Brevet FR3002283A1 — publié le 20140822

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA PRESSION DE GAZ D'ECHAPPEMENT EN AMONT DU TURBOCOMPRESSEUR ET DU DEBIT TRAVERSANT SA TURBINE. Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne suralimentés. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de détermination de la pression de gaz d'échappement en amont du turbocompresseur et du débit traversant sa turbine. Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro VI, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères. Les niveaux de performance requis pour les fonctions de contrôle moteur étant par conséquent de plus en plus exigent, il est intéressant de bien connaître l'état du système à contrôler. Cette connaissance passe actuellement par l'implantation de capteur complétée par une modélisation des phénomènes physiques présents. Une grandeur spécifique du système peut alors être estimée via la mesure du capteur et par le résultat de la modélisation. En particulier dans le cas d'un moteur à combustion interne à allumage commandé équipé d'un système de suralimentation tel qu'un turbocompresseur, l'estimation du débit de gaz d'échappement passant par la turbine du turbocompresseur permet de faire fonctionner l'une des fonctions principales du contrôle moteur, l'estimation du remplissage en air frais. Cette estimation est notamment utilisée afin de déterminer la quantité d'essence à injecter ainsi que l'avance à l'allumage à commander. L'estimation du débit échappement passant par la turbine est également nécessaire au pilotage de la pression de suralimentation. L'estimation de la pression échappement moyenne au niveau du collecteur est elle aussi nécessaire au pilotage de la pression de suralimentation. On connait par exemple du document FR2947589A1 un dispositif logiciel appliqué à un banc moteur afin d'assurer la mise point de moteurs turbocompressés et proposant une modélisation du débit échappement, à partir de grandeurs relevées à l'admission. Cependant ce document ne tient pas compte de la présence du cas où une vanne de décharge (communément désigné par le terme anglais « wastegate » dans le milieu motoriste) est présente sur le turbocompresseur et dont le fonctionnement modifie le débit passant réellement dans la turbine du turbocompresseur. II existe donc un besoin pour estimer avec précision le débit passant réellement dans une turbine de turbocompresseur quand celui-ci est équipé d'une conduite de dérivation des gaz d'échappement contrôlée par une vanne de décharge, Un but de la présente invention est de proposer un procédé qui permet d'améliorer la 10 précision d'estimation du débit passant réellement dans une turbine d'un tel turbocompresseur. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de détermination du débit de gaz d'échappement produits par un moteur thermique traversant la turbine de la 15 partie détente d'un turbocompresseur et de détermination de la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur, ladite partie détente étant formée de la turbine et d'une conduite de dérivation de gaz d'échappement équipée d'un moyen de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite, procédé dans lequel : 20 On détermine la pression en aval de la partie détente du turbocompresseur, On détermine le débit de gaz d'échappement total produit par le moteur thermique, On détermine l'ouverture du moyen de contrôle de l'ouverture, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de détermination du débit de gaz d'échappement traversant la turbine et de la pression de gaz d'échappement en 25 amont de la partie détente du turbocompresseur par résolution d'un système d'équations comprenant : -une première expression dans laquelle la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur est exprimée à partir de la pression en aval de la partie détente du turbocompresseur et du débit de gaz d'échappement traversant la 30 turbine, -une seconde expression dans laquelle le débit de gaz d'échappement traversant la turbine est exprimée à partir de la différence du débit de gaz d'échappement total produit par le moteur thermique et d'un débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation défini en fonction de l'ouverture du moyen de contrôle, de la pression en aval 35 de la partie détente du turbocompresseur et de la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur. De préférence, la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur est défini par : P3 = P4 X Cdet Où P3 est la pression en amont de la partie détente du turbocompresseur, P4 est pression en aval de la partie détente du turbocompresseur, Odet correspond à un coefficient fonction du débit ( rilTurbine de gaz d'échappement traversant la turbine et du régime du moteur thermique. De préférence encore, le coefficient Odet est défini par une cartographie établissant le coefficient Odet en fonction du débit normalisé de gaz d'échappement passant par la turbine et du régime moteur. Dans une variante, le débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation est déterminé par une première relation : P4 P3 IhWastegate_BSV = SWG X (I) (0 X Où: - rh -Wastegate_BSV est la valeur du débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation obtenue par cette première relation, - SwG est la section efficace du moyen de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite de dérivation. - (f) est la fonction de Barré de St Venant entre la pression des gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur et la pression des gaz d'échappement en aval de la partie détente du turbocompresseur. - 13 est la température déterminée en amont de la partie détente du turbocompresseur. De préférence, la section efficace SwG est établie au moyen d'une cartographie établissant ladite section efficace en fonction de l'ouverture du moyen contrôle du passage de gaz dans la conduite de dérivation et du régime du moteur thermique. De préférence encore, lorsque l'écart entre la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur et la pression de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur est inférieur à un seuil déterminé, le débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation est déterminé par une seconde relation : IhWastegatemF=IhEchappement X RAIF (Op, N) Où: - IhWastegatemF est la valeur du débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation obtenue par cette seconde relation, - IhEchappement est le débit de gaz échappement total produit par le moteur thermique traversant la partie détente du turbocompresseur, - RmF est la fraction du débit de gaz d'échappement total passant par la soupape de dérivation, établie à partir d'une cartographie établissant ladite fraction de gaz d'échappement en fonction de l'ouverture du moyen contrôle du passage de gaz dans la conduite de dérivation et du régime du moteur thermique. De préférence, le seuil déterminé est compris entre 2500 Pa et 5000 Pa. Dans une variante, le débit de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation retenu correspond à: IhWastegate = Maximum( AwastegateBsv ; rhwastegatemF) Où : Maximum 0 correspond à la fonction retenant la valeur maximale des deux débits de gaz d'échappement traversant la conduite de dérivation obtenus par la première et par la seconde relation. Dans une autre variante, le moyen de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite de dérivation comprend une soupape de dérivation. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne apte à mettre en oeuvre le procédé de l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique de la partie détente d'un turbocompresseur comprenant une turbine et une conduite de dérivation. Description détaillée La figure 1 représente schématiquement un véhicule 1 équipé d'un moteur thermique. Par exemple, le véhicule 1 est un véhicule automobile tel qu'une voiture. Le moteur du véhicule 1 est équipé de plusieurs cylindres. Toutefois, pour simplifier l'illustration, seul un cylindre 2 de ce moteur à combustion est représenté sur la figure 1. A l'intérieur du cylindre 2, un piston 3 est monté déplaçable en translation entre un point mort haut (PMH) et un point mort bas (PMB). Ce piston 3 entraîne en rotation une manivelle 4 d'un vilebrequin 5 par l'intermédiaire d'une bielle 6. Le vilebrequin 5 entraîne en rotation, par l'intermédiaire d'un mécanisme non représenté, les roues motrices du véhicule 2 telles que la roue 7. Le cylindre 2 définit une chambre de combustion 8 délimitée par la partie supérieure du piston 3 et une culasse non représentée. Un conduit 9 d'admission d'air frais débouche dans la chambre 8 par l'intermédiaire d'une ouverture d'admission. Une soupape 10 d'admission est déplaçable entre une position fermée dans laquelle elle ferme de façon étanche à l'air frais l'ouverture d'admission, et une position ouverte dans laquelle l'air frais peut être admis à l'intérieur de la chambre 8 par l'intermédiaire de l'ouverture d'admission. La soupape 10 est déplacée entre sa position ouverte et sa position fermée par un actionneur 11 de soupapes d'admission. Dans le représenté ici, le moteur est à injection indirecte de carburant, autrement dit un injecteur 12 de carburant est prévu dans le conduit 9 pour injecter le carburant dans l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 8. Ainsi, le mélange air frais/carburant commence à se produire à l'intérieur du conduit d'air d'admission. Le moteur thermique peut cependant être à injection directe essence, c'est-à-dire avec l'injecteur de carburant implanté de sorte à injecter directement le carburant dans la chambre de combustion. Le conduit 9 est fluidiquement raccordé à un compresseur 13 d'un turbocompresseur 14 propre à comprimer l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 8. L'air frais ainsi comprimé est appelé air frais suralimenté. Une bougie 15 propre à allumer le mélange air frais/carburant débouche dans la chambre 8. Cette bougie est commandée par un dispositif d'allumage 16. Un conduit 17 d'échappement débouche également à l'intérieur de la chambre 8 par l'intermédiaire d'une ouverture d'échappement. Cette ouverture d'échappement est obturable par une soupape 18 d'échappement déplaçable entre une position fermée, et une position ouverte dans laquelle les gaz brûlés contenus à l'intérieur de la chambre 8 peuvent s'échapper par l'intermédiaire du conduit 17. Cette soupape 18 est déplacée entre ces positions ouverte et fermée par un actionneur de soupapes 19. Les actionneurs de soupapes 11 et 19 peuvent être des actionneurs de soupapes mécaniques. L'extrémité du conduit 17 opposée à son ouverture qui débouche dans la chambre 18 est fluidiquement raccordée à une turbine 20 du turbocompresseur 13. Cette turbine 20 permet notamment de détendre les gaz d'échappement avant de les envoyer dans une ligne d'échappement 21. Afin de limiter la pression, le turbocompresseur est équipé d'une conduite 22 de dérivation des gaz d'échappement de la turbine 20. Cette conduite 22 de dérivation est elle-même équipée d'un moyen 23 de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite 22 de dérivation. Le moyen de contrôle 23 peut être par exemple une soupape de dérivation (encore désignée par le terme anglais « wastegate »). La turbine 20, la conduite 22 de dérivation et son moyen 23 de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite 22 forment un ensemble que nous désignerons comme la partie dite détente du turbocompresseur 14. Les différents équipements du moteur susceptibles d'être commandés tels que les actionneurs 11, 19, le dispositif d'allumage 16 ou encore l'injecteur 12 de carburant sont raccordés à une unité 24 de commande du moteur ou calculateur. Pour simplifier la figure 1, les connexions entre cette unité 24 et les différents équipements commandés n'ont pas été représentées. Le calculateur 24 est également raccordé à de nombreux capteurs tels que par exemple un capteur 25 de la position angulaire DV du vilebrequin 5 et un capteur 26 du régime moteur N. On définit ici le régime moteur N comme étant par exemple le nombre de tours par minute effectués par l'arbre d'entraînement du moteur. Le calculateur 24 comprend les moyens d'acquisition et de traitement requis pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Le calculateur 24 comprend notamment les cartographies évoquées dans la suite de ce mémoire. La présente invention concerne un procédé de détermination du débit de gaz d'échappement produits par le moteur thermique traversant la turbine 20 et de détermination de la pression en amont de la partie détente du turbocompresseur 14. Le procédé de l'invention est maintenant exposé : En relation avec la figure 2 présentant la répartition des débits de gaz d'échappement entre la turbine 20 la conduite de dérivation 22, le débit de gaz d'échappement, ril Turbine ' passant par la turbine 20, que l'on cherche à estimer, s'exprime de la façon suivante : rii Turbine - rfi Echappement - rilWastegate où : rilTurbine ' est le débit de gaz échappement passant par la turbine, hiEchappemen t , est le débit de gaz échappement total produit par le moteur thermique traversant la partie détente du turbocompresseur, lilWastegate , est le débit de gaz échappement passant par la conduite 22 de dérivation. La pression des gaz échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur 14 s'exprime de la façon suivante : P3 = P4 X Cdet Où: P3 est la pression moyenne des gaz d'échappement en entrée de la partie détente du turbocompresseur 14. En pratique cette pression est celle vue dans le collecteur 20 d'échappement, P4 est la pression moyenne des gaz d'échappement en sortie de la partie détente du turbocompresseur 14. En pratique cette pression P4 peut être mesurée ou estimée, Odet est un coefficient qui est fonction du débit turbine, rilTurbine 5 et du régime moteur, N. 25 Le débit riiWastegate de gaz échappement passant par la conduite 22 de dérivation peut s'écrire avec une première relation basée sur une équation de Barré de St Venant : P4 P3 IhWastegate_BSV = SWG X (1)(7) X 30 Où: - SwG est la section efficace de la soupape 23 de dérivation. De préférence, SwG se présente sous la forme d'une cartographie établissant la section efficace, SwG, en fonction de l'ouverture Op de la soupape de dérivation, qui peut être mesurée ou estimée, et du régime moteur N. - (f) est la fonction de Barré de St Venant entre la pression P3 des gaz d'échappement en amont du turbocompresseur 14 et la pression P4 moyenne des gaz d'échappement en aval du turbocompresseur 14. - T3 est la température moyenne en amont de la partie détente du turbocompresseur 14. En pratique, cette température 13 peut être mesurée ou estimée. i)P ( , On rappelle ici comment est définie la fonction de Barre Saint Venant - entre deux 131 j pressions quelconque P1 et P2. Où y est le rapport de la capacité calorifique à pression constante sur la capacité calorifique à volume constant. Classiquement, on considère y constant et égal à 1,44. Cependant, pour des points de fonctionnement où les pressions P3 et P4 ont des valeurs trop proches pour utiliser la fonction de Barre Saint Venant, on utilisera avantageusement cette seconde relation : IhWastegatemF=IhEchappement X RmF (Op , N) Où: RmF est la fraction du débit de gaz d'échappement total passant par la soupape 23 de dérivation. De préférence, cette fraction RmF est établie à partir d'une cartographie fonction de l'ouverture Op, qui peut être mesurée ou estimée, de la soupape 23 de dérivation et du régime moteur N. De préférence, cette seconde relation est retenue pour déterminer le débit de gaz échappement passant par la conduite 22 de dérivation lorsque l'écart entre la pression P3 de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur 14 et la pression P4 de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur 14 2 ( ( Si > (p\ = c+1, y+1 ( 2 'Y-1 Y Si On aboutit alors à un système à deux équations et deux inconnus, P3, etTh -Turbine rilTurbine = rilEchappement - 1 I P3 = P4 X Rp rit \ X 7 \ Turbine X PRer ,1737' PAtmo TO 1 P4) P3 / Maximum SwG (Op , N) x cp (7_ x : Th \ r3 vi-T3 - Echappement X RMF(°P,N) La résolution de ce système permet finalement de déterminer la valeur de la pression P3 moyenne en amont de la partie détente du turbocompresseur 14 et la valeur du débit de gaz d'échappement, M -Turbine , passant par la turbine 20. Le procédé de l'invention convient encore pour un moteur thermique pouvant comprendre les caractéristiques suivantes : Le moteur thermique peut comprendre ou non un déphaseur d'arbre à cames à l'admission, Le moteur thermique peut comprendre ou non un déphaseur d'arbre à cames à l'échappement. On entend par déphaseur un dispositif qui permet un décalage angulaire dans le cycle moteur de la loi de levée qui elle reste invariable. Le moteur thermique peut être à injection directe ou indirecte de carburant, Le moteur thermique peut comprendre un circuit de recirculation des gaz brûlés de l'échappement vers l'admission, communément désigné circuit EGR, L'invention a pour avantage de pouvoir estimer avec précision le débit de gaz d'échappement réellement par la turbine et l'évolution de la pression des gaz d'échappement dans le collecteur échappement et donc d'avoir des données fiables pour le fonctionnement du contrôle moteur. 20 25 REVENDICATIONS1. Procédé de détermination du débit ( . rilTurbine) de gaz d'échappement produits par un moteur thermique traversant la turbine (20) de la partie détente d'un turbocompresseur (14) et de détermination de la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur (14), ladite partie détente étant formée de la turbine (20) et d'une conduite (22) de dérivation de gaz d'échappement équipée d'un moyen (23) de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite (22), procédé dans lequel : On détermine la pression (P4) en aval de la partie détente du turbocompresseur, On détermine le débit ( , rilEchappement ) de gaz d'échappement total produit par le moteur thermique, On détermine l'ouverture (Op) du moyen (23) de contrôle de l'ouverture, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de détermination du débit ( rilTurbine) de gaz d'échappement traversant la turbine (20) et de la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur par résolution d'un système d'équations comprenant : -une première expression dans laquelle la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur est exprimée à partir de la pression (P4) en aval de la partie détente du turbocompresseur et du débit ( . rilTurbine) de gaz d'échappement traversant la turbine (20), -une seconde expression dans laquelle le débit ( . rilTurbine) de gaz d'échappement traversant la turbine (20) est exprimée à partir de la différence du débit ( , rilEchappement ) de gaz d'échappement total produit par le moteur thermique et d'un débit ( , rilWastegate ) de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation défini en fonction de l'ouverture (Op) du moyen de contrôle, de la pression (P4) en aval de la partie détente du turbocompresseur (14) et de la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur (14) est défini par : P3 = P4 X Cdet Où Cdet correspond à un coefficient fonction du débit ( . rilTurbine) de gaz d'échappement traversant la turbine (20) et du régime du moteur thermique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coefficient Odet est défini par une cartographie établissant le coefficient Odet en fonction du débit normalisé (7hTurbineNoRm ) de gaz d'échappement passant par la turbine (20) et du régime moteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation est déterminé par une première relation : P4 P3 IhWastegate_BSV = SWG X (1)(0 X Où: - rh -Wastegate_BSV est la valeur du débit de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation obtenue par cette première relation, - SwG est la section efficace du moyen (23) de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite (22) de dérivation. - (f) est la fonction de Barré de St Venant entre la pression (P3) des gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur (14) et la pression (P4) des gaz d'échappement en aval de la partie détente du turbocompresseur (14). - 13 est la température déterminée en amont de la partie détente du turbocompresseur (14) 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la section efficace SwG est établie au moyen d'une cartographie établissant ladite section efficace en fonction de l'ouverture (Op) du moyen (23) contrôle du passage de gaz dans la conduite (22) de dérivation et du régime du moteur thermique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lorsque l'écart entre la pression (P3) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur (14) et la pression (P4) de gaz d'échappement en amont de la partie détente du turbocompresseur (14) est inférieur à un seuil (4P) déterminé, le débit de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation est déterminé par une seconde relation : IhWastegatemF=IhEchappement X RmF (Op , N) Où: - IhWastegatemF est la valeur du débit de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation obtenue par cette seconde relation,- RmF est la fraction du débit de gaz d'échappement total passant par la soupape de dérivation, établie à partir d'une cartographie établissant ladite fraction de gaz d'échappement en fonction de l'ouverture (Op) du moyen (23) contrôle du passage de gaz dans la conduite (22) de dérivation et du régime du moteur thermique). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le seuil (4P) déterminé est compris entre 2500 Pa et 5000 Pa. 8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le débit de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation retenu correspond a: IhWastegate = Maximum( AwastegateBsv ; rhwastegatemF) Où : Maximum () correspond à la fonction retenant la valeur maximale des deux débits de gaz d'échappement traversant la conduite (22) de dérivation obtenus par la première et par la seconde relation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le moyen (23) de contrôle de l'ouverture du passage des gaz d'échappement dans la conduite (22) de dérivation comprend une soupape de dérivation.