FR2821890A1 - Procede et dispositif pour determiner la temperature de sortie des gaz d'echappement de la turbine d'un turbocompresseur de vehicule automobile - Google Patents

Procede et dispositif pour determiner la temperature de sortie des gaz d'echappement de la turbine d'un turbocompresseur de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

Procédé et dispositif pour déterminer d'une manière simple la température de sortie des gaz de la turbine (2) d'un turbocompresseur de suralimentation d'un véhicule automobile, en particulier pour la commande du traitement des gaz d'échappement dans le véhicule.La température de sortie de gaz est déterminée à partir de la vitesse de rotation de la turbine (2) et de la température d'entrée des gaz dans la turbine (2), en particulier avec utilisation d'un champ caractéristique de rendement de turbine.

Description

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Procédé et dispositif pour déterminer la température de sortie des gaz d'échappement de la turbine d'un turbocompresseur de véhicule automobile.
La présente invention se rapporte à un procédé ainsi qu'à un dispositif pour déterminer la température de sortie des gaz d'échappement de la turbine du turbocompresseur de suralimentation d'un véhicule automobile, c'est-à-dire la température des gaz en aval de la turbine du turbocompresseur.
Les turbocompresseurs de suralimentation à entraînement par les gaz d'échappement sont utilisés sur les moteurs de voitures, les moteurs de véhicules utilitaires et les moteurs industriels, par exemple pour la propulsion de navires et de locomotives. Le turbocompresseur se compose de deux machines à fluide, à savoir d'une turbine et d'un compresseur qui sont disposés sur un arbre commun dit arbre de turbocompresseur . La turbine utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement du moteur pour l'entraînement du compresseur, lequel aspire de l'air frais et refoule l'air pré-comprimé dans les cylindres ou les chambres de combustion du moteur à combustion. Le turbocompresseur n'est couplé avec le moteur à combustion par le flux des masses d'air et de gaz d'échappement. La vitesse de rotation du turbocompresseur ne dépend pas de la vitesse de rotation du moteur, mais de l'équilibre de puissance entre la turbine et le compresseur.
À l'aide des systèmes connus de gestion de moteur, il n'est pas possible de déterminer la température en aval de la turbine, c'est-àdire la température de sortie des gaz de la turbine. La température de sortie des gaz de la turbine peut cependant être exploitée d'une manière avantageuse pour le traitement des gaz d'échappement dans le véhicule automobile. En principe, il est possible de mesurer la température des gaz d'échappement en aval de la turbine à l'aide de capteurs de température spéciaux. Cela nécessite cependant l'utilisation de capteurs de température extrêmement onéreux.
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Le but de la présente invention est de fournir un procédé ainsi qu'un dispositif pour déterminer la température de sortie des gaz de la turbine du turbocompresseur de suralimentation d'un véhicule automobile, d'une manière simple et sans utilisation de capteurs de température séparés.
Ce résultat est obtenu, selon l'invention, dans le cas d'un turbocompresseur de suralimentation dans lequel les gaz d'échappement sont amenés à la turbine avec une température d'entrée de gaz déterminée et sortent de la turbine avec un température de sortie de gaz déterminée, par un procédé suivant lequel la température de sortie des gaz de la turbine est déterminée à partir de la vitesse de rotation de la turbine et de la température d'entrée des gaz dans la turbine, et par un dispositif qui comprend un dispositif de commande pour déterminer la température de sortie des gaz de la turbine à partir de la vitesse de rotation de la turbine et de la température d'entrée des gaz dans la turbine.
Suivant la présente invention, il est donc proposé, pour déterminer la température de sortie des gaz de la turbine d'un turbocompresseur de suralimentation, d'utiliser des valeurs de mesures ou informations qui sont généralement disponibles dans le cas d'un système moderne de gestion de moteur et qui sont déterminées au niveau de la turbine du turbocompresseur de suralimentation et sont traités dans l'appareil de commande du système de gestion de moteur.
Il est prévu d'utiliser en particulier la vitesse de rotation de la turbine ou du turbocompresseur de suralimentation et la température d'entrée des gaz dans la turbine pour déterminer la température de sortie des gaz de la turbine, c'est-à-dire la température des gaz en aval de la turbine. Par la température de sortie des gaz de la turbine, on dispose ainsi d'une information supplémentaire sur l'état des gaz en amont des différents systèmes de traitement des gaz d'échappement du véhicule automobile équipé, de sorte que cette information supplémentaire concernant la température de sortie des gaz de la turbine peut être utilisée d'une manière avantageuse pour le traitement des gaz d'échappement.
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Pour déterminer la température de sortie des gaz de la turbine du turbocompresseur de suralimentation, on peut de préférence utiliser un champ caractéristique de rendement de la turbine, pour pouvoir calculer, en fonction de la position instantanée des ailettes de la turbine et d'un coefficient de rotation spécial de la turbine, le rendement instantanément valable de la turbine. Le coefficient de rotation de la turbine (ou coefficient de rotation rapide) est de préférence déterminé à partir de la vitesse de rotation standard ou normée de la turbine. La température de sortie des gaz de la turbine peut alors être calculée à l'aide de la température d'entrée des gaz dans la turbine, du rendement de la turbine et d'une baisse ou chute de température isentropique (non normée), cela en particulier en utilisant
Figure img00030001

l'équation suivante : (1) TAPU = ÏASA-TiT'ATys où T APU désigne la température de sortie des gaz de la turbine ou la température d'une installation de traitement de gaz (APU) montée en aval de la turbine du turbocompresseur de suralimentation, TASA la température d'entrée des gaz dans la turbine ou la température d'un collecteur de gaz d'échappement (ASA) monté en amont de la turbine, T le rendement de la turbine et AST. is la baisse de température isentropique non normée de la turbine, cette baisse pouvant être déterminée en particulier à partir de la température d'entrée des gaz dans la turbine et du rapport (rapport de détente) entre les pression de gaz en amont et en aval de la turbine, compte tenu de l'exposant isentropique respectif.
Le calcul du rendement de la turbine s'effectue de préférence à l'aide d'un polynome de second degré en fonction du coefficient de rotation de la turbine. Les coefficients du polynome de second degré sont de préférence représentés également par des polynoms de second degré en fonction de la trajectoire des ailettes de la turbine.
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En se référant aux dessins annexés, on va décrire ci-après l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation préféré de l'invention ; sur les dessins : la figure 1 représente sous forme simplifiée un simulateur en temps réel pour simuler l'écoulement des gaz dans un véhicule automobile ; la figure 2 est un schéma illustrant le calcul de la température de sortie des gaz d'une turbine de turbocompresseur de suralimentation selon la figure 1, par un appareil de commande également représenté sur la figure 1, à l'aide d'un champ caractéristique de rendement de turbine ; et la figure 3 illustre la variation du rendement de la turbine en fonction d'un coefficient de rotation de turbine, pour cinq positions différentes des ailettes de la turbine.
Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion 1 comportant quatre chambres de combustion ou cylindres. Le moteur à combustion 1 est couplé avec un turbocompresseur de suralimentation (ATL) qui comprend une turbine 2 et un compresseur 7, la turbine 2 et le compresseur 7 étant disposés sur un arbre commun dit arbre de turbocompresseur 14. La turbine 2 utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement du moteur à combustion 1, pour l'entraînement du compresseur 2 qui aspire de l'air frais par un filtre à air 6 et refoule l'air pré-comprimé dans les différents cylindres du moteur 1. Le turbocompresseur de suralimentation formé par la turbine 2, le compresseur 7 et l'arbre de turbocompresseur 14 est couplé avec le moteur à combustion 1 uniquement par le flux des masses d'air et de gaz d'échappement.
L'air aspiré en passant par le filtre à air 6 est pré-comprimé par le compresseur 7 et amené à un volume dit équivalent (ERS) 9 en passant par un refroidisseur d'air de suralimentation (LLK) 8 qui réduit les sollicitations thermiques du moteur à combustion 1, la température des gaz d'échappement et donc l'émission de NOX ainsi que la consommation de carburant. Un collecteur d'admission (ELS)
10 se trouve en amont des différentes chambres de combustion du
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moteur 1. Les gaz d'échappement produits dans les chambres de combustion du moteur 1 sont recueillis dans un collecteur de gaz d'échappement (ASA) 11 et amenés à la turbine 2. La turbine 2 est suivie, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, par l'installation de traitement de gaz d'échappement (APU) 12 du véhicule automobile, qui décompose les polluants contenus dans les gaz d'échappement produits lors du fonctionnement du moteur 1 et évacue avec le moins de bruit possible les gaz d'échappement restants. Une partie des gaz d'échappement produits dans les chambres de combustion du moteur 1 est ramenée du collecteur de gaz d'échappement 11 au collecteur d'admission 10 en passant par un système de recyclage de gaz d'échappement (AGR) 12. La référence 13 désigne des soupapes disposées dans les trajets d'air et de gaz.
On reconnaît par ailleurs sur la figure 1 un appareil de commande 4 qui fait partie d'un système de gestion du moteur du véhicule automobile. L'appareil de commande 4 surveille différentes grandeurs ou paramètres du système représenté, qui sont déterminés à l'aide de capteurs appropriés et sont amenés à l'appareil de commande 6 en passant par une interface 3. Il peut s'agir par exemple de la quantité d'air frais aspiré par le filtre à air 4 à l'aide du compresseur 7, de la température de l'air dans le volume équivalent 9 ou de la pression correspondante de l'air, ou également de la température des gaz d'échappement dans le collecteur de gaz d'échappement 11, qui correspond à la température d'entrée des gaz dans la turbine 2 et de la vitesse de rotation de la turbine ou de l'arbre du turbocompresseur.
Les grandeurs de mesures ainsi appliquées à l'appareil de commande 4 sont exploitées pour produire les différents signaux de réglage pour le système de gestion du moteur. Comme représenté sur la figure 1, les signaux de réglage émis par l'appareil de commande 4 en passant par l'interface 3 peuvent par exemple commander le rapport cyclique de la soupape 13 disposée dans le système de recyclage de gaz d'échappement 12, le système d'orientation des ailettes de distribution
15 de la turbine 2 ou également l'instant d'injection ainsi que le débit d'injection du mélange air-carburant injecté dans les différentes
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chambres de combustion du moteur 1 en passant par un système d'injection 5.
Comme décrit plus en détails ci-après, l'appareil de commande 4 est en mesure de déterminer, à partir de certaines grandeurs mesurées, qui sont de toutes manières disponibles avec les systèmes connus de gestion de moteur, la température de sortie des gaz de la turbine 2, c'est-à-dire la température en aval de la turbine 2, cette température pouvant être utilisée d'une manière avantageuse pour le traitement ultérieur des gaz d'échappement.
À cet effet, la vitesse de rotation de la turbine ou la vitesse de rotation du turbocompresseur de suralimentation ou de l'arbre de
Figure img00060001

turbocompresseur 14 est d'abord normée ou standardisée comme suit :
Figure img00060002

. J873K (2) nT=nATL\-ASA
Figure img00060003

On utilise à cet effet une température de référence déterminée, en particulier une température mesurée sur la turbine 2, en 0 l'occurrence 873 K pour le cas présent. Dans la formule (2), nT désigne la vitesse de rotation normée de la turbine, nATL la vitesse de rotation du turbocompresseur de suralimentation ou de l'arbre de turbocompresseur 14 ou de la turbine 2 et TASA la température des gaz d'échappement dans le collecteur de gaz d'échappement 11, c'est-àdire la température d'entrée des gaz dans la turbine 2.
À partir de la vitesse de rotation normée de la turbine, il est possible de calculer comme suit une vitesse circonférentielle réduite
Figure img00060004

(normée) de la turbine :
Figure img00060005

. 1t..
(3) UT=go'n-)"rT=coT'rT 30
Figure img00060006

0 Dans cette formule, UT et roT désignent la vitesse circonférentielle et la vitesse angulaire de la turbine 2 et rT le rayon de
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Figure img00070001

la turbine 2. D'une manière générale, la vitesse circonférentielle réduite u ; peut être obtenue par multiplication du produit nut-rot avec
Figure img00070002

une constante k (dans le cas présent k=L) 30
Figure img00070003

Si l'on utilise, en tant que grandeur intermédiaire, la baisse de température réduite dite isentropique ATi,,, il est possible de déterminer à partir de là la vitesse idéale des gaz. La baisse de température réduite isentropique est définie comme suit :
Figure img00070004

I-K (4) A =T,. 1-nT" y
Figure img00070005

Dans cette formule : - T. désigne la température ambiante, - nut désigne le rapport (rapport de détente) entre la pression en amont de la turbine 2 et la pression en aval de la turbine 2, défini comme suit :
Figure img00070006

(5) nï= PAPU
Figure img00070007

PASA désignant la pression de gaz dans le collecteur de gaz d'échappement 11, c'est-à-dire la pression de gaz en amont de la turbine 2, et PAPU désignant la pression de gaz dans l'installation de traitement de gaz d'échappement 12, c'est-à-dire la pression de gaz en aval de la turbine 2 ; et - x désigne l'exposant isentropique qui présente la valeur de 1, 37 pour de l'air.
À partir de la baisse de température réduite isentropique donnée ci-dessus, il est possible de calculer comme suit la vitesse idéale des gaz c's :
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Figure img00080001

(6) cs=-cp-AT. s
Figure img00080002

Dans cette formule, cp désigne la capacité thermique spécifique de la turbine 2.
À partir de la vitesse ciconférentielle de la turbine, calculée selon la formule (3) et de la vitesse idéale des gaz calculée selon la formule (6), il est possible de déterminer un coefficient de rotation de
Figure img00080003

turbine rc comme suit :
Figure img00080004

UT (7) ruf=4 Cs
Figure img00080005

Ce coefficient de rotation de turbine rc est utilisé par l'appareil de commande 4 pour déterminer le rendement de turbine momentane nu qui est une fonction du coefficient de rotation de turbine rc ainsi que de la position s des ailettes de la turbine 2. Par conséquent : (8) iiT=f (s, ruc)-
En utilisant une baisse de température isentropique non normée de la turbine 2, il est possible, à partir de la température d'entrée des gaz dans la turbine 2, c'est-à-dire de la température des gaz TASA dans le collecteur de gaz d'échappement 11, et du rendement de turbine IJT, de déterminer la température de sortie des gaz de la turbine 2, c'est-àdire la température des gaz dans l'installation de traitement de gaz d'échappement 12, comme suit
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Figure img00090001

(9) TAPU = TASA-TiT'TT. ist
Figure img00090002

Dans cette formule, la baisse de température isentropique non normée, AT T is s par rapport à la température d'entrée de gaz (TASA) de la turbine 2, est définie comme suit :
Figure img00090003

(10) ATT. is-TASA- 1-nT"
Figure img00090004

La fonction précédemment décrite de l'appareil de commande 4 pour déterminer la température de sortie de gaz T APU est représentée sous forme simplifiée sur la figure 2, sur laquelle sont indiquées les grandeurs d'entrée qui, avec utilisation du rendement de turbine nu disponible sous la forme d'un champ caractéristique de rendement de turbine en fonction de la position s des ailettes et du coefficient de rotation rc de la turbine, sont converties en grandeur de sortie TAPU. A ce sujet, il convient de remarquer en particulier que la température de
Figure img00090005

sortie de gaz T APU ou la variation de température de la turbine 2 est déterminée à partir de la température d'entrée de gaz TASA de la turbine 2 et de la vitesse de rotation nATL de la turbine ou du turbocompresseur de suralimentation. Selon l'invention, la température de sortie des gaz de la turbine 2 est donc déterminée à partir de valeurs de mesures qui sont de toutes manières détectées dans la zone de la turbine 2 du turbocompresseur de suralimentation et sont traitées par l'appareil de commande 4.
Pour le calcul du rendement de turbine #T, on utilise un polynome
Figure img00090006

de second degré en fonction du coefficient de rotation de turbine r :
Figure img00090007

(11)T)T=ao+ai-ruc+a2'ruc, avec s = const.
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Le résultat de ce calcul est représenté sur la figure 3 pour plusieurs positions d'ailettes s. La figure 3 montre que la position s des ailettes a une influence décisive à cet effet. La vitesse de rotation de la turbine intervient déjà dans la modélisation précédemment décrite en passant
Figure img00100001

6 par la vitesse circonférentielle réduite uT.
Il n'est donc pas nécessaire de décrire les coefficients du polynome selon l'équation (11) en fonction de la vitesse de rotation de la turbine. Les coefficients du polynome selon l'équation (11) peuvent également être formés par des polynoms de second, degré en fonction de la position des ailettes ou de la trajectoire des ailettes s, comme suit :
Figure img00100002

(12) aj=bo) +bi,-s+b2i-s.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour déterminer la température de sortie des gaz d'échappement de la turbine d'un turbocompresseur de suralimentation de véhicule automobile, les gaz d'échappement étant amenés à la turbine
Figure img00110003
(2) avec une température d'entrée de gaz (ASA) déterminée et quittant la turbine (2) avec une température de sortie de gaz (TAU) déterminée, caractérisé par le fait que la température de sortie des gaz (TAU) de la turbine est déterminée à partir de la vitesse de rotation (nATL) de la turbine et de la température d'entrée (TASA) des gaz dans la turbine (2).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le rendement de turbine (T) est déterminé à partir de la vitesse de rotation de turbine (nATL) ainsi que d'une baisse de température réduite isentropique de la turbine (2) et que la température de sortie (TAPU) des
Figure img00110004
gaz de la turbine (2) est déterminée à partir du rendement de turbine (il T) ainsi que de la température d'entrée (TASA) des gaz de la turbine (2).
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le rendement de turbine (T) est déterminé en fonction de la position (s) des ailettes de la turbine (2) ainsi que d'un coefficient de rotation de turbine, à l'aide d'un champ caractéristique de rendement de turbine.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le coefficient de rotation de la turbine est déterminé à partir de la vitesse de rotation (nATL) de la turbine.
5. Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le rendement de turbine (T) est obtenu à l'aide d'un polynome de second degré en fonction du coefficient de rotation de la turbine.
6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le coefficients du polynome de second degré sont formés par des polynoms de second degré en fonction de la position (s) des ailettes de la turbine (2).
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que le coefficient de rotation de turbine (rue) est déterminé comme suit :
<Desc/Clms Page number 12>
Figure img00120001
r*- u., Cs
Figure img00120002
où u ; désigne une vitesse circonférentielle de la turbine (2), obtenue à partir de la vitesse de rotation de la turbine (2), et c : une vitesse de gaz de la turbine (2), obtenue à partir de la baisse de température réduite isentropique.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour la détermination de la température de sortie (TAPU) des gaz de la turbine (2), la vitesse de rotation (nALT) de la turbine (2) est normée en fonction de la température d'entrée (TASA) des gaz dans la turbine (2), en relation avec une température de référence déterminée.
9. Procédé suivant les revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que la vitesse circonférentielle u de la turbine 2 est déterminée à partir de la vitesse de rotation normée de la turbine (2), suivant la formule
Figure img00120003
u=k-n-rT, T où n ; désigne la vitesse de rotation normée de la turbine (2), rT le rayon de la turbine (2) et k une constante.
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé par le fait que la baisse de température réduire isentropique est déterminée à partir de la température ambiante de la turbine (2), d'un rapport entre la pression de gaz en amont de la turbine (2) et de la pression de gaz en aval de la turbine (2), ainsi que d'un exposant isentropique.
Il. Procédé suivant les revendications 7 et 10, caractérisé par le fait que
<Desc/Clms Page number 13>
Figure img00130001
- la baisse de température réduite isentropique ATI, est déterminée à partir de la température ambiante'To de la turbine (2), de l'exposant isentropique K et du rapport de pression rlt = PASA/PAPUX comme suit :
Figure img00130002
1-ic K AT. =T,. '}
Figure img00130003
1 OÙ PASA désigne la pression en amont de la. turbine (2) et PAPU la pression de gaz en aval de la turbine 2, et - la vitesse de gaz c dans la turbine (2) est déterminée à partir de la baisse de température isentropique comme suit : Cs=-j2-Cp'AT ! s. où cp désigne la capacité thermique spécifique de la turbine (2).
12. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé par le fait que la température de sortie T APU des gaz de la turbine (2) est déterminée comme suit à partir de la température d'entrée TASA des gaz dans la turbine (2) et du rendement (ist) de la turbine (2) : TAPU = TASA - ####TT, is, où #T. is désigne une baisse de température isentropique non normée de la turbine (2).
13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé par le fait que la baisse de température isentropique non normée ATT. is est
<Desc/Clms Page number 14>
déterminée à partir de la température d'entrée TASA des gaz dans la turbine (2) et d'un exposant isentropique K comme suit :
Figure img00140001
f ATT, is=TASA' 1-nT'1
Figure img00140002
où nT désigne le rapport entre la pression de gaz (PASA) en amont de la turbine (2) et la pression de gaz (PAPU) en aval de la turbine (2).
14. Dispositif pour déterminer la température de sortie des gaz d'échappement de la turbine d'un turbocompresseur de suralimentation de véhicule automobile, les gaz étant amenés à la turbine (2) avec une température d'entrée de gaz déterminée (TASA) et quittant la turbine (2) avec une température de sortie de gaz (TAU) déterminée, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de commande (4) pour
Figure img00140003
déterminer la température de sortie (TAU) des gaz de la turbine (2) à partir de la vitesse de rotation (nATL) de la turbine (2) et de la température d'entrée (ASA) des gaz de la turbine (2).
15. Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé par le fait que le dispositif de commande (4) est conçu pour déterminer la température de sortie (TAPU) des gaz de la turbine (2) suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
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