Brevet FR2854203A1 — publié le 20041029

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé et un dispositif de gestion d'un moteur à combustion interne avec un compresseur principal et un compresseur auxiliaire. Etat de la technique Pour améliorer le comportement en réponse d'un moteur à combustion interne on utilise depuis quelques années des turbocompresseurs d'alimentation en particulier avec une géométrie de turbines variable. Néanmoins, les moteurs actuels ont un trou dans le fonctionnement 1o de la turbine. Cela apparaît lors des accélérations à partir d'un régime moteur bas ou à faible charge du moteur, car le couple souhaité n'est fourni qu'après quelques secondes par le turbocompresseur. De plus, pour un faible débit massique à travers le moteur, également en mode stationnaire du moteur à combustion interne, le couple maximum que l'on 15 peut obtenir à l'aide de la pression d'alimentation maximale du turbocompresseur reste limité. Il est en outre connu d'assurer la pré-compression d'air aspiré, par exemple à l'aide d'un compresseur auxiliaire ou complémentaire à entraînement électrique pour les faibles débits massiques d'air dans le 20 moteur. Cela permet d'obtenir une pression d'alimentation élevée, un débit massique d'air plus important dans le moteur, une quantité injectée plus importante et ainsi un couple plus important, améliore le comportement dynamique du moteur à combustion interne et fournit un couple maximum stationnaire plus élevé. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on commande le compresseur auxiliaire en fonction d'une vitesse de rotation et d'une charge du moteur à combustion interne. L'invention concerne également un dispositif pour la mise 30 en oeuvre d'un moteur à combustion interne du type défini ci-dessus, caractérisé par des moyens qui commandent le compresseur auxiliaire en fonction d'une vitesse de rotation et d'une charge du moteur à combustion interne. Le procédé et le dispositif selon l'invention pour la gestion 35 (ou commande) d'un moteur à combustion interne tel que défini ci-dessus permettent de n'activer le compresseur auxiliaire qu'à la demande, c'estàdire par exemple pour créer un couple important par le moteur à combustion interne. Cela permet une économie d'énergie et évite une pollution inutile par le niveau de bruit élevé pendant le fonctionnement du compresseur auxiliaire. Il est particulièrement avantageux que le compresseur auxiliaire soit coupé au-dessus d'une vitesse de rotation prédéterminée du 5 moteur à combustion interne. On évite ainsi le fonctionnement inutile du compresseur auxiliaire car aux vitesses de rotation du moteur (régime moteur), au-dessus de la vitesse de rotation prédéfinie, il n'y a pas de trou dans le fonctionnement du turbocompresseur et un fonctionnement avec des débits massiques trop importants va à l'encontre du rendement. Il est également avantageux que le compresseur auxiliaire soit coupé pour une charge inférieure à une valeur de charge prédéterminée. On évite ainsi également toute mise en oeuvre inutile du turbocompresseur car pour réaliser des charges de niveau bas correspondant il n'est pas nécessaire d'avoir une compression supplémentaire de l'air ali15 mentant le moteur à combustion interne. Il est également avantageux si, à la comparaison de la charge à une valeur de charge prédéterminée, on tient compte d'un gradient de charge, positif dans le temps, de façon à l'intégrer sous la forme d'un décalage supplémentaire pour la charge dans la comparaison. Cela 20 permet d'activer le compresseur auxiliaire également pour des charges inférieures à la valeur de charge prédéfinie pour assurer un fonctionnement dynamique correspondant du moteur à combustion interne. Il est également avantageux de déterminer la charge prédéfinie en fonction de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. 25 Cela permet d'utiliser la charge prédéfinie par exemple pour réaliser une limite de fumées dans le cas de moteurs Diesel si bien qu'il est prévu d'activer le turbocompresseur au cas o on dépasserait la limite de fumées. Il est également avantageux que, lorsque la réintroduction 30 des gaz d'échappement est activée, on coupe le compresseur auxiliaire. On évite de cette manière que la pression d'alimentation soit supérieure à la pression antagoniste des gaz d'échappement. Ce fonctionnement de la réintroduction des gaz d'échappement n'est pas influencé. Il est également avantageux que la commande du compres35 seur auxiliaire soit réalisée en prédéfinissant une vitesse de rotation (régime), cette vitesse de rotation du turbocompresseur auxiliaire étant prédéfinie en fonction de la vitesse de rotation et de la charge du moteur à combustion interne. Cela permet de régler une vitesse de rotation appro- priée du turbocompresseur auxiliaire pour chaque vitesse de rotation et chaque charge du moteur à combustion interne dans la plage dans laquelle le compresseur auxiliaire est activé. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un moteur à combustion interne, - la figure 2 montre un diagramme fonctionnel explicitant le procédé et le 10 dispositif selon l'invention. Description du mode de réalisation Selon la figure 1, la référence 1 désigne un moteur à combustion interne, par exemple celui d'un véhicule automobile. Le moteur à combustion interne 1 comprend un moteur thermique ou moteur propre15 ment dit 40 dans cet exemple il s'agit d'un moteur Diesel. Ce moteur Diesel 40 est alimenté en air frais par l'intermédiaire d'une alimentation d'air 25. Un compresseur auxiliaire 10 est installé dans l'alimentation en air 25. Le compresseur auxiliaire 10 est entraîné par exemple par un moteur électrique non représenté à la figure 1. Ce moteur électrique entraîne 20 ainsi le compresseur du compresseur auxiliaire 10 selon une certaine vitesse de rotation. La commande du turbocompresseur auxiliaire 10 pour régler le régime de compression souhaité est faite par une commande de moteur 20. Le compresseur auxiliaire 10 est suivi en aval dans le sens de passage de l'air frais qu'il reçoit (cela est représenté par une flèche à la 25 figure 1) par un compresseur principal 5 réalisé par exemple sous la forme d'un turbocompresseur de gaz d'échappement. En amont du compresseur auxiliaire 10 dans le sens de l'écoulement, l'alimentation en air 25 comporte un débitmètre massique d'air 30, par exemple un débitmètre massique d'air à film chaud. Le débitmètre massique d'air 30 mesure le débit 30 massique d'air fourni au moteur à combustion interne 40 et transmet le signal de mesure à la commande de moteur 20. Le débitmètre massique d'air 30, le compresseur auxiliaire 10 et le compresseur principal 5 fournissent l'air frais au moteur à combustion interne 40 à travers une soupape d'admission non représentée à la figure 1. Un injecteur 35 injecte du 35 carburant dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne 40. Selon la figure 1, le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion par l'injecteur 30. En variante, le carburant peut également être injecté dans la zone comprise entre l'alimentation en air 25 et le débitmètre massique 30 ainsi qu'avec la soupape d'admission. Cette zone est appelée conduite d'aspiration. Le mélange air/carburant qui se trouve dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne 40 est brûlé et entraîne le moteur à combustion interne 1. Les gaz 5 d'échappement engendrés par cette combustion sont expulsés à travers une soupape d'échappement non représentée à la figure 1 vers la conduite de gaz d'échappement 15. La direction d'écoulement des gaz d'échappement est également représentée à la figure 1 par une flèche. La conduite de gaz 10 d'échappement 105 porte en option une turbine 60 du turbocompresseur de gaz d'échappement. Cette turbine entraîne par l'intermédiaire de l'arbre 65 indiqué de manière stylisée à la figure 1, le compresseur principal 5 pour comprimer l'air frais fourni. La turbine 60, installée en aval dans la conduite de gaz d'échappement 5 selon le sens de circulation des gaz S5 d'échappement, comporte en option une sonde lambda 70. La sonde lambda 70 mesure la teneur en oxygène contenue dans les gaz d'échappement et transmet le signal de mesure à la commande de moteur 20. A partir de la valeur de mesure et de la quantité injectée, connues, la commande de moteur 20 calcule alors le rapport de mélange carbu20 rant/air, effectif. Pour réaliser le rapport de mélange air/carburant souhaité on peut prédéfinir alors par la commande de moteur 20, la quantité à injecter et commander de façon correspondante la soupape d'injection ou injecteur 35. Le moteur à combustion interne 40 comporte un capteur de vitesse de rotation 45 qui mesure la vitesse de rotation du moteur 1 et 25 transmet le résultat de la mesure à la commande de moteur 20. En plus, en option, on a prévu une conduite de retour de gaz d'échappement 50 reliant la conduite de gaz d'échappement 105 à l'alimentation en air 25. Ainsi, du gaz d'échappement est prélevé entre le moteur à combustion interne 40 et la turbine 60 de la conduite de gaz d'échappement 105 par une 30 soupape de retour de gaz d'échappement 65 et arrive dans l'alimentation en air 25 entre la conduite de retour de gaz d'échappement 50 et le turbocompresseur principal 5 et son moteur de combustion 50. La direction d'écoulement des gaz d'échappement réintroduits est également représentée à la figure 1 par une flèche. La soupape 35 de réintroduction des gaz d'échappement 55 est commandée également par la commande de moteur 20 pour régler son degré d'ouverture. Lorsque la soupape de réintroduction des gaz d'échappement 55 est fermée, il n'y a pas de réintroduction de gaz d'échappement. Lorsque la soupape de réin- troduction des gaz d'échappement 55 est ouverte, le taux de réintroduction des gaz d'échappement dépend du degré d'ouverture de la soupape de réintroduction des gaz d'échappement 55. Si, comme dans cet exemple, selon la figure 1, le moteur à combustion interne 1 entraîne un véhicule, 5 alors, comme cela est représenté en trait interrompu à la figure 1, on peut prévoir un élément de commande 75 tel qu'une pédale d'accélérateur pour prédéfinir le couple demandé par le conducteur. La pédale d'accélérateur est également reliée à la commande de moteur 20. Le turbocompresseur de gaz d'échappement améliore la ré10 ponse du moteur à combustion interne 1. Néanmoins, lors d'accélérations à partir du régime bas ou d'une faible charge du moteur à combustion interne 1, on rencontre des retards dans l'établissement du couple de rotation souhaité. Celui-ci peut n'être fourni qu'après quelques secondes. Pour éviter ce phénomène appelé " trou du turbo ", il est prévu un com15 presseur auxiliaire 10 pour pré-comprimer l'air aspiré aux faibles débits massiques d'air du moteur. Cela permet de réaliser une pression d'alimentation plus importante, un plus fort débit massique d'air alimentant le moteur, une quantité de carburant injectée plus importante et ainsi un couple plus important. Cela permet d'améliorer le comportement 20 dynamique du moteur à combustion interne 1 et pour une faible vitesse de rotation on aura un couple maximum stationnaire plus élevé. Selon l'invention il est prévu de mettre en oeuvre le compresseur auxiliaire 10 que si cela est nécessaire. Cela n'est pas le cas en général aux régimes élevés du moteur et aux faibles charges. De même, le 25 fonctionnement du compresseur auxiliaire n'est pas nécessaire et peut même être gênant pour activer la réintroduction des gaz d'échappement lorsque la soupape de réintroduction des gaz d'échappement 25 est ouverte. Une compression élevée dans l'alimentation en air 25 pourrait aboutir à une pression d'alimentation (pression de charge) dans 30 l'alimentation en air 25 supérieur à la contre-pression des gaz d'échappement dans la veine de gaz d'échappement 105, ce qui rendrait inutile la réintroduction des gaz d'échappement. C'est pourquoi, selon l'invention, la commande de moteur réalise le diagramme fonctionnel selon la figure 2 par un circuit et/ou 35 un programme. Comme grandeur de la charge on utilise ci-après par exemple la quantité injectée qu'il faut faire réagir ou régler ou encore la masse de carburant injectée mk. En variante, on peut avoir la charge venant également d'autres couples à régler ou à convertir par exemple le couple demandé par le conducteur ou par une fonction de roulage ou de sécurité telle que le système antiblocage, la régulation antipatinage ou la régulation de vitesse (stabilisation de vitesse) pour avoir un couple prédéterminé, régler ou compléter une puissance, un débit massique d'air à ré5 gler ou à convertir, une charge à régler ou à convertir ou encore une grandeur déduite d'au moins l'une des grandeurs évoquées ci-dessus. Selon le diagramme fonctionnel de la figure 2, on a une courbe caractéristique 85 dont la grandeur d'entrée est le régime moteur (vitesse de rotation du moteur) (n) du moteur à combustion interne 1; la io grandeur de sortie de cette courbe caractéristique est une quantité limite mkg pour la masse de carburant injectée. La courbe caractéristique 85 décrit ainsi la relation entre le régime moteur (n) et la valeur maximale de la masse de carburant à injecter; le dépassement de cette valeur maximale conduirait, en l'absence de mise en oeuvre du compresseur auxiliaire 15 10, à un dépassement inacceptable de la limite de fumées. La courbe caractéristique 85 donne une quantité limite mkg croissante en fonction du régime moteur (n) car lorsque le régime moteur (n) augmente, la pression de charge (pression d'alimentation) que l'on peut obtenir sans le compresseur auxiliaire et ainsi la masse d'air fournie au moteur à combustion in20 terne 40 augmente et ainsi on peut injecter plus de carburant sans atteindre la limite de fumées. La quantité limite mkg est fournie à un soustracteur 100. Le soustracteur 100 reçoit en outre la masse de carburant mk injectée directement ou, comme le montre la figure 2, après addition à un signal de 25 sortie fourni par un élément différentiateur, en fonction du temps 80. L'utilisation de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 est une option. La grandeur d'entrée de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 est également la masse de carburant mk injectée. L'élément différentiateur en fonction du temps 80 peut être constitué, comme le mon30 tre à titre d'exemple la figure 2, d'un élément différentiateur en fonction du temps du premier ordre. La réponse brusque de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 est alors une fonction exponentielle qui s'atténue à partir d'une valeur initiale prédéterminée et selon une constante de temps donnée. Pour une quantité de carburant injectée, cons35 tante mk, le signal de sortie de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 est égal à zéro. Pour un gradient positif de la quantité de carburant injectée mk, la grandeur de sortie de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 augmente brusquement. La grandeur de sortie de l'élément différentiateur en fonction du temps 80 est appliquée à un additionneur 95 pour être additionnée à la masse de carburant nik injectée. Le résultat de l'addition est fourni à un soustracteur 100. Dans celui-ci on retranche la quantité limite mkg de la somme de l'élément additionneur 5 95. La quantité différentielle ainsi formée mk_diff est appliquée à un champ de caractéristiques 90 en même temps que le régime moteur (n) comme grandeurs d'entrée. Comme grandeur de sortie du champ de caractéristiques 90 on a la vitesse de rotation de consigne nEZV pour le compresseur auxiliaire 10. La commande de moteur 20 commande le i0 compresseur auxiliaire 10 pour régler la vitesse de rotation de consigne nEZV du compresseur auxiliaire 10. La grandeur de sortie du champ de caractéristiques 90 est égale à 0 si le régime effectif du moteur (n) comme grandeurs d'entrée du champ de caractéristiques 90 dépasse une valeur prédéterminée ou si la quantité différentielle mk_diff passe en dessous S5 d'une quantité prédéterminée par exemple égale à zéro. La valeur prédéterminée de la vitesse de rotation n est applicable, c'est-à-dire qu'elle peut être obtenue par des essais sur un banc d'essais, par exemple en fonction de la puissance que peut fournir le compresseur auxiliaire 10 et/ou de la charge que l'on peut appliquer au réseau embarqué par le compresseur 20 auxiliaire 10. En cas de dépassement de cette vitesse de rotation on ne rencontre plus le trou du turbo comme décrit précédemment et on peut alors couper le compresseur auxiliaire 10. Si le régime moteur effectif (n) est supérieur à la valeur prédéterminée et si la quantité différentielle mkdiff est supérieure à 0, alors le champ de caractéristiques 90 donne, 25 en fonction du régime moteur effectif (n) et la quantité différentielle mkdiff, une valeur de rotation de consigne correspondante nEZV. Le champ de caractéristiques 90 et la courbe caractéristique 85 peuvent être obtenus par exemple par application sur un banc d'essais. On peut également par exemple obtenir par application, c'est-à-dire mesure sur un 30 banc d'essais, la valeur initiale et la constante de temps de la réponse impulsionnelle de l'élément différentiel en fonction du temps 80. La commande du compresseur auxiliaire 10 par la commande de moteur 20 peut se faire par exemple par un signal de commande sous la forme d'un rapport de travail de commande ou encore d'un 35 courant de consigne pour le moteur électrique du compresseur auxiliaire 10. La réintroduction des gaz d'échappement est active en général jusqu'au maximum d'une quantité de carburant injectée mk inférieure à la quantité limite mkg. C'est pourquoi la conception du diagramme fonctionnel de la figure 2 aboutit à ce que le compresseur auxiliaire 10 n'est pas branché lorsque la réintroduction des gaz d'échappement est active. Dans le cas contraire, il faudrait que le champ de caractéristiques 90 s possède une autre grandeur d'entrée indiquant que la réintroduction des gaz d'échappement est activée ou non, c'est-à-dire indiquant si la soupape de réintroduction des gaz d'échappement 55 est ou non ouverte. Dans le cas de la soupape de réintroduction des gaz d'échappement 55 qui serait ouverte, alors on aurait comme grandeur de sortie du champ de caracté10 ristique 90 la vitesse de rotation de consigne nEZV = 0. Dans le cas contraire, on détermine le régime de consigne ou vitesse de rotation de consigne comme décrit en fonction du régime moteur (n) et de la quantité différentielle mk_diff. Grâce à l'utilisation de l'élément différentiel dans le temps 15 80, il est possible, même pour de petites charges, c'est-à-dire dans cet exemple pour une masse de carburant mk injectée, inférieure à la masse limite mkg, d'activer le compresseur auxiliaire 10 si l'on est en présence d'une demande d'accélération. Cela se traduit par un gradient dans le temps, positif, pour la masse de carburant injectée mk et ainsi à un dé20 calage supplémentaire par rapport à la masse de carburant injectée mk sous la forme de la grandeur de sortie de l'élément différentiel en fonction du temps 80 ajouté par l'intermédiaire de l'additionneur 95. Si la somme à la sortie de l'élément additionneur 95 est alors au-dessus de la valeur limite mkg, on peut également activer le compresseur auxiliaire 10 pour de 25 telles charges faibles si l'on est en présence d'une demande d'accélération correspondante. Le champ de caractéristiques 90 peut être obtenu par application de façon que pour des régimes moteurs effectifs n inférieurs à la valeur prédéterminée et des quantités différentielles mkdiff supérieures à 30 0, on augmente la vitesse de rotation de consigne nEZV du compresseur auxiliaire 10 si le régime moteur (n) effectif tombe ou si la quantité différentielle mkdiff et ainsi la charge augmentent. Inversement, on abaissera la vitesse de rotation de consigne nEZV si le régime moteur effectif (n) augmente ou si la quantité différentielle mk_diff et ainsi la charge dimi35 nuent. A la place d'un compresseur principal 5 constitué par un turbocompresseur de gaz d'échappement on peut également le réaliser sous la forme d'un compresseur simple ou d'une autre manière connue des spécialistes pour comprimer l'air frais fourni. En outre, le compresseur auxiliaire 10 peut également être entraîné par exemple de manière mécanique à partir du vilebrequin du moteur à combustion interne; dans ce cas, la commande du compresseur auxiliaire 10 peut se faire par 5 exemple à l'aide d'une dérivation dont la section d'ouverture se règle à l'aide d'une soupape de dérivation commandée par la commande de moteur 20 pour arriver à la valeur souhaitée. Dans ce cas, la commande de moteur 20 ne prédéfinit pas de vitesse de rotation de consigne mais par exemple un rapport de pression de compression à régler par le compres10 seur auxiliaire 10 ou encore une pression d'alimentation en aval du compresseur auxiliaire 10 dans le sens de l'écoulement des fluides. Dans cet exemple de réalisation décrit aux figures 1 et 2, à la place de la vitesse de rotation de consigne on peut également utiliser une autre grandeur représentant la puissance de compression du compresseur auxiliaire 10 comme i5 par exemple le rapport de compression ou encore la pression de charge (pression d'alimentation) pour commander le compresseur auxiliaire 10. Lorsqu'on utilise un turbocompresseur de gaz d'échappement, pour avoir la pression de charge souhaitée on peut le munir d'une géométrie de turbine variable réglée par la commande de moteur 20 20 suivant la pression de charge souhaitée. En variante, on peut également régler la pression de charge souhaitée à l'aide d'une porte de dérivation d'une façon connue du spécialiste, à partir de la commande de moteur 20. La commande du compresseur auxiliaire 10 pour régler la 25 vitesse de rotation de consigne souhaitée nEZV et la commande du turbocompresseur de gaz d'échappement pour régler par exemple la géométrie de turbine souhaitée agissent toutes deux sur la grandeur de régulation "pression de charge " (pression d'alimentation) et ces réglages sont effectués à l'aide d'actionneurs non représentés à la figure 1. Parmi les deux 30 actionneurs un seul sera régulé et l'autre sera commandé. On arrive ainsi à un fonctionnement stationnaire dans toute la plage de fonctionnement du moteur. Dans l'exemple décrit, on règle le turbocompresseur des gaz d'échappement à l'aide de la géométrie variable de sa turbine et on commande le compresseur auxiliaire 10. Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent également s'appliquer de manière appropriée à un moteur à essence ou à allumage commandé (cycle Otto). REVENDICATIONS 10) Procédé de gestion d'un moteur à combustion interne (1) avec un compresseur principal (5) et un compresseur auxiliaire (10), caractérisé en ce qu' on commande le compresseur auxiliaire (10) en fonction d'une vitesse de rotation et d'une charge du moteur à combustion interne (1). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 1o on coupe le compresseur auxiliaire (10) au-dessus d'une vitesse de rotation prédéterminée du moteur à combustion interne (1). 30) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on coupe le compresseur auxiliaire (10) pour une charge inférieure à une valeur prédéterminée de la charge. 40) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' en comparant la charge à une valeur de charge prédéterminée, on tient compte d'un gradient dans le temps, positif pour la charge, de façon à l'intégrer dans la comparaison sous la forme d'un décalage supplémentaire par rapport à la charge. 5 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on détermine la valeur prédéterminée de la charge suivant la vitesse de rotation du moteur à combustion interne (1). 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la charge à partir d'un couple à convertir, d'une puissance à convertir, d'un débit massique d'air à convertir, d'un remplissage à convertir, d'une quantité d'injection à convertir, ou d'une grandeur dé35 duite d'au moins l'une des grandeurs ci-dessus. 70) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on coupe le compresseur auxiliaire (10) lorsque la réintroduction des gaz d'échappement est activée. 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on commande le compresseur auxiliaire (10) en prédéfinissant une vitesse de rotation. 9 ) Procédé selon la revendication 8, 10 caractérisé en ce qu' on prédéfinit la vitesse de rotation du compresseur auxiliaire (10) en fonction de la vitesse de rotation et de la charge du moteur à combustion interne (1). 10 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande du compresseur auxiliaire (10) se fait par un signal de commande sous la forme d'un rapport de travail de commande ou d'un courant de consigne. 20 11 ) Dispositif de gestion d'un moteur à combustion interne (1) équipé d'un compresseur principal (5) et d'un compresseur auxiliaire (10), caractérisé par des moyens qui commandent le compresseur auxiliaire (10) en fonction 25 d'une vitesse de rotation et d'une charge du moteur à combustion interne (1).