Brevet FR3041705A1 — publié le 20170331

PROCEDE DE CONTROLE D'UN DEBIT D'AIR INJECTE DANS UN MOTEUR TURBOCOMPRESSE La présente invention se rapporte au domaine des moteurs équipés de turbocompresseur. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle du débit d'air injecté dans un tel moteur. Un moteur à combustion interne convertit l'énergie issue de la combustion du carburant en énergie mécanique. L'efficacité de la combustion dépend notamment des proportions du mélange entre le carburant et l'air. L'emploi de la suralimentation permet par exemple la combustion de plus de carburant dans le moteur. Un moteur suralimenté est muni d'un turbocompresseur qui permet d'augmenter la densité de l'air admis au niveau de chacun des cylindres. La température de l'air comprimé est généralement réduite pour augmenter le rendement de la suralimentation. Le turbocompresseur est défini par des champs compresseurs comme illustré par exemple sur la figure 1. Ces champs compresseurs sont des données fournies par les constructeurs de turbocompresseur. Une caractéristique importante des champs compresseurs est la ligne de pompage 10. Sur les faibles débits volumique, en fonction du taux de compression considéré, il apparaît en sortie compresseur des fluctuations de pression, pouvant dans un premier temps être acceptable en transitoire. Si l'on considère des débits volumiques très faibles, ces fluctuations de pression deviennent trop importantes et peuvent remonter jusqu'à l'entrée du compresseur créant alors des instabilités qui se traduisent par des claquements très bruyants. Ce phénomène est destructeur pour le compresseur et audible par le conducteur. Sur la figure 1, pour un certain taux de compression, le turbocompresseur fonctionne convenablement si le débit volumique appliqué au turbocompresseur est tel que le point de fonctionnement se situe à droite de la courbe. En revanche si le débit volumique appliqué au turbocompresseur est tel que le point de fonctionnement se situe à gauche de la ligne de pompage 10, le turbocompresseur entre dans un fonctionnement en pompage. Dans un véhicule, la limite de pompage peut être dépassée lors de la chute rapide de la consigne de couple qui crée alors une chute importante du débit volumique au niveau du 35 compresseur. 3041705 2 Une solution pour éviter de dépasser la limite de pompage est de créer un débit local autour du compresseur du turbocompresseur fin de réduire la chute de débit au niveau du compresseur. Un tel débit local est créé en utilisant une vanne appelée vanne de décharge du compresseur (ou « dump valve » en anglais). La figure 2 montre une telle 5 vanne 23 permettant de réinjecter un certain volume depuis la sortie du compresseur 20 vers son entrée. Mais une telle solution implique un composant supplémentaire qu'est cette vanne de décharge, ce qui entraîne un surcoût. 10 Une autre solution connue des documents FR2947866 ou W02011004091 est de piloter la vanne de dosage d'air d'admission de manière à éviter que le compresseur rentre en zone de pompage. Pour cela, on estime à partir de la limite de pompage et des pressions mesurées en amont et en aval du compresseur, un débit d'air limite. Cependant, dans le 15 cas où le débit d'air est trop important pour respecter la consigne du conducteur, malgré l'activation des systèmes de réduction de couple proposés dans ces documents on peut se trouver en situation de pompage. Par conséquent, il existe toujours un besoin pour améliorer le contrôle du débit d'air 20 injecté dans un moteur turbocompressé de sorte à éviter au mieux que le compresseur se retrouve en situation de pompage. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de contrôle d'un débit d'air injecté dans un moteur comprenant des cylindres reliés à un turbocompresseur 25 comportant un compresseur comprenant les étapes de : -détermination d'une consigne de couple moteur, -détermination du débit d'air maximal correspondant à une dégradation d'avance à l'allumage maximale et permettant de respecter la consigne de couple, -détermination d'un débit d'air minimal admissible par le compresseur permettant d'éviter 30 le pompage du compresseur, - application d'une stratégie de dégradation de l'avance à l'allumage et de contrôle de cette dégradation en fonction de la comparaison du débit d'air minimal admissible par le compresseur avec le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance maximale, caractérisé en ce que : on désactive un cylindre si le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale est inférieur au débit d'air minimal admissible par le compresseur. 3041705 3 L'effet technique est que la désactivation d'un cylindre va reporter très rapidement sur les autres cylindres actifs le besoin de production du couple et donc augmenter dans les mêmes proportions le débit maximal à réaliser avec le nombre de cylindres actifs restants, 5 ce qui contribue à sortir de la zone de pompage, avec une forte réactivité. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : 10 Dans une variante, pour des raisons de de progressivité, on désactive cumulativement un à un les cylindres tant que débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale pour le nombre de cylindres actifs est inférieur au débit d'air minimal admissible par le compresseur. 15 Dans une variante, pour des raisons de sécurité, on ne désactive pas le dernier cylindre actif. Dans une variante dans laquelle le moteur comprend un consommateur de couple, le procédé comprend en outre une stratégie de prélèvement de couple fourni par le moteur 20 par activation de ce consommateur de couple. Dans une variante dans laquelle le moteur comprend une distribution variable, le procédé comprend l'application d'un débit d'air de balayage passant directement de l'admission à l'échappement. 25 Dans une variante, le procédé comprend une stratégie de dégradation de couple choisie parmi un passage en double injection, un passage en combustion homogène pauvre, un passage en combustion stratifiée. 30 L'invention porte aussi sur un ensemble comprenant un moteur et un turbocompresseur de compression de l'air injecté dans le moteur, caractérisé en ce que l'ensemble comprend un calculateur comportant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des variantes 35 précédemment décrites. L'invention porte encore sur un véhicule comprenant un tel ensemble. 3041705 4 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 5 figures dans lesquelles : - La figure 1 est un exemple de champ compresseur avec en abscisse le débit volumique Qv traversant le compresseur et en ordonnée le ratio R de pression aval/pression amont du compresseur. 10 - La figure 2 est une représentation schématique d'une vanne de décharge. - La figure 3 est une représentation schématique d'un ensemble moteur. - La figure 4 présente des graphiques illustrant l'évolution des différents paramètres pris en compte dans le procédé de contrôle du débit d'air. 15 L'invention se rapporte à un procédé de contrôle d'un débit d'air injecté dans un moteur relié à un turbocompresseur. Le procédé permet d'éviter que le turbocompresseur rentre dans la zone de pompage, en particulier lors de chutes rapides de demande de couple par le conducteur, tout en garantissant le suivi de couple du conducteur. Le procédé permet ainsi de supprimer la vanne de décharge compresseur (communément désignée 20 « dump valve » par les motoristes) ainsi que son système de pilotage. Il y a donc un intérêt économique important notamment dans le cas des petits moteurs turbocompressés. Le procédé peut être mis en oeuvre dans un ensemble moteur d'un véhicule tel qu'illustré 25 sur la figure 3. Le véhicule comprend un moteur 30. Le moteur 30 peut être un moteur essence à injection directe ou indirecte. Le moteur comprend une ou plusieurs chambres 31 de combustion situées entre un collecteur 32 d'admission et un collecteur 33 d'échappement. Le collecteur 32 d'admission reçoit de l'air à introduire dans les chambres 31 de combustion. Du carburant est également injecté dans les chambres 31 de 30 combustion généralement par une buse d'injection qui n'est pas représentée sur la figure 3. Le collecteur 33 d'échappement reçoit les émissions de gaz produites par la combustion et les dirige vers une ligne d'échappement 34. Le véhicule comprend en outre un turbocompresseur 22 de compression de l'air injecté 35 dans le moteur. Le turbocompresseur 22 comprend le compresseur 20 relié au moteur et délivre de l'air comprimé au collecteur 32 d'admission. Le compresseur 20 est entrainé par la turbine 21 disposée dans la ligne d'échappement 34. Le turbocompresseur 22 3041705 5 permet ainsi d'augmenter la densité de l'air admis au niveau de chacune des chambres de combustion. Cela permet la combustion de plus de carburant ce qui augmente la puissance du moteur. Dans ce mode de réalisation le moteur ne comprend pas de vanne de décharge que ce soit une vanne de décharge intégrée au compresseur 20 ou déportée 5 de celui-ci. Le véhicule comporte en outre un calculateur, non représenté, comprenant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé détaillé après. 10 Le procédé comprend la détermination d'un débit d'air de consigne à partir d'une consigne de couple moteur et d'un débit d'air minimal admissible par le compresseur 20 du turbocompresseur 22. Ce débit d'air minimal admissible correspond au débit d'air minimum requis par le compresseur 20 permettant d'éviter le phénomène de pompage. 15 Selon l'action du conducteur du véhicule sur la pédale d'accélération, le couple à fournir par le moteur varie. En conséquence, le débit d'air de consigne demandé varie aussi et est déterminée par le calculateur. Le compresseur 20 du turbocompresseur 22 permet d'injecter une plus grande quantité d'air si la demande en couple augmente. Si le 20 conducteur relâche la pédale d'accélérateur, la consigne de couple (ou demande en couple) chute et le débit d'air de consigne diminue en conséquence. Comme indiqué en liaison avec la figure 1, le turbocompresseur 22 fonctionne convenablement pour autant que le débit d'air passant par le turbocompresseur 22 est suffisant. En d'autres termes, si le débit d'air de consigne est supérieur au débit d'air minimal admissible par le 25 turbocompresseur 22, ce dernier fonctionne convenablement et la réponse du moteur en fourniture de couple correspond à la demande du conducteur. Cette limite de débit d'air dépend des conditions de température, de pression et des caractéristiques du turbocompresseur. 30 Toutefois, le turbocompresseur 22 rentre en zone de pompage si le débit d'air passant par le compresseur 20 du turbocompresseur 22 est en dessous du débit d'air minimal admissible. Le procédé, dans un premier temps, détermine donc à partir du débit d'air de consigne le 35 débit d'air de consigne maximal correspondant à une dégradation d'avance à l'allumage maximale. Le couple délivré par le moteur dépendant de la quantité d'air aspirée par le moteur, la détermination du débit d'air de consigne maximal correspondant à la 3041705 6 dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs Q Air Max Deg AA Max, permet de savoir la quantité maximale d'air que l'on peut admettre tout en respectant la consigne de couple par l'application de la dégradation maximum de l'avance à l'allumage. 5 Le procédé détermine aussi un débit d'air admissible, Cs _Q Air Min Limite Pompage, par le compresseur 20 du turbocompresseur 22 correspondant à la limite pompage. Le débit d'air de consigne maximal est utilisé en comparaison de ce débit d'air minimal admissible, Cs _Q Air Min Limite Pompage. 10 Pour éviter la fourniture d'un couple par le moteur qui soit supérieur à la consigne de couple, le procédé applique une stratégie de dégradation de l'avance à l'allumage du moteur. Pour cela, le procédé comprend une étape de contrôle de la dégradation de l'avance à l'allumage du moteur en fonction de la comparaison du débit d'air minimal admissible, Cs _Q Air Min Limite Pompage, par le compresseur 20 du 15 turbocompresseur 22 avec le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs Q Air Max Deg AA Max. Ceci permet de dégrader la fourniture du couple du moteur ou encore d'augmenter le débit d'air requis pour une même fourniture de couple. Le calculateur peut décaler l'angle d'allumage par rapport à l'angle donnant le couple maximal. 20 Lorsque le débit d'air maximum de consigne, Cs _Q Air Max Deg AA Max, est supérieur au débit d'air minimal admissible (limite pompage), Cs _Q Air Min Limite Pompage, on peut se permettre d'appliquer une consigne de débit d'air limite pompage, et d'appliquer une dégradation d'avance pour suivre le couple 25 demandé par le conducteur. Lorsque le débit d'air maximum de consigne, Cs Q Air Max Deg AA Max, est inférieur au débit d'air minimal admissible (limite pompage), Cs Q Air Min Limite Pompage, on choisit de privilégier le suivi de la volonté conducteur plutôt que d'éviter le pompage. En 30 effet, si l'on choisit de suivre le débit d'air minimal admissible (limite pompage), on va éviter le pompage mais le moteur va absorber trop d'air et produire trop de couple (même en dégradant au maximum l'avance) pour respecter la volonté conducteur. Dans ce cas, lorsque le conducteur lève le pied, il aurait l'impression que le véhicule ne ralentit pas comme habituellement. 35 C'est sur ce cas de vie où la dégradation d'avance à l'allumage ne va pas être suffisante que l'on va venir appliquer, conformément à l'invention, la désactivation d'un cylindre 31, 3041705 7 par coupure de son allumage et de son injection. La désactivation d'un cylindre 31 a pour effet de faire « remonter » le débit d'air maximum, Cs Q Air Max Deg AA Max. La figure 4 montre des graphes schématisant les étapes décrites précédemment et la 5 suite de la procédure de l'invention. Le graphe A montre l'évolution dans le temps d'une consigne de couple Cc (ou couple de consigne demandé par le conducteur). Sur ce graphe, le conducteur demande subitement un couple plus important en appuyant sur l'accélérateur, puis la demande de couple chute 10 si le conducteur relâche l'accélérateur. Le graphe B montre l'évolution dans le temps du taux de compression R du compresseur 20, en réponse à la demande du conducteur selon le graphe A. On voit que le taux de compression augmente lorsque la consigne de couple augmente ; ceci traduit une 15 demande en air plus importante. Toutefois, l'augmentation du taux de compression n'est pas aussi rapide que peut l'être l'augmentation de la consigne de couple. Ceci est dû à l'inertie du turbocompresseur. Une fois que la consigne de couple chute, le taux de compression diminue. Le taux de compression diminue moins rapidement pour la même raison. 20 Le graphe C compare la variation de la consigne de débit d'air demandé par le conducteur, Cs Qair conducteur, en réponse à la variation de consigne de couple avec la variation du débit d'air minimal admissible, Cs _Q Air Min Limite Pompage, par le compresseur 20 du turbocompresseur 22 et avec la variation du débit d'air maximal 25 correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs _Q Air Max Deg AA Max. La consigne de débit d'air injectée dans le moteur correspond à la consigne de débit d'air demandé par le conducteur, Cs _Q Air Conducteur, tant que cette dernière est 30 supérieure au débit d'air minimal admissible, Cs Q Air Min Limite Pompage. Tant que le débit d'air minimal Cs Q Air Min Limite Pompage est inférieur au débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs _Q Air Max Deg AA Max le débit d'air minimal admissible, 35 Cs _Q Air Min Limite Pompage, peut être appliqué. Le surcouple va être atténué par une dégradation de l'avance, il n'y a pas de problème de suivi de consigne de couple et le compresseur 20 du turbocompresseur 22 n'est pas en zone de pompage. 3041705 8 Lorsque le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs _Q Air Max Deg AA Max, est inférieur au débit d'air minimal admissible par le compresseur, Cs _Q Air Min Limite Pompage, on suit le débit d'air maximal 5 correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs _Q Air Max Deg AA Max, mais on est dans la zone de pompage et on applique les avances minimales. Dans ce cas, comme illustré par le graphe D le procédé applique la désactivation d'un cylindre 31, par coupure de son allumage et de son injection. 10 Le fait de couper l'injection et l'allumage d'un cylindre 31 va reporter sur les autres cylindres actifs le besoin de production du couple. Le couple demandé par le conducteur restant inchangé, et en considérant l'application d'une dégradation d'avance maximale, la valeur du débit maximal à réaliser à la vanne de dosage d'air, Cs _Q Air Max Deg AA Max, avec le nombre de cylindres actifs restants va donc 15 augmenter sensiblement (par exemple de 33% pour un moteur quatre cylindres). La nouvelle valeur du débit maximal, Cs Q Air Max Deg AA Max pour le nombre de cylindre restants est défini comme suit : Cs_Q_Air_Max_Deg_AA_Max = Cs_Q_Air_Max_Deg_AA_Max x Nb_Cyl_total - Nb_Cyl_coupé 20 Avec Nb_Cyl_total, le nombre de cylindres total du moteur et Nb_Cyl_coupé, le nombre de cylindres désactivés. Si la nouvelle valeur du débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs Q Air Max Deg AA Max, devient supérieure au débit d'air 25 minimal admissible par le compresseur Cs _Q Air Min Limite Pompage, alors il n'y a plus de problème de suivi de la consigne de couple et on évite la zone de pompage. Par contre, si malgré cette nouvelle valeur le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale, Cs _Q Air Max Deg AA Max, reste 30 inférieur au débit d'air minimal admissible par le compresseur Cs _Q Air Min Limite Pompage, alors on peut demander à couper un nouveau cylindre. Par sécurité on peut prévoir de limiter le nombre maximum de cylindre à couper, par exemple de sorte ne pas désactiver le dernier cylindre actif. Nb_Cyl_total 3041705 9 Ainsi, on désactive cumulativement un à un les cylindres 31 tant que débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale pour le nombre de cylindres actifs est inférieur au débit d'air minimal admissible par le compresseur 20. 5 Le procédé permet simplement et rapidement d'éviter que le turbocompresseur rentre dans la zone de pompage, en particulier lors des chutes rapides de demande de couple par le conducteur tout en garantissant le suivi de couple du conducteur. On peut également prévoir de compléter le procédé de l'invention par des stratégies ayant 10 aussi pour effet dans une certaine mesure de faire « remonter » le débit d'air maximum, Cs _Q Air Max Deg AA Max, en fonction de leur disponibilité sur le moteur. On peut par exemple prévoir de compléter le procédé de l'invention par une stratégie de prélèvement de couple par l'activation, si le moteur en est doté, d'un consommateur de 15 couple, c'est-à-dire un équipement dont le fonctionnement est assuré directement par l'énergie fournit par le moteur, tel que par exemple un alternateur piloté, un compresseur de climatisation. Dans ce cas la demande de couple moteur pour compenser le couple que va prélever l'alternateur augmente. Le débit d'air maximum de consigne va donc augmenter et se rapprocher voire dépasser le débit d'air minimal admissible (limite 20 pompage). Si c'est le cas, alors on pourra suivre le débit d'air minimal admissible (limite pompage) et compenser le « surcouple », en atténuant légèrement la dégradation d'avance. On peut également prévoir de compléter le procédé de l'invention par une stratégie de 25 dégradation de couple choisie parmi un passage en double injection, un passage en combustion « homogène pauvre », un passage en mode combustion stratifié. La double injection correspond à l'injection non seulement pendant la phase d'admission mais aussi pendant la phase de compression, ce qui permet de retarder encore l'allumage et la combustion. La combustion stratifiée correspond à des zones de mélange hétérogènes, 30 ce qui dégrade la combustion et le couple obtenu. Si le moteur est doté d'un dispositif de distribution variable, on peut également prévoir de compléter le procédé de l'invention par l'application d'un débit d'air de balayage passant directement de l'admission à l'échappement en maintenant les soupapes d'admission et 35 d'échappement ouvertes en même temps. Ce débit d'air de balayage ne participe pas à la combustion, ce qui a pour effet d'augmenter la consigne d'air pour respecter le couple 3041705 10 demandé par le conducteur. Cette stratégie est cependant moins dynamique que la coupure d'un cylindre. On peut prévoir de déclencher ces stratégies par exemple en privilégiant ce qui est le plus 5 rapide à activer, ce qui pénalise le moins le client du point de vue de la consommation de carburant et est le moins perceptible du point de vue de l'agrément par ce dernier. L'invention permet de réduire les situations de vie où le pompage est inévitable. On a alors moins de bruit de pompage perceptible par le conducteur et moins de risques de 10 détérioration du compresseur. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un débit d'air injecté dans un moteur (30) comprenant des cylindres (31) reliés à un turbocompresseur (22) comportant un compresseur (20) comprenant les étapes de : -détermination d'une consigne (Cc) de couple moteur, -détermination du débit d'air maximal correspondant à une dégradation d'avance à l'allumage maximale (Cs Q Air Max Deg AA Max) et permettant de respecter la consigne de couple, -détermination d'un débit d'air minimal admissible (Cs _Q Air Min Limite Pompage) par le compresseur (20) permettant d'éviter le pompage du compresseur (20), - application d'une stratégie de dégradation de l'avance à l'allumage et de contrôle de cette dégradation en fonction de la comparaison du débit d'air minimal admissible (Cs _Q Air Min Limite Pompage) par le compresseur (20) avec le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance maximale (Cs _Q Air Max Deg AA Max), caractérisé en ce que on désactive un cylindre si le débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale (Cs Q Air Max Deg AA Max) est inférieur au débit d'air minimal admissible (Cs Q Air Min Limite Pompage) par le compresseur (20). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on désactive cumulativement un à un les cylindres (31) tant que débit d'air maximal correspondant à la dégradation d'avance à l'allumage maximale (Cs _Q Air Max Deg AA Max) pour le nombre de cylindres actifs est inférieur au débit d'air minimal admissible (Cs Q Air Min Limite Pompage) par le compresseur (20). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on ne désactive pas le dernier cylindre (31) actif. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur comprenant un consommateur de couple, le procédé comprend en outre une stratégie de prélèvement de couple fourni par le moteur par activation de ce consommateur de couple. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur comprenant une distribution variable, le procédé comprend l'application d'un débit d'air de balayage passant directement de l'admission à l'échappement. 3041705 12 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une stratégie de dégradation de couple choisie parmi un passage en double injection, un passage en combustion homogène pauvre, un passage en combustion stratifiée. 5 7. Ensemble comprenant un moteur et un turbocompresseur de compression de l'air injecté dans le moteur, caractérisé en ce que l'ensemble comprend un calculateur comportant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10 8. Véhicule comprenant un ensemble selon la revendication 7.