Brevet FR2837527A1 — publié le 20030926

B 14010 AP PROCEDE ET ENSEMBLE DE REGLAGE DE PRESSION D'UN MOTEUR SURALIMENTE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté d' automobile, notamment afin de protéger le turbocompresseur de suralimentation contre les surcharges, et il s'applique d'abord aux moteurs diesel, mais sans que les moteurs à essence soient exclus de son application. Un ensemble composé du moteur, de son système de suralimentation et des moyens de réglage de pression fait aussi partie de l' invention. Le domaine technique auquel se rapporte l' invention est le contrôlecommande d'un moteur à combustion interne d' automobile au moyen d'un ensemble de capteurs et d'actionneurs ainsi que d'un calculateur appelé UCE (unité de contrôle électronique) qui contient l'ensemble des lois de contrôle-commande sous forme de logiciels et de paramètres de caractérisation du moteur. De plus, le moteur étant suralimenté, il est équipé d'un turbocompresseur dont le but est: daugmenter la quantité d'air admise dans les cylindres. Sa turbine est placoe à la sortié du collecteur d'échappement et est entraînce par les gaz déchappement. La puissance fournie par les gaz déchappement à la turbine peut être réglée en installant une soupape de décharge, ou des ailettes qui modifient la section d'entrée dans la turtine. Son compresseur, coaxial à la turUine, comprime l'air qui entre dans le collecteur d' admission. Le dispositif de B 13994/JCI suralimentation est commandé par l'UCE en fonction de divers paramètres de fonctionnement; il agit sur un actionneur qui pilote le degré d'ouverture de la soupape de décharge ou des ailettes. Usuellement, l'UCE calcule une consigne de pression de l'air dans le collecteur d' admission menant au moteur tout en mesurant la press ion qui y est effectivement atteinte; la commande exercée sur lactionneur a pour but de ramener la pression mesurée à la consigne de pression. L'UCE reçoit des renseignements sur l'état de fonctionnement du moteur, et qui sont souvent son régime (sa vitesse de rotation) et le déLit de carburant, bien que des renseignements de déLit d'air et de richesse puissent aussi être utilisés. Elle en déduit une valeur brute de consigne de pression de suralimentation au moyen d'une carte, c'est-à-dire des valeurs d'une fonction à plusieurs dimensions qui a été enregistrce auparavant. Cette valeur brute est ensuite corrigée en fonction de la pression atmosphérique et de la température de l'air entrant dans le compresseur afin de déterminer une valeur corrigée de la consigne de pression de suralimentation, qui est utilisoe pour asservir le turbocompresseur. La consigne de sural imentat ion es t déf inie en fonc t ion du besoin du moteur en air à des fonctionnements stabilisés et permet de donner au moteur le déLit d'air permettant la meilleure combustion. Le constructeur doit cependant veiller à ce que la consigne de pression ne surcharge pas le compresseur. Or avec l' augmentation des performances des moteurs suralimentés, les pressions de B 13994/JCI suralimentation augmentent aussi. I1 devient donc important de piloter précisément les turbocompresseurs, dont les zones d'utilisation sont maintenant proches de surcharges qui endommageraient le compresseur. De plus, des défauts dans le cTrcuit de suralimentation sont susceptibles de dérégler la commande, la routine de 1'UCE risquant de placer le turbocompresseur dans les régions de surcharge: il serait donc utile de pouvoir détecter l'apparition de tels défauts. Enfin, on voudrait que le procédé de commande f'onctionne en un mode aussi peu dégradé que possible quand un défaut a été détecté. Une situation à éviter est celle du pompage, qui consiste en une inversion du débit d'air à travers le compresseur pour les faibles débits. I1 faut aussi éviter les survitesses de rotation de l'arbre du turbocompresseur. La valeur de consigne de pression doit donc être limitée. La figure 1 donne le champ de fonctionnement du déhit d' air Wc* et du taux de compression à travers le compresseur. On a figuré sur le diagramme quelques courbes N1 à N6 donnant les valeurs de ces paramètres de service du compresseur: selon sa vitesse de rotation, la vitesse N6 étant la vitesse maximale admise et la zone de survitesse V étant en haut et à droite de sa courbe, c'est-à-dire du côté des taux de compression et des débits élevés; les courbes N s'arrêtent à gauche à une limite X au- delà de laquelle (du côté des faibles déLits) se situe la zone de pompage P. L' invention a pour origine la constatation - que le mode usuel de calcul de la consigne de pression B 13994/JCI n'était pas excellent puisqu'il ne faisait pas intervenir les grandeurs qui permettaient de détecter une surcharge du compresseur, ce qui obligeait à limiter par précaution les performances qui lui étaient demandées pour la suralimentation. I1 est donc proposé ici un procédé amélioré, dans lequel les nécessités d' assurer la meilleure combustion dans le moteur et de respecter le turbocompresseur sont à la fois respectées dans le calcul de la consigne de pression de suralimentation, afin que le maintien du compresseur dans le champ de fonctionnement convenable dépende dune estimation fondée sur les paramètres de fonctionnement du compresseur lui-même, et non plus seulement d'un réglage effectué une fois pour toutes au moyen d'une carte d'après les paramètres de fonctionnement du moteur. L' invention permet aussi de tenir compte de défauts dans le circuit de suralimentation pour amender la consigne de pression afin de rester dans le champ de fonctionnement convenable du turbocompresseur, au prix dune dogradation des performances du moteur, ce qui nest pas possible avec le procédé de commande usuelle. Ces défauts peuvent être détectés et signalés au conducteur. Un objet supplémentaire de l 'invention est d'accomplir ces améliorations sans installer de capteurs supplémentaires qui auraient pour effet d'accroître le coût du véhicule, et notamment sans mesurer directement le taux de compression et la vitesse du compresseur. Les seuls aménagements s 13994fJCI nécessaires sont alors apportés dans l'OCE elle-même sous forme de fonctions logicielles supplémentaires Sous sa forme la plus générale, l' invention concerne un procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté, notamment afin de protoger des surcharges un compresseur placé sur un écoulement d'air vers le moteur, comprenant un calcul d'une consigne de pression, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation d'une limite de pression au moyen d'une lO mesure de déhit d' air traversant le compresseur et d'un taux de compression extréme autorisé pour ce déLit d'air, et une réduction de la consigne de pression à la limite de pression si ladite limite était inférieure à ladite consigne. L' invention concerne aussi un ensemble comprenant un moteur d'automobile, un sys.ème de sura l imentat ion du moteur et de s moyens de régl age de la suralimentation, le système comprenant un conduit d' écoulement d' air menant au moteur et un compresseur, et les moyens de réglage comprenant des moyens de calcul d'une consigne de pression à établir dans le conduit entre le compresseur et le moteur, et un capteur de débit de l'air dans le conduit, caract.érisé en ce que l es moyens de régl age comprennent un moyen de calcul d'un taux de compression de l' air à travers le compresseur, un moyen de détermination d'une limite de pression en fonction du déLit de l'air et du taux de compression, et un moyen de correction de la consigne de pression d'après la limite de pression. B 13994/JCI Il est avantageux, conformément à la remarque qui précède, que seuls le déLit d'air, la pression et la température de l'air soient mesurés. La détection des défauts de l'écoulement peut comprendre une détection de fuites d'air hors de liécoulement entre le compresseur et le moteur, ou une détection d'un pompage dans le compresseur. L' invention sera maintenant décrite au moyen des figures qui suivent: la figure 1 est un diagramme de champ de fonctionnement dun turbacompresseur; - la figure 2 est un schéma de moteur suralimenté; - la figure 3 est un diagramme d'UCE; - la figure 4 illustre de fonctionnement du module de limitation de consigne de pression; - les figures 5 et 6 illustrent deux circuits de détection d'anomalies; - et la figure 7 illustre un autre circuit de détection. On aborde la figure 2 o le moteur, l'UCE et le turbocompresseur portent les références 1, 2 et 3, le compresseur et la turbine ayant les références 4 et 5. Le circuit d'alimentation du moteur en air comprend un collecteur d'admission 6 et un collecteur diéchappement 7; celui-là porte successivement un filtre à air 8 et un déLiLmètre 9 en amont du compresseur 4, puis un échangeur de chaleur 10, un volet d' admission 11 et une vanne 12 entre le - compresseur 4 et le moteur 1; il passe par le l B 13994/JCI compresseur 4 alors que le collecteur déchappement 7 passe par la turUine 5. Enfin, 1'UCE 2 est renseignée par un capteur de pression atmosphérique 13, un capteur de température d'air 29 à l'entrée du compresseur et par le déLiLmètre 9. Elle se compose essentiellement d'un module de calcul de consigne de pression 14, d'un module de limitation de la consigne de pression 15 et dun module de régulation de pression de suralimentation 16. C'est ce dernier qui aJuste le fonctionnement du turbocompresseur 3 en pilotant un actionneur 17 consistant généralement en une soupape à commande proportionnelle dont le déplacement entraîne l'organe 18 de réglage du turbocompresseur 3, qui est. comme on l'a déjà mentionné, le plus souvent un groupe d'ailettes modifiant la section d'entrée dans la turbine 5. Le module de réqulation 16 recoit la valeur de pression dans le collecteur d' admission 6 en aval du compresseur 4, que mesure un capteur 19 et quon note ici Pcol, pour effectuer la réqulation. Les modules 14 et 16 sont connus, contrairement au module de limitation de la consigne de pression 15 qui fait l'objet de l' invention et sera maintenant décrit en détail; on doit toutefois noter que c'est lui qué les capteurs de pression aLmosphérique et de température diair 13 et 29, ainsi que le débiLmètre 9, renseignent, au lieu du module de calcul de consigne 14, en désaccord avec la conception traditionnelle. Cela signifie que la consigne de press ion de suralimentation donnée par le module 14 sera indépendante de la température de la pression atmosphérique de l'air. l B 13994/JCI La figure 3 est une vue plus détaillée de l'UCE 2 et des modules 14, 15 et 16. Pour le module de calcul de la consigne de pression 14, il contient une carte de consigne 20, renseignce par un capteur de régime du moteur 30 et un capteur de débit de carburant 31, et le signal de sortie est transmis au module de limitation de la consigne 15, qui sera maintenant décrit en liaison avec la figure 4 détaillant un cycle de son fonctionnement. La première étape E1 est un calcul de la pression Plc à l'entrée du compresseur 4, qui est donnée par la soustraction Plc = PaLmo - APcF. La pression aLmosphérique PaLmo est donnée par le capteur 13, et la pression PcF est en réalité une perte de charge dans le filtre à air 8, que peut donner une carte 21 en fonction du débit d' air. La deuxième étape E2 est un caloul, dans un élément 22 de circuit, du déLit corrigé (massique) traversant le compresseur 4 Wc* et qui est calculé à partir de la température Tlc, de la pression Plc et du déLit volumique Q mesurés par les capteurs 8, 13 et 29 en avant du compresseur 4, et du régime du moteur Nmot. Le coefficient Cnorm est un coefficient de mise à l'échelle, éga-l à 0,1154 dans le présent cas, et Tref est une température de référence a laquelle les courbes de fonctionnement du compresseur sont obtenues. Les températures sont en C, les pressions en hpa, Nmot en tr/min, Q en mg/cp ou milligramme par coup (injection de carburant dans le moteur) et Wc* en kg/h. La troisième étape E3 est un calaul du taux de compression maximal autorisé ncmaX, tiré d'une carte 23 en fonction du déLit Wc*. B 13994/JCI La troisième étape E3 est un calaul du taux de compression maximal autorisé cmax, tiré d'une carte 23 en fonction du déLit Wc*. La quatrième étape E4 est un caleul de la press ion maximale autorisoe à la sortie du compresseur que donne la multiplication P2 cmax = cmax x Plc. La cinquième étape E5 est un calcul de la consigne maximale de pression, que donne la soustraction Pcolmax = P2cmax - APCRAS, APCRAS étant une perte de charge dans l'échangeur 10, tirée d'une carte 24 en fonction du déhit d'air Q. Enfin, une sixième étape E6 du cycle est accomplie dans un comparateur 25 qui sélectionne la valeur minimale entre Pcolmax calculée précédemment et la valeur Pconsigne tirée du module de calaul de consigne 14. C'est cette valeur minimale qui est transmise au module de régulation 16. Les éléments assurant les soustractions et la multiplication aux étapes E1, E4 et E5 portent les références 26, 27 et 28 respectivement à la figure 3. Le module de réqulation 16 comprend classiquement des cartes d'asservissement dérivé 50, et: proportionnel et intégral 51 dont le résultat de la première arrive directement à un additionneur 52 de sortie tandis que celui de l'autre arrive à un additionneur intermédiaire 53 qui lui ajoute le résultat tiré d'une carte de pré-positionnement 54 avant de la transmettre à un saturateur 55 dont leffet de d'éviter qu'une valeur excessive ne soit produite par la carte d'asservissement proportionnel et intégral 51. Le résultat parvient alors à l'additionneur de B 13994/JCI sortie 52, qui calcule une somme qui est le signal de commande transmis à l'actionneur 17. La carte de pré-positionnement 54 est sensible au régime du moteur et au déhit de carturant, tout comme la carte 20. Enfin, les cartes d'asservissement 50 et 51 sont alimentées par un signal égal à la différence entre la sortie du module de limitation 15 (le minimum de Pconsigne et Pcolmax) et le signal de pression Pcol mesurée dans le collecteur d' admission 6 par le capteur 19. on ne s'étendra pas plus sur ce module de réqulation 16, qui ressortit entièrement à l'art connu. On a déjà mentionné qu'un avantage important de la limitation de consigne de pression proposee coe l' invention est que le concepteur de l'UCE 2 n'a plus à tenir compte des risques de vitesse excessive ou de pempage du turbocompresseur 3 en faisant la calibration, ce qui alloge son travail. Des anomalies dans le circuit de suralimentation pourraient faciliter l'apparition de ces surcharges du compresseur, mais le procédé à limitation de pression de consigne les évite sans mesure particulière et amène: en fait alors la commande du moteur à un modé dé fonctionnement dogradé, bien qu'optimal puisque proche des limites autorisées. Il peut cependant être utile de détecter ces conditions anormales afin d'avertir le conducteur de l'intérêt d'une réparation ultérieure. Les dispositifs proposés pour accomplir cette détection représentent d'autres aspects de l' invention qui seront décrits ci-dessous. B 13994/JCI Une avarie principale est ainsi constituce par une fuite d' air dans le collecteur d' admission en l'aval du compresseur 4, qui aurait pour effet d'imposer une vitesse de rotation plus grande au turbacompresseur pour obtenir un même taux de compression et accroîtrait donc les risques de survitesse. Le cTrcuit de détection, illustré à la figure 5, fonctionne de facon à détecter ces fuites lorsque les conditions suivantes seront réalisées simultanément: - la consigne de pression de suralimentation est effectivement limitée par le module , - la press ion atmosphérique est supérieure à un seuil, - et le déLit d'air au compresseur 4 est supérieur à un seuil, qui est fonction du taux de compression mesuré. On dispose ainsi une batterie de trois comparateurs 35, 36 et 37 qui comparent respectivement la consigne de pression de suralimentation et la limitation de consigne de pression de suralimentation originaires des modules 14 et 15, la pression atmosphérique originaire du capteur 13 et un seuil présent dans une mémoire 38, et le débit d'air Wc* originaire de l'élément 22 à un seuil donné par une carte 39 d'après l' indication provenant dun circuit situé plus en amont et comprenant un additionneur 40 o sont combinés les pressions de suralimentation Pcol mesurées par le capteur 19 et la perte de charge à léchangeur APcRAS donnée par la carte 24, le résultat B 13994/JCI étant divisé par la valeur P1C dans un diviseur 41. Les sorties des trois comparateurs 35, 36 et 37 sont combinées dans une porte ET 42, dont le résultat n'est donc positif, en cas de fuite d'air, que quand les sorties des trois comparateurs sont toutes égales à 1. D'autres avaries auront pour effet de réduire le détit d'air passant par le compresseur, notamment si un accident apparaît dans le circuit en aval de ce compresseur. C'est alors un pompage que le turbocompresseur 3 risquerait de subir. Toutefois, l'application de l' invention limitera la consigne de pression de suralimentation puisque le déhit d' air sera réduit. Mais ici aussi un circuit de détection peut être ajouté au dispositif. On propose de détecter le pompage lorsque les conditions suivantes seront réalisées simultanément: - la pression de suralimentation est supérieure à la consigne de pression limitée (issue du module 15), - et le déLit d'air au compresseur 4 est inférieur à un seuil, qui est fonction du taux de compression estimé dans le compresseur 4. Le circuit comprendra donc un comparateur 43 alimenté par la pression de suralimentation mesurée Pcl, originaire du capteur 19, et par la limitation de consigne de pression Pcolmax originaire du module 15, et un autre comparateur 44 alimenté par le déLit d' air corrigé Wc* de l'élément 22 par une carte 45 analogue à la carte 39 et sensible à la même grandeur que celle ci, calculée par un additionneur 46 et un diviseur 47 semblables aux éléments correspondants 40 et 41 B 13994/JCI rencontrés auparavant et alimentés de la même facon. Cependant, les seuils donnés par les cartes 39 et 45 peuvent être différents. Les sorties des comparateurs 43 et 44 sont branchées à une porte ET 48 qui émet un signal positif, représentatif d'une détection de pempage, si les comparateurs 43 et 44 donnent tous deux un résultat égal à 1. Un autre perfectionnement quon peut encore apporter à l' invention concerne le calcul de la vitesse de rotation du turbocompresseur 3, afin de pouvoir confirmer la bonne tenue de la réqulation. On peut incorporer un circuit tel que celui de la figure 7, qui utilise le déLit corrigé Wc* à travers le compresseur 4, ainsi que le taux de compression, quon indique à une carte 49 qui reproduit le diagramme de la figure 1 et donne une vitesse brute NTC de rotation du compresseur 4 avant de la fournir à un module de calcul qui, en fonction de la température Tlc, effectue le calaul de la vitesse de rotation rcelle NTC* du turbacompresseur selon l'estimation: NTC * =NTC x,/([lc + 273,5) / 7'ref. B 13994/JCI REVENDICATIONS 1) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté d'automobile, notamment afin de protéger des surcharges un compresseur (4) placé sur un écoulement d'air vers le moteur (1), comprenant un calaul d'une consigne de pression (Pconsigne), caractérisé en ce qu'il comprend une estimation dune limite de pression (Pcolmax) au moyen d'une mesure de déLit d' air (Q) traversant le compresséur et d'un taux de compression extrême (cmax) autorisé pour ce déLit d'air, et une réduction de la consigne de pression à la limite de pression si ladite limite est inférieure à ladite consigne. 2) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calcul de la consigne de pression est mené indépendamment de températures ou de pressions de l'air. 3) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 2, caractérisé en ce quil comprend une correction (wc*) du détit dair mesuré (Q) au moyen de mesures dune pression et d'une température de l'air en amont du compresseur. 4) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 3, caractérisé en ce que seuls le débit d' air, la pression et la température de l'air sont mesurés pour estimer la limite de pression. B 13994/JCI ) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression de l'air est obtenue par une soustraction d'une perte de charge (APCF) à travers un filtre d'entrée (8) dans l'écoulement, estimée d'après le déLit d'air mesuré, d'une pression d'air aLmosphérique (PaLmo). 6) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon l'une queleonque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la limite de pression (Pcolmax) est obtenue par une soustraction d'une perte de charge (APcRAS) à travers un échangeur de chaleur, placé sur l'écoulement entre le compresseur et le moteur, estimée d'après le déLit d'air mesuré, d'une pression (Pcmax) calculée en aval du compresseur. 7) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une détection de fuites d'air hors de l'écoulement entre le compresseur et le moteur. 8) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 7,: caractérisé en ce que la détection de fuites d' air est positive quand la consigne de pression est supérieure à la limite de pression (35), une pression d'air aLmosphérique est supérieure à un seuil (36) et le débit d'air est supérieur à un seuil (37). 9) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend - une détection de pompage dans le compresseur. B 13994/JCI ) Procédé de réglage de pression d'un moteur suralimenté selon la revendication 9, caractérisé en ce que la détection de pompage est positive quand une pression de suralimentation mesurée est supérieure à la limite de pression (43) et que le déLit d'air est inférieur à un seuil estimé en fonction dun taux de compression estimé du compresseur. 11) Ensemble comprenant un moteur d'automobile, un système de suralimentation du moteur et des moyens de réglage de la suralimentation, le système comprenant un conduit d'écoulement d'air menant au moteur et un compresseur, et les moyens de réglage comprenant des moyens de calcul dune consigne de press ion à établ ir dans le conduit entre le compresseur et le moteur, et un capteur de déLit de l'air dans le conduit, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent un moyen de calaul d'un taux de compression de l'air à travers le compresseur, un moyen de détermination d'une limite de pression en fonction du débit de l'air et du taux de compression, et un moyen de correction de la consigne de pression daprès la limite de pression. 12) Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent des moyens de détection de fuites d'air hors du conduit et de pompage du moteur d'après des mesures de débit et de pression de l'air. 13) Ensemble selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d' estimation (49, 50) de vitesse de rotation du turbacompresseur.