FR3063108A1 - Procede de determination de la temperature des gaz d’echappement en amont de la turbine d’un turbocompresseur equipant un moteur thermique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination de la température (T3) des gaz d'échappement en amont de la turbine (11) d'un turbocompresseur (14) comportant un compresseur (5) relié par un axe d'entrainement à la turbine (11), comprenant une étape de détermination de la puissance du compresseur (5),caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes de : -détermination des pertes mécaniques du turbocompresseur (14), -détermination de la puissance à la turbine (11) à partir de la somme de la puissance du compresseur (5) et des pertes mécaniques, -détermination de l'écart de température des gaz d'échappement entre l'amont et l'aval de la turbine (11) à partir de la puissance à la turbine (11), -mesure de la température (T4) aval turbine (11), -détermination de la température (T3) des gaz d'échappement en amont de la turbine (11) à partir de cet écart et de la mesure de la température aval turbine (11).
Description
Titulaire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
PROCEDE DE DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DES GAZ D'ECHAPPEMENT EN AMONT DE LA TURBINE D'UN TURBOCOMPRESSEUR EQUIPANT UN MOTEUR THERMIQUE.
FR 3 063 108 - A1 (5/) L'invention concerne un procédé de détermination de la température (T3) des gaz d'échappement en amont de la turbine (11) d'un turbocompresseur (14) comportant un compresseur (5) relié par un axe d'entrainement à la turbine (11), comprenant une étape de détermination de la puissance du compresseur (5),caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes de:
-détermination des pertes mécaniques du turbocompresseur (14),
-détermination de la puissance à la turbine (11) à partir de la somme de la puissance du compresseur (5) et des pertes mécaniques,
-détermination de l'écart de température des gaz d'échappement entre l'amont et l'aval de la turbine (11) à partir de la puissance à la turbine (11 ),
-mesure de la température (T4) aval turbine (11),
-détermination de la température (T3) des gaz d'échappement en amont de la turbine (11) à partir de cet écart et de la mesure de la température aval turbine (11).
PROCEDE DE DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DES GAZ D’ECHAPPEMENT EN AMONT DE LA TURBINE D’UN TURBOCOMPRESSEUR EQUIPANT UN MOTEUR THERMIQUE
La présente invention se rapporte se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne suralimentés. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de détermination de la température de gaz d’échappement en amont de la turbine d’un turbocompresseur.
Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro VI, relatives aux niveaux d’émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères.
Les niveaux de performance requis pour les fonctions de contrôle moteur étant par conséquent de plus en plus exigeant, il est intéressant de bien connaître l’état du système à contrôler. Cette connaissance passe actuellement par l’implantation de capteur complétée par une modélisation des phénomènes physiques présents. Une grandeur spécifique du système peut alors être estimée via la mesure du capteur et par le résultat de la modélisation.
Une grandeur caractéristique du système peut alors être estimée via la mesure d’un capteur et par le résultat d’un modèle. Ces deux sources d’information présentent des qualités et compromis différents : fiabilité, dynamique, coût...
En particulier dans le cas d’un moteur à combustion interne équipé d’un système de suralimentation tel qu’un turbocompresseur et/ ou d’un système de recirculation des gaz d’échappement vers l’admission, encore désigné EGR, l’estimation de la température de collecteur échappement est un des estimateurs nécessaires au contrôle moteur pour respecter les critères de contraintes thermomécanique du collecteur et de la turbine mais également pour la maîtrise de la pression de suralimentation et de la quantité de gaz recirculés.
On connaît du document FR2973838A1 un procédé de détermination de la température des gaz échappement en amont de la turbine d’un turbocompresseur, basé sur la mesure de la température des gaz d’échappement en aval de la turbine et faite via une égalité entre la puissance à la turbine et celle au compresseur. Cependant ce bilan de puissance est purement thermodynamique cette modélisation ne fournit pas de données de température des gaz échappement en amont de la turbine suffisamment précises.
Il existe donc un besoin pour améliorer la précision de la détermination de la température instantanée des gaz échappement en amont de la turbine.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un procédé de détermination de la température des gaz d’échappement en amont de la turbine d’un turbocompresseur équipant un moteur thermique, ce turbocompresseur comportant un compresseur disposé dans une ligne d’admission d’air du moteur thermique et relié par un axe d’entrainement à la turbine disposée dans une ligne d’échappement du moteur thermique, ce procédé comprenant une étape de détermination de la puissance du compresseur, caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes de :
-détermination de la puissance perdue en pertes mécaniques du turbocompresseur par frottement sec et par frottement visqueux,
-détermination de la puissance à la turbine à partir de la somme de la puissance du compresseur et de la puissance perdue en pertes mécaniques,
-détermination de l’écart de température des gaz d’échappement entre l’amont et l’aval de la turbine à partir de la puissance à la turbine,
-mesure de la température des gaz d’échappement en aval de la turbine,
-détermination de la température des gaz d’échappement en amont de la turbine à partir de cet écart de température et de la mesure de la température des gaz d’échappement en aval de la turbine.
L’effet technique est d’améliorer la détermination de la température des gaz d’échappement en amont de la turbine en utiliser uniquement des informations disponibles de la ligne d’admission et de la température en aval de la turbine.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
En variante, la puissance compresseur est déterminée par la relation :
PuissanceCompresseur Qcomp * Cpair * (T2. ΤΊ)
Où Qcomp est le débit traversant le compresseur,
Cpair, la capacité calorifique de l’air d’admission,
T1 la température amont du compresseur,
T2 la température aval du compresseur,
En variante, la puissance perdue en pertes mécaniques du turbocompresseur par frottement sec et par frottement visqueux est la somme de pertes dites primaires représentant les pertes mécaniques axiales et radiales avec des pertes dites secondaires qui ne sont pas des pertes radiales ou axiales.
En variante, les pertes primaires sont déterminées par la relation :
Pertesprimaires = 2 x π x x R3 x L x w2 avec :
μ : viscosité dynamique de l’huile,
C : jeu de fonctionnement entre le palier de maintien de l’axe du turbocompresseur 14 et cet axe,
L : longueur du palier,
R : Constante spécifique de l’air, w : régime du turbocompresseur.
En variante, les pertes secondaires sont déterminées à partir d’une cartographie prédéterminée qui donne en fonction de la fonction de la température en aval de la turbine et du débit de gaz d’échappement traversant la turbine la valeur de ces pertes secondaires.
L’invention a également pour objet un calculateur caractérisé en ce qu’il comporte les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des variantes précédemment décrites.
L’invention a également pour objet un moteur thermique comprenant un turbocompresseur et un tel calculateur.
L’invention a également pour objet un véhicule comprenant un tel moteur thermique.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique d’un moteur thermique de l’invention.
- La figure 2 est un logigramme schématisant les étapes du procédé de l’invention.
La figure 1 présente un moteur thermique, par exemple un moteur à combustion interne à allumage commandé ou à allumage par compression, comprenant un bloc moteur 1 avec au moins un cylindre 2, par exemple ici quatre cylindres, pour la combustion. Un tel moteur thermique peut équiper un véhicule, par exemple un véhicule automobile pour permettre un déplacement de celui-ci.
Le moteur thermique comporte en outre un calculateur, non représenté, comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre du procédé détaillé après.
Le moteur thermique est relié à une ligne 3 d’admission d’air destinée à diriger vers le moteur 1 thermique l’air nécessaire à son fonctionnement. La ligne d’admission 3 comprend classiquement et dans cet ordre selon le sens de l’écoulement de l’air dans la ligne :
- une entrée E d’air,
- un filtre 4 à air pour retenir les poussières contenues dans l’air admis,
- un compresseur 5 de turbocompresseur 14,
- un refroidisseur 6 d’air comprimé,
- une vanne 7 de dosage d’air pour le contrôle du débit d’air admis dans le moteur 1, pouvant être par exemple classiquement un boîtier papillon,
- un répartiteur 8 d’air vers les cylindres 2 du moteur thermique.
Le moteur thermique est encore relié à une ligne 9 d’échappement pour l’évacuation des gaz de combustion produits dans les cylindres 2 pendant le fonctionnement du moteur. La ligne 9 d’échappement comprend classiquement et dans cet ordre selon le sens de l’écoulement des gaz dans la ligne :
- un collecteur 10 de gaz d’échappement,
- une turbine 11 de turbocompresseur 14 pour la détente des gaz d’échappement et l’entrainement du compresseur 5.
- un capteur 12 de température en aval de la turbine 11,
- au moins un organe 13 de dépollution, tel que par exemple un catalyseur d’oxydation, un filtre à particules,
- une sortie S des gaz d’échappement.
La turbine 11 et le compresseur 5 du turbocompresseur 14 sont reliés par un arbre 15 d’entrainement, maintenu par un palier, non représenté.
Le moteur thermique comprend encore une ligne 16 de recirculation des gaz d’échappement reliant la ligne 9 d’échappement à la ligne 3 d’admission. La ligne 16 de recirculation des gaz d’échappement est reliée à une de ses extrémités à la ligne 9 d’échappement par un piquage situé entre le collecteur 10 d’échappement et la turbine 11. La ligne 16 de recirculation des gaz d’échappement est reliée à l’autre de ses extrémités à la ligne 3 d’admission par un piquage situé entre le collecteur 8 d’admission et la vanne 7 de dosage d’air. Cette ligne 16 de recirculation des gaz d’échappement comprend classiquement :
- une vanne 17 de dosage de la quantité de gaz d’échappement à faire recirculer,
- un échangeur 18 de refroidissement des gaz d’échappement à faire recirculer.
Comme indiqué sur la figure 1, la pression et la température des gaz d’échappement en amont de la turbine 11 sont respectivement P3 et T3, la pression et la température des gaz d’échappement en aval de la turbine 11 étant respectivement P4 et T4. L’amont et l’aval sont déterminés par le sens de circulation des fluides, de l’air pour la ligne 3 d’admission et des gaz brûlés pour la ligne 9 d’échappement, la température T4 est mesurée par le capteur 12.
L’invention porte sur un procédé de détermination de la température T3 en amont de la turbine 11 permettant d’utiliser uniquement les informations de la ligne 3 d’admission et du capteur 12 de température T4 disposé en aval de la turbine 11.
La détente thermique de la turbine 11 est souvent modélisée en fonction de la Puissance turbine, Puissanceturbine, de la manière suivante :
Puissance·
Turbine
T3. Qech. Cpe (1)
Où T3 est la température en amont de la turbine 11, que l’on souhaite estimer,
T4 est la température en aval de la turbine 11,
Cpe : capacité calorifique des gaz d’échappement,
Qech : débit traversant la turbine 11.
Le principe est ici d’utiliser le modèle défini par la relation (1) en faisant un bilan d’énergie du turbocompresseur 14 en prenant en compte un modèle pour les pertes mécaniques par frottement sec et frottement visqueux. On a ainsi :
PuissanceCompresseur + Puissanceperdue PuissanceTUrbine (2)
Où Puissanceperdue est la puissance perdue par ces pertes mécaniques.
On modélise ensuite la puissance du compresseur 5 en fonction des informations de la ligne 3 d’admission disponibles, qui peuvent être obtenues par des capteurs ou estimateurs de la manière suivante :
Cpair * (Γ2 - Γ1) (3)
Où Qcomp est le débit traversant le compresseur 5,
Cpair, la capacité calorifique de l’air d’admission,
T1 la température amont du compresseur 5,
T2 la température aval du compresseur 5,
Ainsi en combinant les relations (2) et (3) on obtient :
PuissanceTurbine = Qcomp * Cpair * (T2 - Γ1) + Puissanceperdue (4)
Avec la relation (1) :
Γ4 _ Qcomp * Cpair * (Γ2 - Γ1) + Puissanceperdue
Qech. T3 Cpe (5)
Ce qui revient à :
(6)
Γ3 - T4 =
Qcomp * Cpair * (T^ - Tl) + Puissanceperdue
Qech. Cpe
La puissance mécanique perdue par les pertes mécaniques par frottements sec et par frottement visqueux peut se différencier en pertes primaires et pertes secondaires.
Les pertes primaires, PerteSprimaires, représentent les pertes mécaniques axiales et radiales perdues en partie entre le palier et l’axe 15 du turbo et en partie entre le palier et le compresseur. On utilise pour modéliser ces pertes la relation suivante :
(Ό avec :
μ : viscosité dynamique de l’huile,
C : jeu de fonctionnement entre le palier et l’axe 15 du turbocompresseur 14,
L : longueur du palier,
R : la constante spécifique de l’air (287 J.kg'1.K'1), w : régime du turbocompresseur.
Le reste des pertes par frottement (sec et visqueux) qui ne sont pas radiales ou axiales sont intégrés dans les pertes secondaires. Pour quantifier ces pertes secondaires on utilise de préférence une cartographie qui donne en fonction de la température T4 en aval de la turbine 11 et du débit, Qech, de gaz d’échappement traversant la turbine 11.
PertesSecondaires Pc'rtes^econda^res (T4, Qech) (8)
Cette modélisation est adaptée pour toutes les technologies de turbocompresseur palier hydrodynamique palier à film comprimés (squeeze film) palier à roulement à billes
La relation (6) devient ainsi :
_ Qcomp * Cpair * (T2 — 7Ί) + Pertes pr^ma^res + Pertessecondaires Qech. Cpe
Soit :
Γ3 — Γ4 =
Qcomp * Cpair * (72 - 71) + 2 x π x £ x ff3 x L x w2 + PertesSecondaires(T4, Qech)
----- (10)
Qech. Cpe
La figure 2 présente un logigramme schématisant les étapes du procédé.
A l’étape 20, on procède à la détermination de la puissance compresseur, à l’aide de la relation (3)
A l’étape 21, on procède à la détermination de puissance la mécanique perdue par les pertes mécaniques par frottements sec et par frottement visqueux, à l’aide des relations (7) et (8)
A l’étape 22, on à la détermination de l’écart de température T3 - T4 entre l’amont et l’aval de la turbine 11 et à l’aide de la température T4, mesurée par le capteur 12 (étape 23), on détermine finalement la température T3, en amont de la turbine 11.
L’invention permet l’obtention d’une température T3 en amont de la turbine 11 plus précis en statique et plus fiable que l’art antérieur. L’usage d’une température T3 en amont de la turbine 11 déterminé selon le procédé de l’invention de supprimer les risques d’instabilité des régulations de la suralimentation et de la recirculation de gaz d’échappement. L’invention permet d’améliorer la précision du prépositionnement des actionneurs du turbocompresseur 14 et / ou de la vanne 7 de dosage EGR.
Claims (8)
- Revendications1. Procédé de détermination de la température (T3) des gaz d’échappement en amont de la turbine (11) d’un turbocompresseur (14) équipant un moteur thermique, ce turbocompresseur (14) comportant un compresseur (5) disposé dans une ligne (3) d’admission d’air du moteur thermique et relié par un axe d’entrainement à la turbine (11) disposée dans une ligne (9) d’échappement du moteur thermique, ce procédé comprenant une étape de détermination de la puissance (PuissanceC0mpresseur) du compresseur (5), caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes de :-détermination de la puissance perdue (Puissanceperdue) en pertes mécaniques du turbocompresseur (14) par frottement sec et par frottement visqueux,-détermination de la puissance (Puissance,urbine) à la turbine (11) à partir de la somme de la puissance (PuissanceC0mpresseur) du compresseur (5) et de la puissance perdue (Puissanceperdue) en pertes mécaniques,-détermination de l’écart de température des gaz d’échappement entre l’amont et l’aval de la turbine (11) à partir de la puissance (Puissance,urbine) à la turbine (11),-mesure de la température (T4) des gaz d’échappement en aval de la turbine (11), -détermination de la température (T3) des gaz d’échappement en amont de la turbine (11) à partir de cet écart de température et de la mesure de la température (T4) des gaz d’échappement en aval de la turbine (11).
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance compresseur (PuissancOcompresseur) est déterminée par la relation :PuissanceCompresseur Qcomp * Cpcür * (T2. ΤΊ)Où Qcomp est le débit traversant le compresseur (5),Cpair, la capacité calorifique de l’air d’admission,T1 la température amont du compresseur (5),T2 la température aval du compresseur (5),
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance perdue (Puissanceperdue) en pertes mécaniques du turbocompresseur (14) par frottement sec et par frottement visqueux est la somme de pertes dites primaires (Pertesprimaires) représentant les pertes mécaniques axiales et radiales avec des pertes dites secondaires (Pertessecondaires) qui ne sont pas des pertes radiales ou axiales.
- 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pertes primaires (Pertesprimaires) sont déterminées par la relation :PertesPrimaires = 2 x π x xS3 xi x w2 avec :μ : viscosité dynamique de l’huile,C : jeu de fonctionnement entre le palier de maintien de l’axe (15) du turbocompresseur 14 et cet axe (15),
- 5 L : longueur du palier,R : Constante spécifique de l’air, w : régime du turbocompresseur.5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que les pertes secondaires (Pertessecondaires) sont déterminées à partir d’une cartographie10 prédéterminée qui donne en fonction de la fonction de la température (T4) en aval de la turbine (11) et du débit (Qech) de gaz d’échappement traversant la turbine (11) la valeur de ces pertes secondaires (Pertessecondaires).
- 6. Calculateur caractérisé en ce qu’il comporte les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de15 commande requis à mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- 7. Moteur thermique comprenant un turbocompresseur (14), caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur selon la revendication précédente.
- 8. Véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur thermique selon la20 revendication précédente.1/1
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