Brevet FR2944055A1 — publié le 20101008

PROCEDE ET SYSTEME DE PILOTAGE D'UN TURBOCOMPRESSEUR D'UN VEHICULE AUTOMOBILE A DOUBLE BOUCLE DE REGULATION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine de contrôle de moteurs équipés de turbocompresseur afin d'augmenter sa pression d'alimentation en gaz. ETAT DE LA TECHNIQUE Comme cela est connu en soi, un turbocompresseur équipant un moteur thermique de véhicule automobile a pour but d'augmenter la pression des gaz dans le collecteur 15 d'admission du moteur, ou pression de suralimentation, notamment pour augmenter la puissance du moteur. Usuellement, le turbocompresseur comprend une turbine, agencée en sortie du collecteur d'échappement et entraînée en rotation par les gaz d'échappement, et un compresseur 20 agencé en entrée du collecteur d'admission et monté sur le même axe que la turbine. Usuellement le régime de rotation de la turbine est réglé par le débit volumique des gaz d'échappement en entrée de la turbine. Le réglage de ce débit est classiquement réalisé par des ailettes orientables en entrée de la turbine (turbocompresseur à � géométrie variable �) ou par une dérivation parallèle à la turbine comprenant une vanne pilotable 25 (bypass proportionnel ou � wastgate �). Avec l'augmentation des niveaux de puissance des moteurs à combustion interne, les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités en régime de rotation et donc de plus en plus sensibles aux causes de survitesses, ou surrégime. Parmi les causes conduisant à des 30 surrégimes, il est possible de citer les dispersions technologiques du turbocompresseur, notamment les fonctions caractéristiques du champ compresseur (rapport de compression et efficacité de compression), les dispersions liées à l'actionneur de pilotage du débit des gaz sur la turbine (ailettes ou vannes du bypass proportionnel), et plus généralement aux défaillances du circuit d'admission ou du circuit d'échappement, notamment les fuites en 35 aval du compresseur et les fuites en amont de la turbine. On connaît du document FR 2 888 884, un système de pilotage du turbocompresseur comprenant deux boucles de régulation en cascade, la première visant à réguler la 10 pression de suralimentation et la seconde visant à réguler le régime du turbocompresseur. Toutefois, le pilotage du turbocompresseur à l'aide de ces deux boucles en cascade fonctionnant simultanément s'avère peu satisfaisant dans la mesure où la pression de suralimentation et le régime du turbocompresseur sont deux grandeurs ayant des dynamiques sensiblement identiques. De fait, il est difficile de limiter l'apparition des surrégimes sans dégrader notablement les performances de la régulation de la pression de suralimentation. EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de pilotage du turbocompresseur qui permette un contrôle direct de la dynamique du régime du turbocompresseur sans être contraint par les réglages de la boucle de régulation de la pression de suralimentation, tout en assurant une grande robustesse par rapport aux différentes sources de surrégime. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'un turbocompresseur de moteur thermique de véhicule automobile, comportant : ^ la détection de conditions d'un surrégime du turbocompresseur ; ^ si lesdites conditions sont détectées, la commande du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler celui-ci sur une consigne de régime visant à limiter le surrégime ; et ^ si lesdites conditions ne sont pas détectées, la commande du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur sur une consigne de pression de suralimentation. En d'autres termes, tant que les conditions de surrégime ne sont pas détectées, le turbocompresseur fonctionnement uniquement en régulation de la pression de suralimentation. Dans le cas d'une détection desdites conditions, la commande bascule alors dans un mode de régulation du régime du turbocompresseur. Les deux boucles de régulation fonctionnant dans une large mesure de manière indépendante, il est alors possible d'optimiser chacune d'entre elles indépendamment de l'autre pour la régulation dont elle a la charge. Par � conditions de surrégime �, on entend ici un fonctionnement du moteur qui tend vers un tel surrégime s'il n'est pas modifié ou bien la survenue effective du surrégime. Par � régulation �, on entend ici une commande qui vise à annuler la différence entre la grandeur commandée (pression de suralimentation, régime du turbocompresseur) et la consigne pour cette grandeur. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : • la consigne de régime visant à limiter le surrégime est calculée en fonction d'une valeur maximale de régime admissible pour le turbocompresseur, ladite valeur étant constante en fonction du point de fonctionnement du moteur ou variable en fonction de celui-ci. • la consigne de régime est formée en corrigeant la valeur maximale admissible d'une quantité de correction dépendante du dépassement de la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission par rapport à la consigne de pression de suralimentation. • la quantité de correction est proportionnelle à l'intégrale du dépassement de la pression de suralimentation. • les conditions de surrégime comportent l'écart entre le régime et la consigne de régime, les conditions étant détectées quand cet écart est inférieur à un premier seuil prédéterminé. • les conditions de surrégime comportent l'écart entre le régime et la consigne de régime et la dynamique de montée du régime du turbocompresseur, les conditions étant détectées quand ledit écart est inférieur à un second seuil prédéterminé et ladite dynamique est inférieur à un troisième seuil prédéterminé. • la commande du régime pour réguler celui-ci est désactivée et la commande du régime pour réguler la pression de suralimentation est activée lorsque la pression de suralimentation est supérieure à la consigne de pression de suralimentation d'un quatrième seuil prédéterminé ou lorsque la variation de la pression de suralimentation est inférieure à un cinquième seuil prédéterminé. • la commande du régime pour asservir la pression de suralimentation comprend une commande de prépositionnement de l'actionneur du turbocompresseur, la commande pour réguler le régime comprenant le signal de commande de prépositionnement pondéré par un facteur multiplicatif prédéterminé et un signal de régulation du régime du turbocompresseur. • le signal de régulation est calculé sur la base d'une commande du type proportionnel intégral dérivé. L'invention a également pour objet un système de pilotage d'un turbocompresseur de moteur thermique de véhicule automobile, comprenant une première boucle de commande du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur sur une consigne de pression, qui, selon l'invention, comporte : ^ une seconde boucle de commande du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler le régime de rotation du turbocompresseur sur une consigne de régime visant à limiter les surrégimes du turbocompresseur ; et ^ un superviseur pour détecter des conditions de surrégime du turbocompresseur et pour basculer la commande de celui-ci sur la seconde boucle lorsque lesdites conditions sont satisfaites. En d'autres termes, ce système met en oeuvre le procédé précité. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels : ^ la figure 1 est une vue schématique d'un moteur thermique de l'état de la technique équipé d'un turbocompresseur ; et ^ la figure 2 est une vue schématique du pilotage selon l'invention mis en oeuvre par l'unité électronique de contrôle du turbocompresseur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre de manière schématique un moteur à combustion interne 10, ou thermique, de véhicule automobile. Le moteur 10 comporte un bloc cylindre 12 alimenté en gaz frais par un collecteur 30 d'admission 14 et évacuant les gaz brulés par un collecteur d'échappement 16. Le moteur 10 est également équipé d'une boucle de récirculation des gaz d'échappement haute pression 18, ou boucle EGR haute pression, comprenant une dérivation 20 reliant la sortie du collecteur d'échappement 16 à l'entrée du collecteur d'admission 14, une vanne EGR 22 pour régler le débit des gaz recirculés et un refroidisseur 24. 35 Un turbocompresseur 26 est par ailleurs prévu et comprend une partie turbine 28, agencée en sortie du collecteur d'échappement 16, ainsi qu'une partie compresseur 30 montée sur25 le même axe que la partie turbine 28. Les gaz d'échappement entrainent ainsi en rotation la turbine du turbocompresseur, et par conséquent le compresseur, comme cela est connu en soi. La partie compresseur 30 reçoit de l'air frais d'une entrée d'air au travers d'un filtre à air 34, et délivre l'air compressé au collecteur d'admission 14 au travers d'un échangeur de chaleur 36 et d'un volet d'admission 38 réglant le débit des gaz. L'air compressé et refroidi étant alors mélangé aux gaz recirculés par la boucle EGR 18. Selon l'exemple de la figure 1, le turbocompresseur 28 est à géométrie variable, c'est-à-dire que le débit volumique des gaz d'échappement délivré à la turbine est réglé par la position d'ailettes en amont de celle-ci. En variante, la géométrie du turbocompresseur est fixe et le débit des gaz sur la turbine réglée par une dérivation en parallèle de la portion 28 et une vanne pilotant le débit traversant ladite dérivation. L'agencement et le fonctionnement des organes venant d'être décrits sont classiques et ne seront donc pas détaillés pour des raisons de concision. Comme cela est également connu en soi, la pression des gaz dans le collecteur d'admission 14, ou pression de suralimentation, ainsi que le débit des gaz recirculés sont commandés en fonction du point de fonctionnement du moteur, notamment son régime et sa charge, par exemple pour des raisons de puissance et d'émission de polluants. Le point de fonctionnement du moteur définit usuellement une consigne de pression de suralimentation dans le collecteur d'admission 14 et une consigne de débit massique de gaz recirculé en entrée du moteur. La commande de la pression de suralimentation et de débit massique des gaz recirculés, visant à réguler ceux-ci sur leurs consignes respectives avec pour actionneurs la position des ailettes du turbocompresseur 26 et le degré d'ouverture des vannes 22 et 40, est réalisée en fonction de mesures, notamment : ^ une mesure de la pression dans le collecteur d'admission 14, réalisée par un capteur de pression 40 ; ^ une mesure du débit volumique d'air frais entrant, réalisée par un débitmètre 42 ; ^ une mesure de la pression dans le collecteur d'échappement 16, réalisée par un capteur de pression 44 ; ^ une mesure de la pression dans le collecteur d'échappement 16, réalisée par un capteur de température 46 ; et ^ une mesure du régime du turbocompresseur, réalisée par un capteur de régime 48. La figure 2 est une vue schématique du pilotage de la position des ailettes de la partie turbine 28 du turbocompresseur à géométrie variable 26. Ce pilotage est par exemple numérique et fonctionne à une période d'échantillonnage prédéterminée Te. Il est par exemple mise en oeuvre par l'unité électronique de commande classiquement en charge de la commande desdites ailettes, comme cela est connu en soi. Le pilotage du turbocompresseur 26 comporte un premier module de régulation 50 de la 10 pression de suralimentation dans le collecteur d'admission 14, tel que notamment un module classiquement mis en oeuvre dans l'état de la technique. Le module de régulation 50 comporte par exemple : ^ un bloc 52 de détermination d'une consigne �Pspg sp � de pression de 15 suralimentation en fonction du point de fonctionnement du moteur du véhicule, notamment le régime et la charge de celui-ci ; ^ un soustracteur 54 recevant ladite consigne � Pspg sp � et lui retranchant la mesure � Pspg mes � de la pression de suralimentation délivrée par le capteur de pression 40 ; ^ un correcteur 56 du type proportionnel intégral, ou PI. Le correcteur 56 détermine 20 en fonction de l'erreur de régulation � Pspg_sp - Pspg mes � en sortie du soustracteur 54 un signal de commande de la position des ailettes du turbocompresseur 26 ayant pour effet, lorsque ledit signal est appliquée aux ailettes, d'annuler ladite erreur de régulation ; ^ une action de tendance 58 déterminant une commande de prépositionnement des 25 ailettes sur la position correspondant à la consigne � Pspg_sp � ; et ^ un additionneur 60 additionnant le signal du correcteur 56 et le signal de l'action de tendance 58. Le pilotage du turbocompresseur 26 comporte également, conformément à l'invention, un 30 deuxième module de régulation 62 du régime du turbocompresseur 26 ayant pour principale fonction de limiter les surrégimes de celui-ci. Le module de régulation 62 comporte : ^ un bloc 64 de détermination d'une consigne � Ntc sp � de limitation du régime du 35 turbocompresseur 26 sur laquelle le régime du turbocompresseur 26 est régulé si des conditions de surrégime surviennent ; ^ un soustracteur 66 recevant la consigne � Ntc sp � et lui retranchant la mesure � Nmes � du régime du turbocompresseur 26 délivrée par le capteur de régime 48 ; ^ un correcteur 68, par exemple du type proportionnel intégral dérivé, ou PID. Le correcteur 68 détermine en fonction de l'erreur de régulation � Ntc sp -Nmes � en sortie du soustracteur 66 un signal de commande de la position des ailettes du turbocompresseur 26 ayant pour effet, lorsque ledit signal est appliqué aux ailettes, d'annuler ladite erreur de régulation ; ^ un gain 70 multipliant le signal de l'action de tendance 58 par un facteur � OLfae � compris entre 0 et 1 ; et ^ un additionneur 72 additionnant le signal du correcteur 68 et le signal en sortie du gain 70. Enfin le pilotage du turbocompresseur 26 comporte un module de supervision 74 connecté aux deux modules de régulation 50 et 62 et aux ailettes du turbocompresseur 26 pour leur pilotage. Le module de supervision 74 met en oeuvre une détection de conditions de surrégime du turbocompresseur 26, c'est-à-dire détecte l'occurrence effective d'un surrégime ou bien détecte une situation propice à la survenue d'un surrégime, et choisit en fonction du résultat de la détection lequel parmi les signaux de commande des blocs de régulation 50 et 62 est appliqué aux ailettes du turbocompresseur 26. Lorsque les conditions de surrégime sont remplies, le pilotage selon l'invention met ainsi en oeuvre une limitation du régime du turbocompresseur en régulant celui-ci sur la consigne � Ntc sp �. Plus particulièrement, le module de supervision 74 comporte un bloc de décision 76 commandant un bloc de sélection 78, ledit bloc de sélection 78 étant connecté aux modules de régulation 50, 62 et sélectionnant l'un ou l'autre des signaux de commande délivré par ceux-ci en fonction d'ordre du bloc de décision 76. Le bloc de décision 76 détermine que les conditions de surrégime sont remplies si au moins une des relations suivantes est satisfaite : ^ (NTC en (k) seuilAN) ET NTC e1.,. (k) De cette manière, le bloc de décision 76 détecte les conditions conduisant à un surrégime avant la survenue effective de celui-ci et donc évite son apparition, et cela en tenant compte de la dynamique de la commande de la position des ailettes sur l'ensemble des points de fonctionnement grâce à l'utilisation de l'erreur de régulation et de la dynamique de montée du régime. Par ailleurs, le bloc de décision 76 détecte des conditions de sortie de la régulation du régime du turbocompresseur. Plus particulièrement, un basculement de la régulation du régime à la régulation de la pression de suralimentation est ordonné par le bloc de décision 76 lorsqu'une au moins des conditions suivantes est remplie : ^ Pspg mes (k) ù Pspg_sp (k) i seuilsPG ^ PsPg_sP (k) ù Pspg_sp (k -1) La première relation correspond à un dépassement de la consigne de pression de suralimentation. La seconde relation correspond à une détection d'un levé de pied sur la base de l'observation de la consigne de pression de suralimentation qui est calculée en fonction du point de fonctionnement du moteur, et donc de la demande du conducteur en charge. Le bloc 64 de détermination de la consigne � Ntc sp � de limitation de régime comporte quant à lui des moyens 80 de détermination d'une première consigne de régime �Ntc sp_max �. La consigne � Ntc sp_max � est dans une première variante la valeur maximale du régime préconisée par le constructeur du turbocompresseur 26 pour éviter d'endommager celui-ci. Dans une deuxième variante, la consigne �Ntc sp max � est une valeur tabulée dans une cartographie prédéterminée en fonction du point de fonctionnement du moteur, notamment le régime et la charge de celui-ci, cette cartographie étant par exemple définie par le metteur au point du système. De manière avantageuse, le bloc 64 de détermination de la consigne � Nrc sp � comprend également des moyens 82 de calcul d'une quantité � Ntc sp cor lim� de correction ajoutée à la première consigne � Ntc spmax � au moyen d'un additionneur 84 pour former la consigne � Nto sp �. 10 On observe en effet que si la première consigne �Ntc sp_max � est utilisée directement pour la régulation du régime du turbocompresseur 26, il peut survenir une dégradation sensible de la prestation de la boucle de pression de suralimentation, en particulier lorsque le véhicule est en altitude. Notamment, on observe dans certaines situations des 15 dépassements de pression et/ou un temps de convergence sensiblement allongé de la pression de suralimentation vers la consigne de pression de suralimentation. La correction de la première consigne � Ntc sp_max � a ainsi pour fonction de garantir un meilleur compromis entre la limitation du surrégime, visant à éviter les dépassements de 20 valeurs sécuritaires du régime du turbocompresseur pour protéger notamment la roue du compresseur, et les prestations de la boucle de pression de suralimentation. Plus particulièrement, la première consigne �Ntc spmax� est diminuée pour faire converger la pression de suralimentation vers sa consigne. Les moyens 82 de calcul 25 reçoivent à cet effet l'erreur de régulation � Pspg sp - Pspg mes � du module de régulation 50 et calcule la quantité de correction selon la relation numérique : Ntc_sp_cor (k) Ntc_sp_cor (k -1) + Kisg (Pspg sp (k) ù Pspg mes (k)) 30 Ntcspcorlim = mm (Ntc sp cor 9 0) où : ^ k est le k'eme instant d'échantillonnage effectué selon une période d'échantillonnage Te prédéterminée ; 35 ^ Ntc sp _cor est une variable de calcul intermédiaire, avantageusement égal au gain de l'intégrale du correcteur PI 56 ; et ^ Ki sg est un gain d'intégration prédéterminé.5 La correction de la première consigne � Ntc sp_max � consiste donc à diminuer celle-ci en cas de dépassement de pression en lui ajoutant une quantité proportionnelle à l'intégrale de l'erreur de régulation de la pression lorsque ladite intégrale est négative. Le correcteur PID 68 met quant à lui en oeuvre une loi de régulation et délivre un signal PIDte (k) de régulation selon les relations numériques : Pte (k) = Kp (Nte e (k)) . Nte e (k) Ite (k) = Ite (k -1) + Kr (Nte e (k)) . Nte e (k) Dte (k) = KD (ANte e (k)) . ANte e (k) PIDte (k) = Pte (k) + Ite (k) + Dte (k) où : ^ Pte (k) est le terme proportionnel du correcteur PID, de gain Kp ; ^ Ite (k) est le terme intégral du correcteur PID, de gain KI ; et ^ Dte (k) est le terme dérivé du correcteur PID, de gain KD ; 15 De manière avantageuse, les gains du correcteur PID 68 sont variables en fonction de l'erreur de régulation et de la dérivée de celle-ci. En sortie de l'additionneur 72, un signal de commande rcoTc(k), compris entre 0 et 100, 20 de la position des ailettes du turbocompresseur 26 est ainsi obtenu selon la relation : rcoTC (k) = rcooL (k) • OLfac + PIDte (k) où rcooL (k) est le signal à l'instant k délivré par l'action de tendance 56. Afin d'éviter des transitions trop brutale lorsque du basculement entre les deux modes de régulation, les correcteurs sont initialisés lors d'un tel basculement, et plus particulièrement leur terme proportionnel selon les relations : ITC(0) = IsPG (k * -1) IsPG (k*) = IsPG (k * -1) ù Kini PsPGùerr (k * -1) où : ^ k* est l'instant de basculement d'un mode de régulation à l'autre ; 10 25 30 ^ IsPG est le terme intégral du correcteur 56 du module de régulation 50 de la pression de suralimentation ; et ^ P = P ù P est l'erreur de régulation sur la pression de SPG_en- spg_sp spg_mes suralimentation ; et ^ Kivi est un gain prédéterminé positif qui compense la dérive du terme intégral IsPG pendant l'activation de la régulation du régime du turbocompresseur. Il a été décrit ci-dessus une application de l'invention à un turbocompresseur à géométrie variable. Bien entendu l'invention s'applique également à un turbocompresseur à géométrie fixe couplé à une dérivation dont le débit est piloté au moyen d'une vanne (ou � wastegate �). Le degré d'ouverture de ladite vanne est alors piloté d'une manière analogue à celle décrite précédemment pour limiter les surrégimes du turbocompresseur. REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage d'un turbocompresseur (26) de moteur thermique de véhicule automobile, comportant : ^ la détection (76) de conditions d'un surrégime du turbocompresseur ; ^ si lesdites conditions sont détectées, la commande (62) du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler celui-ci sur une consigne de régime visant à limiter le surrégime ; et ^ si lesdites conditions ne sont pas détectées, la commande (50) du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur sur une consigne de pression de suralimentation. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la consigne de régime visant à limiter le surrégime est calculée en fonction d'une valeur maximale de régime admissible pour le turbocompresseur, ladite valeur étant constante en fonction du point de fonctionnement du moteur ou variable en fonction de celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la consigne de régime est formée en corrigeant la valeur maximale admissible d'une quantité de correction dépendante du dépassement de la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission par rapport à la consigne de pression de suralimentation. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la quantité de correction est proportionnelle à l'intégrale du dépassement de la pression de suralimentation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les conditions de surrégime comportent l'écart entre le régime et la consigne de régime, les conditions étant détectées quand cet écart est inférieur à un premier seuil prédéterminé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les conditions de surrégime comportent l'écart entre le régime et la consigne de régime et la dynamique de montée du régime du turbocompresseur, les conditions étant détectées quand ledit écart est inférieur à un second seuil prédéterminé et ladite dynamique est inférieur à un troisième seuil prédéterminé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la commande du régime pour réguler celui-ci est désactivée et la commande du régime pour réguler la pression de suralimentation est activée lorsque la pression de suralimentation est supérieure à la consigne de pression de suralimentation d'un quatrième seuil prédéterminé ou lorsque la variation de la pression de suralimentation est inférieure à un cinquième seuil prédéterminé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la commande du régime pour asservir la pression de suralimentation comprend une commande de prépositionnement de l'actionneur du turbocompresseur, la commande pour réguler le régime comprenant le signal de commande de prépositionnement pondéré par un facteur multiplicatif prédéterminé et un signal de régulation du régime du turbocompresseur. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le signal de régulation est calculé sur la base d'une commande du type proportionnel intégral dérivé. 10. Système de pilotage d'un turbocompresseur (26) de moteur thermique de véhicule automobile, comprenant une première boucle de commande (50) du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur sur une consigne de pression, caractérisé en ce qu'il comporte : ^ une seconde boucle de commande (62) du régime de rotation du turbocompresseur pour réguler le régime de rotation du turbocompresseur sur une consigne de régime visant à limiter les surrégimes du turbocompresseur ; et ^ un superviseur (74) pour détecter des conditions de surrégime du turbocompresseur et pour basculer la commande de celui-ci sur la seconde boucle lorsque lesdites conditions sont satisfaites.30