Brevet FR3059713A1 — publié le 20180608

Procédé de commande d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur à combustion interne La présente invention concerne de façon générale le domaine de la 5 commande des systèmes de suralimentation des moteurs à combustion interne par turbocompresseur comprenant un compresseur à géométrie variable. Un turbocompresseur est composé d'une turbine et d'un compresseur entraîné en rotation par la turbine, à travers un arbre reliant la turbine au compresseur. La turbine est disposée dans un circuit d'échappement du moteur 10 sur le trajet des gaz d'échappement et est entraînée en rotation par les gaz d'échappement. Le compresseur est disposé dans un circuit d'admission sur le trajet d'admission d'air dans le moteur. Il compresse l'air injecté dans le moteur, permettant une suralimentation du moteur par rapport à un régime d'admission à la pression atmosphérique. 15 La puissance prélevée par la turbine aux gaz d'échappement peut avantageusement être modulée en prévoyant des ailettes mobiles à orientation variable au niveau de l'entrée de la turbine, permettant de modifier la géométrie de la turbine de façon à influer sur l'écoulement des gaz d'échappement sur la turbine. On parle alors de turbine à géométrie variable. La puissance que fournit 20 le compresseur peut également être modulée en disposant des ailettes à orientation variable à l'entrée ou à la sortie du compresseur. On parle de compresseur à géométrie variable. Des actionneurs sont prévus pour commander l'ouverture et la fermeture des ailettes à orientation variable, qui équipent respectivement la turbine et le 25 compresseur. Les signaux de commande de ces actionneurs sont fournis par une unité de contrôle électronique du moteur (ECU) en fonction du régime et du couple moteur, de façon à asservir la pression dans le collecteur d'admission du moteur. L'un des problèmes généralement rencontrés sur les moteurs 30 suralimentés par turbocompresseur concerne le temps de réponse du turbocompresseur. Ce problème résulte essentiellement de l'inertie de la montée en vitesse de l'ensemble tournant du turbocompresseur, qui ne se fait pas de manière instantanée, et des débits du moteur insuffisants pour alimenter correctement la turbine à bas régimes. Ce problème est d'autant plus important 3059713 2 que la cylindrée du moteur suralimenté est faible et que les niveaux de pression de suralimentation requis sont élevés. Il en résulte un délai dans l'apparition du couple développé par le moteur en réponse à une commande d'accélération de régime. Compte tenu de l'augmentation des performances des moteurs à combustion interne suralimentés et en particulier des moteurs de type Diesel, les niveaux de compression sont de plus en plus sollicités. Il est donc important de pouvoir piloter le plus finement possible le turbocompresseur, en particulier pendant les phases transitoires, c'est-à-dire les phases correspondant à des demandes de forte accélération de la part du conducteur, par opposition aux phases stabilisées, correspondant aux phases de fonctionnement à régime moteur sensiblement constant. En effet, les systèmes de compresseur à géométrie variable tels que décrits ci-dessus, sont généralement réglés pour optimiser les performances du moteur pendant ces phases stabilisées, ou bien encore pour réduire la consommation et les émissions de polluants du véhicule pendant les phases de fonctionnement à charge partielle. Or, lors d'une phase transitoire, les performances du moteur sont inférieures au niveau de charge que le moteur aurait en phase stabilisée, en raison du temps de mise en action du système de suralimentation. Il existe donc un besoin pour optimiser le rendement du compresseur à géométrie variable pendant les phases transitoires, en particulier pour améliorer les capacités d'accélération du véhicule. Ce but est atteint grâce à un procédé de commande d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur à combustion interne de véhicule automobile du type comprenant une turbine et un compresseur à géométrie variable, dans lequel on régule la pression de suralimentation en réglant la géométrie du compresseur à géométrie variable à partir d'une valeur de réglage de la géométrie du compresseur, ladite valeur de réglage étant issue d'une première cartographie de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement stabilisé du moteur, caractérisé en ce que : 3059713 3 - on détecte un fonctionnement transitoire du moteur à la suite d'une demande brusque d'accélération du moteur, - dès la détection, on commande une modification du réglage de la géométrie du compresseur à géométrie variable à partir d'une deuxième 5 cartographie de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement transitoire du moteur, et - on opère une commutation progressive du réglage de la géométrie du compresseur selon la deuxième cartographie vers le réglage selon la première 10 cartographie, par détection de l'évolution dans le temps du niveau de charge réalisé par le moteur par rapport à un niveau de couple maximal obtenu lorsque le régime moteur est stabilisé. Avantageusement, on commute progressivement de la deuxième cartographie à la première cartographie lorsque le couple moteur est au moins 15 égal à 90% du niveau de couple maximal obtenu lorsque le régime moteur est stabilisé. De préférence, la détection du fonctionnement transitoire du moteur comprend la comparaison à un seuil prédéfini de l'évolution dans le temps du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur associée au moteur. 20 Avantageusement, le fonctionnement transitoire est détecté lorsque la dérivée par rapport au temps du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur est supérieure au seuil prédéfini. Avantageusement, les valeurs de réglage de la géométrie du compresseur cartographiées dans les première et deuxième cartographies permettent de 25 régler l'orientation d'ailettes à orientation variable équipant le compresseur, les valeurs de réglage de la deuxième cartographie étant adaptées pour commander une position d'ouverture plus importante des ailettes que les valeurs de réglage de la première cartographie en fonction du régime moteur. De préférence, pendant la mise en oeuvre de la commande de la 30 géométrie du compresseur à géométrie variable selon la deuxième cartographie, la turbine du turbocompresseur étant une turbine à géométrie variable équipée d'ailettes à orientation variable, on règle l'orientation des ailettes de la turbine dans une position de fermeture des ailettes et on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale 3059713 4 admissible par le moteur, tant que la pression mesurée dans le collecteur d'admission du moteur est inférieure à une pression de consigne représentative de la pression de suralimentation requise. En variante, pendant la mise en oeuvre de la commande de la géométrie 5 du compresseur à géométrie variable selon la deuxième cartographie, la turbine du turbocompresseur étant une turbine à géométrie fixe, on commande une soupape de décharge, aménagée en amont de l'entrée de la turbine, dans une position de fermeture, de façon à faire passer la totalité des gaz d'échappement à travers la turbine et on élabore une consigne de richesse pour le moteur 10 correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur, tant que la pression mesurée dans le collecteur d'admission du moteur est inférieure à une pression de consigne représentative de la pression de suralimentation requise.. Avantageusement, pendant la mise en oeuvre de la commutation progressive du réglage de la géométrie du compresseur selon la deuxième 15 cartographie vers le réglage selon la première cartographie, on régule la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission autour de la pression de suralimentation requise pour atteindre le couple maximal lorsque le régime moteur est stabilisé, en modifiant la géométrie de la turbine ou en commandant la soupape de décharge. 20 L'invention concerne également un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un turbocompresseur du type comportant une turbine et un compresseur à géométrie variable, dans lequel une unité de contrôle électronique du moteur agit sur une commande de la géométrie du compresseur, caractérisé en ce ladite unité de contrôle est adaptée pour mettre 25 en oeuvre le procédé tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne encore un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur tel que décrit ci-dessus. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non limitatif, en 30 référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un organigramme illustrant le procédé de commande du turbocompresseur selon l'invention lors de la détection d'une phase transitoire de fonctionnement du moteur; 3059713 5 - la figure 2 est un schéma illustrant différents champs de compresseur correspondant à différentes positions du compresseur à géométrie variable, repérées par les angles des ailettes équipant le compresseur ; - la figure 3 est un schéma illustrant une première et une deuxième 5 cartographie de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime moteur, utilisée respectivement en fonctionnement stabilité du moteur et en fonctionnement transitoire de celui-ci, conformément à l'invention ; - la figure 4 est un schéma illustrant l'amélioration des rendements du compresseur. 10 Le procédé de commande de l'invention s'applique à un turbocompresseur à géométrie variable destiné à assurer la suralimentation d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, équipant un véhicule automobile, du type comprenant un actionneur piloté par l'unité de contrôle électronique du moteur (ECU) en fonction du régime et du couple moteur, pour 15 contrôler l'ouverture d'ailettes à orientation variable disposées soit en amont, soit en aval de la roue du compresseur, et qui permettent d'influer sur l'écoulement des gaz dans la roue du compresseur de manière à en améliorer les performances aérodynamiques et étendre la plage de fonctionnement du compresseur. 20 La figure 2 illustre différents champs de compresseur, traduisant pour différentes géométries du compresseur repérées par les angles des ailettes, le taux de compression en fonction du débit d'air dans le compresseur, le taux de compression étant défini comme le rapport de la pression de l'air sortant du compresseur sur la pression de l'air entrant dans le compresseur. L'angle de 25 55° appliqué à l'orientation des ailettes correspond à une position ouverte du système, tandis que l'angle de 90° correspond à la position la plus fermée, soit à la section de passage des gaz vers la roue du compresseur la plus fermée. A noter que le champ compresseur réel à une position donnée est une interpolation des champs de compresseur aux positions les plus proches de 30 cette position. Avec une optimisation classique du compresseur à géométrie variable, le réglage de l'ouverture des ailettes du compresseur est obtenu de façon à optimiser les rendements du compresseur à régime moteur constant, soit pour optimiser les performances du moteur en stabilisé. La figure 3 illustre à cet égard un exemple d'une première cartographie Cl de valeurs de réglage 3059713 6 de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant aux valeurs de réglage de l'ouverture des ailettes pour lesquelles le rendement du compresseur est optimisé en fonctionnement stabilisé du moteur à régime moteur sensiblement constant. 5 La figure 3 montre par ailleurs une deuxième cartographie C2 de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à des réglages optimaux du compresseur à géométrie variable pendant les phases transitoires du moteur, c'est-à-dire lors de demandes de forte accélération de la part du conducteur. Il apparaît que ces 10 réglages sont très différents de ceux optimisés pour la pleine charge stabilisée du moteur, avec en particulier des angles d'ouvertures des ailettes plus importants. En effet, en fonctionnement stabilisé, la recherche de performances optimales oblige à fermer le système pour obtenir des rapports de compression élevés, et conserver une marge importante vis-à-vis du phénomène de 15 pompage du compresseur. Le procédé de l'invention propose donc de régler différemment la position des ailettes du compresseur à géométrie variable pour le fonctionnement transitoire du moteur, en appliquant la deuxième cartographie de réglage de l'ouverture des ailettes conçue pour optimiser les rendements du compresseur pendant ces phases transitoires du moteur. 20 On utilise l'information recueillie par un capteur de pression de suralimentation et un capteur de position de la pédale d'accélérateur associée au moteur, de façon à situer le niveau de charge du moteur et pour détecter la demande de fort couple en fonctionnement transitoire du moteur. En référence à la figure 1, dans une étape EO, lors d'une demande de fort couple, le 25 fonctionnement transitoire du moteur est détecté, dans une étape E1, par la comparaison à un seuil prédéfini de l'évolution dans le temps du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur. Le fonctionnement transitoire est par exemple détecté lorsque la dérivée par rapport au temps du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur est supérieure à un seuil prédéfini 30 ou par une demande de couple correspondant par exemple à une valeur supérieure à 90% du couple maximal. Si aucune des ces conditions n'est vérifiée, alors le procédé applique une étape E2, dans laquelle on règle la position des ailettes du compresseur en utilisant une première cartographie de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de 3059713 7 rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement stabilisé du moteur. Par contre, en cas de détection d'un fonctionnement transitoire, on applique une étape E3, dans laquelle on utilise pour le réglage de la position 5 des ailettes du compresseur, une deuxième cartographie de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement transitoire du moteur. Plus particulièrement, cette deuxième cartographie, utilisée lorsqu'un fonctionnement transitoire du moteur est 10 détecté, est adaptée pour commander une position d'ouverture des ailettes plus importante que celle résultant des valeurs de réglage de la première cartographie en fonction du régime moteur. Cette deuxième cartographie est utilisée tant que le niveau de couple n'a pas atteint par exemple 90% du niveau de couple maximal obtenu lorsque le régime moteur est stabilisé. Lorsque cette 15 valeur de couple est atteinte ou dépassée, dans une étape E4, on passe progressivement de la deuxième cartographie à la première cartographie pour le réglage de la position des ailettes du compresseur et la première cartographie sera totalement utilisée en fin de fonctionnement transitoire du moteur. 20 Aussi, le réglage des ailettes de modification de la géométrie du compresseur à géométrie variable est assuré en appliquant deux stratégies différentes de réglage qui sont utilisées en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, selon qu'une phase de fonctionnement en transitoire est détectée ou non. Les réglages de la position des ailettes lorsque 25 la phase transitoire est détectée garantissent une ouverture plus importante des ailettes pendant la durée de la phase transitoire. Simultanément à la modification des réglages de la géométrie du compresseur, qui est appliquée par le procédé de commande lorsqu'un fonctionnement transitoire est détecté lors d'une demande de fort couple, le 30 procédé de commande est également conçu pour agir au niveau du moteur et de la turbine du turbocompresseur dans une étape E5. Dans le cas où la turbine du turbocompresseur est une turbine à géométrie variable équipée d'ailettes à orientation variable, pendant la mise en oeuvre de la modification des réglages de la géométrie du compresseur à 3059713 8 l'étape E3, on règle simultanément dans l'étape E5 l'orientation des ailettes de la turbine dans une position de fermeture des ailettes. Dans cette même étape E5, on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur. La richesse maximale admissible 5 par le moteur correspond à la limite en dessous de laquelle la qualité de la combustion est acceptable (richesse en limite de fumées sur un moteur Diesel ou richesse optimale de l'ordre de 1 à 1,15 sur un moteur à essence). En variante à l'étape E5, dans le cas où la turbine du turbocompresseur est une turbine à géométrie fixe, on commande la soupape de décharge 10 (« waste gate » en anglais) dans une position de fermeture, de façon à faire passer la totalité des gaz d'échappement à travers la turbine, et on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur. Une telle soupape de décharge équipe classiquement les moteurs à turbocompresseur afin d'éviter que le turbocompresseur ne « 15 s'emballe », c'est-à-dire que sa vitesse de rotation ne devienne trop grande. Cette soupape est aménagée entre la soupape d'échappement et l'entrée de la turbine et quand cette soupape est fermée, la totalité des gaz d'échappement passe à travers la turbine. Encore à titre de variante à l'étape E5, dans le cas d'un moteur à essence, 20 on commande la pleine ouverture du papillon des gaz placé à l'entrée du collecteur d'admission pour obtenir le plus rapidement possible la pleine charge, et on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur. Les actions décrites ci-dessus mises en oeuvre à l'étape E5 au niveau du 25 moteur et de la turbine du turbocompresseur sont appliquées tant que la pression PCOLL mesurée dans le collecteur d'admission du moteur est inférieure à une pression de consigne PCOLL_cible représentative de la pression de suralimentation requise, par exemple tant que la pression dans le collecteur d'admission n'a pas atteint environ 90% de la pression de consigne. 30 Dans le même temps que l'étape E4, dans laquelle on passe progressivement de la deuxième cartographie à la première cartographie de réglage de la géométrie du compresseur, on régule dans une étape E6 la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission autour de la pression de suralimentation requise pour atteindre le couple maximal lorsque le 3059713 9 régime moteur est stabilisé, en agissant sur la commande de la position des ailettes de la turbine ou sur la commande de l'ouverture de la soupape de décharge de la turbine. Puis, dans une étape E7, on utilise totalement la première cartographie 5 correspondant aux réglages optimisés de la géométrie du compresseur en fonctionnement stabilisé du moteur. La figure 4, qui représente deux courbes de rendement du compresseur en fonction du temps, respectivement avec et sans application des réglages de la position des ailettes du compresseur optimisés pour le fonctionnement 10 transitoire du moteur, illustre l'amélioration du rendement du compresseur obtenu grâce à la mise en oeuvre de ces réglages dans le cas d'un fonctionnement transitoire. Il apparaît ainsi qu'on obtient des rendements plus élevés, qui sont favorables pour les performances et le temps de réponse du moteur en fonctionnement transitoire, mais qui sont également favorables pour 15 la consommation du moteur par diminution des pertes par pompage du moteur. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur à combustion interne de véhicule automobile du type comprenant une turbine et un compresseur à géométrie variable, dans lequel on régule la pression de suralimentation en réglant la géométrie du compresseur à géométrie variable à partir d'une valeur de réglage de la géométrie du compresseur, ladite valeur de réglage étant issue d'une première cartographie (C1) de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement stabilisé du moteur, caractérisé en ce que : - on détecte (El ) un fonctionnement transitoire du moteur à la suite d'une demande brusque d'accélération du moteur, - dès la détection, on commande (E3) une modification du réglage de la géométrie du compresseur à géométrie variable à partir d'une deuxième cartographie (C2) de valeurs de réglage de la géométrie du compresseur en fonction du régime de rotation du moteur, correspondant à un rendement optimisé du compresseur pour un fonctionnement transitoire du moteur, et - on opère (E4) une commutation progressive du réglage de la géométrie du compresseur selon la deuxième cartographie vers le réglage selon la première cartographie, par détection de l'évolution dans le temps du niveau de couple réalisé par le moteur par rapport à un niveau de couple maximal obtenu lorsque le régime moteur est stabilisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'on commute progressivement de la deuxième cartographie à la première cartographie lorsque le couple moteur est au moins égal à 90% du niveau de couple maximal obtenu lorsque le régime moteur est stabilisé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la détection (El) du fonctionnement transitoire du moteur comprend la comparaison à un seuil prédéfini de l'évolution dans le temps du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur associée au moteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fonctionnement transitoire est détecté lorsque la dérivée par rapport au temps 3059713 11 du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur est supérieur au seuil prédéfini. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs de réglage de la géométrie du compresseur 5 cartographiées dans les première et deuxième cartographies permettent de régler l'orientation d'ailettes à orientation variable équipant le compresseur, les valeurs de réglage de la deuxième cartographie étant adaptées pour commander une position d'ouverture plus importante des ailettes que les valeurs de réglage de la première cartographie en fonction du régime moteur. 10 6. Procédé selon l'une quelconque de revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant la mise en oeuvre de la commande (E3) de la géométrie du compresseur à géométrie variable selon la deuxième cartographie (C2), la turbine du turbocompresseur étant une turbine à géométrie variable équipée d'ailettes à orientation variable, on règle (E5) l'orientation des ailettes 15 de la turbine dans une position de fermeture des ailettes et on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur, tant que la pression mesurée dans le collecteur d'admission du moteur est inférieure à une pression de consigne représentative de la pression de suralimentation requise. 20 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pendant la mise en oeuvre de la commande (E3) de la géométrie du compresseur à géométrie variable selon la deuxième cartographie (C2), la turbine du turbocompresseur étant une turbine à géométrie fixe, on commande une soupape de décharge, aménagée entre une soupape 25 d'échappement des gaz d'échappement en sortie du moteur et l'entrée de la turbine, dans une position de fermeture, de façon à faire passer la totalité des gaz d'échappement à travers la turbine et on élabore une consigne de richesse pour le moteur correspondant à la richesse maximale admissible par le moteur, tant que la pression mesurée dans le collecteur d'admission du moteur est 30 inférieure à une pression de consigne représentative de la pression de suralimentation requise.. 8. Procédé selon l'une des revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que pendant la mise en oeuvre de la commutation progressive (E4) du réglage de la géométrie du compresseur selon la deuxième cartographie vers le réglage 3059713 12 selon la première cartographie, on régule (E6) la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission autour de la pression de suralimentation requise pour atteindre le couple maximal lorsque le régime moteur est stabilisé, en modifiant la géométrie de la turbine ou en commandant la soupape de 5 décharge. 9. Moteur à combustion interne suralimenté comprenant un turbocompresseur du type comportant une turbine et un compresseur à géométrie variable, dans lequel une unité de contrôle électronique du moteur agit sur une commande de la géométrie du compresseur, caractérisé en ce 10 ladite unité de contrôle est adaptée pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur selon la revendication 9. 15