FR3119867A1 - Procede de compensation de dispersions et de derives d'un systeme de suralimentation muni d'un turbocompresseur a geometrie variable - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur un procédé de calcul d'une position de consigne (x_cons) d'ailettes d'un turbocompresseur de moteur thermique à géométrie variable, ledit procédé comportant : - une étape de détermination d'un modèle physique de sensibilité (Mod_phys) d'une pression de suralimentation à une position réelle des ailettes du turbocompresseur, - une étape d'application du modèle physique de sensibilité (Mod_phys) à un terme intégral (Tint) issu d'un régulateur de pression de suralimentation pour déterminer un terme adaptatif de position (xadapt) des ailettes du turbocompresseur, - une étape d'ajout du terme adaptatif de position (xadapt) à une position de consigne (x_cons) des ailettes pour obtenir une position de consigne corrigée (x_cons_corr) des ailettes du turbocompresseur, et - une étape de pilotage du turbocompresseur en fonction de la position de consigne corrigée (x_cons_corr) des ailettes du turbocompresseur. Figure 3
Description
La présente invention porte sur un procédé de compensation de dispersions et de dérives d'un système de suralimentation muni d'un turbocompresseur à géométrie variable. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs thermiques de véhicules automobiles.
De façon connue en soi, un turbocompresseur comporte un compresseur et une turbine reliée mécaniquement au compresseur. Le compresseur comprime l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des chambres de combustion. A cet effet, le compresseur est placé sur le conduit d’admission de l’air, c’est-à-dire en amont du moteur. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine qui entraîne alors en rotation le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement reliant les éléments entre eux.
Un turbocompresseur à géométrie variable (TGV) comporte des ailettes permettant de faire varier la section de passage des gaz d'échappement en fonction de leur position. Une consigne de position des ailettes du turbocompresseur permet d’atteindre la consigne de pression de suralimentation.
Un tel système de suralimentation étant fortement non linéaire, une loi de commande en boucle ouverte est élaborée afin de calculer la position de consigne du turbocompresseur en fonction de la consigne de pression de suralimentation dans le but de linéariser cette dernière. Par ailleurs, dans l’objectif de corriger les déviations de cette boucle ouverte, un régulateur de type PID (proportionnel-intégral- dérivé) est mis en œuvre en amont de cette dernière.
La montre un schéma de commande de la pression de suralimentation d’un moteur thermique 11. Il intègre deux boucles de régulation de type PID (pour "Proportionnel-Intégral-Dérivé"). La première boucle (interne) est la boucle Bint qui régule la position des ailettes du turbocompresseur. La deuxième boucle (externe) Bext située en amont de la boucle ouverte BO régule la pression de suralimentation.
Plus précisément, un comparateur Comp1 permet de calculer une erreur entre la consigne de pression de suralimentation P2_cons et la pression de suralimentation mesurée P2_mes au niveau du moteur 11. Un module de régulation M_reg1 de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) corrige cette erreur et le résultat est ajouté à la consigne de pression de suralimentation P2_cons via le sommateur Som pour obtenir une consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr.
La boucle ouverte BO met en œuvre un module de calcul M_cal1 permettant de déterminer la consigne de puissance du compresseur W_comp_cons à partir de la consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr. En outre, un modèle inverse de la turbine M_inv_turb établit une correspondance entre la consigne de puissance du turbocompresseur W_comp_cons et une position de consigne x_cons des ailettes du turbocompresseur 15.
Une boucle de régulation standard est ensuite appliquée à la position de consigne x_cons des ailettes du turbocompresseur 15. A cet effet, un comparateur Comp2 détermine un écart entre la position de consigne des ailettes x_cons et la mesure de la position des ailettes x_mes. Cet écart est corrigé par un correcteur M_reg2 de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) pour obtenir un signal électrique de commande S_comm des ailettes du turbocompresseur à appliquer à l'actionneur du turbocompresseur Act_turb.
Les dispersions et les dérives du système de suralimentation sont notamment liées à la dispersion du turbocompresseur (rendements, perméabilité, etc..) et aux dérives de la cinématique actionnant les ailettes de la turbine (jeux mécaniques, usures, etc..). Ces dispersions et dérives dégradent la robustesse du pilotage de la suralimentation et par conséquent les performances du système proprement dit. Elles peuvent engendrer notamment une augmentation des dépassements de la consigne qui peuvent être préjudiciables à la tenue mécanique du turbocompresseur ou une lenteur de la réponse du système de suralimentation dégradant ainsi le ressenti du conducteur et l’agrément de conduite.
Dans l’état de l’art, afin de limiter ces dispersions et dérives, le terme intégral issu du module de régulation est sauvegardé pour chaque point de fonctionnement du moteur dans une table à n lignes et m colonnes. Toutefois, cela nécessite de ressources mémoire importantes, notamment non volatile (NVRAM), et impose de recalibrer le terme intégral à chaque modification d’éléments physiques du système impactant la suralimentation.
L'invention vise à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un procédé de calcul d'une position de consigne d'ailettes d'un turbocompresseur de moteur thermique à géométrie variable muni d'un compresseur et d'une turbine destinée à être entraînée par des gaz d'échappement, ladite turbine étant munie d'ailettes permettant de faire varier une section de passage des gaz d'échappement en fonction d'une position desdites ailettes, ledit procédé comportant :
- une étape de détermination d'un modèle physique de sensibilité d'une pression de suralimentation à une position réelle des ailettes du turbocompresseur,
- une étape d'application du modèle physique de sensibilité à un terme intégral issu d'un régulateur de pression de suralimentation pour déterminer un terme adaptatif de position des ailettes du turbocompresseur,
- une étape d'ajout du terme adaptatif de position à une position de consigne des ailettes pour obtenir une position de consigne corrigée des ailettes du turbocompresseur, et
- une étape de pilotage du turbocompresseur en fonction de la position de consigne corrigée des ailettes du turbocompresseur.
L'invention permet ainsi, grâce au modèle physique de sensibilité de la pression de suralimentation à une position des ailettes, de compenser les dispersions et les dérives du système de suralimentation tout en réduisant la taille mémoire nécessaire à la mise en œuvre du procédé. En outre, l'invention ne nécessite pas une recalibration en cas de changement de composants du système de suralimentation. En effet, comme elle est basée sur un modèle physique, l'invention s’adapte naturellement aux modifications des caractéristiques des composants du système de suralimentation. L'invention améliore ainsi la robustesse et les performances de la régulation de la suralimentation. L'invention autorise également l'élaboration d'un diagnostic de dérive du système de suralimentation permettant de détecter un défaut en après-vente lié à une défaillance du système de suralimentation.
Selon une mise en œuvre de l’invention, l'étape de détermination du terme adaptatif de position est effectuée lors d'un régime stabilisé de suralimentation.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le régime stabilisé de suralimentation est détecté sur des conditions de gradient de consigne de pression de suralimentation ou de mesure de pression de suralimentation, ou d’un écart de boucle de pression de suralimentation.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le terme adaptatif de position est sauvegardé dans une mémoire à chaque arrêt du moteur thermique et est restitué à chaque redémarrage du moteur thermique.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ledit procédé comporte une étape d'établissement d'une relation entre une consigne de pression de suralimentation corrigée et une position des ailettes du turbocompresseur puis une étape de dérivation de cette relation pour calculer une fonction de sensibilité permettant de déterminer le terme adaptatif de position.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le régulateur de pression de suralimentation est de type proportionnel-intégral-dérivé.
Selon une mise en œuvre de l’invention, une boucle de régulation à correction de type proportionnel-intégral-dérivé est appliquée à la position de consigne corrigée.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le terme adaptatif de position des ailettes s'exprime de la façon suivante :
- x étant la position des ailettes du turbocompresseur,
- étant un paramètre permettant de régler la vitesse de convergence de l’adaptatif,
- t étant le temps.
L’invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de calcul d'une position de consigne d'ailettes d'un turbocompresseur de moteur thermique tel que précédemment défini.
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.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La montre un exemple d'architecture de moteur 10 pour véhicule automobile comportant un moteur thermique 11 muni d'un collecteur d'admission 12 et d'un collecteur d'échappement 13. Ce moteur 11 est suralimenté par un turbocompresseur 15 à géométrie variable comprenant un compresseur 16 et une turbine 17. Le compresseur 16 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur 11. A cet effet, le compresseur 16 est disposé sur une conduite d’admission 19 en amont du moteur 11. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 17 disposée sur une conduite d'échappement 20, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 16 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement 21.
La turbine 17 à géométrie variable comporte des ailettes permettant de faire varier la section de passage des gaz d'échappement et dont la position x_pos est pilotée par le procédé selon l'invention décrit plus en détails ci-après.
De façon classique, l'architecture comporte également un filtre à air 22 et un échangeur de chaleur 23 dit RAS (pour "Refroidisseur d'Air de Suralimentation") apte à refroidir l’air circulant dans la conduite d’admission 19 afin de maintenir la densité de l’air acquise en sortie du compresseur 16.
L'échangeur de chaleur 23 est monté en aval du compresseur 16 et en amont d'un doseur d'air motorisé 24 qui gère la quantité d'air pénétrant à l'intérieur du collecteur d'admission 12.
Un calculateur moteur 26 est apte à piloter les différents organes du véhicule, en particulier l'injection du moteur thermique 11, le doseur d'air 24, ainsi que la position des ailettes de la turbine 17 à géométrie variable. Ce calculateur 26 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention de calcul de la position de consigne des ailettes du turbocompresseur 15.
La montre un schéma de commande de la pression de suralimentation d’un moteur thermique 11. Il intègre deux boucles de régulation de type PID (pour "Proportionnel-Intégral-Dérivé"). La première boucle (interne) est la boucle Bint qui régule la position des ailettes du turbocompresseur 15. La deuxième boucle (externe) Bext située en amont d'une boucle ouverte BO régule la pression de suralimentation.
Plus précisément, un comparateur Comp1 permet de calculer une erreur entre la consigne de pression de suralimentation P2_cons et la pression de suralimentation mesurée P2_mes au niveau du moteur 11. Un module de régulation M_reg1 de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) corrige cette erreur et le résultat est ajouté à la consigne de pression de suralimentation P2_cons via le sommateur Som1 pour obtenir une consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr.
La boucle ouverte BO met en œuvre un module de calcul M_cal1 permettant de déterminer la consigne de puissance du compresseur W_comp_cons à partir de la consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr. En outre, un modèle inverse de la turbine M_inv_turb établit une correspondance entre la consigne de puissance du turbocompresseur W_comp_cons et une position de consigne x_cons des ailettes du turbocompresseur 15.
Par ailleurs, on applique un modèle physique de sensibilité Mod_phys à un terme intégral Tint issu du régulateur M_reg1 pour déterminer un terme adaptatif de position xadapt des ailettes du turbocompresseur 15. Le terme adaptatif de position xadapt est ajouté, via un sommateur Som2, à une position de consigne x_cons des ailettes pour obtenir une position de consigne corrigée x_cons_corr des ailettes du turbocompresseur 15. Le turbocompresseur 15 est ensuite piloté en fonction de la position de consigne corrigée x_cons_corr des ailettes du turbocompresseur 15.
La détermination du terme adaptatif de position xadapt est effectuée lors d'un régime stabilisé de suralimentation. Le régime stabilisé peut d’une manière non limitative être détecté sur des conditions de gradient de consigne de pression de suralimentation ou de mesure de pression de suralimentation, de l’écart de boucle de pression de suralimentation, etc.
Une boucle de régulation standard est ensuite appliquée à la position de consigne corrigée x_cons_corr des ailettes du turbocompresseur 15. A cet effet, un comparateur Comp2 détermine un écart entre la position de consigne corrigée x_cons_corr des ailettes et la mesure de la position des ailettes x_mes. Cet écart est corrigé par un correcteur M_reg2 de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) pour obtenir un signal électrique de commande S_comm des ailettes du turbocompresseur 15 à appliquer à l'actionneur du turbocompresseur Act_turb.
On détaille ci-après le calcul réalisé par le modèle physique de sensibilité Mod_phys. A cet effet, on établit dans un premier temps la relation entre la consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr et une position des ailettes correspondant à la boucle ouverte BO de suralimentation. Puis, on dérive cette relation pour calculer une fonction de sensibilité permettant de déterminer le terme adaptatif de position (xadapt).
Les différentes variables mises en jeux dans ce calcul sont définies dans le tableau ci-dessous :
| Notation | Définition |
| | Puissance turbine |
| | Puissance compresseur |
| | Débit compresseur |
| | Débit papillon |
| | Débit remplissage |
| | Débit échappement |
| | Débit turbine |
| | Constante des gaz parfait |
| | Température amont compresseur |
| | Température aval compresseur |
| | Température amont papillon |
| | Température aval papillon |
| | Température amont turbine |
| | Température aval turbine |
| | Pression amont compresseur |
| | Pression aval compresseur |
| | Pression amont papillon |
| | Pression aval papillon |
| | Pression aval turbine |
| | Pression amont turbine |
| | Rendement compresseur |
| | Rendement turbine |
| | Capacité calorifique des gaz d’échappement |
| | Capacité calorifique des gaz d’admission |
| | Coefficient adiabatique des gaz d’échappement |
| | Coefficient adiabatique des gaz d’admission |
| r | Constante des gaz parfaits |
| x | Position des ailettes du turbocompresseur |
Pour simplifier les calculs, on néglige les pertes de charge dans le refroidisseur d'air de suralimentation 23 et le filtre à air 22 et on suppose que le doseur d’air d'admission 24 est pleinement ouvert dans la zone de fonctionnement suralimentée du moteur thermique 11, il suit :
Les puissances du compresseur 16 et de la turbine 17 s’écrivent alors :
On détaille ci-après une première méthode de calcul :
En supposant l’égalité des puissances ( des équations (2) et (3) (frottements et l’inertie du turbocompresseur négligés), on aboutit à la relation entre la pression de suralimentation au débit turbine :
Par ailleurs, la position des ailettes du turbocompresseur à géométrie variable notée est liée au débit turbine et à la détente turbine par la relation suivante fournie par le constructeur du turbocompresseur :
Une fois que ces relations sont établies, on peut dériver ces dernières pour obtenir la sensibilité recherchée. Deux réalisations sont possibles :
Suivant une première réalisation, on calcule la dérivée de la pression de suralimentation par rapport au débit turbine :
En dérivant l’équation (4) par rapport à , il suit :
Par conséquent :
Après inversion, et en passant en variations il suit :
A partir de l’équation (5), on peut alors déduire la variation de position des ailettes du turbocompresseur selon :
Une autre variante de réalisation consiste à définir le débit turbine adapté :
L’équation (8) devient alors :
L’équation (9) devient alors :
Suivant une deuxième réalisation, on calcule la dérivée de la pression de suralimentation par rapport à la position des ailettes du turbocompresseur 15 :
Dans ce cas, l’équation (6) s’écrit :
Sachant que :
Il suit de l’équation (2) :
Par conséquent :
La première réalisation est plus avantageuse car elle ne nécessite pas le calcul du champ turbine inverse ainsi que la fonction de sensibilité du débit turbine à la position des ailettes du turbocompresseur .
On détaille ci-après une deuxième méthode de calcul :
Dans cette méthode, on utilise le concept Padpt/Qadapt décrit dans le document EP1936155B1 où il a été montré que la position des ailettes du turbocompresseur à géométrie variable peut s’écrire :
avec:
Où et sont donnés par les équations (2) et (3) respectivement.
En supposant toujours l’égalité des puissances ( , il suit :
En remplaçant donné par l’équation (3) dans (20), on obtient :
La relation entre la pression de suralimentation à la puissance turbine adaptée est donc :
Suivant une première variante, on calcule la dérivée de la pression de suralimentation par rapport à la puissance de la turbine adaptée :
La dérivation de l’équation (22) donne :
Avec :
A partir de l’équation (17), on peut alors déduire la variation de position des ailettes du turbocompresseur selon :
Suivant une deuxième variante, on calcule la dérivée de la pression de suralimentation par rapport à la position des ailettes :
La dérivation de l’équation (22) donne :
Pour calculer le terme , il faut d’abord inverser l’équation (17) avant de calculer la dérivée partielle par rapport à :
L’avantage de la deuxième variante réside dans le fait que la puissance turbine adaptée peut être calculée à partir de l’équation (27) au lieu de faire appel à la puissance turbine (équation 2) qui nécessite la connaissance du rendement de la turbine et le rapport de pression aux bornes de la turbine 17.
Enfin, l’adaptatif de position des ailettes est ajouté à la consigne de position issue de la boucle ouverte pour former la nouvelle consigne de position des ailettes x selon l’équation (28). Le paramètre permet de régler la vitesse de convergence de l’adaptatif.
Claims (9)
- Procédé de calcul d'une position de consigne (x_cons) d'ailettes d'un turbocompresseur (15) de moteur thermique (11) à géométrie variable muni d'un compresseur (16) et d'une turbine (17) destinée à être entraînée par des gaz d'échappement, ladite turbine (17) étant munie d'ailettes permettant de faire varier une section de passage des gaz d'échappement en fonction d'une position desdites ailettes, caractérisé en ce que ledit procédé comporte :
- une étape de détermination d'un modèle physique de sensibilité (Mod_phys) d'une pression de suralimentation à une position réelle des ailettes du turbocompresseur (15),
- une étape d'application du modèle physique de sensibilité (Mod_phys) à un terme intégral (Tint) issu d'un régulateur de pression de suralimentation pour déterminer un terme adaptatif de position (xadapt) des ailettes du turbocompresseur (15),
- une étape d'ajout du terme adaptatif de position (xadapt) à une position de consigne (x_cons) des ailettes pour obtenir une position de consigne corrigée (x_cons_corr) des ailettes du turbocompresseur (15), et
- une étape de pilotage du turbocompresseur (15) en fonction de la position de consigne corrigée (x_cons_corr) des ailettes du turbocompresseur (15). - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination du terme adaptatif de position (xadapt) est effectuée lors d'un régime stabilisé de suralimentation.
- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le régime stabilisé de suralimentation est détecté sur des conditions de gradient de consigne de pression de suralimentation (P2_cons) ou de mesure de pression de suralimentation, ou d’un écart de boucle de pression de suralimentation.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le terme adaptatif de position (xadapt) est sauvegardé dans une mémoire à chaque arrêt du moteur thermique (11) et est restitué à chaque redémarrage du moteur thermique (11).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'établissement d'une relation entre une consigne de pression de suralimentation corrigée (P2_cons_corr) et une position des ailettes du turbocompresseur (15) puis une étape de dérivation de cette relation pour calculer une fonction de sensibilité permettant de déterminer le terme adaptatif de position (xadapt).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le régulateur de pression de suralimentation est de type proportionnel-intégral-dérivé.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une boucle de régulation à correction de type proportionnel-intégral-dérivé est appliquée à la position de consigne corrigée (x_cons_corr).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le terme adaptatif de position (xadapt) des ailettes s'exprime de la façon suivante :
- x étant la position des ailettes du turbocompresseur (15),
-
- t étant le temps. - Calculateur moteur (26) caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de calcul d'une position de consigne (x_cons) d'ailettes d'un turbocompresseur (15) de moteur thermique (11) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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