FR3088371A1 - Procede de determination de la position d’un organe de reglage d’une turbine a geometrie variable - Google Patents

Procede de determination de la position d’un organe de reglage d’une turbine a geometrie variable Download PDF

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de détermination de la position d’un organe de réglage d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur, ladite position de l’organe de réglage de ladite turbine (6) étant déterminée suivant les étapes de : mesure d’un débit d’air traversant le compresseur (2), détermination d’une pression de suralimentation (10) en air comprimé à fournir au moteur, calcul de la puissance de consigne (12) à fournir au compresseur (2) afin de réaliser ladite pression de suralimentation (10), en fonction du débit d’air traversant le compresseur (2), calcul d’un ratio de détente nécessaire des gaz traversant ladite turbine (6) en fonction de ladite puissance de consigne (12) à fournir au compresseur (2), mesure d’un débit de gaz d’échappement traversant la turbine (6), application d’une cartographie prédéfinie pour déterminer ladite position de l’organe de réglage en fonction dudit ratio de détente nécessaire et dudit débit de gaz d’échappement traversant la turbine (6). (figure 1)

Description

Description
Titre de l’invention : PROCEDE DE DETERMINATION DE LA POSITION D’UN ORGANE DE REGLAGE D’UNE TURBINE A GEOMETRIE VARIABLE Domaine technique [0001] L'invention concerne, de façon générale, le contrôle de commande d’un moteur à combustion interne, en particulier un moteur de véhicule automobile, à l’aide de capteurs, de la mise en œuvre de modèles physiques et de la détermination de consignes.
[0002] Plus précisément, la présente invention vise la détermination de la position d’un organe de réglage d’une turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur dans un système de motorisation à combustion d’un véhicule, notamment d’un véhicule automobile.
Etat de la technique [0003] L’invention porte plus particulièrement sur la fourniture d’une commande de la pression de suralimentation d’un moteur à combustion interne suralimenté, dont le turbocompresseur de suralimentation à gaz d’échappement présente un régulateur de la pression d’alimentation, sous la forme d’une turbine à géométrie variable (TGV).
[0004] La suralimentation est un procédé qui vise à augmenter le rendement d’un moteur à combustion interne, sans augmenter sa vitesse de rotation. Le procédé consiste à augmenter la masse volumique de l’air qui occupe la chambre de combustion, en augmentant la pression mais pas la température de l’air. Pour respecter le rapport optimal de combustion, il faut alors injecter plus de carburant.
[0005] De manière connue, les lois de commande d’un moteur à combustion interne sont mises en œuvre dans un calculateur embarqué appelé unité électronique de commande. Les moteurs à combustion interne sont souvent suralimentés. Pour cette raison, ils comportent un turbocompresseur comprenant une turbine et un compresseur afin de produire et d’envoyer de l’air comprimé dans le moteur. Le rôle du turbocompresseur est de réguler le débit d’air et de modifier la circulation des gaz d’échappement afin d’optimiser la puissance du moteur sans l’étouffer, c’est-à-dire de fournir le moteur en air comprimé. Le turbocompresseur à géométrie variable permet ainsi d’accroître la puissance d’un moteur en augmentant son apport d’énergie et en lui permettant alors de tourner plus vite. Le turbocompresseur récupère les gaz d’échappement qui sortent du moteur et permet à la turbine reliée au compresseur d’air et placée à la sortie du collecteur d’échappement, d’être entraînée par les gaz d’échappement et d’effectuer une rotation. Ce mouvement permet d’envoyer de l’air sous pression dans le circuit d’admission et le moteur, bien que suralimenté, n’étouffe pas.
[0006] Pour éviter que le moteur ne s’emballe, il faut réguler la pression du turbocompresseur dans le circuit d’admission. En effet, si la pression augmente, alors le moteur monte en régime, les gaz d’échappement accélèrent la turbine, augmentant la pression d’air et entraînant la détérioration du moteur. Afin de réguler la pression et de moduler la puissance fournie par les gaz d’échappement à la turbine, une turbine à géométrie variable munie d’un organe de réglage pour moduler le transit des gaz d’échappement par la turbine et commandé par l’unité électrique de commande, est utilisée. Lorsque le régime est bas, l’organe de réglage pour moduler le transit des gaz d’échappement par la turbine est fermé et l’intégralité des gaz d’échappement transite par la turbine. Au fur-et-à-mesure que le régime moteur augmente, l’organe de réglage pour moduler le transit des gaz d’échappement par la turbine s’ouvre progressivement et dévie les flux de gaz d’échappement de la turbine qui devient alors inopérante.
[0007] De manière connue, il existe un actionneur de la géométrie variable de la turbine s’appuyant sur un dispositif de calcul comparant la pression réelle détectée en sortie du turbocompresseur et la pression de consigne. L’actionneur s’appuie également sur des cartographies de paramètres de fonctionnement liées par exemple à la vitesse de rotation du moteur et sur un régulateur, appelé régulateur proportionnel, intégral, dérivé dit PID, pour les phases transitoires, le régulateur PID étant un système de contrôle permettant d’appliquer des corrections à de multiples grandeurs physiques afin d’améliorer les performances.
[0008] Il existe également un actionneur qui commande la géométrie variable de la turbine à l’aide d’un dispositif de commande s’appuyant sur des modèles caractéristiques liés à la vitesse de rotation du moteur ainsi qu’à la quantité de carburant injectée.
[0009] On connaît par le document FR2948414 un système de commande de la puissance fournie par une turbine de turbocompresseur comprenant une unité électronique de commande, contenant une loi de commande programmée basée sur des modèles enregistrés.
[0010] Cependant une telle solution présente des inconvénients car elle nécessite l’utilisation de cartographies et de modèles théoriques fournissant la position de la turbine à géométrie variable, auxquels il faut rajouter des corrections en fonction des conditions extérieures, nécessitant alors l’utilisation d’un régulateur PID. De plus, les cartographies utilisées doivent être calibrées pour chacun des modes de combustion. Cependant, dans un moteur diesel, la complexité des différents modes de combustion entraîne un nombre élevé de cartographies à calibrer, ce qui se révèle être particulièrement chronophage lors de la mise au point.
[0011] L’invention vise donc à résoudre ces inconvénients en proposant un procédé de contrôle de commande d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion interne permettant la gestion de la position de l’organe de réglage de la turbine à géométrie variable liée au turbocompresseur.
[0012] Pour parvenir à ce résultat, la présente invention concerne un procédé de détermination de la position d’un organe de réglage d’une turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur, le turbocompresseur comprenant par ailleurs un compresseur destiné à suralimenter un moteur à combustion interne de véhicule en air comprimé, la turbine à géométrie variable étant configurée pour fournir une puissance de consigne au compresseur, l’organe de réglage permettant de moduler un débit de gaz d’échappement traversant la turbine pour régler une puissance fournie par la turbine, les gaz d’échappement traversant ladite turbine subissant une détente transformant l’énergie thermique et cinétique desdits gaz présents en énergie mécanique, ladite position de l’organe de réglage de ladite turbine étant déterminée suivant les étapes de :
- mesure d’un débit d’air traversant le compresseur,
- détermination d’une pression de suralimentation en air comprimé à fournir au moteur,
- calcul de la puissance de consigne à fournir au compresseur afin de réaliser ladite pression de suralimentation, en fonction du débit d’air traversant le compresseur,
- calcul d’un ratio de détente nécessaire des gaz traversant ladite turbine en fonction de ladite puissance de consigne à fournir au compresseur,
- mesure d’un débit de gaz d’échappement traversant la turbine,
- application d’une cartographie prédéfinie pour déterminer ladite position de l’organe de réglage en fonction dudit ratio de détente nécessaire et dudit débit de gaz d’échappement traversant la turbine.
[0013] De manière avantageuse, la puissance fournie par la turbine est égale à la puissance de consigne du compresseur.
[0014] Avantageusement, ledit organe de réglage comprend des ailettes ou des aubes.
[0015] De manière avantageuse, la position de l’organe de réglage est configurée pour laisser une section de passage aux gaz d’échappement évoluant de façon monotone avec le ratio de détente.
[0016] Avantageusement, la position de l’organe de réglage est limitée en fonction d’une valeur maximale autorisée dudit ratio de détente.
[0017] De manière avantageuse, la position de l’organe de réglage est limitée en fonction d’une valeur maximale de la pression des gaz d’échappement en amont de ladite turbine.
[0018] Avantageusement, la position de l’organe de réglage est limitée en fonction d’une valeur maximale de la pression des gaz d’échappement en amont de ladite turbine.
[0019] De manière avantageuse, le procédé comprend la mise en œuvre d’un régulateur pour corriger la pression de suralimentation de consigne.
[0020] L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant un turbocompresseur et un calculateur de contrôle dudit turbocompresseur, ledit calculateur étant configuré pour mettre en œuvre le procédé tel que brièvement décrit ci-dessus.
Présentation des dessins [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins qui montrent :
[0022] [fig-1] un schéma du principe de fonctionnement d’un turbocompresseur selon l’invention monté dans un véhicule automobile, [0023] [fig.2] un schéma de la structure permettant le calcul de la puissance nécessaire au niveau du compresseur, [0024] [fig.3] un schéma de l’organe de réglage d’une turbine à géométrie variable avec une faible section de passage, et [0025] [fig.4] un schéma de l’organe de réglage d’une turbine à géométrie variable avec une grande section de passage.
[0026] Dans ce qui va suivre, les modes de réalisation décrits s’attachent plus particulièrement à une mise en œuvre du procédé de détermination de la position de l’organe de réglage d’une turbine à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’invention au sein d’un véhicule automobile. Cependant, toute mise en œuvre dans un contexte différent, en particulier dans tout type de véhicule, est également visée par la présente invention.
[0027] La figure 1 représente le principe de fonctionnement d’un turbocompresseur. Dans un turbocompresseur, les gaz d’échappement rejetés par le moteur font tourner une turbine 6. La turbine 6 est reliée au compresseur 2 par un axe 5, le rôle du compresseur 2 étant d’envoyer une grande masse d’air vers le collecteur d’admission du cylindre 9. L’air qui s’accumule finit par se compresser et l’air compressé est envoyé dans le moteur, ce qui augmente l’apport d’oxygène dans la chambre de combustion et favorise la puissance du moteur.
[0028] Comme le montre la figure 1, l’air ambiant provenant de l’extérieur est aspiré et passe dans un filtre à air 1 qui élimine les principales impuretés, il se trouve ainsi à l’entrée du compresseur 2. L’air est alors à pression atmosphérique et température ambiante.
[0029] Le compresseur 2 comprime l’air entraînant une augmentation de la pression et de la température de l’air. Cependant, l’air froid prend moins de place que l’air chaud. Pour obtenir des performances optimales du système de suralimentation, il peut être ajouté un échangeur air-air 3 afin de diminuer la température de l’air. Grâce à l’échangeur air air 3, l’air reste donc à pression atmosphérique et sa température a baissé. L’échangeur air-air 3 permet de refroidir l’air compressé avant de l’envoyer dans les chambres de combustion.
[0030] Un boîtier papillon 4 laisse passer l’air comprimé refroidi dans le collecteur d’admission 9. Le gaz froid qui entre dans le moteur est chauffé par la combustion interne du moteur, produisant une dilatation du gaz. Les gaz expulsés par le collecteur d’échappement 9’, appelés gaz d’échappement, ont alors une température élevée et prennent donc plus de place que le gaz froid qui entre dans le moteur, entraînant la turbine 6 à géométrie variable, placée dans le flux des gaz d’échappement, qui rentre en rotation à grande vitesse. En effet, les gaz d’échappement chauds se détendent en traversant la turbine, où leur énergie thermique et cinétique sont transformées en énergie mécanique, le mouvement de rotation de la turbine 6 est communiqué à l’axe 5 qui actionne le compresseur 2. En tournant, la turbine 6 à géométrie variable, reliée par l’axe 5 au compresseur 2, entraîne donc le compresseur 5. L’énergie produite par la dilatation des gaz est ainsi récupérée pour améliorer les performances du moteur, car c’est aussi l’énergie utilisée pour compresser l’air d’admission et l’envoyer dans le moteur.
[0031] Afin d’éviter une surpression pouvant faire exploser le turbo, une soupape d’évacuation du surplus de pression est mise en place. La soupape de décharge évacue donc toute pression excédentaire à la pression tolérée par le système de suralimentation. Cette soupape de décharge est commandée par une électrovanne 7.
[0032] Le comportement du turbo est donc modifié afin de permettre au moteur d’obtenir plus de puissance. Pour cela, un re-paramétrage de la cartographie du moteur est utilisé, l’un des paramètres étant le réglage de la pression de suralimentation 10.
[0033] Le calcul de la position de l’organe de réglage 40 de la turbine 6 à géométrie variable est donc nécessaire pour réguler au mieux la pression de suralimentation de consigne 11 afin de maîtriser la recirculation des gaz d’échappements, le débit d’air 16, et de respecter d’autres critères de contraintes au niveau du turbocompresseur tels que la pression en amont de la turbine 6 à géométrie variable, la pression en aval du compresseur 2, le pompage du compresseur 2 et le surrégime du turbocompresseur.
[0034] La position 15 de l’organe de réglage 40 de la turbine 6 à géométrie variable est déterminée par l’intermédiaire du calcul 12 de la puissance de consigne du compresseur à partir de la pression de suralimentation de consigne 11 et du débit d’air 16 qui traverse le compresseur 2. Pour cela, l’hypothèse 13 d’un équilibre en tout instant entre la puissance du compresseur de consigne 12 et la puissance de la turbine à réaliser 14 est faite.
[0035] La figure 2 représente un schéma de la structure permettant le calcul de la puissance nécessaire au niveau du compresseur. Le débit d’air 16 passe dans un filtre à air 1 pour éliminer des impuretés en amont du compresseur 2 générant des pertes de charges 17 au niveau du filtre à air 1 avant d’entrer dans le compresseur 2 avec une pression en amont du compresseur 19. Puis, l’air arrive dans l’échangeur air-air 3 avec une pression en aval du compresseur 20 où des pertes de charges 18 au niveau de l’échangeur air-air 3 ont également lieu. Afin de calculer la puissance 23 nécessaire au niveau du compresseur 2 à partir de la pression de suralimentation de consigne 11 et du débit d’air 16 qui traverse le compresseur 2, la relation d’égalité 13 entre la consigne de puissance au niveau de la turbine 6 et la consigne de puissance au niveau du compresseur 24 est réalisée :
[0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [Math.l]
Puissanceturbinp = Puissance rui DineConsigne compresseur Consigne
La température de l’air 22 en amont du compresseur 2, la pression 19 en aval du compresseur 2 et la pression 20 en amont du compresseur 2 permettent le calcul 23 de la consigne de puissance au niveau du compresseur 24 selon les équations suivantes :
[Math.2]
Pui s s anc ecomprcsscur
Consigne
Qw ‘ consigne (^air__I
PiC Yair - 1 η
compresseur
PiC étant le rapport des pressions en amont et en aval au niveau du compresseur, T amontcompresseur étant la température en amont du compresseur, Qairconsigne étant la consigne de débit d’air au niveau du compresseur, Cp.lir, étant la capacité thermique de l’air, γ.,,, étant le coefficient adiabatique de l’air c’est-à-dire le rapport des capacités thermiques à pression constante et à volume constant, pcompresseur, étant le rendement du com presseur.
[Math.3]
Puissanceturbineconslgne = QturbmeCOTlsjgnc x CPgazbruléS X Tamontturbine x \1 ^consigne ) X nturbine
PiTconsigne étant le rapport des pressions en amont et en aval au niveau de la turbine 6 nécessaire à la turbine 6 pour réaliser la pression de suralimentation de consigne, il permet de déterminer la position de l’organe de réglage de la turbine 6. Qturbmeconsigne étant la consigne de débit au niveau de la turbine 6, Cpgazbrui&, étant la capacité thermique des gaz d’échappement, Tamontturbine étant la température en amont de la turbine 6, ygaz étant le coefficient adiabatique des gaz d’échappement c’est-à-dire le rapport des capacités thermiques à pression constante et à volume constant, qturbine étant le rendement de la turbine 6.
En reprenant la relation d’égalité 13 entre la consigne de puissance au niveau de la turbine 6 et la consigne de puissance 24 au niveau du compresseur 2, on a alors :
[0043] [Math.4] 1 Vgaz
- PIT Ygaz consigne
Puissance compresseur
Consigne turbine consigne X CPgazbrulés X ^amontturbine x Hturbine [0044]
Pour des raisons de modélisations, le terme PiT est issu de cartographies à deux dimensions en fonction d’un terme intermédiaire et du coefficient des gaz d’échappement ygaz, où :
[0045] [Math.5]
Puissance compresseur
Consigne
Termelntermédiaire =
Qturbineconsigne X CPgazbrulés X Tamontturbine x Π turbine [0046] On en déduit alors PiTconsigne qui représente le ratio de détente nécessaire à la turbine (6) pour réaliser la pression de suralimentation de consigne (11) et qui détermine la position de l’organe de réglage 40.
[0047] Cependant, le terme PiTconsigne est saturé par une valeur maximale autorisée du rapport de pression en amont et en aval au niveau de la turbine 6, désignée PiTmax, ou par une pression en amont de la turbine 6 maximale autorisée, désignée PiTmaxPamont. Ainsi, le terme PiTconsigne déterminant la position de l’organe de réglage 40 est choisi comme étant la valeur minimale parmi celles données par les termes PiTmax, PiTmaxPamont et PiT consigne· [0048] Dans un turbocompresseur à géométrie variable, tout le débit des gaz d’échappement passe dans la turbine 6. A partir du rapport de pression en amont et en aval au niveau de la turbine, PiT, déterminé et du rendement du débit de gaz d’échappement traversant la turbine 6, une cartographie est réalisée permettant d’en déduire la position de l’organe de réglage 40 nécessaire à la réalisation de la pression de suralimentation 10.
[0049] Un turbocompresseur à géométrie variable régule donc le débit d’air 16 et modifie la circulation des gaz d’échappement afin d’optimiser la puissance du moteur. La turbine 6 reliée au compresseur 2 effectue une rotation pour fournir de la puissance au compresseur 2 lui-même fournissant de l’air comprimé au moteur.
[0050] Pour vaincre les dispersions du turbocompresseur ou d’autres pertes de charge, un régulateur est placé en amont du calcul et vient corriger la pression de suralimentation de consigne qui entre dans le calcul de la puissance nécessaire au niveau du compresseur.
[0051] Les figures 3 et 4 représentent la turbine 6 à géométrie variable comprenant l’organe de réglage 40 afin de réguler la pression dans le circuit d’admission en faisant varier l’inclinaison de l’organe de réglage 40 selon la vitesse des gaz d’échappement s’engouffrant dans la turbine 6. En effet, si la pression augmente, le moteur monte en régime, les gaz d’échappement accélèrent alors la turbine 6 et le moteur se détériore.
[0052] La figure 3 représente la turbine 6 dans laquelle l’organe de réglage 40 propose une faible section de passage. Les gaz d’échappement transitent par la turbine 6, ils sont accélérés pour augmenter la puissance de la turbine 6, c’est le cas lorsque le débit d’air 16 est faible.
[0053] La figure 4 représente la turbine 6 dans laquelle l’organe de réglage 40 propose une grande section de passage. Les gaz d’échappement sont alors peu accélérés afin de diminuer la puissance de la turbine 6, c’est le cas notamment lorsque le débit d’air 16 est important.
[0054] Grâce à l’invention, la qualité des régulations de pression de suralimentation est améliorée et ainsi la fiabilité des stratégies de protection des composants du collecteur et de la turbine est également améliorée. L’invention basée sur des équations physiques permet aussi un gain de temps car elle ne dépend pas des différents modes de combustion.

Claims (1)

  1. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]
    Revendications
    Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur, le turbocompresseur comprenant par ailleurs un compresseur (2) destiné à suralimenter un moteur à combustion interne de véhicule en air comprimé, la turbine (6) à géométrie variable étant configurée pour fournir une puissance de consigne au compresseur (2), l’organe de réglage (40) permettant de moduler un débit de gaz d’échappement traversant la turbine (6) pour régler une puissance fournie par la turbine (6), les gaz d’échappement traversant ladite turbine (6) subissant une détente transformant l’énergie thermique et cinétique desdits gaz présents en énergie mécanique, caractérisé en ce que ladite position de l’organe de réglage (40) de ladite turbine (6) est déterminée suivant les étapes de :
    - mesure d’un débit d’air (16) traversant le compresseur (2),
    - détermination d’une pression de suralimentation (10) en air comprimé à fournir au moteur,
    - calcul de la puissance de consigne (12) à fournir au compresseur (2) afin de réaliser ladite pression de suralimentation (10), en fonction du débit d’air (16) traversant le compresseur (2),
    - calcul d’un ratio de détente nécessaire des gaz traversant ladite turbine (6) en fonction de ladite puissance de consigne (12) à fournir au compresseur (2),
    - mesure d’un débit de gaz d’échappement traversant la turbine (6),
    - application d’une cartographie prédéfinie pour déterminer ladite position de l’organe de réglage en fonction dudit ratio de détente nécessaire et dudit débit de gaz d’échappement traversant la turbine (6). Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance fournie par la turbine (6) est égale à la puissance de consigne du compresseur (12).
    Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe de réglage (40) comprend des ailettes ou des aubes.
    Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position de
    l’organe de réglage (40) est configurée pour laisser une section de passage aux gaz d’échappement évoluant de façon monotone avec le ratio de détente. [Revendication 5] Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position de l’organe de réglage (40) est limitée par une valeur maximale autorisée dudit ratio de détente. [Revendication 6] Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position de l’organe de réglage (40) est limitée par une valeur maximale de la pression des gaz d’échappement en amont de ladite turbine (6). [Revendication 7] Procédé de détermination de la position d’un organe de réglage (40) d’une turbine (6) à géométrie variable d’un turbocompresseur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre d’un régulateur pour corriger la pression de suralimentation de consigne (11). [Revendication 8] Véhicule automobile comprenant un turbocompresseur et un calculateur de contrôle dudit turbocompresseur, ledit calculateur étant configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications précédentes.
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