WO2009056725A2 - Procede et systeme d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur a combustion - Google Patents

Procede et systeme d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur a combustion Download PDF

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Yves Le Vourc'h
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Renault S.A.S.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for dynamically estimating the rotational speed of a turbocharger of a combustion engine and a system implementing said method for controlling the air flow of the compressor and / or the pressure of the compressor. intake of the turbine.
  • turbocharger In the automotive field, it is well known to use a turbocharger to pressurize the air intake of the combustion chambers of a combustion engine so as to increase the efficiency and the output power of said engine.
  • the exhaust manifold is coupled to a turbine by an exhaust pipe.
  • the circulation of the exhaust gas in the pipe provides the rotation of the impeller of the turbine at a rate that depends on the pressure and the flow of the exhaust gas.
  • the compressor wheel is mechanically coupled by a drive shaft to the impeller wheel.
  • An intake port of the compressor receives fresh air and a discharge port is coupled to the engine inlet via an intake pipe. The rotation of the compressor wheel increases the amount of air admitted into the intake pipe and consequently the pressure in said pipe.
  • An exhaust gas recirculation system called EGR according to the acronym "Exhaust Gas Recirculation” implemented on the engine comprising a turbocharger allows to control the amounts of exhaust gas between the exhaust and the intake through an EGR pipe.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the turbocharger of an engine having an EGR system operates with a higher rotational speed than engines without EGR system. It is of particular interest to know the speed of rotation of the turbocharger in order to know the state of the air system and to control the air flow of the compressor and / or the inlet pressure of the turbine.
  • Said system comprises a first pressure sensor measuring the air pressure in the intake duct, a second pressure sensor measuring the pressure in the discharge port of the compressor, a temperature sensor measuring the temperature of the air in the inlet of the compressor, a speed sensor measuring the engine speed and means for estimating the rotational speed of the turbocharger as a function of the temperature and the pressure of the air intake in the turbocharger, the air pressure delivered by said turbocharger and the engine speed.
  • This type of system has the disadvantage of requiring additional sensors that increase the cost of manufacturing engines.
  • One of the aims of the invention is therefore to overcome all these drawbacks by proposing a method and a system for dynamically estimating the rotational speed of a turbocharger of a combustion engine of simple design, inexpensive and providing high efficiency whatever the engine speed.
  • a method for dynamic estimation of the rotational speed of a turbocharger of a remarkable combustion engine in that it comprises at least the following steps of: recording of information of at least one command of at least one actuator of the engine and / or the turbocompressor,
  • the rotational speed of the turbocharger is estimated by a linear observer, said linear observer advantageously comprising a Kalman or Luenberger-type observer.
  • the estimation of the rotational speed of the turbocharger is linearized around at least one operating point of the engine.
  • the estimation of the rotational speed of the turbocharger is linearized around a plurality of operating points of the engine.
  • Said operating point or points of the engine are determined as a function of the engine speed and the fuel flow. According to an alternative embodiment of the process according to the invention, the operating point or points of the engine are determined as a function of the air flow and the pressure in the manifold.
  • Another object of the invention relates to a system for dynamically estimating the rotational speed of a turbocharger of a remarkable combustion engine in that it comprises at least means for recording a piece of information.
  • least one control of at least one actuator of the engine and / or the turbocharger means for determining the engine speed, means for determining the fuel flow rate, means for determining the the pressure in the collector of the engine, means for determining the air flow, and means for estimating the speed of rotation of the turbocharger according to the information of the actuator control, the engine speed, the fuel flow and air flow.
  • the means for estimating the rotational speed of the turbocharger comprise at least one linear observer, said linear observer advantageously comprising an observer of the Kalman or Luenberger type.
  • the linear observer linearizes the rotational speed of the turbocharger around at least one operating point of the engine.
  • said linear observer linearizes the speed of rotation of the turbocharger around a plurality of operating points of the engine.
  • system comprises means for determining the operating point (s) of the engine as a function of the engine speed and the fuel flow rate.
  • said system comprises means for determining the operating point or points of the engine as a function of the air flow rate and the pressure in the manifold.
  • said system comprises at least one filter capable of filtering the estimation of the speed of rotation of the turbocharger between the different operating points of said engine.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the air system of a combustion engine comprising a turbocharger and an exhaust gas recirculation system
  • FIG. 2 is a block diagram of a linear estimator of the rotational speed of a turbocharger according to the invention
  • FIG. 3 is a graph showing the rotational speed of a turbocharger estimated according to the method according to the invention as a function of time and the rotational speed of a turbocharger estimated according to a non-linear model during a cycle.
  • FIG. 4 is a graph representing the rotational speed of a turbocharger estimated according to the process according to the invention as a function of time and the rotational speed of a turbocharger estimated according to a non-linear model during an NMVEG cycle
  • FIG. 5 is a graph showing the rotation speed of a turbocharger estimated according to an alternative embodiment of the method according to the invention as a function of time and the rotational speed of a turbocharger estimated according to a non-linear model at during an FTP cycle,
  • FIG. 6 is a graph representing the rotational speed of a turbocharger estimated according to the variant embodiment of the method according to the invention as a function of time and the rotational speed of a turbocharger estimated according to a non-linear model at during a NMVEG cycle,
  • FIG. 7 is a schematic representation of a control system of the actuators of an air system of a combustion engine having at least one turbocharger and an exhaust gas recirculation system.
  • the air system of a combustion engine comprises a compressor 1 comprising a fresh air intake 2 and an air outlet 3 connected to a cooler 4 whose output is connected to a collector intake 5 of the combustion engine.
  • the outlet 6 of the intake manifold 5 is connected to the cylinders 7 of the engine in order to introduce air into the chamber of combustion of said cylinders 7.
  • the flue gases are discharged from the combustion chambers of the cylinders 7 by an exhaust manifold 8 coupled to an exhaust gas recirculation system called EGR consisting of a valve 9 and a cooler 10, the outlet of the cooler 10 being connected to one of the inlet manifold entries in a manner well known to those skilled in the art.
  • a portion of the exhaust gas is introduced via a pipe 11 into a turbine 12, preferably a variable geometry turbine having a finned wheel, which discharges said exhaust gas into an exhaust line 13.
  • Said turbine 12 is coupled to the compressor 1 by mechanical coupling means 14 such as a transmission shaft so that the rotation of the wheel of the turbine 12 provides the rotation of the wheel of the compressor 1 in a manner well known per se.
  • the system for dynamically estimating the rotational speed of the turbocharger consists of a linear observer 15 able to estimate the speed of rotation of the turbocharger as a function of the information the control of at least one actuator of the air system, the engine speed, the fuel flow and the air flow.
  • the linear observer 15 estimates the speed of rotation as a function of the control information of the valve 9 of the EGR system, for example, the engine speed determined by means of a motor speed sensor 16, usually consisting of a target wheel and a hall effect sensor, the fuel flow determined by a sensor 17 or by calculating from the measurement of the opening time of the injectors, and the compressor air flow determined by a sensor air flow 18 such as nozzles, or venturi or hot wire flowmeters well known to those skilled in the art.
  • the linear observer 15 can estimate the speed of rotation of the turbocharger as a function of the pressure measured in the intake manifold 5 by means of a pressure sensor 19.
  • ®turbo - y2 ⁇ JJ turbo (ù turbo wherein ⁇ tur bo is the rotational speed of the turbocharger, P t and P c are respectively the power turbine side and compressor side and J tur bo is the shaft inertia transmission between the turbine and the compressor.
  • the state variables for describing the evolution of the system are the mass and the pressure in the two volumes and the rotational speed of the turbocharger.
  • the other variables such as flow rates, temperatures and power, for example, are linked to the state variables and to the system controls by all the turbocharger fields in particular.
  • the output flow of the compressor is given by mapping according to the speed of rotation of the turbocharger and the pressure in the intake manifold
  • the efficiency of the compressor is linked by a second mapping according to the speed of rotation
  • turbocharger and pressure in the intake manifold and the flow in the turbine is given by a third mapping according to the position of the fins and the pressure in the exhaust manifold.
  • These three maps are identified and interpolated by polynomials, for example, in order to determine a so-called modeled rotational speed according to a nonlinear model well known to those skilled in the art.
  • the previously described model is linearized around an operating point of the motor so that it can be used in a type observer.
  • Kalman or Luenberger type whose structure is schematically represented in FIG.
  • the observer inputs the commands sent to the two actuators, namely the actuator of the EGR valve 9 which controls the fresh air flow and / or the actuator blades of the turbine 12 which allows control of the manifold pressure, speed readings, fuel flow, manifold pressure, and airflow.
  • the system comprises means for recording information of at least one control of at least one actuator of the engine and / or the turbocharger, means for determining the engine speed 16, means for determination of the fuel flow 17, means for determining the pressure in the manifold of the engine 19 and means for determining the air flow rate 18 as described above.
  • this linear observer takes into consideration the variations in engine speed and the fuel flow rate injected to estimate the rotational speed of the turbocharger.
  • the measured quantities having values very different, it is better to normalize these quantities in input of the observer.
  • the speed estimated by the linear observer according to the invention is close to the speed determined by the non-linear model described above, represented in FIG. solid line in Figure 4, during a NMVEG cycle according to the acronym "New Motor Vehicle Exhausted Gas" on the lower rotational speeds corresponding to the linearization point and that the gap between the speeds grows as soon as possible. that we move away from this linearization point.
  • the normalized error as previously calculated is approximately 17%, the average error being 18000 rev / min and the absolute error being less than 60000 rev / min in dynamics.
  • FTP and NMVEG cycles are standard engine cycles and it is obvious that the speed of rotation of the turbocharger can be estimated on other cycles without departing from the scope of the invention.
  • the previously described model is linearized not around an operating point of the engine but around a plurality of operating points, the system according to the invention comprising at least one filter capable of filtering the estimation of the rotational speed of the turbocharger between the different operating points of said engine.
  • the system comprises means for determining the operating points of the engine as a function of engine speed and fuel flow.
  • the system may include means for determining the operating points of the engine as a function of the air flow and the pressure in the manifold. It will be observed that the determination of the operating points from the air flow and the pressure in the manifold is more difficult but it makes it possible to define the operating zone as a function of the actual pneumatic state of the system.
  • the method and the system according to the invention is advantageously used for the control of actuators such as the actuator of the EGR valve 9 which makes it possible to control the flow of fresh air and / or the actuator of the vanes of the turbine 12 which makes it possible to control the pressure of the collector 5.
  • actuators such as the actuator of the EGR valve 9 which makes it possible to control the flow of fresh air and / or the actuator of the vanes of the turbine 12 which makes it possible to control the pressure of the collector 5.
  • the speed of rotation of the Turbocharger is a parameter influencing the two outputs to be controlled, namely the fresh air flow and the collector pressure.
  • the dynamics of evolution of these variables is large compared to the desired dynamics of regulation.
  • the control loop usually comprises two loops respectively comprising a first PID regulator 100 according to the acronym "Proportional Integral Derivative" of the collector pressure and a second flow regulator PID 105. fresh air.
  • control loop also comprises means for determining a target turbo speed 110 as a function of the fresh air flow and pressure instructions in the manifold 5, means for estimating the speed of rotation of the turbocharger 115, and means 120 for comparing the target turbo speed and the rotational speed of the estimated turbocharger.
  • the error determined by the comparison of the target turbo speed and the rotational speed of the estimated turbocharger supplies a third PID regulator 125 and the output of the PID regulator 125 feeds means 130 for adding the comparison signal to the control signals. transmitted to said actuator.
  • a setpoint turbo speed as a function of the fresh air flow and pressure in the manifold settings is determined, then the rotational speed of the turbocharger is estimated according to the method and system described above, and the turbo setpoint speed. and the rotational speed of the estimated turbocharger are compared.
  • the error determined by the comparison of the reference turbo speed and the rotational speed of the estimated turbocharger feeds a third PID regulator 125 whose output signal is added to the control signals of the actuators.
  • Integral Proportional Integral Regulator means a control member for performing closed-loop control of an industrial system. It is obvious that the PID regulators may be substituted by any equivalent control body well known to those skilled in the art.
  • control method of an actuator can be implemented by a step of estimating the rotational speed of any turbocharger such as the method for estimating the rotational speed of the turbocharger described. in US Pat. No. 6,539,714 for example.
  • the method and system according to the invention can be used for estimating the speed of the turbocharger monitoring and diagnostic to ensure that the air system is not subject to constraints pneumatic and / or mechanical too important.
  • the estimation of the speed then makes it possible to detect the overspeeds on the coupling shaft between the turbine and the compressor. This detection then causes a corrective action on the fins and / or the EGR valve to allow the excess energy to be removed from the turbine without risk of damaging the turbocharger.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion remarquable en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes de : enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur; détermination du régime moteur; détermination du débit de carburant; détermination de la pression dans le collecteur du moteur; détermination du débit d'air; estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande de l'actionneur, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air. Un autre objet de l'invention concerne un système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion mettant en œuvre ledit procédé.

Description

Procédé et système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion
La présente invention concerne un procédé d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion et un système mettant en œuvre ledit procédé afin de contrôler le débit d'air du compresseur et/ou la pression d'admission de la turbine.
Dans le domaine de l'automobile, il est bien connu d'utiliser un turbocompresseur pour pressuriser l'admission d'air des chambres de combustion d'un moteur à combustion de manière à augmenter le rendement et la puissance de sortie dudit moteur.
Dans un moteur comportant un turbocompresseur, le collecteur d'échappement est couplé à une turbine par une conduite d'échappement. La circulation du gaz d'échappement dans la conduite procure la rotation de la roue de la turbine à un régime qui dépend de la pression et du débit du gaz d'échappement. La roue du compresseur est mécaniquement couplée par un arbre de transmission à la roue de la turbine. Un orifice d'admission du compresseur reçoit de l'air frais et un orifice de refoulement est couplé à l'admission du moteur par une conduite d'admission. La rotation de la roue du compresseur augmente la quantité d'air admis dans la conduite d'admission et par conséquent la pression dans ladite conduite.
Un système de recirculation des gaz d'échappement dit EGR selon l'acronyme anglo-saxon « Exhaust Gaz Recirculation » implémenté sur le moteur comportant un turbocompresseur permet de contrôler les quantités de gaz d'échappement entre l'échappement et l'admission à travers une conduite EGR. Afin de maintenir un débit positif dans la conduite EGR, il est nécessaire de maintenir une pression dans la conduite d'échappement supérieure à la pression dans la conduite d'admission. Ainsi, le turbocompresseur d'un moteur comportant un système EGR fonctionne avec une vitesse de rotation plus grande que les moteurs ne comportant pas de système EGR. II est particulièrement intéressant de connaître la vitesse de rotation du turbocompresseur afin de connaître l'état du système d'air et de contrôler le débit d'air du compresseur et/ou la pression d'admission de la turbine.
Il serait envisageable d'équiper le turbocompresseur d'un capteur de vitesse ; Néanmoins, outre le fait que le positionnement d'un capteur de vitesse dans le turbocompresseur présente un coût prohibitif, il n'est pas toujours possible d'équiper ledit turbocompresseur d'un capteur de vitesse.
Afin de remédier à ces inconvénients, on a déjà imaginé d'estimer la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de la température et de la pression de l'admission d'air dans le turbocompresseur, de la pression de l'air délivré par ledit turbocompresseur et du régime moteur. C'est le cas par exemple du brevet américain US 6,539,714 qui décrit un système pour estimer la vitesse de rotation d'un turbocompresseur. Ledit système comporte un premier capteur de pression mesurant la pression de l'air dans la conduite d'admission, un second capteur de pression mesurant la pression dans l'orifice d'amission du compresseur, un capteur de température mesurant la température de l'air dans l'orifice d'admission du compresseur, un capteur de vitesse mesurant le régime moteur et des moyens d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de la température et de la pression de l'admission d'air dans le turbocompresseur, de la pression de l'air délivré par ledit turbocompresseur et du régime moteur.
Ce type de système présente l'inconvénient de nécessiter des capteurs supplémentaires qui grèvent le coût de fabrication des moteurs.
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en proposant un procédé et un système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion de conception simple, peu onéreuse et procurant une grande efficacité quelque soit le régime moteur.
A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un procédé d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion remarquable en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes de : - enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur,
- détermination du régime moteur,
- détermination du débit de carburant, - détermination de la pression dans le collecteur du moteur,
- détermination du débit d'air,
- estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande de l'actionneur, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air. De préférence, la vitesse de rotation du turbocompresseur est estimée par un observateur linéaire, ledit l'observateur linéaire comportant avantageusement un observateur de type Kalman ou de type Luenberger.
Par ailleurs, l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur est linéarisée autour d'au moins un point de fonctionnement du moteur. Afin d'obtenir une estimation de grande précision quelque soit le régime moteur, l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur est linéarisée autour d'une pluralité de points de fonctionnement du moteur.
Ledit ou lesdits points de fonctionnement du moteur sont déterminés en fonction du régime moteur et du débit de carburant. Selon une variante d'exécution du procédé conforme à l'invention, le ou les points de fonctionnement du moteur sont déterminés en fonction du débit d'air et de la pression dans le collecteur.
De plus, l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur est filtrée entre les différents points de fonctionnement dudit moteur. Un autre objet de l'invention concerne un système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion remarquable en ce qu'il comporte au moins des moyens d'enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur, des moyens de détermination du régime moteur, des moyens de détermination du débit de carburant, des moyens de détermination de la pression dans le collecteur du moteur, des moyens de détermination du débit d'air, et des moyens d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande de l'actionneur, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air. Selon une caractéristique essentielle du système selon l'invention, les moyens d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur comportent au moins un observateur linéaire, ledit observateur linéaire comportant avantageusement un observateur de type Kalman ou de type Luenberger.
Ledit observateur linéaire linéarise la vitesse de rotation du turbocompresseur autour d'au moins un point de fonctionnement du moteur.
Selon une variante d'exécution du système suivant l'invention, ledit observateur linéaire linéarise la vitesse de rotation du turbocompresseur autour d'une pluralité de points de fonctionnement du moteur.
Par ailleurs, le système comporte des moyens de détermination du ou des points de fonctionnement du moteur en fonction du régime moteur et du débit de carburant.
Selon une autre variante d'exécution du système suivant l'invention, ledit système comporte des moyens de détermination du ou des points de fonctionnement du moteur en fonction du débit d'air et de la pression dans le collecteur.
De plus, ledit système comporte au moins un filtre apte à filtrer l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur entre les différents points de fonctionnement dudit moteur.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du procédé et du système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion conforme à l'invention, à partir des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du système d'air d'un moteur à combustion comportant un turbocompresseur et un système de recirculation des gaz d'échappement,
- la figure 2 est un synoptique d'un estimateur linéaire de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur conforme à l'invention,
- la figure 3 est un graphique représentant la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée selon le procédé conforme à l'invention en fonction du temps et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée suivant un modèle non linéaire au cours d'un cycle FTP, - la figure 4 est un graphique représentant la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée selon le procédé conforme à l'invention en fonction du temps et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée suivant un modèle non linéaire au cours d'un cycle NMVEG,
- la figure 5 est un graphique représentant la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée selon une variante d'exécution du procédé conforme à l'invention en fonction du temps et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée suivant un modèle non linéaire au cours d'un cycle FTP,
- la figure 6 est un graphique représentant la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée selon la variante d'exécution du procédé conforme à l'invention en fonction du temps et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur estimée suivant un modèle non linéaire au cours d'un cycle NMVEG,
- la figure 7 est une représentation schématique d'un système de commande de commande des actionneurs d'un système d'air d'un moteur à combustion comportant au moins un turbocompresseur et un système de recirculation des gaz d'échappement.
En référence à la figure 1 , le système d'air d'un moteur à combustion comporte un compresseur 1 comprenant une admission d'air frais 2 et une sortie d'air 3 connectée à un refroidisseur 4 dont la sortie est connectée à un collecteur d'admission 5 du moteur à combustion. La sortie 6 du collecteur d'admission 5 est connecté aux cylindres 7 du moteur afin d'introduire de l'air dans la chambre de combustion desdits cylindres 7. Les gaz brûlés sont évacués des chambres de combustion des cylindres 7 par un collecteur d'échappement 8 couplé à un système de recirculation des gaz d'échappement dit EGR constitué d'une vanne 9 et d'un refroidisseur 10, la sortie du refroidisseur 10 étant connectée à l'une des entrées du collecteur d'admission de manière bien connue par l'Homme du Métier.
Une partie des gaz d'échappement est introduite par une conduite 11 dans une turbine 12, de préférence une turbine à géométrie variable comportant une roue à ailettes, qui évacue lesdits gaz d'échappement dans une ligne d'échappement 13. Ladite turbine 12 est couplée au compresseur 1 par des moyens de couplage mécanique 14 tel qu'un arbre de transmission de manière à ce que la rotation de la roue de la turbine 12 procure la rotation de la roue du compresseur 1 de manière bien connue en soi.
Le système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation du turbocompresseur conforme à l'invention, en référence aux figures 1 et 2, est constitué d'un observateur linéaire 15 apte à estimer la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande d'au moins un actionneur du système d'air, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air. Ainsi, l'observateur linéaire 15 estime la vitesse de rotation en fonction de l'information de commande de la vanne 9 du système EGR, par exemple, du régime moteur déterminé au moyen d'un capteur de régime moteur 16, usuellement constitué d'une roue cible et d'un capteur à effet hall, du débit de carburant déterminé par un capteur 17 ou par le calcul à partir de la mesure du temps d'ouverture des injecteurs, et du débit d'air du compresseur déterminé par un capteur de débit d'air 18 tel que des tuyères, ou venturis ou des débitmètres à fil chaud bien connus de l'Homme du Métier. Accessoirement, l'observateur linéaire 15 peut estimer la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de la pression mesurée dans le collecteur d'admission 5 au moyen d'un capteur de pression 19.
L'estimateur 15 est basé sur les équations physiques du système d'air dont les volumes sont décrits par les équations suivantes : m = Qm - Q0Ut
Figure imgf000009_0001
dans lesquelles m est la masse de gaz dans ledit volume, P est la pression dans le volume, Qin et Qout sont respectivement le débit à l'entrée et à la sortie du volume, Tin et Tout sont respectivement la température à l'entrée et à la sortie dudit volume et V est le volume.
Par ailleurs, la dynamique sur l'arbre du turbocompresseur s'écrit sous la forme suivante :
( 6θ Y P1 -P,
®turbo = — y2π J J turbo(ùturbo dans laquelle, ωturbo est la vitesse de rotation du turbocompresseur, Pt et Pc sont respectivement la puissance côté turbine et côté compresseur et Jturbo est l'inertie de l'arbre de transmission entre la turbine et le compresseur.
Les variables d'état permettant de décrire l'évolution du système sont la masse et la pression dans les deux volumes et la vitesse de rotation du turbocompresseur. Les autres variables telles que les débits, les températures et les puissances par exemple sont liées aux variables d'état et aux commandes du système par l'ensemble des champs turbocompresseur notamment.
Ainsi, le débit sortant du compresseur est donné par une cartographie en fonction de la vitesse de rotation du turbocompresseur et de la pression dans le collecteur d'admission, l'efficacité du compresseur est liée par une seconde cartographie en fonction de la vitesse de rotation du turbocompresseur et de la pression dans le collecteur d'admission et le débit dans la turbine est donné par une troisième cartographie en fonction de la position des ailettes et de la pression dans le collecteur d'échappement. Ces trois cartographies sont identifiées et interpolées par des polynômes, par exemple, afin de déterminer une vitesse de rotation dite modélisée suivant un modèle non linéaire bien connu de l'Homme de l'art. Selon une première variante d'exécution du système suivant l'invention, le modèle précédemment décrit est linéarisé autour d'un point de fonctionnement du moteur de telle manière qu'il puisse être utilisé dans un observateur de type
Kalman ou de type Luenberger dont la structure est schématiquement représentée sur la figure 2.
Les équations intégrées dans ledit observateur s'écrivent sous la forme suivante : δX = A.δX + B.δU + K.(δY -δΫ) δΫ = CδX dans lesquelles, δxest la variation des états estimés du système autour du point de fonctionnement, δf est la variation des sorties estimées du système autour du point de fonctionnement, δU est la variation des entrées du système autour du point de fonctionnement, δY est la variation des sorties mesurées du système autour du point de fonctionnement, K est le gain de l'observateur et A, B, C et D sont les matrices d'état décrivant le système linéarisé.
L'observateur a pour entrées les commandes envoyées aux deux actionneurs, à savoir l'actionneur de la vanne EGR 9 qui permet de contrôler le débit d'air frais et/ou l'actionneur des ailettes de la turbine 12 qui permet de contrôler la pression du collecteur, les mesures de régime, le débit de carburant, la pression dans le collecteur et le débit d'air.
Ainsi, le système suivant l'invention comporte des moyens d'enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur, des moyens de détermination du régime moteur 16, des moyens de détermination du débit de carburant 17, des moyens de détermination de la pression dans le collecteur du moteur 19 et des moyens de détermination du débit d'air 18 tels que décrits précédemment.
On notera que cet observateur linéaire 15 prend en considération les variations de régime et du débit de carburant injecté pour estimer la vitesse de rotation du turbocompresseur. De plus, les grandeurs mesurées ayant des valeurs très différentes, il est préférable de normaliser ces grandeurs en entrée de l'observateur.
En comparant la vitesse estimée par l'observateur linéaire 15 conforme à l'invention, ladite vitesse estimée étant représentée en traits pointillés sur la figure 3, avec la vitesse déterminée par le modèle non linéaire décrit précédemment, représentée en trait plein sur la figure 3, au cours d'un cycle FTP selon l'acronyme anglo-saxon « Fédéral Test Procédure », en référence à la figure 3, il apparaît que l'écart est globalement constant dans les hauts régimes, le régime moteur et le débit de carburant étant assez proches du point de linéarisation. L'erreur normalisée entre la vitesse donnée par le modèle non linéaire et la vitesse estimée qui s'écrit sous la forme : c _ l ω^ -ωmod ω mod est d'environ 9,5%, l'erreur absolue (max|ωe^ -ωmod|) étant inférieure à 20000 tours/min en dynamique et l'erreur moyenne
Figure imgf000011_0001
-ωmod|) étant de 4800 tours/min.
En référence à la figure 4, il apparaît que la vitesse estimée par l'observateur linéaire 15 conforme à l'invention, représentée en traits pointillés sur la figure 4, est proche de la vitesse déterminée par le modèle non linéaire décrit précédemment, représentée en trait plein sur la figure 4, au cours d'un cycle NMVEG selon l'acronyme anglo-saxon « New Motor Vehicle Exhausted Gas » sur les plus faibles vitesses de rotation correspondant au point de linéarisation et que l'écart entre les vitesses grandit dès que l'on s'éloigne de ce point de linéarisation. L'erreur normalisée telle que calculée précédemment est d'environ 17%, l'erreur moyenne étant de 18000 tours/min et l'erreur absolue étant inférieure à 60000 tours/min en dynamique.
Les cycles FTP et NMVEG sont des cycles moteurs normes et il est bien évident que la vitesse de rotation du turbocompresseur pourra être estimée sur d'autres cycles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Selon une seconde variante d'exécution du système suivant l'invention, le modèle précédemment décrit est linéarisé non pas autour d'un point de fonctionnement du moteur mais autour d'une pluralité de points de fonctionnement, le système suivant l'invention comportant au moins un filtre apte à filtrer l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur entre les différents points de fonctionnement dudit moteur.
Par ailleurs, le système comporte des moyens de détermination des points de fonctionnement du moteur en fonction du régime moteur et du débit de carburant. De manière alternative, le système peut comporter des moyens de détermination des points de fonctionnement du moteur en fonction du débit d'air et de la pression dans le collecteur. On observera que la détermination des points de fonctionnement à partir du débit d'air et de la pression dans le collecteur est plus difficile mais elle permet de définir la zone de fonctionnement en fonction de l'état pneumatique réel du système. En comparant la vitesse estimée par l'observateur linéaire conforme à l'invention, représentée en traits pointillés sur la figure 5, avec neuf observateurs calculé selon trois régimes (1000, 2000 et 3000 tours/min) et 3 débits de carburant (10, 20 et 30 mg/cp) avec la vitesse déterminée par le modèle non linéaire décrit précédemment, représentée en trait plein sur la figure 5, au cours d'un cycle FTP et au cours d'un cycle NMVEG, en référence à la figure 6, il apparaît que l'écart est globalement constant. Au cours du cycle FTP, l'erreur normalisée telle que calculée précédemment est d'environ 9,7%, l'erreur moyenne étant de 4800 tours/min et l'erreur absolue maximale étant de 20000 tours/min en dynamique. Au cours du cycle NMVEG, l'erreur normalisée est d'environ 7%, l'erreur moyenne étant de 6000 tours/min et l'erreur absolue maximale étant de 20000 tours/min en dynamique.
Le procédé et le système suivant l'invention est avantageusement utilisé pour la commande d'actionneurs tels que l'actionneur de la vanne EGR 9 qui permet de contrôler le débit d'air frais et/ou l'actionneur des ailettes de la turbine 12 qui permet de contrôler la pression du collecteur 5. En effet, la vitesse de rotation du turbocompresseur est un paramètre influant sur les deux sorties à contrôler, à savoir le débit d'air frais et la pression du collecteur. De plus la dynamique d'évolution de ces variables est grande par rapport aux dynamiques de régulation désirées. A cet effet, en référence à la figure 7, la boucle de commande comporte de manière usuelle deux boucles comportant respectivement un premier régulateur PID 100 selon l'acronyme « Proportionnel Intégral Dérivé » de la pression du collecteur et un second régulateur PID 105 du débit d'air frais.
Par ailleurs, la boucle de commande comporte également des moyens de détermination d'une vitesse turbo de consigne 110 en fonction des consignes de débit d'air frais et de pression dans le collecteur 5, des moyens d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur 115, et des moyens de comparaison 120 de la vitesse turbo de consigne et de la vitesse de rotation du turbocompresseur estimée. L'erreur déterminée par la comparaison de la vitesse turbo de consigne et de la vitesse de rotation du turbocompresseur estimée alimente un troisième régulateur PID 125 et la sortie du régulateur PID 125 alimente des moyens d'addition 130 du signal de comparaison aux signaux de commande transmis audit actionneur.
Ainsi, une vitesse turbo de consigne en fonction des consignes de débit d'air frais et de pression dans le collecteur est déterminée, puis la vitesse de rotation du turbocompresseur est estimée conformément au procédé et au système précédemment décrit, et la vitesse turbo de consigne et la vitesse de rotation du turbocompresseur estimée sont comparées. L'erreur déterminée par la comparaison de la vitesse turbo de consigne et de la vitesse de rotation du turbocompresseur estimée alimente un troisième régulateur PID 125 dont le signal de sortie est additionné aux signaux de commande des actionneurs.
On entend par régulateur Proportionnel Intégral Dérivé (PID) un organe de contrôle permettant d'effectuer une régulation en boucle fermée d'un système industriel. II est bien évident que les régulateurs PID pourront être substitués par tout organe de contrôle équivalent bien connu de l'Homme du Métier.
De plus, il va de soi que le procédé de commande d'un actionneur pourra être mis en œuvre par une étape d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur quelconque telle que le procédé d'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur décrit dans le brevet américain US 6,539,714 par exemple.
Enfin, il va de soi que le procédé et le système conformes à l'invention pourront est utilisés pour l'estimation de la vitesse du turbocompresseur en surveillance et en diagnostic afin de s'assurer que le système d'air ne subit pas de contraintes pneumatiques et/ou mécaniques trop importantes.
L'estimation de la vitesse permet alors de détecter les survitesses sur l'arbre de couplage entre la turbine et le compresseur. Cette détection engendre alors une action correctrice sur les ailettes et/ou la vanne EGR pour permettre d'évacuer le surplus d'énergie à la turbine sans risque de détériorer le turbocompresseur.
Par ailleurs, les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes de :
- enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur,
- détermination du régime moteur,
- détermination du débit de carburant, - détermination de la pression dans le collecteur du moteur,
- détermination du débit d'air,
- estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande de l'actionneur, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air. 2 - Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la vitesse de rotation du turbocompresseur est estimée par un observateur linéaire.
3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'estimation de la vitesse de rotation de rotation du turbocompresseur est linéarisée autour d'au moins un point de fonctionnement du moteur. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur est linéarisée autour d'une pluralité de points de fonctionnement du moteur.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le ou les points de fonctionnement du moteur sont déterminés en fonction du régime moteur et du débit de carburant.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le ou les points de fonctionnement du moteur sont déterminés en fonction du débit d'air et de la pression dans le collecteur. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur est filtrée entre les différents points de fonctionnement dudit moteur.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que l'observateur linéaire comporte un observateur de type Kalman ou de type Luenberger.
9 - Système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion caractérisé en ce qu'il comporte au moins des moyens d'enregistrement d'une information d'au moins une commande d'au moins un actionneur du moteur et/ou du turbocompresseur, des moyens de détermination du régime moteur (16), des moyens de détermination du débit de carburant (17), des moyens de détermination de la pression dans le collecteur du moteur (19), des moyens de détermination du débit d'air (18), et des moyens d'estimation (15) de la vitesse de rotation du turbocompresseur en fonction de l'information de la commande de l'actionneur, du régime moteur, du débit de carburant et du débit d'air.
10 - Système selon la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens d'estimation (15) de la vitesse de rotation du turbocompresseur comportent au moins un observateur linéaire (15). 11 - Système selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit observateur linéaire (15) linéarise la vitesse de rotation du turbocompresseur autour d'au moins un point de fonctionnement du moteur.
12 - Système selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11 caractérisé en ce que ledit observateur linéaire (15) linéarise la vitesse de rotation du turbocompresseur autour d'une pluralité de points de fonctionnement du moteur.
13 - Système selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination du ou des points de fonctionnement du moteur en fonction du régime moteur et du débit de carburant. 14 - Système selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination du ou des points de fonctionnement du moteur en fonction du débit d'air et de la pression dans le collecteur. 15 - Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un filtre apte à filtrer l'estimation de la vitesse de rotation du turbocompresseur entre les différents points de fonctionnement dudit moteur.
16 - Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 15 caractérisé en ce que l'observateur linéaire (15) comporte un observateur de type
Kalman ou de type Luenberger.
17 - Application du système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 9 à 16 à un système de commande d'au moins un actionneur d'un système d'air d'un moteur à combustion comportant au moins un turbocompresseur et un système de recirculation des gaz d'échappement.
18 - Application du système d'estimation dynamique de la vitesse de rotation d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 9 à 16 à un système de surveillance et diagnostic du turbocompresseur.
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