FR2907505A1 - Procede d'evaluation du debit de gaz fourni a un moteur par un compresseur, et groupe motopropulseur exploitant ce procede - Google Patents

Abstract

Ce procédé permet d'évaluer le débit massique MSA du gaz fourni par un compresseur à ondes de pression (2) pour alimenter en comburant un moteur à combustion interne (1), ce compresseur possédant, du côté admission, un port d'entrée (EA) d'air ambiant et un port de sortie (SA) par lequel le gaz comprimé part au moteur ; le procédé consiste à mesurer les pressions PEA et PSA régnant, respectivement, dans ces ports d'entrée (EA) et de sortie (SA), ainsi que le régime N du moteur (1), et à appliquer la formule suivante : a, b et c étant des constantes préalablement déterminées, qui dépendent des caractéristiques du groupe motopropulseur, le résultat de cette évaluation, qui ne nécessite pas le recours à un débitmètre, pouvant être exploité pour contrôler le bon fonctionnement du groupe motopropulseur.Industrie automobile

Description

La présente invention concerne un groupe motopropulseur, en particulier

pour véhicule automobile, comprenant un moteur à combustion interne suralimenté par un compresseur à ondes de pression. Elle a plus précisément pour objet un procédé d'évaluation du débit 5 massique du gaz qui est fourni par le compresseur à ondes de pression pour alimenter le moteur en comburant. Elle concerne aussi un procédé de contrôle et de gestion d'un groupe motopropulseur, ainsi que le groupe motopropulseur lui-même, qui exploitent ce procédé d'évaluation de débit. 10 La suralimentation d'un moteur à combustion interne consiste à l'alimenter au moyen d'un compresseur (ou turbocompresseur) avec de l'air qui est comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique, de manière à améliorer la puissance du moteur. Un compresseur à ondes de pression est un compresseur d'un type 15 particulier, susceptible de servir à la fois à la suralimentation d'un moteur et au traitement et à la recirculation des gaz d'échappement, ou EGR (Exhaust Gaz Recirculation). Cette recirculation a pour intérêt également de réduire l'émission globale des polluants, en particulier des NOx (oxydes d'azote), car certaines 20 particules nocives qui n'ont pas été brûlées au cours d'une première phase de combustion peuvent l'être au cours de la suivante. Les constructeurs cherchent à augmenter le plus possible le taux de ce recyclage, qui demeure néanmoins limité par la quantité totale du comburant gazeux, composé d'air et d'EGR, susceptible d'être introduite dans les cylindres du 25 moteur. Le travail consommé pour entraîner un compresseur à ondes de pression est relativement faible, et celui-ci est généralement entraîné par le moteur lui-même, par exemple par l'intermédiaire d'une transmission à poulies et courroie. Sur un compresseur à ondes de pression, la compression des gaz 30 d'admission a pour origine la génération d'une onde acoustique, alors que sur un turbocompresseur on utilise l'enthalpie des gaz d'échappement pour faire tourner les aubes de sa turbine. 2907505 2 Le document US 4 517 950, auquel on pourra se reporter au besoin, décrit la technique de suralimentation au moyen d'un compresseur à ondes de pression. Le compresseur à ondes de pression a donc pour intérêt d'assurer à la 5 fois la suralimentation du moteur et la recirculation des gaz d'échappement afin de réduire la pollution. Du côté admission (par rapport au moteur), un compresseur à ondes de pression possède un port d'entrée de l'air frais ambiant et un port de sortie par lequel le gaz comprimé part au moteur. 10 Du côté échappement (toujours par rapport au moteur), il possède un port d'entrée des gaz chauds issus du moteur et un port de sortie par lequel les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère. Sur un véhicule, et notamment un véhicule automobile moderne, le fonctionnement du moteur à combustion interne est contrôlé et commandé en 15 permanence, et en temps réel, au moyen d'un calculateur de manière à en optimiser les performances selon un programme prédéfini en fonction de nombreux paramètres physiques et chimiques détectés par différents capteurs. L'un des paramètres dont il est intéressant de connaître la valeur en vue de gérer de manière optimale le fonctionnement du moteur est le débit massique 20 du gaz qui est fourni au moteur par le compresseur à ondes de pression. Cette connaissance du débit est nécessaire pour connaître les quantités d'air admises et donc les quantités à injecter pour le contrôle de la puissance, du bruit et des émissions polluantes. Ce débit fait aussi partie des données pouvant servir au contrôle du 25 compresseur à ondes de pression. Un moyen susceptible d'être utilisé à cet effet est un débitmètre massique, monté dans le port de sortie, côté admission, du compresseur à ondes de pression. Malheureusement un tel capteur est relativement coûteux, ce qui va à 30 l'encontre des démarches d'abaissement des coûts auxquels s'attachent les fabricants. Une autre solution est de procéder à une série d'essais afin de remplir une ou plusieurs cartographies permettant ensuite d'estimer, en boucle ouverte, la valeur du débit massique sur le moteur en fonctionnement normal (sur un véhicule 35 de série). Toutefois cette méthode implique l'utilisation d'un logiciel volumineux et un nombre important de paramètres à régler lors de la mise au point du système. 2907505 3 En outre la durée du calcul est relativement grande, et le temps de réponse du calculateur exagérément élevé. L'invention vise à résoudre ces difficultés en proposant un procédé d'évaluation du débit massique du gaz qui est fourni au moteur à combustion interne par le compresseur à ondes de pression qui, tout en étant relativement précis, permette de faire usage de composants fiables et peu coûteux et permette au calculateur de travailler en temps réel, avec un logiciel peu volumineux et un temps de réponse faible. Le procédé de l'invention découle de la découverte que la valeur du débit massique que l'on recherche est le produit du rapport des pressions mesurées aux ports d'entrée et, respectivement, de sortie, côté admission, du compresseur à ondes de pression, avec un polynôme du second degré dont la variable est la vitesse du moteur. Une fois que les différentes constantes de ce polynôme, qui sont fonctions du compresseur à ondes de pression et du moteur auxquels on a affaire, ont été déterminées, il suffit par conséquent de mesurer, en temps réel chacune des deux pressions en question, ainsi que la vitesse de rotation du moteur, et de procéder à un calcul particulièrement simple, pour obtenir la valeur recherchée, qui est immédiatement exploitable par le calculateur.

Ce procédé permet donc de déterminer un débit sans utiliser de débitmètre (coûteux) et sans cartographie (dont l'impact est important sur l'encombrement logiciel). Plus précisément le procédé de l'invention est un procédé d'évaluation du débit massique du gaz qui est fourni par un compresseur à ondes de pression afin d'alimenter en comburant un moteur à combustion interne, ce compresseur possédant, du côté admission, un port d'entrée de l'air frais ambiant et un port de sortie par lequel le gaz comprimé part au moteur, et, du côté échappement, un port d'entrée des gaz chauds issus du moteur et un port de sortie par lequel les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère, selon lequel on mesure les pressions instantanées PEA et PSA régnant, du côté admission, respectivement, dans lesdits ports d'entrée et de sortie, ainsi que la vitesse N de rotation du moteur, et on applique la formule suivante : PSA MSA= x (a N2+bN+c), PEA 2907505 4 a, b et c étant des constantes préalablement déterminées, qui dépendent des caractéristiques de l'ensemble constitué par le groupe motopropulseur comprenant ledit moteur et ledit compresseur. Le résultat de cette évaluation, qui ne nécessite pas le recours à un 5 débitmètre, peut être ensuite exploité pour contrôler et/ou gérer le bon fonctionnement du groupe motopropulseur, notamment du compresseur à ondes de pression et/ou du moteur à combustion interne. L'invention a également pour objet un procédé de contrôle et de gestion d'un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne 10 suralimenté en gaz comburant par un compresseur à ondes de pression, au moyen d'un calculateur ; ce procédé est caractérisé par le fait qu'on utilise comme paramètres d'entrée du calculateur la valeur du débit massique du gaz fourni au moteur par le compresseur à ondes de pression afin de l'alimenter en comburant, après évaluation de cette valeur MSA par mise en oeuvre du procédé tel qu'exposé 15 ci-dessus. L'invention concerne également un groupe motopropulseur, notamment pour véhicule automobile, qui comprend un moteur à combustion interne suralimenté en gaz comburant par un compresseur à ondes de pression, ce compresseur possédant, du côté admission, un port d'entrée de l'air frais ambiant et 20 un port de sortie par lequel le gaz comprimé part au moteur, et, du côté échappement, un port d'entrée des gaz chauds issus du moteur et un port de sortie par lequel les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère. Conformément à l'invention, d'une part, il comporte des capteurs de pression aptes à mesurer les pressions instantanées PEA et PSA régnant, du côté 25 admission, respectivement, dans lesdits ports d'entrée et de sortie, ainsi qu'un capteur de vitesse apte à mesurer la vitesse N de rotation instantanée du moteur, et que, d'autre part, ces valeurs sont introduites dans un calculateur, ou un mini calculateur, qui calcule une estimation de la valeur du débit massique MSA du gaz fourni par le compresseur à ondes de pression au moteur en appliquant l'équation 30 suivante : MSA PSA x (a N2 + b N + c), PEA 2907505 5 a, b et c étant des constantes préalablement déterminées, qui dépendent des caractéristiques de l'ensemble constitué par le groupe motopropulseur comprenant ledit moteur et ledit compresseur. Avantageusement, ce groupe motopropulseur comporte un 5 calculateur adapté pour contrôler et gérer le fonctionnement du moteur en fonction d'un certain nombre de paramètres, et l'un de ces paramètres est justement cette valeur estimée du débit massique MSA du gaz fourni par le compresseur à ondes de pression au moteur. L'invention va maintenant être décrite en référence aux figures 10 annexées, dont la figure 1 représente schématiquement un groupe motopropulseur pour véhicule automobile, comprenant un moteur à combustion interne qui est suralimenté par un compresseur à ondes de pression et contrôlé par un calculateur, tandis que les figures 2, 3 et 4 sont des graphiques montrant la linéarité de la variation du débit massique MSA en fonction de PSA à trois régimes moteurs 15 différents, de valeur 4250 tr/mn, 3000 tr/mn et, respectivement, 2000 tr/mn. Le moteur 1 comporte un bloc moteur 10, par exemple à quatre cylindres, pourvu d'un collecteur d'admission 11 du gaz frais servant de comburant et d'un collecteur d'échappement 12 des gaz brûlés chauds. Le compresseur à ondes de pression 2 comporte, du côté admission 20 (par rapport au moteur 1) une paire de ports d'entrée EA et de sortie SA, sur lesquels sont branchés des conduits d'entrée d'air frais 20 et, respectivement, de sortie de gaz comprimés 21, gaz qui sont un mélange d'air et d'EGR. Du côté échappement (toujours par rapport au moteur 1), il comporte une paire de ports d'entrée EE et de sortie SE, sur lesquels sont branchés des 25 conduits 22 d'entrée des gaz brûlés issus du moteur et, respectivement, 23 d'évacuation dans l'atmosphère des gaz brûlés non réutilisés. Le conduit 20, qui porte un filtre à air 3, assure l'alimentation du compresseur à ondes de pression 2 en air frais ambiant, comme symbolisé par la flèche F.

30 Le conduit 21 est connecté au collecteur d'admission 11 du moteur, pour permettre le transfert du gaz comburant du compresseur à ondes de pression 2 au bloc moteur 10, comme symbolisé par la flèche G. Le collecteur d'échappement 12 du moteur est connecté au conduit 22 pour permettre le transfert des gaz brûlés par le moteur au compresseur à ondes 35 de pression 2, comme symbolisé par la flèche H.

2907505 6 La flèche I illustre l'évacuation des gaz brûlés par le conduit 23 hors du compresseur. Le fonctionnement du moteur 1 est contrôlé et géré par un calculateur 4, qui reçoit un certain nombre d'informations correspondant à des 5 paramètres p, qu'il traite selon un programme donné, après quoi il adresse des consignes au moteur, comme cela est schématiquement symbolisé par la flèche 40. La référence 8 désigne l'arbre de sortie du bloc moteur 10, solidaire de son vilebrequin, dont la rotation symbolisée par la flèche w, se fait à une vitesse instantanée donnée N.

10 Conformément à l'invention, on mesure les pressions instantanées PEA et PSA régnant dans les conduits 20 et 21, respectivement, au moyen de capteurs de pression classiques de type connu, référencés 5 et 6 respectivement. Les valeurs mesurées PEA et PSA sont transformées en signaux électriques et transmises comme paramètres d'entrée à un mini calculateur 9 via des 15 connexions filaires 50, 60 respectivement. De même, on mesure la vitesse instantanée de rotation de l'arbre 8 au moyen d'un capteur de vitesse conventionnel 7, et la valeur mesurée N est transformée en signal électrique et transmise comme paramètre d'entrée au mini calculateur 9 via une connexion filaire 70.

20 D'après les valeurs ainsi reçues, ce mini calculateur 9 évalue en permanence la valeur du débit massique MSA de gaz qui passe dans le conduit 21 pour alimenter le moteur 1, en appliquant l'équation mentionnée plus haut, et transmet cette valeur comme paramètre d'entrée au calculateur 9, qui en tient compte pour piloter le moteur.

25 Le mini calculateur 9 peut être un sous-programme du calculateur, et intégré dans celui-ci. Des comparaisons ont été effectuées entre le débit massique MSA estimé par l'équation de l'invention et calculé par modélisation, ceci à différents régimes du moteur (1250 et 3000 tr/mn) et à différentes températures des gaz issus 30 du moteur dans le port d'entrée EE du compresseur. La marge d'erreur est comprise entre -5 et + 5% environ, ce qui est acceptable dans la plupart des applications. De manière générale la méthodologie de détermination des coefficients a, b et c est identique pour un spécimen physique ou numérique. Il nous 35 faut déterminer trois inconnues, ce qui implique d'avoir trois équations du type : 5 10 2907505 7 msa = *(a*N2 +b*N+c) Ill faut modéliser au moins trois points de fonctionnements à trois régimes moteurs différents (N1, N2 et N3). Cela nous permet de déterminer le rapport msA /PSA pour trois régimes différents, respectivement : /mSA \ (M SA mSA \ \ PSA /1 \ PSA / 2 \ PSA Il reste ensuite à résoudre un système linéaire de trois équations à trois inconnues en utilisant une méthode matricielle par exemple. En effet il est possible de poser une équation du type A* X = B avec : A= B= a b X= C N; N, 1 NZ N2 1 N3 N3 1 ~ \ mSA PSA /2 ( mSA \ PSA i 3 15 20 Le déterminant de la matrice A étant non nulle, la matrice est réversible. Il en résulte l'équation suivante : X = A I B A partir de là le problème est résolu. De manière plus précise il est souhaitable de déterminer les valeurs : l /mSA \ mSA msA \PSA /1 APSA \PSA /3 Ceci pour plusieurs points d'essais (numériques ou expérimentaux) à 25 iso régime moteur en faisant varier la vitesse de rotation du compresseur à ondes de pression (COP) par exemple. Les coefficients sont alors obtenus par une simple régression linéaire.

5 2907505 8 Cette méthode est illustrée par l'exemple ci-dessous. Dans l'exemple qui suit, il s'agit d'un modèle numérique de COP de type dit CX83 (83 mm de longueur, 83 mm de diamètre) couplé à un moteur de 1,5 litre de cylindrée. Des variations de régime du COP ont été effectuées pour trois régimes moteur différents. Régime moteur 4250 tr/min Régime moteur 3000 tr/min Régime moteur 2000 tr/min régime COP msA PSA régime COP msA Psa régime COP msA PSA (tr/min) (gis) (bar) (tr/min) (g/s) (bar) (tr/min) (g/s) (bar) 5000 42.626 0.860726 5000 26.0789 0. 82973 5000 21.3109 0.822 5000 43.742 0.876791 5000 26.8432 0.84025 5000 22.0897 0.833 5000 42.636 0.86788 5000 27.3807 0.85751 5000 22.4156 0.866 5000 45.175 0.8865 5000 28.2683 0.88689 5000 23.4909 0.894 5000 46.303 0. 924756 5000 29.07 0.91096 5000 23.9223 0.92 5000 49.522 0.97807 5000 31.4649 0.96151 5000 25.5415 0.959 9000 81.822 1.55854 9000 36.7388 1.0889 9000 28.9902 1.047 9000 88.926 1.70663 9000 45.1973 1.34215 9000 33.2299 1.2 9000 103 1.98425 9000 61.2313 1.82081 9000 44.6548 1.61 9000 113.08 2.18316 9000 69.7417 2.0793 9000 51.0312 1.861 9000 115.16 2.26813 9000 72.1493 2.19385 9000 55.5269 2.029 9000 114.01 2.32015 9000 71.5927 2.25725 9000 55.2892 2.118 13000 105.66 2.01401 13000 60.3801 1.77941 13000 43.8996 1.598 13000 119.75 2.26692 13000 69.5275 2.00453 13000 51.2578 1.794 13000 132.45 2.52118 13000 76.5527 2.24332 13000 56.7085 1.998 13000 142.13 2.71704 13000 82.5531 2.44799 13000 63.1195 2.251 13000 152.33 2.92436 13000 87.8595 2.62226 13000 66.9272 2.427 13000 161.05 3.10024 13000 92.8761 2.78498 13000 71.2468 2.595 17000 99.308 2.03625 17000 47.5916 1.59127 17000 35.2705 1.429 17000 110.88 2.14138 17000 56.5299 1.68718 17000 38.9694 1.508 17000 125.04 2.35505 17000 66.1566 1.89802 17000 46.5344 1.618 17000 141.11 2.6677 17000 76.1656 2.18668 17000 53.5476 1.822 17000 154.57 2.94072 17000 85.9575 2.49495 17000 60. 08 2.087 17000 166.18 3.17509 17000 95.2113 2.81026 17000 66.5164 2.344 21000 68.717 1.44723 21000 36.7762 1.26452 21000 27.9692 1.196 21000 80.646 1.54081 21000 44.6232 1.34968 21000 33.2639 1.269 21000 95.117 1.76018 21000 52.2467 1.45254 21000 38.7421 1.325 21000 110.19 2.0547 21000 59.4104 1.60776 21000 41.3979 1.442 21000 125.82 2.36612 21000 66.3902 1.8605 21000 45.6719 1.583 21000 138.5 2.61251 21000 73.9815 2.09214 21000 52.5276 1.787 25000 52.38 1.11478 25000 29.9755 1.09757 25000 20.597 1. 128 25000 55.893 1.14857 25000 34.2778 1.12861 25000 25.7592 1.137 25000 61.252 1.20384 25000 37.3474 1.16765 25000 30.0218 1.155 25000 68.751 1.28382 25000 41.9591 1.22112 25000 32.7555 1.196 25000 82.244 1.51605 25000 48.4382 1.29979 25000 37.6794 1.255 25000 99.318 1.8363 25000 55.0571 1.43947 25000 42.9855 1.308 2907505 9 Les régressions linéaires donnant les rapports msA /PSA sont données par les graphiques faisant l'objet des figures 2, 3 et 4. Au régime moteur de 4250 tr/mn (Figure 2), l'équation de la droite msA = Fonction de PSA est la suivante : y = 52, 055 x. Le coefficient R2 de 5 détermination traduisant l'erreur faite lors de la régression linéaire par la méthode des moindres carrés a une valeur R2 = 0,9930. A noter que la corrélation est d'autant plus exacte que la valeur de R2 (qui est comprise entre 0 et 1) est proche de 1. Au régime moteur de 3000 tr/mn (Figure 3), on a : 10 y = 33,759 x et R2 = 0,9787. Enfin, au régime moteur de 2000 tr/mn (Figure 4), on a : y = 27, 591 x, et R2 = 0,9566. Enfin, l'application de la méthodologie précédemment décrite donne 15 les coefficients : a = 3, 76421 x 10 -6 b = - 0, 01265367 c = 37, 84186505

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'évaluation du débit massique MSA du gaz qui est fourni par un compresseur à ondes de pression afin d'alimenter en comburant un moteur à combustion interne, ce compresseur (2) possédant, du côté admission, un port d'entrée (EA) de l'air frais ambiant et un port de sortie (SA) par lequel le gaz comprimé part au moteur, et, du côté échappement, un port d'entrée (EE) des gaz chauds issus du moteur et un port de sortie (SE) par lequel les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère, selon lequel on mesure les pressions instantanées PEA et PSA régnant, du côté admission, respectivement, dans lesdits ports d'entrée (EA) et de sortie (SA), ainsi que la vitesse N de rotation du moteur (1), et qu'on applique la formule suivante : PSA MSA = x (a N2 + b N + c), PEA a, b et c étant des constantes préalablement déterminées, qui dépendent des caractéristiques de l'ensemble constitué par ledit moteur (1) et ledit compresseur (2).

2. Procédé de contrôle et de gestion d'un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne (1) suralimenté en gaz comburant par un compresseur à ondes de pression (2), au moyen d'un calculateur (4), caractérisé par le fait qu'on utilise comme paramètre d'entrée du calculateur (4), la valeur du débit massique MSA du gaz fourni au moteur (1) par le compresseur à ondes de pression (2) afin de l'alimenter en comburant, après évaluation de cette valeur MSA par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1.

3. Groupe motopropulseur, notamment pour véhicule automobile, qui comprend un moteur à combustion interne (1) suralimenté en gaz comburant par un compresseur à ondes de pression (2), ce dernier possédant, du côté admission, un port d'entrée (EA) de l'air frais ambiant et un port de sortie (SA) par lequel le gaz comprimé part au moteur, et, du côté échappement, un port d'entrée (EE) des gaz chauds issus du moteur et un port de sortie (SE) par lequel les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère, caractérisé par le fait que, d'une part, il comporte, des capteurs de pression (5,6) aptes à mesurer les pressions instantanées PEA et PSA régnant, du côté admission, respectivement, dans lesdits ports d'entrée (EA) et de 2907505 11 sortie (SA), ainsi qu'un capteur de vitesse (7) apte à mesurer la vitesse N de rotation instantanée du moteur (1), et que, d'autre part, ces valeurs sont introduites dans un calculateur, ou un mini calculateur (9), qui calcule une estimation de la valeur du débit massique MsA du gaz fourni par le compresseur à ondes de pression (2) au 5 moteur (1) en appliquant l'équation suivante : PsA MSA = x (a N2+bN+c), PEA a, b et c étant des constantes préalablement déterminées, qui 10 dépendent des caractéristiques de l'ensemble constitué par ledit moteur (1) et ledit compresseur (2).

4. Groupe motopropulseur selon la revendication 3, qui comporte un calculateur (4) adapté pour contrôler et gérer le fonctionnement du moteur (1) en fonction d'un certain nombre de paramètres, caractérisé par le fait que l'un de ces 15 paramètres est ladite valeur estimée du débit massique MSA du gaz fourni par le compresseur à ondes de pression (2) au moteur (1).