Brevet FR2921114A1 — publié le 20090320

Méthode de détermination d'une pression en entrée d'une turbine de turbocompresseur équipant un moteur thermique L'invention concerne la détermination d'une pression en entrée d'une turbine d'un turbocompresseur équipant un moteur thermique. La puissance d'un moteur thermique dépend directement de la quantité d'air pouvant être admis dans ses chambres de combustion, laquelle est principalement conditionnée par la densité de cet air en entrée des chambres. Ainsi, la puissance d'un moteur de cylindrée donnée peut être accrue par suralimentation, c'est-à-dire en compressant l'air avant admission dans ses cylindres. Le turbocompresseur qui est le dispositif de suralimentation le plus utilisé comprend une turbine située en sortie du moteur pour récupérer une partie de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement, couplée à un compresseur situé en entrée du moteur pour augmenter la densité de l'air d'admission. Le fonctionnement de la turbine nécessite un rapport de pression important entre l'entrée et la sortie de cette turbine. II est donc indispensable d'accroître la pression en sortie du moteur, qui dépend ainsi de la caractéristique de débit de la turbine. Cette augmentation de la pression en sortie de moteur se traduit par une augmentation des pertes dues au transfert des gaz, et par une augmentation de la quantité de gaz brulés pouvant rester dans les chambres de combustion. L'intégration d'un turbocompresseur provoque d'autre part une 25 augmentation de la température des gaz en début de combustion, ce qui se traduit par une augmentation de la température des gaz brûlés. L'augmentation des pertes dues au transfert des gaz peut être compensée par les gains procurés par l'augmentation de la pression de l'air d'admission. Mais si la suralimentation est utilisée dans une large plage de 30 fonctionnement, les pertes sont plus importantes que les gains dans une partie de la plage de fonctionnement. Pour ce qui est des gaz brûlés restant dans les chambres de combustion, ils occupent une partie de l'espace disponible, ce qui réduit la quantité d'air frais pouvant être admis. De plus ces gaz peuvent dégrader la combustion du cycle suivant, particulièrement dans le cas d'un moteur à allumage commandé. Ainsi, la pression en sortie du moteur, c'est à dire en entrée de turbine, a un effet fondamental sur le fonctionnement du moteur et sur son optimisation, et cette pression dépend de la caractéristique de débit de la turbine. Cette pression dépend notamment de la caractéristique de débit de la turbine et de l'ouverture de turbine : le turbocompresseur peut être du type à géométrie variable, l'inclinaison des ailettes du stator qui canalisent l'introduction du gaz dans les aubes du rotor de turbine étant par exemple variable, et étant pilotée par une unité de commande dite d'ouverture de turbine. Dans le cas d'un turbocompresseur à géométrie fixe, le circuit de suralimentation peut comprendre une branche de dérivation de la turbine, appelée "bypass" ou "waste gate", pourvue d'une électrovanne. Dans ce cas, le gaz issu des chambres de combustion qui passe dans cette branche ne traverse pas la turbine. Cette électrovanne est alors pilotée par une unité de commande dite d'ouverture de turbine, ce qui permet de réguler le débit et donc la pression en entrée de turbine. Cependant, les grandeurs fournies par les constructeurs, représentatives du comportement de la turbine dépendent de la pression à son entrée. En d'autres termes, les méthodes connues ne permettent pas de déterminer avec précision la pression en entrée de turbine à partir de données constructeur. D'autre part, il s'avère complexe de mesurer directement cette pression du fait qu'elle varie fortement à une fréquence dépendant du régime moteur, et que l'intégration d'un capteur de pression approprié n'est pas possible dans la région située entre le moteur et la turbine. Le but de l'invention est de proposer une méthode pour exprimer la pression en entrée de la turbine en fonction de grandeurs physiques se rapportant au moteur. A cet effet, l'invention a pour objet une méthode de détermination, dans un moteur thermique suralimenté, d'une pression moyenne P3 en entrée d'une turbine d'un turbocompresseur équipant ce moteur, ce moteur comprenant une commande d'ouverture de turbine telle qu'une commande d'une électrovanne de régulation du débit de gaz entrant dans la turbine, dans laquelle on évalue par mesure et/ou par calcul, une grandeur représentative de l'ouverture de turbine, la température T3 du gaz entrant dans la turbine, la pression P4 du gaz sortant de la turbine, et le débit massique Qgb du gaz traversant la turbine, dans laquelle on détermine à partir de ces données un débit adapté Qadapt avec la relation Qadapt = Qgb. T3 / P4 , dans laquelle on lit dans une table de données une valeur de taux de détente Pit de la turbine associée au couple de valeurs formé par le débit adapté Qadapt et l'ouverture de turbine, et dans laquelle on multiplie le taux de détente Pit par la pression en sortie de turbine P4 pour déterminer la pression en entrée de turbine P3. Ainsi, il apparaît que le taux de détente de la turbine dépend uniquement du débit adapté et de l'ouverture de turbine. II est donc possible, en exprimant le débit adapté comme indiqué ci-dessus, et une grandeur représentative de l'état de la commande d'ouverture de turbine, de déterminer la pression en entrée de turbine, à partir de données de fonctionnement extérieures à cette turbine. L'invention concerne également une méthode telle que définie ci-dessus, dans laquelle la pression en sortie de turbine P4 est déterminée à partir de l'évaluation,du débit massique de gaz Qgb, d'une évaluation de la pression atmosphérique P0, d'une valeur de contre pression CPE à un débit de référence Qref, avec la relation P4 = PO+CPE * Qgb z . Qref L'invention concerne également une méthode telle que définie ci-dessus, dans laquelle la pression P4 en sortie de turbine est déterminée par 25 mesure directe avec un capteur de pression. L'invention concerne également une méthode telle que définie ci-dessus, dans laquelle la valeur d'ouverture de turbine est issue d'une unité de commande d'ouverture de turbine. L'invention concerne également une méthode telle que définie ci- 30 dessus, dans laquelle le débit de gaz Qair entrant dans le compresseur est déterminé à partir du débit de gaz Qgb sortant de la turbine et d'un facteur k représentatif du rapport entre le débit de gaz Qgb sortant de la turbine et le débit de gaz Qair entrant dans le compresseur, avec la relation Qgb = k.Qair. L'invention concerne également une méthode telle que définie ci-dessus, dans laquelle la table de données donnant le taux de la compression Pit de la turbine en fonction du débit adapté Qadapt et de l'ouverture de la turbine est établie en effectuant des essais de la turbine à différents points de fonctionnement. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux figures annexées. La figure 1 est une représentation fonctionnelle d'un moteur équipé d'un turbocompresseur ; La figure 2 est un graphe permettant de déterminer un taux de détente de turbine à partir de sa puissance adaptée et de son débit adapté. L'idée à la base de l'invention est d'estimer, dans un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, la pression, notée P3, en sortie de ce moteur, c'est à dire en entrée de la turbine du turbocompresseur. Cette estimation est effectuée à partir d'une représentation fonctionnelle du turbocompresseur, du besoin en suralimentation, de la pression en sortie de turbine et de l'énergie fournie par le moteur. Le moteur est modélisé en trois entités fonctionnelles apparaissant sur le figure 1 : un bloc situé en amont de la turbine comprenant le moteur, le compresseur, les lignes d'air d'admission, le compresseur et les organes augmentant la densité de l'air, et les lignes d'air situées entre le moteur et l'entrée turbine ; la turbine en elle-même ; et la ligne d'échappement entre la turbine et la sortie. La figure 1 comporte également un bloc représentatif de l'ouverture de turbine qui conditionne également le point de fonctionnement du groupe motopropulseur. Le fonctionnement du moteur conditionne ou définit les variables suivantes : le débit d'air frais, noté Qair ; le débit de carburant noté Qcarb ; et la température en sortie du moteur, c'est à dire en entrée de la turbine, qui est notée T3. Pour obtenir ce débit d'air, le compresseur génère un certain taux de compression, noté Pic, qui est le rapport entre la pression P1 en entrée du compresseur, et la pression P2 en sortie du compresseur. Le compresseur a un rendement qui dépend de la température Ti à son entrée, du débit d'air du moteur et du taux de compression, ce qui définit la puissance Pwc nécessaire pour effectuer la suralimentation. II résulte de ce fonctionnement la température T2 en sortie du compresseur. Pour obtenir une puissance souhaitée au niveau du compresseur, la commande d'ouverture de turbine est pilotée en conséquence : le débit passant par la turbine peut être augmenté ou réduit en modifiant l'ouverture de l'électrovanne de la branche de dérivation de la turbine, ou bien l'inclinaison des ailettes du stator de turbine. La somme du débit d'air frais et du débit de carburant qui sont admis dans le moteur correspond au débit Qgb évacué par la ligne d'échappement. Compte tenu de la perméabilité de la ligne échappement qui est située en sortie de la turbine, il est possible d'estimer la pression P4 en sortie de turbine. Cette représentation fonctionnelle proposée permet d'isoler l'inconnue du problème, à savoir la pression P3 en entrée de turbine. Pour cela, on introduit les notations Qtred et Qcred qui correspondent respectivement au débit corrigé de la turbine et au débit corrigé du compresseur : Qtred =Qgb * T3 et Qcred = Qair * Tl [1 ] P3 Pl On introduit également la grandeur Qadapt qui est homogène au débit réel moyennant la température T3 et la pression P4. Cette grandeur est intrinsèque à la turbine, alors que la température T3 est uniquement conditionnée par le fonctionnement du moteur, et que la pression P4 dépend seulement de la perte de charge de la ligne échappement : Qadapt = Qred.PR = QgP4T3 [2] La pression P4 peut s'exprimer en fonction du débit d'échappement et de la perméabilité de la ligne, avec la relation suivante dans laquelle PO désigne la pression atmosphérique, et CPE la contre pression à l'échappement pour un débit de référence noté Qref : z P4 = PO + CPE * Qgb [3] Qref Cette pression P4 peut aussi être évaluée différemment ou encore être mesurée. La commande d'ouverture de turbine est ensuite ajustée pour obtenir la puissance requise par le compresseur, conformément à la relation suivante dans laquelle Cpair désigne la capacité calorifique de l'air : Pwc = Qair * Cpair * (T2 ù Tl) [4] Ceci permet de déterminer la puissance réduite de la turbine, notée Pwtred, et la puissance réduite du compresseur, notée Pwcred : Pwtred = Pwc et Pwcred = Pwc [5] T3*P3 Tl*Pl La puissance turbine réduite est également déterminée par : 1 Pwtred = Qgb * Cpgb * T3 * P4 i ) * T 3 * P3 Le Cpgb désigne la capacité calorifique des gaz amont turbine. Le 7 correspond au coefficient polytropique des gaz amont turbine. Le ~7t correspond au rendement de la turbine. La puissance adaptée est déterminée à partir de la relation suivante : Padapt = Pwtred * PR = Pwc [6] T3 *P4 Cette grandeur est elle aussi homogène à la puissance réelle, moyennant la température T3 et la pression P4 qui dépendent respectivement du fonctionnement du moteur et de la perte de charge de la ligne d'échappement, tout en restant intrinsèque à la turbine. II s'ensuit que le fonctionnement de la turbine est entièrement caractérisé par deux faisceaux de courbes obtenus en balayant les régimes corrigés, et exprimant respectivement le débit adapté et la puissance adaptée, en fonction du taux de détente. On a donc transformé la caractérisation turbine exprimée par le régime turbine, le taux de détente turbine, le débit turbine et le rendement turbine dans des conditions de références par une nouvelle caractéristique qui est exprimée par un régime turbine corrigé, le taux de détente, le débit adapté et la puissance adapté. Les notations � adaptées � à la turbine sont à rapprocher, de par leur structure, aux notations � corrigées� au compresseur. En effet en utilisant un abus de langage, on peut considérer que le compresseur génère de la P2 et de la T2 et subit la P1 et la Ti imposées par la ligne admission, et de manière analogue, que la turbine génère de la P3 et de la T4 et subit la T3 et la P4 imposées par les cylindres et la ligne échappement. Un choix judicieux de paramètres consiste à rendre implicites les variables P2, T2, P3, T4 qui sont conditionnées par le fonctionnement du turbocompresseur, et à rendre explicite les variables P1, Ti, P4, T3 qui sont conditionnées par les lignes d'admission et d'échappement et les cylindres. La correspondance entre les représentations fonctionnelles des lignes d'air, du compresseurs, des cylindres, et de la turbine se fait alors de manière naturelle puisque les sorties des uns sont les entrées des autres. En fonctionnement stabilisé la puissance réelle et le régime réel sont égaux au compresseur et à la turbine : Pwc = Pwt, et Nc = Nt. De plus le débit réel de gaz traversant la turbine est égal au débit réel de gaz traversant le compresseur multiplié par un facteur k intégrant le carburant injecté, ainsi que d'autres phénomènes ayant une incidence sur ces débits. En particulier, la fraction de débit passant par la branche de dérivation, c'est-à-dire ne traversant pas la turbine, peut être exprimée en fonction de l'état de la commande d'ouverture de turbine, pour être prise en compte dans le facteur k. Qgb = k * Qair Les courbes caractéristiques du compresseur peuvent être tracées dans le référentiel adapté turbine, en utilisant les relations suivantes dans lesquelles N désigne le régime réel du turbocompresseur, et Tref une température de référence à laquelle ce régime est mesuré : Pwc Pwc * .\iTl * Pl = * Tl * Pl ù Pwcred T3 * P4 Tl * Pl T3 P4 T3 P4 Qgb * T3 k * Q a i r * Tl .iT3 Pl T3 Pl Qadapt = _ * ù * ù = Qcred * k * ù * [8] P4 Pl Tl P4 Tl P4 10 Ncorr = N * /Tref N * I T Tl f * ~ Tl T3 Ncorrcomp * I T3 [9] Ainsi à partir de données constructeur représentatives du comportement du compresseur, d'une hypothèse de P1/P4, d'une hypothèse de T1/T3, d'une hypothèse de rapport k entre les débits compresseur et turbine, nous pouvons obtenir l'intersection des caractéristiques turbine et 15 compresseur pour chaque iso régime et réduire le faisceau turbine à deux courbes dans les repères Puissance adaptée - Débit adapté et Taux de détente - Débit adapté, pour chaque état de la commande d'ouverture. En effet, a partir de la caratéristique turbine on a un caractéristique permettant d'exprimer la puissance adaptée en fonction du débit adapté pour 20 un régime donné. Pour le même régime, le compresseur a sa propre caractéristique dépendant également de la puissance adaptée en fonction du débit adapté comme décrit ci-dessus. C'est en croisant les 2 caractéristiques que l'on obtient l'intersection évoquée ci-dessus. Lorsque l'on balaye les régimes de fonctionnement de l'ensemble 25 turbocompresseur, on obtient donc une caractéristique unique exprimée par le taux de détente turbine, le débit adpaté et la puissance adaptée. Ces courbes sont des quadratiques quasi-parfaites particulièrement robustes aux hypothèses de P1/P4, T1/T3 et k, et elles sont intrinsèques à Padapt = [7] l'association d'une turbine et d'un compresseur. Elles peuvent être estimées de manière approchée directement à partir de données constructeur si le compresseur qui a servi à la caractérisation correspond à celui de l'application étudiée. On peut donc définir une série comme la donnée tabulée du taux de détente, du débit adapté et de la puissance adaptée pour une ouverture de turbine ou d'un système de suralimentation. II est recommandé d'obtenir cette série pour une turbine et un compresseur à partir de la réduction fonctionnelle de la turbine et de données constructeur relatives au compresseur. Un des intérêts principaux de la représentation par série est de pouvoir tracer sur un même graphique les iso taux de détente pour les différentes ouvertures d'un système de suralimentation. Dans le graphe de la figure 2, chaque trait plein correspond à une série, c'est-à-dire à un état de la commande d'ouverture de turbine. Les courbes iso-taux de détente sont quant à elles représentées en pointillés. Par association de séries, il est donc possible de simuler toute architecture de suralimentation. Par conséquent partant d'un point de fonctionnement moteur, pour lequel on connaît le débit Qgb de gaz traversant la turbine, l'état de la commande d'ouverture de turbine, la température T3 du gaz en entrée de la turbine, et la pression P4 du gaz en sortie de la turbine, il est possible de traduire ces données en une grandeur adaptée Qadapt et une grandeur représentative de l'état de la commande d'ouverture de turbine. Dans le graphe de la figure 2, la valeur Qadapt correspond à une droite verticale, et la valeur de l'état de la commande d'ouverture, ou ouverture de turbine, correspond au choix de l'une ou l'autre des courbes en trait plein. II est ainsi possible de représenter le point de fonctionnement du moteur, et donc d'en déduire la valeur du taux de détente de la turbine pour ce point de fonctionnement, à partir des courbes iso-taux de détente. La précision du résultat, c'est-à-dire du taux de détente, peut être améliorée en effectuant des interpolations. L'ensemble de ces données est par exemple mémorisées sous forme d'une table à deux entrées, à savoir le débit Qadapt et l'ouverture de turbine, et une grandeur de sortie, à savoir le taux de détente. Comme le taux de détente est défini par Pit = P3/P4, on peut exprimer la pression en entrée de turbine : P3 = Pit.P4. Cette méthode permet d'anticiper sans mesure ou de vérifier la mesure de la pression en entrée de turbine à partir des données constructeur représentatives du comportement du compresseur et de la turbine. Elle permet de vérifier la concordance entre la mesure et le fonctionnement nominal de la machine de suralimentation afin d'anticiper un éventuel dysfonctionnement du moteur. Cette pression peut être utilisée dans le cadre d'un diagnostic moteur, pour en optimiser le fonctionnement, où elle constitue une grandeur fonctionnelle. Elle peut également être exploitée par une unité de commande du moteur en vue d'optimiser continûment son fonctionnement. Une implémentation de cette méthode peut consister à déterminer par mesure directe les températures Ti, T2 et T3, et la pression P4 du gaz sortant de la turbine. La valeur du débit Qgb est ensuite déduite de ces valeurs en utilisant la relation [3], l'ouverture de turbine est par exemple directement issue d'un calculateur de contrôle moteur ou bien d'une unité de commande d'ouverture de turbine. REVENDICATIONS 1. Méthode de détermination, dans un moteur thermique suralimenté, d'une pression moyenne (P3) en entrée d'une turbine d'un turbocompresseur équipant ce moteur, ce moteur comprenant une commande d'ouverture de turbine telle qu'une commande d'une électrovanne de régulation du débit de gaz entrant dans la turbine, dans laquelle on évalue par mesure et/ou par calcul, une grandeur représentative de l'ouverture de turbine, la température (T3) du gaz entrant dans la turbine, la pression (P4) du gaz sortant de la turbine, et le débit massique (Qgb) du gaz traversant la turbine, dans laquelle on détermine à partir de ces données un débit adapté (Qadapt) avec la relation Qadapt = Qgb. T3 /P4 , dans laquelle on lit dans une table de données une valeur de taux de détente (Pit) de la turbine associée au couple de valeurs formé par le débit adapté (Qadapt) et l'ouverture de turbine, et dans laquelle on multiplie le taux de détente (Pit) par la pression en sortie de turbine (P4) pour déterminer la pression en entrée de turbine (P3). 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle la pression en sortie de turbine (P4) est déterminée à partir de l'évaluation,du débit massique de gaz (Qgb), d'une évaluation de la pression atmosphérique (P0), d'une valeur de contre pression CPE à un débit de référence Qref, avec la relation P4 = PO + CPE * 2 Qgb Qref 3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la pression (P4) en sortie de turbine est déterminée par mesure directe avec un capteur de pression. 4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle la valeur 25 d'ouverture de turbine est issue d'une unité de commande d'ouverture de turbine. 5. Méthode selon la revendication 4, dans laquelle le débit de gaz (Qair) entrant dans le compresseur est déterminé à partir du débit de gaz (Qgb) sortant de la turbine et d'un facteur (k) représentatif du rapport entre le 30 débit de gaz (Qgb) sortant de la turbine et le débit de gaz (Qair) entrant dans le compresseur, avec la relation Qgb = k.Qair. 6. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la table de données donnant le taux de la compression (Pit) de la turbine en fonction du débit adapté (Qadapt) et de l'ouverture de turbine est établie en effectuant des essais de la turbine à différents points de fonctionnement.