Brevet FR2851296A1 — publié le 20040820

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOTEUR SURALIMENTE COMPRENANT L'UTILISATION D'UN ELEMENT REGULATEUR A MODE GLISSANT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de cette invention est l'automobile, et plus précisément la commande de moteurs suralimentés diesels ou bien à essence. La commande du moteur est la technique de réglage des performances d'un moteur à combustion interne au moyen de l'ensemble de ses capteurs et actionneurs. L'ensemble des lois de contrôle-commande (stratégie logicielle) et des paramètres de 15 caractérisation (calibration) du moteur sont contenus dans un calculateur appelé UCE ou unité de commande électronique. De plus, les moteurs suralimentés comprennent un turbocompresseur composé d'une turbine et d'un compresseur servant à augmenter la quantité 20 d'air admise dans les cylindres. La turbine est placée à la sortie du collecteur d'échappement et entraînée par les gaz d'échappement. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut être réglée en installant une soupape de décharge ou des ailettes qui 25 influent sur le débit de gaz traversant la turbine ou la section de passage offerte à ces gaz. Le compresseur est monté sur le même axe que la turbine. Il comprime l'air entrant dans le collecteur d'admission. Un échangeur de chaleur peut être placé entre le 30 compresseur et le collecteur d'admission pour refroidir l'air à la sortie du compresseur. Un actionneur est B 14252 JCI utilisé pour piloter l'ouverture et la fermeture de la soupape ou des ailettes. Le signal de commande de l'actionneur est fourni par 1'UCE et permet d'asservir la pression de suralimentation présente au collecteur 5 d'admission. Une consigne de pression au collecteur est calculée par 1'UCE. La pression réelle au collecteur est mesurée par un capteur de pression. L'UCE recalcule sans cesse la consigne de pression de suralimentation, en fonction du régime du 10 moteur et du débit du carburant par exemple (ou bien à partir d'une consigne du débit d'air et de richesse), et elle aide à régler sans cesse le turbocompresseur par l'intermédiaire de régulateurs pour faire concider la consigne de pression à la pression réelle régnant 15 dans le collecteur d'admission. Avec l'augmentation des performances des moteurs suralimentés, le niveau de pression de suralimentation augmente, aussi les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. Il est donc important 20 de piloter le plus finement possible les turbocompresseurs pour éviter la détérioration du turbocompresseur et pour améliorer la qualité de conduite du véhicule aux accélérations. Le réglage du turbocompresseur est 25 classiquement réalisé au moyen de signaux provenant de régulateurs PID (proportionnel, intégral, différentiel) d'après l'évolution de la différence entre la consigne de pression et la pression réelle mesurée. De plus, une cartographie de prépositionnement est généralement 30 ajoutée dans l'UCE pour donner une première valeur estimée de réglage du turbocompresseur en fonction du B 14252 JCI régime du moteur et du débit et faciliter ainsi le réglage. On observe toutefois que l'asservissement de la pression de suralimentation est difficile avec 5 les moyens d'asservissement connus jusqu'à présent. La consigne de pression de suralimentation se présente typiquement sous forme d'un échelon de pression qui apparaît quand l'accélérateur a été enfoncé, et la pression réelle n'atteint la hauteur de l'échelon 10 qu'avec un retard. Dans certains systèmes, ce retard est important; dans d'autres, il l'est beaucoup moins, mais un phénomène oscillatoire de la pression réelle au-dessus et au-dessous de la valeur de consigne apparaît ensuite (ce qu'on appelle des overshoots et 15 undershoots), et cette instabilité de réglage nuit à la qualité de la conduite et peut entraîner des dommages. Le but de l'invention est de fournir une convergence à la fois plus rapide et stable de la pression de suralimentation vers sa valeur de consigne pendant un 20 régime transitoire. Le réglage des régulateurs PID est aussi relativement difficile, demandant des connaissances théoriques et de l'expérience. On verra qu'un moyen essentiel employé ici 25 est l'utilisation d'un régulateur à mode glissant dans 1'UCE. Les variables exploitées par la régulation sont la différence entre la consigne de pression et la pression réelle, c'est-à-dire la variable même qu'il faut réduire, et la dérivée d'après le temps de cette 30 variable. Le régulateur à mode glissant a une sortie qui est une fonction non linéaire de la variable B 14252 JCI d'entrée ou, ici, d'une résultante des deux variables d'entrée. Les principaux avantages de ce régulateur sont la qualité de l'asservissement qu'il procure et la facilité de son réglage, attribuable à la simplicité de sa conception. Pour résumer, l'invention est relative sous forme la plus générale à un dispositif de commande d'un moteur suralimenté d'automobile, comprenant un collecteur d'admission d'air menant au moteur; un collecteur d'échappement de gaz quittant le moteur; un turbocompresseur composé d'un compresseur sur le collecteur d'admission d'air et d'une turbine sur le collecteur d'échappement de gaz, le turbocompresseur étant à réglage variable; une unité de commande 15 électronique pour agir sur une pression de suralimentation obtenue dans le collecteur d'admission entre le compresseur et le moteur en réglant le turbocompresseur; l'unité de commande électronique comprenant un module de calcul d'une consigne de 20 pression de suralimentation, un module de calcul d'une différence de pression entre ladite consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation effectivement obtenue, un module de régulation agissant sur le turbocompresseur en 25 calculant un état de réglage de celui-ci, comprenant un différentiateur calculant une dérivée de la différence de pression d'après le temps; caractérisé en ce que le module de régulation comprend un élément régulateur à mode glissant renseigné par la différence de pression 30 et par la dérivée de la différence de pression et fournissant une sortie exploitée pour agir sur le B 14252 JCI turbocompresseur. Généralement, le module de régulation fournit une sortie non linéaire d'une combinaison linéaire de la différence de pression et de la dérivée de la différence de pression, comprenant deux états 5 extrêmes pour des valeurs extrêmes opposées de la combinaison linéaire; et éventuellement une sortie de valeur intermédiaire à des valeurs intermédiaires de la combinaison linéaire. On passe maintenant aux commentaires des 10 figures suivantes: - la figure 1 illustre un système à moteur suralimenté et UCE; - la figure 2 représente une UCE conforme à l'invention; - la figure 3 représente complètement un module de calcul d'une consigne de débit de carburant; la figure 4 illustre une variante d'UCE - la figure 5 représente complètement un élément de régulation à mode de glissement conforme à 20 l'invention - les figures 6a, 6b, 6c et 6d illustrent des fonctions de commande; - la figure 7 est un schéma d'évolution de commande; - et les figures 8 et 9 illustrent les résultats obtenus. La figure 1 représente d'abord un moteur 1 à explosion alimenté en air frais par une entrée 2 et qui rejette les gaz brlés par un échappement 3. L'air 30 frais parcourt un collecteur d'admission 8 et passe successivement par un filtre 4 et un débitmètre 5 puis B 14252 JCI par un compresseur 6 d'un turbocompresseur 7 à régler. Après avoir été comprimé, il passe par un refroidisseur 9 et une vanne 10 de recirculation des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement s'écoulent par un 5 collecteur d'échappement 11 et traversent une turbine 12 du turbocompresseur 7 et un filtre à particules 13 avant de parvenir à l'échappement 3. Une unité de calcul électronique (UCE) est désignée par 14, une électrovanne par 16, une pompe à vide par 17, et une 10 tige de régulation du turbocompresseur 7 par 18. Un régulateur fait partie de l'UCE 14 et fournit un signal de commande à l'électrovanne 16 qui ouvre ou ferme une conduite 20 d'aspiration entre une chambre 21 située derrière la tige 18 et la pompe à vide 17; 15 l'électrovanne est à ouverture progressive et peut donc faire varier à volonté la pression dans la chambre 21 d'après l'enfoncement de la tige 18. L'UCE 14 exploite une pression du collecteur d'admission 8 que lui fournit un capteur 19 et une consigne de pression 20 qu'elle calcule. On passe maintenant au commentaire de la figure 2, qui illustre plus en détail la constitution de l'UCE 14. Des valeurs de débit de carburant injecté et de régime du moteur 1 sont fournies à une carte 25 logique 31 qui fournit une consigne de pression de suralimentation à une borne positive d'un soustracteur 36. Le régime du moteur est fourni par un tachymètre 25 ou un autre capteur mesurant la vitesse de rotation de l'arbre du moteur. La consigne de débit de carburant 30 est déduite de la sortie d'un capteur 24 mesurant l'enfoncement de la pédale d'accélération. Il est connu B 14252 JCI qu'en réalité une consigne de débit de carburant est calculée au moyen d'une carte logique 28 (à la figure 3), renseignée par les capteurs 24 et 25, et que cette consigne peut être limitée, normalement pendant les 5 régimes de forte accélération, par les sorties de deux autres cartes logiques 29 et 30 renseignées chacune par le capteur 25, et, respectivement, par des capteurs 26 et 27 indiquant le rapport de boîte de vitesse qui est engagé et le débit d'air frais. Les cartes 29 et 30 10 donnent des limites de débit de carburant acceptables en fonction du couple du moteur admissible et de la nécessité de ne pas produire de fumées noires. Le signal issu de la carte 28 est donc comparé successivement aux signaux issus des cartes 29 et 30 15 dans des portes 27 qui choisissent à chaque fois le signal minimum qui leur est appliqué ; et le débit de carburant peut encore être modifié en agissant sur le signal par une carte 32 supplémentaire qui définit une stratégie d'agrément de conduite. Revenant à la figure 2, le capteur de pression 19 fournit son signal à la borne négative du soustracteur 36, dont le signal de sortie est donc une différence entre la consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation 25 effectivement mesurée dans le collecteur d'admission 8. Cette différence est fournie habituellement à des régulateurs de calcul de termes proportionnel, dérivé et intégral; dans l'invention, on utilise avant tout un régulateur à mode glissant 37 renseigné par la 30 différence de pression et sa dérivée temporelle calculée par un différentiateur 38. Si la fonction B 14252 JCI d'asservissement recherchée a un terme proportionnel dominant, ce qui est le cas avec une électrovanne et un actionneur pneumatique, on ajoute un régulateur 39 de calcul de terme intégral pour compléter l'asservissement; si la fonction a un terme intégral dominant, ce qui est le cas avec un moteur électrique commandant les ailettes, il sera calculé par le régulateur à mode glissant 37 lui-même et le régulateur 39 pourra être omis, comme le schématise la figure 4. 10 On s'aperçoit que l'invention autorise une simplification du régulateur de PUCE 14. Même si le régulateur 39 de calcul de terme intégral subsiste, son réglage est plus facile quand il collabore avec le régulateur 37. Dans tous les cas, il est avantageux 15 d'utiliser une carte logique de pré-positionnement 33, elle aussi renseignée par les capteurs 24 et 25, qui donne une valeur initiale de réglage du turbocompresseur 7 valable pendant de régimes stables et qui permet donc d'aborder les régimes transitoires 20 avec un bon réglage de départ. Les signaux de sortie de la carte 33, du régulateur à mode glissant 37 et éventuellement du régulateur 39 sont fournis à un additionneur 40, et leur somme est fournie à un régulateur de sortie 15 qui commande directement la 25 vanne 16. Voici la constitution du régulateur 37 à mode glissant, qu'on découvre à l'aide de la figure 5. Le signal noté e représentant la différence entre la consigne de pression de suralimentation et la pression 30 de suralimentation mesurée passe par un multiplicateur 41 puis par un additionneur 42, de même que la dérivée B 14252 JCI temporelle ô de ce signal étant passé par le différentiateur 38. La sortie de l'additionneur 42 est donc une combinaison linéaire s = é + Xe qui passe par un diviseur 43 de calibration, o elle est divisée par 5 un coefficient 0; le quotient passe par un opérateur de non-linéarité 44 puis par un multiplicateur de calibration 45 dont la sortie est un signal u à fournir à l'additionneur 40. On obtient le signal u = k; f(fJ. o les coefficients i, 0 et k sont introduits 10 individuellement par les opérateurs 41, 43 et 45, et la fonction f est introduite individuellement par l'opérateur 44. Les paramètres que sont ces coefficients et même la fonction f, ou certains d'eux seulement, peuvent être réglés pour mettre au point le 15 régulateur 37. La sortie de l'opérateur de non-linéarité 44 est une fonction comprise entre -1 et +1 selon la valeur du rapport s/O, ou éventuellement de la valeur de s. Plusieurs fonctions f usuelles peuvent être 20 proposées d'après les figures 6a à 6d. Dans la première d'entre elles, la fonction est une fonction de saturation dont la sortie est égale à l'entrée s/O pour s compris entre -0 et +0, et, ailleurs, au signe de s/O, c'est-à-dire à -1 ou +1 selon le cas; la fonction 25 de la figure 6b est le signe de s, c'est-à-dire que la sortie de l'opérateur 44 est égale au signe de s, +1 ou -1 selon le cas; la fonction de la figure 6c est la tangente hyperbolique (tanh) de s; enfin, la fonction de la figure 6d est une variante de la fonction de 30 signe et présente une hystérésis de commutation, c'est- B 14252 JCI à-dire qu'elle ne passe du signe négatif au signe positif qu'à une valeur de s = +As et du signe positif au signe négatif qu'à une valeur de s = - As. La figure 8 permet de comparer la réponse 5 que l'invention apporte à une commande d'accélération par comparaison à un dispositif antérieur. Il s'agit d'un diagramme gradué en temps et en pression, et la courbe 50 est la consigne de pression, qui a une forme en échelon suivi d'un palier. La courbe de réponse 10 conforme à l'invention a la référence 51 et se caractérise par une montée assez rapide jusqu'à la valeur du palier puis une stabilité assez grande autour d'elle. Avec un régulateur ordinaire comprenant des termes proportionnel et intégral, on pourrait obtenir 15 la courbe 52 après un réglage de 1'UCE donnant une montée en pression aussi rapide qu'avec l'invention: les dépassements de consigne (overshoot) sont importants, d'environ 20% de la hauteur du palier, et les oscillations de pression restent ensuite beaucoup 20 plus fortes et sont sensibles pendant plus d'une seconde. Le mode d'asservissement de l'invention est donc caractérisé à la fois par une faible inertie à la montée et une forte inertie au palier. La conjonction 25 de ces avantages est impossible avec les régulateurs PID. La figure 7 permet de saisir certaines particularités de l'asservissement. Elle est obtenue avec un opérateur non linéaire 44 à la fonction 30 conforme à celle de la figure 6d et la représentation B 14252 JCI graphique est exprimée d'après les variables de l'asservissement e et é. La courbe 55 exprime l'évolution de l'asservissement. Quand le procédé commence, le système 5 est amené jusqu'à un point d'une droite 56 qui est en réalité la fonction linéaire s = -As. Quand cette droite est atteinte, une commutation au signe positif (+1) est réalisée jusqu'à ce que le système arrive à une autre droite 57 correspondant à l'équation linéaire 10 s = +As. Une commutation inverse fait ensuite revenir à la droite 56, et la loi de commande est alors une fonction en zigzag qui converge rapidement vers un segment d'oscillation 55d, toujours entre les droites 56 et 57 mais passant par l'origine (e = e = 0) . On 15 converge donc vers des oscillations proches du réglage parfait par des parcours de la boucle d'hystérésis. La figure 9 fait comprendre que le signal de commande sortant de l'UCE 14 est appliqué à l'électrovanne 16, d'après la courbe 58, est caractérisé par un palier 20 stable immédiatement obtenu et commandant la plus grande fermeture des ailettes (ce qu'on appelle une commande de saturation), puis un glissement marqué par des oscillations rapides du signal de commande des ailettes. Cependant, leur fréquence est trop élevée 25 pour s'appliquer à la commande des ailettes et nuire à la régularité de l'élévation de la courbe de pression de suralimentation 51. La courbe 59 illustre la position des ailettes et montre qu'une commande à la plus grande fermeture subsiste pendant une grande 30 partie du mode de glissement mais cesse peu avant que la pression de suralimentation 51 n'atteigne la valeur B 14252 JCI de consigne, puis que l'ouverture des ailettes est à la fois progressive, rapide et régulière, de sorte qu'on concilie une convergence rapide de la pression de suralimentation par la consigne de pression et une 5 réduction des oscillations de la pression de suralimentation après un état transitoire. Les avantages obtenus sont les mêmes que ceux qu'on pourrait obtenir avec d'autres opérateurs numériques ou logiques, mais ils sont ici très bien marqués grâce aux 10 particularités du mode de glissement. B 14252 JCI REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un moteur suralimenté d'automobile, comprenant: un collecteur 5 d'admission d'air (8) menant au moteur (1) ; un collecteur d'échappement de gaz (11) quittant le moteur; un turbocompresseur (7) composé d'un compresseur (6) sur le collecteur d'admission d'air et d'une turbine (12) sur le collecteur d'échappement de 10 gaz, le turbocompresseur étant à réglage variable; une unité de commande électronique (14) pour agir sur une pression de suralimentation obtenue dans le collecteur d'admission entre le compresseur et le moteur en réglant le turbocompresseur; l'unité de commande 15 électronique comprenant un module de calcul d'une consigne de pression de suralimentation (31), un module de calcul d'une différence de pression (36) entre ladite consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation effectivement obtenue, un 20 module de régulation agissant sur le turbocompresseur en calculant un état de réglage de celuici, comprenant un différentiateur (38) calculant une dérivée de la différence de pression d'après le temps; caractérisé en ce que le module de régulation comprend un élément 25 régulateur à mode glissant (37) renseigné par la différence de pression et par la dérivée de la différence de pression et fournissant une sortie exploitée pour agir sur le turbocompresseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de régulation comprend B 14252 JCI aussi un élément intégrateur (39) de la différence de pression d'après le temps, qui fournit une sortie s'ajoutant à la sortie de l'élément régulateur à mode glissant pour agir sur le turbocompresseur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le module de régulation comprend aussi une carte de prépositionnement (33) qui fournit une partie s'ajoutant à 10 la sortie de l'élément régulateur à mode glissant pour agir sur le turbocompresseur, et qui est renseigné par des indicateurs de régime du moteur et de débit de carburant injecté. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le module de régulation fournit une sortie non linéaire d'une combinaison linéaire de la différence de pression et de la dérivée de la différence de pression, comprenant 20 deux états extrêmes pour des valeurs extrêmes opposées de la combinaison linéaire. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le module 25 de régulation comprend des opérateurs (41, 43, 44, 45) de modification de signal au moyen d'un coefficient individuel réglable. B 14252 JCI