FR2944318A3 - Systeme d'admission et d'echappement de gaz d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile - Google Patents

Systeme d'admission et d'echappement de gaz d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système d'admission et d'échappement de gaz d'un moteur à combustion interne, comportant une double boucle (30, 46) de recirculation des gaz d'échappement à haute et basse pression et un compresseur à géométrie variable (24). Le système comporte en outre un capteur (58) pour la mesure du débit d'air entrant dans le moteur, un capteur (54) pour la mesure de la température dans le collecteur d'admission (14), un capteur (56) pour la mesure de la pression dans le collecteur d'admission (14), et une unité de commande (76) des vannes (38, 52) des boucles de recirculation haute et basse pression et de la turbine (40) du turbocompresseur à géométrie variable (24) en fonction des mesures de débit, de température et de pression. Selon l'invention, le système comporte comprend un capteur de température pour mesurer la température des gaz en entrée du dispositif de traitement. Toujours selon l'invention, l'unité de commande comprend : ▪ des moyens de détermination d'un débit volumique maximal en entrée du dispositif (42) de traitement en fonction de la mesure de température en entrée de celui-ci ; et ▪ des moyens de limitation du débit volumique en sortie de la partie turbine (40) en fonction du débit maximal déterminé.

Description

-1- SYSTEME D'ADMISSION ET D'ECHAPPEMENT DE GAZ D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE DE VEHICULE AUTOMOBILE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait aux systèmes de recirculation des gaz d'échappement à boucles basse et haute pression dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et plus particulièrement à la gestion de l'impact d'une telle recirculation sur le fonctionnement de dispositifs de dépollution des gaz d'échappement dont le fonctionnement est impacté par celui de la recirculation des gaz d'échappement.
ETAT DE LA TECHNIQUE Sur la figure 1, un moteur de véhicule automobile à combustion interne de l'état de la technique est illustré sous la référence générale 10.
Le moteur 10 comporte un bloc cylindre 12, alimenté en gaz frais par un collecteur d'admission 14 et dont les gaz d'échappement sont collectés au niveau d'un collecteur 20 d'échappement 16.
L'air est admis dans le moteur 10 via une entrée d'air 18 et, après passage par un filtre à air 20, est dirigé en entrée de la partie compresseur 22 d'un turbocompresseur à géométrie variable 24 pour y être compressé. La sortie de la partie compresseur 22 est par 25 ailleurs reliée au collecteur d'admission 14 au travers d'un échangeur de chaleur 26 refroidissant les gaz compressés.
Une boucle de recirculation des gaz d'échappement haute pression 30 est en outre prévue et comporte une dérivation 32, reliant la sortie 34 du collecteur d'échappement 16 à 30 l'entrée 36 du collecteur d'admission 14, ainsi qu'une vanne pilotable 38 réglant le débit des gaz d'échappement recirculés par cette boucle haute pression 30.
La partie turbine 40 du turbocompresseur à géométrie variable 24 est quant à elle montée en aval de la dérivation haute pression 30 et fournit l'énergie au compresseur 22 par la 35 détente des gaz d'échappement. Comme cela est connu en soit, la partie turbine 40 comporte des ailettes orientables pour modifier le débit et la pression des gaz vers la turbine proprement dite afin notamment d'augmenter la réactivité du compresseur 22 dans les bas régimes. 2944318 -2- Un dispositif de traitement des gaz d'échappement 42, tel qu'un catalyseur d'oxydation ou un piège à oxydes d'azote (ou NOx), est en outre prévu en aval de la partie turbine 40. La sortie du dispositif 42 est reliée à la sortie d'échappement 44 du véhicule ainsi qu'à 5 une boucle de recirculation basse pression 46 des gaz d'échappement.
Cette boucle de recirculation basse pression 46 comporte une dérivation 48, reliant la sortie du dispositif 42 à l'entrée de la partie compresseur 22, un échangeur 50 pour le refroidissement des gaz circulant dans la dérivation 48, et une vanne pilotable 52 réglant 10 le débit des gaz dans la dérivation 48.
Comme cela est connu en soi, la recirculation des gaz d'échappement a pour effet de diminuer la génération de polluants, notamment les NOx, alors que la suralimentation produite par le turbocompresseur augmente la puissance du moteur. 15 De manière connue en soi, le pilotage des vannes 38 et 52 des boucles basse et haute pression et de la portion turbine 40 est réalisé en fonction de la mesure de la température Teol mes et de la pression Pool mes des gaz dans le collecteur d'admission 14, délivrés respectivement par un capteur de température 54 et un capteur de pression 56 agencés dans le collecteur 14, et de la mesure du débit d'air entrant Qair mes, délivrée par un débitmètre 58 monté en sortie du filtre à air 20.
Ce pilotage des vannes 38 et 52 et de la partie turbine 40, mis en oeuvre par une unité de traitement d'informations 60 connectées à celle-ci et aux capteurs 54, 56, 58, vise essentiellement à contrôler les masses d'air et de gaz brûlés entrant dans les cylindres ainsi que la température et la pression de ces gaz. Usuellement des consignes pour la pression et la température des gaz dans le collecteur ainsi qu'une consigne pour le débit d'air entrant sont déterminées a priori et mémorisées dans des cartographies en fonction de valeurs de régime et de couple moteur. La commande des vannes 38, 52 et de la partie turbine 40 vise alors à obtenir lesdites consignes. On pourra par exemple se reporter au document US 2007/0079614 pour un tel pilotage de l'état de la technique.
Toutefois, un dispositif de traitement des gaz d'échappement, tel qu'un catalyseur d'oxydation ou un piège à NOx, nécessite d'être amorcé pour un fonctionnement présentant un minimum d'efficacité. Ceci signifie notamment que la température et le débit volumique des gaz en entrée de celui-ci présentent des valeurs appropriées. L'efficacité d'un catalyseur d'oxydation, par exemple en termes de taux d'hydrocarbures imbrûlés traités (notamment du HC et du CO), est représentée à la figure 2. Comme cela 2944318 -3- est visible sur cette figure, l'efficacité du catalyseur d'oxydation dépend à la fois de la température et du débit des gaz entrant dans celui-ci. Notamment, l'efficacité du catalyseur augmente lorsque la température augmente et le lorsque le débit diminue. Il convient ainsi de respecter des gammes de températures et de débits pour un 5 fonctionnement à minima du catalyseur, une remarque similaire pouvant être faite pour un piège à NOx.
Toutefois, il apparaît souvent des situations de désamorçage du dispositif de traitement, et plus particulièrement dans les situations transitoires. En effet, l'évolution de la 10 température des gaz dans le collecteur d'admission étant lente par rapport à l'évolution de la pression de ceux-ci et du débit d'air entrant, le suivi des consignes en transitoire peut entraîner de mauvaises conditions en entrée du dispositif de traitement et même un désamorçage de ce dernier. Par exemple, consécutivement à l'appui sur la pédale d'accélérateur par le conducteur, le suivi de la consigne de température peut entrainer une 15 trop grande fermeture de la vanne de la boucle haute pression, ce qui augmente le débit de gaz d'échappement en entrée du dispositif de traitement et diminue ainsi son efficacité.
EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné en proposant un système turbocompressé à boucles haute et basse pression de recirculation des gaz d'échappement de moteur à combustion interne qui permette une utilisation satisfaisante et en continue du dispositif de traitement des gaz d'échappement. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un système d'admission et d'échappement de gaz d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comportant : ^ une entrée d'air ; ^ un turbocompresseur à géométrie variable dont la partie turbine est agencée en 30 sortie du collecteur d'échappement du moteur et dont la partie compresseur est agencée entre l'entrée d'air et l'entrée du collecteur d'admission du moteur ; ^ un dispositif de traitement des gaz d'échappement agencé entre la partie turbine du turbocompresseur et la sortie d'échappement du véhicule et nécessitant des conditions prédéterminées de température et/ou de débit de gaz pour un 35 fonctionnement satisfaisant ; ^ une boucle de recirculation haute pression des gaz d'échappement, comportant une dérivation entre la sortie du collecteur d'échappement et l'entrée du collecteur d'admission, et une vanne pilotable agencée dans ladite dérivation ; 20 2944318 -4- ^ une boucle de recirculation basse pression des gaz d'échappement, comportant une dérivation entre la sortie du dispositif de traitement et l'entrée d'air, et une vanne pilotable agencée dans ladite dérivation ; et ^ un capteur de débit pour la mesure du débit d'air entrant ; 5 ^ un capteur de température pour la mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission ; ^ un capteur de pression pour la mesure de la pression des gaz dans le collecteur d'admission ; et ^ une unité de commande des vannes des boucles hautes pression et basse pression et 10 de la partie turbine du turbocompresseur en fonction des mesures des capteurs de débit, de température et de pression.
Selon l'invention, le système comprend un capteur de température pour mesurer la température des gaz en entrée du dispositif de traitement, et l'unité de commande 15 comprend : ^ des moyens de détermination d'un débit volumique maximal en entrée du dispositif de traitement en fonction de la mesure de température en entrée de celui-ci ; et ^ des moyens de limitation du débit volumique en sortie de la partie turbine en fonction du débit maximal déterminé. 20 En d'autres termes, le débit volumique maximal entrant dans le dispositif de traitement pour un minimum d'efficacité de celui-ci est pris explicitement en compte dans le pilotage des actionneurs du système, garantissant ainsi un fonctionnement satisfaisant du dispositif de manière continue. 25 Plus particulièrement, comme cela est connu en soi, les grandeurs contrôlées sont la température T 01 et la pression Paol dans le collecteur ainsi que le débit d'air entrant Qair. La pression Pa0i et le débit Qair, de dynamique rapide, sont particulièrement adaptées au contrôle des performances du moteur. La température T 01 présente quant à elle une 30 dynamique plus lente et est particulièrement adaptée à la gestion du débit dans le dispositif de traitement. En outre, il est possible de traduire une contrainte sur le débit des gaz entrant dans le dispositif de traitement en une contrainte sur la température dans le collecteur d'admission en écrivant les équations statiques du système.
35 Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, le système comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. 2944318 -5- Les moyens de limitation du débit volumique de la partie turbine sont aptes à convertir une consigne de température des gaz dans le collecteur d'admission en une consigne de débit volumique en sortie de la partie turbine et à saturer la consigne de débit en sortie de la partie turbine par le débit maximal en entrée du dispositif de traitement.
Les moyens de limitation sont aptes à convertir la consigne de température dans le collecteur d'admission par la mise en oeuvre d'un régulateur, notamment PID, de la température des gaz dans le collecteur d'admission, la sortie du régulateur formant la consigne de débit en sortie de la partie turbine.
Les moyens de limitation sont aptes à traduire le débit maximal en entrée du dispositif de traitement en une température maximale des gaz dans le collecteur d'admission et à saturer une consigne de température des gaz dans celui-ci par la température maximale déterminée.
Les moyens de limitation sont aptes à traduire le débit maximal en entrée du dispositif de traitement par la mise en oeuvre d'une inversion d'un modèle statique du système.
Les moyens de limitation sont aptes à saturer un signal de commande de débit volumique 20 en sortie de la partie turbine par le débit maximal en entrée du dispositif de traitement et à convertir le signal de commande saturé de débit en sortie de la partie turbine en un signal de commande de la partie turbine.
Le système comporte en outre une vanne pilotable agencée dans la sortie d'échappement 25 du véhicule, ladite unité de commande étant apte à piloter ladite vanne en fonction des mesures desdits capteurs.
L'unité de commande est apte à mettre en oeuvre une loi de commande linéaire quadratique pour piloter les vannes et la partie turbine en fonction des mesures de 30 température, pression et de débit.
L'unité de commande comprend : ^ des premiers moyens de calcul d'un signal de commande de la vanne de la bouche haute pression, d'un signal de commande de la partie turbine et d'un signal de 35 commande de la vanne de la boucle basse pression en fonction des mesures de température, pression et débit ; et ^ des deuxièmes moyens de calcul d'un signal de commande de la vanne en sortie d'échappement en fonction du signal de commande de la vanne de la bouche basse 5 10 15 -6- pression de manière à fermer la vanne en sortie d'échappement à mesure que la vanne de la boucle basse pression s'ouvre.
Notamment,
^ les premiers moyens de calcul comprennent :
o un premier bloc de calcul du signal de commande de la vanne de la bouche haute pression, du signal de commande de la partie turbine, et d'une consigne de débit pour la boucle basse pression en fonction des mesures de température, pression et débit ;
o un deuxième bloc de calcul d'un signal de commande non saturé pour la vanne
de la boucle basse pression en fonction de la consigne de débit et d'une mesure ou une estimation du débit dans la boucle basse pression en mettant en oeuvre un asservissement de ladite consigne sur ladite mesure ou estimation de débit ;
o un bloc de saturation du signal de commande non saturé pour former le signal de commande de la vanne de la boucle basse pression, et
^ les seconds moyens de calcul sont aptes à calculer le signal de commande de la vanne en sortie d'échappement comme étant une fonction décroissante de la différence entre le signal de commande de la vanne de la boucle basse pression et le signal de commande saturé de celle-ci.
Les seconds moyens de calcul sont aptes à calculer le signal de commande de la vanne en sortie d'échappement selon la relation : ( brut ù ) Uech = ù 1 ù a\Uegr bp Uegr bp où Uech est le signal de commande de la vanne en sortie d'échappement, Uegrtbp est le signal de commande non saturé de la vanne de la boucle basse pression, Uegr bp est le signal de commande de la vanne de la boucle basse pression, et a est un paramètre positif prédéterminé réglant la vitesse de fermeture de la vanne en sortie d'échappement.
L'asservissement de la consigne de débit est du type PID. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : 2944318 -7- ^ la figure 1 est une vue schématique d'un système d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne à double boucle de recirculation de gaz d'échappement de l'état de la technique, déjà discuté ci-avant ; ^ la figure 2 est un graphique de courbes illustrant la relation entre l'efficacité d'un 5 catalyseur d'oxydation et la température et le débit volumique des gaz d'échappement en entrée de celui-ci, déjà discuté ci-avant ; ^ la figure 3 est une vue schématique d'un système d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne à double boucle de recirculation de gaz d'échappement selon l'invention ; 10 ^ la figure 4 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation selon l'invention d'une unité de traitement d'informations pilotant les vannes et la partie turbine du système de la figure 3 ^ la figure 5 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation selon l'invention d'une unité de traitement d'informations pilotant les vannes et la partie 15 turbine du système de la figure 3 ^ la figure 6 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation selon l'invention d'une unité de traitement d'informations pilotant les vannes et la partie turbine du système de la figure 3 ^ la figure 7 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'une 20 architecture de commande pour le bloc de commande entrant dans la constitution de l'unité de traitement d'information du système selon l'invention ; et ^ la figure 8 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'une architecture de commande pour le bloc de commande entrant dans la constitution de l'unité de traitement d'information du système selon l'invention. 25
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 3 illustre schématiquement un système 70 d'admission et d'échappement d'un 30 moteur à combustion interne turbocompressé et à double boucle de recirculation des gaz d'échappement selon l'invention.
Le système 70 diffère essentiellement de celui de l'état de la technique décrit en relation avec la figure 1 par les caractéristiques selon lesquelles : 35 ^ une vanne pilotable 72 est agencée en sortie d'échappement, c'est-à-dire en aval de la boucle basse pression de recirculation 46 ; ^ un capteur de température 74 est agencé en entrée du dispositif 42 de traitement des gaz d'échappement ; et 2944318 -8- ^ l'unité de traitement d'informations 76 qui commande les vannes 38, 52 et 72 ainsi que la partie turbine 40 en fonction des mesures de température et de pression des capteurs 54, 56, 74 et de débit d'air du capteur 58, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. La figure 4 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'unité de traitement d'informations 76, les blocs représentés à la figure 4 représentent par exemple des fonctions logicielles mises en oeuvre par celle-ci.
10 Selon ce premier mode de réalisation, l'unité 76 comprend un bloc 80 formant cartographie recevant en entrée les valeurs du régime N et du couple moteur C et évaluant en fonction de celles-ci une cartographie prédéterminée pour déterminer les consignes de débit d'air entrant Qair cons, de pression dans le collecteur d'admission 14 Pcol cons, et de température dans le collecteur d'admission Tcol cons. 15 L'unité 76 comporte selon l'invention un bloc 82 convertissant la consigne Tcol cons de température dans le collecteur d'admission en une consigne Qturb cons saturée pour la partie turbine 40.
20 Plus particulièrement, le bloc 82 comporte un régulateur comprenant un soustracteur 84 formant la différence entre la consigne Tcoi cons et la mesure Tcol mes de la température des gaz d'échappement dans le collecteur d'admission 14, et un correcteur 86, par exemple du type PID, calculant une consigne Qb cons intermédiaire pour la partie turbine 40 en fonction de la différence Teol cons Teol mes. 25 Un bloc formant cartographie 88 reçoit par ailleurs la mesure T caca mes de la température en entrée du dispositif 42 de traitement des gaz d'échappement et évalue en fonction de celle-ci une cartographie prédéterminée d'efficacité pour déterminer le débit volumique maximal Qturb max entrant dans le dispositif 42 en deçà duquel, pour la température 30 Tcata mes, le dispositif 42 fonctionne avec un minimum d'efficacité de traitement. Comme cela a été déjà décrit précédemment en relation avec la figure 2, on sait effectivement que pour une température donnée, l'efficacité de traitement du dispositif 42 diminue à mesure que le débit volumique des gaz entrant augmente.
35 La consigne eh' cons intermédiaire pour la partie turbine 40 est alors saturée par la valeur Qturb max dans des moyens de saturation 90 afin de former une consigne Qturb max de débit traversant la partie turbine 40. 5 2944318 -9- Enfin, l'unité 76 comprend un bloc de commande 92 mettant en oeuvre un asservissement du débit d'air entrant Qair par l'entrée d'air 18, de la pression Peoll des gaz dans le collecteur d'admission 14 et du débit Qturb traversant la partie turbine 40 sur leurs consignes respectives Qair cons, Pcol cons et Qturb cons par le calcul de signaux de commande 5 Uegr hp pour la vanne 38 de la boucle haute pression 30, Uegr hp pour la vanne 52 de la boucle basse pression 46, Uech pour la vanne 72 en sortie d'échappement 44 et Ugt pour la partie turbine 40 du turbocompresseur à géométrie variable 24.
Le bloc de commande 92 reçoit à cet effet les consignes Qat, cons, Pcol cons et Qturb cons, les 10 mesures de débit d'air Qat, mes et de pression Pcol mes ainsi qu'une estimation ou une mesure du débit volumique Ott.", est traversant la partie turbine 40, et met en oeuvre une loi d'asservissement prédéterminée, c'est-à-dire une loi assurant une erreur statique nulle. Cette loi est calculée par exemple en usine sur la base d'un modèle linéaire du système entre les entrées de commande Uegr hp, Uegr hp, Uech, Ugt et les sorties de mesure Qat, mes, 15 Peel mes, Qturb est, et est par exemple du type observateur retour d'état.
On notera ainsi que le premier mode de réalisation de l'invention opère un changement de variable dans les consignes classiquement utilisées pour commander une double boucle de recirculation turbocompressée afin de faire explicitement apparaître dans 20 celles-ci le débit maximal volumique entrant dans le dispositif 42 de traitement des gaz d'échappement, ou de manière équivalente le débit volumique maximal en sortie de la partie turbine 40.
En outre, la commande est réalisée directement sur le débit de la partie turbine, et non 25 plus sur la température dans le collecteur d'admission 14, qui est une grandeur de dynamique plus rapide que celle de la température.
La figure 5 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation de l'unité 76 de traitement d'informations. Selon ce mode de réalisation, la limitation du débit des gaz 30 entrant dans le dispositif 42 de traitement est réalisée par une limitation appropriée de la température des gaz d'échappement dans le collecteur d'admission 14. En effet, il est possible de traduire une contrainte sur le débit des gaz entrant dans le dispositif 42 en une contrainte sur la température dans le collecteur d'admission 14 en écrivant les équations statiques du système. 35 Dans ce deuxième mode de réalisation, l'unité 76 comprend un bloc 80 formant cartographie pour la détermination des consignes Qat, cons, Pcol cons et Tcol cons en fonction des valeurs de régime et de couple moteur, ainsi qu'un bloc 88 formant cartographie 2944318 -10- déterminant en fonction de la mesure Tcata mes le débit volumique maximal Qturb max, comme cela a été décrit précédemment.
Un bloc 100 reçoit alors les consignes Qa;~ cons, PeO] cons et le débit maximal Qturb max et 5 détermine en fonction de ceux-ci la valeur que prendrait la température Ter., des gaz dans le collecteur d'admission 14 en régime statique si le débit d'air en entrée du moteur était égal à Qair cons, si la pression dans le collecteur d'admission 14 était égale à PeO] cons et si le débit volumique dans la partie turbine 40 était égal à Qturb max. Cette valeur est par exemple obtenue par une inversion d'un modèle statique prédéterminé du système ou 10 bien obtenue par une cartographie déterminée en usine.
Cette valeur de température T eroäs , correspondant notamment au débit Qturb max, est alors retranchée à la mesure Tcol mes de la température dans le collecteur d'admission 14 au niveau d'un soustracteur 102, puis les valeurs négatives de la différence en sortie de 15 celui-ci sont forcées à zéro dans un bloc 104. La sortie du bloc 104 est alors ajoutée à la consigne de température Tcol cons au niveau d'un additionneur 106 pour former une consigne de température saturée Tcso, ions . Enfin l'unité 76 comprend un bloc de commande 108 recevant les consignes Qair cons, 20 PeO] co. et Tcso, Cons , ainsi que les mesures Qair mes, Pcol mes et Tcol mes, et déterminant les signaux de commande Uegr hp, Uegr hp, Uech, Ugt permettant d'asservir lesdites mesures sur leurs consignes respectives. Cette loi d'asservissement est calculée par exemple en usine sur la base d'un modèle linéaire du système entre les entrées de commande Uegr hp, Uegr hp, Uech, Ugt et les sorties de mesure Qair mes, Peel mes, Tcol mes, et est par exemple du 25 type observateur retour d'état.
On notera que la consigne saturée Tcso, Cons s'exprime selon la relation : Tcolt cons Tcol cons + max(Tcol mes 9ùTcol cons,f) 30 Ainsi, si la mesure de température est inférieure à la température maximale admissible définie par T eroäs , la consigne initiale Tcol_cp,s n'est pas modifiée. Sinon, la consigne initiale Tcol mes est augmentée de l'écart entre la mesure de température Tcol mes et la température maximale T eroäs , ce qui a pour effet d'augmenter la température dans le 35 collecteur d'admission 14. Les contraintes sur le pilotage des actionneurs pour satisfaire au débit maximal dans le dispositif 42 sont alors relâchées, notamment celle pesant sur la vanne 38 de la boucle haute pression 30, diminuant de fait le débit des gaz circulant dans 2944318 -11- la partie turbine 40, et donc le débit entrant dans le dispositif. L'efficacité de ce dernier est ainsi augmentée.
L'architecture de ce deuxième mode de réalisation a l'avantage de ne pas modifier les 5 lois de commande existantes. Contrairement au premier mode de réalisation, il n'y en effet aucun changement de variable en boucle fermée. L'optimisation de l'efficacité du traitement des gaz d'échappement est ainsi réalisée tout en restant proches des besoins du moteur en termes de température, débit d'air et pression.
10 La figure 6 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation de l'unité 76 de traitement d'informations. Selon ce mode de réalisation, les consignes sont conservées en l'état, la limitation du débit en entrée du dispositif 42 de traitement étant réalisée par la limitation appropriée de la commande de la partie turbine 40.
15 Plus particulièrement, les consignes Qair cons, Pcol cons et Tcol cons, obtenues tel que précédemment décrit, et les mesures Qair mes, Pcoi mes et Tcol mes, sont fournies à un bloc de commande 120 déterminant en fonction de celles-ci des signaux de commande Uegr hp, Uegr hp et Uech, pour les vannes 38, 52, 72 ainsi qu'un débit volumique Qturbcons pour la partie turbine 40. La loi d'asservissement, obtenue par exemple sur la base d'un modèle 20 linéaire du système, est par exemple du type observateur retour d'état.
Le débit volumique Qtmb cons est alors saturé au niveau d'un bloc de saturation 122 par le débit volumique maximal Qturb max en provenance du bloc formant cartographie 88.
25 Le débit volumique ainsi saturé Qturb ions est alors converti en signal de commande Ugt, c'est-à-dire une position d'ailettes, pour la partie turbine 40 dans un bloc 124 d'inversion de champ en fonction d'une mesure Pturb amont de pression réalisée en amont de la partie turbine 40 et d'une mesure Pturb aval de pression en aval de la partie turbine 40.
30 En variante, le bloc de commande génère directement un signal de position d'ailette Ugt pour la partie turbine 40 puis ce signal est saturé par une position d'ailettes maximum correspondant au débit maximal Qturb max, évalué par exemple au moyen d'une cartographie prédéterminée de débits en fonction de position d'ailettes, ou bien le bloc 88 génère directement ladite position d'ailettes maximale en fonction de la température en 35 entrée du dispositif 42 de traitement des gaz d'échappement.
Le troisième mode de réalisation a l'avantage par rapport aux deux premiers de voir la contrainte sur l'efficacité du dispositif 42 prise en compte au plus proche de la partie 2944318 -12- turbine. En outre, la loi de commande n'est que très peu, voire pas du tout, modifiée. Notamment la portion intégratrice de celle-ci permettant son caractère d'asservissement n'est pas modifiée induisant notamment des variations limitées dans les signaux de commande. Toutefois, l'inversion du champ turbine est usuellement entaché d'une 5 grande incertitude, tout comme la détermination d'une position d'ailettes en fonction d'un débit.
On notera que le système selon l'invention comporte un actionneur supplémentaire par rapport à l'état de la technique, à savoir la vanne 72 en sortie d'échappement. Deux 10 actionneurs sont ainsi présents dans le système pour répartir les débits entre l'échappement et la boucle basse pression de recirculation des gaz d'échappement. Lorsque ces deux actionneurs ne sont pas en butée, il est ainsi obtenu un degré de liberté supplémentaire car le système se caractérise alors par trois consignes à suivre, c'est-à-dire le débit d'air entrant, la température et la pression des gaz dans le collecteur d'admission, 15 et quatre actionneurs, c'est-à-dire les vannes des boucles haute et basse pression, la partie turbine et la vanne en sortie d'échappement.
On notera également que la gestion du débit maximal en entrée du dispositif de traitement d'informations par la modification de la consigne de température et/ou de la consigne 20 pour la partie vanne telle que décrite précédemment s'applique également à un système où la vanne d'échappement est omise. Toutefois sa présence est préférée dans la mesure où elle amène le degré de liberté supplémentaire.
Il va maintenant être décrit des modes de réalisation privilégiés d'architectures pour les 25 blocs de commande 92, 108 et 120 introduits ci-dessus. On comprendra à la lecture de ce qui suit que les signaux de consignes de mesure et de commandes sont donnés, ici les consignes Qair cons, Pcol cons et Tcol cons, les mesures Qair mes, Pcol mes et Tcol mes et les signaux de commande Uegr hp, Uegr hp, Uech, U~ , à titre d'exemple non limitatifs et qu'il convient d'adapter aux modes de réalisation décrits ci-dessus les architectures décrites. On notera 30 que ces adaptations sont à la portée de l'homme du métier dans la mesure où seuls les modèles varient en fonction de la nature desdits signaux.
La figure 7 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un bloc de commande 92, 108, 120, mettant en oeuvre une commande linéaire quadratique, ou 35 commande LQ .
Un soustracteur 130 forme la différence entre le vecteur des consignes (Qair cons, Pcol cons, Pcol cons)T et le vecteur (Qair mes, Pcol mes, Tcol mes)T des mesures correspondantes de débit col cons -13- d'air, de pression et de température dans le collecteur d'admission 14, le symbole T représentant ici la transposée.
La différence entre ces vecteurs est alors intégrée par un intégrateur 132, puis multipliée par un gain matriciel 134 de valeur prédéterminée L1 de dimension 3*3. Un soustracteur 136 reçoit par ailleurs un vecteur L2X et soustrait celui-ci de la sortie du gain 134 pour former le vecteur (Uegr hp, Uegr bp, Uech, U,gt)T du signal de commande Uegr hp de la vanne 38 de la boucle haute pression 30, du signal de commande Uegr bp de la vanne 52 de la boucle basse pression 46, du signal de commande Uech de la vanne 75 en sortie d'échappement et du signal de commande Ut de la partie turbine 40 du turbocompresseur à géométrie variable 24.
Un estimateur d'état 138 reçoit par ailleurs le vecteur (Uegr hp, Uegr Uech, U,gt)T des signaux de commande et le vecteur (Qa mes, Paoi mes, Teoi mes)T des mesures et estime le vecteur d'état x d'un modèle linéaire prédéterminé du système d'admission et d'échappement ayant pour entrée les commandes (Uegr hp, Uegr bp, Uech, U,gt)T et pour sortie les mesures (Qair mes, Peoi mes, Teoi mes)T selon les relations :
x=Ax+Bu 20 y = Cx
où u est le vecteur des signaux de commande, y est le vecteur des mesures, A est une matrice carrée prédéterminée de dimension n*n, B est une matrice prédéterminée de dimension 4*n et C est une matrice prédéterminée de dimension n*3. Un gain matriciel 140 de valeur prédéterminée L2 de dimension n*3 est en outre connecté à l'estimateur 138 et multiplie l'estimation î du vecteur d'état par le gain L2 pour former le vecteur L2X en entrée du soustracteur 136. 30 Le bloc de commande 92, 108, 120 de l'unité 76 de traitement d'informations calcule ainsi un vecteur (Uegr hp, Uegr bp, Uech, U,gt)T de signaux de commande selon la relation : ~U \ egr hp ((Q (Q air cons mes Uegr bp LIT T. P mes ùL2x 25 Uech U \, \ Tcol_cons / Tcol_mes / 2944318 -14- L'estimateur 138 met par exemple en oeuvre un filtrage de Kalman pour estimer le vecteur d'état x, et les gains matriciels L1 et L2 sont obtenues lors de la synthèse de la loi de commande LQ et permettent notamment de régler l'importance relative des actionneurs du système, comme cela est connu en soi de l'état de la technique. La figure 8 est une vue schématique d'un second mode de réalisation du bloc 92, 108, 120 de l'unité 76 de traitement d'informations.
Un bloc de commande 150 reçoit le vecteur des consignes (Q T air cons, Pcol cons, col cons)T 10 ainsi que le vecteur des mesures (Qair mes, Pcoi meS7 Tcoi mes)T et déterminant en fonction de ceux-ci un premier vecteur de trois signaux de commande, à savoir les signaux de commande Uegr hp et de la vanne 30 de la boucle haute pression 30 et de la partie turbine 40, ainsi qu'un signal de commande intermédiaire Qegr_bp_cons du débit volumique de la boucle basse pression 46. 15 Le bloc de commande 150 met en oeuvre une commande carrée à trois consignes et trois signaux de commande, tel qu'une commande du type observateur retour d'état par exemple, de manière à satisfaire aux contraintes classiques de l'alimentation en gaz du moteur. La consigne Qegr_bp_cons de débit de la boucle basse pression 46 est quant à elle satisfaite par la commande des vannes 58 de la boucle basse pression 46 et de la vanne 72 en sortie d'échappement.
25 Plus particulièrement, un soustracteur 152 reçoit la consigne de débit Qegr_bp_cons ainsi qu'une estimation Qegr_bp_est du débit volumique dans la boucle basse pression 46 et formant la différence Qegr_bp_cons - Qegr_bp_est entre celles-ci, ainsi qu'un correcteur proportionnel intégral dérivé (PID) 154 recevant ladite différence. La sortie du PID forme ainsi un signal de commande brut Uegrtbp de la vanne 58, c'est-à-dire sans prise en 30 compte de son domaine de fonctionnement. L'estimation Qegr_bp_est du débit volumique de la boucle basse pression est obtenue d'une manière connue en soi, par exemple à l'aide d'un estimateur de Kalman ou d'un observateur d'état se fondant sur un modèle linéaire du système ayant pour entrée le vecteur (Uegr hp, Qegr bp, Ugt)T, la vanne d'échappement 72 étant considérée comme complètement ouverte, et pour sortie le vecteurs des mesures 35 (Qair mes, Peoi mes, Teoi mes)T. En variante un débitmètre est agencé dans la dérivation 48 de la boucle basse pression 46 en amont de l'échangeur 50. 5 2944318 -15- Le PID est connecté à un bloc de saturation 156 qui sature le signal de commande brut Uegrtbp sur des valeurs correspondant aux ouvertures minimales et maximales de la vanne 58 pour former le signal de commande Uegr bp délivré à la vanne 58. 5 Le signal de commande Uech de la vanne 72 en sortie d'échappement est quant à lui formé à l'aide de deux soustracteurs 158, 160, d'un gain unitaire 162 et d'un gaina 164 selon la relation : brut ù \ Uech = ù 1 ù a(Uegr bp Uegr bp ) où a est un paramètre positif prédéterminé réglant la vitesse de fermeture de la vanne 72 en sortie d'échappement.
Comme on peut ainsi le noter, tant que la vanne 58 de la boucle basse pression n'est pas 15 en saturation haute, c'est-à-dire complètement ouverte, la vanne 72 en sortie d'échappement reste complètement ouverte également. Une fois la vanne 58 en saturation haute toute demande supplémentaire de débit ne peut être satisfaite, Uegr bp restant par ailleurs constant et égal à la valeur de saturation haute. Par contre, cette demande supplémentaire de débit se traduit par un signal Uegrtbp augmentant au-delà de la valeur 20 de saturation haute. Le signal Ueeh diminue alors, c'est-à-dire que la vanne 72 en sortie d'échappement se ferme. Le débit de gaz, qui initialement était évacué à l'extérieur de véhicule par la sortie d'échappement, se retrouve ainsi dévié vers la boucle basse pression, ce qui équivaut donc à modifier la perte de charge de l'échappement pour retrouver de la liberté de contrôle sur la branche basse pression.
Bien qu'un correcteur du type PID ait été décrit, tout autre type de correcteur à erreur statique nulle conviendrait. De même, en variante, le bloc de commande 150 calcule directement le signal de commande brut Uegrtbp de la vanne 58, le soustracteur 152 et le correcteur 154 étant de ce fait omis. 1030

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Système d'admission et d'échappement de gaz d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comportant : ^ une entrée d'air (18); ^ un turbocompresseur à géométrie variable (24) dont la partie turbine (40) est agencée en sortie du collecteur d'échappement (16) du moteur et dont la partie compresseur (22) est agencée entre l'entrée d'air (18) et l'entrée du collecteur d'admission (14) du moteur ; ^ un dispositif (42) de traitement des gaz d'échappement agencé entre la partie turbine (40) du turbocompresseur (24) et la sortie d'échappement (44) du véhicule et nécessitant des conditions prédéterminées de température et/ou de débit de gaz pour un fonctionnement satisfaisant ; ^ une boucle de recirculation haute pression (30) des gaz d'échappement, comportant une dérivation (32) entre la sortie du collecteur d'échappement (16) et l'entrée du collecteur d'admission (14), et une vanne pilotable (38) agencée dans ladite dérivation (32) ; ^ une boucle de recirculation basse pression (46) des gaz d'échappement, comportant une dérivation (48) entre la sortie du dispositif (42) de traitement et l'entrée d'air (18), et une vanne pilotable (52) agencée dans ladite dérivation (46) ; et ^ un capteur de débit (58) pour la mesure du débit d'air entrant ; ^ un capteur de température (54) pour la mesure de la température des gaz dans le collecteur d'admission (14) ; ^ un capteur de pression (56) pour la mesure de la pression des gaz dans le collecteur d'admission (14) ; et ^ une unité de commande (76) des vannes (38, 52) des boucles hautes pression et basse pression (30, 46) et de la partie turbine (40) du turbocompresseur (24) en fonction des mesures des capteurs de débit (58), de température (54) et de pression (56), caractérisé ^ en ce qu'il comprend un capteur de température (74) pour mesurer la température des gaz en entrée du dispositif de traitement ; et ^ en ce que l'unité de commande comprend : o des moyens (88) de détermination d'un débit volumique maximal en entrée du dispositif de traitement en fonction de la mesure de température en entrée de celui-ci ; eto des moyens (84, 86, 90 ; 100, 102, 104, 106 ; 122, 124) de limitation du débit volumique en sortie de la partie turbine (40) en fonction du débit maximal déterminé.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (84, 86, 90) de limitation du débit volumique de la partie turbine (40) sont aptes à convertir une consigne de température des gaz dans le collecteur d'admission (14) en une consigne de débit volumique en sortie de la partie turbine (40) et à saturer la consigne de débit en sortie de la partie turbine (40) par le débit maximal en entrée du dispositif de traitement.
  3. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (84, 86, 90) de limitation sont aptes à convertir la consigne de température dans le collecteur d'admission (14) par la mise en oeuvre d'un régulateur (84, 86), notamment PID, de la température des gaz dans le collecteur d'admission (14), la sortie du régulateur formant la consigne de débit en sortie de la partie turbine (40).
  4. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (100, 102, 104, 106) de limitation sont aptes à traduire le débit maximal en entrée du dispositif (42) de traitement en une température maximale des gaz dans le collecteur d'admission (14) et à saturer une consigne de température des gaz dans celui-ci par la température maximale déterminée.
  5. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens (100, 102, 104, 106) de limitation sont aptes à traduire le débit maximal en entrée du dispositif (42) de traitement par la mise en oeuvre d'une inversion (100) d'un modèle statique du système.
  6. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (122, 124) de limitation sont aptes à saturer un signal de commande de débit volumique en sortie de la partie turbine (40) par le débit maximal en entrée du dispositif (42) de traitement et à convertir le signal de commande saturé de débit en sortie de la partie turbine (40) en un signal de commande de la partie turbine (40).
  7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une vanne pilotable (72) agencée dans la sortie d'échappement (44) du véhicule, ladite unité de commande (76) étant apte à piloter ladite vanne (72) en fonction des mesures desdits capteurs (54, 56, 58).• 18
  8. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de commande (76) est apte à mettre en oeuvre une loi de commande linéaire quadratique pour piloter les vannes (38, 52, 72) et la partie turbine (40) en fonction des mesures de température, pression et de débit.
  9. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'unité de commande (76) comprend : ^ des premiers moyens (150, 152, 154, 156) de calcul d'un signal de commande de la vanne (38) de la boucle haute pression (30), d'un signal de commande de la partie turbine (40) et d'un signal de commande de la vanne (38) de la boucle basse pression (46) en fonction des mesures de température, pression et débit ; et ^ des deuxièmes moyens (158, 160, 162) de calcul d'un signal de commande de la vanne (72) en sortie d'échappement (44) en fonction du signal de commande de la vanne (52) de la boucle basse pression (46) de manière à fermer la vanne (72) en sortie d'échappement (44) à mesure que la vanne (52) de la boucle basse pression (46) s'ouvre.
  10. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que : ^ les premiers moyens (150, 152, 154, 156) de calcul comprennent : o un premier bloc de calcul (150) du signal de commande de la vanne (38) de la boucle haute pression (30), du signal de commande de la partie turbine (40), et d'une consigne de débit pour la boucle basse pression (46) en fonction des mesures de température, pression et débit ; o un deuxième bloc de calcul (152, 154) d'un signal de commande non saturé pour la vanne (52) de la boucle basse pression (46) en fonction de la consigne de débit et d'une mesure ou une estimation du débit dans la boucle basse pression (30) en mettant en oeuvre un asservissement (152, 154) de ladite consigne sur ladite mesure ou estimation de débit ; o un bloc de saturation (156) du signal de commande non saturé pour former le signal de commande de la vanne de la boucle basse pression, et ^ les seconds moyens (158, 160, 162) de calcul sont aptes à calculer le signal de commande de la vanne (72) en sortie d'échappement (44) comme étant une fonction décroissante de la différence entre le signal de commande de la vanne (52) de la boucle basse pression (46) et le signal de commande saturé de celle- ci. 5
  11. 11. Système selon la relation 10, caractérisé en ce que les seconds moyens (158, 160, 162) de calcul sont aptes à calculer le signal de commande de la vanne (72) en sortie d'échappement selon la relation : brut Uech ù 1 ù a(Uegr bp ù Ue{r bp où Uech est le signal de commande de la vanne en sortie d'échappement, Uegrtbp est le signal de commande non saturé de la vanne de la boucle basse pression, Uegr_bp est le signal de commande de la vanne de la boucle basse pression, et a est un 10 paramètre positif prédéterminé réglant la vitesse de fermeture de la vanne en sortie d'échappement.
  12. 12. Système selon la revendication 10 ou Il, caractérisé en ce que l'asservissement de la consigne de débit est du type PID. ) 15
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