FR3040740A1

FR3040740A1 - Procede de regulation du remplissage en air d'un moteur thermique

Info

Publication number: FR3040740A1
Application number: FR1558328A
Authority: FR
Inventors: Christophe Pacilly; Alicia Gabaud
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-10

Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé de régulation du remplissage en air d'un moteur thermique (5), ledit moteur thermique (5) comprenant : - au moins un cylindre (22) présentant au moins une soupape d'admission et une soupape d'échappement commandées par des déphaseurs, - un turbocompresseur (2) avec un conduit de décharge (16) à gaz d'échappement régulé par une vanne de décharge (15) commandée par un actionneur électrique (150), caractérisé en ce que, dans le cas où une position de la vanne de décharge (15) à appliquer se trouve dans une zone morte de régulation, ledit procédé comprend : - une étape de mise en butée de l'actionneur électrique (150) correspondant à une position fermée de la vanne de décharge (15), et - une étape de modification d'une position d'au moins un déphaseur, de manière à réguler un remplissage en air du moteur (5).

Description

PROCEDE DE REGULATION DU REMPLISSAGE EN AIR D'UN MOTEUR

THERMIQUE

[0001] La présente invention porte sur un procédé de régulation du remplissage en air d'un moteur thermique ainsi que sur le calculateur correspondant.

[0002] De façon connue en soi, un turbocompresseur illustré en figure 1 comprend un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres 22 du moteur 5. A cet effet, le compresseur 3 est disposé sur le conduit d’admission 8 en amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement G entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur le conduit d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. Lorsque l’énergie transmise à la turbine 4 est suffisante, c’est-à-dire lorsque le remplissage en air du moteur 5 est suffisant, on régule le débit des gaz d'échappement G passant par la turbine 4 via une vanne de décharge 15. Cette vanne de décharge 15 permet de dévier une partie G' des gaz d’échappement dans un conduit de décharge 16 qui court-circuite la turbine 4. Ainsi à l'état ouvert, la vanne de décharge 15 permet aux gaz d'échappement G' de ne pas passer par la turbine 4, ce qui réduit le taux de remplissage induit par la turbine 4 et le compresseur 3.

[0003] Classiquement, la vanne de décharge 15 est reliée à un actionneur pneumatique par l’intermédiaire d’un ensemble de bras de levier. Cet actionneur est apte à transmettre un effort pour déplacer la vanne de décharge 15. La pression qui pilote cet actionneur pneumatique est régulée par une électrovanne proportionnelle commandée directement par un calculateur utilisant un rapport cyclique d'ouverture (RCO). Cette gestion de l’effort de positionnement permet de gérer précisément l’étanchéité de la vanne de décharge 15 avec son siège, ce qui permet ainsi d'ajuster avec suffisamment de précision le débit des gaz d'échappement déviés G' et donc le taux de remplissage du moteur 5.

[0004] Cependant, les nouvelles normes imposent désormais de remplacer l'actionneur pneumatique par un actionneur électrique 150. Cet actionneur électrique 150 est asservi en position, ce qui ne permet pas de réguler précisément l'effort pour déplacer la vanne de décharge 15. En outre, la régulation du positionnement de la vanne de décharge 15 ne peut pas être assurée pour des positions où l'actionneur 150 est trop proche de sa butée correspondant à une position fermée de la vanne de décharge 15. En effet, l'ensemble de ces positions proches de la butée correspond à une zone morte de régulation qui génère des oscillations entre la vanne de décharge 15 et son siège susceptibles de provoquer une dégradation du matériel. Cette zone morte se situe au-delà de 99% de la course de l'actionneur électrique 150.

[0005] Pour éviter cette zone morte, l’actionneur électrique 150 est classiquement positionné à une marge suffisamment éloignée de la butée fermée afin d’éviter les chocs entre la vanne de décharge 15 et son siège. Or, à bas régime moteur dans la plage P1, la demande en remplissage Rmax du moteur 5 peut imposer de positionner l'actionneur électrique 150 dans cette zone morte de régulation pour assurer le bon débit des gaz d'échappement déviés G' par la vanne de décharge 15 et surtout un taux de remplissage R du moteur 5 adéquat (Cf. figure 2 où la courbe de remplissage Rmax présente un écart avec la courbe M obtenue pour l'actionneur 150 positionné à une marge par rapport à la butée).

[0006] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé de régulation du remplissage d'un moteur thermique, ledit moteur thermique comprenant : - au moins un cylindre présentant au moins une soupape d'admission et une soupape d'échappement commandées par des déphaseurs, - un turbocompresseur avec un conduit de décharge à gaz d'échappement régulé par une vanne de décharge commandée par un actionneur électrique, caractérisé en ce que, dans le cas où une position de la vanne de décharge à appliquer se trouve dans une zone morte de régulation, ledit procédé comprend : - une étape de mise en butée de l'actionneur électrique correspondant à une position fermée de la vanne de décharge, et - une étape de modification d'une position d'au moins un déphaseur, de manière à réguler un remplissage en air du moteur.

[0007] L'invention permet ainsi de compenser la zone morte de non-régulation de l’actionneur électrique, ce qui permet de diminuer le besoin en précision du capteur de position de la vanne de décharge tout en simplifiant la chaîne de traitement de l’information dans le calculateur. Le fait de ne pas réguler la position de l'actionneur électrique très près de la butée permet aussi de limiter les chocs de la vanne de décharge contre son siège, améliorant ainsi sa durabilité et permettant d’utiliser un siège constitué d’un matériau moins coûteux.

[0008] Selon une mise en œuvre, la mise en butée fermée de l'actionneur électrique déclenche un booléen activant une fonction de régulation des déphaseurs.

[0009] Selon une mise en œuvre, la fonction de régulation des déphaseurs compare un remplissage estimé en air du moteur à un remplissage maximal autorisé à un régime courant, permettant de déterminer une erreur de remplissage.

[0010] Selon une mise en œuvre, lorsque le remplissage estimé est supérieur au remplissage maximal autorisé, un régulateur est mis en œuvre de manière à accélérer une convergence du remplissage estimé vers le remplissage maximal autorisé.

[0011] Selon une mise en œuvre, le régulateur est de type Proportionnel-lntégral-Dérivée. La partie P du régulateur a pour rôle d’assurer l'accélération, en particulier lorsque l’écart de remplissage est important, et la partie I a pour rôle d’assurer la convergence du remplissage estimé vers le remplissage maximal autorisé.

[0012] Selon une mise en œuvre, le procédé comporte en outre une étape d'application d'une variation d'angle sur le déphaseur présentant la plus grande sensibilité au remplissage en air de manière à corriger une consigne de position des déphaseurs. Cela permet de modifier le taux de remplissage du moteur pour compenser l'erreur due à la zone morte de régulation de l'actionneur électrique de la vanne de décharge.

[0013] Selon une mise en œuvre, à partir de la sensibilité du remplissage du déphaseur choisi ledit procédé comporte une étape de calcul de la dérivée partielle du remplissage vis-à-vis de ce déphaseur pour chacun des régimes moteur sur lesquels une régulation de position du déphaseur serait nécessaire, cette dérivée partielle permettant de déterminer, à partir d’une erreur de remplissage corrigée par un régulateur, la variation d'angle à appliquer sur le déphaseur.

[0014] L'invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de régulation du remplissage en air d'un moteur thermique tel que précédemment défini.

[0015] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

[0016] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un moteur turbocompressé selon l'état de l'art; [0017] La figure 2, déjà décrite, est une représentation graphique du remplissage en air R d'un moteur en fonction de son régime Wm obtenue pour un actionneur électrique commandé selon l'état de l'art (courbe M), et un actionneur électrique positionné en butée fermée (courbe B); [0018] La figure 3 représente une vue en coupe schématique partielle d'un cylindre de moteur à combustion interne apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention; [0019] La figure 4 est une représentation graphique du remplissage en air R d'un moteur en fonction de son régime Wm obtenue pour un actionneur électrique commandé suivant le procédé selon l'invention; [0020] La figure 5 est un diagramme représentant les blocs fonctionnels du procédé de régulation du remplissage d'un moteur thermique selon la présente invention; [0021] La figure 6 est une représentation graphique du remplissage en air R d'un moteur en fonction d'un calage C du déphaseur d'admission; [0022] La figure 7 est une représentation graphique de la sensibilité S de remplissage en air d'un moteur en fonction d'un calage C du déphaseur d'admission.

[0023] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre.

[0024] La figure 3 montre une vue en coupe schématique partielle d'un moteur 5 à combustion interne comportant une pluralité de cylindres 22 par exemple au nombre de trois ou quatre. Chaque cylindre 22 comporte un piston 23, une chambre de combustion 24, un injecteur 6 de carburant, une bougie d'allumage 25 associée à un système 26 de réglage d'angle d'avance à l'allumage, au moins une soupape d'admission 11, au moins une soupape d'échappement 12. La chambre de combustion 24 est ainsi définie dans le cylindre 22 entre la face inférieure d'une culasse 13 et la face supérieure du piston 23.

[0025] La bougie d'allumage 25 est liée à la culasse 13 et dotée d'électrodes qui produisent une étincelle dans la chambre de combustion 24 lorsque le piston 23 est au voisinage de son point mort haut. Les soupapes d'admission 11 et d'échappement 12 sont montées mobiles dans la culasse 13 et sont disposées de part et d'autre du cylindre 22 de manière à définir un côté admission et un côté échappement.

[0026] Les soupapes d'admission 11 sont déplacées par un premier arbre à cames 171 de manière à mettre la chambre de combustion 24, à un instant choisi précédant la compression, en communication avec un conduit d'admission 8. Une vanne 17, sous forme d'un papillon, assure la gestion du débit d'air introduit dans le cylindre 22.

[0027] De façon analogue, les soupapes d'échappement 12 sont déplacées par un deuxième arbre à cames 172 de manière à mettre la chambre de combustion 24 à un instant choisi postérieur à la combustion, en communication avec un conduit d'échappement 9. Alternativement, les soupapes d'admission 11 et d'échappement 12 pourraient être déplacées par un arbre à cames unique.

[0028] La position relative de chaque arbre à cames 171, 172 par rapport au vilebrequin du moteur 5 peut être modifiée respectivement au moyen d'un premier déphaseur 211 dit d'admission et d'un deuxième déphaseur 212 dit d'échappement. Chaque déphaseur 211, 212 pourra être commandé hydrauliquement ou électriquement. Les déphaseurs 211, 212 permettent, suivant les conditions de fonctionnement, d'avancer ou de retarder l'ouverture et/ou la fermeture des soupapes d'admission 11 et d'échappement 12, c’est-à-dire de faire varier le phasage des lois de levée de ces soupapes 11, 12 par rapport à un mode de fonctionnement de référence. Des déphaseurs 211, 212 sont connus sous le sigle WA (Variable Valve Actuation en anglais) ou VVT (Variable Valve Timing en anglais).

[0029] Le moteur 5 est associé au turbocompresseur 2 comprenant un compresseur 3 disposé sur le conduit d’admission 8. L'écoulement des gaz d'échappement G entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur le conduit d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. Lorsque l’énergie transmise à la turbine 4 est suffisante, c’est-à-dire lorsque le remplissage en air du moteur 5 est suffisant, on régule le débit des gaz d'échappement G passant par la turbine 4 via une vanne de décharge 15. Cette vanne de décharge 15 permet de dévier une partie G' des gaz d’échappement dans un conduit de décharge 16 qui court-circuite la turbine 4. Ainsi à l'état ouvert, la vanne de décharge 15 permet aux gaz d'échappement G' de ne pas passer par la turbine 4, ce qui réduit le taux de remplissage induit par la turbine 4 et le compresseur 3. La vanne 15 est commandée par un actionneur électrique 150 de manière à ce qu'elle atteigne une position déterminée permettant le passage d'un débit de gaz d'échappement déviés G'.

[0030] Lorsque l'actionneur électrique 150 se situe dans une zone morte de régulation, c’est-à-dire lorsqu'il n'est pas possible d'assurer un positionnement suffisamment précis de la vanne de décharge 15 à proximité de sa butée, le procédé selon l'invention consiste en une mise en butée de l'actionneur électrique 150 couplée à un déphasage des arbres à cames 171, 172. Le déphasage des arbres à cames 171, 172 permet de réguler le remplissage R en air du moteur 5 suralimenté, afin de répondre à la demande en remplissage Rmax du moteur 5. Le but de cette régulation par les déphaseurs 211, 212 est de protéger le moteur 5 de tout excès de charge en air en corrigeant l'erreur E de remplissage induite par la mise en butée de l'actionneur 150 (Cf. figure 4).

[0031] Plus précisément, en référence à la figure 5, lorsqu'une consigne de position V de la vanne de décharge 15, issue d'un module de régulation des pressions de suralimentation, se trouve dans la zone morte de régulation de l’actionneur électrique 150, un module de pilotage 100 de l'actionneur 150, qui tient compte de la position A mesurée de l'actionneur 150, commande la mise en butée fermée de l’actionneur 150. La mise en butée de l'actionneur électrique 150 déclenche un booléen Bool qui permet d'activer un module 101 de régulation des déphaseurs 211,212. Pour cela, le module 101 compare un remplissage estimé du moteur Re avec un remplissage maximal Rmax autorisé à un régime moteur Wm courant. Cette comparaison permet de déterminer l'erreur E de remplissage. Lorsque le remplissage estimé Re au régime courant Wm est supérieur au remplissage maximal autorisé Rmax, un régulateur de type proportionnel-intégral-dérivée (PID) est mis en oeuvre pour accélérer la convergence du remplissage estimé Re vers le remplissage maximal autorisé Rmax et corriger ainsi l'erreur E de remplissage.

[0032] L'erreur E de remplissage est compensée à l'aide d'un calcul d'une variation d’angle d'un déphaseur Δ à appliquer. Pour calculer cette variation d’angle Δ, le module 102 recherche le déphaseur 211,212 ayant la plus grande influence sur le remplissage R, c’est-à-dire celui qui a la plus haute sensibilité au remplissage R en air du moteur 5, en pleine charge. La sensibilité S de remplissage en air correspond au rapport entre le pourcentage de remplissage et la position angulaire du vilebrequin.

[0033] A partir de la sensibilité S du remplissage du déphaseur choisi 211,212, un calcul de la variation d'angle Δ sur le déphaseur 211, 212 à appliquer est effectué. Pour cela, la dérivée partielle du remplissage R vis-à-vis de ce déphaseur 211, 212 est calculée pour chacun des régimes moteur Wm sur lesquels une modification de la position du déphaseur 211, 212 serait nécessaire. Cette dérivée partielle permet de déterminer, à partir de l’erreur E de remplissage corrigée par le régulateur PID, la variation d'angle Δ du déphaseur 211,212.

[0034] Le module 103 applique la variation de l'angle Δ du déphaseur 211, 212 à une consigne de position D du déphaseur choisi. Cette consigne de position D des déphaseurs est issue d'un calcul classique de consigne permettant de positionner les déphaseurs 211, 212 selon un mode de fonctionnement de référence. On obtient alors une consigne de position D' corrigée du déphaseur 211, 212 permettant de modifier la position des déphaseurs 211, 212. La modification de la position d'au moins un déphaseur 211, 212 permet de réguler le remplissage R du moteur 5 en compensant l'erreur E due à la mise en butée de l'actionneur électrique 150 de la vanne de décharge 15, afin d'éviter la zone morte de régulation.

[0035] Dans un exemple de réalisation, sur un moteur 5 à essence comportant trois cylindres 22 et équipé d'un turbocompresseur 2, le déphaseur 211 dit d'admission de type VVT présente une forte influence sur le remplissage R (cf. figure 7). On régulera alors la position du déphaseur d'admission 211 afin d’assurer la limitation de remplissage et corriger l'erreur E, tout en modifiant le moins possible les réglages initiaux des déphaseurs VVT. Comme montré en figure 6, pour un même régime moteur Wm, plus la demande en remplissage en air R augmente plus le calage C du déphaseur admission 211 augmente.

[0036] Une variante de réalisation consiste à utiliser un autre type d'actionneur permettant de moduler le rendement volumétrique en zone de suralimentation, en prévoyant par exemple une levée variable des soupapes d'admission 11 ou d'échappement 12. Une régulation serait également possible via le papillon des gaz mais cela pourrait induire un phénomène de pompage au niveau du compresseur 3 (fort ratio de pression à débit plus faible), ce qui pénalisera de manière importante la consommation en augmentant fortement les pertes par pompage.

[0037] L'invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé de régulation du remplissage en air du moteur thermique 5.

Claims

Revendications :

1. Procédé de régulation du remplissage en air (R) d'un moteur thermique (5), ledit moteur thermique (5) comprenant : - au moins un cylindre (22) présentant au moins une soupape d'admission (11) et une soupape d'échappement (12) commandées par des déphaseurs (211,212), - un turbocompresseur (2) avec un conduit de décharge (16) à gaz d'échappement régulé par une vanne de décharge (15) commandée par un actionneur électrique (150), caractérisé en ce que, dans le cas où une position de la vanne de décharge (15) à appliquer se trouve dans une zone morte de régulation, ledit procédé comprend : - une étape de mise en butée de l'actionneur électrique (150) correspondant à une position fermée de la vanne de décharge (15), et - une étape de modification d'une position d'au moins un déphaseur (211, 212), de manière à réguler un remplissage en air (R) du moteur (5).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en butée fermée de l'actionneur électrique (150) déclenche un booléen (Bool) activant une fonction de régulation des déphaseurs (211,212).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction de régulation des déphaseurs (211, 212) compare un remplissage estimé en air (Re) du moteur (5) à un remplissage maximal autorisé (Rmax) à un régime courant (Wm), permettant de déterminer une erreur (E) de remplissage.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque le remplissage estimé (Re) est supérieur au remplissage maximal autorisé (Rmax), un régulateur est mis en oeuvre de manière à accélérer une convergence du remplissage estimé (Re) vers le remplissage maximal autorisé (Rmax).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le régulateur est de type Proportionnel-Intégral-Dérivée (PID).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'application d'une variation d'angle (Δ) sur le déphaseur (211, 212) présentant la plus grande sensibilité (S) au remplissage en air de manière à corriger une consigne de position (D) des déphaseurs.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, à partir de la sensibilité (S) du remplissage du déphaseur choisi (211, 212), ledit procédé comporte une étape de calcul de la dérivée partielle du remplissage (R) vis-à-vis de ce déphaseur (211, 212) pour chacun des régimes moteur (Wm) sur lesquels une régulation de position du déphaseur (211, 212) serait nécessaire, cette dérivée partielle permettant de déterminer, à partir d'une erreur de remplissage (E) corrigée par un régulateur, la variation d'angle (Δ) à appliquer sur le déphaseur (211,212).
8. Calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé de régulation du remplissage en air d'un moteur thermique (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes.