Brevet FR2919342A1 — publié le 20090130

La présente invention concerne un procédé de détermination d'un débit d'alimentation d'un compresseur pour un système de suralimentation à deux turbocompresseurs, notamment pour moteur à allumage par compression. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de détermination, par calcul, du débit d'alimentation dans chaque compresseur d'un système de suralimentation séquentiel parallèle à deux turbocompresseurs, pour garantir la sûreté de fonctionnement du système à l'aide d'un seul débitmètre. D'une manière générale, les moteurs à allumage par compression, appelés aussi moteurs Diesel nécessitent l'emploi d'un système de suralimentation pour obtenir des performances d'un niveau satisfaisant. Cette suralimentation est obtenue par un turbocompresseur qui utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner un compresseur, ce dernier fournissant de l'air à une pression plus élevée à l'admission du moteur. Comme les turbocompresseurs ont un champ de fonctionnement limité, il est difficile d'obtenir des performances à bas régime et à haut régime avec un seul turbocompresseur. C'est pourquoi, il a été proposé d'utiliser un système de suralimentation séquentiel parallèle à deux turbocompresseurs. Ce système fonctionne avec un seul turbocompresseur lorsque le moteur est à bas régime, et avec deux turbocompresseurs lorsqu'il est à haut régime. Un tel système de double suralimentation est connu du document FR-A-2 885 649. La figure 1 de la présente demande montre un schéma d'un tel système de double suralimentation. Ce système comporte deux compresseurs Cl et C2 en parallèle et deux turbines T1 et T2 en parallèle, chaque compresseur et sa turbine associée formant un turbocompresseur. Les turbines peuvent être à géométrie fixe ou variable : sur la figure 1, leur géométrie est fixe et la turbine T1 est équipée d'une vanne pour sa régulation. Afin d'éviter des phénomènes de pompage au niveau des compresseurs, il est fondamental de connaître avec précision le débit qui passe dans chaque compresseur à un instant donné. Une solution, simple et évidente, consiste à équiper le système de deux débitmètres : un pour connaître le débit total traversant le moteur et l'autre pour connaître le débit dans l'un des deux compresseurs. La connaissance de ces deux débits permet de déduire alors facilement le débit dans l'autre compresseur. Or, l'utilisation de deux débitmètres est coûteuse. L'objet de la présente invention est de réduire le coût du système, au moyen d'un procédé ne faisant intervenir qu'un seul débitmètre. Le principe de ce procédé est de mesurer le débit total entrant dans le moteur, et de générer un calcul de répartition de débit entre les deux compresseurs en fonction des situations de vie du moteur, en termes de régime, de pression de suralimentation, d'altitude, etc.... A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination du débit d'alimentation de chaque compresseur d'un système de suralimentation composé de deux compresseurs et de deux turbines, les compresseurs ainsi que les turbines étant disposés en parallèle, le premier compresseur étant alimenté avec un premier débit et le second avec un second débit, les deux compresseurs étant alimentés par une ligne principale possédant un débit total correspondant à la somme du premier et du second débit, cette ligne principale étant munie d'un débitmètre pour mesurer ce débit total, un régulateur de suralimentation étant prévu sur la première turbine, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : Mesure de la position du régulateur de pression, A partir d'une cartographie, détermination du rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total en fonction de la dite position, -Correction de ce rapport de débit en fonction du débit, d'air total mesuré par le débitmètre et la pression de suralimentation, - Calcul du débit dans chacun des compresseurs à 5 partir du débit total mesuré et du rapport de débit corrigé. Selon d'autres caractéristiques additionnelles du dispositif : 10 - Le régulateur de pression de suralimentation est équipé d'un un contrôle - La débit d'un fonction de calibrationcapteur de position qui transmet sa mesure à moteur pour alimenter la stratégie. cartographie, donnant le rapport entre le des deux compresseurs et le débit total en la dite position, est déterminée lors de la du moteur de manière expérimentale, au moyen 15 20 d'essais sur un moteur équipé d'un débitmètre mesurant le débit principal et d'un débitmètre mesurant le débit d'un des deux compresseurs. - Un facteur correctif de ce rapport de débit en fonction du débit d'air total mesuré par le débitmètre et de la pression de suralimentation, est déterminé à l'aide des deux champs compresseurs et d'un essai banc moteur. 25 - Le rapport de débit estimé par la stratégie est alors le rapport de débit cartographié multiplié par le facteur correctif inclus dans la stratégie. - A partir du débit total mesuré et du rapport de débit estimé, on déduit le débit dans chacun des 30 compresseurs. - Le facteur correctif est déterminé de la manière suivante : - calcul des équations des lignes de pompage à partir des champs compresseurs qui sont de la forme : 35 7tCl= al Qredl + bl pour le compresseur 1 7tC2= a2 Qred2 + b2 pour le compresseur 2 Où 7tCl et nC2 sont les taux de compression dans les compresseurs 1 et 2, et où Qredl et Qred2 sont les débits corrigés traversant les compresseurs 1 et 2, -déduction d'une ligne de pompage globale ayant pour équation : nC = a~az Qred + a1b2 + azb1 a~ + a2 a1 +a 2 Où 7tC est le taux de compression de l'ensemble constitué par les compresseurs, et où Qred est le débit corrigé qui traverse l'ensemble composé par les deux compresseurs, - cette équation donnant une variable 06 =7tC- ala2 Qred permettant de corriger le rapport entre a1 +a 2 le débit d'un des deux compresseurs et le débit total 15 déterminé à partir de la position du régulateur de pression de suralimentation, - le facteur correctif Coef du rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total étant de la forme : Coef = u î+ v où u et v sont 20 déterminés lors de la calibration du moteur. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures 25 annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système connu de double suralimentation, - la figure 2 montre une courbe de débit compresseur Cl / débit total en fonction de la position 30 du régulateur de suralimentation, - la figure 3 montre les courbes de rapport ente le débit compresseur Cl calculé et le débit compresseur Cl réel en fonction du facteur correctif, avant et après correction linéaire par rapport à cette variable. - la figure 4 montre les courbes de rapport ente le débit compresseur C2 calculé et le débit compresseur C2 réel en fonction du facteur correctif, avant et après correction linéaire par rapport à cette variable. - la figure 5 montre les lignes de pompage des compresseurs Cl et C2 ainsi que la ligne de pompage totale résultant de leur mise en parallèle. En reprenant la figure 1, le fonctionnement 10 séquentiel du système de suralimentation va être ci-dessous détaillé. Lorsque le moteur 1 fonctionne à bas régime, l'air d'admission passe par le compresseur Cl avant d'être dirigé dans le collecteur d'admission 2 du moteur 1 puis 15 pénètre dans ce moteur 1 pour participer au cycle de combustion. A la sortie de ce moteur 1, un collecteur de sortie 3 récupère les gaz d'échappement qu'il dirige vers la turbine T1 du turbocompresseur Cl car la vanne d'alimentation 4 à la turbine T2 du turbocompresseur est 20 fermée. La vanne d'isolation 8 du second turbocompresseur dans la ligne connectant celui-ci avec le collecteur d'admission 2 du moteur 1 est fermée dans cette phase à bas régime. Dès que la charge et le régime atteignent un 25 certain seuil, la phase de transition entre les modes de fonctionnement mono et bi-turbo débute. Durant cette phase, les vannes 8 et 4 sont ouvertes, la vanne 7 est fermée et le turbocompresseur TC2 se met en vitesse selon une stratégie permettant d'éviter tout ressenti pour le 30 client. Après la transition, le système fonctionne en mode bi turbo avec les deux turbines et les deux compresseurs en parallèle. Le régulateur 5 de suralimentation a une influence 35 sur les débits respectifs QC1 et QC2 vers les compresseurs Cl et C2. Quand le régulateur 5 de suralimentation qui équipe la turbine T1 à géométrie variable s'ouvre, la perméabilité de la turbine T1 est augmentée, donc le débit QT1 vers la turbine T1 augmente par rapport au débit QT2 vers la turbine T2. Comme les turbo-compreseurs sont en parallèle, il y a égalité des taux de détente côtés turbines et égalité des taux de compression côtés compresseur. Pour un taux de compression donné, la turbine traversée par plus de débit lors de l'ouverture du régulateur 5 de suralimentation à géométrie variable peut comprimer plus d'air et la turbine traversée par moins de débit comprimera moins d'air. On a alors une modification de la répartition de débit entre les compresseurs et le rapport entre le débit du compresseur Cl et le débit total augmente. Par le même raisonnement, on montre que quand le régulateur 5 de suralimentation qui équipe la turbine T1 à géométrie variable se ferme, le rapport entre le débit du compresseur Cl et le débit total diminue. Par essais, on peut déterminer la fonction entre la position du régulateur 5 et le rapport entre le débit du compresseur Cl et le débit total. Cette fonction est représentée par la figure 2. Ceci réalise une cartographie, donnant le rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total en fonction de la dite position. Cette cartographie peut être déterminée lors de la calibration du moteur de manière expérimentale, au moyen d'essais sur un moteur équipé d'un débitmètre mesurant le débit principal et d'un débitmètre mesurant le débit d'un des deux compresseurs. En se référant aux figures 3 et 4, la caractéristique trouvée par essais présente une dispersion pouvant atteindre +/- 15% sur les débits compresseurs Cl et C2, ce qui n'est pas acceptable. Un facteur correctif doit donc être déterminé pour réduire cette dispersion. Une source de dispersion provient des dispersions de rendement compresseur, on cherche donc une variable caractéristique des rendements compresseurs. Pour cela on utilise le fait que les iso-rendement compresseurs sont, à proximité de la ligne de pompage, parallèles à cette ligne de pompage. L'invention propose de construire une ligne de pompage fictive, déterminée comme étant la somme des lignes de pompage des compresseurs Cl et C2 comme sur la figure 5. La variable î devant servir à déterminer le coefficient correctif pour un point de fonctionnement est l'ordonnée à l'origine de la droite passant par ce point dans le plan Qred/7tC, parallèle à la ligne de pompage fictive. Ce facteur correctif du rapport de débit en fonction du débit d'air total mesuré par le débitmètre et de la pression de suralimentation est avantageusement déterminé à l'aide des deux champs compresseurs et d'un essai banc moteur. En traçant le rapport entre le débit compresseur Cl calculé et le débit compresseur Cl réel en fonction de la variable î, on obtient une tendance linéaire présentée dans la figure 3. De même en traçant le rapport entre le débit compresseur C2 calculé et le débit compresseur C2 réel en fonction de la variable î, on obtient une tendance linéaire présentée dans la figure 4. Le facteur correctif peut donc être déterminé de la manière suivante : -calcul des équations des lignes de pompage à partir des champs compresseurs qui sont de la forme : 35 7tCl= al Qredl + bl pour le compresseur Cl 7tC2= a2 Qred2 + b2 pour le compresseur C2 Où 'JtC1 et nC2 sont les taux de compression dans les compresseurs Cl et C2, et où Qredl et Qred2 sont les débits corrigés traversant les compresseurs Cl et C2, -déduction d'une ligne de pompage globale ayant pour équation : nC = alaz Qred + a1b2 + a2b1 al + a2 al +a 2 Où 7tC est le taux de compression de l'ensemble constitué par les compresseurs, et où Qred est le débit corrigé qui traverse l'ensemble composé par les deux compresseurs, - cette équation donnant la variable a précédemment citée a =nC- a1 a2 Qred permettant de a1 +a 2 corriger le rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total déterminé à partir de la position du régulateur de pression de suralimentation, - le facteur correctif Coef du rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total étant de la forme : Coef = u a+ v où u et v sont déterminés lors de la calibration du moteur. En appliquant alors une correction du type Coef = u a+ v à la première répartition calculée, on arrive à réduire l'erreur faite sur le débit compresseur Cl à moins de 5% comme le montre la figure 3. Avec l'estimation du débit compresseur Cl et la mesure du débit total traversant les deux compresseurs, on calcule le débit traversant le compresseur C2 par différence : débit compresseur C2 = débit total - débit compresseur Cl. Ce calcul permet d'obtenir une erreur sur l'estimation du débit compresseur C2 inférieure à 10% comme le montre la figure 4. L'erreur sur le débit du compresseur 2 est supérieure à celle sur le compresseur 1 à cause de la méthode de calcul et du fait que le compresseur C2 est traversé par moins de débit. Pour placer un point de fonctionnement dans le plan Qred/7tC, le taux de compression est calculé à partir des mesures de la pression atmosphérique et de pression de suralimentation à l'aide de modèles de perte de charges présents dans le contrôle moteur et le calcul du débit réduit se fait à partir de la mesure du débit d'air, des conditions atmosphériques et des modèles de perte de charge et de température en amont du compresseur. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du débit d'alimentation de chaque compresseur (C1,C2) d'un système de suralimentation composé de deux compresseurs (C1,C2) et de deux turbines (T1,T2), les compresseurs (C1,C2) ainsi que les turbines (T1,T2) étant disposés en parallèle, le premier compresseur (Cl) étant alimenté avec un premier débit (QC1) et le second (C2) avec un second débit (QC2), les deux compresseurs (C1,C2) étant alimentés par une ligne principale possédant un débit total (Qtot) correspondant à la somme du premier (QC1) et du second débit (QC2) , cette ligne principale étant munie d'un débitmètre pour mesurer ce débit total (Qtot), un régulateur (5) de suralimentation étant prévu sur la première turbine (T1), ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : Mesure de la position du régulateur (5) de pression, ^ A partir d'une cartographie, détermination du rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total (Qtot) en fonction de la dite position, Correction de ce rapport de débit en fonction du débit d'air total (Qtot) mesuré par le débitmètre et la pression de suralimentation, ^ Calcul du débit dans chacun des compresseurs (C1,C2) à partir du débit total (Qtot) 30 mesuré et du rapport de débit corrigé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur (5) de pression de suralimentation est équipé d'un capteur de position qui transmet sa mesure à un contrôle moteur pour alimenter la stratégie. 35 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cartographie, donnant le rapport entre le débit d'un des deux compresseurs (Cl ou C2) etle débit total (Qtot) en fonction de la dite position, est déterminée lors de la calibration du moteur de manière expérimentale, au moyen d'essais sur un moteur équipé d'un débitmètre mesurant le débit principal (Qtot) et d'un débitmètre mesurant le débit d'un des deux compresseurs (Cl ou C2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un facteur correctif (Coef) de ce rapport de débit en fonction du débit d'air total (Qtot) mesuré par le débitmètre et de la pression de suralimentation, est déterminé à l'aide des deux champs compresseurs et d'un essai banc moteur. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rapport de débit estimé par la stratégie est alors le rapport de débit cartographié multiplié par le facteur correctif (Coef) inclus dans la stratégie. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à partir du débit total (Qtot) mesuré et du rapport de débit estimé, on déduit le débit (QC1 ou QC2) dans chacun des compresseurs (C1,C2). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le facteur corectif (Coef) est déterminé de la manière suivante : -calcul des équations des lignes de pompage à partir des champs compresseurs, ces équations étant de la forme : 'TtC1= a1 Qredl + bl pour le compresseur Cl 7tC2= a2 Qred2 + b2 pour le compresseur C2 Où 7tC1 et nC2 sont les taux de compression dans les compresseurs Cl et C2, et où Qredl et Qred2 sont les débits corrigés traversant les compresseurs Cl et C2, - déduction d'une ligne de pompage globale ayant pour équation :7tC = a~az Qred + a1bz + azb1 a~+a2 a1+a 2 Où 7tC est le taux de compression de l'ensemble constitué par les compresseurs (C1,C2), et où Qred est le débit corrigé qui traverse l'ensemble composé par les deux compresseurs (C1,C2), cette équation donnant une variable a =7tC- a~a2 Qred permettant de corriger le a1 +a 2 rapport entre le débit (QC1 ou QC2) d'un des deux compresseurs (Cl ou C2) et le débit total (Qtot) déterminé à partir de la position du régulateur (5) de pression de suralimentation, - le facteur correctif (Coef) du rapport entre le débit (QC1 ou QC2) d'un des deux compresseurs (Cl ou C2) et le débit total (Qtot) est de la forme : Coef = u a+ v où u et v sont déterminés lors de la calibration du moteur.