FR3033641B1

FR3033641B1 - Procede de determination de la pression en amont de la turbine d'un turbocompresseur d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile.

Info

Publication number: FR3033641B1
Application number: FR1552030A
Authority: FR
Inventors: Vincent Talon; Jamil El Hadef; Yann Chamaillard; Guillaume Colin
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: NEW H POWERTRAIN HOLDING, S.L.U., ES
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: FR3033641A1

Abstract

Procédé de détermination de la pression en amont de la turbine d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, éventuellement muni d'au moins un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à haute pression piqué entre le collecteur d'échappement et le collecteur d'admission. Le procédé comprend les étapes suivantes : on détermine une mesure de la pression dans le collecteur d'admission, on détermine l'écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d'admission et la mesure de la pression dans le collecteur d'admission issue d'un observateur, on détermine un vecteur des dérivées temporelles des variables observées en fonction de l'écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d'admission et la mesure de la pression dans le collecteur d'admission issue de l'observateur, on détermine un vecteur des variables observées par intégration du vecteur des dérivées temporelles des variables observées, et le vecteur des variables observées comprenant la mesure de la pression dans le collecteur d'admission et la pression en amont de la turbine.

Description

Procédé de détermination de la pression en amont de la turbine d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion interne de véhicule automobile. L’invention a pour domaine technique la commande des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement la détermination des paramètres de fonctionnement de tels moteurs. L’accroissement des normes de dépollution, oblige à reconcevoir le contrôle moteur et en particulier les contrôles de l’injection et de la chaîne d’air des moteurs essence. Aujourd’hui, les définitions techniques des moteurs sont de plus en plus complexes et incluent notamment de plus en plus d’actionneurs plus ou moins complexes à piloter. En particulier, l’ensemble de la gamme de moteurs sera à terme équipée d’un système de suralimentation de type turbocompresseur. A l’échappement, il faudra donc compter avec une turbine et une pression d’échappement avant la turbine qui va fortement varier. La connaissance de cette pression d’échappement est cruciale pour plusieurs raisons.

Associée à la température dans le collecteur d’échappement, elle conditionne l’énergie qui peut être récupérée à la turbine.

Il peut s’agir d’une entrée du modèle de remplissage, notamment en cas de définition technique complexe. Par exemple pour les moteurs équipés de déphaseurs de type VVT (acronyme anglais pour « Variable Valve Timing ») ou VVL (acronyme anglais pour « Variable Valve Lift »).

Sa valeur est très importante pour la connaissance du débit de la recirculation partielle des gaz d’échappement EGR (en langue anglaise « Exhaust Gas Recirculation ») à haute pression.

La connaissance de la pression avant turbine va s’avérer de plus en plus importante dans les futures lois de contrôle (par exemple model-based). Cependant, l’adoption d’une loi de contrôle avancée ne peut être motivée que par un fort gain en performances, combiné à un maintien du coût matériel. Dans cette optique, l’ajout de capteurs supplémentaires, comme par exemple un capteur de pression dans le collecteur d’échappement, n’est pas viable.

Actuellement l’information est obtenue par un capteur dont la mesure est peu fiable et, dans certaines conditions, impossible. Une alternative consiste à utiliser un estimateur basé sur des cartographies statiques, caractéristiques de la turbine. Le désavantage principal de cette méthode est sa nature de « boucle ouverte ».

De l’état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants.

La demande FR 2 963 059 divulgue l’utilisation d’un observateur d’état, qui est cependant basé sur un modèle linéarisé localement, autour d’un point de fonctionnement.

Le document divulgue un calcul de gain à chaque itération et une application limitée aux turbines à géométrie variable. En effet, les positions des actionneurs de la turbine à géométrie variable et de la recirculation partielle des gaz d’échappements sont explicitement intégrées aux entrées.

On connaît également le document FR 2 987 076 qui décrit l’estimation du rapport de la pression avant turbine et de la pression après turbine, c’est-à-dire du rapport de détente, en vue d’un contrôle de la suralimentation des moteurs à combustion interne. Ce document divulgue un nouvel algorithme d’optimisation (dérivé de la méthode de Newton-Raphson) adapté à l’estimation du rapport de détente à partir de deux entrées : régime turbo et débit. La pression estimée à partir du rapport de détente et d’une mesure de la pression après turbine, est alors dans une cartographie statique.

Il s’agit donc d’une approche purement statique, en boucle ouverte, qui peut se justifier dans le cas où les contraintes en termes de temps de calcul sont importantes.

Il existe donc un besoin pour une estimation de la pression avant turbine de façon fiable et sans ajout de capteurs supplémentaires. L’invention a pour objet un procédé de détermination de la pression en amont de la turbine d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion interne de véhicule automobile, éventuellement muni d’au moins un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à haute pression piqué entre le collecteur d’échappement et le collecteur d’admission. Le procédé comprend les étapes suivantes: on détermine une mesure de la pression dans le collecteur d’admission, on détermine l’écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la mesure de la pression dans le collecteur d’admission issue d’un observateur, on détermine un vecteur des dérivées temporelles des variables observées en fonction de l’écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la mesure de la pression dans le collecteur d’admission issue de l’observateur, et on détermine un vecteur des variables observées par intégration du vecteur des dérivées temporelles des variables observées, le vecteur des variables observées comprenant la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la pression en amont de la turbine.

On peut déterminer le vecteur des dérivées temporelles des variables observées en réalisant les étapes suivantes : on détermine le gain de l’observateur en fonction de l’écart entre un vecteur des mesures accessibles et un vecteur des mesures accessibles issues de l’observateur, on détermine une première matrice d’état et une deuxième matrice d’état en fonction du modèle prédéterminé et de mesures, estimations et consignes de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne, et on détermine le vecteur des dérivées temporelles des variables observées en sommant le gain de l’observateur, le produit de la première matrice d’état par les valeurs de l’observateur des variables observées et la deuxième matrice d’état.

On peut définir un polytope, puis on détermine un gain de l’observateur aux sommets du polytope, puis on interpole le gain de l’observateur aux sommets du polytope sur tout le volume du polytope pour obtenir le gain de l’observateur en chaque point.

En variante, on peut définir un polytope, puis on détermine un gain de l’observateur constant sur le polytope, fonction de la première matrice d’état et du vecteur des mesures accessibles.

Dans tous les cas, le polytope peut être convexe et défini par les valeurs maximales et minimales de la vitesse de rotation du moteur, du rendement volumétrique, de la richesse de mélange, de la température du collecteur d’admission et de la température en amont de la turbine.

On peut déterminer la première matrice d’état en fonction de la vitesse de rotation du moteur, du volume de cylindrée, du volume du collecteur d’admission, du rendement volumique, du rapport stoechiométrique, de la richesse, de la température en amont de la turbine, de la température dans le collecteur d’admission, et du volume avant la turbine.

On peut déterminer la deuxième matrice d’état en fonction du coefficient adiabatique, de la constante des gaz parfaits, de la température en amont de la turbine, de la température dans le collecteur d’admission, et du volume avant la turbine.

Le procédé présente l’avantage d’une détermination robuste de la pression en amont de la turbine dans le domaine de fonctionnement du moteur et est tolérant aux éventuelles imprécisions d’estimation ou de mesure. Cette robustesse est prise en compte de manière explicite en définissant un polytope, équivalent à un domaine, dans lequel le système évolue.

Le procédé présente également l’avantage d’une commande en boucle fermée de l’observateur, ce qui lui assure une convergence. Le temps de convergence est maximisé tout en assurant la robustesse décrite ci-dessus. 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 au dessin annexé sur lequel la figure unique illustre un moteur à combustion interne comprenant un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à haute pression.

Sur la figure unique, on peut voir un moteur à combustion interne 1 muni d’un collecteur d’admission 2 et d’un collecteur d’échappement 3 reliés ensemble par une conduite de recirculation partielle des gaz d’échappement à haute pression 4, munie d’une vanne, dite à haute pression, référencée 5 (également appelée après « papillon ») et d’un échangeur thermique 5a.

Le collecteur d’échappement 3 est également relié à la turbine 6a d’un turbocompresseur 6. La turbine 6a est par ailleurs reliée à la conduite d’échappement. Dans l’exemple illustré, la turbine 6a est du type à géométrie variable. En variante, on peut utiliser une turbine fixe associée à une vanne de décharge (dite « wastegate ») 8 montée dans une conduite de dérivation 7 en parallèle de la turbine 6a.

Le compresseur 6b du turbocompresseur 6 est relié d’une part à une conduite d’admission d’air frais 11 et d’autre part au collecteur d’admission 2. Le collecteur d’admission 2 est muni d’un échangeur thermique 2a. L’observateur reçoit en entrée des grandeurs qui sont soit estimées, soit déjà mesurées :

Qexh : Le débit sortant du collecteur d’échappement 0avt : La température dans le collecteur d’échappement

Ne : Le régime moteur

Pman : La pression dans le collecteur d’admission

Oman : la température dans le collecteur d’admission

QinMAN : Le débit entrant dans le collecteur d’admission AFR : La richesse ηνοι : Le rendement volumétrique

La calibration de l’observateur est effectuée uniquement à partir d’un champ ISO standard, c’est-à-dire par des essais au banc moteur par balayage de points de fonctionnement en stabilisé. Plus précisément, on peut faire varier le régime du moteur entre le régime ralenti et le régime maximum avec un pas de 250 tr/min, et on peut faire varier la charge entre la charge nulle et la charge maximum avec un pas de 5 Nm. A titre d’exemple, on utilise un observateur bouclé. Le gain dans la boucle de retour est calculé à partir d’inégalités linéaires matricielles (acronyme anglophone « LMI » pour « Linear Matrix Inequalities ») de sorte à assurer la robustesse de l’estimateur dans un certain domaine. Ce domaine est défini sous la forme d’un polytope qui n’est ni plus ni moins qu’un polyèdre de dimension n. L’observateur repose sur un modèle Linéaire à Paramètres Variants (LPV) du système.

Dans une première partie, on décrira donc le modèle LPV. Dans la deuxième partie, on décrira un schéma bloc de l’estimateur, de sorte à mettre en relief son aspect bouclé et on définira le polytope associé. Enfin, dans une dernière partie, la méthode pour calculer le gain de la boucle de retour sera décrite et expliquée.

On va maintenant décrire le modèle linéaire à paramètres variants du système.

La pression en amont de la turbine est estimée par l’intermédiaire d’une modélisation de type zero-dimension (0D). Au niveau de la turbine, on peut décrire le comportement dynamique de la pression en amont de la turbine Pavt à

oartir des éauations d’Euler :

Avec : γ : le coefficient adiabatique, r : la constante des gaz parfaits,

Vavt : le volume du collecteur d’échappement, 0avt : la température dans le collecteur d’échappement,

Qeng : le débit moteur,

Qfuei : la quantité de carburant injectée et Qexh : le débit à l’échappement

Le débit à l’échappement Qexh est défini de la façon suivante :

(Eq. 2)

Avec :

Qturb : le débit traversant la turbine,

Qwg : le débit traversant la wastegate (dans le cas d’une turbine à géométrie variable, on a Qwg =0) et

Qegr : le débit EGR haute pression si le moteur est équipé d’une telle boucle (dans le cas contraire, Qegr=0)·

En explicitant Qeng , Qfuei et Qexh l’équation (Eq. 1) peut également s’écrire :

Avec :

Vcyi : la cylindrée moteur, STO : le rapport stœchiométrique associé au carburant, AFR : la richesse,

Ne : la vitesse de rotation du moteur, ηνοι : le rendement volumétrique,

Oman : la température collecteur et Pman : la pression collecteur.

On remarque que la pression collecteur pman intervient dans l’équation différentielle qui décrit le comportement dynamique de de la pression en amont de la turbine Pavt· Il faut donc également l’introduire dans le modèle :

(Eq. 4)

Avec :

Vman : le volume du collecteur d’admission et

Qthr : le débit traversant le papillon.

En explicitant Qeng, l’équation (Eq. 4) peut également s’écrire ainsi : (Eq. 5)

Au final à partir des équations (Eq. 3) et (Eq. 5), le modèle LPV peut s’écrire sous forme matricielle de la façon suivante :

Le modèle est bien de la forme caractéristique des LPV, à savoir :

(Eq. 7) Où x est un vecteur d’états, u un vecteur d’entrées, A et B deux matrices caractéristiques du système, p est un ensemble de paramètres (bornés) dont dépend A. y est le vecteur des mesures accessibles parmi les états du système. Ici, il s’agit de la mesure de la pression dans le collecteur d’admission pman.

Dans le cas présent, on retrouve l’un des états du système, pman parmi ces paramètres. Le système est alors appelé « quasi-LPV ».

On va maintenant décrire le fonctionnement de l’observateur polytopique de pression en amont de la turbine.

A partir du système présenté ci-dessus, la synthèse d’un observateur polytopique est possible. L’observateur peut être décrit par le système d’équations ci-dessous :

(Eq. 8)

Dans lequel les variables surmontées d’un accent circonflexe sont les sorties ou les états de l’observateur. L’observateur se caractérise par un gain K. Il peut être constant ou bien dépendre des paramètres p. Ce dernier cas suggère donc qu’il évolue au cours du temps et sa valeur devra dès lors être recalculée en temps réel.

On va maintenant décrire la construction du polytope. Les grandeurs ayant une influence sur le vecteur de paramètres du modèle (Eq. 6) sont toutes bornées. Ces bornes suffisent à construire un polytope convexe, conditions nécessaire à la synthèse de l’observateur. Le système d’équations suivant illustre ces bornes :

(Eq. 9)

Dans lequel chaque grandeur φ est respectivement encadrée par sa borne inférieure et sa borne supérieure P. A titre d’exemple, le tableau ci-dessous présente les valeurs à utiliser pour un moteur 1.2L essence suralimenté avec wastegate :

Tableau 1 : Définition du polytope dans le cas d’un moteur essence suralimenté

On va maintenant décrire le calcul du gain de l’observateur.

La convergence de l’observateur est soumise au respect des inégalités matricielles ci-dessous, pour toutes les valeurs de i et de j.

(Eq. 10)

Avec : fMJeUMhiw]

Avec N : le nombre de paramètres, c’est-à-dire la longueur de p

Les matrices Gi, Fi, Pi et Pj sont inconnues et à déterminer.

Pour la détermination de ces matrices, il faut en fait résoudre les LMI présentées dans l’équation (Eq. 10). De nombreux solveurs sont disponibles, et en particulier, à titre d’exemple : la MPT toolbox (http://control.ee.ethz.ch/~mpt/). La résolution de ce problème se fait hors ligne, au moment de la construction de l’observateur.

Le gain Ki est alors donné, à chaque sommet du polytope par l’équation suivante :

(Eq. H) L’ensemble des valeurs doit être stocké pour une utilisation en ligne. A chaque instant, il faut donc récupérer l’ensemble du vecteur de paramètres p et déterminer la valeur du gain Ki à utiliser en effectuant une interpolation dans le polytope défini par l’équation (Eq. 9)·

Selon un mode de réalisation alternatif, on peut faire le choix d’avoir un gain constant pour l’observateur. Cela permet d’éviter l’interpolation en ligne ainsi que le stockage de plusieurs valeurs. On gagne ainsi en mémoire et en temps de calcul. En revanche, puisque le gain est le même pour tous les points de fonctionnement du moteur, la convergence de l’observateur risque d’être plus lente. Cela s’explique par le fait que cette approche est plus conservative.

Ce mode de réalisation suit le même principe que le premier mode de réalisation, à la différence près qu’il faut résoudre le système simplifié suivant :

(Eq. 12)

Le gain K est alors directement donné par :

(Eq. 13)

Si la résolution de l’équation (Eq. 12) est impossible, ou si les performances de l’observateur sont insuffisantes, il faut alors se tourner vers la première approche et résoudre l’équation (Eq. 10).

En conclusion, l’approche dynamique combinée à une détermination en boucle fermée avec un gain calculé hors ligne (par la résolution de LMIs) permet de proposer une robustesse supérieure aux méthodes antérieurement connues, avec un temps de calcul minimal.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détermination de la pression en amont de la turbine (6a) d’un turbocompresseur (6) d’un moteur à combustion interne de véhicule automobile, éventuellement muni d’au moins un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à haute pression (4) piqué entre le collecteur d’échappement (3) et le collecteur d’admission (2), caractérisé par le fait qu’il comprend les étapes suivantes: on détermine une mesure de la pression dans le collecteur d’admission, on détermine l’écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la mesure de la pression dans le collecteur d’admission issue d’un observateur, on détermine un vecteur des dérivées temporelles des variables observées en fonction de l’écart entre la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la mesure de la pression dans le collecteur d’admission issue de l’observateur, et on détermine un vecteur des variables observées par intégration du vecteur des dérivées temporelles des variables observées, le vecteur des variables observées comprenant la mesure de la pression dans le collecteur d’admission et la pression en amont de la turbine.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine le vecteur des dérivées temporelles des variables observées en réalisant les étapes suivantes : on détermine le gain de l’observateur en fonction de l’écart entre un vecteur des mesures accessibles et un vecteur des mesures accessibles issues de l’observateur, on détermine une première matrice d’état et une deuxième matrice d’état en fonction du modèle prédéterminé et de mesures, estimations et consignes de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne, et on détermine le vecteur des dérivées temporelles des variables observées en sommant le gain de l’observateur, le produit de la première matrice d’état par les valeurs de l’observateur des variables observées et la deuxième matrice d’état.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on définit un polytope, puis on détermine un gain de l’observateur aux sommets du polytope, puis on interpole le gain de l’observateur aux sommets du polytope sur tout le volume du polytope pour obtenir le gain de l’observateur en chaque point.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on définit un polytope, puis on détermine un gain de l’observateur constant sur le polytope, fonction de la première matrice d’état et du vecteur des mesures accessibles.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel le polytope est convexe et défini par les valeurs maximales et minimales de la vitesse de rotation du moteur, du rendement volumétrique, de la richesse de mélange, de la température du collecteur d’admission et de la température en amont de la turbine.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel on détermine la première matrice d’état en fonction de la vitesse de rotation du moteur, du volume de cylindrée, du volume du collecteur d’admission, du rendement volumique, du rapport stoechiométrique, de la richesse, de la température en amont de la turbine, de la température dans le collecteur d’admission, et du volume avant la turbine.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel on détermine la deuxième matrice d’état en fonction du coefficient adiabatique, de la constante des gaz parfaits, de la température en amont de la turbine, de la température dans le collecteur d’admission, et du volume avant la turbine.