FR2910059A1 - Procede d'estimation de la pression des gaz d'echappement en amont d'une turbine de turbocompresseur - Google Patents

Procede d'estimation de la pression des gaz d'echappement en amont d'une turbine de turbocompresseur Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de la pression (P31) des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur d'un moteur de véhicule à combustion interne. Dans ce procédé, on estime la pression amont turbine (P31) par l'une, au choix, des formulations suivantes : où P41 est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, Pi la pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, et les fonctions f1, f2, f3, f4, f5 et f6 des fonctions correctives dépendantes de nombreux paramètres.

Description

1 L'invention concerne le domaine du contrôle d'un moteur de véhicule,
comprenant un turbocompresseur. L'invention concerne plus précisément un procédé d'estimation de la pression en amont de la turbine du turbocompresseur.
L'invention s'applique en particulier à un moteur diesel de véhicule suralimenté par turbocompresseur. La pression en amont de la turbine peut être utilisée pour le contrôle moteur dans différents buts. Par exemple, il s'avère intéressant de connaître celle-ci pour protéger la turbine de surpressions éventuelles ou pour le calcul des pertes par pompage du moteur, ou encore dans la mesure où elle sert en tant que paramètre d'entrée dans les modèles thermodynamiques permettant de déterminer la performance du moteur. Pour connaître la pression en amont de la turbine du turbocompresseur, on utilise souvent un capteur de pression. Mais un capteur de pression présente plusieurs inconvénients comme la perturbation du signal de mesure, les dérives et dispersions de celui-ci surtout dans un environnement thermique sévère, ou encore les difficultés d'implantation.
Pour éviter ces inconvénients, on a donc recours à des procédés et moyens permettant de fournir une estimation de la pression en amont de la turbine. Le document DE 103 293 30 présente par exemple un procédé pour estimer cette pression, lequel est basé sur un bilan de puissance sur l'arbre du turbocompresseur et sur la connaissance des caractéristiques de la turbine. Un inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite des opérations mathématiques lourdes, difficilement implémentables dans les calculateurs usuellement employés. Un autre inconvénient est lié aux dispersions de fabrication, qui engendrent une imprécision sur la connaissance des caractéristiques de la turbine. Le document FR 2 853 693 présente par exemple un procédé pour estimer cette pression, qui est basé sur un bilan de masse des gaz dans le collecteur d'échappement.
2910059 2 Un objectif de l'invention est de proposer un nouveau procédé d'estimation de la pression des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur. Un autre objectif de l'invention est de proposer un moteur 5 commandé, pour lequel ce nouveau procédé est mis en oeuvre. Pour atteindre cet objectif, il est prévu dans le cadre de l'invention un procédé d'estimation de la pression des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur d'un moteur de véhicule à combustion interne, caractérisé en ce qu'on estime la pression amont 10 turbine par l'une, au choix, des formulations suivantes : P (P 31 * 21 +f3 (2) ou P31 ùP41 = 4 f*ff (P21 -P)+f 6 (3) P41 où P41 est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, P1 la 15 pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, les fonctions f1r f3, f4 et f6 des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au moins des paramètres suivants : débit d'air à l'admission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation, 20 variation du débit d'air à l'admission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime moteur, demande de couple moteur, variation de la demande de couple moteur, commande de la position des ailettes ou de la dérivation, variation de la commande de 25 turbocompresseur, température et pression en amont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissement ; et les fonctions f2 et f5 des fonctions correctives dépendantes au moins des pressions P21 et P1. Le procédé selon l'invention pourra en outre présenter au moins 30 l'une des caractéristiques suivantes : 2910059 3 - on estime la pression en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions correctives f4 = 1, f5 = P21-P1r et f6 = constante ; - on estime la pression en amont de la turbine par la relation (3), 5 en considérant les fonctions correctives f4 = A(Qgaz, P21-P1) , fs = P21-P1r et f6 = B(Qgaz, P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement du moteur ; 10 - on estime la pression en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions f4 = Ai(Qgaz, P21-P1)*A2(RCO, T31) , fs = P21-P1 et f6 = B(Qgaz, P21-P1) où Al et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit QgaZ des gaz 15 d'échappement du moteur et, où A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de la température des gaz T31 d'échappement en amont de la turbine et de la consigne de commande de puissance RCO soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un 20 actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à géométrie fixe ; - pour déterminer les fonctions correctives f1r f2, f3, f4, f5 et f6, on effectue une mesure de l'évolution de la pression en amont de la turbine en fonction du temps sur un moteur, on propose des 25 fonctions f1r f2, f3 dans le cas d'une formulation (2) ou des fonctions f4, f5 et f6 dans le cas d'une formulation (3), et on compare les valeurs estimées, avec ces fonctions correctives, de la pression P31 en amont de la turbine aux valeurs mesurées de cette pression.
30 Pour atteindre cet objectif, il est également prévu un moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant un turbocompresseur formé d'un compresseur et d'une turbine, caractérisé en ce qu'il 2910059 4 comprend des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va 5 suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 illustre un schéma d'un moteur à combustion interne pour véhicule, muni d'un turbocompresseur ; - les figures 2, 3 et 4 illustrent respectivement les erreurs 10 entre une mesure de la pression en amont de la turbine en fonction du temps sur un moteur de véhicule et, respectivement, différents modèles d'estimation de la pression en amont de la turbine. Sur la figure 1, il est représenté un moteur à combustion interne 1, 15 comprenant un turbocompresseur, dans le but d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres. Le turbocompresseur est constitué d'un compresseur 20 situé sur la ligne d'admission du moteur 1 et monté sur le même axe qu'une turbine 21 quant à elle située en sortie du collecteur d'échappement.
20 La turbine 21 est entraînée par les gaz d'échappement et la puissance fournie par ceux-ci peut être modulée en installant une soupape de décharge si la turbine est une turbine à géométrie fixe ou encore des ailettes à géométrie variable (TGV). Dans le cas d'un turbocompresseur à géométrie fixe, le circuit de 25 décharge est une dérivation de la turbine permettant de ne pas utiliser la totalité du débit des gaz d'échappement pour actionner la turbine. Dans le cas d'un turbocompresseur à géométrie variable, les ailettes permettent de moduler l'incidence du débit des gaz d'échappement sur la turbine et donc sur la puissance qu'elle fournit.
30 Le moteur 1 comprend en outre, et ce de manière classique, un volet d'admission 2, un bloc moteur 10 comprenant les cylindres, un circuit EGR 3 comprenant une vanne 31, un refroidisseur 32 et un by-pass 33. Enfin, le moteur 1 comprend également dans la ligne 2910059 5 d'échappement, un ensemble de moyens de traitement des gaz d'échappement, à savoir par exemple dans le cas d'un moteur Diesel, un pré-catalyeur 41, un filtre à particules 42 et un silencieux 43. Sur cette figure 1, on définit T1 et P1 les température et pression 5 d'entrée moteur (ou amont compresseur 20). On définit également respectivement T21 et P21 comme les température et pression en aval du compresseur. T31 et P31 définissent respectivement les température et pression en amont de la turbine. Enfin, T41 et P41 définissent respectivement les température et pression en aval de la turbine.
10 Pour estimer la pression amont turbine P31r on propose ici de se baser sur une simplification (ou réduction) des équations régissant le fonctionnement du turbocompresseur. Pour déterminer le fonctionnement du turbocompresseur, on effectue un bilan de puissance sur l'arbre de celui-ci, en ayant 15 préalablement déterminé l'énergie échangée dans le compresseur d'une part et dans la turbine d'autre part. On aboutit alors, en fonctionnement stabilisé du turbocompresseur, à la relation suivante : p z 1 turbine 131 P \ 41 / Cp,air Tl compresseur/ \Y 1 P 7 21 -1 \ 1 / (1) 20 où Cp,gaz et Cp,air sont les capacités calorifique à pression constante des gaz d'échappement et de l'air à l'admission respectivement, y est le rapport de la capacité calorifique spécifique à pression constante et la capacité calorifique spécifique à volume constant (y = cp/cä ), et rlturbine et 25 ricompresseur les rendements de la turbine 21 et du compresseur 20 respectivement. La relation (1) issue d'un bilan de puissance est parfaitement connue de l'homme du métier. L'invention se propose de réduire l'équation (1) pour aboutir à l'une 30 ou l'autre des équations (2) ou (3) suivantes : 2910059 6 P (P 31 21 - Îi Î2 P41 P +f3 (2) ou P31 ûP41 = 4 f*ff (P21 Pl )+f6 (3) dans lesquelles les fonctions f1r f2, f3, f4, f5 et f6 sont des fonctions correctives pouvant être des constantes ou être exprimées en fonction 5 d'au moins l'un des paramètres suivants, fournis à titre non limitatif: - débit d'air à l'admission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation (circuit EGR) ; - variation du débit d'air à l'admission, variation du débit de 10 carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation (circuit EGR) ; - régime moteur, demande de couple moteur ; variation de la demande de couple moteur ; 15 - commande de la position des ailettes (turbocompresseur à géométrie variable) ou de la dérivation (turbocompresseur à géométrie fixe), variation de la commande de turbocompresseur ; - température et pression en amont du filtre à particules 20 dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissement. On notera que cette réduction aboutissant à l'une ou l'autre des équations (2) ou (3) est basée sur une forme a priori de la loi de comportement, inspirée de la forme physique de la loi de 25 comportement. Une telle réduction présente l'avantage de prendre en compte de nombreux paramètres, contrairement à l'art antérieur où on choisit le plus souvent de ne pas en considérer certains. Les figures 2, 3 et 4 illustrent respectivement les erreurs entre une 30 mesure de la pression en amont de la turbine en fonction du temps sur un moteur de véhicule et, respectivement, différents modèles d'estimation de la pression P31 en amont de la turbine 21.
2910059 7 Ces modèles sont basés sur l'équation (3) et consistent donc à proposer différentes fonctions correctives f4, f5 et f6. Pour cela, on effectue un test dans lequel la pression P31 est mesurée par un capteur de pression, on propose des fonctions correctives f4, f5 et f6, on 5 détermine cette même pression P31 par l'équation (3) et on calcule l'erreur entre le modèle et les données issues des mesures (figures 2 à 4). Dans un premier cas, illustré sur la figure 2, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les 10 fonctions correctives f4 = 1, f5 = P21-P1r et f6 = constante. Le modèle ainsi considéré est très simple, mais il aboutit à une erreur relative de 20%. Dans un deuxième cas, illustré sur la figure 3, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (3), en considérant 15 les fonctions correctives f4 = A(Qgaz, P21-P1) , f5 = P21-Pl, et f6 = B(Qgaz, P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur 20 et du débit Qgaz des gaz d'échappement en sortie du moteur (entrée turbine). Le plus souvent, ces cartographies sont 20 établies par des moyens de calcules automatiques, qui permettent en fonction des paramètres variables choisis dans celle-ci de coller au mieux aux résultats des essais. Ce modèle est plus compliqué que le premier et permet de définir une erreur globalement moins étalée par rapport aux données issues de 25 la mesure. En d'autres termes, on constate que la valeur moyenne de l'erreur commise sur la durée du test est moindre qu'avec le premier modèle. (Pour effectuer cette comparaison, il faut garder à l'esprit qu'une erreur absolue de 500mbar correspond a peu près à une erreur relative de 20%).
30 Dans un troisième cas, illustré sur la figure 4, on estime la pression P31 en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions f4 = AI(Qgaz, P21-P1)*A2(RCO, T31) , fs = P21-P1 et f6 = B(Qgaz, P21-P1).
2910059 8 Dans ce troisième cas, Al et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement en sortie du moteur et, A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de 5 la température T31 des gaz d'échappement en amont de la turbine et de la consigne de commande de puissance (RCO) soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à géométrie fixe.
10 Ce troisième modèle est un peu plus compliqué que les deux autres, mais permet de réduire encore l'erreur d'estimation de la pression. En effet, on constate que la valeur moyenne de l'erreur commise sur la durée de l'essai est plus faible que pour les deux autres modèles.
15 En effet, l'erreur moyenne est globalement de 10%, ce qui correspond à la précision de mesure d'un capteur de pression usuellement utilisé pour les véhicules de série. Quel que soit le modèle choisi, la réduction des équations permet d'implémenter ce modèle dans l'unité de contrôle électronique (UCE) du 20 moteur avec un temps de calcul raisonnable. Selon l'application désirée, on pourra cependant choisir d'implémenter, en fonction de l'importance relative attachée à la précision de la mesure d'une part ou au temps de calcul d'autre part, l'un ou l'autre de ces modèles.
25 Bien entendu, on comprend que ces mêmes démarches peuvent être effectuées en se basant sur la forme de l'équation (2) réduite en déterminant des fonctions correctives f1r f2 et f3 calibrés sur les données issues de la mesure. 30

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation de la pression (P31) des gaz d'échappement en amont d'une turbine de turbocompresseur d'un moteur de véhicule à 5 combustion interne, caractérisé en ce qu'on estime la pression amont turbine (P31) par l'une, au choix, des formulations suivantes : P31 =fi *f2 P41 ( \ '21 P +f3 (2) ouP31 ùP41 = 4 f* 5(P21 ùP)+J6 (3) 10 où P41 est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, P1 la pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, les fonctions f1r f3, f4 et f6 des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au moins des paramètres suivants : débit d'air à l'admission, débit de carburant, débit 15 des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation, variation du débit d'air à l'admission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime moteur, demande de couple moteur, variation de la demande de couple moteur, commande de la 20 position des ailettes ou de la dérivation, variation de la commande de turbocompresseur, température et pression en amont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissement ; et les fonctions f2 et f5 des fonctions correctives dépendantes au moins des pressions P21 et P1. 25
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions correctives f4 = 1, f5 = P21-P1r et f6 = constante. 30
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions correctives f4 = A(Qgaz, P21-P1) , f5 = P21-Pl, et f6 = B(Qgaz, 2910059 10 P21-P1), où A et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgdz) des gaz d'échappement du moteur.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on estime la pression (P31) en amont de la turbine par la relation (3), en considérant les fonctions : f4 = Ai(Qgaz, P21-P1)*A2(RCO, T31) , f5 = P21-P1 et f6 = B(Qgaz, P21-P1) où Al et B sont des cartographies établies en fonction de l'influence de la variation de pression (P21-P1) aux bornes du compresseur et du débit (Qgaz) des gaz d'échappement du moteur et, 15 où A2 est une cartographie établie en fonction de l'influence de la température (T31) des gaz d'échappement en amont de la turbine et de la consigne de commande de puissance (RCO) soit d'un actionneur des ailettes de la turbine si celle-ci est une turbine à géométrie variable soit d'un actionneur de dérivation des gaz d'échappement si la turbine est à 20 géométrie fixe.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour déterminer les fonctions correctives f1r f2, f3, f4, f5 et f6, on effectue une mesure de l'évolution de la pression en amont de la 25 turbine en fonction du temps sur un moteur, on propose des fonctions f1, f2, f3 dans le cas d'une formulation (2) ou des fonctions f4, f5 et f6 dans le cas d'une formulation (3), et on compare les valeurs estimées, avec ces fonctions correctives, de la pression (P31) en amont de la turbine aux valeurs mesurées de cette pression. 30
6. Moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant un turbocompresseur formé d'un compresseur et d'une turbine, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour estimer la pression (P31) des gaz 2910059 11 d'échappement en amont de la turbine selon l'une, au choix, des formulations suivantes : P31 -f f P41 +f3 (2) ou P31 P41 f4 *f5(P21 Pl )+f6 (3) 5 où (P41) est la pression des gaz d'échappement en aval de la turbine, P1 la pression d'admission de l'air en amont du compresseur, P21 la pression de l'air en aval du compresseur, les fonctions f1r f3, f4 et f6 des fonctions correctives de valeur constante ou dépendant de l'un au moins 10 des paramètres suivants : débit d'air à l'admission, débit de carburant, débit des gaz d'échappement en sortie moteur, débit de gaz de recirculation, variation du débit d'air à l'admission, variation du débit de carburant, variation du débit des gaz d'échappement en sortie moteur, variation du débit de gaz de recirculation, régime moteur, demande de couple moteur, variation de la demande de couple moteur, commande de la position des ailettes ou de la dérivation, variation de la commande de turbocompresseur, température et pression en amont du filtre à particules dans le cas d'un moteur Diesel, température de liquide de refroidissement ; et les fonctions f2 et f5 des fonctions correctives dépendantes au moins des pressions P21 et P1.
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