WO2004099594A1 - Procede et dispositif de gestion du debit d’air alimentant un moteur a combustion interne - Google Patents

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WO2004099594A1
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WO
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engine
turbocharger
air flow
butterfly
valve
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PCT/EP2004/004592
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Laure Carbonne
Patrick Cremona
Roger Rouphael
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Siemens Vdo Automotive
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method for managing the air flow in an internal combustion engine and a corresponding device.
  • the air flow supplying a motor is regulated using a throttle valve which makes it possible to modify the passage section in an air supply duct.
  • This butterfly is conventionally controlled by a cable connected on the one hand to a mechanism for controlling the opening and closing of the butterfly and on the other hand to an accelerator pedal. It is known to replace this cable with an electrical control.
  • a position sensor is then placed at the accelerator pedal and the information provided by the sensor is used, among other things, to control the opening and closing of the throttle valve. The latter is then controlled for example using an electric actuator.
  • a butterfly regulating the air flow supplying the engine. Upstream of this butterfly is a heat exchange chamber called an intercooler and powered by a turbocharger turbine. Downstream of this butterfly is an intake manifold also called a manifold. In such an engine, the exhaust gases drive the turbocharger which compresses the air admitted into the engine at the level of the heat exchange chamber.
  • a turbocharger relief valve is provided. This is regulated as a function in particular of the pressures prevailing in the air supply system of the engine.
  • turbocharged engines do not include an electrically controlled throttle valve.
  • both the throttle opening and the opening of the turbocharger relief valve should be regulated.
  • the accelerator pedal controls the opening of the throttle valve and that a regulation system acts on the discharge valve of the turbocharger as a function of the pressures prevailing in the air intake system of the engine.
  • a regulation system acts on the discharge valve of the turbocharger as a function of the pressures prevailing in the air intake system of the engine.
  • turbocharged engines currently work.
  • the action of the user on the accelerator pedal acts at the discharge valve of the turbocharger.
  • the throttle position would then be a slave to the opening of the turbocharger discharge valve.
  • the present invention therefore aims to provide a method for managing the air flow in a turbocharged engine comprising an electric throttle, this process making it possible to solve the problems of balancing in the regulation of the opening of the throttle valve and of the discharge valve of the turbocharger and to manage the two degrees of freedom of the air regulation of such an engine.
  • a method for managing the air flow in an internal combustion engine comprising on the one hand a throttle valve placed in an air intake duct in the engine to regulate the air passage section in this conduit and electrically controlled and on the other hand a turbocharger driven by exhaust gases and compressing under certain conditions the air admitted into the engine, the turbocharger being equipped with a relief valve for regulating its pressure and an accelerator pedal used to control the engine.
  • the position of the throttle valve and the opening of the discharge valve are controlled according to two distinct operating modes; in the first operating mode the position of the throttle valve is predetermined as a function of control and operating parameters of the engine and the position the discharge valve regulates the air flow; in the second operating mode, the opening of the relief valve is predetermined as a function of engine control and operating parameters, and the position of the throttle regulates the air flow, and arbitration between the two embodiments is ensured by an electronic device which chooses the operating mode to be implemented according to predetermined and stored conditions.
  • the position of the accelerator pedal is interpreted for example as a request for air flow in the engine. It is equivalent here to consider that this request is a pressure request because under given conditions, an air flow corresponds to one and only one air pressure.
  • the throttle position is predetermined in particular as a function of parameters such as the engine load and the engine speed, and the opening of the relief valve is preferably preset in open loop and regulated in depending on the air flow request and the measured air flow.
  • This operating mode is for example used at full load.
  • the butterfly is then preferably in the open position and the air flow regulation of the engine is carried out by the discharge valve.
  • the opening of the discharge valve is predetermined in particular as a function of parameters such as, for example, the engine speed and the external atmospheric pressure; the throttle position is regulated to obtain the required air flow in the engine.
  • This operating mode is for example implemented below a predetermined speed, the discharge valve then being open and the air flow being regulated by the position of the butterfly.
  • the throttle valve remains closed below a predetermined opening value of so as to create a pressure differential between the upstream and downstream of the butterfly.
  • the throttle valve is substantially in the open position under full load and the discharge valve of the turbocharger is then regulated so as to supply the engine at maximum pressure.
  • the present invention also relates to a device for managing the air flow in an internal combustion engine comprising on the one hand a throttle valve placed in an air intake duct in the engine for regulating the air passage section in this conduit and electrically controlled and on the other hand a turbocharger driven by exhaust gases and compressing under certain conditions the air admitted into the engine, the turbocharger being equipped with a relief valve for regulating its pressure and an accelerator pedal used to control the stress on the engine, characterized in that it comprises:
  • a first regulating device controlling the position of the butterfly in order to control the butterfly to obtain an air flow corresponding to a set value
  • a second regulation device controlling the opening of the discharge valve in order to control the latter to obtain an air flow corresponding to a set value
  • an arbitration device comprising a memory in which a table is recorded which determines according to parameters, in particular the load and the engine speed, the regulation device having to ensure the regulation of the air flow and the possible prepositioning of the butterfly valve and / or of the relief valve.
  • Such a device allows the implementation of the method described above.
  • selection means make it possible to choose the table used for managing the engine.
  • These selection means comprise for example a manual selector. The driver can then choose the table he wants to use and thus determine the behavior of his engine. It is also conceivable that the selection means comprise learning means making it possible to evaluate the conduct of the driver associated with automatic selection means for selecting a table according to the type of conduct of the driver.
  • FIG. 1 diagrammatically represents an air supply system for a turbocharged engine
  • FIG. 2 is a diagram in the form of a flowchart illustrating a method according to the invention.
  • Figures 3 and 4 are three-dimensional representations illustrating examples of application of the method according to the invention.
  • FIG. 1 very schematically represents an air supply system for a turbocharged engine.
  • a piston 2 which can move in a cylinder 4.
  • a valve 6 controls the admission of air into the cylinder 4
  • a valve 8 is for its part provided for the exhaust of the burnt gases out of the cylinder 4.
  • the corresponding engine comprises for example several cylinders and the supply system shown is common to all the cylinders or to a part thereof. .
  • This air supply system comprises, from upstream to downstream, an air inlet 10, a mass air flow meter 12, a turbocharger 14, a heat exchange chamber called an intercooler 16, a butterfly valve 18 disposed in a duct through which the air supplying the cylinders passes and allowing to act on the air flow section of this duct, as well as an intake manifold called manifold 20.
  • the intake valves 6 are in direct connection with the intake manifold 20.
  • the mass air flow meter 12 can be replaced by a pressure sensor from which the flow will then be calculated and no longer measured.
  • the turbocharger 14 comprises two turbines connected together by a shaft.
  • a first turbine is arranged in an exhaust duct 22 and is driven in rotation by the burnt gases leaving the cylinders 4 by the exhaust valves 8.
  • the second turbine is arranged, as indicated above, in the engine air supply system and pressurizes the air in the heat exchange chamber 16.
  • a turbocharger discharge valve 24 makes it possible to "short-circuit" the turbine disposed in the duct exhaust 22.
  • the present invention relates to an engine equipped with an intake system of this type in which the position of the throttle valve 18 is electrically controlled.
  • the position of the throttle valve 18 is electrically controlled.
  • the difficulty lies here in the addition, in a stable system for controlling the air flow and / or the air pressure constituted by an intake system of a turbocharged engine of the prior art, of a new air actuator (the butterfly 18 electrically controlled) with its own closed loop control and its own dynamic range different from that of the discharge valve of the turbocharger 24.
  • electrically controlled throttles have been used only on vehicles with naturally aspirated engines.
  • the pivoting system of the throttle opening angle is based on a request for air flow (or pressure) measured at the accelerator pedal.
  • the use of an electrically controlled throttle valve in an engine fitted with a controlled turbocharger implies the simultaneous control of the throttle valve and the turbocharger because the two control devices are independent, based on the same setpoint in flow (or pressure) d and have a similar weight on this air management.
  • Control of the throttle valve and of the turbocharger is also made difficult by the different response times between the throttle valve and the discharge valve of the turbocharger. This can then lead to instabilities in controlling the air flow (or pressure) of the engine air supply system. Such instability is then a source of ignition advance withdrawals.
  • the method below makes it possible to remedy these problems which generate pollution and unpleasant conduct.
  • FIG. 2 a method according to the invention is shown diagrammatically in the form of a flowchart.
  • an arrow 26 symbolizes a command received from an accelerator pedal of the corresponding vehicle.
  • the butterfly valve 18 is electrically controlled. The accelerator pedal and the butterfly 18 are therefore not mechanically connected as is still the case for certain accelerators.
  • the position of the accelerator pedal is measured using a sensor and an interpretation device 28 translates the information received via the accelerator pedal into an air flow setpoint.
  • This position of the accelerator pedal can also be interpreted as a request for air pressure.
  • the engine management and control device comprises, on the one hand, means for calculating the opening of the throttle valve 30 and, on the other hand, means for calculating the opening of the discharge valve of the turbocharger 32.
  • the means for calculating the opening of the butterfly valve 30 are, for example, means of the type known to those skilled in the art.
  • the request for air flow rate supplied by the interpretation device 28 is translated in terms of passage section and therefore of opening angle of the butterfly valve 18.
  • the air flow rate at the level of the butterfly valve depends not only on the passage surface left free at the level of this butterfly 18 but also on the pressure difference which prevails between the heat exchange chamber 16 and the intake manifold 20. Knowledge of this difference in pressure and the air flow request allows the means for calculating the opening of the butterfly 30 to provide an opening angle of the butterfly 18 called in FIG. 2 TPS-SP.
  • the means for calculating the opening of the discharge valve of the turbocharger 32 can also be known means. They include for example pre-order means 34 which calculate in open loop a "preposition" of the discharge valve of the turbocharger 24. A corrective term is added to this pre-position calculated in open loop. The required air flow defined by the interpretation device 28 is then compared with the air flow (MAF) measured by the flow meter 12 or calculated. A control / adaptation device 36 then calculates a corrective term which is added to the term calculated by the pre-order means 34. By adding these two terms, the means for calculating the position of the discharge valve of the turbocharger 32 provide a setpoint. to the discharge valve of the turbocharger 24, this instruction being called WG-SP in FIG. 2.
  • the engine control and management device comprises means for calculating the opening of the throttle valve 30 and means for calculating the opening of the discharge valve of the turbocharger 32 but it also comprises arbitration means between the throttle valve 18 and the discharge valve of the turbocharger 24. These arbitration means make it possible to determine whether the throttle valve 18 is slave to the turbocharger 14 or vice versa. In the case where the throttle valve 18 is slave to the turbocharger 14, the request for air flow rate received at the accelerator pedal is used for the adjustment of the discharge valve of the turbocharger 24 and the throttle valve 18 is used for the regulation of the air flow according to the position of the relief valve WG-SP calculated according to the required flow. On the other hand, if the turbocharger 14 is the throttle valve slave 18, the request for air flow at the level of the the accelerator pedal is translated into the opening angle of the throttle valve 18 and the discharge valve of the turbocharger 24 then regulates the air flow.
  • the arbitration device thus makes it possible to favor the butterfly 18 or the turbocharger 14 of the engine. We therefore give priority to either the performance provided by the engine or its fuel consumption.
  • the engine control and management device then provides, depending on certain parameters (for example engine speed and engine load) whether priority is given to the throttle valve 18 or to the turbocharger 14.
  • the electric butterfly is the master here. This zone concerns the engine speeds between idle (for example around 800 rpm) and 1500 rpm. At these speeds, the turbocharger 14 can not start anyway because the air flows are low. The pressure in the intake manifold 20 is then between 800 and 1000 mbar (1 mbar ⁇ 1 hPa). The accelerator pedal therefore controls the position of the electric throttle in this area.
  • Partial load zone the speeds here are between 1,500 and 6,200 rpm but for a position of the accelerator pedal below a predetermined position.
  • the pressure in the intake manifold 20 is less than 1000 mbar but the pressure in the heat exchange chamber 16, before the butterfly valve 18, can take values up to 1800 mbar.
  • the turbocharger 14 is in action but the electric butterfly valve is not very open so as to create a relatively large pressure difference between the intake manifold 20 and the heat exchange chamber 16.
  • This pressure difference which the 'We can for example nickname "power reserve" will allow the driver, as soon as he expresses a need for acceleration by pressing the accelerator pedal, to overfeed the engine without delay. Indeed, it then suffices to open the butterfly valve 18 entirely so that the pressures in the intake manifold 20 and the heat exchange chamber 16 are balanced and that a significant pressure is present in the manifold at the level of the valves. admission 6.
  • Full load zone this zone also concerns engine speeds between 1500 and 6200 rpm. Here, however, the accelerator pedal is beyond the previously predetermined position. In this zone, one can choose to put the butterfly valve 18 in the fully open position and the air supply is then managed directly by the turbocharger via the discharge valve of the turbocharger 24. There are then pressures up to 1600 or 1800 mbar upstream and downstream of the electric butterfly valve 18.
  • a device for regulating maximum pressure 38 is provided. This device ensures, under full load, the control of the maximum allowable pressure by the engine.
  • the control of the turbocharger, and therefore of the discharge valve of the turbocharger 24, is thus decorated with the control of the butterfly valve 18 by accepting, at the level of the butterfly valve 18 and of the turbocharger 14, different respective air flows.
  • Figures 3 and 4 illustrate by way of example the operation of an engine for which the air flow regulation is made sometimes using the butterfly valve 18 and sometimes using the discharge valve of the turbocharger 24 .
  • FIGS. 3 and 4 there is each time a three-dimensional representation on which a first axis corresponds to the opening of the throttle valve 18, a second axis corresponds to the opening of the discharge valve of the turbocharger 24 and the third axis ( vertical) corresponds to the mass flow rate of air in the engine measured at the flow meter 12.
  • the abbreviation used in these figures for the butterfly valve 18 is TPS while for the discharge valve of the turbocharger 24 the abbreviation used is WG.
  • the butterfly 18 being partially closed, an overpressure prevails in the heat exchange chamber 16 upstream of the butterfly 18 with respect to the pressure prevailing in the intake manifold 20 upstream of this butterfly 18.
  • the butterfly 18 opens.
  • the pressure in the intake manifold 20 increases rapidly making it possible to further increase the air flow.
  • this situation can only be maintained if the engine is capable of enduring such a "force-feeding" without damage.
  • the discharge valve of the turbocharger 24 is partially opened.
  • the engine management and control device makes it possible to have a "power reserve” and to manage it.
  • a power reserve By acting on both the discharge valve of the turbocharger 24 and the opening of the throttle valve 18, it is possible, from point C past, to reconstitute a "power reserve” without losing engine power with respect to a turbocharged engine not allowing to have a "power reserve”.
  • FIG. 4 illustrates an entirely different mode of operation.
  • TPS 100%
  • the flow rate for example 50 kg / h
  • the turbocharger discharge valve or the butterfly valve are masters. These zones can be defined in different ways using parameters such as: engine speed, engine load, pressures or pressure differences prevailing in the engine, etc.

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Abstract

Ce procédé est destiné à un moteur à combustion interne turbocompressé et comportant un papillon commandé électriquement. Le turbocompresseur est équipé d'une vanne de décharge pour la régulation de sa pression. La position du papillon et l'ouverture de la vanne de décharge sont commandées selon deux modes de fonctionnement distincts. Dans le premier mode de fonctionnement la position du papillon est prédéterminée en fonction de paramètres de commande et de fonctionnement du moteur et la position la vanne de décharge assure la régulation du débit d'air. Dans le second mode de fonctionnement l'ouverture de la vanne de décharge est prédéterminée en fonction de paramètres de commande et de fonctionnement du moteur et la position du papillon assure la régulation du débit d'air. Un arbitrage entre les deux modes de réalisation est assuré par un dispositif électronique qui choisit le mode de fonctionnement à mettre en œuvre en fonction de conditions prédéterminées et mémorisées.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE GESTION DU DEBIT D'AIR ALIMENTANT UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne un procédé de gestion du débit d'air dans un moteur à combustion interne ainsi qu'un dispositif correspondant.
De manière classique, le débit d'air alimentant un moteur est régulé à l'aide d'un papillon qui permet de modifier la section de passage dans un conduit d'alimentation en air. Ce papillon est classiquement commandé par un câble relié d'une part à un mécanisme de commande d'ouverture et de fermeture du papillon et d'autre part à une pédale d'accélérateur. Il est connu de remplacer ce câble par une commande électrique. Un capteur de position est alors disposé au niveau de la pédale d'accélérateur et l'information fournie par le capteur est utilisée, entre autres, pour commander l'ouverture et la fermeture du papillon. Ce dernier est alors commandé par exemple à l'aide d'un actionneur électrique.
Dans un moteur turbocompressé, on retrouve, comme pour un moteur atmosphérique, un papillon régulant le débit d'air alimentant le moteur. En amont de ce papillon se trouve une chambre d'échanges thermiques appelée intercooler et alimentée par une turbine de turbocompresseur. En aval de ce papillon se trouve un collecteur d'admission appelé aussi manifold. Dans un tel moteur, les gaz d'échappement entraînent le turbocompresseur qui vient comprimer l'air admis dans le moteur au niveau de la chambre d'échanges thermiques. Pour éviter l'apparition de surpressions destructrices dans le système d'alimentation en air du moteur, une vanne de décharge du turbocompresseur est prévue. Celle-ci est régulée en fonction notamment des pressions régnant dans le système d'alimentation en air du moteur.
Les moteurs turbocompressés connus actuellement ne comportent pas de papillon à commande électrique. Dans un tel moteur, il conviendrait de réguler à la fois l'ouverture du papillon et l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur. On peut alors imaginer que dans un tel moteur un des paramètres serait rendu esclave de l'autre et ce de manière constante. On peut ainsi prévoir par exemple que la pédale d'accélérateur commande l'ouverture du papillon et qu'un système de régulation agit sur la vanne de décharge du turbocompresseur en fonction des pressions régnant dans le système d'admission en air du moteur. C'est ainsi que fonctionnent actuellement les moteurs turbocompressés. On pourrait ici aussi imaginer que l'action de l'utilisateur sur la pédale d'accélérateur agisse au niveau de la vanne de décharge du turbocompresseur. La position du papillon serait alors esclave de l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur.
La présente invention a alors pour but de fournir un procédé permettant la gestion du débit d'air dans un moteur turbocompressé comportant un papillon électrique, ce procédé permettant de résoudre les problèmes d'équilibrage dans la régulation de l'ouverture du papillon et de la vanne de décharge du turbocompresseur et de gérer les deux degrés de liberté de la régulation en air d'un tel moteur.
A cet effet, elle propose un procédé de gestion du débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant d'une part un papillon placé dans un conduit d'admission d'air dans le moteur pour réguler la section de passage d'air dans ce conduit et commandé électriquement et d'autre part un turbocompresseur entraîné par des gaz d'échappement et comprimant dans certaines conditions l'air admis dans le moteur, le turbocompresseur étant équipé d'une vanne de décharge pour la régulation de sa pression et une pédale d'accélérateur servant de commande pour solliciter le moteur.
Selon la présente invention, la position du papillon et l'ouverture de la vanne de décharge sont commandées selon deux modes de fonctionnement distincts ; dans le premier mode de fonctionnement la position du papillon est prédéterminée en fonction de paramètres de commande et de fonctionnement du moteur et la position la vanne de décharge assure la régulation du débit d'air ; dans le second mode de fonctionnement l'ouverture de la vanne de décharge est prédéterminée en fonction de paramètres de commande et de fonctionnement du moteur et la position du papillon assure la régulation du débit d'air, et un arbitrage entre les deux modes de réalisation est assuré par un dispositif électronique qui choisit le mode de fonctionnement à mettre en œuvre en fonction de conditions prédéterminées et mémorisées.
De cette manière, il est possible de favoriser l'un ou l'autre des actuateurs (papillon ou vanne de décharge) en fonction des paramètres et des sollicitations du moteur. La régulation est faite de manière équilibrée. Il n'y a pas de contradictions entre les commandes envoyées au papillon et celles envoyées à la vanne de décharge du turbocompresseur. Ce procédé de gestion permet une bonne maîtrise des deux degrés de liberté qui existent dans un moteur turbocompressé équipé d'un papillon commandé électriquement.
Dans un procédé de gestion selon l'invention, la position de la pédale d'accélérateur est interprétée par exemple comme une requête de débit d'air dans le moteur. Il est équivalent ici de considérer que cette requête est une requête en pression car dans des conditions données, à un débit d'air correspond une et une seule pression d'air.
Dans le premier mode de fonctionnement, la position du papillon est prédéterminée notamment en fonction de paramètres tels la charge du moteur et le régime de celui-ci, et l'ouverture de la vanne de décharge est de préférence préréglée en boucle ouverte et régulée en fonction de la requête en débit d'air et du débit d'air mesuré. Ce mode de fonctionnement est par exemple utilisé en pleine charge. Le papillon est alors de préférence en position ouverte et la régulation en débit d'air du moteur est réalisée par la vanne de décharge.
Dans le second mode de fonctionnement, l'ouverture de la vanne de décharge est prédéterminée notamment en fonction de paramètres tels que, par exemple, le régime moteur et de la pression atmosphérique extérieure ; la position du papillon est régulée pour obtenir le débit d'air requis dans le moteur. Ce mode de fonctionnement est par exemple mis en oeuvre en dessous d'un régime prédéterminé, la vanne de décharge étant alors ouverte et le débit d'air étant régulé par la position du papillon.
Dans un procédé selon l'invention, on peut prévoir que pour une plage de régimes prédéterminée et une position de la pédale d'accélérateur en deçà d'une position prédéterminée, le papillon reste fermé en deçà d'une valeur d'ouverture prédéterminée de manière à créer un différentiel de pression entre l'amont et l'aval du papillon.
Dans un mode de réalisation préféré, le papillon est sensiblement en position ouverte en pleine charge et la vanne de décharge du turbocompresseur est alors régulée de manière à alimenter le moteur à la pression maximale.
La présente invention concerne également un dispositif pour la gestion du débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant d'une part un papillon placé dans une conduite d'admission d'air dans le moteur pour réguler la section de passage d'air dans ce conduit et commandé électriquement et d'autre part un turbocompresseur entraîné par des gaz d'échappement et comprimant dans certaines conditions l'air admis dans le moteur, le turbocompresseur étant équipé d'une vanne de décharge pour la régulation de sa pression et une pédale d'accélérateur servant de commande pour solliciter le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un premier dispositif de régulation commandant la position du papillon afin de piloter le papillon pour obtenir un débit d'air correspondant à une valeur de consigne,
- un second dispositif de régulation commandant l'ouverture de la vanne de décharge afin de piloter celle-ci pour obtenir un débit d'air correspondant à une valeur de consigne,
- des moyens de commande pour amener le papillon dans une position prédéterminée,
- des moyens pour ouvrir la vanne de décharge selon une valeur prédéterminée, et
- un dispositif d'arbitrage comportant une mémoire dans laquelle est enregistrée une table qui détermine en fonction de paramètres, notamment la charge et le régime du moteur, le dispositif de régulation devant assurer la régulation du débit d'air et le prépositionnement éventuel du papillon et/ou de la vanne de décharge.
Un tel dispositif permet la mise en oeuvre du procédé décrit plus haut.
Dans une forme de réalisation avantageuse, plusieurs tables sont mémorisées dans le dispositif d'arbitrage et des moyens de sélection permettent de choisir la table utilisée pour la gestion du moteur. Ces moyens de sélection comportent par exemple un sélecteur manuel. Le conducteur peut alors choisir la table qu'il veut utiliser et déterminer ainsi le comportement de son moteur. On peut aussi envisager que les moyens de sélection comportent des moyens d'apprentissage permettant d'évaluer la conduite du conducteur associés à des moyens de sélection automatiques pour sélectionner une table en fonction du type de conduite du conducteur.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :
La figure 1 représente schématiquement un système d'alimentation en air d'un moteur turbocompressé,
La figure 2 est un schéma sous forme d'organigramme illustrant un procédé selon l'invention, et
Les figures 3 et 4 sont des représentations tridimensionnelles illustrant des exemples d'application du procédé selon l'invention.
La figure 1 représente très schématiquement un système d'alimentation en air d'un moteur turbocompressé. On reconnaît à droite sur cette figure, c'est-à-dire en aval du système d'alimentation représenté, un piston 2 pouvant se déplacer dans un cylindre 4. Une soupape 6 commande l'admission de l'air dans le cylindre 4. Une soupape 8 est quant à elle prévue pour l'échappement des gaz brûlés hors du cylindre 4. Le moteur correspondant comporte par exemple plusieurs cylindres et le système d'alimentation représenté est commun à tous les cylindres ou à une partie de ceux-ci.
Ce système d'alimentation en air comporte, d'amont en aval, une entrée d'air 10, un débitmètre d'air massique 12, un turbocompresseur 14, une chambre d'échanges thermiques appelée intercooler 16, un papillon 18 disposé dans un conduit dans lequel passe l'air alimentant les cylindres et permettant d'agir sur la section de débit d'air de ce conduit, ainsi qu'un collecteur d'admission appelé manifold 20. Les soupapes d'admission 6 sont en liaison directes avec le collecteur d'admission 20.
Comme connu en soi, le débitmètre d'air massique 12 peut être remplacé par un capteur de pression à partir duquel le débit sera alors calculé et non plus mesuré.
Le turbocompresseur 14 comporte deux turbines reliées entre elles par un arbre. Une première turbine est disposée dans un conduit d'échappement 22 et est entraînée en rotation par les gaz brûlés sortant des cylindres 4 par les soupapes d'échappement 8. La seconde turbine est disposée, comme indiqué plus haut, dans le système d'alimentation en air du moteur et met sous pression l'air se trouvant dans la chambre d'échanges thermiques 16. De façon classique, une vanne de décharge de turbocompresseur 24 permet de "court-circuiter" la turbine disposée dans le conduit d'échappement 22.
Une telle structure est habituelle pour un moteur turbocompressé. La présente invention concerne un moteur équipé d'un système d'admission de ce type dans lequel la position du papillon 18 est commandée électriquement. Dans ce cas, pour gérer le débit d'air dans le moteur, il convient de réguler à la fois l'angle d'ouverture du papillon 18 et l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur 24. La difficulté réside ici dans l'ajout, dans un système stable de contrôle du débit et/ou de la pression d'air que constitue un système d'admission d'un moteur turbocompressé de l'art antérieur, d'un nouvel actuateur d'air (le papillon 18 à commande électrique) avec son propre contrôle en boucle fermée et une dynamique propre différente de celle de la vanne de décharge du turbocompresseur 24. Jusqu'à présent, les papillons à commande électrique sont utilisés uniquement sur des véhicules à moteur atmosphérique. Le système de pivotage de l'angle d'ouverture du papillon se base sur une requête de débit (ou pression) d'air mesuré au niveau de la pédale d'accélérateur. L'utilisation d'un papillon à commande électrique dans un moteur muni d'un turbocompresseur commandé implique le contrôle simultané du papillon et du turbocompresseur car les deux dispositifs de contrôle sont indépendants, se basent sur une même consigne en débit (ou pression) d'air et ont un poids similaire sur cette gestion de l'air. Le contrôle du papillon et du turbocompresseur est rendu également difficile par des temps de réponse différents entre le papillon et la vanne de décharge du turbocompresseur. Ceci peut alors conduire à des instabilités du contrôle du débit (ou pression) d'air du système d'alimentation en air du moteur. Une telle instabilité est alors source de retraits d'avance d'allumage. Le procédé ci-après permet de remédier à ces problèmes qui engendrent pollution et désagrément de conduite.
Sur la figure 2 un procédé selon l'invention est schématisé sous forme d'organigramme. Sur cet organigramme, une flèche 26 symbolise une commande reçue d'une pédale d'accélérateur du véhicule correspondant. Comme indiqué plus haut, le papillon 18 est commandé électriquement. La pédale d'accélérateur et le papillon 18 ne sont donc pas reliés mécaniquement comme c'est encore le cas pour certains accélérateurs.
La position de la pédale d'accélérateur est mesurée à l'aide d'un capteur et un dispositif d'interprétation 28 traduit l'information reçue par l'intermédiaire de la pédale d'accélérateur en une consigne de débit d'air. Cette position de la pédale d'accélérateur peut également être traduite comme une requête de pression d'air. Ces requêtes sont sensiblement équivalentes en ce que, dans des conditions données, à un débit d'air correspond une et une seule pression d'air. Dans la suite de la description, il sera question uniquement de débit d'air mais, comme précisé ci-avant, il pourrait aussi bien être question de pression d'air.
Le dispositif de gestion et de commande du moteur comporte d'une part des moyens de calcul de l'ouverture du papillon 30 et d'autre part des moyens de calcul de l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur 32.
Les moyens de calcul de l'ouverture du papillon 30 sont par exemple des moyens de type connu de l'homme du métier. Ainsi, par exemple, la requête en débit d'air fournie par le dispositif d'interprétation 28 est traduite en termes de section de passage et donc d'angle d'ouverture du papillon 18. Le débit d'air au niveau du papillon 18 dépend non seulement de la surface de passage laissée libre au niveau de ce papillon 18 mais également de la différence de pression qui règne entre la chambre d'échanges thermiques 16 et le collecteur d'admission 20. La connaissance de cette différence de pression et de la requête en débit d'air permet aux moyens de calcul de l'ouverture du papillon 30 de fournir un angle d'ouverture du papillon 18 appelé sur la figure 2 TPS-SP.
Les moyens de calcul de l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur 32 peuvent également être des moyens connus. Ils comportent par exemple des moyens de précommande 34 qui calculent en boucle ouverte une "préposition" de la vanne de décharge du turbocompresseur 24. Un terme correctif est ajouté à cette pré-position calculée en boucle ouverte. On compare alors le débit d'air requis défini par le dispositif d'interprétation 28 avec le débit d'air (MAF) mesuré par le débitmètre 12 ou calculé. Un dispositif de contrôle/adaptation 36 calcule alors un terme correcteur venant s'ajouter au terme calculé par les moyens de précommande 34. En ajoutant ces deux termes, les moyens de calcul de la position de la vanne de décharge du turbocompresseur 32 fournissent une consigne à la vanne de décharge du turbocompresseur 24, cette consigne étant appelée WG-SP sur la figure 2.
Le dispositif de commande et de gestion du moteur selon l'invention comporte des moyens pour le calcul de l'ouverture du papillon 30 et des moyens pour le calcul de l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur 32 mais il comporte en outre des moyens d'arbitrage entre le papillon 18 et la vanne de décharge du turbocompresseur 24. Ces moyens d'arbitrage permettent de déterminer si le papillon 18 est esclave du turbocompresseur 14 ou inversement. Dans le cas où le papillon 18 est esclave du turbocompresseur 14, la requête en débit d'air reçue au niveau de la pédale d'accélérateur est utilisée pour le réglage de la vanne de décharge du turbocompresseur 24 et le papillon 18 est utilisé pour la régulation du flux d'air en fonction de la position de la vanne de décharge WG-SP calculée en fonction du débit requis. Par contre, si le turbocompresseur 14 est l'esclave du papillon 18, la requête en débit d'air au niveau de la pédale d'accélérateur est traduite en angle d'ouverture du papillon 18 et la vanne de décharge du turbocompresseur 24 assure alors la régulation du débit d'air.
Le dispositif d'arbitrage permet ainsi de privilégier le papillon 18 ou le turbocompresseur 14 du moteur. On privilégie alors soit les performances apportées par le moteur, soit sa consommation de carburant. Le dispositif de commande et de gestion du moteur prévoit alors en fonction de certains paramètres (par exemple régime du moteur et charge du moteur) si la priorité est donnée au papillon 18 ou au turbocompresseur 14.
A titre d'exemple, on peut par exemple considérer un moteur à quatre cylindres de 1800 cm3 de cylindrée. On suppose que ce moteur possède une plage de régimes comprise entre 0 et 6200 tr/mn. On peut par exemple définir pour ce moteur trois zones principales :
Zone de démarrage : le papillon électrique est ici le maître. Cette zone concerne les régimes moteur compris entre le ralenti (par exemple environ 800 tr/mn) et 1500 tr/mn. A ces régimes, le turbocompresseur 14 ne peut de toute façon pas s'enclencher car les débits d'air sont faibles. La pression dans le collecteur d'admission 20 est alors comprise entre 800 et 1000 mbar (1 mbar ≈ 1 hPa). La pédale d'accélérateur commande donc dans cette zone la position du papillon électrique.
Zone de charge partielle : les régimes sont compris ici entre 1500 et 6200 tr/mn mais pour une position de la pédale d'accélérateur en deçà d'une position prédéterminée. Dans cette zone, la pression dans le collecteur d'admission 20 est inférieure à 1000 mbar mais la pression dans la chambre d'échanges thermiques 16, avant le papillon 18, peut prendre des valeurs allant jusqu'à 1800 mbar. Dans cette zone, le turbocompresseur 14 est en action mais le papillon électrique est peu ouvert de manière à créer une différence de pression relativement importante entre le collecteur d'admission 20 et la chambre d'échanges thermiques 16. Cette différence de pression, que l'on peut par exemple surnommer "réserve de puissance", va permettre au conducteur, dès qu'il exprime un besoin d'accélération en appuyant sur la pédale d'accélérateur, de suralimenter sans délai le moteur. En effet, il suffit alors d'ouvrir le papillon 18 entièrement pour que les pressions dans le collecteur d'admission 20 et la chambre d'échanges thermiques 16 s'équilibrent et qu'une pression importante soit présente dans le collecteur au niveau des soupapes d'admission 6.
Zone de pleine charge : cette zone concerne également des régimes moteur compris entre 1500 et 6200 tr/mn. Ici toutefois la pédale d'accélérateur est au-delà de la position prédéterminée précédemment. Dans cette zone, on peut choisir de mettre le papillon 18 en position entièrement ouverte et l'alimentation en air est alors gérée directement par le turbocompresseur par l'intermédiaire de la vanne de décharge du turbocompresseur 24. On retrouve alors des pressions allant jusqu'à 1600 ou 1800 mbar en amont et en aval du papillon 18 électrique.
Dans l'exemple ci-dessus, on constate qu'en pleine charge la régulation est assurée par le turbocompresseur uniquement. Ainsi, sur la figure 2 on prévoit un dispositif de régulation en pression maximale 38. Ce dispositif assure, en pleine charge, le contrôle de la pression maximale admissible par le moteur. Le contrôle du turbocompresseur, et donc de la vanne de décharge du turbocompresseur 24, est ainsi décorellé du contrôle du papillon 18 en acceptant, au niveau du papillon 18 et du turbocompresseur 14, des débits d'air respectifs différents. Pour éviter alors des retraits d'avance à l'allumage, on peut introduire dans la gestion du moteur une bande de désactivation des retraits d'avance afin de ne pas limiter la dynamique du turbocompresseur.
Les figures 3 et 4 illustrent à titre d'exemples le fonctionnement d'un moteur pour lequel la régulation en débit d'air est faite tantôt à l'aide du papillon 18 et tantôt à l'aide de la vanne de décharge du turbocompresseur 24.
Sur les figures 3 et 4, on a à chaque fois une représentation tridimensionnelle sur laquelle un premier axe correspond à l'ouverture du papillon 18, un second axe correspond à l'ouverture de la vanne de décharge du turbocompresseur 24 et le troisième axe (vertical) correspond au débit massique d'air dans le moteur mesuré au niveau du débitmètre 12. L'abréviation utilisée sur ces figures pour le papillon 18 est TPS tandis que pour la vanne de décharge du turbocompresseur 24 l'abréviation utilisée est WG.
Sur la figure 3 on part d'une position dans laquelle le papillon 18 est fermé (TPS = 0%) et la vanne de décharge du turbocompresseur ouverte (WG = 100%). A faible régime le débit d'air reste faible. Le turbocompresseur n'entre pas en action et la vanne de décharge du turbocompresseur 24 reste grande ouverte. Seule la position du papillon 18 varie. On suppose ici que la commande fournie par la pédale d'accélérateur agit sur le papillon 18 jusqu'à ce que celui-ci soit à moitié ouvert (TPS = 50%). On arrive alors au point A pour lequel on a les valeurs suivantes : TPS = 50%, WG = 100% et le débit massique vaut 50 kg/h. On considère qu'à partir de ce débit pour ce moteur donné, le turbocompresseur 14 est apte à fournir une pression de suralimentation.
La position du papillon 18 est alors bloquée par le dispositif de commande et de gestion du moteur selon l'invention. On suppose que la requête au niveau de la pédale d'accélérateur continue pour demander un débit d'air de plus en plus important. La vanne de décharge du turbocompresseur 24 va ainsi progressivement se fermer. Les gaz d'échappement entraînent alors le turbocompresseur 14 qui provoque une hausse de la pression dans la chambre d'échanges thermiques 16. Cette augmentation de pression va générer rapidement une hausse du débit et du régime moteur. On arrive alors au point B pour lequel on a toujours un papillon 18 à moitié ouvert mais la vanne de décharge du turbocompresseur 24 est entièrement fermée. Les coordonnées de ce point B sont alors : TPS = 50%, WG = 0% et le débit massique vaut 600 kg/h. Le turbocompresseur 14 travaille ici à pleine poussée. Le papillon 18 étant partiellement fermé, une surpression règne dans la chambre d'échanges thermiques 16 en amont du papillon 18 par rapport à la pression régnant dans le collecteur d'admission 20 en amont de ce papillon 18. On a ici une "réserve de puissance" comme évoqué précédemment. A partir du point B, le papillon 18 s'ouvre. La pression dans le collecteur d'admission 20 augmente rapidement permettant d'accroître encore le débit d'air. On arrive au point C à une valeur maximale du débit massique, par exemple 700 kg/h. Bien entendu, cette situation ne peut être maintenue que si le moteur est capable d'endurer un tel "gavage" sans dommages. Pour limiter les surpressions et ne pas endommager le moteur, on limite dans le temps de telles situations. Comme indiqué sur la figure 3, pour limiter la pression de suralimentation, on ouvre partiellement la vanne de décharge du turbocompresseur 24. On a donc, parallèlement à l'ouverture du papillon 18, une ouverture de la vanne de décharge 24 qui se traduit sur la figure 3 par un déplacement en biais par rapport aux axes de coordonnée. Lorsque le papillon est entièrement ouvert (point D) on retrouve un débit massique sensiblement égal au débit massique au point B. On a par exemple ici les valeurs suivantes : TPS = 100% et WG = 20%, le débit massique étant ici de 600 kg/h.
Dans cet exemple, entre les points A et B, on a supposé que la position du papillon restait figée à une ouverture correspondant à 50 % de la section du conduit. Pour augmenter la "réserve de puissance", on peut envisager de réduire l'ouverture du papillon pour arriver par exemple à un point B' (non représenté) pour lequel on aurait par exemple TPS = 35% et WG = 0%.
Comme il ressort de la description précédente, le dispositif de gestion et de commande du moteur permet d'avoir une "réserve de puissance" et de la gérer. En agissant à la fois sur la vanne de décharge du turbocompresseur 24 et l'ouverture du papillon 18, on peut, dès le point C passé, reconstituer une "réserve de puissance" sans pour autant perdre en puissance moteur par rapport à un moteur turbocompressé ne permettant pas d'avoir une "réserve de puissance".
La figure 4 illustre un mode de fonctionnement tout à fait différent. La logique est ici plus simple. A faible régime, et donc à faible débit, seule la position du papillon varie. Une fois le papillon entièrement ouvert (TPS = 100%) et que le débit (par exemple 50 kg/h) est suffisant pour que le turbocompresseur puisse délivrer une surpression, l'accélération est fournie uniquement en agissant au niveau de la vanne de décharge du turbocompresseur 24 en fermant celle-ci. Le dispositif décrit ci-dessus et le procédé associé permettent donc de gérer sur un même moteur une vanne de décharge de turbocompresseur et un papillon électrique. Selon des plages de fonctionnement prédéterminées, la vanne de décharge du turbocompresseur ou le papillon sont maîtres. Ces zones peuvent être définies de différentes manières en utilisant des paramètres tels : le régime moteur, la charge du moteur, les pressions ou différences de pression régnant dans le moteur, etc....
Il est ainsi possible avec un même moteur d'obtenir des comportements tout à fait différents. Une programmation du dispositif de gestion et de commande du moteur permettra d'obtenir un moteur économe, un autre réglage permettra d'obtenir un moteur pointu, un autre encore un moteur nerveux, etc.... On peut bien entendu également envisager de laisser le choix au conducteur du mode de conduite qu'il souhaite adopter. Un sélecteur lui permet alors de choisir entre plusieurs modes préprogrammés. Il est même envisageable d'associer un dispositif de gestion et de commande de moteur selon l'invention à un dispositif d'apprentissage qui permet d'adapter alors le comportement du moteur à la conduite du conducteur.
La présente invention ne se limite pas aux procédés et dispositifs décrits ci- dessus à titre d'exemples non limitatifs. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion du débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant : o un papillon (18) placé dans un conduit d'admission d'air dans le moteur pour réguler la section de passage d'air dans ce conduit et commandé électriquement, o un turbocompresseur (14) entraîné par des gaz d'échappement et comprimant dans certaines conditions l'air admis dans le moteur, le turbocompresseur (14) étant équipé d'une vanne de décharge (24) pour la régulation de sa pression, o une pédale d'accélérateur servant de commande pour solliciter le moteur, o un dispositif électronique assurant un arbitrage de la priorité à donner au papillon ou au turbocompresseur afin de répondre à la commande délivrée par la pédale d'accélérateur, caractérisé en ce que pour une plage de régimes prédéterminée et une position de la pédale d'accélérateur en deçà d'une position prédéterminée, le papillon (18) reste fermé en deçà d'une valeur d'ouverture prédéterminée de manière à créer un différentiel de pression entre l'amont et l'aval du papillon (18).
2. Procédé de gestion selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la position de la pédale d'accélérateur est interprétée comme une requête de débit d'air dans le moteur.
3. Dispositif pour la gestion du débit d'air dans un moteur à combustion interne comportant d'une part un papillon (18) placé dans une conduite d'admission d'air dans le moteur pour réguler la section de passage d'air dans ce conduit et commandé électriquement et d'autre part un turbocompresseur (14) entraîné par des gaz d'échappement et comprimant dans certaines conditions l'air admis dans le moteur, le turbocompresseur (14) étant équipé d'une vanne de décharge (24) pour la régulation de sa pression et une pédale d'accélérateur servant de commande pour solliciter le moteur, ledit dispositif comportant :
- un premier dispositif de régulation (30) commandant la position du papillon (18) afin de piloter le papillon pour obtenir un débit d'air correspondant à une valeur de consigne,
- un second dispositif de régulation (32) commandant l'ouverture de la vanne de décharge (24) afin de piloter celle-ci pour obtenir un débit d'air correspondant à une valeur de consigne,
- des moyens de commande pour amener le papillon (18) dans une position prédéterminée,
- des moyens pour ouvrir la vanne de décharge (24) selon une valeur prédéterminée, et - un dispositif d'arbitrage comportant une mémoire dans laquelle est enregistrée une table qui détermine en fonction de paramètres, notamment la charge et le régime du moteur, le dispositif de régulation devant assurer la régulation du débit d'air et le pré positionnement éventuel du papillon et/ou de la vanne de décharge, caractérisé en ce que pour une plage de régimes prédéterminée et une position de la pédale d'accélérateur en deçà d'une position prédéterminée, le papillon (18) reste fermé en deçà d'une valeur d'ouverture prédéterminée de manière à créer un différentiel de pression entre l'amont et l'aval du papillon (18).
4. Dispositif pour la gestion du débit d'air dans un moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que plusieurs tables sont mémorisées dans le dispositif d'arbitrage et en ce que des moyens de sélection permettent de choisir la table utilisée pour la gestion du moteur.
5. Dispositif pour la gestion du débit d'air dans un moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de sélection comportent un sélecteur manuel.
6. Dispositif pour la gestion du débit d'air dans un moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de sélection comportent des moyens d'apprentissage permettant d'évaluer la conduite du conducteur associés à des moyens de sélection automatiques pour sélectionner une table en fonction du type de conduite du conducteur.
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