FR2973838A1 - Procede de determination de la temperature des gaz d'echappement en amont de la turbine du turbocompresseur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination de la température T des gaz d'échappement en amont de la turbine (28) d'un turbocompresseur équipant un moteur thermique (10). Selon l'invention, on mesure la température T des gaz d'échappement en aval de la turbine et on détermine la température T à partir de la température T . De préférence la température T est déterminée à l'aide de l'équation suivante:
Description
PROCEDE DE DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DES GAZ D'ECHAPPEMENT EN AMONT DE LA TURBINE DU TURBOCOMPRESSEUR La présente invention concerne un moteur thermique muni d'un turbocompresseur et, plus spécialement, la détermination de la température des gaz d'échappement en amont de la turbine du turbocompresseur. Les niveaux de performance demandés aux moteurs thermiques étant de plus en plus élevés, principalement pour des raisons de longévité des pièces mécaniques et la diminution de la consommation en carburant, il est intéressant de bien connaitre l'état des éléments mécaniques à contrôler, notamment des composants de la ligne d'échappement des gaz. Les moteurs thermiques, surtout ceux de type Diesel, sont souvent équipés d'un turbocompresseur, le compresseur comprimant l'air avant admission dans les cylindres et étant mis en rotation par une turbine qui est actionnée par les gaz d'échappement Afin de protéger les composants de la ligne d'échappement, il est intéressant de connaitre la température T3 des gaz d'échappement en amont de la turbine. En effet, cette température est une grandeur caractéristique du niveau d'énergie qui s'échappe des cylindres et du niveau de contraintes thermiques subies par les composants de la ligne d'échappement, tels que le collecteur des gaz brûlés. Il est donc intéressant de connaitre la température T3 en amont de la turbine. Une solution évidente consiste à ajouter un capteur de température dans la ligne d'échappement en amont de la turbine. Cette solution n'est pas intéressante car, d'une part, elle est couteuse et, d'autre part, elle pourrait créer des difficultés d'implantation dans la ligne d'échappement. La demande de brevet FR 2 937 087, déposée par la demanderesse, concerne un procédé d'estimation de la température d'un composant sous capot en contact avec les gaz d'échappement. Pour ce faire, la température des gaz d'échappement est mesurée ou estimée à partir d'une cartographie fonction du régime et du couple moteur, la cartographie étant préétablie au banc moteur. Le brevet EP 1 017 930 décrit une méthode de détermination des températures dans un moteur thermique, ces températures étant celles d'une tête de cylindre et d'un turbocompresseur. Elles sont obtenues à partir d'une modélisation qui se traduit par des tables mémorisées dans une unité de commande. Cependant, la modélisation s'est révélée fournir des données de température pas suffisamment précises. Le brevet US 7,316,157 concerne une méthode pour estimer la température d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique. Selon cette méthode, on détermine, par unité de temps, une première quantité de chaleur reçue par la ligne d'échappement et une deuxième quantité de chaleur dégagée dans l'air par la ligne d'échappement, puis on estime la température de la ligne à partir de ces deux quantités de chaleur. Selon une variante de mise en oeuvre, on tient compte de la vitesse d'écoulement des gaz dans la ligne d'échappement. Selon une autre variante, on tient compte de la densité des gaz. Ces brevets ou demandes de brevet cités sont dédiés au calcul (statique et dynamique) de la température du collecteur d'échappement et de la turbine du turbocompresseur. Ils concernent des méthodes permettant de déduire la température des composants de la température des gaz en amont de la turbine et l'évolution de cette température des composants en fonction de l'environnement thermique sous le capot. Par opposition, la présente invention concerne un procédé permettant de déterminer ou d'estimer la température en amont de la turbine en utilisant la température en aval de la turbine. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de détermination de la température T3 des gaz d'échappement en amont de la turbine d'un turbocompresseur équipant un moteur thermique. Selon l'invention, on mesure la température T4 des gaz d'échappement en aval de ladite turbine et on détermine la température T3 à partir de la température T4.
Le turbocompresseur comprenant de façon classique une turbine et un compresseur, ladite température T3 est déterminée à partir de: - la puissance Pcompresseur consommée par le compresseur, - ladite température T4, - le débit QGB de gaz brûlés traversant la turbine, et - la capacité calorifique CpGB des gaz brûlés. La température T3 peut être liée à la température T4 par la relation: T3 = T, + compresseur 3 4 QGB Cp GB Selon le mode de mise en oeuvre préféré, on mesure: - ladite température T4, - le débit d'air Qair de l'air traversant le compresseur dudit turbocompresseur, et - les pressions P, et P2 régnant respectivement en amont et en aval du compresseur, et on détermine: - le débit QGB des gaz brûlés traversant la turbine, - les capacités calorifiques CpGB et Cpair , à pression constante, respectivement des gaz brûlés et de l'air, et - le rendement rlc du compresseur.
La température T3 peut alors être déterminée à partir d'une équation du type: L11c27 mir-1 = + compresseur =T, + Qatr Cpatr T 1 3 4 4 y~ QGBCPGB QGB CpGB '/c avec: H = P2 Les capacités calorifiques CpGB et Cpair sont des constantes de valeur sensiblement égale à, respectivement 1,15 et 1. La valeur de Vair est sensiblement égale à 1,4.25 Le calcul de la valeur de T3 peut être avantageusement effectué périodiquement, par exemple à une fréquence voisine de 20 ms. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé et sur lequel la figure unique montre schématiquement le circuit d'admission d'air et la ligne des gaz d'échappement d'un moteur thermique muni d'un turbocompresseur. Le dessin annexé pourra non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Sur la figure, un moteur thermique 10 est équipé de quatre blocs fonctionnels qui sont: - un bloc compresseur constitué par la partie admission d'air du turbocompresseur, à savoir une conduite d'entrée d'air 12 (reliée à la boite à air, non représentée), un compresseur 14 d'un turbocompresseur et un collecteur d'air 16 qui amène l'air frais dans les cylindres du moteur 10. La pression et la température de l'air en amont du compresseur 14 sont respectivement P1 et T1, et en aval du compresseur P2 et T2 comme indiqué sur la figure; - un bloc de refroidissement, c'est-à-dire un échangeur de chaleur 18 20 pour le refroidissement de l'air comprimé, l'échangeur étant intercalé entre le compresseur 14 et le collecteur d'air 16; - un bloc cylindres 20 où a lieu la combustion interne; et - un bloc turbine constitué par la partie échappement du turbocompresseur, à savoir un collecteur des gaz d'échappement 22, qui 25 peut comprendre une vanne EGR 24 pour la recirculation des gaz d'échappement, et une ligne d'échappement 26. Cette dernière comporte une turbine 28 (la turbine 28 et le compresseur 14 constituant le turbocompresseur) et une conduite 30 équipée d'un capteur de température 32. Le compresseur 14 et la turbine 28 sont reliés par un arbre 34.
Comme indiqué sur la figure, la pression et la température des gaz d'échappement en amont de la turbine sont respectivement P3 et T3, la pression et la température en aval étant respectivement P4 et T4. L'amont et l'aval sont déterminés par le sens de circulation des fluides, de l'air frais pour le circuit d'admission et des gaz brûlés pour la ligne d'échappement. La présente invention permet de déterminer la température T3 des gaz d'échappement en amont de la turbine 28 à partir de la température T4 des gaz d'échappement en aval de la turbine 28, la température T4 étant mesurée à l'aide du capteur de température 32. Ce capteur de température est généralement présent dans les lignes d'échappement équipées de moyens de dépollution (catalyseur de type SCR par exemple); en pratique il est indispensable pour contrôler l'efficacité des moyens de dépollution. Les puissances consommées Pturbine et Pcompresseur respectivement par la turbine et par le compresseur peuvent être exprimées par les 15 équations suivantes: Pturbine - QGBCPGB (T3 - T4 ) _ 1 compresseur - QairCpair YQir 1 P 11* -1 avec fie = P dans lesquelles: QGB est le débit de gaz brûlés traversant la turbine, 20 CpGB et Cpair sont les capacités calorifiques à pression constante respectivement des gaz brûlés et de l'air, hc est le rendement du compresseur; ce rendement est en pratique compris entre 0,5 et 0,8 Vair est le rapport Cp/Cv des capacités thermiques de l'air à pression 25 constante (Cp) et à volume constant (Cv). vair est une caractéristique thermodynamique dont la valeur est sensiblement constante et égale approximativement à 1,4. De ces équations donnant Pturbine et Pcompresseur, on en déduit l'expression de la température T3 en fonction de la température T4: P y~ 1 ( y&r-1 'compresseur Qair CY air 1 T TT 'air -1 T3 = T4 + + 1 3 4 4 1 c C CPGB \, 1 Q GB GB QGB 11 C II P2 Avec = P
1 A partir de l'équation de T3 ci-dessus, on peut donc utiliser la mesure de la température T4 en aval de la turbine pour déterminer la valeur de la température T3 en amont de la turbine. Le débit d'air Qair est mesuré par un débitmètre qui, on le remarquera, est déjà présent dans les moteurs Diesel. Le débit des gaz brûlés QGB peut être mesuré ou simplement déduit du débit d'air Qair puisqu'en régime stabilisé QGB = Qair. En régime transitoire, il existe un léger retard entre le débit d'air et le débit des gaz brûlés qui correspond au temps de transit de l'air et des gaz brûlés. Les valeurs de CpGB et Cpair sont sensiblement constantes et égales respectivement à 1,15 et 1. Les valeurs de P1 et P2 sont mesurées chacune à l'aide d'un capteur de pression. On peut donc déterminer la valeur de T3 qui est recalculée périodiquement, par exemple toutes les vingt millisecondes, à l'aide d'un calculateur, par exemple le calculateur dédié au fonctionnement du moteur.
La température T3 peut être déterminée avec suffisamment de précision puisque l'erreur sur T3 ne dépend que de l'erreur de mesure sur la température T4 en aval de la turbine, laquelle peut être mesurée de façon relativement précise, et de l'erreur de la modélisation du turbocompresseur. Cette erreur de modélisation dépend de la dispersion des caractéristiques des composants, due à l'usure et aux variations rapides de l'environnement thermique sous le capot. Malgré tout, ces erreurs sont faibles comparées aux erreurs de modélisation classique de la combustion.
Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre avec les moyens de mesure de pression et de température équipant déjà les véhicules, notamment les véhicules Diesel muni de moyens de dépollution. L'invention ne nécessite donc pas d'ajouter un ou plusieurs capteur(s) supplémentaire(s) par rapport à ce qui existe déjà, notamment pour les véhicules Diesel. D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.
Claims (2)
- REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la température T3 des gaz d'échappement en amont de la turbine (28) d'un turbocompresseur équipant un moteur thermique (10), caractérisé en ce que l'on mesure la température T4 des gaz d'échappement en aval de ladite turbine et en ce que l'on détermine ladite température T3 à partir de ladite température T4.
- 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, ledit turbocompresseur comprenant ladite turbine (28) et un compresseur (14), ladite température T3 est déterminée à partir de: - la puissance Pcompresseur consommée par le compresseur, - ladite température T4, - le débit QGB de gaz brûlés traversant la turbine, et - la capacité calorifique CpGB des gaz brûlés. 6. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la température T3 est liée à la température T4 par la relation: P compresseur QGB CpGB 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on mesure: - ladite température T4, -le débit d'air Qair de l'air traversant le compresseur dudit turbocompresseur, et - les pressions P, et P2 régnant respectivement en amont et en aval du compresseur, et en ce que l'on détermine: - le débit QGB des gaz brûlés traversant la turbine, - les capacités calorifiques CpGB et Cpair , à pression constante, respectivement des gaz brûlés et de l'air, et - le rendement hc du compresseur. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite température T3 est déterminée à partir d'une équation du type: T3 = T4 +P y~ ( y&r-1 T - T + 'compresseur _ T + air CY air ' /~ n yuir 3 4 4 1 c 1 QGB CnGB QGB CPGB 17c \, 1 avec: n = r2 c P 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les capacités calorifiques CpGB et Cpair sont des constantes de valeur sensiblement égale à, respectivement 1,15 et 1. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que la valeur de vair est sensiblement égale à 1,4. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que le calcul de la valeur de T3 est effectué périodiquement à une fréquence voisine de 20 ms.
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Citations (1)
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| DE102008000159A1 (de) * | 2007-01-26 | 2008-08-14 | Denso Corp., Kariya | Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine |
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| JOHN B HEYWOOD: "Internal combustion engine fundamentals (passage)", 1 January 1988, INTERNAL COMBUSTION ENGINE FUNDAMENTALS, MCGRAW HILL INTERNATIONAL EDITIONS, NEW YORK, PAGE(S) 673 - 697, ISBN: 978-0-07-028637-5, pages: 248 - 255, XP002662938 * |
| MORAAL P ET AL: "Turbocharger Modeling for Automotive Control Applications", SAE TECHNICAL PAPER SERIES, SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS, WARRENDALE, PA, US, vol. 1999-01-0908, 1 March 1999 (1999-03-01), pages 1 - 14, XP002491228, ISSN: 0148-7191 * |
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