Brevet FR2925590A3 — publié le 20090626

FR 2925590 A3 20090626 FR 0760000 A 20071219 SYSTEME ET PROCEDE DE REGULATION DE LA PRESSION DE SURALIMENTATION D'UN MOTEUR. La présente invention a pour objet un système et un procédé de régulation de la pression de suralimentation, d'un moteur à combustion interne, équipé d'un filtre à particules et d'un turbocompresseur. L'invention se rapporte d'une manière générale au contrôle du moteur thermique, c'est-à-dire à la gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne au moyen d'un ensemble de capteurs et d'actionneurs. L'ensemble des lois de contrôle et de commande, généralement appelées stratégies logicielles et des paramètres de caractérisation ou calibration du moteur, sont contenues dans un calculateur appelé unité de contrôle électronique (UCE). L'invention s'applique de préférence au cas des moteurs Diesel suralimentés munis d'un turbocompresseur. Un tel turbocompresseur est composé d'une turbine et d'un compresseur montés sur le même arbre. Le compresseur a pour but d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur. La turbine est placée à la sortie du collecteur d'échappement et est entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut être modulée en installant une soupape de décharge ou en prévoyant des ailettes d'orientation variable, réalisant ainsi une turbine à géométrie variable. Un dispositif d'actionnement est utilisé 2925590 -2 pour piloter l'ouverture et la fermeture de la soupape de décharge ou l'orientation des ailettes, aboutissant ainsi à une modification de la puissance du turbocompresseur. Le signal de commande du dispositif d'actionnement est fourni par 5 l'unité de contrôle électronique (UCE) et permet d'asservir la pression dans le collecteur d'admission ou à la sortie du compresseur, à partir d'une valeur de consigne de pression calculée par l'unité de contrôle électronique. La pression de suralimentation est mesurée au moyen d'un capteur de 10 pression placé dans le collecteur d'admission ou à la sortie du compresseur. En variante, la pression de suralimentation peut également être estimée par un calcul réalisé dans le calculateur. 15 Avec l'augmentation des performances des moteurs Diesel suralimentés, les niveaux de pression de suralimentation augmentent et les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. Il est donc important de pouvoir piloter le plus finement possible le turbocompresseur pour éviter sa 20 détérioration et améliorer les performances du véhicule, en particulier lors d'accélérations brutales. Lorsque le conducteur du véhicule souhaite obtenir la puissance maximale du moteur sur une accélération, la 25 position pied à fond de la pédale d'accélération est traduite par l'unité de contrôle électronique (UCE) en une consigne de débit de carburant à injecter. Cette consigne de débit est limitée en phase transitoire par un seuil qui est fonction du débit d'air frais et du régime de rotation du moteur. Le débit -3 d'air frais est, soit mesuré par un capteur tel qu'un débitmètre, soit calculé par un dispositif d'estimation. Grâce à cette limitation, il est possible d'éviter la formation de fumées noires dans les gaz d'échappement du moteur, fumées qui sont dues à l'existence de particules imbrûlées lors de phases transitoires. Cette limitation est appelée limitation de fumées . Lorsque le débit d'air entrant dans le moteur est suffisant, la consigne de débit de carburant à injecter est en outre limitée par une valeur qui est fonction du régime de rotation du moteur et éventuellement du rapport de transmission de la boîte de vitesses. Cette limitation est appelée limitation de couple . Les normes de dépollution étant de plus en plus sévères, la quantité de particules rejetées par le moteur doit être de plus en plus faible. Pour atteindre ces objectifs, on dispose un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur, ce qui permet de réduire la quantité de particules rejetées dans l'environnement. Un tel filtre est composé généralement d'un ensemble de micro-canaux, dans lesquels une grande partie des particules se trouvant dans les gaz d'échappement reste piégée. Une fois le filtre rempli de particules, il est nécessaire de brûler les particules au cours d'une phase appelée régénération . Cette régénération peut être mise en oeuvre, soit par un dispositif de chauffage, soit par des réglages spécifiques du point de fonctionnement du moteur, permettant de favoriser l'élévation de température dans le filtre à particules par oxydation de constituants présents dans les gaz d'échappement pendant la phase de régénération. -4 Le montage d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement, en aval du turbocompresseur, produit une augmentation de la contre-pression à l'échappement. Cette contre-pression est d'autant plus importante que le filtre est plus chargé en particules. Cette contre-pression se traduit par une réduction du taux de détente du turbocompresseur, et donc par une réduction de la puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine, entraînant ainsi une diminution des performances du moteur. Pour maintenir un niveau de performances convenable, il convient de maintenir le taux de détente en augmentant la pression régnant en amont de la turbine. On augmente cette pression en fermant la soupape de décharge ou en orientant convenablement les ailettes d'une turbine à géométrie variable. On connaît des systèmes de régulation de la pression de suralimentation qui se contentent généralement d'asservir la pression de suralimentation sur une valeur de consigne. La valeur de consigne de la pression de suralimentation est généralement mémorisée dans l'unité de contrôle électronique sous la forme d'une cartographie, en fonction du régime de rotation du moteur et du débit de carburant injecté. Le système de régulation comprend un régulateur qui asservit la pression de suralimentation mesurée par un capteur de pression de suralimentation placé dans la ligne d'admission à la valeur de consigne ainsi cartographiée, en agissant sur la soupape de décharge ou sur l'orientation des ailettes d'une turbine à géométrie variable. -5 On ajoute généralement au signal de commande issu du régulateur, une valeur de prépositionnement qui permet d'améliorer le temps de réponse de la régulation. La valeur de prépositionnement est généralement mémorisée sous la forme d'une cartographie, en fonction du régime de rotation du moteur et du débit du carburant injecté. La valeur ainsi cartographiée peut ensuite être corrigée en fonction de différents paramètres, incluant notamment la masse de suies se trouvant dans le filtre à particules. Une telle correction permet de maintenir un taux de détente convenable pour la turbine du turbocompresseur, malgré l'augmentation de la contre-pression à l'échappement due aux particules de suies accumulées dans le filtre à particules. La mise au point de la boucle de régulation est faite par la calibration des différents paramètres du régulateur (gains, limitations, fenêtres, etc.). Elle est souvent difficile, car elle doit à la fois satisfaire le suivi de la consigne de suralimentation lors de phases stabilisées et lors de phases transitoires du fonctionnement du moteur. Ces types de régulation ne permettent pas d'éviter une dégradation du turbocompresseur pouvant survenir lorsque la pression différentielle à ses bornes dépasse un niveau critique connu. Or, ce risque de dégradation est de plus en plus fréquent car la sollicitation des turbocompresseurs est toujours plus importante. En conséquence il devient important -6 de pouvoir contrôler précisément cette pression différentielle aux bornes de la turbine ainsi que d'autres dispersions. Afin de résoudre ce problème, le document FR2879251 propose d'utiliser un capteur de pression disposé en amont de la turbine en plus du capteur de pression de suralimentation. La pression mesurée par ce capteur en amont de la turbine est utilisée pour introduire une boucle de régulation supplémentaire dans la régulation de suralimentation. Le régulateur de pression de suralimentation fournit une consigne de pression avant turbine qui va agir sur les ailettes ou sur la soupape de décharge du turbocompresseur via un deuxième régulateur. C'est une architecture en cascade. Le capteur de pression disposé en amont de la turbine utilisé pour la régulation de la pression de suralimentation est soumis à de fortes contraintes de fonctionnement car il est en contact avec les gaz d'échappement du moteur. En effet, de la vapeur d'eau issue de la combustion se dépose sur ce capteur et provoque l'altération de la mesure de la pression en amont de la turbine. En outre, cette vapeur d'eau peut se transformer en glace lorsque le moteur est soumis à des températures négatives, ce qui peut fausser l'information fournie par le capteur. Ceci provoque également une mauvaise régulation de la pression de suralimentation et une augmentation de la quantité de polluants émis par le moteur. Un but de l'invention est de résoudre les problèmes de l'art antérieur en fournissant un système et un procédé de -7 régulation de la pression de suralimentation plus fiable et plus robuste. L'invention propose un système de régulation de la pression de suralimentation d'un moteur à combustion interne suralimenté, équipé d'un filtre à particules monté dans sa ligne d'échappement et d'un turbocompresseur de puissance variable pouvant être commandé en modifiant la position d'ailettes du turbocompresseur, le turbocompresseur comportant un dispositif de commande de la position des ailettes, le dispositif de commande comportant un poumon caractérisé en ce que le système de régulation comporte des moyens de mesure de la pression dans le poumon du dispositif de commande. Le capteur de pression étant positionné dans le poumon du dispositif de commande de la position des ailettes du turbocompresseur, est soumis à des contraintes beaucoup plus faibles que celles existant en amont de la turbine, et fournit donc une information plus fiable et est moins sujet à la défaillance. Selon d'autres caractéristiques de l'invention prises séparément ou en combinaison: • les moyens de mesure comportent un capteur de pression disposé dans le poumon, • le système comporte des moyens de régulation de la pression de suralimentation du moteur à - 8 combustion interne en fonction des valeurs de pression dans le poumon délivrées par les moyens de mesure, • les moyens de régulation comportent deux boucles de régulation en série, la première boucle de régulation minimisant l'écart entre une mesure de pression de suralimentation et une consigne, et la deuxième boucle de régulation minimisant l'écart entre la mesure de pression dans le poumon et une consigne, • la sortie de la première boucle de régulation est une consigne de pression dans le poumon et est appliquée à une des entrées de la deuxième boucle de régulation, • la sortie de la deuxième boucle de régulation est un signal de commande du dispositif de commande des ailettes de la turbine, • le dispositif comporte des moyens de pré-positionnement capables de déterminer une valeur pré-positionnée de commande de la position des ailettes du turbocompresseur à ajouter au signal de commande issu des moyens de régulation. L'invention concerne également un procédé de régulation de 25 la pression de suralimentation d'un moteur à combustion interne suralimenté, équipé d'un filtre à particules monté dans sa ligne d'échappement et d'un turbocompresseur de puissance variable pouvant être commandé en modifiant la 10 15 20 -9 position d'ailettes du turbocompresseur, le turbocompresseur comportant un dispositif de commande de la position de ses ailettes, le dispositif de commande comportant un poumon caractérisé en ce qu'on mesure la pression régnant dans le poumon du dispositif de commande. Dans un mode de mise en oeuvre, on régule la pression de suralimentation du moteur à combustion interne en fonction des valeurs de pression mesurées dans le poumon. Selon un mode de mise en oeuvre, on calcule la valeur d'une commande de la position des ailettes du turbocompresseur en fonction de la valeur de la pression mesurée dans le poumon pour réguler la pression de suralimentation. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier, décrit à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels 20 - la figure 1 illustre schématiquement les principaux organes de commande du fonctionnement d'un moteur Diesel suralimenté; la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de commande de la position des ailettes d'un 25 turbocompresseur a géométrie variable; - la figure 3 illustre schématiquement les principaux éléments d'un système de régulation selon l'invention. 15 - 10- Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le moteur Diesel représenté schématiquement est référencé 1 dans son ensemble. Il s'agit, dans l'exemple illustré, d'un moteur à quatre cylindres 1 a, munis chacun d'un injecteur de carburant, non représenté sur la figure. L'air frais schématisé par la flèche 2 traverse tout d'abord un filtre à air 3 avant d'être amené par une conduite 4 à un turbocompresseur, référencé 5 dans son ensemble. Un débitmètre 6 est monté dans la conduite 4. Le turbocompresseur 5 comprend un compresseur 5a et une turbine 5b, laquelle, dans l'exemple illustré, est du type à géométrie variable. La turbine 5b comprend donc une série d'ailettes d'orientation variable, permettant de modifier la puissance délivrée. Le compresseur 5a et la turbine 5b sont montés sur le même arbre mécanique 7, de sorte que la turbine 5b est capable d'entraîner en rotation le compresseur 5a. L'air frais provenant de la conduite 4 et comprimé par le compresseur 5a est amené par une conduite 8 sur un échangeur de chaleur 9 qui permet de réduire la température de l'air comprimé. L'air comprimé est ensuite acheminé par la conduite 10 jusqu'au collecteur d'admission 11 qui permet l'admission d'air comprimé dans chacun des cylindres 1 a. Les gaz d'échappement sortent du moteur 1 par un collecteur d'échappement 12 et sont amenés à l'entrée de la turbine 5b. Une conduite de by-pass 13 munie d'une vanne de régulation -11- commandée 14, (dite vanne EGR, selon l'appellation anglaise Exhaust Gaz Recycling ), permet de recycler une partie des gaz d'échappement (EGR) provenant du collecteur d'échappement 1 2 dans l e collecteur d'admission 1 1 , afin de réduire les polluants dans les gaz d'échappement. La ligne d'échappement 15, qui véhicule les gaz d'échappement à basse pression issus de la turbine 5b, comprend un filtre à particules référencé 16 dans son ensemble. Les gaz d'échappement ayant traversé le filtre 16 sont rejetés dans l'atmosphère selon la flèche 17. La ligne d'échappement 15 peut également comprendre différents dispositifs de dépollution, et en particulier des dispositifs catalyseurs qui ne sont pas représentés sur la figure. Le contrôle du fonctionnement du moteur 1 est assuré par une unité de contrôle électronique (UCE), référencée 18 dans son ensemble. Cette unité de contrôle reçoit notamment une information sur la pression de suralimentation, régnant dans le collecteur d'admission 11. Cette pression Pmes est mesurée par le capteur 19 monté dans le collecteur d'admission 11. On a représenté à la figure 2 le dispositif de commande 30 permettant de modifier la position des ailettes 33 du turbocompresseur 5. Ce dispositif de commande, piloté par l'U.C.E comporte : - une électrovanne 31 convertissant la commande de l'U.C.E. en depression, 2925590 -12- - un dispositif 32 à membrane pneumatique, également appelé poumon 32, transformant cette dépression en effort de traction, - une tige 34 dont la position influe sur le positionnement des 5 ailettes 33 et donc sur la géométrie du turbocompresseur. La dépression créée par l'électrovanne 31 dans le poumon 32, varie de manière importante en fonction de la température dans le poumon 32. La courbe nominale donnant la valeur de 10 la dépression créée dans le poumon 32 en fonction de la commande appliquée par l'U.C.E. se déplace lorsque la température augmente dans le poumon 32. Ceci engendre un biais sur la position des ailettes 33 de la turbine et par conséquent une réponse différente du turbocompresseur 5 et 15 du moteur 1 de celle attendue pour une commande de l'électrovanne 31 donnée. Ce phénomène est encore appelé dérive en température. L'invention propose donc de placer un capteur de pression 35 20 dans le poumon 32 et d'utiliser la valeur de pression délivrée par ce capteur pour piloter la position des ailettes 33 du turbocompresseur 5 et donc la pression de suralimentation. Ainsi, connaissant la dépression réelle dans le poumon 32 25 grâce au capteur 35, on aura des renseignements sur la position réelle des ailettes du turbo et il sera possible d'assurer le suivi de la commande des ailettes et donc de la pression de suralimentation de manière optimale. -13- En outre, le pilotage de la position des ailettes du turbocompresseur basé sur cette mesure de dépression, permet de corriger les différences de fonctionnement du dispositif de commande de la position des ailettes, dues aux dispersions de fabrication de ce dispositif. On se reporte à présent à la figure 3 qui illustre schématiquement les principaux éléments d'un système de régulation selon l'invention. Le système de régulation de la figure 3 met en oeuvre deux boucles de régulation 100 et 200 en cascade, la première boucle 100 minimisant l'écart entre une mesure de pression de suralimentation Pmes et sa consigne Pcons, et la deuxième boucle 200 de régulation minimisant l'écart entre la mesure de pression dans le poumon Ppoum et une consigne de pression dans le poumon 32. La sortie de la première boucle 100, appelée boucle lente, est une consigne de pression dans le poumon. La sortie de la deuxième boucle, appelée boucle rapide, est une commande de l'électrovanne entraînant les ailettes du turbo. Plus précisément, le signal Pmes en provenance du capteur 19 est amené sur l'entrée négative d'un sommateur 23 relié a un régulateur à logique floue 21 placé à l'intérieur de l'unité de contrôle électronique. L'unité de contrôle électronique 18 comporte également un bloc 22 permettant le calcul d'une consigne de pression de suralimentation Pcons, valeur de consigne qui est amenée sur l'entrée positive du sommateur -14- 23. Le bloc 22 comporte une cartographie donnant la valeur de consigne de pression de suralimentation Pcons en fonction du point de fonctionnement du moteur (régime moteur, couple moteur, quantité de carburant injecté...) et de paramètres environnementaux (pression atmosphérique, température d'air extérieur...). Le signal de sortie du régulateur 21 est amené sur une entrée positive d'un sommateur 24. L'unité de contrôle électronique 18 comporte un bloc 29 permettant le calcul d'une consigne de pression Pcons_poum dans le poumon, valeur de consigne qui est amenée sur une autre entrée positive du sommateur 24. Le bloc 29 comporte une cartographie donnant la valeur de consigne de pression dans le poumon Pcons_poum en fonction du point de fonctionnement du moteur (régime moteur, couple moteur, quantité de carburant injecté...), et de paramètres environnementaux (pression atmosphérique, température d'air extérieur...). Le signal de sortie du sommateur 24, qui est en fait une consigne de pression dans le poumon 32 est amené à l'entrée positive d'un sommateur 25. Ce sommateur reçoit sur son entrée négative la valeur de la pression Ppoum régnant effectivement dans la poumon, mesurée par le capteur 35. Le signal de sortie du sommateur 25 est amené en entrée d'un régulateur 40. Le régulateur 40 peut être un régulateur à logique floue ou un régulateur Proportionnel Intégrale Dérivée (P.I.D). -15- Le signal de sortie du régulateur 40 est amené à l'entrée positive d'un sommateur 41 qui reçoit sur son autre entrée positive un signal de pré-positionnement des ailettes du turbo en provenance d'un bloc 27. Le bloc 27 comporte une cartographie donnant des valeurs de commande du pré-positionnement des ailettes du turbo en fonction du point de fonctionnement du moteur. Le signal de sortie du sommateur 41 est le signal de commande de l'électrovanne du dispositif de commande des ailettes de la turbine et est amené à ce dispositif de commande par la connexion 26 de la figure 1.15 REVENDICATIONS 1- Système de régulation de la pression de suralimentation d'un moteur à combustion interne suralimenté, équipé d'un filtre à particules (16) monté dans sa ligne d'échappement et d'un turbocompresseur (5) de puissance variable pouvant être commandé en modifiant la position d'ailettes du turbocompresseur, le turbocompresseur comportant un dispositif de commande (30) de la position des ailettes, le dispositif de commande (30) comportant un poumon (32) caractérisé en ce que le système de régulation comporte des moyens de mesure (35) de la pression dans le poumon (32) du dispositif de commande (30). 2- Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de mesure (35) comportent un capteur de pression disposé dans le poumon. 3- Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (100,200) de régulation de la pression de suralimentation du moteur à combustion interne en fonction des valeurs de pression dans le poumon délivrées par les moyens de mesure (35). 4- Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de régulation comportent deux boucles de régulation (100,200) en série, la première boucle de régulation (100) minimisant l'écart entre une mesure de pression de suralimentation (Pmes) et une consigne (Pcons), et la deuxième boucle de régulation (200)-17- minimisant l'écart entre la mesure de pression dans le poumon (Ppoum) et une consigne. 5- Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que la sortie de la première boucle de régulation (100) est une consigne de pression dans le poumon (31) et est appliquée à une des entrées de la deuxième boucle de régulation (200). 6- Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que la sortie de la deuxième boucle de régulation est un signal de commande du dispositif (30) de commande des ailettes (33) du turbocompresseur (5). 7- Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de pré-positionnement (27) capables de déterminer une valeur pré-positionnée de commande de la position des ailettes du turbocompresseur (5) à ajouter au signal de commande issu des moyens de régulation. 8- Procédé de régulation de la pression de suralimentation d'un moteur à combustion interne suralimenté, équipé d'un filtre à particules (16) monté dans sa ligne d'échappement et d'un turbocompresseur (5) de puissance variable pouvant être commandé en modifiant la position d'ailettes du turbocompresseur (5), le turbocompresseur comportant un dispositif de commande (30) de la position de ses ailettes, le dispositif de commande comportant un poumon-18- (32) caractérisé en ce qu'on mesure la pression régnant dans le poumon (32) du dispositif de commande. 9- Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'on régule la pression de suralimentation du moteur à combustion interne en fonction des valeurs de pression mesurées dans le poumon (32). 10- Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'on calcule la valeur d'une commande de la position des ailettes (33) du turbocompresseur (5) en fonction de la valeur de la pression mesurée dans le poumon pour réguler la pression de suralimentation.