WO2014041296A1 - Procede de regulation d'une suralimentation pour turbocompresseur couple a une machine electrique, et dispositif turbocompresseur correspondant - Google Patents

Procede de regulation d'une suralimentation pour turbocompresseur couple a une machine electrique, et dispositif turbocompresseur correspondant Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the supercharging systems of internal combustion engines, for example the turbochargers of internal combustion engines of motor vehicles, and more particularly the control systems of such turbochargers.
  • the turbocharger is an organ of the air supply system of an internal combustion engine. It comprises a compressor for compressing the air admitted into the engine and a turbine which supplies mechanical energy to the compressor, the turbine being driven by the exhaust gas.
  • turbochargers There are two main types of turbochargers, fixed geometry turbochargers and variable geometry turbochargers.
  • turbochargers with variable geometry the speed of rotation of the turbine can be influenced by adjusting the inclination of the turbine blades.
  • fixed-geometry turbochargers it is possible, in certain alternative embodiments, to act on the rotational speed of the turbine by means of a discharge valve connected in parallel with the turbine (sometimes called a "wastegate") and which makes it possible to divert the turbine. Exhaust air from the turbine.
  • the invention relates to a second variant of turbocompressors with fixed geometry, in which the regulation by a discharge valve is replaced by a regulation using an electric machine capable of driving the axis of the turbocharger.
  • the electric machine can be used as a generator to produce electrical energy sent to an accumulator battery for later use.
  • a high power is needed at the compressor, for example during transient phases at the beginning of a acceleration of the vehicle, the electric machine can contribute to supply the necessary energy to the compressor, in addition to the energy available at the turbine.
  • Such supercharging systems can for example be emp rented on commercial vehicles, for which the required operating ranges of the engine do not require a too rapid off-load of the pressure upstream of the turbine, and which can thus save the the wastegate valve.
  • the severity of the pollution control standards also leads more and more often to insert a particulate filter in the exhaust system, which reduces the rate of expansion of the turbine of the turbocharger. It is therefore necessary to regulate as finely as possible the operation of the turbocharger.
  • the regulation can be provided at least in part by a prepositioning system, sending a power instruction (motor or generator) to the electric machine, from maps taking into account essentially the operating point of the engine.
  • the regulation can be supplemented by a regulator taking into account the difference of the supercharging pressure measured with respect to a reference supercharging pressure.
  • the object of the invention is to propose a turbocharger control system which makes it possible to reduce these inaccuracies and compensate for their drift over time, without increasing the overall complexity of the control system.
  • the invention proposes a turbocharger system for an internal combustion engine of a motor vehicle, comprising a turbocharger and an electric machine configured to be able to alternately apply a driving torque and a torque resistant to the turbocharger shaft.
  • the system further comprises a first pressure sensor adapted to measure the gas pressure downstream of the Turbocharger turbine, a second pressure sensor capable of measuring the gas pressure in an engine cylinder intake manifold, comprises a temperature sensor positioned to measure upstream of the turbocharger compressor, an incoming gas temperature.
  • a temperature sensor positioned to measure a gas inlet temperature in an engine intake manifold, includes a flow meter positioned to measure the flow rate of gas passing through the compressor.
  • the system includes an electronic control unit configured to calculate a power setpoint sent to the electrical machine.
  • the electronic control unit is configured to develop a first power value comparable to a compressor setpoint power, and a value of first rotational speed comparable to a rotational speed of the turbocharger. This first power and this first speed can be calculated by taking into account a reference supercharging pressure, the temperature upstream of the compressor, the temperature of the gases in the intake manifold, and the flow rate of gas passing through the compressor.
  • the electronic control unit is configured to develop a second power value comparable to an estimated power of the turbine, taking into account the first rotational speed and the pressure downstream of the turbine.
  • the electronic control unit is configured to calculate an open-loop target power term by adding three terms respectively proportional to the first power value, the second power value, and an inertial term calculated from the first rotation regime.
  • the electronic control unit can be configured to add, at the end of open loop setpoint power, a closed loop power setpoint correction, calculated taking into account the supercharging pressure of setpoint, the pressure measured by the second pressure sensor in the intake manifold, and the flow rate of gas passing through the compressor.
  • the electronic control unit is further configured to estimate or measure a third pressure value comparable to a pressure upstream of the compressor, and to take this value into account in the calculation of the first power and the first rotation regime.
  • the electronic control unit may be further configured to estimate or measure a third pressure value comparable to a pressure upstream of the compressor, and to take this value into account when calculating the closed loop power setpoint correction term.
  • the electronic control unit can be configured to estimate or measure a second flow rate equivalent value to a flow rate of the turbine, and a second temperature value similar to a temperature upstream of the turbine, and to take into account these two values. in the calculation of the second power value.
  • the turbocharger comprises a turbine with a fixed geometry and without a bypass line bypassing the turbine.
  • the electronic control unit is configured to use, for the calculation of the power setpoint, at most two types of instructions mapped directly according to the operating point of the engine, a first mapped value comparable to a pressure, and at most a second mapped value comparable to a temperature.
  • the invention proposes a method for regulating a turbocharger for an internal combustion engine of a motor vehicle, the turbocharger being connected to an electric machine capable of alternately supplying it with a driving torque and a resistive torque.
  • a first power value of the electric machine is calculated by subtracting from a desired power from the compressor of the turbocharger an estimated value of the power currently delivered by the turbine and an inertial term calculated from an estimated value of the current rotational speed of the turbocharger.
  • the electrical machine is driven by a setpoint term obtained by adding to the first power setpoint a term obtained by a regulator from a difference between an estimated compression ratio of the turbocharger, and a set compression ratio of the turbocharger, the set compression ratio being calculated from the set boost pressure, the measured flow rate of the gas passing through the compressor, and a pressure measured upstream of the compressor, and the estimated compression ratio being calculated from the pressure delivered by the second pressure sensor, the measured flow rate of the gases passing through the compressor, and a pressure measured upstream of the compressor.
  • FIG 1 recalls the general architecture of a motor equipped with a turbocharger according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a part of a control system of a turbocharger belonging to the motorization system of FIG. 1.
  • a turbocharger system 1 comprises a turbocharger 37, an electric machine 45, a motor 30 equipped with sensors 14, 15, 17, 18, 19, 40, 49, 54, 55 and comprises an electronic control unit 2.
  • Turbocharger 37 comprises a compressor 32 and a turbine 33 mounted on a common shaft.
  • An electric machine 45 is also solidary, or so lidarisable through a clutch, of the turbocharger shaft.
  • solidarity it is meant that the electric machine 45 is connected to the shaft of the turbocharger so as to drive it in rotation, possibly through a j ule axes and pinions.
  • Fresh air A arriving at atmospheric pressure P a tmo, measured by a pressure sensor 49, is filtered by an air filter 31.
  • the filtered air from the filter 31 is compressed by the compressor 32.
  • the compressed air is then cooled by an exchanger 34 and injected via a valve 39 supplying a supply manifold 40 ensuring that a same air pressure arrives at the cylinders 41 of the engine 30.
  • Some of the gases leaving the cylinders of the engine 30 may, in certain embodiments, be diverted to the intake manifold 40 via a short circuit provided with a cooler 35 and a valve 36.
  • the turbine 33 of the turbocharger 37 is driven by the exhaust gas from the engine.
  • the turbine 33 rotates the compressor 32.
  • An additional torque, engine torque or braking torque, can be applied to the compressor using the electric machine 45.
  • the electric machine 45 is powered from a battery of accumulation 44, through an electric converter 43.
  • the turbocharger 37 is connected to an electronic control unit 2, itself connected to an estimator 17 of the rotation speed N e of the motor 30 and to an estimator 18 of the torque C e developed by the motor 30.
  • the control unit 2 instead of being connected to a torque estimator 18 can be connected to an injection unit (not shown) transmitting to the control unit 2, the instantaneous value FIM sp setpoint of fuel flow injected into the engine 30.
  • the turbocharger 37 is equipped with a flow meter 15 arranged to measure the flow rate of gas W c passing through the compressor 32, and a first temperature sensor 14 arranged to measure the temperature T uc gas upstream of the compressor, for example placed in the flow meter 15, and a first pressure sensor 19 arranged so as to be able to measure the gas pressure Pa t downstream of the turbine 33, for example placed re turbine 33 and a particulate filter (not shown).
  • the first temperature sensor, the flow meter and the first pressure sensor are connected to the electronic control unit 2.
  • the electronic control unit 2 is also connected to a second pressure sensor 16 arranged so as to measure the pressure P spg of the gases present in the intake manifold 40.
  • the control unit 2 can also be connected to an air temperature sensor 55 measuring the air temperature in the intake manifold 40.
  • the electronic control unit 2 is also connected to a sensor 49 of atmospheric pressure P a tmo, sensor which can for example be integrated into an inj ection calculator.
  • the control unit 2 is also connected to a supervisor 42 which transmits to the control unit 2 a set value P S pg, where P represents the desired gas pressure in the intake manifold 40.
  • P S pg, s P is sometimes also referred to as a set boost pressure.
  • the control unit 2 develops an electrical reference power Peiec, s P which is the exemp sent to the converter 43, which then feeds the electric machine 45 to generate a motor torque corresponding to this electric power, or the driver electrical machine 45 so that it develops the corresponding resistive torque.
  • the "electrical power setpoints" (eg Peiec, s P ) are understood here as the mechanical power requirements of the electric machine, taking into account the efficiency of the machine.
  • the short circuit 35 here represents a high pressure gas recirculation system, or "HP EGR".
  • HP EGR high pressure gas recirculation system
  • the invention can also be applied to systems comprising a low pressure recirculation circuit, or "BP EGR", in which the exhaust gases are reinjected upstream of the compressor.
  • FIG. 2 illustrates a portion of a control system associated with a turbocharger according to the invention.
  • FIG. 2 shows elements that are common to FIG. 1, the same elements then being designated by the same references.
  • the electronic control unit 2 comprises a setpoint generator 12 capable of delivering a power setpoint of the electric machine 45.
  • the electronic control unit 2 comprises an estimator 20 capable of estimating a rotational speed N tc , is of the turbocharger , and able to deliver a setpoint compressor power POW c , sp .
  • the electronic control unit 2 may also include a mapping 1 3 for connecting a flow rate W c of the compressor to an increment of pressure AP C00 i corresponding to a pressure drop at the exchanger 34.
  • the generator 12 comprises a turbine power calculation unit 21, an open loop power estimator 4, an adder 5, and a regulator 11.
  • the turbine power calculation unit 2 1 comprises a coordinate calculator 22, a first map 3a, a second map 3b, and a turbine power estimator 46.
  • the electronic control unit 2 receives on a first digital or analog input a temperature value T ut representing a temperature upstream of the turbine 33. This temperature value T ut is communicated on an input of the coordinate calculator 22.
  • the electronic control unit 2 receives on another digital or analog input a flow value W t representing a flow rate passing through the turbine. This flow rate value is also communicated to an input of the coordinate calculator 22.
  • the values W t and T ut may be measured values, but may also be estimated values for other known values.
  • the value W t can be estimated by means of equation 2, and the value T ut can be mapped as a function of the operating point (speed, torque) of the motor 30.
  • the computer 22 also receives the pressure value Pa t downstream of the turbine, delivered by the sensor 1 9.
  • a pressure value P uc which can also be measured, if it is estimated, for example by means of equation 1, is communicated to the regulator 11 and to the turbo speed estimator 20.
  • the first computer 20 receives as input the data delivered by the sensors 14, 1 5, 1 7 as well as the supercharging pressure setpoint P S pg, s P emanating from the supervisor 42. I l also receives as input the third value of estimated pressure P uc . From these values, and using various maps (not shown), the first computer 20 calculates a value POW c , sp comparable to a reference power of the compressor 32, and a value N tc , is comparable to a speed rotation of a turbo compressor shaft.
  • the value N tc is is calculated in particular from the equations 4b and 6b detailed below.
  • the value POW c , sp is calculated in particular using equations 4a, 6a, and 8, as well as equations 3 and 9, detailed below.
  • the value N tc , sp is sent to the coordinate calculator 22, and in parallel to the open loop estimator 4.
  • the setpoint compressor power POW c , sp is sent to the estimator 4 in open loop.
  • the first computer 20 can use a map 13 to calculate an AP value C00 i similar to a pressure drop, from the flow rate W c from the sensor 15.
  • the value AP C00 i is also used by the controller 1 1. According to an alternative embodiment, the first computer 20 can directly receive the AP value C00 i.
  • the coordinate calculator 22 calculates from the values W t , T ut and Pat, three coordinates C l, C2, and C3.
  • C 1 and C 2 are used by the calculation unit 2 1 to read the map 3 a
  • C 1 and C 3 are used to read the map 3 b, as indicated for example in the equations 1 1 and 12.
  • t which can be considered as a turbine efficiency
  • the dimensionless value PR t which can be considered as an expansion ratio of the turbine, are thus extracted respectively from the mappings 3 a and 3b, and sent to the turbine power estimator 46.
  • the turbine power estimator 46 further receives the values W t and T ut , also used by the coordinate calculator 22.
  • the turbine power estimator 46 sends a power value POW t , is t turbine, estimated for example by means of equation 10, to the open-loop estimator 4.
  • the open-loop estimator 4 uses the estimated turbo regime N tc , est, an inertial term Nt c is dN '' is derived from this estimated turbo regime, the dt
  • reference compressor power POW c , sp and the estimated turbine power POW t is t to calculate, for example according to equation 14, an open-loop electrical power setpoint P elec , sp, oi, which is sent to one of the inputs of the adder 5.
  • the term inertial Nt c is dN '' may be calculated by the estimator 4, or may by For example, to obtain it from a differentiator 58 receiving from the first computer 20 the value N tc , is.
  • the adder 5 receives on a second input a closed-loop correction value P elec , sp, ci, resulting from the regulator 1 1.
  • the regulator 1 which may be a PID (proportional integral derivative) type regulator, produces this Peiec closed loop correction value, sp , ci, from a difference between an estimated compression ratio of the turbocharger, as calculated for example in equation 4b, and a set compression ratio of the turbocharger, as defined by eg the equation 4a.
  • the controller 1 1 uses it for the values from the sensors 15 and 16, the estimated value P uc, the PSPG setpoint, P s after the supervisor 42, and, optionally, the mapping 13.
  • the estimated compression ratio is calculated as a function of two variables measured or estimated on the turbocharger 37, P uc and AP C00 i, and a measured or estimated variable at the co-sensor 40 , P sp g .
  • the set compression ratio is calculated as a function of two variables resulting from measurements P uc and AP C00 i, and of a set value P S pg, s P which is substituted for the measured value P sp g in the formulas of calculation used to calculate the first compression ratio.
  • X is t is an estimated variable from one or more measured variables, using possible cartography.
  • X mes is a variable measured by a dedicated sensor.
  • set point is a setpoint variable, developed at least in part from quantities emanating from the driver of the vehicle.
  • variables used as "measures” in the control strategy can be broken down into three categories:
  • Hybrid variables that can be estimated or measured based on the operation of the rest of the gas flow path in the engine. Measured variables consumed in the strategy
  • one or two sensors can be saved by indirectly estimating the following variables:
  • the compressor flow is estimated via the replacement, and the compressor upstream temperature is estimated via an enthalpy balance using the engine inlet air temperature sensor.
  • the pressure drop of the air filter is considered. This pressure loss is estimated with a map that depends on the air flow.
  • the turbine upstream temperature, T ut is used in the strategy.
  • Stabilized turbine flow W t is equal to the compressor flow plus the fuel flow. In dynamics, this balance is affected by the terms of dynamics of the air line and the exhaust. To model this dynamic, we write the turbine flow as follows:
  • Padm [Kg / m 3 ] is the air density in the intake manifold 40 (obtained by dividing the air pressure in the collector by the air temperature in the collector and by the perfect gas constant)
  • This first calculation step aims to transform the boost pressure into a compression ratio.
  • the interest of this transformation is to put oneself in the frame of the compressor.
  • the pressure drop of the air cooler is considered. This pressure loss is estimated with a map that depends on the air flow.
  • the set and estimated compression rates are calculated respectively with the set point and the boost pressure measurement, respectively P spg ⁇ p and P spg ⁇ ms .
  • the boost pressure setpoint is usually stored in a map, depending on the engine torque and engine speed.
  • the supercharging pressure measurement is made via a piezoelectric element 16 which allows the conversion of the pressure into electrical voltage directly interpretable by the injection computer.
  • the set compression ratio can be limited in order to guarantee ultimately not to exceed a limit turbocharger regime
  • This second calculation step aims to bind the turbocharger regime with the compression ratio.
  • the interest of this transformation is to put oneself in the repository of the turbocharger.
  • PR c f Jc, N ,. flight r adm, sp 'e
  • the corrected turbocharger speed is obtained as a function of the compression ratio and the engine speed. This function is noted. So we have :
  • This calculation step is intended to link the previous calculations in order to build a compressor power setpoint.
  • Mc is the compressor upstream temperature
  • This calculation step is intended to estimate the power currently taken by the turbine in the exhaust gas.
  • the estimated turbine power is given by
  • mapping 3b With the rate of expansion turbine being mapped in the mapping 3b in the following form:
  • J r is the flow rate passing through the turbine
  • N tcest is the estimation of the turbocharger regime
  • T ref is the turbine reference temperature (constant value)
  • r e is the turbine reference pressure (constant value)
  • P dt is the downstream turbine pressure •
  • PR t is the relaxation rate
  • This calculation step is intended to determine the electrical power setpoint through the power budget on the turbocharger shaft.
  • the use of the dynamic term brings a gain on the response time of the boost loop (anticipation effect).
  • the motor mode is defined by
  • the generator mode is defined by
  • a controller may be required to compensate for model errors. It should be noted that the more accurate the model used, the less controller action will be required. It is even possible to envisage variant embodiments without a controller.
  • the model-based strategy is efficient enough for a constant windowed PID to be sufficient.
  • BP R C is the difference between the values of estimated and reference relaxation ratios calculated respectively in equations (4a) and (4b)
  • K p , Ki, Kd are gain values of the regulator 1 1.
  • the output of the controller is intended to perform a relaxation rate correction (PR ⁇ sp ⁇ ), which is why we chose to put a compression rate error on the controller input in order to limit the static gain variation between input and output values
  • the invention is not limited to the embodiments described and can be declined in many variants.
  • certain operating variables of the turbocharger are measured using sensors or directly deduced from measurements made by sensors.
  • Other variables are estimated from measurements made using mathematical models.
  • the proportion of variables directly derived from measurements and variables estimates can be modified without departing from the scope of the invention.
  • a saturation system may be provided between the summator 5 and the electric converter 43 to impose a power requirement on the electric machine which is between a minimum value and a maximum value, these minimum and maximum values being dependent on the other operating parameters of the device.
  • Engine 30 The temperature sensor 55 in the intake manifold can be replaced by a flow meter measuring the flow of the turbine.
  • the pressure sensor (P a t m o) of air outside the vehicle can be replaced by a pressure sensor (P uc ) at the compressor inlet.
  • control system can be used both for systems with high pressure exhaust gas recirculation (HP EGR) and for systems with low pressure gas recirculation (BP EGR). It requires only a minimal number of pressure sensors (an atmospheric air pressure sensor and an air pressure sensor in the intake manifold).
  • the proposed control system allows fine regulation of the boost pressure by taking into account the physical interactions between the various parameters measured, the power supplied to the electric machine and the boost pressure that it is desired to impose.
  • the link between the compression ratio and the expansion ratio is achieved by the energy balance at the turbocharger which is a reliable physical model and independent of the engine operating mode.

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Description

Procédé de régulation d'une suralimentation pour
turbocompresseur couplé à une machine électrique, et dispositif turbocompresseur correspondant L 'invention concerne les systèmes de suralimentation de moteurs à combustion interne, par exemp le des turbocompresseurs de moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, et plus particulièrement les systèmes de contrôle de tels turbocompresseurs.
Le turbocompresseur est un organe du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne. Il comprend un compresseur pour compresser l ' air admis dans le moteur et une turbine qui fournit de l ' énergie mécanique au compresseur, la turbine étant entraînée par les gaz d' échappement.
Il existe deux grands types de turbocompresseurs, les turbocompresseurs à géométrie fixe et les turbocompresseurs à géométrie variable. Dans les turbocompresseurs à géométrie variable, on peut agir sur la vitesse de rotation de la turbine en ajustant l' inclinaison des pales de la turbine. Dans les turbocompresseurs à géométrie fixe, on peut, dans certaines variantes de réalisation, agir sur la vitesse de rotation de la turbine grâce à une vanne de décharge montée en parallèle de la turbine (parfois appelée « wastegate ») et qui permet de détourner l ' air d' échappement de la turbine. L'invention concerne une seconde variante de turbocompresseurs à géométrie fixe, dans lequel la régulation par une vanne de décharge est remp lacée par une régulation à l'aide d'une machine électrique apte à entraîner l'axe du turbocompresseur. Quand la demande de pression de suralimentation ne justifie pas l'utilisation de l'intégralité de l'énergie disponible au niveau de la turbine, la machine électrique peut être utilisée en génératrice pour produire de l'énergie électrique envoyée vers une batterie d'accumulateur en vue d'un usage ultérieur. Lorsqu'au contraire une forte puissance est nécessaire au niveau du compresseur, par exemple pendant des phases transitoires au début d'une accélération du véhicule, la machine électrique peut contribuer à fournir l'énergie nécessaire au compresseur, en sus de l'énergie disponible au niveau de la turbine. De tels systèmes de suralimentation peuvent par exemple être emp loyés sur des véhicules utilitaires, pour lesquels les plages de fonctionnement exigées du moteur ne nécessitent pas un délestage trop rapide de la pression en amont de la turbine, et qui peuvent donc faire l'économie de la vanne de wastegate.
La sévérisation des normes de dépollution amène en outre, de plus en plus souvent, à insérer un filtre à particules dans le circuit d'échappement, ce qui réduit le taux de détente de la turbine du turbocompresseur. Il est donc nécessaire de réguler le plus finement possible le fonctionnement du turbocompresseur.
La régulation peut être assurée au moins pour partie par un système de prépositionnement, envoyant une consigne de puissance (motrice ou génératrice) à la machine électrique, à partir de cartographies prenant en compte essentiellement le point de fonctionnement du moteur. La régulation peut être complétée par un régulateur prenant en compte l'écart de la pression de suralimentation mesurée par rapport à une pression de suralimentation de consigne . Cependant, les cartographies étant établies pour une géométrie bien précise du moteur et du système de suralimentation, les dispersions de fabrication, et l'usure du moteur, conduisent à des écarts non négligeables du comportement par rapport au comportement du moteur standard ayant servi à établir les cartographies.
L'invention a pour but de proposer un système de régulation d'un turbocompresseur qui permet de réduire ces imprécisions et de compenser leur dérive dans le temps, sans augmenter la complexité globale du système de régulation.
L'invention propose un système turbocompresseur pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un turbocompresseur et une machine électrique configurée pour pouvoir appliquer alternativement un couple moteur et un couple résistant à l'arbre du turbocompresseur. Le système comprend en outre un premier capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz en aval de la turbine du turbocompresseur, un second capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz dans un co llecteur d'admission des cylindres du moteur, comprend un capteur de température placé de manière à mesurer en amont du compresseur du turbocompresseur, une température de gaz entrant dans le système, comprend un capteur de température placé de manière à mesurer une température d'admission des gaz dans un co llecteur d'admission du moteur, comprend un débitmètre placé de manière à mesurer le débit des gaz traversant le compresseur. Le système comprend une unité de commande électronique configurée pour calculer une consigne de puissance envoyée vers la machine électrique. Pour calculer la consigne de puissance l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer, une première valeur de puissance assimilable à une puissance de consigne du compresseur, et une valeur de premier régime de rotation assimilable à un régime de rotation du turbocompresseur. Cette première puissance et ce premier régime peuvent être calculés en prenant en compte une pression de suralimentation de consigne, la température en amont du compresseur, la température des gaz dans le co llecteur d'admission, et le débit de gaz traversant le compresseur.
Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer une seconde valeur de puissance assimilable à une puissance estimée de la turbine, en prenant en compte le premier régime de rotation et la pression en aval de la turbine.
Avantageusement, l'unité de commande électronique est configurée pour calculer un terme de puissance de consigne en boucle ouverte en additionnant trois termes proportionnels respectivement à la première valeur de puissance, à la seconde valeur de puissance, et à un terme inertiel calculé à partir du premier régime de rotation.
Avantageusement, l'unité de commande électronique peut être configurée pour ajouter au terme de puissance de consigne en boucle ouverte, un correctif de consigne de puissance en boucle fermée, calculé en prenant en compte la pression de suralimentation de consigne, la pression mesurée par le second capteur de pression dans le co llecteur d'admission, et le débit des gaz traversant le compresseur.
Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul de la première puissance et du premier régime de rotation.
L'unité de commande électronique peut être en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul du terme correctif de consigne de puissance en boucle fermée.
L'unité de commande électronique peut être configurée pour estimer ou mesurer une seconde valeur de débit assimilable à un débit de la turbine, et une seconde valeur de température assimilable à une température en amont de la turbine, et pour prendre en compte ces deux valeurs dans le calcul de la seconde valeur de puissance.
Selon un mode de réalisation avantageux, le turbocompresseur comprend une turbine à géométrie fixe et sans conduite de dérivation contournant la turbine.
De manière préférentielle, l'unité de commande électronique est configurée pour utiliser, pour le calcul de la consigne de puissance, au plus deux types de consignes cartographiées directement en fonction du point de fonctionnement du moteur, soit une première valeur de cartographiée assimilable à une pression, et au plus une seconde valeur cartographiée assimilable à une température.
Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de régulation d'un turbocompresseur pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur étant relié à une machine électrique apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif. On calcule une première consigne de puissance de la machine électrique en soustrayant à une puissance souhaitée du compresseur du turbocompresseur, une valeur estimée de la puissance actuellement délivrée par la turbine et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée du régime actuel de rotation du turbocompresseur.
Avantageusement, on pilote la machine électrique par un terme de consigne obtenu en ajoutant à la première consigne de puissance un terme obtenu par un régulateur à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, le taux de compression de consigne étant calculé à partir de la pression de suralimentation de consigne, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur, et le taux de compression estimé étant calculé à partir de la pression délivrée par le second capteur de pression, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur.
D ' autres buts, caractéristiques et avantages de l 'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d' exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
-la figure 1 rappelle l'architecture générale d'un moteur équip é d'un turbocompresseur selon l'invention,
-la figure 2 illustre une partie d'un système de régulation d'un turbocompresseur appartenant au système de motorisation de la figure 1 .
Tel qu'illustré sur la figure 1 , un système turbocompresseur 1 comprend un turbocompresseur 37, une machine électrique 45 , un moteur 30 équipé de capteurs 14, 15 , 1 7, 1 8 , 19, 40, 49, 54, 55 et comprend une unité de commande électronique 2.
Le turbocompresseur 37 comprend un compresseur 32 et une turbine 33 montés sur un arbre commun. Une machine électrique 45 est également so lidaire, ou so lidarisable au travers d'un embrayage, de l'arbre du turbocompresseur. Par so lidaire, on entend que la machine électrique 45 est reliée à l'arbre du turbocompresseur de manière à pouvoir entraîner celui-ci en rotation, éventuellement au travers d'un j eu d'axes et de pignons . De l'air frais A, arrivant à une pression atmosphérique Patmo , mesurée par un capteur de pression 49, est filtré par un filtre à air 31. L'air filtré issu du filtre 31 est comprimé par le compresseur 32. L'air comprimé est ensuite refroidi par un échangeur 34 et injecté via une vanne 39 alimentant un collecteur d'alimentation 40 assurant qu'une même pression d'air arrive aux cylindres 41 du moteur 30. Une partie des gaz sortant des cylindres du moteur 30 peut, dans certaines variantes de réalisation, être détournée vers le collecteur d'admission 40 via un court circuit muni d'un refroidisseur 35 et d'une vanne 36. La turbine 33 du turbocompresseur 37 est entraînée par les gaz d'échappement du moteur. La turbine 33 entraîne en rotation le compresseur 32. Un couple supplémentaire, couple moteur ou couple de freinage, peut être appliqué au compresseur à l'aide de la machine électrique 45. La machine électrique 45 est alimentée à partir d'une batterie d'accumulation 44, au travers d'un convertisseur électrique 43.
Le turbocompresseur 37 est relié à une unité de commande électronique 2, elle-même reliée à un estimateur 17 du régime de rotation Ne du moteur 30 et à un estimateur 18 du couple Ce développé par le moteur 30. Selon les variantes de réalisations, l'unité de commande 2, au lieu d'être reliée à un estimateur de couple 18 peut être reliée à une unité d'injection (non représentée) transmettant à l'unité de commande 2, la valeur instantanée FIMsp de consigne de débit de carburant injecté dans le moteur 30. Le turbocompresseur 37 est équipé d'un débitmètre 15 disposé de manière à mesurer le débit de gaz Wc traversant le compresseur 32, et d'un premier capteur de température 14 disposé de manière à mesurer la température Tuc de gaz en amont du compresseur, par exemple placé dans le débitmètre 15, et d'un premier capteur de pression 19 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression de gaz Pat en aval de la turbine 33, par exemple placé entre la turbine 33 et un filtre à particules (non représenté). Le premier capteur de température, le débitmètre et le premier capteur de pression sont reliés à l'unité de commande électronique 2. L'unité de commande électronique 2 est également reliée à un second capteur de pression 16 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression Pspg des gaz présents dans le collecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 peut être en outre reliée à un capteur de température d'air 55 mesurant la température d'air dans le co llecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 est aussi reliée à un capteur 49 de pression atmosphérique Patmo , capteur qui peut par exemple être intégré à un calculateur d'inj ection. L'unité de commande 2 est également reliée à un superviseur 42 qui transmet à l'unité de commande 2 , une valeur de consigne PSpg, sP représentant la pression de gaz souhaitée dans le co llecteur d'admission 40. PSpg, sP est parfois aussi appelée par la suite pression de suralimentation de consigne. L'unité de commande 2 élabore une consigne de puissance électrique Peiec, sP qui est par exemp le envoyée au convertisseur 43 , qui alimente alors la machine électrique 45 de manière à générer un couple moteur correspondant à cette puissance électrique, ou qui pilote la machine électrique 45 de manière à ce qu'elle développe le couple résistant correspondant. Les "consignes de puissance électrique" (par exemple Peiec, sP) s'entendent ici comme les puissances mécaniques demandées à la machine électrique, en tenant compte du rendement de la machine.
Le court circuit 35 représente ici un système de recirculation de gaz à haute pression, ou "EGR HP" . L'invention peut aussi être appliquée à des systèmes comprenant un circuit de recirculation à basse pression, ou "EGR BP" , dans lequel les gaz d'échappement sont réinj ectés en amont du compresseur.
La figure 2 illustre une partie d'un système de régulation associé à un turbocompresseur selon l 'invention. On retrouve sur la figure 2 des éléments communs à la figure 1 , les mêmes éléments étant alors désignés par les mêmes références . L 'unité de commande électronique 2 comprend un générateur de consigne 12 apte à délivrer une consigne de puissance de la machine électrique 45. L 'unité de commande électronique 2 comprend un estimateur 20 apte à estimer un régime de rotation Ntc, est du turbocompresseur, et apte à délivrer une puissance compresseur de consigne POWc,sp. L'unité de commande électronique 2 peut également comprendre une cartographie 1 3 permettant de relier un débit Wc du compresseur à un incrément de pression APC00i correspondant à une perte de charge au niveau de l'échangeur 34.
Le générateur 12 comprend une unité de calcul de puissance turbine 2 1 , un estimateur 4 de puissance électrique en boucle ouverte , un sommateur 5 , et un régulateur 1 1 .
L'unité de calcul de puissance turbine 2 1 comprend un calculateur de coordonnées 22 , une première cartographie 3 a, une seconde cartographie 3 b , et un estimateur de puissance turbine 46.
L ' unité de commande électronique 2 reçoit sur une première entrée numérique ou analogique une valeur de température Tut représentant une température en amont de la turbine 33 . C ette valeur de température Tut est communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. L ' unité de commande électronique 2 reçoit sur une autre entrée numérique ou analogique une valeur de débit Wt représentant un débit traversant la turbine . C ette valeur de débit est également communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. Les valeurs Wt et Tut peuvent être des valeurs mesurées, mais peuvent être également des valeurs estimées à p artir d'autres valeurs connues . La valeur Wt peut être estimée au moyen de l'équation 2 , et la valeur Tut peut être cartographié en fonction du point de fonctionnement (régime, couple) du moteur 30. Le calculateur 22 reço it également la valeur Pat de pression en aval de la turbine, délivrée par le capteur 1 9.
Une valeur de pression Puc, qui peut aussi être so it mesurée , so it estimée, par exemple au moyen de l'équation 1 , est communiquée au régulateur 1 1 et à l' estimateur de régime turbo 20.
Le premier calculateur 20 reçoit en entrée les données délivrées par les capteurs 14 , 1 5 , 1 7 ainsi que la consigne de pression de suralimentation PSpg, sP émanant du superviseur 42. I l reço it également en entrée la troisième valeur de pression estimée Pu c. A partir de ces valeurs, et à l'aide de diverses cartographies (non représentées) le premier calculateur 20 calcule une valeur POWc,sp assimilable à une puissance de consigne du compresseur 32 , et une valeur Ntc, est assimilable à une vitesse de rotation d ' un arbre du turbo compresseur. La valeur Ntc, est est calculée en particulier à partir des équations 4b et 6b détaillées plus bas . La valeur POWc,sp est calculée en particulier à l'aide des équations 4a, 6a, et 8 , ainsi que des équations 3 et 9, détaillées plus bas . La valeur Ntc, sp est envoyée vers le calculateur de coordonnées 22, et en parallèle vers l'estimateur en boucle ouverte 4. La puissance compresseur de consigne POWc,sp est envoyée vers l'estimateur 4 en boucle ouverte. Le premier calculateur 20 peut utiliser une cartographie 13 pour calculer une valeur APC00i assimilable à une perte de charge, à partir du débit Wc issu du capteur 15. La valeur APC00i est utilisée également par le régulateur 1 1 . Selon une variante de réalisation, le premier calculateur 20 peut recevoir en entrée directement la valeur APC00i.
Le calculateur de coordonnées 22 calcule à partir des valeurs Wt, Tut et Pat, trois coordonnées C l , C2, et C3. C l et C2 sont utilisées par l'unité de calcul 2 1 pour lire la cartographie 3 a, et C l et C3 sont utilisées pour lire la cartographie 3b , comme indiqué par exemple dans les équations 1 1 et 12. La valeur sans dimension r|t, qui peut être considérée comme un rendement de la turbine, et la valeur sans dimensions PRt, qui peut être considérée comme un taux de détente de la turbine, sont ainsi extraites respectivement des cartographies 3 a et 3b, et envoyées vers l'estimateur de puissance turbine 46. L'estimateur de puissance turbine 46 reçoit en outre les valeurs Wt et Tut, également utilisées par le calculateur de coordonnées 22. L'estimateur de puissance turbine 46 envoie une valeur POWt,est de puissance turbine, estimée par exemple au moyen de l'équation 10, vers l'estimateur en boucle ouverte 4.
L'estimateur en boucle ouverte 4 utilise le régime turbo estimé Ntc, est, un terme inertiel Ntc est dN' 'est issu de ce régime turbo estimé, la dt
puissance compresseur de consigne POWc,sp et la puissance turbine estimée POWt,est pour calculer, par exemple selon l'équation 14, une consigne de puissance électrique en boucle ouverte Pelec, sp, oi, qui est envoyée sur une des entrées du sommateur 5. Le terme inertiel Ntc est dN' 'est peut être calculé directement par l'estimateur 4, ou peut par exemple lui parvenir d'un dérivateur 58 recevant du premier calculateur 20 la valeur Ntc, est .
Le sommateur 5 reçoit sur une seconde entrée une valeur de correction en boucle fermée P elec, sp ,ci , issue du régulateur 1 1 . Le régulateur 1 1 , qui peut être un régulateur de type PID (proportionnel intégral dérivé) élabore cette valeur de correction en boucle fermée Peiec, sp ,ci , à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, tel que calculé par exemple à l'équation 4b, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, tel que défini par exemp le à l'équation 4a. Le régulateur 1 1 utilise pour cela les valeurs issues des capteurs 15 et 16, la valeur estimée Pu c, la consigne Pspg, sP issue du superviseur 42, ainsi que, éventuellement, la cartographie 13.
Comme indiqué aux équations 4a et 4b, le taux de compression estimé est calculé en fonction de deux variables mesurées ou estimées sur le turbocompresseur 37, soit Puc et APC00i, et d'une variable mesurée ou estimée au niveau du co llecteur 40, Psp g. Le taux de compression de consigne est calculé en fonction de deux variables issues de mesures Puc et APC00i, et d'une valeur de consigne P Spg, sP qui est substituée à la valeur mesurée Psp g dans les formules de calcul ayant servi au calcul du premier taux de compression.
Le mode de calcul des différentes grandeurs est exposé ci- après. Lexique des principales grandeurs utilisées :
Grandeur Unité Description
[mbar] Pression atmosphérique
Patmo
(mesurée)
[mbar] Pression (mesurée) dans le p co llecteur ou "pression de
suralimentation"
[mbar] Pression en amont du
compresseur (estimée) [mbar] Pression en aval du
compresseur (estimée)
[mbar] Pression en aval de la turbine p*
(mesurée)
[-] Taux de compression Puc /Pdc
PR, [-] Taux de détente Put /Pdt
[Nm] Couple développé par le
Ce
moteur 30
Ne [rpm] Régime du moteur 30(mesuré)
[rpm] Régime du
Ntc
turbocompresseur(estimé)
[rad/s] Ntc , mais exprimé en rad/s
J [Kg/m2] Inertie du turbocompresseur
[Kg/s] Débit du compresseur (mesuré)
[Kg/s] Débit de la turbine (estimé)
[-] Efficacité/rendement du
compresseur (cartographiée, ou calculée)
[-] Efficacité/rendement de la turbine (cartographiée, ou calculée)
[° ] Température en amont du
T uc
compresseur (mesurée)
[° ] Température en amont de la
T ut
turbine (estimée)
[° ] Température de l'air dans le
T adm co llecteur d'admission à
l'entrée du moteur 30(mesurée) f [J/(Kg - °K)] Capacité thermique massique p,adm
des gaz à l'admission
f [J/(Kg - °K)] Capacité thermique massique à p,exh
des gaz à l'échappement
Y [-] Rapport des capacités thermiques massiques Cp/Cv des gaz (à l'admission ou à l'échappement suivant les équations)
POWt [W] Puissance de la turbine
POWc [W] Puissance compresseur
[mbar] Perte de charge de l'échangeur
^^cool
34
Rair 8 , 3 1 4 J Mol^ K 1 Constante des gaz parfaits
[W] Consigne de puissance
Pelec, sp, ol
électrique en boucle ouverte
[W] Correction de puissance
Pelec, sp ,cl
électrique en boucle fermée
[W] Consigne de puissance de la machine électrique (positive
P 1 e, sp
en mode moteur, négative en générateur)
De manière générale dans ce qui suit Xe st est une variable estimée à partir d'une ou plusieurs variables mesurées, à l'aide de cartographie éventuelles .
Xmes est une variable mesurée par un capteur dédié.
Xsp (" set point") est une variable de consigne, élaborée au moins en partie à partir de grandeurs émanant du conducteur du véhicule.
Les variables utilisées comme "mesures" dans la stratégie de contrôle peuvent se décomposer trois catégories :
• les variables directement mesurées
• les variables directement estimées
• les variables "hybrides" qui peuvent être estimées ou mesurées en fonction du fonctionnement du reste du circuit de circulation de gaz dans le moteur. Variables mesurées consommées dans la stratégie
C es variables sont :
• Régime moteur Ne ,
• Débit carburant FIMsp , proportionnel au couple Ce développ é par le moteur
• Pression atmo sphérique Patm ,
• Pression co llecteur P .
• Débit passant à travers le compresseur Wc ,
• Température amont compresseur Tuc .
· Pression aval turbine P at
Dans des variantes de réalisation de l'invention, on peut faire l'économie d'un ou deux capteurs en estimant indirectement les variables suivantes :
· Débit passant à travers le compresseur Wc ,
• Température amont compresseur Tuc ,
qui sont alors des variables " hybrides " consommées dans la stratégie .
En effet, les conditions d'utilisations de ces variables sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP . Dans le cas de l'EGR HP , un débitmètre d'air est utilisé comme information de débit compresseur et un capteur de température d'air extérieur est utilisé comme information de température amont compresseur.
Dans le cas contraire (EGR BP , ou pas d'EGR) , le débit compresseur est estimé via le remp lissage, et la température amont compresseur est estimée via un bilan enthalpique utilisant le capteur de température d' air entrée moteur.
Variables estimées consommée dans la stratégie
C es variables sont :
• La pression amont compresseur Puc ,
• La température amont turbine Tut , • Le débit échappement Wt .
Estimation de la pression amont compresseur :
Pour l'estimation de la pression amont compresseur, on considère la perte de charge du filtre à air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air.
Pue = Patmo ~ ffaa (^ c ) E quatio n ( 1 )
Equation de perte de charge du filtre à air
Estimation de la température amont turbine :
La température amont turbine, Tut , est utilisée dans la stratégie.
Elle est estimée grâce à une cartographie qui dépend du régime moteur et du débit carburant. Cette cartographie est pré calibrée grâce à des essais réalisés sur banc moteur. La calibration est ensuite affinée par des essais sur véhicule.
Estimation du débit échappement, aussi appelé débit turbine : En stabilisé le débit turbine Wt est égal au débit compresseur plus le débit carburant. En dynamique, ce bilan est affecté par les termes de dynamique de la ligne d'air et de l'échappement. Pour modéliser cette dynamique, on écrit le débit turbine comme suit :
P V
Wt = WC + 0.00012 FIMsp * Ne - spg m Equation (2)
Calcul du débit échappement estimé (pour un moteur à 4 cylindres), où FIMsp est le débit carburant (en mg/cp). Le vo lume Vtot est une variable de calibration qui permet de représenter les effets dynamiques sur le débit.
Consigne de débit compresseur
Les conditions de calcul de cette variable Wc,sp sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP . Dans le cas de l'EGR HP, on prend directement la consigne qui sert de consigne à l'EGR HP . Dans le cas contraire (EGR BP ou sans EGR), la consigne de débit compresseur est calculée sur la base de l ' équation de remplissage moteur. L ' équation qui résume le calcul est la suivante :
W °«> Equation (3)
Figure imgf000017_0001
Calcul du débit d'air consigne sans EGR HP
où :
• V t [m3] est la cylindrée du moteur,
• ηνο1 est le rendement vo lumétrique. Cette cartographie est identifiée à partir des essais en stabilisé.
• Padm [Kg/m3] est la densité d'air dans le co llecteur d'admission 40 (obtenue en divisant la pression de l'air dans le co llecteur par la température de l'air dans le co llecteur et par la constante des gaz parfaits)
De la pression de suralimentation au taux de compression
Cette première étape de calcul a pour but de transformer la pression de suralimentation en taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du compresseur.
Pour le calcul du taux de compression, on considère la perte de charge du refroidisseur d'air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air. Les taux de compression consigne et estimé sont calculés respectivement avec la consigne et la mesure de pression de suralimentation, respectivement Pspg^p et Pspg^mes .
La consigne de pression de suralimentation est généralement stockée dans une cartographie, en fonction du couple et du régime du moteur.
La mesure de pression de suralimentation est faite via un élément piézoélectrique 16 qui permet la conversion de la pression en tension électrique directement l'interprétable par le calculateur d' inj ection.
Consigne et estimation du taux de compression
Le calcul de la consigne et l'estimation du taux de compression est expliqué par : _D P spg,sp + AP cool _D P spg,mes + AP cool Calcul du taux de compression
Equation 4a Equation 4b
Calcul de la perte de charge RAS
Entrées/ Sorties du bloc
Entrées :+--
• Pression de suralimentation consigne Pspg^p par exemple,
• Pression de suralimentation mesure Pspg^mes ,
• Débit compresseur Wc ,
• Pression amont compresseur Puc ,
• Température amont compresseur Tuc .
Sorties :
• Taux de compression consigne PRc sp ,
• Taux de compression estimé PRc est .
Le taux de compression consigne peut être limité afin de garantir à terme de ne pas dépasser un régime turbocompresseur limite
Du taux de compression au régime turbocompresseur
Cette deuxième étape de calcul a pour but de lier le régime turbocompresseur avec le taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du turbocompresseur.
Consigne et estimation du régime turbocompresseur
Pour la consigne et l'estimation du régime turbo, nous utilisons les cartographies constructeur et moteur pour obtenir le régime turbo corrigé en fonction du régime moteur et du taux de compression. En effet, en exprimant le débit compresseur comme étant le débit aspiré par le moteur, nous obtenons : ref,c T.. P rref,c
PR c = f J c, N,. vol r adm,sp ' e
ref,c P.,
Equation (5 )
En inversant cette fonction, on obtient le régime turbocompresseur corrigé en fonction du taux de compression et du régime moteur. C ette fonction est notée fut . Nous avons donc :
Figure imgf000019_0001
Equation (6a) Equation (6b)
C alcul du régime turbocompresseur (équations 4) avec Tu c la température amont compresseur et,
Tr ef_ c la température de référence du compresseur.
Entrées/ Sorties du blo c de calcul :
Entrées :
• Régime moteur Ne ,
• Taux de compression estimé PRc est ,
• Taux de compression consigne PRc sp ,
• Température amont compresseur mesuré Tuc .
Sorties :
• Régime turbocompresseur consigne Ntc ,
• Régime turbocompresseur estimé Ntc est .
Vers une consigne de puissance compresseur
C ette étape de calcul a pour but de lier les précédents calculs afin de construire une consigne de puissance compresseur.
L'expression de la puissance compresseur est donnée par :
r-l
POWr = WX p,adm PR^ Equation (7) ou : • Wc est le débit passant à travers le compresseur,
• 7"Mc est la température amont compresseur,
• PRc est le taux de compression,
• c P,adm est la capacité thermique massique des gaz l'admission,
• Y est le rapport des capacités thermiques massiques l'admission.
• 77c est l'efficacité compresseur, cartographiée La question est de savoir dans ce calcul si les variables utilisées doivent être des valeurs de consigne ou des valeurs mesurées/estimées. Le même type d'arbitrage s'impose pour le calcul de la puissance turbine qui utilise un débit une efficacité turbine . Dans le calcul de la puissance de consigne, nous faisons le choix d'utiliser toutes les consignes possibles. La puissance compresseur consigne délivrée par l'estimateur 20 s'exprime :
POW c,,sp W c,sp T uc quation (8)
Figure imgf000020_0001
• 77c est l'efficacité compresseur de consigne, cartographiée par exemple sous la forme :
Equation (9)
Figure imgf000020_0002
Entrées/ Sorties du bloc Entrées :
• Taux de compression consigne PRc sp ,
• Débit compresseur consigne W ,
• Régime turbocompresseur consigne Nt ,
• Température et pression amont compresseur Tuc et Pu
Sortie : Puissance compresseur consigne POWc c,sp '
Vers une estimation de puissance turbine
Cette étape de calcul a pour but d'estimer la puissance actuellement prélevée par la turbine dans les gaz d'échappement.
La puissance turbine estimée est donnée par
Equation (10)
Figure imgf000021_0001
ou :
• r^est l'efficacité turbine,
• CPexh est la capacité thermique massique à l'échappement,
• Y est le rapport des capacités thermiques massiques l'échappement.
Avec le taux de détente turbine étant cartographié dans la cartographie 3b sous la forme suivante :
PRt =fP W,- Tm ■fPRt{C\C\) Equation (11) dt
Avec l'efficacité de la turbine calculée par la relation statique suivante : ' Equation (12)
Figure imgf000021_0002
Entrées/ Sorties du bloc
Entrées :
J rest le débit passant à travers la turbine,
Ntcestest l'estimation du régime du turbocompresseur,
Z^est la température amont turbine,
Trefest la température de référence turbine (valeur constante), re est la pression de référence turbine (valeur constante), Pdt est la pression aval turbine • PRt est le taux de détente,
Sorties :
• Puissance turbine estimée Ptest.
Vers la consigne de boucle ouverte de puissance électrique.
Cette étape de calcul a pour but de déterminer la consigne de puissance électrique grâce au bilan de puissance sur l'arbre du turbocompresseur. L'utilisation du terme dynamique apporte un gain sur le temps de réponse de la boucle de suralimentation (effet d'anticipation).
Pelec,sp,ol =P Wcsp -POWtest + t( j tc 2) Equation (13)
POWcspQSt la consigne de puissance compresseur,
POWtQSt la puissance turbine,
• corc est le régime turbocompresseur estimé(en rad/s),
• Jest l'inertie de l'ensemble tournant (compresseur, axe, turbine et machine électrique). La consigne de puissance électrique se calcule donc en fonction de la puissance compresseur consigne, de la puissance turbine estimée et de la variation d'énergie cinétique consigne. Elle s'écrit donc :
π dN
Pelées = POWc,sp ~POWest + {—)2JNtc,est
Equation (14)
Calcul de la consigne de puissance turbine en boucle ouverte
Entrées/ Sorties du bloc
Entrées :
• Puissance compresseur consigne POWcsp,
• Régime turbocompresseur estimé Ntcest . • Puissance turbine estimée POWt est .
Sorties :
• Puissance électrique consigne boucle ouverte PelectiSPi0l .
Remarque : dans notre convention la consigne de puissance électrique est positive en mode moteur et négative en mode générateur.
Le mode moteur est défini par
POWc,sp Equation ( 15)
Figure imgf000023_0001
Le mode générateur est défini par
POWc,sp Equation ( 16)
Figure imgf000023_0002
Vers une consigne de puissance électrique en boucle fermée : Un contrôleur peut être nécessaire pour compenser les erreurs de modèle. Il est à noter que plus le mo dèle utilisé est précis, moins l'action du contrôleur sera nécessaire. On peut même envisager des variantes de réalisation sans contrôleur.
La stratégie basée sur mo dèle est suffisamment performante pour qu'un PID à gains fenêtrés constants soit suffisant.
Peiec,sp,d = Kp *■ *■ PRC + K, j ε PScdt + K d Equation ( 17)
Où:
BP RC est l'écart entre les valeurs de rapports de détente estimé et de consigne calculés respectivement aux équations (4a) et (4b)
Kp, Ki ,Kd sont des valeurs de gains du régulateur 1 1 .
La sortie du contrôleur est destinée à opérer une correction de taux de détente ( PR^sp^ ), c'est pourquoi nous avons choisi de mettre en entrée du contrôleur une erreur de taux de compression afin de limiter la variation de gain statique entre les valeurs d'entrée et de sortie
Les entrées/sorties sont
Entrées :
• Taux de compression consigne PRc sp ,
• Taux de compression estimé PRc est ,
Sorties :
• Correction de puissance électrique consigne boucle fermé p elect,sp,cl '
L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits et peut se décliner en de nombreuses variantes. Dans l'exemple illustré plus haut, certaines variables de fonctionnement du turbocompresseur sont mesurées à l'aide de capteur ou directement déduites à partir de mesures effectuées par des capteurs . D'autres variables sont estimées à partir des mesures effectuées à l'aide de modèles mathématiques. La proportion de variables directement issues de mesures et de variables estimées peut être modifiée sans sortir du cadre de l'invention. Un système de saturation peut être prévu entre le sommateur 5 et le convertisseur électrique 43 pour imposer une consigne de puissance à la machine électrique qui est comprise entre une valeur minima et une valeur maxima, ces valeurs minima et maxima dépendant des autres paramètres de fonctionnement du moteur 30. Le capteur de température 55 dans le co llecteur d'admission peut être remplacé par un débitmètre mesurant le débit de la turbine. Le capteur de pression (Patmo) d'air extérieur au véhicule peut être remplacé par un capteur de la pression (Puc) à l'entrée du compresseur.
Le système de régulation selon l'invention peut être utilisé aussi bien pour des systèmes avec recirculation de gaz d'échappement à haute pression (EGR HP) que pour des systèmes avec recirculation de gaz à basse pression (EGR BP) . Il ne nécessite qu'un nombre minimal de capteurs de pression (un capteur de pression d'air atmosphérique et un capteur de pression d'air dans le co llecteur d'admission) .
Le système de régulation proposé permet une régulation fine de la pression de suralimentation grâce à la prise en compte des interactions physiques entre les différents paramètres mesurés, la puissance fournie à la machine électrique et la pression de suralimentation que l'on souhaite imposer. Le lien entre le taux de compression et le taux de détente se fait grâce au bilan d'énergie au niveau du turbocompresseur qui est un modèle physique fiable et indépendant du mode de fonctionnement moteur.
Liste de références
1 Système turbocompresseur
2 Unité de commande électronique
3a Première cartographie
3b Seconde cartographie
4 Estimateur en boucle ouverte
5 Sommateur
11 Régulateur
12 Générateur de consigne de puissance de la machine électrique
13 Cartographie reliant Wc et APC00i
14 Capteur de température amont compresseur Tuc
15 Débitmètre mesurant le débit compresseur Wc
16 "2nd capteur" de pression PSpg,mes dans le collecteur 40
17 Estimateur de régime moteur Ne
18 Estimateur de couple moteur Ce
19 "1er capteur" de pression Pat en aval de la turbine 33
20 Estimateur estimant le régime turbo Ntc,est et la puissance compresseur de consigne POWc.sp
21 Unité de calcul de puissance turbine
22 Second calculateur des coordonnées Cl, C2 et C3 des cartographies 3a et 3b
30 Moteur
31 Filtre à air
32 Compresseur
33 Turbine
34 Echangeur
35 Refroidisseur
36 Vanne
37 Turbocompresseur
39 Vanne
40 Collecteur d'admission du moteur 41 Cylindres du moteur
42 Superviseur élaborant la consigne pression de suralimentation PSpg, sP
43 Convert isseur électrique
44 Batterie
45 Machine électrique
46 Estimateur de puissance turbine
55 Capteur de température d'air dans le co llecteur d'admission du moteur
58 Dérivateur
A Prise d'air frais
Nota : p . 10 à 12 : liste des principales grandeurs mentionnées

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système turbocompresseur pour moteur (30) à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un turbocompresseur (37) et une machine électrique (45) configurée pour pouvoir appliquer alternativement un couple moteur et un couple résistant à l'arbre du turbocompresseur, le système comprenant en outre un premier capteur de pression ( 19) apte à mesurer la pression (Pat) de gaz en aval de la turbine (33) du turbocompresseur, un second capteur de pression ( 16) apte à mesurer la pression (Psp g,mes) de gaz dans un co llecteur (40) d'admission des cylindres du moteur (30), comprenant un capteur ( 14) de température placé de manière à mesurer en amont du compresseur (32) du turbocompresseur, une température (Tuc) de gaz entrant dans le système, comprenant un capteur (55) de température placé de manière à mesurer une température d'admission (Tadm) des gaz dans un co llecteur d'admission (40) du moteur (30), comprenant un débitmètre ( 15) placé de manière à mesurer le débit (Wc) des gaz traversant le compresseur, le système comprenant une unité de commande électronique (2) configurée pour calculer une consigne de puissance (Pe,sP) envoyée vers la machine électrique (45), caractérisé en ce que, pour calculer la consigne de puissance (Pe,sP) l'unité de commande électronique (2) est configurée pour élaborer, une première valeur de puissance (POWc,sp) assimilable à une puissance de consigne du compresseur, et une valeur de premier régime de rotation (Ntc,est) assimilable à un régime de rotation du turbocompresseur, cette première puissance et ce premier régime étant calculés en prenant en compte une pression de suralimentation de consigne (PSpg,sP) , la température en amont du compresseur (Tuc), la température (Tadm) des gaz dans le co llecteur d'admission (40), et le débit de gaz (Wc) traversant le compresseur.
2. Système turbocompresseur selon la revendication 1 , dans lequel l'unité de commande électronique 2 est configurée pour élaborer une seconde valeur de puissance (POWt,est) assimilable à une puissance estimée de la turbine (33), en prenant en compte le premier régime de rotation (Ntc,est) et la pression (Pat) en aval de la turbine.
3. Système turbocompresseur selon les revendications 1 et 2, dans lequel l'unité de commande électronique est configurée pour calculer un terme de puissance de consigne en boucle ouverte (Peiec,sp,oi) en additionnant trois termes proportionnels respectivement à la première valeur de puissance (POWc,sp), à la seconde valeur de puissance (POWt,est), et à un terme inertiel ( Ntc est dN''est ) calculé à dt
partir du premier régime de rotation (Ntc,est).
4. Système turbocompresseur selon la revendication 3, dans lequel l'unité de commande électronique est configurée pour ajouter au terme de puissance de consigne en boucle ouverte (Peiec,sP,oi), un correctif de consigne de puissance (Pelec, sp, ci) en boucle fermée, calculé en prenant en compte la pression de suralimentation de consigne (PSpg,sP), la pression (Pspg,mes) mesurée par le second capteur de pression (16) dans le collecteur d'admission (40), et le débit (Wc) des gaz traversant le compresseur.
5. Système turbocompresseur selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression (Puc) assimilable à une pression en amont du compresseur (32), et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul de la première puissance (POWc,sp) et du premier régime de rotation (Ntc,est).
6. Système turbocompresseur selon la revendication 4, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression (Puc) assimilable à une pression en amont du compresseur (32), et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul du terme correctif de consigne de puissance (Peiec, sP, ci) en boucle fermée.
7. Système turbocompresseur selon la revendication 2, dans lequel l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une seconde valeur de débit (Wt) assimilable à un débit de la turbine, et une seconde valeur de température (Tut) assimilable à une température en amont de la turbine, et pour prendre en compte ces deux valeurs dans le calcul de la seconde valeur de puissance (POWt, e st) .
8 . Système turbocompresseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le turbocompresseur comprend une turbine à géométrie fixe et sans conduite de dérivation contournant la turbine.
9 . Système turbocompresseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande électronique 2 est configurée pour utiliser, pour le calcul de la consigne de puissance (Pe,Sp) , au plus deux types de consignes cartographiées directement en fonction du point de fonctionnement (Ne, Ce) du moteur (3 0) , soit une première valeur de cartographiée (PSpg, sP) assimilable à une pression, et au plus une seconde valeur cartographiée (Tut) assimilable à une température.
1 0 . Procédé de régulation d'un turbocompresseur (3 7) pour moteur (3 0) à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur (3 7) étant relié à une machine électrique (45 ) apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif, dans lequel on calcule une première consigne de puissance (Pe l e c, sp ,oi) de la machine électrique (45 ) en soustrayant à une puissance souhaitée (POWc, sp) du compresseur (32) du turbocompresseur, une valeur estimée (POWt,est) de la puissance actuellement délivrée par la turbine (3 3 ) du turbocompresseur, et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée (Ntc, est) du régime actuel de rotation du turbocompresseur (3 7) .
1 1 . Procédé de régulation selon la revendication 1 0 , dans lequel on pilote la machine électrique par un terme de consigne (Pe, sP) obtenu en aj outant à la première consigne de puissance (Pe l e c,sp ,oi) un terme obtenu par un régulateur ( 1 1 ) à partir d'un écart entre un taux de compression estimé (PRc,est) du turbocompresseur, et un taux de compression de consigne (PRc,sp) du turbocompresseur, le taux de compression de consigne (PRc, sp) étant calculé à partir de la pression de suralimentation de consigne (PSpg, sP) , du débit mesuré (Wc) des gaz traversant le compresseur, et d'une pression (Pu c, Patmo) mesurée en amont du compresseur, et le taux de compression estimé (PRc,est) étant calculé à partir de la pression (Pspg,mes) délivrée par le second capteur de pression (16), du débit mesuré (Wc) des gaz traversant le compresseur, et d'une pression (Puc,Patmo) mesurée en amont du compresseur.
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