FR2995357A1

FR2995357A1 - Procede de regulation d'une suralimentation pour turbocompresseur couple a une machine electrique, et dispositif turbocompresseur correspondant

Info

Publication number: FR2995357A1
Application number: FR1258518A
Authority: FR
Inventors: Laurent Fontvieille
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: NEW H POWERTRAIN HOLDING, S.L.U., ES
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-14
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: WO2014041296A1; FR2995357B1

Abstract

Il est proposé un procédé de régulation d'un turbocompresseur pour moteur (30) à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur étant relié à une machine électrique (45) apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif. On calcule une première consigne de puissance de la machine électrique en soustrayant à une puissance souhaitée du compresseur (32) du turbocompresseur (37), une valeur estimée de la puissance actuellement délivrée par la turbine (33) et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée du régime actuel de rotation du turbocompresseur (37).

Description

Procédé de régulation d'une suralimentation pour turbocompresseur couplé à une machine électrique, et dispositif turbocompresseur correspondant L'invention concerne les systèmes de suralimentation de moteurs à combustion interne, par exemple des turbocompresseurs de moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, et plus particulièrement les systèmes de contrôle de tels turbocompresseurs. Le turbocompresseur est un organe du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne. Il comprend un compresseur pour compresser l'air admis dans le moteur et une turbine qui fournit de l'énergie mécanique au compresseur, la turbine étant entraînée par les gaz d'échappement. Il existe deux grands types de turbocompresseurs, les turbocompresseurs à géométrie fixe et les turbocompresseurs à géométrie variable. Dans les turbocompresseurs à géométrie variable, on peut agir sur la vitesse de rotation de la turbine en ajustant l'inclinaison des pales de la turbine. Dans les turbocompresseurs à géométrie fixe, on peut, dans certaines variantes de réalisation, agir sur la vitesse de rotation de la turbine grâce à une vanne de décharge montée en parallèle de la turbine (parfois appelée « wastegate ») et qui permet de détourner l'air d'échappement de la turbine. L'invention concerne une seconde variante de turbocompresseurs à géométrie fixe, dans lequel la régulation par une vanne de décharge est remplacée par une régulation à l'aide d'une machine électrique apte à entraîner l'axe du turbocompresseur. Quand la demande de pression de suralimentation ne justifie pas l'utilisation de l'intégralité de l'énergie disponible au niveau de la turbine, la machine électrique peut être utilisée en génératrice pour produire de l'énergie électrique envoyée vers une batterie d'accumulateur en vue d'un usage ultérieur. Lorsqu'au contraire une forte puissance est nécessaire au niveau du compresseur, par exemple pendant des phases transitoires au début d'une accélération du véhicule, la machine électrique peut contribuer à fournir l'énergie nécessaire au compresseur, en sus de l'énergie disponible au niveau de la turbine. De tels systèmes de suralimentation peuvent par exemple être employés sur des véhicules utilitaires, pour lesquels les plages de fonctionnement exigées du moteur ne nécessitent pas un délestage trop rapide de la pression en amont de la turbine, et qui peuvent donc faire l'économie de la vanne de wastegate. La sévérisation des normes de dépollution amène en outre, de plus en plus souvent, à insérer un filtre à particules dans le circuit d'échappement, ce qui réduit le taux de détente de la turbine du turbocompresseur. Il est donc nécessaire de réguler le plus finement possible le fonctionnement du turbocompresseur. La régulation peut être assurée au moins pour partie par un système de prépositionnement, envoyant une consigne de puissance (motrice ou génératrice) à la machine électrique, à partir de cartographies prenant en compte essentiellement le point de fonctionnement du moteur. La régulation peut être complétée par un régulateur prenant en compte l'écart de la pression de suralimentation mesurée par rapport à une pression de suralimentation de consigne.

Cependant, les cartographies étant établies pour une géométrie bien précise du moteur et du système de suralimentation, les dispersions de fabrication, et l'usure du moteur, conduisent à des écarts non négligeables du comportement par rapport au comportement du moteur standard ayant servi à établir les cartographies.

L'invention a pour but de proposer un système de régulation d'un turbocompresseur qui permet de réduire ces imprécisions et de compenser leur dérive dans le temps, sans augmenter la complexité globale du système de régulation. L'invention propose un système turbocompresseur pour moteur a combustion interne de véhicule automobile, comprenant un turbocompresseur et une machine électrique configurée pour pouvoir appliquer alternativement un couple moteur et un couple résistant à l'arbre du turbocompresseur. Le système comprend en outre un premier capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz en aval de la turbine du turbocompresseur, un second capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz dans un collecteur d'admission des cylindres du moteur,comprend un capteur de température placé de manière à mesurer en amont du compresseur du turbocompresseur, une température de gaz entrant dans le système, comprend un capteur de température placé de manière à mesurer une température d'admission des gaz dans un collecteur d'admission du moteur, comprend un débitmètre placé de manière à mesurer le débit des gaz traversant le compresseur. Le système comprend une unité de commande électronique configurée pour calculer une consigne de puissance envoyée vers la machine électrique. Pour calculer la consigne de puissance l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer, une première valeur de puissance assimilable à une puissance de consigne du compresseur, et une valeur de premier régime de rotation assimilable à un régime de rotation du turbocompresseur. Cette première puissance et ce premier régime peuvent être calculés en prenant en compte une pression de suralimentation de consigne, la température en amont du compresseur, la température des gaz dans le collecteur d'admission, et le débit de gaz traversant le compresseur.

Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer une seconde valeur de puissance assimilable à une puissance estimée de la turbine, en prenant en compte le premier régime de rotation et la pression en aval de la turbine.

Avantageusement, l'unité de commande électronique est configurée pour calculer un terme de puissance de consigne en boucle ouverte en additionnant trois termes proportionnels respectivement à la première valeur de puissance, à la seconde valeur de puissance, et à un terme inertiel calculé à partir du premier régime de rotation.

Avantageusement, l'unité de commande électronique peut être configurée pour ajouter au terme de puissance de consigne en boucle ouverte, un correctif de consigne de puissance en boucle fermée, calculé en prenant en compte la pression de suralimentation de consigne, la pression mesurée par le second capteur de pression dans le collecteur d'admission, et le débit des gaz traversant le compresseur. Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul de la première puissance et du premier régime de rotation. L'unité de commande électronique peut être en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul du terme correctif de consigne de puissance en boucle fermée. L'unité de commande électronique peut être configurée pour estimer ou mesurer une seconde valeur de débit assimilable à un débit de la turbine, et une seconde valeur de température assimilable à une température en amont de la turbine, et pour prendre en compte ces deux valeurs dans le calcul de la seconde valeur de puissance. Selon un mode de réalisation avantageux, le turbocompresseur comprend une turbine à géométrie fixe et sans conduite de dérivation contournant la turbine. De manière préférentielle, l'unité de commande électronique est configurée pour utiliser, pour le calcul de la consigne de puissance, au plus deux types de consignes cartographiées directement en fonction du point de fonctionnement du moteur, soit une première valeur de cartographiée assimilable à une pression, et au plus une seconde valeur cartographiée assimilable à une température. Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de régulation d'un turbocompresseur pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur étant relié à une machine électrique apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif. On calcule une première consigne de puissance de la machine électrique en soustrayant à une puissance souhaitée du compresseur du turbocompresseur, une valeur estimée de la puissance actuellement délivrée par la turbine et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée du régime actuel de rotation du turbocompresseur. Avantageusement, on pilote la machine électrique par un terme de consigne obtenu en ajoutant à la première consigne de puissance un terme obtenu par un régulateur à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, le taux de compression de consigne étant calculé à partir de la pression de suralimentation de consigne, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur, et le taux de compression estimé étant calculé à partir de la pression délivrée par le second capteur de pression, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur. 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 rappelle l'architecture générale d'un moteur équipé d'un turbocompresseur selon l'invention, -la figure 2 illustre une partie d'un système de régulation d'un turbocompresseur appartenant au système de motorisation de la figure 1. Tel qu'illustré sur la figure 1, un système turbocompresseur 1 comprend un turbocompresseur 37, une machine électrique 45, un moteur 30 équipé de capteurs 14, 15, 17, 18, 19, 40, 49, 54, 55 et comprend une unité de commande électronique 2. Le turbocompresseur 37 comprend un compresseur 32 et une turbine 33 montés sur un arbre commun. Une machine électrique 45 est également solidaire, ou solidarisable au travers d'un embrayage, de l'arbre du turbocompresseur. Par solidaire, on entend que la machine électrique 45 est reliée à l'arbre du turbocompresseur de manière à pouvoir entraîner celui-ci en rotation, éventuellement au travers d'un jeu d'axes et de pignons. De l'air frais A, arrivant à une pression atmosphérique Patmo, mesurée par un capteur de pression 49, est filtré par un filtre à air 31. L'air filtré issu du filtre 31 est comprimé par le compresseur 32. L'air comprimé est ensuite refroidi par un échangeur 34 et injecté via une vanne 39 alimentant un collecteur d'alimentation 40 assurant qu'une même pression d'air arrive aux cylindres 41 du moteur 30. Une partie des gaz sortant des cylindres du moteur 30 peut, dans certaines variantes de réalisation, être détournée vers le collecteur d'admission 40 via un court circuit muni d'un refroidisseur 35 et d'une vanne 36. La turbine 33 du turbocompresseur 37 est entraînée par les gaz d'échappement du moteur. La turbine 33 entraîne en rotation le compresseur 32. Un couple supplémentaire, couple moteur ou couple de freinage, peut être appliqué au compresseur à l'aide de la machine électrique 45. La machine électrique 45 est alimentée à partir d'une batterie d'accumulation 44, au travers d'un convertisseur électrique 43.

Le turbocompresseur 37 est relié à une unité de commande électronique 2, elle-même reliée à un estimateur 17 du régime de rotation Ne du moteur 30 et à un estimateur 18 du couple Ce développé par le moteur 30. Selon les variantes de réalisations, l'unité de commande 2, au lieu d'être reliée à un estimateur de couple 18 peut être reliée à une unité d'injection (non représentée) transmettant à l'unité de commande 2, la valeur instantanée FIMsp de consigne de débit de carburant injecté dans le moteur 30. Le turbocompresseur 37 est équipé d'un débitmètre 15 disposé de manière à mesurer le débit de gaz We traversant le compresseur 32, et d'un premier capteur de température 14 disposé de manière à mesurer la température Tue de gaz en amont du compresseur, par exemple placé dans le débitmètre 15, et d'un premier capteur de pression 19 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression de gaz Pdt en aval de la turbine 33, par exemple placé entre la turbine 33 et un filtre à particules (non représenté). Le premier capteur de température, le débitmètre et le premier capteur de pression sont reliés à l'unité de commande électronique 2. L'unité de commande électronique 2 est également reliée à un second capteur de pression 16 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression Pspg des gaz présents dans le collecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 peut être en outre reliée à un capteur de température d'air 55 mesurant la température d'air dans le collecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 est aussi reliée à un capteur 49 de pression atmosphérique Patmo, capteur qui peut par exemple être intégré à un calculateur d'injection. L'unité de commande 2 est également reliée à un superviseur 42 qui transmet à l'unité de commande 2, une valeur de consigne Pspg,sp représentant la pression de gaz souhaitée dans le collecteur d'admission 40. Pspg,sp est parfois aussi appelée par la suite pression de suralimentation de consigne.

L'unité de commande 2 élabore une consigne de puissance électrique Pelec,sp qui est par exemple envoyée au convertisseur 43, qui alimente alors la machine électrique 45 de manière à générer un couple moteur correspondant à cette puissance électrique, ou qui pilote la machine électrique 45 de manière à ce qu'elle développe le couple résistant correspondant. Les "consignes de puissance électrique" (par exemple Pelec,sp) s'entendent ici comme les puissances mécaniques demandées à la machine électrique, en tenant compte du rendement de la machine. Le court circuit 35 représente ici un système de recirculation de gaz à haute pression, ou "EGR HP". L'invention peut aussi être appliquée à des systèmes comprenant un circuit de recirculation à basse pression, ou "EGR BP", dans lequel les gaz d'échappement sont réinjectés en amont du compresseur. La figure 2 illustre une partie d'un système de régulation associé à un turbocompresseur selon l'invention. On retrouve sur la figure 2 des éléments communs à la figure 1, les mêmes éléments étant alors désignés par les mêmes références. L'unité de commande électronique 2 comprend un générateur de consigne 12 apte à délivrer une consigne de puissance de la machine électrique 45. L'unité de commande électronique 2 comprend un estimateur 20 apte à estimer un régime de rotation Ntc,est du turbocompresseur, et apte à délivrer une puissance compresseur de consigne POW,,sp. L'unité de commande électronique 2 peut également comprendre une cartographie 13 permettant de relier un débit W, du compresseur à un incrément de pression A13,001 correspondant à une perte de charge au niveau de l'échangeur 34. Le générateur 12 comprend une unité de calcul de puissance turbine 21, un estimateur 4 de puissance électrique en boucle ouverte, un sommateur 5, et un régulateur 11. L'unité de calcul de puissance turbine 21 comprend un calculateur de coordonnées 22, une première cartographie 3a, une seconde cartographie 3b, et un estimateur de puissance turbine 46. L'unité de commande électronique 2 reçoit sur une première entrée numérique ou analogique une valeur de température Tut représentant une température en amont de la turbine 33. Cette valeur de température Tut est communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. L'unité de commande électronique 2 reçoit sur une autre entrée numérique ou analogique une valeur de débit Wi représentant un débit traversant la turbine. Cette valeur de débit est également communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. Les valeurs Wt et Tut peuvent être des valeurs mesurées, mais peuvent être également des valeurs estimées à partir d'autres valeurs connues. La valeur Wt peut être estimée au moyen de l'équation 2, et la valeur Tut peut être cartographié en fonction du point de fonctionnement (régime, couple) du moteur 30. Le calculateur 22 reçoit également la valeur Pdt de pression en aval de la turbine, délivrée par le capteur 19. Une valeur de pression 1311,, qui peut aussi être soit mesurée, soit estimée, par exemple au moyen de l'équation 1, est communiquée au régulateur 11 et à l'estimateur de régime turbo 20. Le premier calculateur 20 reçoit en entrée les données délivrées par les capteurs 14, 15, 17 ainsi que la consigne de pression de suralimentation Pspg,sp émanant du superviseur 42. Il reçoit également en entrée la troisième valeur de pression estimée Pu,. A partir de ces valeurs, et à l'aide de diverses cartographies (non représentées) le premier calculateur 20 calcule une valeur POW,,sp assimilable à une puissance de consigne du compresseur 32, et une valeur N tc,est assimilable à une vitesse de rotation d'un arbre du turbocompresseur.

La valeur Ntc,est est calculée en particulier à partir des équations 4b et 6b détaillées plus bas. La valeur POW,,sp est calculée en particulier à l'aide des équations 4a, 6a, et 8, ainsi que des équations 3 et 9, détaillées plus bas. La valeur Ntc,sp est envoyée vers le calculateur de coordonnées 22, et en parallèle vers l'estimateur en boucle ouverte 4. La puissance compresseur de consigne POW,,sp est envoyée vers l'estimateur 4 en boucle ouverte. Le premier calculateur 20 peut utiliser une cartographie 13 pour calculer une valeur 413,001 assimilable à une perte de charge, à partir du débit W, issu du capteur 15. La valeur APcoot est utilisée également par le régulateur 11. Selon une variante de réalisation, le premier calculateur 20 peut recevoir en entrée directement la valeur 413,001. Le calculateur de coordonnées 22 calcule à partir des valeurs Wt, Tut et Pdt, trois coordonnées Cl, C2, et C3. Cl et C2 sont utilisées par l'unité de calcul 21 pour lire la cartographie 3a, et Cl et C3 sont utilisées pour lire la cartographie 3b, comme indiqué par exemple dans les équations 11 et 12. La valeur sans dimension rit, qui peut être considérée comme un rendement de la turbine, et la valeur sans dimensions PR, qui peut être considérée comme un taux de détente de la turbine, sont ainsi extraites respectivement des cartographies 3a et 3b, et envoyées vers l'estimateur de puissance turbine 46. L'estimateur de puissance turbine 46 reçoit en outre les valeurs Wt et Tut, également utilisées par le calculateur de coordonnées 22. L'estimateur de puissance turbine 46 envoie une valeur POWt,est de puissance turbine, estimée par exemple au moyen de l'équation 10, vers l'estimateur en boucle ouverte 4. L'estimateur en boucle ouverte 4 utilise le régime turbo estimé Ntc,est, un terme inertiel Nt c,',dN ''est issu de ce régime turbo estimé, la dt puissance compresseur de consigne POW,,sp et la puissance turbine estimée POWt,est pour calculer, par exemple selon l'équation 14, une consigne de puissance électrique en boucle ouverte Pelec,sp,ol, qui est envoyée sur une des entrées du sommateur 5. Le terme inertiel Ntc,est dN tc'est peut être calculé directement par l'estimateur 4, ou peut par dt exemple lui parvenir d'un dérivateur 58 recevant du premier calculateur 20 la valeur Ntc,est- Le sommateur 5 reçoit sur une seconde entrée une valeur de correction en boucle fermée P - elec,sp,c1, issue du régulateur 11. Le régulateur 11, qui peut être un régulateur de type PID (proportionnel intégral dérivé) élabore cette valeur de correction en boucle fermée Pelec,sp,c1, à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, tel que calculé par exemple à l'équation 4b, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, tel que défini par exemple à l'équation 4a. Le régulateur 11 utilise pour cela les valeurs issues des capteurs 15 et 16, la valeur estimée 1311,, la consigne Pspg,sp issue du superviseur 42, ainsi que, éventuellement, la cartographie 13. Comme indiqué aux équations 4a et 4b, le taux de compression estimé est calculé en fonction de deux variables mesurées ou estimées sur le turbocompresseur 37, soit Pu, et APcool, et d'une variable mesurée ou estimée au niveau du collecteur 40, Pspg Le taux de compression de consigne est calculé en fonction de deux variables issues de mesures Pu, et APcool, et d'une valeur de consigne Pspg,sp qui est substituée à la valeur mesurée Pspg dans les formules de calcul ayant servi au calcul du premier taux de compression. Le mode de calcul des différentes grandeurs est exposé ci- après.

Lexique des principales grandeurs utilisées : Grandeur Unité Description Patmo [mbar] Pression atmosphérique (mesurée) Pspg [mbar] Pression (mesurée) dans le collecteur ou "pression de suralimentation" Puc [mbar] Pression en amont du compresseur (estimée) P [mbar] Pression en aval du compresseur (estimée) dc Pdt [mbar] Pression en aval de la turbine (mesurée) PR. H Taux de compression P.,"Pdc PR, H Taux de détente Put/Pd, Ce [Nm] Couple développé par le moteur 30 Ne [1-Pln] Régime du moteur 30(mesuré) N, [1-Pln] Régime du turbocompresseur(estimé) 0-1tc [rad/s] N,, mais exprimé en rad/s J [Kg/m2] Inertie du turbocompresseur Wc [K gis] Débit du compresseur (mesuré) Wt [Kg/s] Débit de la turbine (estimé) 11c H Efficacité/rendement du compresseur (cartographiée, ou calculée) 11 H Efficacité/rendement de la turbine (cartographiée, ou calculée) Tuc [°K] Température en amont du compresseur (mesurée) T., [°K] Température en amont de la turbine (estimée) Tadm [°K] Température de l'air dans le collecteur d'admission à l'entrée du moteur 30(mesurée) c p,adm [J/(Kg-°K)] Capacité thermique massique des gaz à l'admission c p,exh [J/(Kg-°K)] Capacité thermique massique à des gaz à l'échappement Y H Rapport des capacités thermiques massiques Cp/C, des gaz (à l'admission ou à l'échappement suivant les équations) POW, [W] Puissance de la turbine POW. [W] Puissance compresseur APcool [mbar] Perte de charge de l'échangeur 34 Rau 8,314 J Mo1-11(-1 Constante des gaz parfaits Pelec,sp,o1 [W] Consigne de puissance électrique en boucle ouverte Pelec,sp,c1 [W] Correction de puissance électrique en boucle fermée Pe,sp [W] Consigne de puissance de la machine électrique (positive en mode moteur, négative en générateur) De manière générale dans ce qui suit Xest est une variable estimée à partir d'une ou plusieurs variables mesurées, à l'aide de cartographie éventuelles. Xptes est une variable mesurée par un capteur dédié.

Xsp ("set point") est une variable de consigne, élaborée au moins en partie à partir de grandeurs émanant du conducteur du véhicule. Les variables utilisées comme "mesures" dans la stratégie de contrôle peuvent se décomposer trois catégories : - les variables directement mesurées - les variables directement estimées - les variables "hybrides" qui peuvent être estimées ou mesurées en fonction du fonctionnement du reste du circuit de circulation de gaz dans le moteur.

Variables mesurées consommées dans la stratégie Ces variables sont : - Régime moteur Ne, - Débit carburant FIM sp, proportionnel au couple Ce développé par le moteur - Pression atmosphérique P, - Pression collecteur Pspg. - Débit passant à travers le compresseur - Température amont compresseur T. - Pression aval turbine Pdt Dans des variantes de réalisation de l'invention, on peut faire l'économie d'un ou deux capteurs en estimant indirectement les variables suivantes : - Débit passant à travers le compresseur Wc, - Température amont compresseur Tuc, qui sont alors des variables "hybrides" consommées dans la stratégie. En effet, les conditions d'utilisations de ces variables sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP. Dans le cas de l'EGR HP, un débitmètre d'air est utilisé comme information de débit compresseur et un capteur de température d'air extérieur est utilisé comme information de température amont compresseur. Dans le cas contraire (EGR BP, ou pas d'EGR), le débit compresseur est estimé via le remplissage, et la température amont compresseur est estimée via un bilan enthalpique utilisant le capteur de température d'air entrée moteur. Variables estimées consommée dans la stratégie Ces variables sont : - La pression amont compresseur - La température amont turbine Tut, - Le débit échappement W. Estimation de la pression amont compresseur : Pour l'estimation de la pression amont compresseur, on considère la perte de charge du filtre à air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air. = Pahmo f f'(Wc) Equation (1) Equation de perte de charge du filtre à air Estimation de la température amont turbine : La température amont turbine, T.' est utilisée dans la stratégie. Elle est estimée grâce à une cartographie qui dépend du régime moteur et du débit carburant. Cette cartographie est pré calibrée grâce à des essais réalisés sur banc moteur. La calibration est ensuite affinée par des essais sur véhicule.

Estimation du débit échappement, aussi appelé débit turbine : En stabilisé le débit turbine Wt est égal au débit compresseur plus le débit carburant. En dynamique, ce bilan est affecté par les termes de dynamique de la ligne d'air et de l'échappement. Pour modéliser cette dynamique, on écrit le débit turbine comme suit : = We ± 0.00012 FIM sp * Ne Pspgr/tot Equation (2) RairTadm Calcul du débit échappement estimé (pour un moteur à 4 cylindres), où FIMsp est le débit carburant (en mg/cp). Le volume Vtot est une variable de calibration qui permet de représenter les effets dynamiques sur le débit. Consigne de débit compresseur Les conditions de calcul de cette variable W,,,p sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP. Dans le cas de l'EGR HP, on prend directement la consigne qui sert de consigne à l'EGR HP. Dans le cas contraire (EGR BP ou sans EGR), la consigne de débit compresseur est calculée sur la base de l'équation de remplissage moteur. L' équation qui résume le calcul est la suivante : P , ye Wc s - sPg 'sPVlivol( P achn sp N e) Equation (3) P 120Ra,Tadm ' Calcul du débit d'air consigne sans EGR HP où : - Vcy, [m3] est la cylindrée du moteur, - vo/ est le rendement volumétrique. Cette cartographie est identifiée à partir des essais en stabilisé. - pachn[Kg/m3] est la densité d'air dans le collecteur d'admission 40 (obtenue en divisant la pression de l'air dans le collecteur par la température de l'air dans le collecteur et par la constante des gaz parfaits) De la pression de suralimentation au taux de compression Cette première étape de calcul a pour but de transformer la pression de suralimentation en taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du compresseur. Pour le calcul du taux de compression, on considère la perte de charge du refroidisseur d'air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air. Les taux de compression consigne et estimé sont calculés respectivement avec la consigne et la mesure de pression de suralimentation, respectivement Pspg,s, et Pspg,mes La consigne de pression de suralimentation est généralement stockée dans une cartographie, en fonction du couple et du régime du moteur. La mesure de pression de suralimentation est faite via un élément piézoélectrique 16 qui permet la conversion de la pression en tension électrique directement l'interprétable par le calculateur d' inj ection.

Consigne et estimation du taux de compression Le calcul de la consigne et l'estimation du taux de compression est expliqué par : Pspg , sp cool et PR,,,est - Pspg ,mes +APcooi Calcul du taux de = compression PRc,sp Puc Puc Equation 4b Equation 4a - Calcul de la perte de charge RAS APcool icool(wC) Entrées/ Sorties du bloc Entrées :+-- - Pression de suralimentation consigne Pspg,s, par exemple, - Pression de suralimentation mesure Pspg,mes, - Débit compresseur Wc, - Pression amont compresseur Puc, - Température amont compresseur Tuc. Sorties : - Taux de compression consigne PR', - Taux de compression estimé PR,st. Le taux de compression consigne peut être limité afin de garantir à terme de ne pas dépasser un régime turbocompresseur limite Du taux de compression au régime turbocompresseur Cette deuxième étape de calcul a pour but de lier le régime turbocompresseur avec le taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du turbocompresseur. Consigne et estimation du régime turbocompresseur Pour la consigne et l'estimation du régime turbo, nous utilisons les cartographies constructeur et moteur pour obtenir le régime turbo corrigé en fonction du régime moteur et du taux de compression. En effet, en exprimant le débit compresseur comme étant le débit aspiré par le moteur, nous obtenons : PR, = 0-1 N 17 adm,s p, N e) P VN spg cyl e rivol(P T Tue Pref ref ,c Tu, 120RairTadrn T P ref ,c uc Equation (5) En inversant cette fonction, on obtient le régime turbocompresseur corrigé en fonction du taux de compression et du régime moteur. Cette fonction est notée fNt. Nous avons donc : N tc,sp fNt(PRc,sp, N e)i N tc,est = fNt(PRc,est Ne) et ref ,c ref ,c Equation (6a) Equation (6b) Calcul du régime turbocompresseur (équations 4) avec Tue la température amont compresseur et, Tref,c la température de référence du compresseur.

Entrées/ Sorties du bloc de calcul : Entrées : - Régime moteur Ne, - Taux de compression estimé PRe,es' - Taux de compression consigne PRe,sp, - Température amont compresseur mesuré T. Sorties : - Régime turbocompresseur consigne Nte,sp, - Régime turbocompresseur estimé N te,es, .

Vers une consigne de puissance compresseur Cette étape de calcul a pour but de lier les précédents calculs afin de construire une consigne de puissance compresseur. L'expression de la puissance compresseur est donnée par : ^ y-1 1 PKY -1 Equation (7) POWc - Cp,adm uc Tl c où : - Wcest le débit passant à travers le compresseur, - ]est la température amont compresseur, - PRcest le taux de compression, - Cp,adm est la capacité thermique massique des gaz l'admission, - y est le rapport des capacités thermiques massiques à l'admission. - r1 est l'efficacité compresseur, cartographiée La question est de savoir dans ce calcul si les variables utilisées doivent être des valeurs de consigne ou des valeurs mesurées/estimées. Le même type d'arbitrage s'impose pour le calcul de la puissance turbine qui utilise un débit une efficacité turbine. Dans le calcul de la puissance de consigne, nous faisons le choix d'utiliser toutes les consignes possibles. La puissance compresseur consigne délivrée par l'estimateur 20 s'exprime : POWc,p c,spTuc C p adm PR 7 -1 c,sp 1 ( Equation (8) - r1 est l'efficacité compresseur de consigne, cartographiée par exemple sous la forme : Tuc Pref,c'\ T P ref,c uc = ref,c c,sp Equation (9) c,sp Nt,sp,i Tuc Entrées/ Sorties du bloc Entrées : -Taux de compression consigne PR', -Débit compresseur consigne Wc,sp, -Régime turbocompresseur consigne Art,sp, -Température et pression amont compresseur T.,. et P.

Sortie : Puissance compresseur consigne POW. Vers une estimation de puissance turbine Cette étape de calcul a pour but d'estimer la puissance actuellement prélevée par la turbine dans les gaz d'échappement. La puissance turbine estimée est donnée par : y-1 P0 W t,est -it -Tut P ,exh Equation (10) 1 Y PR t 1- où : - Thest l'efficacité turbine, - cP ,exh est la capacité thermique massique à l'échappement, - Y est le rapport des capacités thermiques massiques à 1 ' échappement.

Avec le taux de détente turbine étant cartographié dans la cartographie 3b sous la forme suivante : ( P Tref PR, = fPR, Dref tc,est = f pR, (C3, ci) Equation (11) '1771t - Wr - ,, i dt Tut ) Avec l'efficacité de la turbine calculée par la relation statique suivante : = Pre = fit (c2, ci) Equation (12) W I est c' Tut Pdi T ut ) Entrées/ Sorties du bloc Entrées : - Wtest le débit passant à travers la turbine, - N,cestest l'estimation du régime du turbocompresseur, - Test la température amont turbine, - Tref est la température de référence turbine (valeur constante), - Pref est la pression de référence turbine (valeur constante), - Pd, est la pression aval turbine - PR, est le taux de détente, Sorties : - Puissance turbine estimée P,,es, Vers la consigne de boucle ouverte de puissance électrique. Cette étape de calcul a pour but de déterminer la consigne de puissance électrique grâce au bilan de puissance sur l'arbre du turbocompresseur. L'utilisation du terme dynamique apporte un gain sur le temps de réponse de la boucle de suralimentation (effet d'anticipation). dl 2 Equation (13) =POWc,-POW,,',+-(-Jco') dt 2 où - POWest la consigne de puissance compresseur, - POWtest la puissance turbine, - co' est le régime turbocompresseur estimé(en rad/s), - Jest l'inertie de l'ensemble tournant (compresseur, axe, turbine et machine électrique).

La consigne de puissance électrique se calcule donc en fonction de la puissance compresseur consigne, de la puissance turbine estimée et de la variation d'énergie cinétique consigne. Elle s'écrit donc : dNtc,est elec,sp,o1 = POC,S1) W - POW,est + (-TC) 2 JNtc,est P ' 30 Equation (14) Calcul de la consigne de puissance turbine en boucle ouverte Entrées/ Sorties du bloc Entrées : - Puissance compresseur consigne POWc,, - Régime turbocompresseur estimé dt - Puissance turbine estimée POW',. - Sorties : - Puissance électrique consigne boucle ouverte 5 Remarque : dans notre convention la consigne de puissance électrique est positive en mode moteur et négative en mode générateur. Le mode moteur est défini par 7CdN 10 PO,sp W, > POW,,'t +(-) 2 JNt'e 't Equation (16) 30 dt Le mode générateur est défini par 7CdN POW < + (-)2 JN 'est 30 ' dt Equation (15) Vers une consigne de puissance électrique en boucle fermée : Un contrôleur peut être nécessaire pour compenser les erreurs de modèle. Il est à noter que plus le modèle utilisé est précis, moins l'action du contrôleur sera nécessaire. On peut même envisager des variantes de réalisation sans contrôleur. La stratégie basée sur modèle est suffisamment performante pour qu'un PID à gains fenêtrés constants soit suffisant. dE PRc elec,sp,c1 =K xe +K, p PRc TE pRcdt+K d Equation (17) dt OÙ: CpRc est l'écart entre les valeurs de rapports de détente estimé et de consigne calculés respectivement aux équations (4a) et (4b) Kp, K Kd sont des valeurs de gains du régulateur 11.

La sortie du contrôleur est destinée à opérer une correction de taux de détente (PRd), c'est pourquoi nous avons choisi de mettre en entrée du contrôleur une erreur de taux de compression afin de limiter la variation de gain statique entre les valeurs d'entrée et de sortie Les entrées/sorties sont Entrées : - Taux de compression consigne - Taux de compression estimé PR,s' Sorties : - Correction de puissance électrique consigne boucle fermée Pelect ,sp ,c1 - L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits et peut se décliner en de nombreuses variantes. Dans l'exemple illustré plus haut, certaines variables de fonctionnement du turbocompresseur sont mesurées à l'aide de capteur ou directement déduites à partir de mesures effectuées par des capteurs. D'autres variables sont estimées à partir des mesures effectuées à l'aide de modèles mathématiques. La proportion de variables directement issues de mesures et de variables estimées peut être modifiée sans sortir du cadre de l'invention. Un système de saturation peut être prévu entre le sommateur 5 et le convertisseur électrique 43 pour imposer une consigne de puissance à la machine électrique qui est comprise entre une valeur minima et une valeur maxima, ces valeurs minima et maxima dépendant des autres paramètres de fonctionnement du moteur 30. Le capteur de température 55 dans le collecteur d'admission peut être remplacé par un débitmètre mesurant le débit de la turbine. Le capteur de pression (Pat.) d'air extérieur au véhicule peut être remplacé par un capteur de la pression (P) à l'entrée du compresseur. Le système de régulation selon l'invention peut être utilisé aussi bien pour des systèmes avec recirculation de gaz d'échappement à haute pression (EGR HP) que pour des systèmes avec recirculation de gaz à basse pression (EGR BP). Il ne nécessite qu'un nombre minimal de capteurs de pression (un capteur de pression d'air atmosphérique et un capteur de pression d'air dans le collecteur d'admission). Le système de régulation proposé permet une régulation fine de la pression de suralimentation grâce à la prise en compte des interactions physiques entre les différents paramètres mesurés, la puissance fournie à la machine électrique et la pression de suralimentation que l'on souhaite imposer. Le lien entre le taux de compression et le taux de détente se fait grâce au bilan d'énergie au niveau du turbocompresseur qui est un modèle physique fiable et indépendant du mode de fonctionnement moteur.

Liste de références 1 Système turbocompresseur 2 Unité de commande électronique 3a Première cartographie 3b Seconde cartographie 4 Estimateur en boucle ouverte 5 Sommateur 11 Régulateur 12 Générateur de consigne de puissance de la machine électrique 13 Cartographie reliant W, et AP,001 14 Capteur de température amont compresseur T' Débitmètre mesurant le débit compresseur W, 15 16 "2" capteur" de pression P - spg,mes dans le collecteur 40 17 Estimateur de régime moteur Ne 18 Estimateur de couple moteur Ce 19 "1' capteur" de pression Pdt en aval de la turbine 33 20 Estimateur estimant le régime turbo Ntc,est et la puissance compresseur de consigne POW,,sp 21 Unité de calcul de puissance turbine 22 Second calculateur des coordonnées Cl, C2 et C3 des cartographies 3a et 3b 30 Moteur 31 Filtre à air 32 Compresseur 33 Turbine 34 Echangeur 35 Refroidisseur 36 Vanne 37 Turbocompresseur 39 Vanne 40 Collecteur d'admission du moteur 41 Cylindres du moteur 42 Superviseur élaborant la consigne pression de suralimentation Pspg,sp 43 Convertisseur électrique 44 Batterie 45 Machine électrique 46 Estimateur de puissance turbine 55 Capteur de température d'air dans le collecteur d'admission du moteur 58 Dérivateur A Prise d'air frais Nota : p.10 à 12 : liste des principales grandeurs mentionnées

Claims

REVENDICATIONS1. Système turbocompresseur pour moteur (30) à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un turbocompresseur (37) et une machine électrique (45) configurée pour pouvoir appliquer alternativement un couple moteur et un couple résistant à l'arbre du turbocompresseur, le système comprenant en outre un premier capteur de pression (19) apte à mesurer la pression (Pdt) de gaz en aval de la turbine (33) du turbocompresseur, un second capteur de pression (16) apte à mesurer la pression (P spg,mes) de gaz dans un collecteur (40) d'admission des cylindres du moteur (30),comprenant un capteur (14) de température placé de manière à mesurer en amont du compresseur (32) du turbocompresseur, une température (T) de gaz entrant dans le système, comprenant un capteur (55) de température placé de manière à mesurer une température d'admission (Tad.) des gaz dans un collecteur d'admission (40) du moteur (30), comprenant un débitmètre (15) placé de manière à mesurer le débit (Wc) des gaz traversant le compresseur, le système comprenant une unité de commande électronique (2) configurée pour calculer une consigne de puissance (13,,sp) envoyée vers la machine électrique (45), caractérisé en ce que, pour calculer la consigne de puissance (13,,sp) l'unité de commande électronique (2) est configurée pour élaborer, une première valeur de puissance (POW,,sp) assimilable à une puissance de consigne du compresseur, et une valeur de premier régime de rotation (Ntc,est) assimilable à un régime de rotation du turbocompresseur, cette première puissance et ce premier régime étant calculés en prenant en compte une pression de suralimentation de consigne (Pspg,sp), la température en amont du compresseur (T), la température (Tadm) des gaz dans le collecteur d'admission (40), et le débit de gaz (Wc) traversant le compresseur.
2. Système turbocompresseur selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande électronique 2 est configurée pour élaborer une seconde valeur de puissance (POWtest) assimilable à une puissanceestimée de la turbine (33), en prenant en compte le premier régime de rotation (Ntc,est) et la pression (Pdt) en aval de la turbine.
3. Système turbocompresseur selon les revendications 1 et 2, dans lequel l'unité de commande électronique est configurée pour calculer un terme de puissance de consigne en boucle ouverte (Pelec,sp,o1) en additionnant trois termes proportionnels respectivement à la première valeur de puissance (POW,,sp), à la seconde valeur de ' puissance (POWt,est), et à un terme inertiel ( Nt c est dNtc est ) calculé à ' dt partir du premier régime de rotation (Ntc,est)-
4. Système turbocompresseur selon la revendication 3, dans lequel l'unité de commande électronique est configurée pour ajouter au terme de puissance de consigne en boucle ouverte (P elec,sp,o1), un correctif de consigne de puissance (P elec, sp, cl) en boucle fermée, calculé en prenant en compte la pression de suralimentation de consigne (Pspg,sp), la pression (P spg,mes) mesurée par le second capteur de pression (16) dans le collecteur d'admission (40), et le débit (Wc) des gaz traversant le compresseur.
5. Système turbocompresseur selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression (13) assimilable à une pression en amont du compresseur (32), et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul de la première puissance (POW,,sp) et du premier régime de rotation (Ntc,est)-
6. Système turbocompresseur selon la revendication 4, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression (13) assimilable à une pression en amont du compresseur (32), et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul du terme correctif de consigne de puissance (Pelec, sp, cl) en boucle fermée.
7. Système turbocompresseur selon la revendication 2, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une seconde valeur de débit (Wt) assimilable à un débit de la turbine, et une seconde valeur de température (Tut) assimilable à une température en amont de la turbine, et pour prendreen compte ces deux valeurs dans le calcul de la seconde valeur de puissance (POWcest).
8. Système turbocompresseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le turbocompresseur comprend une turbine à géométrie fixe et sans conduite de dérivation contournant la turbine.
9. Système turbocompresseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande électronique 2 est configurée pour utiliser, pour le calcul de la consigne de puissance (13,,sp), au plus deux types de consignes cartographiées directement en fonction du point de fonctionnement (Ne, Ce) du moteur (30), soit une première valeur de cartographiée (Pspg,sp) assimilable à une pression, et au plus une seconde valeur cartographiée (Tut) assimilable à une température.
10. Procédé de régulation d'un turbocompresseur (37) pour moteur (30) à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur (37) étant relié à une machine électrique (45) apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif, dans lequel on calcule une première consigne de puissance (P elec,sp,o1) de la machine électrique (45) en soustrayant à une puissance souhaitée (POW) du compresseur (32) du turbocompresseur, une valeur estimée (POWcest) de la puissance actuellement délivrée par la turbine (33) du turbocompresseur, et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée (Ntc,est) du régime actuel de rotation du turbocompresseur (37).
11. Procédé de régulation selon la revendication 10, dans lequel on pilote la machine électrique par un terme de consigne (13,,sp) obtenu en ajoutant à la première consigne de puissance (P elec,sp,o1) un terme obtenu par un régulateur (11) à partir d'un écart entre un taux de compression estimé (PRc,est) du turbocompresseur, et un taux de compression de consigne (PR,) du turbocompresseur, le taux de compression de consigne (PR,) étant calculé à partir de la pression de suralimentation de consigne (Pspg,sp), du débit mesuré (Wc) des gaz traversant le compresseur, et d'une pression (P u P at mo) mesurée en amont du compresseur, et le taux de compression estimé (PRc,est) étantcalculé à partir de la pression (P \- spg,mes) délivrée par le second capteur de pression (16), du débit mesuré (W,) des gaz traversant le compresseur, et d'une pression (P , - u c,-P atmo) mesurée en amont du compresseur.