FR2998924A1 - Procede de commande d'un moteur thermique equipe d'une double suralimentation - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne d'une part un moteur thermique (1) équipé d'une double suralimentation (2 ; 3), pour laquelle un compresseur mécanique (3) est entraîné par un moteur électrique (11) et d'autre part un procédé de commande d'un tel moteur thermique (1), dans lequel on commande le moteur électrique (1) en déterminant une consigne de vitesse de rotation du compresseur volumétrique (3) au moyen d'un modèle de remplissage du volume de suralimentation.

Description

La présente invention concerne le domaine de la commande de moteurs thermiques, en particulier pour des moteurs thermiques équipés d'une double suralimentation. On appelle suralimentation d'un moteur, le fait d'augmenter la quantité du mélange d'air et de carburant au sein des cylindres du moteur par rapport à un fonctionnement normal. La suralimentation, et a fortiori la double suralimentation permettent d'augmenter le rendement d'un moteur thermique sans modifier sa vitesse de rotation. En effet, le couple moteur (et par conséquent la puissance) dépend de l'angle formé entre la bielle et le vilebrequin, de la pression des gaz à l'intérieur du cylindre, nommée Pression Moyenne Effective (ou PME) et de la quantité de carburant introduite. Par exemple, pour un moteur à essence, si on augmente la quantité d'essence introduite dans le cylindre, il faut aussi augmenter proportionnellement la masse d'air (comburant) pour assurer une combustion complète de ce carburant (on conserve le même rapport air/carburant). Pour obtenir cette suralimentation, on augmente la masse de gaz à l'admission, ce qui permet d'augmenter la quantité de carburant. Pour cela, on comprime le mélange gazeux à l'admission du moteur (comprenant essentiellement de l'air et optionnellement des gaz brûlés). Cette compression peut être réalisée par le compresseur d'un turbocompresseur qui est entraîné par les gaz d'échappement au moyen d'une turbine, ou la compression peut être effectuée par un compresseur mécanique distinct, qui peut être entraîné par le vilebrequin du moteur. On appelle double suralimentation lorsque le mélange gazeux à l'admission est comprimé deux fois : par exemple, une première fois par un compresseur du turbocompresseur et une deuxième fois par un compresseur mécanique situé dans le circuit d'admission du moteur. Classiquement, le compresseur mécanique, contrôlé dynamiquement, compense l'inertie du turbocompresseur. Afin de contrôler la pression de l'air à l'admission, appelée pression de suralimentation, il est envisageable de modifier le comportement des deux compresseurs. D'une part, pour contrôler l'air passant dans le compresseur mécanique, on commande une vanne, dite vanne de by-pass, qui est placée en parallèle du compresseur et dévie l'air vers le compresseur en fonction de son ouverture qui est commandée. En outre, lorsque le compresseur est entraîné par le vilebrequin du moteur, un embrayage commandé est inséré entre un réducteur et le compresseur mécanique. L'embrayage permet l'activation ou la désactivation du compresseur mécanique. Classiquement, le compresseur mécanique est désactivé pour les régimes du moteur élevés (le régime limite dépend du rapport d'entraînement entre le vilebrequin et le compresseur mécanique). D'autre part, pour contrôler la compression d'air par le turbocompresseur, celui-ci est équipé d'une turbine à géométrie variable (VGT), dont la modification commandée de la géométrie entraîne une modification de la vitesse de rotation du turbocompresseur et donc une modification de la compression.
Pour les régimes stabilisés, le compresseur mécanique apparait très coûteux d'un point de vue énergétique lorsqu'il est en liaison direct avec le vilebrequin. Ce qui se traduit par une augmentation de la consommation du moteur. D'un point de vue transitoire, il apparaît que la pression de suralimentation est le résultat de deux grandeurs contrôlées par la turbine VGT et par la vanne de by-pass : la pression en aval du turbocompresseur (c'est-à-dire en amont du compresseur mécanique) et le taux de compression du compresseur mécanique. Ces deux grandeurs ayant des temps de réponse différents : la pression amont compresseur mécanique étant lente par rapport au taux de compression du compresseur mécanique due à l'inertie du turbocompresseur, la commande de la double suralimentation doit piloter les deux composants de manière à assurer une rapidité de réponse. Un procédé de contrôle de la double suralimentation doit alors répondre aux trois objectifs suivants : - assurer la pression de suralimentation requise pour atteindre la charge demandée par le conducteur. Cette régulation doit être la plus rapide possible et ne doit engendrer ni oscillation, ni dépassement important (par exemple de plus de 150 mbar). - respecter le point de fonctionnement optimal du point de vue de la consommation, c'est-à-dire désactiver le compresseur mécanique lorsqu'il n'est pas nécessaire pour atteindre la pression requise. - être robuste vis-à-vis des dispersions des différents capteurs et des composants du système de suralimentation, c'est-à-dire continuer de respecter le cahier des charges en présence de ces dispersions. Le brevet EP 1 844 222 B1 décrit un moteur thermique équipé d'une double suralimentation et un procédé de commande de la double suralimentation. Le moteur décrit dans ce document comprend un clapet supplémentaire commandé entre le turbocompresseur et le compresseur mécanique, ce qui rend le système plus complexe à réaliser et à commander (le nombre d'actionneurs à commander est plus élevé). En outre, le procédé de commande décrit dans ce document ne prend pas en compte le comportement physique des débits gazeux à l'admission. Pour répondre à ces problèmes, l'invention concerne d'une part un moteur thermique équipé d'une double suralimentation, pour laquelle un compresseur mécanique est entraîné par un moteur électrique et d'autre part un procédé de commande d'un tel moteur thermique, dans lequel on commande le moteur électrique en déterminant une consigne de vitesse de rotation du compresseur volumétrique au moyen d'un modèle de remplissage du volume de suralimentation. L'utilisation d'un moteur électrique permet de réduire le coût énergétique de la suralimentation et de réaliser des transitoires plus rapide à faible régime de rotation. Le modèle permet de tenir compte du comportement physique des débits gazeux à l'admission. De plus, la consigne de rotation du compresseur volumétrique permet de commander la double suralimentation de manière rapide, robuste et optimale énergétiquement. Le procédé selon l'invention L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur thermique équipé d'un système de suralimentation, ledit système de suralimentation comprenant un turbocompresseur et un compresseur volumétrique pour comprimer un mélange gazeux à l'admission dudit moteur thermique et un circuit de dérivation disposé en parallèle dudit compresseur volumétrique comportant une vanne commandée de by-pass, ledit compresseur volumétrique étant entraîné par un moteur électrique. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes : a) on acquiert une consigne de pression de suralimentation P_ : :uPrai b) on construit un modèle de remplissage du volume de suralimentation compris entre les soupapes d'admission dudit moteur d'une part et le compresseur volumétrique et la vanne de by-pass d'autre part ; c) on transforme ladite consigne de pression de suralimentation PZa1 en une consigne de vitesse de rotation NcspPr dudit compresseur volumétrique au moyen dudit modèle de remplissage du volume de suralimentation ; et d) on commande ledit moteur électrique selon ladite consigne de vitesse de rotation ArcspPr dudit compresseur volumétrique. Selon l'invention, on détermine une pression P a'pr et une température Ta'pr en amont dudit compresseur volumétrique ainsi qu'une pression Psural suralimentation à l'admission dudit moteur, ledit modèle de remplissage du volume de suralimentation reliant la pression de suralimentation P sural à la vitesse de rotation N cpr dudit compresseur volumétrique au moyen de la pression P a'pr et de ladite température Tavcpr en amont dudit compresseur volumétrique ainsi que ladite température Tsura, de suralimentation. Avantageusement, ladite pression 'sural et ladite température Tsural de suralimentation sont déterminées au moyen de capteurs respectivement de pression et de température disposés en amont du collecteur d'admission dudit moteur. De manière avantageuse, ladite pression P a'pr et ladite température Ta'pr en amont dudit compresseur volumétrique sont déterminées au moyen de capteurs respectivement de pression et de température disposés en amont dudit compresseur volumétrique ou au moyen et une température Tsung de d'un estimateur dépendant de ladite pression P1 sural et ladite température Tsura/ de suralimentation. De préférence, ledit modèle de remplissage est déterminé au moyen d'une équation de remplissage dudit volume de suralimentation définie par une formule de conservation des débits du type : Psural R7'saral ( cpr - Dbp - Dasp) avec I) sural la dérivée de ladite pression de suralimentation -Psural par rapport au temps, R la constante des gaz parfait, V sural le volume de suralimentation, D cpr le débit arrivant dudit compresseur volumétrique, Dbp le débit sortant à travers ladite vanne de by-pass qui est fonction de l'ouverture de ladite vanne de by-pass et Dasp le débit aspiré sortant vers les cylindres dudit moteur.
Avantageusement, ledit débit Dbp sortant à travers ladite vanne de by-pass est déterminé par une relation de pertes de charges au niveau de ladite vanne de by-pass, notamment par une équation de Barré Saint Venant, du type : D bp = Abp(BypaSS)X f(leavcpr, Psural Tavcpr) avec Abp(Bypass) la surface d'ouverture de la vanne de by-pass et f le débit par unité de surface défini par une formule du type : Vsural 7-1 Y y+1 f(Pavepr sural ,Tavcpr)= RTavcpr 1 \, sural Pavcpr)7 [Pavcpr)7 Psural Si [Ppavcprj>( 2 ral Y +1 2 Y 1 'sural si
p lavcprj< \P sural [y +1 2 77+1 avec y le rapport des capacités massiques des gaz. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit modèle de remplissage est un modèle de remplissage en boucle ouverte qui ( bsp u isural - r sural R T sural Pavcprl'avcpr s'écrit par une relation du type Pavcpr avec N.; = 0-1 + Abp(Bypass). f(Pavcpr 5 Pssf sural' Tavcpr)+ DZ P sural +8F Pavcpr la densité des gaz passant à travers le compresseur volumétrique donnée par Pavcpr RTavepr ,Ø le débit volumétrique dudit compresseur mécanique, Dfsp la consigne de Pavcpr débit de gaz aspiré par les cylindres dudit moteur et 8P les pertes de charge dans un refroidisseur à air situé entre ledit turbocompresseur et ledit compresseur mécanique.
Alternativement, ledit modèle de remplissage est un modèle de remplissage en boucle fermée qui s'écrit par une relation du type ( PssuPral - vsural + 8 + Abp(Bypass) - f(Pavcpr, PssuPral 9Tavcpr)± D :fp R Tsurai N:r,r = 'sural + avec Pas cpr avcior 811 - p(Psural P.ssuPra1)- Kil,(Psural PssuPralPt P avcpr la densité des gaz passant à travers le compresseur volumétrique donnée par pavcpr = avePr , le débit volumétrique RTavcpr dudit compresseur mécanique, Daesp la consigne de débit de gaz aspiré par les cylindres dudit moteur, 8P les pertes de charge dans un refroidisseur à air situé entre ledit turbocompresseur et ledit compresseur mécanique, K , et Kp des paramètres de calibration de la boucle de retour.
En outre, on peut fermer ladite vanne de by-pass lorsque ledit moteur électrique est commandé. De préférence, on ferme ladite vanne de by-pass lorsque la différence de pression entre ladite consigne de pression de suralimentation PssaPrai et la pression en amont dudit compresseur volumétrique Pa'pr est supérieure à un seuil, ladite vanne de by-pass étant ouverte sinon. L'invention concerne également, un moteur thermique équipé d'un système de suralimentation, ledit système de suralimentation comprenant un turbocompresseur et un compresseur volumétrique pour comprimer un mélange gazeux à l'admission dudit moteur thermique et un circuit de dérivation disposé en parallèle dudit compresseur volumétrique comportant une vanne commandée de by-pass, ledit compresseur volumétrique étant entraîné par un moteur électrique. Le moteur comprend en outre des moyens de mise en oeuvre du procédé tel que décrit précédemment. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit moteur électrique est alimenté par un générateur placé sur le vilebrequin dudit moteur thermique. Alternativement, ledit moteur électrique est alimenté par une batterie électrique. Avantageusement, la puissance mécanique dudit compresseur volumétrique est comprise entre 2 et 5 kW.
Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre un moteur thermique équipé d'une double suralimentation selon l'invention. La figure 2 illustre les zones d'utilisation d'un compresseur mécanique dans un plan régime, couple. La figure 3 illustre un moteur thermique instrumenté selon l'invention.
Les figures 4a) à 4d) illustrent la pression de suralimentation, le régime du compresseur volumétrique, l'ouverture de la vanne de by-pass et l'ouverture de la turbine VGT pour une commande en boucle ouverte selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour un régime de 1000 tr/min. Les figures 5a) à 5d) illustrent la pression de suralimentation, le régime du compresseur volumétrique, l'ouverture de la vanne de by-pass et l'ouverture de la turbine VGT pour une commande en boucle ouverte selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour un régime de 2500 tr/min. Les figures 6a) à 6c) illustrent la pression de suralimentation, le régime du compresseur volumétrique et l'ouverture de la vanne de by-pass et de la turbine VGT pour une commande en boucle ouverte selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour différents régimes : 1000, 1500, 2000, 2500, et 3000 tr/min. Les figures 7a) à 7c) illustrent la pression de suralimentation, le régime du compresseur volumétrique et l'ouverture de la vanne de by-pass et de la turbine VGT pour une commande en boucle fermée selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour différents régimes : 1000, 1500, 2000, 2500, et 3000 tr/min. Les figures 8a) et 8b) illustrent la pression de suralimentation et la puissance mécanique du compresseur volumétrique pour une commande en boucle fermée selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour un régime de 1000 tr/min pour différentes puissances mécaniques maximales.
Description détaillée de l'invention L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur thermique pourvu d'une double suralimentation comprenant un compresseur d'un turbocompresseur et un compresseur volumétrique, en parallèle duquel est montée une vanne de by-pass. Selon l'invention, le compresseur volumétrique est entraîné par un moteur électrique. La figure 1 représente un moteur thermique équipé d'une double suralimentation selon un mode de réalisation de l'invention. Un moteur (1) est équipé d'un circuit d'admission et d'un circuit d'échappement. Dans le circuit d'admission sont disposés dans le sens de la circulation de l'air : un filtre à air (7), le compresseur du turbocompresseur (2), un premier refroidisseur d'air suralimenté (6), un compresseur volumétrique (3) et un deuxième refroidisseur d'air suralimenté (5). En parallèle du compresseur mécanique est disposé un circuit de dérivation, dit circuit de by-pass, comprenant une vanne de by-pass (4). Dans le circuit d'échappement, on retrouve la turbine du turbocompresseur (2), cette turbine est à géométrie variable (VGT). Les refroidisseurs d'air suralimenté (5, 6) permettent de refroidir l'air qui a été chauffé lors des compressions successives.
Le compresseur volumétrique (3) est entraîné par un moteur électrique (11), le moteur électrique étant commandé de manière à contrôler la pression de suralimentation afin d'obtenir la charge demandée au moteur (1). Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le moteur électrique est alimenté par un générateur (12) placé sur le vilebrequin du moteur (1). Alternativement, le moteur électrique (11) est alimenté par une batterie électrique (non représentée) intégrée au véhicule. L'entraînement du compresseur volumétrique (3) par un moteur électrique (11) permet une commande plus rapide de la pression de suralimentation, notamment pour les régimes transitoires, si on compare avec la commande de la vanne de by-pass. En outre, tel que représenté, le moteur peut comprendre un circuit de recirculation (8) des gaz d'échappement (EGR) comprenant un refroidisseur (10) et une vanne (9), dite vanne EGR. Les gaz brûlés qui circulent se mélangent à l'air frais entre le filtre à air (7) et le compresseur du turbocompresseur (2). Le moteur (1) tel que représenté comprend quatre cylindres. Ces deux dernières caractéristiques (EGR et nombre de cylindres) ainsi que l'utilisation des refroidisseurs d'air suralimenté sont indépendantes de l'invention et ne sont pas limitatives. La figure 2 montre dans un graphe du couple C en fonction du régime moteur Ne différentes zones d'utilisation de la double suralimentation. Dans la zone Z1, pour des faibles couples, on est en fonctionnement dit atmosphérique ; c'est-à-dire la pression d'admission est à la pression atmosphérique, ce qui correspond au fonctionnement classique du moteur thermique sans suralimentation. Dans la zone Z2, à bas régime, le turbocompresseur ne suffit pas à augmenter la pression de suralimentation, on utilise la vanne de by-pass et le compresseur volumétrique, l'actionneur VGT étant alors positionné à l'optimum de rendement de la turbomachine. Pour réduire la consommation, quand c'est possible, on utilise le moins possible le compresseur volumétrique, c'est-à-dire qu'on réalise la charge grâce au turbocompresseur via l'actionneur VGT (zone Z4). Dans la zone hachurée Z3, on utilise le compresseur volumétrique seulement pour les régimes transitoires pour compenser la lenteur du turbocompresseur. Sur cette figure, S désigne un seuil prédéterminé au delà duquel le compresseur volumétrique n'est pas utilisé, S est déterminé en fonction de la vitesse maximale admissible par le compresseur volumétrique (issues de données constructeur).
Le procédé selon l'invention concerne la commande d'un moteur thermique équipé d'une double suralimentation. Pour commander le moteur thermique, on réalise les étapes suivantes : 1) détermination de pressions et températures au sein du circuit d'admission 2) acquisition d'une consigne de pression de suralimentation 3) construction d'un modèle de remplissage 4) calcul de la consigne de vitesse de rotation du compresseur volumétrique 5) commande du moteur électrique 6) commande de la vanne de by-pass.
La dernière étape de commande de la vanne de by-pass est une étape optionnelle. Notations Au cours de la description, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de l'écoulement des gaz à l'admission et à l'échappement. De plus, les notations suivantes sont utilisées : - Pavcpr >Tavcpr : pression et température en amont du compresseur volumétrique (3), en sortie du premier refroidisseur d'air suralimenté (6). - Psural ,Tsural : pression et température de suralimentation à l'admission du moteur (1) et en aval du compresseur volumétrique (3). -V sural : volume de suralimentation compris entre les soupapes d'admission du moteur (1) d'une part et le compresseur volumétrique (3) et la vanne de by-pass (4) d'autre part. - Papcpr : pression en aval du compresseur volumétrique (3) et en amont du deuxième refroidisseur à air suralimenté (5). - Bypass : position d'ouverture de la vanne de by-pass (4). - N cpr régime du compresseur volumétrique (3). - R : constante spécifique des gaz parfaits, qui est la même pour tous les gaz concernés ici (air et gaz d'échappement), et qui vaut 288 J/kg/K. - D cpr : débit massique d'air en sortie du compresseur volumétrique (3). - Dbp : débit massique d'air traversant la vanne de by-pass (4). - D asp débit massique d'air aspiré par les cylindres du moteur (1). - Abp : surface d'ouverture de la vanne de by-pass (4). - y : rapport des capacités massiques des gaz, on considère pour le mélange gazeux (air et gaz d'échappement) que y=1,4 . - P avcpr : densité des gaz passant à travers le compresseur volumétrique (3) Pavcpr donnée par p,= P RTavcpr - 0 : débit volumétrique du compresseur volumétrique (3). Le débit volumétrique est obtenu à partir d'une cartographie, qui peut faire partie des données fournies par le fournisseur du compresseur volumétrique (3). - 8P : pertes de charge dans le refroidisseur d'air suralimenté (6) situé entre le turbocompresseur (2) et le compresseur volumétrique (3). Ce terme de pertes de charge est cartographié en fonction du régime du compresseur volumétrique et de la densité des gaz. - K et K p paramètres de calibration de la boucle de retour pour le mode de réalisation en boucle fermée. - PME : pression moyenne effective, elle correspond au rapport entre le travail fourni par le moteur (1) durant un cycle et la cylindrée du moteur (1). - VGT : ouverture de la turbine du turbocompresseur (2).
Ces notations, indexées par la mention -sP , représentent les consignes associées aux grandeurs considérées. La mention -rnes indique les valeurs mesurées. La dérivée par rapport au temps est indiquée par un point au dessus de la variable considérée. Étape 1) détermination de pressions et températures au sein du circuit d'admission Afin de commander la suralimentation et notamment le régime (vitesse de rotation) du compresseur volumétrique, le procédé selon l'invention nécessite la connaissance de grandeurs physiques au sein du circuit d'admission. Il s'agit de la pression P avcpr et de la température Tavcpr en amont du compresseur volumétrique (3) ainsi que la pression P sural et la température T - sural de suralimentation à l'admission du moteur (1).
Ces grandeurs physiques peuvent être mesurées au moyen de capteurs de pression et de températures ou déterminées au moyen d'estimateur.
Selon un mode de réalisation illustré en figure 3, on dispose quatre capteurs au sein du circuit d'admission. On mesure une pression P a'pr et une température Ta'pr en sortie du premier refroidisseur d'air suralimenté (6) et on mesure une pression P sural et une température 7'surai de suralimentation en sortie du deuxième refroidisseur à air suralimenté (5). Alternativement, on mesure uniquement une pression P sural et une température T5,'a1 de suralimentation en sortie du deuxième refroidisseur à air suralimenté (5) et on détermine une pression P a'pr et une température Ta'pr au moyen d'un estimateur. Par exemple, pour estimer la pression P a'pr on utilise un estimateur basé sur un modèle dynamique dans le volume en amont du compresseur volumétrique faisant intervenir la loi de conservation des débits et pour déterminer la température T a'pr on utilise une cartographie du refroidisseur à air suralimenté (6) et la pression estimée P avcpr " Étape 2) acquisition d'une consigne de pression de suralimentation On acquiert une consigne de pression de suralimentation Ira/ qui permet d'atteindre le comportement (couple) demandé au moteur thermique (1). Cette consigne est donnée par l'étage supérieur du contrôle moteur. Elle est usuellement cartographiée en fonction de la consigne de PMI (Pression Moyenne Indiquée qui est la pression spécifique moyenne sur la surface de piston durant une course double compression-expansion) ainsi que du régime moteur. Étape 3) construction du modèle de remplissage On construit un modèle de remplissage du volume de suralimentation. Le volume de suralimentation est délimité d'une part par les soupapes d'admission du moteur et d'autre part par le compresseur volumétrique (3) et la vanne de by-pass (4). Le modèle de remplissage relie la pression de suralimentation P sural à la vitesse de rotation N cpr du compresseur volumétrique (3). Avantageusement, le modèle de remplissage relie la pression de suralimentation Psurw à la vitesse de rotation N rpr du compresseur volumétrique (3) au moyen de la pressionavcpr et de la température Ta'pr en amont du compresseur P volumétrique (3) ainsi que ladite température T sural de suralimentation. Le modèle de remplissage traduit le remplissage du volume de suralimentation et prend en compte les phénomènes physiques mis en jeu pour ce remplissage.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'évolution de la pression en aval du compresseur volumétrique est gouvernée par la dynamique de remplissage du volume situé en amont des soupapes. Cette dynamique s'écrit par une formule du type : Psural RTsural - Db - D as ) m V u, P P - Le débit aspiré D asp est donné par le modèle de remplissage du moteur ; il s'agit d'un modèle statique reliant le débit aspiré par les cylindres avec les grandeurs à l'admission, ce type de modèle équipe classiquement les moyens de contrôle du moteur et peut être du type D asp = fonction(Psural T sural 3Ne). Ce modèle est donc une fonction de la pression de suralimentation. - Le débit passant à travers la vanne de by-pass Dbp s'écrit sous la forme : Dbp Abp(BypaSS avec Abp(Bypass) la surface d'ouverture de la vanne de by-pass et f le débit par unité de surface donné par la relation de Saint-Venant suivante (relation de pertes de charge au niveau de la vanne de by-pass) : )- f (Pavcm Psural T avcm) f(Pavcpr Psural Tavcpr) 1 (Pavcprj7 Psural Y 7+1 [Pavcpr) 2 ) si Psural 7+1 y -1 2 f \ y+1 [Pavcpr 2 'sural Si Pavcpr Psuralj> 1 \y +l Y - Le débit compresseur mécanique D cpr peut s'écrire comme étant le produit du débit volumique avec la densité des gaz amont : a D cpr = 0 Ncpr, DijcPr P avcpr lavcpr r P apcpr avec 0 Ncpr, D le débit volumique cartographié (donné par le fournisseur du i avcpr j compresseur mécanique), et pav,pr est la densité des gaz passant à travers le compresseur mécanique donnée par D r avcpr = Pavcpr I RTavcpr - La pression Papcpr située en aval du compresseur mécanique (3) et en amont du refroidisseur d'air suralimenté (5) est liée à la pression de suralimentation par l'ajout d'un terme de pertes de charge (5P dans le refroidisseur d'air suralimenté (5) : Papcpr= SP sural - - Ce terme de pertes de charge bP est cartographié en fonction du régime N cpr du compresseur volumétrique et de la densité des gaz pa'pr . En remplaçant l'expression des trois débits dans la première relation, la dynamique de pression de suralimentation peut s'écrire par une formule du type : ( ( go, ^ \ pie _ RT sural Psural ± ut , , - , (Pavcpr, 5 Psural 5T avcpr)- D asp ' sural - u ØN, cp, P avcpr - Abp(Bypass) f sural Pavcpr i i r OÙ N cpr et Psural relation constitue un modèle de remplissage du volume de suralimentation. Étape 4) calcul de la consiane de régime du compresseur volumétrique Au moyen du modèle de remplissage déterminé à l'étape précédente et de la consigne de pression de suralimentation PssaPrai , on détermine la consigne de régime NcspPr du compresseur volumétrique (3). Selon le mode de réalisation décrit à l'étape précédente, pour déterminer la consigne de régime NaspPr du compresseur volumétrique (3), on inverse la relation obtenue et on l'applique à la consigne de pressionde suralimentation. L'analyse du système à montré PssuPra que pour limiter les pertes, la vanne de by-pass doit rester fermée, la pression est donc contrôlée grâce à la vitesse de rotation du compresseur. La position de la vanne de by-pass est néanmoins utilisée pour la détermination de la commande de régime de rotation afin de prendre en compte la dynamique de fermeture. Ce système étant inversible, la commande de régime de rotation du compresseur pour réaliser une consigne de pression de suralimentation est donnée par une formule du type : ( bsp u isural - rsural Abp(Bypassmes ) - f(Pavcpr P_ aurai Tavcpr)± D asp R - T sural P a'pr N sP 0-1 cpr 'sural ± e5P avcpr Cette loi de commande est alors légèrement modifiée. On remplace la pression de suralimentation Psural ainsi que le débit aspiré D asp , par leurs consignes. La consigne du débit aspiré peut être donnée directement par l'étage supérieur du contrôle du moteur ou elle peut être déterminée par le modèle de remplissage du moteur dans lequel on considère la consigne de la pression de suralimentation : par exemple le modèle peut s'écrire Da'sp= fonction(1) ssuPraPT sural, Ne) . Ceci permet d'augmenter la robustesse de la loi de représentent la commande et la sortie du système à contrôler. Cette commande. En boucle ouverte, le calcul de la consigne de régime NcspPr du compresseur volumétrique peut s'écrire par une relation du type : sp , - (Pavcpr PSZCil Tavcpr)+ DSP sural - rsural Abp (Bypassm") f asp = 0-1 R ' T sural Psural ± (5P 1', avcpr Le terme dynamique PssuPrni , permet de jouer ici un rôle d'accélérateur en transitoire. Étape 5) commande du moteur électrique Une fois la consigne de régime NcspPr du compresseur volumétrique (3) déterminée, on applique cette consigne au moteur électrique (11) qui entraîne en rotation le compresseur volumétrique pour atteindre la consigne de pression de suralimentation Ps'u'Prai attendue. Ainsi, on obtient la charge désirée du moteur. Étape 6) commande de la vanne de by-pass La commande de la vanne de by-pass (4) du compresseur volumétrique (3) devient une commande on-off. Ce dernier doit être fermé lorsque l'on se trouve dans la zone d'utilisation du compresseur volumétrique (3) et ouvert sinon. Cette commande est directement liée à la différence de pression entre la consigne de pression de suralimentation PssuPrar et la mesure de pression Pa'pr en amont du compresseur volumétrique. Lorsque cette dernière est supérieure à un seuil (pression de suralimentation non réalisée par le turbocompresseur seul), la vanne de by-pass (4) est fermée, la vanne de by-pass (4) étant ouverte dans le cas contraire. Une hystérésis peut être ajoutée afin de limiter le nombre d'ouverture et de fermeture de la vanne de by-pass (4). L'invention concerne également un moteur thermique équipé d'une double suralimentation, pour laquelle le compresseur volumétrique est entraîné par un moteur électrique. Ce moteur thermique met en oeuvre le procédé de commande tel que décrit ci- dessus. Le procédé selon l'invention est adapté à la commande de moteur thermique, notamment pour des véhicules et plus particulièrement des véhicules automobiles. Le moteur thermique concerné peut être un moteur à essence ou un moteur Diesel.
Variantes de réalisation Selon une variante de réalisation de l'invention, on réalise un bouclage pour déterminer la consigne de régime NcspPr du compresseur volumétrique, on parle alors de commande en boucle fermée. Cela permet de diminuer l'erreur statique entre la pression de suralimentation mesurée et sa consigne. Pour atteindre ce but, on cherche à forcer la trajectoire de la pression de suralimentation ?su,/ à suivre la trajectoire de sa consigne PssuPm/ , pour cela on impose une relation du type : Psural PssuPml = -K p(Psural PssuPral)- K fo(Psural PssuPralkit - Les gains K p et K. sont des paramètres de calibration. Étant donné la structure du contrôleur, ces gains sont des constantes, valables sur toute la plage de fonctionnement qui permettent de prendre en compte la non-linéarité du système. Cette correction fait apparaître un terme proportionnel et un terme intégral de l'erreur. L'inversion de la dynamique s'effectue ensuite exactement comme dans l'étape 4) de calcul de la consigne de régime NcspPr du compresseur volumétrique. On obtient alors une 15 commande en boucle fermée de la forme : PssuPral V sural + 8 + AbP (Bypase" ) - f(Pa'pr, Psnd D:fp R*T PI sural P avcpr avec 15 = -KpP ( mirai - PssuPral)- f(Psural PssuPral Avantageusement, le terme de bouclage (ou "feedback") est extrait du facteur multiplicatif RT.JVsurai . Ce rapport étant quasi-constant, il entre dans les valeurs des 20 paramètres de calibration Kp et K.. Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, on peut piloter le turbocompresseur à géométrie variable VGT (2) au moyen d'une consigne déterminée avec une cartographie du turbocompresseur (2). 25 Exemples d'application Afin de vérifier le comportement du moteur thermique avec le procédé selon l'invention, des simulations sont réalisées pour la commande en boucle ouverte et pour la commande en boucle fermée pour le moteur thermique instrumenté selon la figure 3. Pour ces simulations, 30 le seuil prédéterminé S d'utilisation du compresseur mécanique est fixé à 3000 tr/min. Les = PssuPrai 8P Pc,'p,. figures 4 à 6 correspondent à la commande en boucle ouverte telle que décrite à l'étape 4) et les figures 7 et 8 correspondent à la commande en boucle fermée telle que décrite dans le paragraphe variantes de réalisation. Les figures 4a) à 4d) présentent une prise de charge pour un régime de 1000 tr/min (zone Z2 de la figure 2). La figure 4a) présente la pression de suralimentation consigne PssuPrar et mesurée Psra ainsi que la pression mesurée en amont du compresseur volumétrique Pamvcepsr . La figure 4b) représente la consigne et la mesure du régime N cpr du compresseur volumétrique. Les deux figures 4c) et 4d) présentent les ouvertures des actionneurs d'air, de la vanne de by-pass et de la VGT (consignes et mesures). Pour toutes les figures, les ouvertures sont exprimées en %, 0% signifie que l'actionneur est fermé, alors que 100% signifie que l'actionneur est complètement ouvert. La demande de couple intervient à 2 secondes. La pression de suralimentation demandée est alors d'environ 2200 mbar. Pour ces simulations, l'ouverture du turbocompresseur VGT (2) est positionnée par une cartographie plus un terme proportionnel sur l'erreur de pression de suralimentation et la VGT se ferme au début du régime transitoire. La vanne de by-pass (4) se ferme totalement afin de permettre l'utilisation du compresseur volumétrique (3). De plus, le régime de rotation du compresseur volumétrique (3) augmente fortement puis chute pour retrouver une valeur constante en régime stabilisé. L'augmentation importante du régime du compresseur a pour effet d'accélérer la réponse de pression de suralimentation en compensant la lenteur du turbocompresseur (la sortie du contrôle du turbocompresseur étant la pression amont du compresseur volumétrique). Les figures 5a) à 5d) correspondent aux figures 4a) à 4d) pour un régime de 2500 tr/min (zone Z3 de la figure 2). Sur cet essai, le compresseur volumétrique (3) n'est pas nécessaire pour réaliser la charge requise. Cependant, la commande en boucle ouverte selon l'invention l'utilise durant un régime transitoire pour accélérer la réponse de pression de suralimentation. On voit clairement sur la figure 5b) que le régime du compresseur volumétrique est initialement nul (faible charge), puis augmente pendant le transitoire, et enfin s'annule lorsque la pression de suralimentation souhaitée est réalisée. On constate sur cet essai l'accélération du système obtenue en utilisant le compresseur volumétrique en transitoire. Les figures 6a) à 6c) présentent des mises sous couple pour différents régimes : 1000, 1500, 2000, 2500 et 3000 tr/min. Les figures représentent respectivement la pression de suralimentation Psural (ainsi que la pression amont compresseur mécanique), le régime du compresseur volumétrique et la position de la vanne de by-pass Bypass et de la VGT. 2 99 892 4 16 Sur les trois premières prises de charge (à 1000, 1500 et 2000 tr/min), on se situe dans la zone d'utilisation du compresseur volumétrique (zone Z2 de la figure 2). On voit bien qu'à la fin du transitoire, la VGT est positionnée de telle façon que le rendement de la turbomachine (2) soit optimum et la vanne de by-pass (4) est encore fermée. On voit tout de 5 même que, durant le transitoire, le régime de rotation du compresseur volumétrique (3) augmente pour accélérer le système. Sur les deux prises de charge suivantes (à 2500 et 3000 tr/min), on se situe dans la zone où, en stabilisé, il est préférable de ne pas embrayer le compresseur volumétrique (zone Z3 de la figure 2). Cependant, la commande de contrôle de la pression de 10 suralimentation va chercher à fermer la vanne de by-pass (4) en transitoire pour accélérer la réponse en pression de suralimentation. A la fin du régime transitoire, le compresseur volumétrique (3) n'est plus utilisé. Les figures 7a) à 7c) présentent des mises sous couple pour différents régimes : 1000, 1500, 2000, 2500 et 3000 tr/min pour la commande en boucle fermée. Les figures 15 représentent respectivement la pression de suralimentation (figure 7a), le régime du compresseur volumétrique (figure 7b) et la PME (en sortie moteur, i.e. prenant en compte l'utilisation du compresseur volumétrique) (figure 7c). Ces résultats sont à comparer avec ceux des figures 6, donnant les résultats de la commande en boucle ouverte. Il est clair ici qu'en l'absence de dispersion sur le système, un 20 bon suivi de trajectoire était déjà assuré par la stratégie en boucle ouverte. Le travail des termes de "feedback" dans la commande est alors ici limité. Ceci facilite grandement la calibration du contrôleur, ce dernier ne travaillant qu'au voisinage de la trajectoire de la consigne. 25 Les simulations précédemment présentées ont été effectuées avec un compresseur électrique volumétrique sans prendre en compte le couple maximal et la puissance maximale du moteur électrique d'entrainement (11). Afin de dimensionner ou de limiter la puissance électrique prélevée sur le générateur électrique (12) ou la batterie, il est possible de saturer la consigne de régime de rotation du moteur électrique (11) en prenant en compte la 30 puissance mécanique maximale du moteur. A partir des cartographies de compresseurs fournies par le constructeur, on détermine la consigne de régime de rotation du compresseur volumétrique (3) maximale pour un rapport de pression donné aux bornes du compresseur (3) et pour une puissance mécanique maximale pouvant être fournie par le moteur électrique ( (11). Ceci est intégré dans une cartographie du type Ncmprax = f apcpr pmmaxot qui sature la avcpr consigne de régime de rotation du compresseur volumétrique.
Les figures 8a) et 8b) présentent une prise de charge pour un régime de 1000 tr/min (zone Z2 de la Figure 2) pour différentes puissance mécanique maximale du compresseur électrique (1 kW, 2 kW, 3 kW, 5 kW et 7 kW). Ces courbes sont obtenues pour la commande en boucle fermée. La figure 8a) présente la pression de suralimentation (consigne et mesure). La figure 8b) présente la puissance mécanique mesurée aux bornes du compresseur volumétrique. La demande de couple intervient à 2 secondes. La pression de suralimentation demandée est alors d'environ 2000 mbar. Ces résultats montrent qu'il est préférable d'avoir une puissance mécanique minimale de 2 kW afin de pouvoir réaliser la pression de suralimentation. A l'inverse au delà de 5 kW, la dynamique de la pression de suralimentation n'est plus améliorée.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1) Procédé de commande d'un moteur thermique (1) équipé d'un système de suralimentation, ledit système de suralimentation comprenant un turbocompresseur (2) et un compresseur volumétrique (3) pour comprimer un mélange gazeux à l'admission dudit moteur thermique (1) et un circuit de dérivation disposé en parallèle dudit compresseur volumétrique comportant une vanne commandée de by-pass (4), ledit compresseur volumétrique (3) étant entraîné par un moteur électrique (11), caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes : a) on acquiert une consigne de pression de suralimentation PssuPrar ; b) on construit un modèle de remplissage du volume de suralimentation compris entre les soupapes d'admission dudit moteur (1) d'une part et le compresseur volumétrique (3) et la vanne de by-pass (4) d'autre part ; C) on transforme ladite consigne de pression de suralimentationPsusPrar en une consigne de vitesse de rotation NsPr dudit compresseur volumétrique (3) au moyen dudit cp modèle de remplissage du volume de suralimentation ; et d) on commande ledit moteur électrique (11) selon ladite consigne de vitesse de rotation NcspP, dudit compresseur volumétrique (3).
  2. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine une pression P aucpr et une température Ta'pr en amont dudit compresseur volumétrique (3) ainsi qu'une pression 'sural et une température Tsurai de suralimentation à l'admission dudit moteur (1), ledit modèle de remplissage du volume de suralimentation reliant la pression de suralimentation P sural à la vitesse de rotation N dudit compresseur volumétrique (3) au moyen de ladite pression Pavcpr et de ladite température Ta'pr en amont dudit compresseur volumétrique (3) ainsi que ladite température T_ sural de suralimentation.
  3. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite pression Psura/ et ladite température Tsural de suralimentation sont déterminées au moyen de capteurs respectivement de pression et de température disposés en amont du collecteur d'admission dudit moteur (1).
  4. 4) Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite pression -Pavcpr et ladite température Tavcpr en amont dudit compresseur volumétrique (3) sont déterminées au moyen de capteurs respectivement de pression et de température disposés en amont dudit compresseur volumétrique (3) ou au moyen d'un estimateur dépendant de ladite pression Psural - et ladite température T sural de suralimentation. -
  5. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle de remplissage est déterminé au moyen d'une équation de remplissage dudit volume de suralimentation définie par une formule de conservation des débits du type : Psural RT sural (D cpr D bp - D asp) avec Psural la dérivée de ladite pression de V sural suralimentation 'sural sural volume de suralimentation, D apr le débit arrivant dudit compresseur volumétrique (3), Dbp le débit sortant à travers ladite vanne de by-pass (4) qui est fonction de l'ouverture de ladite vanne de by-pass et Dasp le débit aspiré sortant vers les cylindres dudit moteur (1).
  6. 6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel ledit débit Dbp sortant à travers ladite vanne de by-pass (4) est déterminé par une relation de pertes de charges au niveau de ladite vanne de by-pass (4), notamment par une équation de Barré Saint Venant, du type : Dbp = Abp(Bypass)x f (Pavcpr'sural ,Tavcpr) avec Abp(Bypass) la surface d'ouverture de la vanne de by-pass et f le débit par unité de surface défini par une formule du type : par rapport au temps, R la constante des gaz parfait, Vsurai le f (Pa Psu T vcpr ral 5 avcpr sural ,PTa'pr 1 [ avcprj_ r Psural y-I\ y+1 [avcpr 2 j 1 Pavcpr P si Psural Psuralj>[Y +1 2 y -1 r-1 [72+ij avec y le rapport des capacités massiques des gaz. si Pavcpr 2) Psural ) Y +1 y+1
  7. 7) Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit modèle de remplissage est un modèle de remplissage en boucle ouverte qui s'écrit par une relation du type : f Psural V sural Abp(Bypass)- f es...P.. civepr, avcpr)± D:11:p R T sural PssuPral e p P avcpr avcpr avec P avcpr la densité des gaz passant à travers le compresseur volumétrique donnée par Pavcpr P avcpr = y RTavcpr consigne de débit de gaz aspiré par les cylindres dudit moteur et 8P les pertes de 5 charge dans un refroidisseur à air (6) situé entre ledit turbocompresseur (2) et ledit compresseur mécanique (3).
  8. 8) Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit modèle de remplissage est un modèle de remplissage en boucle fermée qui s'écrit par une relation du type : j3; sp `sural - 'sural ± 0 c pi Abp(BypaSS) - f(Pavcpr Pssfral 9 Tavepr)± psp ± (5p R - T sural ral 9 D P avcpr avcpr 6 PI K p(Psural PssuPral)- K i fo(Psural PssuPralkit P avcpr la densité des gaz passant à P VC travers le compresseur volumétrique donnée par Pavcpr = a P RT 0 le débit avcpr volumétrique dudit compresseur mécanique, DasPsp la consigne de débit de gaz aspiré par les cylindres dudit moteur, 8P les pertes de charge dans un refroidisseur à air (6) situé 15 entre ledit turbocompresseur (2) et ledit compresseur mécanique (3), K. et K p des paramètres de calibration de la boucle de retour.
  9. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on ferme ladite vanne de by-pass (4) lorsque ledit moteur électrique est commandé. 20
  10. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on ferme ladite vanne de by-pass (4) lorsque la différence de pression entre ladite consigne de pression de suralimentation PssaPrai et la pression en amont dudit compresseur volumétrique P avcpp, est supérieure à un seuil, ladite vanne de by-pass (4) étant ouverte sinon. 0 le débit volumétrique dudit compresseur mécanique, D:1:p la avec 25
  11. 11) Moteur thermique équipé d'un système de suralimentation, ledit système de suralimentation comprenant un turbocompresseur (2) et un compresseur volumétrique (3) pour comprimer un mélange gazeux à l'admission dudit moteur thermique (1) et un circuit de dérivation disposé en parallèle dudit compresseur volumétrique comportant une vanne commandée de by-pass (4), ledit compresseur volumétrique (3) étant entraîné par un moteur électrique (11), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.
  12. 12) Moteur selon la revendication 11, dans lequel ledit moteur électrique (11) est alimenté par un générateur (12) placé sur le vilebrequin dudit moteur thermique (1).
  13. 13) Moteur selon la revendication 11, dans lequel ledit moteur électrique (11) est alimenté par une batterie électrique.
  14. 14) Moteur selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel la puissance mécanique dudit compresseur volumétrique (3) est comprise entre 2 et 5 kW.
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