FR3123945A1 - Contrôle amélioré de suralimentation d’un turbocompresseur par la prise en compte d’un impact thermique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé d’apprentissage du contrôle de suralimentation d’un moteur thermique comprenant une étape d’apprentissage d’une butée haute d’un actionneur d’un turbocompresseur, caractérisé en ce qu’un impact thermique est pris en compte lors de l’étape d’apprentissage de la butée haute dudit actionneur du turbocompresseur. La dilatation thermique dudit actionneur du turbocompresseur est prise en compte pour optimiser une estimation de sa position.
Description
Domaine technique de l’invention
L'invention concerne, de façon générale, le domaine technique des groupes motopropulseurs, tel que les moteurs thermiques à combustion interne.
L’invention se rapporte plus spécifiquement à la régulation de la suralimentation d’un moteur thermique, en particulier à la régulation d’un turbocompresseur.
L’invention s’applique en particulier au contrôle de la position d’un actionneur d’un turbocompresseur de moteur thermique essence ou diesel.
État de la technique antÉrieure
Il est connu que le dispositif de contrôle de la position d’un actionneur de turbocompresseur est basé sur l’apprentissage des butées physiques de l’actionneur, en particulier d’une butée haute correspondant à un état fermé du turbocompresseur. Cet apprentissage se fait lorsque l’actionneur est sur ces butées physiques en enregistrant les tensions correspondantes d’un capteur de recopie de position. Ainsi des butées soft sont définies qui correspondent aux butées physiques de l’actionneur. L’actionneur sert à réguler la pression de suralimentation.
En mode opérationnel, ces butées soft sont utilisées par le dispositif de contrôle afin d’estimer la position de l’actionneur de turbocompresseur, et ainsi en réguler la position en fonction de la consigne de puissance et de l’état de fonctionnement du turbocompresseur. Les perturbations extérieures au turbocompresseur ne sont pas prises en compte dans la stratégie d’apprentissage des butées de l’actionneur.
Ainsi, en mode opérationnel, il se produit un décalage entre l’estimation de la position des butées de l’actionneur et leur position réelle. Ce décalage provient en particulier de la dilatation thermique subie par l’actionneur de turbocompresseur qui entraîne une erreur de contrôle de la pression de suralimentation délivrée par le turbocompresseur.
Dans certaines situations de fonctionnement du turbocompresseur, cette erreur entre la position estimée et la position réelle de l’actionneur du turbocompresseur entraîne un décalage dans la régulation de la pression de suralimentation qui peut dégrader les performances du moteur et même avoir des conséquences néfastes sur la longévité de l’actionneur, voire du turbocompresseur.
Par conséquent, il existe un besoin d’améliorer les performances du contrôle du turbocompresseur en optimisant l’estimation de la position du turbocompresseur, ou en d’autres termes de la position de l’actionneur de turbocompresseur, par la prise en compte de la température de fonctionnement du turbocompresseur dans le contrôle de la pression de suralimentation.
L’invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique en proposant notamment de prendre en compte la dilatation thermique de l’actionneur et son impact sur la position réelle de ses butées, en particulier de sa butée haute.
Pour ce faire, il est proposé, selon un premier aspect de l'invention, un procédé d’apprentissage du contrôle de suralimentation d’un moteur thermique comprenant une étape d’apprentissage d’une butée haute d’un actionneur d’un turbocompresseur dans laquelle un impact thermique est pris en compte.
Préférentiellement, la dilatation thermique dudit actionneur du turbocompresseur est prise en compte pour optimiser une estimation de sa position.
Avantageusement, durant l’apprentissage de la butée haute du turbocompresseur, un modèle de température d’un carter de turbine est pris en compte, et/ou une température du carter de turbine est mémorisée pour chaque apprentissage réalisé et validé.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un ensemble de modèles de contrôle de suralimentation d’un moteur thermique mis en œuvre par un contrôleur moteur, obtenu selon le procédé d’apprentissage décrit ci-dessus.
Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur comprenant la mise en œuvre d’un ensemble de modèles obtenus selon le procédé d’apprentissage décrit ci-dessus et produisant une valeur de la température de fonctionnement du turbocompresseur, une estimation de la position de l’actionneur du turbocompresseur, et une correction thermique de ladite estimation de la position de l’actionneur prenant en compte la dilatation dudit actionneur en fonction de la température du carter de turbine.
Avantageusement, la correction thermique de ladite estimation de la position de l’actionneur est obtenue par corrélation entre la température de fonctionnement du turbocompresseur et la valeur d’apprentissage de la butée haute correspondante, et/ou la position de la butée haute est corrigée en température sur la base d’une courbe de correction.
Préférentiellement, la correction en température de la butée haute est du type offset, et/ou la correction de l’estimation de la position de la butée haute est réalisée en continu en fonction de la température de fonctionnement du turbocompresseur.
Avantageusement, une température du carter de turbine est utilisée pour représenter la température de fonctionnement du turbocompresseur.
Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre d’un des procédés décrits ci-dessus.
Selon un cinquième aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de contrôle d’un turbocompresseur apte à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur décrit ci-dessus et comprenant un module d’acquisition de la température de fonctionnement d’un turbocompresseur en fonction de la température du carter de turbine, un module de conversion de la température de fonctionnement dudit turbocompresseur en une valeur correspondant à la dilatation d’un élément de contrôle du turbocompresseur, et un contrôleur moteur apte à corriger en température l’estimation de la position dudit élément de contrôle du turbocompresseur en fonction de la valeur correspondant à la dilatation dudit élément de contrôle du turbocompresseur.
Le modèle de température de turbine étant déjà disponible, il est avantageux de l’utiliser pour obtenir la température de fonctionnement du turbocompresseur. Alternativement au modèle de température du carter de turbine un capteur de température du carter de turbine peut être utilisé.
Selon un sixième aspect de l'invention, il est proposé un support de stockage lisible par ordinateur apte à stocker des instructions, qui lorsqu’elles sont exécutées par un dispositif de contrôle d’un turbocompresseur tel que décrit ci-dessus permet la mise en œuvre du procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur tel que décrit ci-dessus.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention sont mis en évidence par la description ci-après d’exemples non limitatifs de réalisation des différents aspects de l’invention.
description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisation
description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisation
Un moteur thermique à combustion interne peut être équipé d’une suralimentation afin d’augmenter la quantité d’air admise dans chaque cylindre du moteur par une compression de l’air dans un collecteur d’admission du moteur. L’augmentation du taux d’oxygène dans les cylindres améliore la combustion du carburant que ce soit du diesel ou de l’essence ce qui augmente la puissance délivrée par le moteur. Différents types de dispositifs de suralimentation existent, mais la suralimentation la plus fréquemment employée est un turbocompresseur.
Le turbocompresseur possède une première turbine qui comprime l’air frais aspiré du côté de l’admission du moteur. Cette première turbine est reliée en rotation par un arbre à une deuxième turbine entraînée en rotation par les gaz brûlés expulsés à l’échappement du moteur. Ainsi, l’énergie cinétique de rotation nécessaire à la compression de l’air provient des gaz d’échappement et n’est pas prélevée sur l’arbre moteur contrairement à un compresseur mécanique entraîné par le moteur.
Afin de réguler la pression de suralimentation délivrée par le turbocompresseur une soupape de décharge, communément appelée wastegate, est installée sur le collecteur d’échappement en amont de la turbine du turbocompresseur afin de dériver tout ou partie des gaz d’échappement vers un bypass contournant la turbine du turbocompresseur. Le contrôle moteur régule la position de la wastegate de manière à respecter du mieux possible la consigne de pression de suralimentation demandée par le contrôle moteur. Ainsi pour augmenter la pression de suralimentation, on demandera à fermer la wastegate et inversement pour réduire la pression de suralimentation, une réouverture de la wastegate sera nécessaire. Ainsi, lorsque le turbocompresseur atteint la pression de suralimentation maximum, la wastegate est ouverte afin que le turbocompresseur ne soit plus entraîné par les gaz d’échappement ce qui entraîne une réduction de la pression de suralimentation.
Un actionneur électromécanique contrôle la position de la wastegate entre deux positions extrêmes, une butée basse et une butée haute. Ces butées sont les butées physiques d’une tige de l’actionneur qui est reliée à la wastegate. La butée basse de la tige de l’actionneur correspond à une position complètement ouverte de la wastegate et donc à une dérivation totale du flux des gaz d’échappement vers le bypass. La butée haute de la tige de l’actionneur correspond à une position complètement fermée de la wastegate et donc à un flux maximum des gaz d’échappement vers le turbocompresseur. La tige de l’actionneur est mue par un solénoïde contrôlé par une tension électrique provenant d’une unité de contrôle de suralimentation intégrée au contrôleur moteur. Ainsi, la butée physique basse et haute de l’actionneur correspondent à des tensions spécifiques d’alimentation du solénoïde, que l’on peut considérer comme des butées softs de l’actionneur. La correspondance entre les butées physiques et les butées soft de l’actionneur est dépendante de l’actionneur et du moteur. Il est donc nécessaire de recaler les butées de l’actionneur en mesurant la tension lorsque l’actionneur est sur ses butées physiques.
Comme indiqué ci-dessus, l’exemple de mise en œuvre de l’invention décrit dans la suite utilise un turbo compresseur à géométrie fixe, ou TGF, équipé d’une vanne de dérivation, ou wastegate. Ainsi, l’actionneur agit sur la position de la wastegate pour réguler la pression de suralimentation délivrée par le TGF en dérivant tout ou partie des gaz d’échappement vers un bypass. L’invention peut également être mise en œuvre avec un turbocompresseur à géométrie variable, ou TGV. Un TGV n’a pas de wastegate, l’intégralité des gaz d’échappement passe en par la deuxième turbine. C’est la position des ailettes de la deuxième turbine qui sont situées autour d’une roue de turbine qui définit la quantité d’énergie prélevée par la deuxième turbine sur le flux des gaz d’échappement et donc la pression de suralimentation. Comme pour le TGF, la position du TGV, c’est-à-dire la position des ailettes de la deuxième turbine du TGV, est régulée par un actionneur qui peut aussi être un actionneur électromécanique. Cet actionneur de TGV présente aussi une butée haute et une butée basse auquel on applique la même convention de description. C’est-à-dire que la butée haute correspond à une position des ailettes sur la roue de turbine permettant de délivrer une pression de suralimentation maximale alors que la butée haute correspond à une position des ailettes sur la roue de turbine dans laquelle la pression de suralimentation est minimum.
Dans les moteurs à turbocompresseur modernes, la stratégie de recalage des butées de l’actionneur est réalisée par apprentissage des butées au niveau du contrôleur de suralimentation. L’apprentissage des butées de l’actionneur turbocompresseur se fait lorsque l’actionneur est sur ses butées physiques en enregistrant les tensions correspondantes délivrées par un capteur de recopie de position de l’actionneur. En mode opérationnel, le contrôleur de suralimentation régule la position de la wastegate sur la base d’une estimation de la position de l’actionneur.
Tout ou partie du flux des gaz d’échappement du moteur traversant le turbocompresseur au niveau de la deuxième turbine, la température de fonctionnement de ce composant atteint des niveaux très élevés ce qui génère des dilatations conséquentes de la tige de l’actionneur. Les perturbations extérieures, telles que l’impacte thermique, ne sont pas directement prises en compte dans la stratégie d’apprentissage conventionnelle. Ce qui, dans certaines situations de fonctionnement du turbocompresseur, dégrade l’estimation de la position de l’actionneur et en conséquence la régulation de pression de suralimentation.
En effet, une dégradation de l’estimation de la position de la tige de l’actionneur et donc de la position de fonctionnement du turbo compresseur conduit à des erreurs d’adaptation de la boucle globale de régulation de suralimentation qui peuvent entraîner une suralimentation lente, qui est néfaste au brio du moteur et à l’agrément de conduite, ou au contraire un risque de cliquetis ou de « rumble » en cas de dépassement de la pression maximale de suralimentation.
Une dégradation de l’estimation de la position de la tige de l’actionneur génère aussi un risque sur la tenue de l’actionneur lié au potentiel non-respect de la vitesse d’accostage de la soupape de wastegate si la butée physique est très inférieure à la butée soft.
La butée haute de la tige de l’actionneur et donc de la wastegate est apprise lorsque l’on approche du placage de la soupape de wastegate sur son siège. La tige de l’actionneur entraînant la soupape de wastegate peut s’allonger d’un millimètre (1mm). Ce qui entraîne soit une contrainte mécanique importante dans l’actionneur en butée haute soit un défaut de fermeture de la wastegate s’il n’y a aucune prise en compte de la thermique sur l’apprentissage de la position de la butée soft.
L’invention consiste notamment à améliorer la performance du contrôle de suralimentation en optimisant l’estimation de la position de l’actionneur, aussi appelée position du turbocompresseur, par l’intermédiaire de la stratégie d’apprentissage des butées. Le procédé d’apprentissage des butées selon l’invention prend en compte l’impact de la thermique et donc les dilatations sur la mesure de la butée physique haute en position fermée du turbocompresseur, c’est-à-dire à un niveau de suralimentation maximum car tous les gaz d’échappement passent par la turbine. La température de différents composants moteurs proches du turbocompresseur ou directement reliés à celui-ci peut être mesurée afin d’intégrer l’impacte thermique dans la stratégie d’apprentissage des butées. Un exemple de mise en œuvre de l’invention consiste à utiliser le modèle de température d’un carter de turbine du turbocompresseur. Ainsi en fonction de la température du carter de turbine, l’apprentissage de la butée physique haute est corrigé en fonction de la température du carter de turbine de manière continue améliorant ainsi l’estimation de position de l’actionneur et le contrôle de suralimentation. L’utilisation du modèle de température du carter de turbine permet de réutiliser une valeur de température déjà existante et utilisée dans le contrôle moteur pour de la protection de certains composants par l’actionnement du groupe moto ventilateur et/ou d’une pompe à eau additionnelle. Alternativement, la valeure de température du carter de turbine peut être directement mesurée par un capteur de température placé sur ou à proximité du carter de turbine.
L’adaptation de la butée haute aux effets thermiques permet de garantir une estimation au plus juste de la position de l’actionneur, quelle que soit la température de fonctionnement du turbocompresseur. Ainsi les problématiques mentionnées ci-dessus (suralimentation dégradée et risque de tenue de l’actionneur) sont évitées, car elles sont directement dépendantes de la précision de l’estimation de la position de l’actionneur. Cette solution traite ces problèmes à la source. D’autre part, elle ne nécessite pas de capteurs supplémentaires en utilisant un modèle de température déjà utilisé dans le contrôle moteur.
Le choix du modèle de température de carter de turbine est particulièrement avantageux, car il est particulièrement représentatif de l’état thermique du turbocompresseur avec une dynamique cohérente des phénomènes de dilatation influents sur la précision de l’estimation de la position de l’actionneur. Cette mesure de température est très importante pour la corrélation entre la température mesurée et la déformation que subit l’actionneur. Un modèle de température de gaz échappement en amont ou en aval de turbine pourrait aussi être utilisé, mais la dynamique bien plus élevée de ce modèle ne permet pas une aussi bonne corrélation de la dilatation que le modèle de température du carter de turbine.
D’autre part, la précision en mode stabilisé du modèle de température du carter de turbine (± 50°C) permet d’assurer une robustesse suffisante pour l’utiliser en entrée de la correction. Enfin, ce modèle est déjà présent dans le contrôle moteur et il est donc déjà calibré lors de la conception mécanique du moteur.
Dans la suite, la stratégie de correction de l’apprentissage de la butée haute est décrite.
Dans une première étape d’apprentissage de la butée haute, la température du carter de turbine est mémorisée pour chaque apprentissage de butée haute réalisé et validé.
Dans une deuxième étape, une nouvelle position de butée haute courante corrigée en température est calculée.
La correction appliquée lors de l’apprentissage de la butée haute est de type offset. Cet offset est calculé par l’intermédiaire d’une courbe de correction.
La stratégie de correction de la position de l’actionneur va considérer en entrée l’écart entre la température de carter de turbine courante et la température turbine mémorisée lors du dernier apprentissage validé. Ce delta de température est l’entrée de la courbe de correction de la butée haute. Cette courbe de correction correspond à la corrélation entre la température de carter de turbine et la valeur d’apprentissage butée haute correspondante. Cette corrélation est propre à l’actionneur et au moteur.
La solution décrite ci-dessus apporte une réponse concrète à un problème constaté sur les moteurs thermiques modernes. Elle se caractérise également par sa simplicité et son moindre coût, car elle utilise le modèle de température de carter de turbine déjà présent dans le contrôle moteur.
Comme indiqué dans la description qui précède, les différents aspects de l’invention peuvent-être mis en œuvre selon le contexte dans des variantes de configuration différentes de celles décrites ci-dessus. Comme indiqué ci-dessus, au lieu d’utiliser un turbo à géométrie fixe (TGF) équipé d’une wastegate, l’invention peut être mise en œuvre avec un turbo à géométrie variable (TGV) sans wastegate. La description de l’invention mise en œuvre avec un TGF peut s’appliquer mutatis mutandis à un TGV dans lequel l’actionneur modifie la position des ailettes sur la roue de turbine au lieu d’actionner la tige de la soupape de la wastegate.
Dans d’autres exemples de variantes de l’invention, l’invention peut -être mis en œuvre dans des moteurs à essence ou diesel, avec différents types de soupapes de wastegate, ou avec une wastegate interne ou externe au turbocompresseur. De même, d’autres modèles de température peuvent être utilisés pour la correction de l’estimation de la position de l’actionneur.
Claims (10)
- Procédé d’apprentissage du contrôle de suralimentation d’un moteur thermique comprenant une étape d’apprentissage d’une butée haute d’un actionneur d’un turbocompresseur, caractérisé en ce qu’un impact thermique est pris en compte lors de l’étape d’apprentissage de la butée haute dudit actionneur du turbocompresseur.
- Procédé d’apprentissage du contrôle de suralimentation d’un moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dilatation thermique dudit actionneur du turbocompresseur est prise en compte pour optimiser une estimation de sa position.
- Procédé d’apprentissage du contrôle de suralimentation d’un moteur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, durant l’apprentissage de la butée haute du turbocompresseur, :
- un modèle de température d’un carter de turbine est pris en compte ; et/ou
- une température du carter de turbine est mémorisée pour chaque apprentissage réalisé et validé. - Ensemble de modèles de contrôle de suralimentation d’un moteur thermique mis en œuvre par un contrôleur moteur, obtenu selon le procédé d’apprentissage de l’une des revendications précédentes.
- Procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur comprenant la mise en œuvre d’un ensemble de modèles obtenus selon le procédé d’apprentissage de l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il est produit :
- une valeur de la température de fonctionnement du turbocompresseur ;
- une estimation de la position de l’actionneur du turbocompresseur ; et
- une correction thermique de ladite estimation de la position de l’actionneur prenant en compte la dilatation dudit actionneur en fonction de la température du carter de turbine. - Procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
- la correction thermique de ladite estimation de la position de l’actionneur est obtenue par corrélation entre la température de fonctionnement du turbocompresseur et la valeur d’apprentissage de la butée haute correspondante ; et/ou
- la position de la butée haute est corrigée en température sur la base d’une courbe de correction. - Procédé d’estimation de la position d’un turbocompresseur selon l’une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que :
- la correction en température de la butée haute est du type offset ; et/ou
- la correction de l’estimation de la position de la butée haute est réalisée en continu en fonction de la température de fonctionnement du turbocompresseur. - Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code enregistrées sur un support de stockage lisible d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé d’une des revendications 1 à 3 et 5 à 7 lorsque ledit programme fonctionne dans un dispositif de contrôle d’un turbocompresseur.
- Dispositif de contrôle d’un turbocompresseur apte à mettre en œuvre le procédé d’une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu’il comprend :
- un module d’acquisition de la température de fonctionnement d’un turbocompresseur en fonction de la température du carter de turbine ;
- un module de conversion de la température de fonctionnement dudit turbocompresseur en une valeur correspondant à la dilatation d’un élément de contrôle du turbocompresseur ; et
- un contrôleur moteur apte à corriger en température l’estimation de la position dudit élément de contrôle du turbocompresseur en fonction de la valeur correspondant à la dilatation dudit élément de contrôle du turbocompresseur. - Un support de stockage lisible par ordinateur apte à stocker des instructions qui lorsqu’elles sont exécutées par un dispositif selon la revendication 9 permet la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 5 à 7.
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| FR2106310A FR3123945A1 (fr) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | Contrôle amélioré de suralimentation d’un turbocompresseur par la prise en compte d’un impact thermique |
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Publications (1)
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Citations (4)
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| CN106677912B (zh) * | 2015-11-06 | 2019-11-22 | 联合汽车电子有限公司 | 实时获取涡轮增压发动机电动废气门零位的方法 |
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2021
- 2021-06-15 FR FR2106310A patent/FR3123945A1/fr active Pending
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