FR2911918A1 - Systeme et procede de commande d'un turbocompresseur d'un moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Ce système de commande d'un turbocompresseur, à ailettes réglables, de suralimentation d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprend des moyens de contrôle (3) pour commander le déplacement des ailettes réglables pour modifier la puissance prélevée aux gaz d'échappement et des moyens (25) de limitation du déplacement des ailettes.Les moyens de limitation comprennent une butée variable en fonction du point de fonctionnement du moteur.
Description
B05-2094FR - ODE/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s.
Système et procédé de commande d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion interne Invention de : BOUFFAUD François MAUGER Patrick Système et procédé de commande d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion interne L'invention concerne, de manière générale, la commande d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comprenant un turbocompresseur de suralimentation. Les turbocompresseurs comprennent généralement une turbine placée à la sortie du collecteur d'échappement du moteur pour être entraînée par les gaz d'échappement, et un compresseur monté sur le même axe que la turbine pour comprimer l'air qui entre dans le répartiteur d'admission. Un échangeur de chaleur peut être placé entre le compresseur et le répartiteur d'admission pour refroidir l'air à la sortie du compresseur. La puissance prélevée par la turbine aux gaz d'échappement peut être avantageusement modulée en installant des ailettes d'orientation variable à l'entrée de la turbine. On parle alors de turbine à géométrie variable. La puissance que fournit le compresseur peut à son tour être modulée en disposant des ailettes d'orientation variable à l'entrée ou à la sortie du compresseur. On parle alors de compresseur à géométrie variable. Des actionneurs sont prévus pour piloter l'ouverture et la fermeture de l'ensemble des ailettes à orientation variable, qui équipent respectivement la turbine et le compresseur. Des signaux de commande de ces actionneurs sont fournis par une unité de contrôle électronique, de façon à asservir la pression dans le répartiteur d'admission. Compte tenu de l'augmentation des performances des moteurs à combustion interne suralimentés et en particulier des moteurs de type Diesel, les niveaux de pression de suralimentation augmentent et les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. I1 est donc important de pouvoir piloter le plus finement possible le turbocompresseur afin d'éviter sa détérioration tout en améliorant les capacités d'accélération du véhicule. L'utilisation d'un turbocompresseur à géométrie variable, c'est-à-dire pourvu d'une turbine (et potentiellement aussi d'un compresseur à géométrie variable), est avantageuse dans la mesure où elle permet d'obtenir différents champs de compresseurs et donc de choisir le rendement et la vitesse de rotation du compresseur en contrôlant la géométrie des ailettes. On obtient ainsi une zone de fonctionnement plus étendue. Toutefois, la zone de fonctionnement du compresseur doit être comprise et maintenue entre la limite de survitesse et la limite de pompage, dans laquelle se produit une inversion du débit d'air à travers le compresseur pour les faibles débits d'air, un tel phénomène de pompage étant susceptible d'entraîner la destruction du compresseur. C'est la raison pour laquelle tous les points de fonctionnement du compresseur doivent se situer dans le champ compresseur qui représente les valeurs acceptables pour le fonctionnement du compresseur. Dans ce cadre, on utilise généralement, sur un turbocompresseur à géométrie variable, une butée mécanique qui permet généralement de limiter la vitesse de rotation du compresseur. Cette butée est généralement réglée à la fabrication afin de conserver une perméabilité minimale alors que les ailettes sont fermées au maximum. En d'autres termes, le réglage consiste essentiellement à dégager une section minimale de passage assurant un débit de gaz d'échappement minimum. Dans cette position fermée, il est également possible de disposer d'une énergie suffisante, au niveau de la turbine, pour assurer une accélération du véhicule à partir d'un régime donné et d'un rapport de boîte de vitesses donné. En utilisation, les ailettes reposent sur les butées lors de phases d'accélération pour augmenter l'énergie de la turbine. En d'autres termes, la butée mécanique garantit un débit minimum de passage des gaz d'échappement sous une différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine. Le réglage de la butée est prépondérant pour les faibles régimes. Le reste du temps, la position des ailettes est contrôlée par l'unité de contrôle électronique afin d'obtenir une pression de suralimentation souhaitée, au moyen d'une boucle de régulation.
Bien que la butée mécanique soit réglable, dans une certaine mesure, au moyen d'une vis de réglage, elle est déterminée pour un seul point de fonctionnement du moteur. Elle reste en tout cas fixe pendant les régimes transitoires, en particulier pendant les phases d'accélération. En tout état de cause, la position de la butée et, de manière générale, l'évolution des signaux de commande issus de la boucle de commande servant à commander la position angulaire effective des ailettes est susceptible de varier en fonction des dispersions qui existent entre les composants qui transforment ce signal de commande en position des ailettes. Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients. Elle a donc pour but de fournir un système de commande pour turbocompresseur à géométrie variable, permettant de régler de manière plus fine la position angulaire des ailettes. L'invention a donc pour objet un système de commande d'un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit turbocompresseur comprenant des ailettes réglables. Ce système comprend des moyens de contrôle pour commander le déplacement des ailettes réglables pour modifier la puissance prélevée aux gaz d'échappement et des moyens de limitation du déplacement des ailettes. Selon ce système, les moyens de limitation comprennent une butée variable en fonction du point de fonctionnement du moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de contrôle comprennent une première boucle de régulation pour réguler la position des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur. Par exemple, il comprend en outre une mémoire pour mémoriser une cartographie de valeurs de consigne de la géométrie du turbocompresseur en fonction du régime de rotation du moteur et du débit de carburant injecté dans le moteur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les moyens de limitation du déplacement des ailettes comprennent un capteur de position des ailettes et une deuxième boucle de régulation pour asservir la position des ailettes sur des valeurs prédéterminées en fonction du point de fonctionnement du moteur et limiter la position des ailettes délivrée par les moyens de contrôle. Dans un mode de réalisation, les première et deuxième boucles de régulation sont disposées en cascade.
Dans un autre mode de réalisation, les première et deuxième boucles de régulation sont disposées en parallèle, et le système comporte en outre une mémoire pour mémoriser une cartographie des valeurs limite de consigne de position des ailettes en fonction du régime du moteur.
L'invention a également pour objet, selon un autre aspect, un procédé de commande d'un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit turbocompresseur comprenant des ailettes (A) réglables, dans lequel on régule la pression de suralimentation en commandant le déplacement des ailettes réglables pour modifier la pression prélevée au gaz, et dans lequel on prévoit une butée de limitation du déplacement des ailettes. Selon une caractéristique de ce procédé, on limite le déplacement des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur. Dans un mode de mise en oeuvre, on met en oeuvre une première boucle de régulation pour réguler la position des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur, et une deuxième boucle de régulation pour asservir la position des ailettes sur des valeurs prédéterminées en fonction du point de fonctionnement du moteur et limiter la position des ailettes délivrée par la première boucle. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 montre schématiquement les principaux éléments d'un moteur à combustion interne avec son système de régulation ; - la figure 2 est une vue de détail du turbocompresseur pourvu de ces moyens de contrôle, conformément à l'invention ; - la figure 3 montre schématiquement le principe de la commande des ailettes réglables ; et - la figure 4 montre schématiquement les principaux éléments inclus dans l'unité de commande électronique pour l'élaboration du signal de commande des ailettes du turbocompresseur. Sur la figure 1, on a représenté l'architecture générale d'un moteur à combustion interne, désigné par la référence générale numérique 1, équipé d'un turbocompresseur de suralimentation 2 et piloté par une unité de commande électronique UCE référencée 3, laquelle assure également, comme cela sera décrit en détail par la suite, la commande du turbocompresseur 2. Le moteur 1 comprend, dans l'exemple illustré, quatre cylindres 4 recevant de l'air comprimé par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 5, les gaz d'échappement étant véhiculés par un collecteur d'échappement 6. Dans l'exemple illustré, qui concerne par exemple un moteur Diesel, on a également prévu de pouvoir recycler une partie des gaz d'échappement au moyen d'une canalisation 7 équipée d'une vanne de recirculation EGR référencée 8.
L'air frais, symbolisé par la flèche 9, traverse tout d'abord un filtre à air 10 avant d'être amené par une conduite d'air 1 l à l'entrée du turbocompresseur 2. Le turbocompresseur est de type à géométrie variable. I1 comporte un compresseur 14 et une turbine 15 montés sur un arbre commun 16. Comme illustré à la figure 2, le turbocompresseur est équipé d'une pluralité d'ailettes A d'orientation variable prévues à l'entrée de la turbine de manière à moduler soit la puissance prélevée aux gaz d'échappement, soit à moduler la puissance que fournit le compresseur.
L'orientation des ailettes A est commandée par des moyens de contrôle 17 comprenant un levier 17' piloté par un poumon 17", lui-même piloté par une électrovanne (non représentée) sous le contrôle de l'unité UCE 3. L'air comprimé issu du compresseur 14, est amené sur le collecteur d'admission 5 après avoir traversé un échangeur de chaleur E qui permet de refroidir l'air comprimé.
Les gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement 6 sont amenés à l'entrée de la turbine 15 qui est ainsi entraînée en rotation, et qui entraîne à son tour le compresseur 4 par l'intermédiaire de l'arbre 16. Après avoir cédé une partie de leur énergie, les gaz d'échappement issus de la turbine 15 sont véhiculés par la ligne d'échappement 18 qui comprend différents dispositifs de traitement antipollution, tels qu'un catalyseur d'oxydation et/ou un filtre à particules, l'ensemble étant symbolisé par le bloc 19 sur la figure 1. Le système comprend encore différents capteurs, et en particulier un capteur de mesure de la suralimentation P2 régnant dans le collecteur 5 et un capteur 34 de mesure de la position Pos_ailettes des ailettes de la turbine. Ces signaux sont délivrés à l'unité centrale 3 pour réguler, notamment, la position des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur. A cet effet, en se référant également à la figure 3, l'unité centrale UCE 3 comporte un étage 22 de calcul de valeurs de consigne de pression de suralimentation P2, un étage 23 de calcul d'une valeur de consigne de position pour les ailettes, un premier régulateur 24 servant à réguler la pression de suralimentation P2 régnant dans le collecteur d'admission 5 autour d'une valeur de consigne issue de l'étage 22 de calcul, et un étage 25 de régulation de la position des ailettes autour de valeurs de consigne de position issues du deuxième étage de calcul 23.
En particulier, en se référant plus précisément à la figure 3 qui illustre un premier mode de réalisation d'un système de commande selon l'invention, le contrôle de la position des ailettes est effectué au moyen de deux boucles de régulation en cascade, respectivement 24 et 25, assurant l'une la régulation de la pression de suralimentation 2 et l'autre la régulation de la position des ailettes. En ce qui concerne la première boucle de régulation 24, celle-ci est basée sur l'utilisation d'une cartographie 26 stockée en mémoire dans l'unité de commande électronique UCE en fonction du régime de rotation N du moteur thermique et du débit d de carburant. En fonction de ces deux paramètres d'entrée, la cartographie 26 permet de déterminer une valeur de consigne pour la pression de suralimentation P2. Cette valeur de consigne est comparée avec une valeur de mesure P2mes au moyen d'un soustracteur 27. L'écart entre la valeur de consigne et la valeur mesurée est présenté en entrée d'un régulateur 28, par exemple de type proportionnel intégral dérivé (PID) dont la sortie constitue un signal de contrôle de pression de suralimentation. Comme on le voit sur la figure 3, on a en outre prévu une seconde cartographie 29 dans laquelle sont stockées des valeurs de prépositionnement des ailettes correspondant à des valeurs prédéterminées de pression de suralimentation pour un point de fonctionnement considéré du moteur. Elle est destinée à être ajoutée à la sortie du régulateur 29 au moyen d'un additionneur 30. La boucle de régulation qui vient d'être décrite constitue une boucle de régulation lente destinée à être mise en oeuvre en roulage stabilisé pour piloter les ailettes de la turbine du turbocompresseur en fonction du point de fonctionnement considéré du moteur. La deuxième boucle de régulation 25 constitue une boucle de régulation rapide mise en oeuvre lors de régimes transitoires pour lesquels les amplitudes de déplacement des ailettes sont grandes. Cette seconde boucle de régulation fournit directement des valeurs de position des ailettes. Elle est basée sur une utilisation d'une cartographie 32 dans laquelle sont stockées des valeurs de position pour les ailettes en fonction des points de fonctionnement du moteur, et en particulier en fonction du régime du moteur. La valeur de consigne délivrée par cette cartographie 32 est comparée, au moyen d'un comparateur 33, avec une valeur de mesure de position des ailettes Pos_aziettes issues d'un capteur 34 (figure 1). L'écart entre la valeur de consigne et la valeur mesurée de la position des ailettes est délivré en entrée d'un régulateur 35 pour délivrer, en sortie, le signal de commande des ailettes commande ailettes. Dans l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, la régulation de la pression de suralimentation s'effectue au moyen de deux boucles de suralimentation placées en séries, à savoir une première boucle lente assurant la régulation de la pression et une deuxième boucle rapide assurant une régulation par asservissement de la position des ailettes autour d'une valeur de consigne, de manière à constituer une butée réglable limitant de manière dynamique les valeurs de position maximale des ailettes autour de valeurs prédéterminées.
I1 est également possible, en variante, comme illustré à la figure 4, de réguler la pression de suralimentation, et en particulier la position des ailettes au moyen de deux régulateurs 38 et 39 disposés en parallèle et similaires aux boucles de régulation 24 et 25 décrites précédemment, assurant l'une la régulation de la position des ailettes en régime transitoire, et l'autre la régulation de la pression de suralimentation par calcul d'une valeur de commande de suralimentation, la mise en oeuvre de l'un ou l'autre régulateur étant effectuée au moyen d'un sélecteur dynamique 40. La valeur de consigne de position est alors comparée à des valeurs de seuil extraites d'une cartographie 42 stockée en mémoire dans l'unité UCE 3, en fonction notamment du régime du moteur au moyen d'un comparateur 43, seule la valeur minimale étant conservée. Cette valeur est alors comparée, au moyen d'un comparateur 44, à une valeur de mesure de position Pos_azlettes au moyen d'un comparateur 44. L'erreur de régulation c est alors présentée en entrée d'un régulateur conventionnel. Selon ce deuxième mode de réalisation, la butée variable est également mise en oeuvre par la régulation réalisée par la boucle de régulation rapide utilisée en régime transitoire qui permet de limiter dynamiquement la position des ailettes fournie par l'autre régulateur, mais également, et majoritairement, par la cartographie 42.
Claims (8)
1. Système de commande d'un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit turbocompresseur comprenant des ailettes (A) réglables, comprenant des moyens de contrôle (3) pour commander le déplacement des ailettes réglables pour modifier la puissance prélevée aux gaz d'échappement et des moyens (25, 42) de limitation du déplacement des ailettes, caractérisé en ce que les moyens de limitation comprennent une butée variable en fonction du point de fonctionnement du moteur.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent une première boucle de régulation (24, 38) pour réguler la position des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une mémoire pour mémoriser une cartographie (26) de valeurs de consigne de la géométrie du turbocompresseur en fonction du régime (N) de rotation du moteur et du débit (d) de carburant injecté dans le moteur.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de limitation du déplacement des ailettes comprennent un capteur (34) de position des ailettes et une deuxième boucle de régulation (25) pour asservir la position des ailettes sur des valeurs prédéterminées en fonction du point de fonctionnement du moteur et limiter la position des ailettes délivrée par les moyens de contrôle.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les première et deuxième boucles de régulation (24, 25) sont disposées en cascade.
6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les première et deuxième boucles de régulation sont disposées en parallèle, et en ce qu'il comporte en outre une mémoire pour mémoriser une cartographie (42) des valeurs limite de consigne de position des ailettes en fonction du régime du moteur.
7. Procédé de commande d'un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit turbocompresseur comprenant des ailettes (A) réglables, dans lequel on régule la pression de suralimentation en commandant le déplacement des ailettes réglables pour modifier la pression prélevée du gaz, et dans lequel on prévoit une butée de limitation du déplacement des ailettes, caractérisé en ce qu'on limite le déplacement des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre une première boucle de régulation pour réguler la position des ailettes en fonction du point de fonctionnement du moteur, et une deuxième boucle de régulation pour asservir la position des ailettes sur des valeurs prédéterminées en fonction du point de fonctionnement du moteur et limiter la position des ailettes délivrée par la première boucle.
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