FR3085446A1 - Consigne de commande de geometrie d’une turbine de turbocompresseur sur un moteur a combustion - Google Patents

Consigne de commande de geometrie d’une turbine de turbocompresseur sur un moteur a combustion Download PDF

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Abstract

L'invention a trait à un procédé de contrôle de la géométrie d'une turbine à géométrie variable d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion, comprenant les actions suivantes : détermination d'une consigne de géométrie de la turbine, et ajustement de la géométrie de la turbine sur base de la consigne de géométrie. La détermination de la consigne de géométrie est en fonction d'une consigne de pression à la turbine et d'un débit d'échappement De du moteur, ledit débit étant une pondération entre un débit d'échappement effectif De eff et un débit d'échappement de consigne De cons.

Description

CONSIGNE DE COMMANDE DE GEOMETRIE D’UNE TURBINE DE TURBOCOMPRESSEUR SUR UN MOTEUR A COMBUSTION
L’invention a trait au domaine des moteurs à combustion équipés d’un turbocompresseur avec une turbine à géométrie variable. L’invention a plus particulièrement trait au contrôle de la géométrie de turbine d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion.
Il est courant d’équiper un moteur à combustion d’un turbocompresseur afin de suralimenter le moteur. Cette suralimentation a pour conséquence d’augmenter le niveau de charge du moteur et ainsi sa puissance spécifique, c’est-à-dire sa puissance ramenée à sa cylindrée. Une suralimentation permet d’également d’améliorer le comportement du moteur à régime intermédiaire et à faible régime en produisant un couple élevé à ces régimes, notamment en charge partielle. Il est alors nécessaire de prévoir un contrôle précis du turbocompresseur. A cet effet, il existe des turbocompresseurs dont la turbine présente une géométrie variable, à savoir que la section de passage est modulable afin de contrôler la vitesse des gaz d’échappement en direction de la turbine en fonction du niveau de charge du moteur. Des volets pivotants sont disposés à la périphérie de la roue de la turbine, l’orientation de ces volets étant commandée par un actuateur.
Le document de brevet publié US 6,067,800 divulgue un procédé de détermination de la géométrie de la turbine d’un turbocompresseur sur un moteur à combustion du type diesel pourvu d’un dispositif de recirculation des gaz d’échappement. Cette détermination est une estimation basée sur les calculs successifs du débit d’air d’admission, de la température de sortie, du débit de recirculation, du débit de gaz d’échappement, du débit de gaz traversant la turbine et de la pression à la turbine. L’angle d’inclinaison des volets ainsi estimé est comparé avec une valeur de consigne en vue d’une commande de régulation de l’actuateur des volets. Cet enseignement n’aborde pas la détermination de la valeur de consigne de géométrie de la turbine.
Or l’inclinaison des volets de la turbine permet précisément de contrôler la vitesse du flux gazeux vers la roue de la turbine et, partant, la vitesse de rotation du turbocompresseur et la pression de suralimentation. Cette dernière, en combinaison avec la vitesse de rotation du moteur, détermine le débit d’air d’admission du moteur.
Contrôler la géométrie de la turbine en fonction de ces paramètres de fonctionnement du moteur est susceptible de générer des instabilités en raison de cette corrélation entre, d’une part, la géométrie de la turbine et, d’autre part, la pression de suralimentation, le débit d’admission et le débit d’échappement (qui correspond au débit d’admission additionné du débit de carburant). En effet, en régime établi, lorsque le moteur est en surpression de suralimentation et ainsi en sur-débit d’air et d’échappement, une commande de la géométrie en ouverture de la section de passage va diminuer drastiquement la vitesse de rotation du turbocompresseur et diminuer drastiquement la pression de suralimentation et ainsi le débit d’air, conduisant alors à une pression de suralimentation trop faible. Cela peut conduire à des oscillations de la suralimentation. En régime transitoire d’augmentation de charge du moteur, la section de passage va diminuer de manière rapide et potentiellement conduire à une augmentation incontrôlée de la pression de suralimentation et de la pression en amont de la turbine.
L’invention a pour objectif de pallier au moins un inconvénient de l’état de la technique. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer un contrôle de la géométrie de turbine d’un turbocompresseur qui soit davantage stable et protecteur des composants du moteur et du turbocompresseur.
L’invention a pour objet un procédé de contrôle de la géométrie d’une turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion, comprenant les actions suivantes détermination d’une consigne de géométrie de la turbine ; ajustement de la géométrie de la turbine sur base de la consigne de géométrie ; remarquable en ce que la détermination de la consigne de géométrie est en fonction d’une consigne de pression à la turbine et d’un débit d’échappement De du moteur, ledit débit étant une pondération entre un débit d’échappement effectif De effet un débit d’échappement de consigne D e cons·
Les actions sont exécutées de manière récurrence et avantageusement en boucle.
Selon un mode avantageux de l’invention, la consigne de pression à la turbine est une consigne de ratio de détente à la turbine.
Selon un mode avantageux de l’invention, la pondération entre le débit d’échappement effectif De effet le débit d’échappement de consigne Decons est fonction de la différence entre la pression de suralimentation effective et une pression de suralimentation de consigne.
Selon un mode avantageux de l’invention, le débit d’échappement De est calculé comme suit :
De ~ D ' De eff + (1 — C) De cons où C est un coefficient de pondération compris entre 0 et 1.
Avantageusement C est supérieur à 0, plus avantageusement supérieur ou égal à 0.25.
Selon un mode avantageux de l’invention, C est une fonction croissante de la valeur absolue de la différence entre la pression de suralimentation effective et une pression de suralimentation de consigne.
Selon un mode avantageux de l’invention, le procédé comprend également une action de détermination de la géométrie de la turbine, à partir de paramètres de fonctionnement du moteur et du turbocompresseur.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’action de détermination de la géométrie de la turbine est faite à partir du débit d’échappement effectif du moteur et d’un ratio de détente nécessaire à la turbine.
Selon un mode avantageux de l’invention, le ratio de détente nécessaire à la turbine est calculé au moyen d’un modèle à partir de la pression de suralimentation.
Selon un mode avantageux de l’invention, le débit d’échappement effectif du moteur est obtenu à partir d’une mesure du débit d’air d’admission du moteur et du débit de carburant.
L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion équipé d’un turbocompresseur avec une turbine à géométrie variable par un actuateur, et d’une unité de contrôle de l’actuateur, remarquable en ce que l’unité de contrôle est configurée pour exécuter le procédé selon l’invention.
Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles améliorent la régulation de la géométrie de la turbine d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion. Plus spécifiquement, elles permettent, en régime établi, de limiter ou d’éviter des oscillations au niveau de la consigne de géométrie et, en régime transitoire, de limiter les pics de fonctionnement du turbocompresseur et de pression de suralimentation.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels :
- La figure 1 est une vue en coupe de la turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur ;
- La figure 2 est un logigramme illustrant un procédé de contrôle de la géométrie d’une turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur tel que celui de la figure 1 ;
- La figure 3 est un graphe montrant différentes évolutions de la pression de suralimentation lorsque la géométrie de la turbine est contrôlée suivant l’invention ;
- La figure 4 est un graphe associé à la figure 3 et montrant les évolutions de la géométrie de la turbine.
La figure 1 est une vue en coupe d’un turbocompresseur 2 d’un moteur à combustion de véhicule automobile. Plus précisément, la coupe est perpendiculaire à l’axe de rotation du turbocompresseur, au niveau de la turbine 4. La turbine comprend, de manière connue en soi de l’homme de métier, un carter 6 et une roue 8. Le carter reçoit un flux de gaz d’échappement du moteur à combustion et est configuré pour guider ce flux essentiellement de manière circulaire vers la roue 8. A cet effet, le carter comprend des volets 10 disposés de manière circonférentielle autour de la roue 8 et sont aptes à modifier la section de passage pour le flux gazeux entre le carter 6 et la roue 8, ainsi que l’orientation du flux gazeux. Ces volets 10 sont en l’occurrence montés pivotants de manière synchronisée au moyen d’un mécanisme de commande, bien connu en soi de l’homme de métier. Ce mécanisme de commande comprend un levier 12 relié mécaniquement à un actuateur 14. Ce dernier est linéaire, le mécanisme de commande convertissant alors le mouvement de translation de l’actuateur en rotation des volets 10.
A la figure 1, les volets 10 sont orientés suivant une section de passage réduite, tendant à accélérer le flux gazeux et partant, à accélérer le turbocompresseur augmentant la puissance du compresseur, et à augmenter la contre-pression, c’est-à dire la pression à la sortie d’échappement du moteur. Lorsque les volets 10 sont commandés de manière à pivoter davantage, en l’occurrence dans le sens anti horloger, la section de passage augmente, ce qui diminue l’accélération du flux gazeux et partant, diminue la puissance du compresseur et la contre-pression.
Le débit d’échappement traversant la turbine, la position de la géométrie variable et le ratio de détente dans la turbine (c’est-à-dire le rapport entre la pression d’entrée et la pression de sortie de la turbine) sont ainsi corrélés. En effet, la turbine avec sa géométrie variable peut être assimilée, de manière simplifiée, à une conduite avec une section de passage réduite, correspondant au passage dans les volets, apte à accélérer le fluide avant d’atteindre la roue de la turbine. Par application du principe de Bernoulli, énonçant que dans le flux d'un fluide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression, la pression en amont, la variation de section et le débit du fluide sont corrélés.
Le contrôle du moteur à combustion comprend une fonction de pilotage de la pression de suralimentation dudit moteur, afin de maîtriser le débit d’air, le recyclage des gaz d’échappement (EGR acronyme de l’expression anglo-saxonne « Exhaust Gas Recycling »), et donc les émissions de polluants. Il est aussi souhaitable de respecter des critères de contraintes au niveau du turbocompresseur, comme notamment la pression en amont de la turbine, la pression en aval du compresseur, le phénomène de pompage du compresseur et le régime du turbocompresseur. Le pilotage de la pression de suralimentation comprend alors un contrôle de la géométrie de la turbine.
Sur base d’une modélisation du moteur à combustion, y compris le turbocompresseur, il est possible d’estimer le ratio de détente nécessaire à la turbine pour atteindre une pression de suralimentation donnée. La puissance reçue par la turbine est essentiellement liée à la vitesse et au débit du flux gazeux la rencontrant (en négligeant notamment l’éventuelle variation d’orientation du flux gazeux). La pression de suralimentation est quant à elle liée à la puissance de la turbine (transmise directement au compresseur) et la consommation d’air par le moteur. La pression en amont de la turbine, par application du principe de Bernoulli, est alors déterminante pour la vitesse et le débit massique au niveau de la roue de la turbine, et donc pour la pression de suralimentation. Par une modélisation du fonctionnement du moteur montre il est ainsi possible de déterminer le ratio de détente nécessaire à la turbine pour atteindre une pression de suralimentation donnée.
En référence à la discussion ci-avant quant à la détermination de la géométrie de la turbine, le fait de connaître le ratio de détente requis à la turbine et le débit d’échappement, permet de déterminer la géométrie de la turbine requise. Le débit d’échappement peut être déduit directement du débit d’admission mesuré à l’entrée du moteur, au moyen du débitmètre d’entrée, en y ajoutant le débit de carburant.
L’utilisation du débit d’échappement dans la détermination qui précède est cependant susceptible de générer des instabilités, essentiellement en ce que le débit d’échappement mesuré, c’est-à-dire effectif, est le résultat de l’état de fonctionnement du moteur qui est lui-même directement influencé par les paramètres de contrôle comme notamment la géométrie de la turbine. Il peut donc y avoir des effets négatifs du type oscillations au niveau de la régulation de la géométrie de la turbine. A titre d’exemple, lorsque le moteur est dans un état de fonctionnement où la pression de suralimentation est trop grande, le débit d’air d’admission est trop grand et il en va de même pour le débit d’échappement, ce qui va conduire à une commande d’ouverture de la géométrie de la turbine. Cela va alors diminuer la pression de suralimentation et partant, le débit d’admission et le débit d’échappement, ce qui va conduire à une commande de fermeture de la géométrie de la turbine. Similairement, en régime transitoire d’augmentation de charge du moteur, la demande de pression de suralimentation va être grande et donc le ratio de détente requis à la turbine va être grand, alors que le débit d’échappement n’a pas encore augmenté de manière significative. Cela va alors conduire à une commande de fermeture importante de la géométrie de la turbine et ainsi à des augmentations abruptes de pression de suralimentation, avec des risques de dépasser des limites de contrainte.
La figure 2 illustre la manière dont la consigne de géométrie de la turbine 28 est déterminée à la lumière de ce qui précède. En référence à la corrélation détaillée ciavant entre le débit d’échappement, le ratio de détente désiré à la turbine 20 et la géométrie de la turbine 26, cette géométrie est déterminée sur base dudit ratio 20 et sur base d’une pondération 22 des débits d’échappement effectif De effet de consigne De cons, formant ainsi un barycentre. Cela permet de diminuer, voire d’annuler, les phénomènes oscillatoires et/ou d’instabilité évoqués ci-avant. Plus précisément, le débit d’échappement De peut être obtenu comme suit :
De — D De + (1 — C) De cons où De eff est le débit d’échappement effectif, De cons est le débit d’échappement de consigne, et C est un coefficient de pondération compris entre 0 et 1. Ce dernier est avantageusement calculé 24 en fonction de l’écart de boucle de la régulation de pression de suralimentation 18, c’est-à-dire l’écart entre la pression de suralimentation effective et la consigne de pression de suralimentation, à avoir que le coefficient C est d’autant plus faible que l’écart en question est faible. Cela signifie qu’en régime stabilisé où l’écart de boucle 18 est faible ou nul, le débit d’échappement considéré est majoritairement celui de consigne, alors qu’en régime transitoire où l’écart de boucle 18 est plus grand, c’est une pondération des débits d’échappement effectif et de consigne qui est utilisée.
Le calcul du ratio de détente désiré à la turbine 20 est avantageusement obtenu à partir d’informations diverses 16 du moteur. Les moteurs suralimentés disposent en effet d’un débitmètre et d’une structure de régulation de pression de suralimentation, c’est-à-dire que la position de la géométrie variable est estimée via des équations physiques. Ces équations permettent d’estimer le ratio de détente nécessaire à la turbine afin de réaliser la pression de suralimentation de la turbine.
Lors de la régulation de la géométrie de la turbine, la position effective de celle-ci peut être mesurée où, préférentiellement, déterminée à partir de données effectives de fonctionnement du moteur, comme notamment sur base du débit d’échappement effectif, obtenu par le débit d’admission et le débit de carburant, et le ratio de détente à la turbine, avantageusement obtenu de la pression de suralimentation mesurée.
Les figures 3 et 4 illustrent de manière graphique les évolutions de la pression de suralimentation (figure 3) et de la géométrie de la turbine (figure 4) au cours du temps, exprimé en secondes, lors d’une reprise en pleine charge d’un moteur à combustion fonctionnant à un régime initial de 2000 tours/minute.
A la figure 3, le trait rectiligne en pointillé serré illustre la consigne de pression de suralimentation. On peut observer que celle-ci passe de manière abrupte d’un peu moins de 1.5 bar à un peu plus de 2.5 bar. Les courbes illustrent la pression de suralimentation effective atteinte en boucle ouverte (c’est-à-dire sans régulation de la pression en question) en appliquant le contrôle de géométrie de la turbine décrit ciavant relation avec la figure 2 et en utilisant différentes valeurs du coefficient C à l’équation ci-avant, allant de 0 à 1 (à savoir 0, 0.25, 0.5, 0.75 et 1). Une valeur du coefficient C égale à 1 revient à baser la détermination de la géométrie de la turbine sur le débit d’échappement effectif Deeft alors qu’une valeur égale à 0 revient à baser la détermination de la géométrie de la turbine sur le débit d’échappement de consigne De cons· On peut observer que la courbe du bas, correspondant à C=0, génère une augmentation plus progressive de la pression de suralimentation et que la courbe du haut, correspondant à C=1, génère une augmentation plus rapide de la pression de suralimentation.
La figure 4 exprime la géométrie de la turbine par un paramètre allant de plus de 100 à un peu moins de 40, exprimant l’ouverture du passage pour le flux gazeux, à savoir qu’une valeur faible du paramètre correspond à une section de passage réduite et vice versa. La courbe du bas, correspondant à C=0, prévoit une commande de fermeture plus rapide de la géométrie, alors que la courbe du haut, correspondant à C=1, génère une commande de fermeture plus lente de la géométrie, en particulier durant la première seconde.
A la lumière des figures 3 et 4, on peut constater que la prise en compte du débit d’échappement de consigne, moyennant un coefficient C compris entre 0 et 1, permet de ralentir la dynamique de la pression de suralimentation et, partant, de réduire les risques de dépassement de contraintes.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de contrôle de la géométrie d’une turbine à géométrie variable (4) d’un turbocompresseur (2) d’un moteur à combustion, comprenant les actions suivantes :
    - détermination (28) d’une consigne de géométrie de la turbine (4) ;
    - ajustement de la géométrie de la turbine (4) sur base de la consigne de géométrie ;
    caractérisé en ce que la détermination de la consigne de géométrie (28) est en fonction d’une consigne de pression à la turbine (20) et d’un débit d’échappement De du moteur, ledit débit étant une pondération (22) entre un débit d’échappement effectif De etf et un débit d’échappement de consigne De cons.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la consigne de pression à la turbine est une consigne de ratio de détente à la turbine (20).
  3. 3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pondération (22) entre le débit d’échappement effectif De en et le débit d’échappement de consigne De cons est fonction de la différence entre la pression de suralimentation effective et une pression de suralimentation de consigne (18).
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le débit d’échappement De est calculé comme suit :
    De — D De + (1 — C) Oe cons où C est un coefficient de pondération compris entre 0 et 1.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que C est une fonction croissante de la valeur absolue de la différence entre la pression de suralimentation effective et une pression de suralimentation de consigne.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit procédé comprend également une action de détermination de la géométrie de la turbine, à partir de paramètres de fonctionnement du moteur et du turbocompresseur.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’action de détermination de la géométrie de la turbine est faite à partir du débit
    5 d’échappement effectif De en du moteur et d’un ratio de détente nécessaire à la turbine.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ratio de détente nécessaire à la turbine (20) est calculé au moyen d’un modèle à partir de la pression de suralimentation (16).
  9. 10 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le débit d’échappement effectif De en du moteur est obtenu à partir d’une mesure du débit d’air d’admission du moteur et du débit de carburant.
    10.Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion équipé d’un turbocompresseur (2) avec une turbine à géométrie variable (4) par un 15 actuateur (14), et d’une unité de contrôle de l’actuateur, caractérisé en ce que l’unité de contrôle est configurée pour exécuter le procédé selon l’une des revendications 1 à 9.
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