15 haute pression est piloté lorsque le régime RM du moteur 4 est inférieur à un seuil, la vanne de by-pass 14 du compresseur 3 haute pression étant commandée fermée et l'actionneur de by-pass 16 basse pression étant commandé fermé, - le turbocompresseur 11 basse pression via l'actionneur de by-pass 16 basse pression est piloté lorsque le régime du moteur 4 est supérieur à un seuil, la vanne de by-pass 14 du compresseur 3 haute pression étant commandée ouverte et l'actionneur de by-pass 15 haute pression étant commandé ouvert.
Le seuil de régime du moteur 4 est par exemple pris égal à 2750 tr/mn.
Une stratégie de commutation haute pression / basse pression plus élaborée, en tenant compte par exemple de la charge peut encore être utilisée. Une hystérésis peut avantageusement être introduite afin d'éviter des commutations trop fréquentes aux alentours du seuil de régime moteur .
Les résultats obtenus avec le procédé selon 1 ' invention sont illustrés sur les courbes des figures 18 et 19. Toutes les courbes figurent la pression de suralimentation en fonction du temps au cours d'un transitoire, ici une prise de charge avec un rapport de vitesse trois. La référence/base correspond au procédé à double boucle de l'art antérieur. La courbe 36 figure la consigne de pression de suralimentation Pdc,sP,HP pour la référence. La courbe 37 figure la consigne de pression de suralimentation Pdc,sP,HP pour le mode série. La
courbe 38 figure la mesure de pression de suralimentation Pdc,m,HP pour la référence. La courbe 39 figure la mesure de pression de suralimentation Pdc,m,HP pour le mode série. La courbe 40 figure la consigne de pression de suralimentation Pdc,sP,HP pour la référence. La courbe 41 figure la consigne de pression de suralimentation Pdc,sP,HP pour le mode parallèle. La courbe 42 figure la mesure de pression de suralimentation Pdc,m,HP pour la référence. La courbe 43 figure la mesure de pression de suralimentation Pdc,m,HP pour le mode parallèle. Le procédé présenté montre que la régulation d'un système de suralimentation à double étage est possible sans prendre en compte la mesure de la pression dans le collecteur d'échappement 8 du moteur 4. Les structures « simple boucle » série et parallèle présentent des performances très proches l'une par rapport à l'autre. De plus, les structures « simple boucle » permettent d'obtenir des temps de réponse quasi- identiques à ceux obtenus avec le procédé de référence «double boucle ».
Claims
1. Procédé, pour un turbocompresseur (1, 11) de suralimentation d'un moteur thermique (4) comprenant une turbine (2, 12) entraînée par les gaz d'échappement (7), un compresseur (3, 13) entraîné en rotation par la turbine (2, 12) afin de comprimer l'air d'admission (5), et un actionneur de by-pass (15, 16) de la turbine (2, 12) permettant de commander un débit d'air (Wact) ne traversant pas la turbine (2, 12), caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination d'une consigne de position (αsp) de 1' actionneur de by-pass (15, 16) en fonction d'une consigne de rapport de compression (PRc,sp), d'une mesure de rapport de compression (PRc,m) , d'une mesure de débit (Wc,m) au travers du compresseur (3, 13), d'une mesure de pression (Pdt) en aval de la turbine (2, 12), d'une mesure de pression (Pdc) en aval du compresseur (3, 13), d'une mesure de température (Tut) en amont de la turbine (2, 12), et d'une mesure de température (Tuc) en amont du compresseur (3, 13) comprenant : - détermination d'une consigne de taux de détente (PRt,sp) en fonction de la consigne de rapport de compression (PRc,sp) et de la mesure de rapport de compression (PRc,m) , détermination d'une consigne de position (αsp) de 1' actionneur de by-pass (15, 16) en fonction de la consigne de taux de détente (PRt,sp) ainsi déterminée.
2. Procédé, selon la revendication 1, où la détermination de la consigne de position (αsp) de l' actionneur de by-pass (15, 16), en fonction de la consigne de taux de détente (PRt,sp) utilise un modèle d'actionneur inverse (25).
3. Procédé, selon la revendication 2, où la consigne de taux de détente (PRt,sp) est, préalablement à l'utilisation du modèle d'actionneur inverse (25), saturée en fonction d'une pression maximale (Pdt,maχ) autorisée en aval de la turbine (2,
12), selon la formule : π n * / π n p dt ,max \ s
PRt,Sp,Sαt = ™<PRt,sp , -Z-) ' OU
"dt PRt,sP,sat est la consigne de taux de détente après saturation, PRt, sp est la consigne de taux de détente avant saturation, Pdt est la pression en aval de la turbine (2, 12), Pdt,maχ est la pression maximale acceptable en aval de la turbine (2, 12), la valeur de consigne de rapport de compression saturée (PRt,sP,sat) remplaçant pour la suite la valeur de consigne de rapport de compression initiale (PRt,sp).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où la consigne de taux de détente (PRt,sp) est égale à la somme d'une consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte calculée en fonction de la consigne de rapport de compression (PRc,sp) par un module de pré positionnement (21), et d'une consigne de taux de détente (PRt, sp, ci) en boucle fermée calculée en fonction d'une erreur (SPRC) entre la consigne de rapport de compression (PRc,sp) et la mesure de rapport de compression (PRc,m) par un premier module contrôleur (22) .
5. Procédé selon la revendication 1, où la consigne de position (αsp) de l'actionneur de by-pass (15, 16) est égale à la somme d'une consigne de position (αsp,oi) en boucle ouverte calculée en fonction de la consigne de rapport de compression (PRc,sp), et d'une consigne de position (αsp,ci) en boucle fermée calculée en fonction d'une erreur (εpRc) entre la consigne de rapport de compression (PRc,sp) et la mesure de rapport de compression (PRc,m) par un second module contrôleur
(27) .
6. Procédé selon la revendication 5, où la détermination de la consigne de position (αsp,oi) en boucle ouverte comprend les étapes de :
- détermination d'une consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte en fonction de la consigne de rapport de compression (PRc,sp) par un module de pré positionnement (26),
- détermination d'une consigne de position (αsp,oi) en boucle ouverte en fonction de la consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouvert ainsi déterminée en utilisant un modèle d'actionneur inverse (28).
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, où la consigne de position (αsp) est finalement saturée, selon la formule : α¥|JΛ =min(αψ,αψmax), où αsp,sat est la consigne de position après saturation, αsp est la consigne de position avant saturation, αSp,maχ est une consigne de position maximale.
8. Procédé selon la revendication 7, où la consigne de position (αsp,max) maximale est déterminée en fonction du taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte en utilisant un modèle d'actionneur inverse (31).
9. Procédé, selon la revendication 8, où la consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte est, préalablement à l'application du modèle d'actionneur inverse (31) pour déterminer la consigne de position maximale αsp,max, saturée en fonction d'une pression maximale (Pdt,maχ) autorisée en aval de la turbine (2, 12), selon la formule :
PRt,sP,sat est la consigne de taux de détente après saturation, PRt, sp est la consigne de taux de détente avant saturation, Pdt est la pression en aval de la turbine (2, 12),
Pdt,maχ est la pression maximale acceptable en aval de la turbine (2, 12), la valeur de consigne du taux de détente saturée (PRt,sP,sat) remplaçant pour la suite la valeur initiale de consigne du taux de détente en boucle ouverte (PRt,sp,oi) •
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 6 à 9, où le module de pré positionnement (21, 26) comprend les étapes suivantes : - détermination d'une mesure de débit corrigé (Wc,m,cor) d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13) en fonction d'une mesure de débit (Wc,m) d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13) , selon la formule
Wc,m, cor est la mesure de débit corrigé d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13) , Wc,m est la mesure de débit d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13) ,
Tuc est une température en amont du compresseur (3, 13) , Puc est une pression en amont du compresseur (3, 13) , Tc,ref est une température de référence du compresseur (3, 13),
Pc,ref est une pression de référence du compresseur (3, 13) ,
- détermination d'une consigne de régime corrigé (Nsp,Corc) relativement au compresseur (3, 13), au moyen d'une fonction (fl) du rapport de compression (PRC) et du débit corrigé (Wc, cor) d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13), ladite fonction (fl) étant définie par une cartographie à deux dimensions,
- détermination d'une consigne de régime (Nsp) en fonction de la consigne de régime corrigé (Nsp,Corc) relativement au compresseur ( 3 , 13 ) selon la formule : Nψ = Nψ corc I P —r if£— , où
V TCjef
Nsp est la consigne de régime du turbocompresseur (1, 11), Nsp,corc est la consigne de régime corrigé relativement au compresseur (3, 13) du turbocompresseur (1, 11), Tuc est la température en amont du compresseur (3, 13) , Tc,ref est la température de référence du compresseur (3, 13) , calcul d'un rendement (ηc) du compresseur (3, 13) en fonction de la consigne de régime corrigé (Nsp,Corc) relativement au compresseur (3, 13) du turbocompresseur (1, 11) et de la consigne de débit corrigé (Wc,Sp,cor) d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13), au moyen d'une fonction (f2) de la consigne de régime corrigé (Nsp,Corc) relativement au compresseur (3, 13) du turbocompresseur (1, 11) et de la consigne de débit corrigé (Wc,Sp,cor) d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13), ladite fonction (f2) étant définie par une cartographie à deux dimensions ,
- calcul d ' une consigne de puissance (Hc, sp) compresseur selon
la formule : H c sp = Wc>mCpc ~ T11, PRc±,sp -i OU η£
Hr. sp est la consigne de puissance du compresseur (3, 13] Wc,m est la mesure de débit d'air d'admission (5) au travers du compresseur (3, 13) , ηc est le rendement du compresseur (3, 13) , Tuc est la température en amont du compresseur (3, 13) ,
PRc, sp est la consigne de rapport de compression du compresseur (3, 13) ,
Cpc est une première constante thermodynamique de l'air d' admission (5) , γc est une seconde constante thermodynamique de l'air d' admission (5) , - calcul d'une consigne de puissance (Ht,sp) turbine selon la formule H, „ = Hc,sp OU
Ht, sp est la consigne de puissance de la turbine (2, 12),
H, sp est la consigne de puissance du compresseur (3, 13) ,
- détermination d'une consigne de régime corrigé (Nsp,cort) relativement à la turbine (2, 12) en fonction de la consigne de régime (Nsp) selon la formule : Nsp,coorrtt = N OU
Nsp est la consigne de régime du turbocompresseur (1, 11),
Nsp,cort est la consigne de régime corrigé relativement à la turbine (2, 12) du turbocompresseur (1, 11), Tut est une température en amont de la turbine (2, 12),
Tt,ref est une température de référence de la turbine (2, 12), calcul de la consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte selon la formule :
PR = F -1 >κ sp,cort OU PRt,sp,oi est le taux de détente en boucle ouverte de la turbine (2, 12) , Ht,Sp est la consigne de puissance de la turbine (2, 12), Nsp,cort est la consigne de régime corrigé relativement à la turbine (2, 12) du turbocompresseur (1, 11), et F une fonction définie par une cartographie à deux dimensions et obtenue par inversion de l'équation suivante :
Ht, Sp est la consigne de puissance de la turbine (2, 12), PRt,sp,oi est le taux de détente en boucle ouverte de la turbine (2, 12), Cpt est une première constante thermodynamique du gaz d'échappement (7),
Yt est une seconde constante thermodynamique du gaz d'échappement (7), ηt est un rendement de la turbine (2, 12) pouvant être exprimé au moyen d'une fonction (f3) de la consigne de régime corrigé (Nsp,cort) relativement à la turbine (2, 12) du turbocompresseur (1, 11) et de la consigne de taux de détente (PRt,sp,oi) en boucle ouverte, ladite fonction (f3) étant définie par une cartographie à deux dimensions, Wt, sp est une consigne de débit de gaz d'échappement (7) au travers de la turbine (2, 12) déterminée par la formule
Wt, Sp est une consigne de débit de gaz d'échappement (7) au travers de la turbine (2, 12), Wt,sP,cor est une consigne de débit corrigé de gaz d'échappement (7) au travers de la turbine (2, 12) pouvant être exprimée au moyen d'une fonction (f4) de la consigne de régime corrigé (Nsp,cort) relativement à la turbine (2, 12) du turbocompresseur (1, 11) et de la consigne de taux de détente (PRt,sP,oi) en boucle ouverte, ladite fonction (f4) étant définie par une cartographie à deux dimensions, Tut est une température en amont de la turbine (2, 12), Tt, ref est une température de référence de la turbine (2, 12), Pdt est une pression en aval de la turbine (2, 12), Pt,ref est une pression de référence de la turbine (2, 12) .
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, où le premier module contrôleur (22), respectivement le second module contrôleur (27), est un régulateur (22, 27) configuré de manière à annuler ladite erreur (εPRC) •
12. Procédé selon la revendication 11, où le régulateur (22, 27) utilise des règles de logique floue.
13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, où le régulateur (22, 27) comprend un module Proportionnel Intégral Dérivé, PID.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 et 6 à 13, où l'actionneur de by-pass (15, 16) de la turbine
(2, 12) est modélisé par une équation de Barré Saint Venant, p selon la formule Wact = Sact -^=ψ(PR) , où
PR désigne la grandeur d'entrée soit respectivement : PRt, sp la consigne de taux de détente,
PRt,sp,oi la consigne de taux de détente en boucle ouverte,
PRt,sp,oi,sat la consigne de taux de détente en boucle ouverte saturée, Wact est un débit au travers de l'actionneur (15, 16), Sact est une section de l'actionneur (15, 16), Pdt est une pression en aval de la turbine (2, 12), Tdt est une température en aval de la turbine (2, 12), ψ une fonction de la variable X, définie par
Yt est une première constante thermodynamique du gaz d'échappement (7), égale à 1,4,
R est la constante des gaz, égale à 287 J/kg/K.
15. Procédé de détermination selon la revendication 14, où le débit (Wact) au travers de 1 ' actionneur (15, 16) est déterminé selon la formule Wact =Wcm-Wtsp , où
Wc,m est une mesure du débit au travers du compresseur (3, 13), Wt, Sp est une consigne de débit au travers de la turbine (2, 12) .
16. Procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 14 à 15, où ladite section (Sact) de l' actionneur (15, 16) est cartographiée en fonction de la consigne de position (αsp) dudit actionneur (15, 16) et de la consigne de taux de détente (PRt,sp) .
17. Procédé, pour un dispositif de suralimentation double à géométrie fixe d'un moteur thermique (4), comprenant : un premier turbocompresseur (1) haute pression comprenant une turbine (2) haute pression entraînée par les gaz d'échappement (7) issus dudit moteur thermique (4), un compresseur (3) haute pression entraîné en rotation par la turbine (2) haute pression afin de comprimer l'air d'admission (5) injecté dans le moteur thermique (4), et un actionneur de by-pass (15) haute pression de la turbine (2) haute pression permettant de commander un débit d'air (Wact,Hp) ne traversant pas la turbine (2) haute pression, - un second turbocompresseur (11) basse pression comprenant une turbine (12) basse pression entraînée par les gaz d'échappement (7) issus dudit moteur thermique (4) via la turbine (2) haute pression ou 1 ' actionneur de by-pass (15) haute pression, un compresseur (13) basse pression entraîné en rotation par la turbine (12) basse pression afin de comprimer l'air d'admission (5) injecté dans le moteur thermique (4) via le compresseur (3) haute pression, et un actionneur de by-pass (16) basse pression de la turbine (12) basse pression permettant de commander un débit d'air (Wact,Bp) ne traversant pas la turbine (12) basse pression, et
- une vanne de by-pass (14) du compresseur (3) haute pression permettant sélectivement de by-passer le compresseur
(3) haute pression afin de relier en direct le compresseur basse pression (13) au moteur (4), de détermination d'une consigne (cxst,Hp) de commande de l'actionneur de by-pass (15) haute pression et d'une consigne
(cxst,Bp) de commande de l'actionneur de by-pass (16) basse pression en fonction d'une consigne de rapport de pression
(PRC,SP,HP) haute pression, d'une consigne de rapport de pression (PRc,sp,Bp) basse pression, d'une mesure de rapport de pression (PRc,m,Hp) haute pression, d'une mesure de rapport de pression (PRc,m,Bp) basse pression, d'une mesure du débit (Wc,m) d'air au travers des compresseurs (3) haute pression et (13) basse pression, des mesures de pression (Pdt,Hp) et (Pdt,Bp) en aval respectivement de la turbine haute pression (2) et de la turbine basse pression (12), des mesures de pression (Pdc,Hp) et (Pdc,BP) en aval respectivement du compresseur haute pression (3) et du compresseur basse pression (13), des mesures de température (Tut,Hp) et (Tut,Bp) en amont respectivement de la turbine haute pression (2) et de la turbine basse pression (12), et des mesures de température
(Tuc,Hp)et (Tuc,Bp) en amont respectivement du compresseur haute pression (3) et du compresseur basse pression (13), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- sélection au moyen d'un gestionnaire (19) d'un actionneur de by-pass à commander parmi l'actionneur de by-pass (15) haute pression et l'actionneur de by-pass (16) basse pression,
- détermination en conséquence d'une consigne de position
(αsp,Hp) de l'actionneur de by-pass (15) haute pression en fonction d'une consigne de rapport de compression (PRc,sp,Hp) haute pression et d'une mesure de rapport de compression (PRc,m,Hp) haute pression, ou d'une consigne de position
(αsp,Bp) de l'actionneur de by-pass (16) basse pression en fonction d'une consigne de rapport de compression (PRc,sp,Bp) basse pression et d'une mesure de rapport de compression
(PRc,m,Bp) basse pression, selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 16.
18. Procédé, selon la revendication 17, où l'étape de sélection est effectuée par le gestionnaire (19) selon les règles suivantes :
1 ' actionneur de by-pass (15) haute pression est piloté lorsque le régime (RM) du moteur (4) est inférieur à un seuil, la vanne de by-pass (14) du compresseur (3) haute pression étant commandée fermée et l' actionneur de by-pass
(16) basse pression étant commandé fermé,
- l'actionneur de by-pass (16) basse pression, est piloté lorsque le régime (RM) du moteur (4) est supérieur à un seuil, la vanne de by-pass (14) du compresseur (3) haute pression étant commandée ouverte et l'actionneur de by-pass (15) haute pression étant commandé ouvert.
19. Procédé, selon la revendication 18, où le seuil de régime (RM) du moteur (4) est égal à 2750 tr/mn. .
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| Date | Code | Title | Description |
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| PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
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| 17P | Request for examination filed |
Effective date: 20110927 |
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| RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: GUINOIS, ARNAUD Inventor name: FONTVIEILLE, LAURENT Inventor name: MOULIN, PHILIPPE Inventor name: GRONDIN, OLIVIER |
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| DAX | Request for extension of the european patent (deleted) | ||
| GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
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