Brevet FR2925125A1 — publié le 20090619

PROCEDE D'INTERDICTION DE PASSAGE EN MODE BI-TURBO AFIN D'EVITER LE POMPAGE DANS UN SYSTEME DE SURALIMENTATION La présente invention concerne un procédé pour éviter le pompage dans un système de suralimentation à deux turbocompresseurs, notamment pour moteur à allumage par compression. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé pour éviter le pompage, ce procédé étant basé sur la valeur d'ouverture de la géométrie variable du système de suralimentation à deux turbocompresseurs. Dans une autre forme de réalisation, la présente invention concerne aussi un procédé pour interdire le passage en mode bi-turbo du système quand existe un risque potentiel de pompage. 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 TC1 ou TC2. Les turbines peuvent être à géométrie fixe ou variable : sur la figure 1, la géométrie de la turbine T2 est fixe tandis que la géométrie de la turbine T1 est variable. Ce système présente un risque de pompage en mode bi-turbo lié à la répartition de débit entre les compresseurs. Pour un point de fonctionnement donné, si la géométrie variable est trop ouverte, le compresseur Cl prend une grande proportion du débit et le turbo compresseur TC2 pompe et si la géométrie variable est trop fermée, le compresseur Cl n'a plus assez de débit et il pompe. Le problème de pompage dans un système de suralimentation à deux turbocompresseurs est déjà connu. 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 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 et de prévoir quand un phénomène de pompage peut se produire. Le but de la présente invention est d'éviter le phénomène de pompage dans un système de suralimentation à deux turbocompresseurs en empêchant ce système de fonctionner dans des zones où il est susceptible de pomper. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour éviter le pompage dans un système de suralimentation, commandé par un contrôle moteur et composé de deux compresseurs et de deux turbines, les compresseurs ainsi que les turbines étant disposés en parallèle, une des turbines étant à géométrie variable et l'autre à géométrie fixe, 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, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : - détermination du débit d'air minimal pour chaque compresseur avant pompage en fonction du taux de compression de ce compresseur, - détermination, à partir de ces débits d'air minimaux dans les deux compresseurs de la position respective de la géométrie variable correspondant à un débit minimal, le rapport du débit d'un des compresseurs sur le débit total étant fonction de la position de la géométrie variable selon une cartographie prédéterminée, ces positions respectives de la géométrie variable formant les butées logicielles minimale et maximale de celle-ci, - implémentation dans le contrôle moteur des valeurs de butées logicielles minimale et maximale à ne pas dépasser dans tous les cas de fonctionnement moteur, afin d'éviter le pompage d'un des compresseurs. Avantageusement, quand la butée en fermeture de la géométrie variable est atteinte et que la consigne de pression de suralimentation n'est pas atteinte, le procédé comprend un étape de limitation du débit carburant à l'aide d'une cartographie fumée afin de protéger le moteur. Avantageusement, quand la butée en ouverture de la géométrie variable est atteinte et que la consigne de pression de suralimentation est dépassée, le procédé comprend une étape de baisse progressive du débit carburant jusqu'à ce que la consigne de pression de suralimentation soit de nouveau atteinte. Préférentiellement, cette baisse du débit carburant est effectuée de manière progressive et contrôlée afin d'éviter des oscillations de la position de géométrie variable autour de sa butée logicielle en ouverture. L'invention concerne aussi un procédé d'interdiction de passage en mode bi-turbo afin d'éviter le pompage dans un système de suralimentation, ce système étant alors en mode mono-turbo et commandé par un contrôle moteur, et étant composé de deux compresseurs et de deux turbines, les compresseurs ainsi que les turbines étant disposés en parallèle, une des turbines étant à géométrie variable et l'autre à géométrie fixe, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes: - calcul par le contrôle moteur, à partir de la valeur de position de la géométrie variable, du débit théorique que chaque compresseur aurait si le système passait en mode bi-turbo, le rapport du débit d'un des compresseurs sur le débit total étant fonction de la position de la géométrie variable selon une cartographie prédéterminée, comparaison par le contrôle moteur du débit théorique déterminé pour chaque compresseur avec le débit minimal avant pompage de ce compresseur, - si un de ces débits est inférieur à ce débit minimal, interdiction par le contrôle moteur du passage 25 en mode bi-turbo. Selon des caractéristiques additionnelles de la présente invention : - le débit d'air minimal d'un compresseur est 30 calculé selon une cartographie donnant le taux de compression en fonction du débit du compresseur sur la ligne de pompage de compresseur, ce taux de compression étant calculé à partir de la mesure de la pression d'admission, de la pression atmosphérique, du débit d'air 35 moteur et des modèles de perte de charge d'admission, - la cartographie prédéterminée reliant le rapport de débit à la position de la géométrie variable se fait 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 pour différentes positions de la géométrie variable. L'invention concerne aussi un ensemble contrôle moteur et système de suralimentation composé de deux compresseurs et de deux turbines, les compresseurs ainsi que les turbines étant disposés en parallèle, une des turbines étant à géométrie variable et l'autre à géométrie fixe, 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, caractérisé en ce que la position de la géométrie variable est déterminée par un capteur de position qui transmet sa mesure à un contrôle moteur, ce contrôle moteur intégrant une stratégie pour la mise en oeuvre d'un tel procédé pour éviter le pompage dans un système de suralimentation et/ou d'un tel procédé pour l'interdiction de passage en mode bi-turbo. L'invention va maintenant être décrite plus en 25 détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système connu de double suralimentation, - la figure 2 montre une courbe du taux de 30 compression en fonction du débit réduit pour un compresseur ainsi que la ligne de pompage relative à ce compresseur. En reprenant la figure 1, le fonctionnement 35 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 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 TC1 car la vanne d'alimentation 4 à la turbine T2 du turbocompresseur TC2 est fermée. La vanne d'isolation 8 du second turbocompresseur TC2 dans la ligne connectant celui-ci avec le collecteur d'admission 2 du moteur 1 est fermée dans cette phase à bas régime. La turbine T1 est à géométrie variable, permettant de réguler l'énergie transmise par les gaz d'échappement 15 vers le compresseur. Un mode de réalisation de la géométrie variable consiste en une couronne d'aubages distributeurs dont le calage est réglé et permet de l'adapter au régime du moteur, la position des aubages distributeurs s'adaptant 20 au débit fourni par celui-ci. A fort régime moteur, ces aubes distributrices laissent une section de passage importante aux gaz chauds, alors que l'inclinaison de ces aubes diminue cette même section de passage aux bas régimes. 25 Il est aussi possible de régler la puissance fournie par les gaz d'échappement à cette turbine en installant une soupape de décharge à l'entrée de cette turbine ce qui diminue le débit acheminé à la turbine selon l'ouverture de cette soupape de décharge. 30 Dès que la charge et le régime atteignent un 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 35 une stratégie permettant d'éviter tout ressenti pour le client. Après la transition, le système fonctionne en mode bi turbo avec les deux turbines et les deux compresseurs en parallèle. La position de la géométrie variable 5 de la turbine T1 a une influence sur les débits respectifs QC1 et QC2 vers les compresseurs Cl et C2. Quand cette géométrie variable 5 qui équipe la turbine T1 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-compresseurs sont en parallèle, il y a égalité des taux de détente côté turbines et égalité des taux de compression côté compresseurs. Pour un taux de compression donné, la turbine traversée par plus de débit lors de la modification de la géométrie variable 5 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 la géométrie variable 5 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 de la géométrie variable 5 et le rapport entre le débit du compresseur Cl et le débit total. Une cartographie est ainsi réalisée, donnant le rapport entre le débit d'un des deux compresseurs et le débit total en fonction de la position de cette géométrie variable 5. 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. Comme énoncé précédemment, le système de suralimentation décrit présente un risque de pompage en mode bi-turbo lié à la répartition de débit entre les compresseurs. Pour un point de fonctionnement donné, si la géométrie variable 5 est trop ouverte, le compresseur Cl prend une grande proportion du débit et le turbo T2 pompe et si la géométrie variable 5 est trop fermée, le compresseur Cl n'a plus assez de débit et il pompe. Il convient d'élaborer un procédé pour éviter le 10 pompage d'un des compresseurs Cl ou C2. Selon la présente invention, le procédé pour éviter le pompage dans un système de suralimentation, commandé par un contrôle moteur et composé de deux compresseurs C1,C2 et de deux turbines T1,T2, les compresseurs C1,C2 15 ainsi que les turbines T1,T2 étant disposés en parallèle, une T1 des turbines étant à géométrie variable 5 et l'autre T2 à géométrie fixe, 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 20 étant alimentés par une ligne principale possédant un débit total Qtot correspondant à la somme du premier QC1 et du second débit QC2, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes . - détermination du débit d'air minimal QClm ou QC2m 25 pour chaque compresseur Cl ou C2 avant pompage en fonction du taux de compression de ce compresseur Cl ou C2, -détermination, à partir de ces débits d'air minimaux QClm ou QC2m dans les deux compresseurs Cl et C2 30 de la position respective de la géométrie variable 5 correspondant à un débit minimal QClm ou QC2m, le rapport du débit QC1 ou QC2 d'un des compresseurs Cl ou C2 sur le débit total Qtot étant fonction de la position de la géométrie variable 5 selon une cartographie 35 prédéterminée, ces positions respectives de la géométrie variable 5 formant les butées logicielles minimale et maximale de celle-ci, - implémentation dans le contrôle moteur des valeurs de butées logicielles minimale et maximale à ne pas dépasser dans tous les cas de fonctionnement moteur, afin d'éviter le pompage d'un des compresseurs Cl ou C2. Ainsi, les étapes du procédé consistent essentiellement à déterminer, pour un point de fonctionnement donné, les butées logicielles minimale et maximale de la géométrie variable 5 de la turbine Tl entre lesquelles il n'y a pas de risque de pompage. La figure 2 montre une courbe du taux de compression en fonction du débit réduit pour un compresseur ainsi que la ligne de pompage relative à ce compresseur. A partir de la mesure de la pression admission, de la pression atmosphérique, du débit d'air moteur et des modèles de perte de charge admission, il est possible de déterminer le taux de compression dans chaque compresseur Cl ou C2. Quand la ligne de pompage est connue pour un compresseur en partant de ce taux de compression, on peut déterminer le débit minimal référencé QCm et pouvant être QClm ou QC2m respectivement pour le compresseur Cl ou C2. Ce débit minimal référencé QCm est celui à partir duquel un compresseur Cl ou C2 va pomper. On en déduit la plage de débit total en dessous duquel chaque compresseur Cl ou C2 ne doit pas descendre, ce qui permet de déterminer la répartition de débit autorisée, pour éviter le pompage du système. Cette plage correspond à des positions de la turbine, qui peuvent être déterminées au moyen d'une loi décrite dans la demande de brevet français N°0756712 non encore publiée. Le réglage des performances d'un moteur à combustion est fait selon, d'une lois de contrôle et de commande logicielle et, d'autre part, caractérisation regroupés sous le terme calibration. Ces part, un ensemble de formant la stratégie des paramètres de éléments sont contenus dans l'unité de commande électronique du moteur, dans un calculateur appelé communément UCE. Par l'intermédiaire de cette unité de commande du moteur, la pression de suralimentation est asservie à celle du collecteur d'admission. L'unité de commande recalcule en continu la consigne de pression de suralimentation en fonction notamment du régime du moteur et du débit de carburant. Ainsi l'unité de commande permet au turbocompresseur par l'intermédiaire de régulateurs de faire coïncider la consigne de pression de suralimentation à la pression réelle régnant dans le collecteur d'admission. La convergence de la pression de suralimentation 15 vers sa valeur de consigne pendant un régime transitoire doit être à la fois plus rapide et stable. Dans la stratégie logicielle contenue dans l'unité de commande électronique, une cartographie fumée détermine les limites de débit de carburant acceptables 20 en fonction du couple du moteur admissible et de la nécessité de ne pas produire de fumées noires. En ce qui concerne le débit carburant, la position d'enfoncement de la pédale d'accélération est détectée par l'unité de commande électronique et traduite par elle 25 en une consigne de débit carburant. Cette consigne est limitée par des seuils qui sont notamment fonction du débit d'air frais et du régime du moteur. Le débit d'air frais peut être mesuré par un débitmètre ou calculé. On limite ainsi les particules de fumées noires présentes 30 dans les gaz d'échappement du moteur à cause d'une richesse excessive du mélange en carburant. Conformément au procédé selon la présente invention, il est imposé par le contrôle moteur au turbocompresseur de ne pas dépasser les butées 35 logicielles de position de la géométrie variable précédemment mentionnées, dans le cas ou un risque de pompage existe, même si une consigne de suralimentation n'est pas atteinte. Deux cas peuvent se présenter alors. Dans le premier cas, quand la butée en fermeture est atteinte pour protéger le turbo compresseur TC1 et que la consigne de suralimentation n'est pas atteinte, le moteur peut manquer d'air. Le procédé prévoit avantageusement de limiter le débit carburant par l'utilisation de la cartographie fumée pour la protection du moteur, cartographie qui est prévue dans l'unité de commande électronique. Le second cas se présente quand la butée à l'ouverture est atteinte pour protéger le turbo compresseur 2 et que le moteur est au-dessus de la consigne de suralimentation et ne peut pas descendre du fait de l'interdiction de s'ouvrir donnée à la géométrie variable de la turbine T1 par le présent procédé. Dans ce cas, il n'y a pas de problème à faibles charges mais il y a un risque de survitesse turbo ou de dépassement de critère moteur à forte charge. En effet, lorsque l'on dispose de trop d'énergie pour le turbocompresseur, on atteint des vitesses de rotation de celui-ci trop élevées ce qui peut conduire à la casse de ce turbocompresseur, voire du moteur. Pour protéger le système de suralimentation, une étape additionnelle du procédé selon l'invention consiste en la diminution progressive du débit carburant jusqu'à atteindre la consigne de suralimentation. Une loi logicielle concernant le débit carburant était aussi prévue dans l'unité de commande électronique du moteur avec une consigne de débit carburant. Il suffira donc de prendre ce cas de figure dans la loi logicielle régissant le débit carburant. Ceci est aussi applicable à la cartographie fumée du premier cas. Cette progressivité de la diminution débit de carburant jusqu'à atteindre la consigne de suralimentation sera contrôlée pour qu'il n'y ait pas de risque d'instabilité entre le turbo et l'injection par des oscillations successives de la géométrie variable avec entrées et sorties successives de la zone de butée de celle-ci. Dans certaines zones transitoires, il est aussi prévu de désactiver le procédé s'il devient trop pénalisant pour l'agrément du moteur et si le risque de pompage est négligeable. Une application particulière de la présente invention concerne un procédé d'interdiction de passage en mode bi-turbo afin d'éviter le pompage dans un système de suralimentation, ce système étant alors en mode mono-turbo et commandé par un contrôle moteur en étant 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, une T1 des turbines étant à géométrie variable 5 et l'autre T2 à géométrie fixe, 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, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : - calcul par le contrôle moteur, à partir de la valeur de position de la géométrie variable 5, du débit théorique QC1 ou QC2 que chaque compresseur Cl ou C2 aurait si le système passait en mode bi-turbo, le rapport du débit QC1 ou QC2 d'un des compresseurs Cl ou C2 sur le débit total Qtot étant fonction de la position de la géométrie variable 5 selon une cartographie prédéterminée, comparaison par le contrôle moteur du débit théorique QC1 ou QC2 déterminé pour chaque compresseur Cl ou C2 avec le débit minimal QClm ou QC2m avant pompage de ce compresseur Cl ou C2, - si un de ces débits QC1 ou QC2 est inférieur à ce débit minimal, interdiction par le contrôle moteur du 5 passage en mode bi-turbo. L'invention concerne aussi un ensemble contrôle moteur et système de suralimentation composé de deux compresseurs C1,C2 et de deux turbines T1,T2, les 10 compresseurs C1,C2 ainsi que les turbines T1,T2 étant disposés en parallèle, l'une des turbines T1 étant à géométrie variable et l'autre T2 à géométrie fixe, le premier compresseur Cl étant alimenté avec un premier débit QC1 et le second C2 avec un second débit QC2, les 15 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, caractérisé en ce que la position de la géométrie variable 5 est déterminée par un capteur de position qui 20 transmet sa mesure à un contrôle moteur, ce contrôle moteur intégrant une stratégie pour la mise en oeuvre d'un procédé pour éviter le pompage dans un système de suralimentation et/ou d'un procédé d'interdiction de passage en mode bi-turbo tels que précédemment décrits. 25 La présente invention procure une protection efficace pour un système de suralimentation à deux turbocompresseurs contre le pompage d'un des compresseurs. 30 Les caractéristiques additionnelles des procédés permettent une intégration du procédé dans le contrôle moteur et sa coordination avec d'autres procédés de contrôle moteur déjà existants pour le système de suralimentation. 35 REVENDICATIONS 1. Procédé d'interdiction de passage en mode bi- turbo afin d'éviter le pompage dans un système de suralimentation, ce système étant alors en mode mono-turbo et commandé par un contrôle moteur et étant 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, une (T1) des turbines étant à géométrie variable (5) et l'autre (T2) à géométrie fixe, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes . - calcul par le contrôle moteur, à partir de la valeur de position de la géométrie variable (5), du débit théorique (QC1 ou QC2) que chaque compresseur (Cl ou C2) aurait si le système passait en mode bi-turbo, le rapport du débit (QC1 ou QC2) d'un des compresseurs (Cl ou C2) sur le débit total (Qtot) étant fonction de la position de la géométrie variable (5) selon une cartographie prédéterminée, comparaison par le contrôle moteur du débit théorique (QC1 ou QC2) déterminé pour chaque compresseur (Cl ou C2) avec le débit minimal (QClm ou QC2m) avant 25 pompage de ce compresseur (Cl ou C2), - si un de ces débits (QC1 ou QC2) est inférieur à ce débit minimal, interdiction par le contrôle moteur du passage en mode bi-turbo. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 30 ce que le débit d'air minimal (QClm ou QC2m) d'un compresseur (QC1 ou QC2) est calculé selon une cartographie donnant le débit (QC1 ou QC2) du compresseur (Cl ou C2) sur la ligne de pompage de compresseur (Cl ou C2) en fonction du taux de compression, ce taux de 35 compression étant calculé à partir de la mesure de la pression d'admission, de la pression atmosphérique, dudébit d'air moteur et des modèles de perte de charge d'admission. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cartographie prédéterminée reliant le rapport de débit (QC1/Qtot ou QC2/Qtot) à la position de la géométrie variable (5) se fait 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 (QC1 ou QC2) d'un des deux compresseurs (Cl ou C2) pour différentes positions de la géométrie variable (5). 4. Ensemble contrôle moteur et 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, une (T1) des turbines étant à géométrie variable et l'autre (T2) à géométrie fixe, 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), caractérisé en ce que la position de la géométrie variable (5) est déterminée par un capteur de position qui transmet sa mesure à un contrôle moteur, ce contrôle moteur intégrant une stratégie pour la mise en oeuvre d'un procédé d'interdiction de passage en mode bi-turbo selon l'une quelconque des revendications précédentes.