Brevet FR3088370A1 — publié le 20200515

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE CALCUL D'UNE POSITION DE CONSIGNE D'UN TURBOCOMPRESSEUR DE MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur un procédé de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs thermiques de véhicules automobiles. [0002] De façon connue en soi, un turbocompresseur comporte un compresseur et une turbine reliée mécaniquement au compresseur. Le compresseur comprime l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des chambres de combustion. A cet effet, le compresseur est placé sur le conduit d'admission de l'air, c'est-à-dire avant le moteur. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine qui entraîne alors en rotation le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement reliant les éléments entre eux. [0003] Un tel système de suralimentation étant fortement non linéaire, une loi de commande en boucle ouverte ("model based" en anglais) est élaborée afin de calculer la position de consigne du turbocompresseur en fonction de la consigne de pression de suralimentation dans le but de linéariser cette dernière. Par ailleurs, dans l'objectif de corriger les déviations de cette boucle ouverte, un régulateur de type PID (proportionnel-intégral- dérivé) est mis en oeuvre en amont de cette dernière. Ce choix est dicté par le besoin de linéariser également l'action du régulateur. Cependant, à cause des dispersions des composants du système, la boucle ouverte se voit décalée (décentrée) du point de fonctionnement désiré par l'action du régulateur. Ce décalage rend le point de fonctionnement de la boucle ouverte différent de celui du système physique, ce qui dégrade la robustesse et les performances de la régulation et fait perdre l'intérêt de cette approche. [0004] La figure 1 montre un schéma de commande de la pression de suralimentation d'un moteur thermique 5. Il intègre deux boucles de régulation de type PID (Pour "Proportionnel-Intégral-Dérivé"). La première boucle (interne) est la boucle Bint qui 2 régule la position du turbocompresseur. La deuxième boucle (externe) Bext située en amont de la boucle ouverte BO régule la pression de suralimentation. [0005] Plus précisément, un comparateur Comp permet de calculer une erreur entre la consigne de pression de suralimentation P2_cons et la pression de suralimentation P2_mes mesurée au niveau du moteur 5. Un bloc de régulation B_reg de type PID (Proportionnel- Intégral-Dérivé) corrige cette erreur et le résultat est ajouté à la consigne de pression de suralimentation P2_cons via le sommateur Som pour obtenir une consigne de pression de suralimentation corrigée P2_cons_corr. [0006] Une boucle ouverte BO met en oeuvre une fonction f établissant une relation entre une pression de suralimentation et une section efficace de la soupape de décharge. La fonction f est basée sur un modèle de puissance Pcomp du turbocompresseur et un modèle inverse de la turbine Mod_inv_turb. En outre, la boucle ouverte BO met en oeuvre une fonction g établissant une correspondance entre la section efficace de la soupape de décharge et la position de consigne x_cons de la soupape de décharge. [0007] Une boucle de régulation standard est ensuite appliquée à la position de consigne x_cons de la soupape de décharge. A cet effet, un soustracteur Sous détermine un écart entre la position de consigne de la soupape x_cons et la mesure de la position de la soupape x_mes. Cet écart est corrigé par un correcteur de type PID (Proportionnel- Intégral-Dérivé) pour obtenir un signal de commande électrique de la soupape S_comm à appliquer à l'actionneur de la soupape Act_soup. [0008] Pour résoudre le problème précité de décalage de la boucle ouverte par rapport au point de fonctionnement souhaité, l'invention sépare l'action du régulateur de celle de la boucle ouverte. Pour ce faire, on déplace le régulateur situé en amont de la boucle ouverte en aval de cette dernière. Cependant, si on ne se limite qu'à cette action, on perd le bénéfice de la linéarisation que procure la boucle ouverte au régulateur. Pour pallier cet inconvénient, on linéarise également l'action du régulateur en utilisant un second modèle en parallèle dit variationnel ou tangent sur la trajectoire. Ainsi, la boucle ouverte agit autour du point de fonctionnement désiré et ne subit pas de déviation générée par le régulateur. L'action du régulateur 3 est aussi linéarisée grâce à l'introduction du modèle tangent (variationnel) de la boucle ouverte. [0009] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique muni d'un compresseur et d'une turbine destinée à être entraînée par des gaz d'échappement, la turbine étant associée à une soupape de décharge, caractérisé en ce que le procédé comporte: - une étape de détermination d'une consigne dite de prépositionnement issue d'une boucle ouverte mettant en oeuvre une fonction f établissant une relation entre une consigne de pression de suralimentation et une section efficace de la soupape de décharge, et - une étape de détermination d'une consigne dite de correction au moyen d'une fonction de sensibilité, - une étape de calcul de la position de consigne de la soupape de décharge égale à la somme de la consigne de prépositionnement et de la consigne de correction, et - une étape de pilotage du turbocompresseur en fonction de la position de consigne précédemment déterminée. [0010] Selon une mise en oeuvre, la fonction f est basée sur un modèle de puissance du turbocompresseur et un modèle inverse de la turbine. [0011] Selon une mise en oeuvre, la boucle ouverte met en oeuvre une fonction g établissant une correspondance entre la section efficace de la soupape de décharge et la consigne de prépositionnement de la soupape de décharge. [0012] Selon une mise en oeuvre, la fonction de sensibilité est la dérivée de l'inverse de la fonction f par rapport à une pression de suralimentation. [0013] Selon une mise en oeuvre, une fonction de dérivée de la fonction g par rapport à la section efficace de la soupape de décharge est appliquée à un résultat de la fonction de sensibilité pour obtenir la consigne de correction. [0014] Selon une mise en oeuvre, une correction est appliquée à un écart entre une consigne de pression de suralimentation et une mesure de pression de suralimentation. 4 [0015] Selon une mise en oeuvre, la correction est appliquée en amont de la fonction de sensibilité. [0016] Selon une mise en oeuvre, la correction est de type proportionnel-intégraldérivé. [0017] Selon une mise en oeuvre, une boucle de régulation à correction de type proportionnel-intégral-dérivé est appliquée à la position de consigne. [0018] L'invention a également pour objet un calculateur moteur caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique tel que précédemment défini. [0019] [Fig. 1], déjà décrite, est un diagramme d'une loi de commande de suralimentation selon l'état de la technique; [0020] [Fig. 2] est une représentation schématique d'une architecture de véhicule automobile avec laquelle est mis en oeuvre le procédé selon l'invention de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique; [0021] [Fig. 3] est une représentation graphique illustrant l'impact d'un décalage du point de fonctionnement sur la sensibilité du système; [0022] [Fig. 4] est un diagramme de la loi de commande de suralimentation selon la présente invention. [0023] La figure 2 montre un exemple d'architecture de moteur 10 pour véhicule automobile comportant un moteur thermique 11 muni d'un collecteur d'admission 12 et d'un collecteur d'échappement 13. Ce moteur 11 est suralimenté par un turbocompresseur 15 comprenant un compresseur 16 et une turbine 17. Le compresseur 16 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur 11. A cet effet, le compresseur 16 est disposé sur une conduite d'admission 19 en amont du moteur 11. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 17 disposée sur une conduite d'échappement 20, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 16 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement 21. [0024] Une vanne de décharge 23 permet de gérer la quantité d'air issue du filtre à air 24 circulant à travers le compresseur 16 et la quantité d'air passant par une conduite de décharge 25 correspondante. Une soupape de décharge 26 permet de gérer la quantité de gaz d'échappement circulant à travers la turbine 17 et la quantité de gaz passant par une conduite de décharge 27 correspondante. Alternativement, le turbocompresseur 15 muni d'une turbine 17 à géométrie variable comporte des ailettes permettant de faire varier la section de passage des gaz d'échappement. [0025] De manière à maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 16, on utilise un échangeur de chaleur 28 dit RAS (pour "Refroidisseur d'Air de Suralimentation") apte à refroidir l'air circulant dans la conduite d'admission 19. L'échangeur 28 est monté en aval du compresseur 16 et en amont d'un doseur d'air 29. [0026] Un calculateur moteur 30 est apte à piloter les différents organes du véhicule, en particulier l'injection du moteur thermique 11, le doseur d'air 29, la vanne de décharge 23, et la soupape de décharge 26. Ce calculateur 30 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention de calcul de la position de consigne du turbocompresseur 15. [0027] Les différentes variables mises en jeux dans le principe de régulation de la pression de suralimentation selon l'invention sont définies dans le tableau 1 ci-dessous : [0028] [Tableau 1] Notation Définition Plurb Puissance turbine Pcomp Puissance compresseur Qcomp Débit compresseur 0433P Débit papillon Q,emp Débit remplissage Qech Débit échappement OENG Débit soupape de décharge R Constante des gaz parfait Ti Température amont compresseur T'1 Température aval compresseur T2 Température amont papillon T'2 Température aval papillon T3 Température amont turbine T4 Température aval turbine pi Pression amont compresseur p'3, Pression aval compresseur 6 P2 Pression amont papillon p'2 Pression aval papillon P4 Pression aval turbine P3 Pression amont turbine rIcomp Rendement compresseur nturb Rendement turbine CPgaz Capacité calorifique des gaz d'échappement CPair Capacité calorifique des gaz d'admission Ygaz Coefficient adiabatique des gaz d'échappement Yaw Coefficient adiabatique des gaz d'admission r Constante des gaz parfaits Seff Section efficace de la soupape de décharge x Position de la soupape de décharge [0029] Afin de réguler la pression de suralimentation, il est nécessaire d'établir une relation entre cette dernière et la section efficace Sers de la soupape de décharge 26 selon : [0030] [Math. 1] Seff = f (P2, X) (1) X étant le vecteur des états (variables thermodynamiques) qui entrent en jeu dans cette relation. La boucle ouverte BO est une réalisation de la fonction f à laquelle il faut ajouter une correspondance, via la fonction g, entre la section efficace Seff et la position de la soupape de décharge x=g(Self). [0031] Autour d'un point de fonctionnement quelconque définit par la relation Se" = t(P2'X) et selon l'ancien schéma de commande de la figure 1, une correction du régulateur consiste à ajouter un terme à la consigne de pression de suralimentation, P2, dénommée pression de suralimentation corrigée. La nouvelle section efficace (après correction apportée par le régulateur) notée Seff' s'écrit alors : [0032] [Math. 2] Seff' = f(P2 + AP2 + (2) [0033] Comme illustré en figure 3, le nouveau point de fonctionnement se retrouve décalé du précédent point de fonctionnement. Ce décalage modifie complètement la sensibilité de la relation Seff = f(P2, X) qui peut se retrouver sur une nouvelle pente très différente de la précédente. Cet impact sera d'autant plus important que 7 la correction du régulateur aP2 est grande. Ceci a pour inconvénient d'engendrer une régulation sur un autre point de fonctionnement différent du celui désiré. De ce fait, le réglage initial du régulateur ainsi que le transfert entre la consigne de pression P2 et la section efface Sen du turbocompresseur 15 ne sont plus adéquats. Par conséquent, les performances de la régulation se trouvent dégradées voire inacceptables. [0034] Pour résoudre cette problématique, on propose une structure de régulation modifiée qui sera justifiée dans ce qui suit. En faisant un développement limité d'ordre 1 de la relation Sen = f(P2, X) autour d'un point de fonctionnement, il suit [0035] [Math. 3] Seff = f (P2 + AP2, X) = f (P2, X) + AP2 (3) p22 [0036] On constate alors que le terme AP2 vient corriger le terme 5-elf = correspondant au point d'équilibre souhaité qu'on peut considérer comme un af AP prépositionnement. Cette nouvelle correction 'IP' 2 conserve ainsi la sensibilité de la relation Serf = f(P2, X) autour du point d'équilibre désiré. Par conséquent, le régulateur agit bien autour du même point de fonctionnement souhaité et présentera donc de meilleures performances de régulation. [0037] Dans ce qui suit, on va montrer comment calculer la fonction Sen = f(P2, X) ainsi que le terme [0038] Pour simplifier la démonstration, on néglige les pertes de charges dans le refroidisseur d'air de suralimentation 28 et le filtre à air 24 et on suppose que le doseur d'air 29 est pleinement ouvert dans la zone de fonctionnement du moteur 11 suralimentée, il suit : [0039] [Math. 4] {.52= P2 .97'z = 7'2. ci Qpop = Q,,,,,,,,u, [0040] Les puissances du compresseur 16 et de la turbine 17 s'écrivent alors : = X31 et 71 (4) [0041] [Math. 5] 8 [0042] [Math. 6] Pturb = QturbCPgazT311turb Yqaz- I 1 P4) Y/gaz (5) P3 (6) Ya tr-1 (P2) Yair - Pl PCOMp = QpapCPairT1 71comp [0043] Il reste à expliciter le débit de la turbine 17 en fonction du débit de la soupape de décharge 26 et du débit des gaz d'échappement, il suit : [0044] [Math. 7] Q turb = Qech Qwg (7) [0045] Par ailleurs, le débit de la soupape de décharge 26 s'écrit selon l'équation de Barré de Saint Venant : [0046] [Math. 8] Qwgv P3 = Seff P3 ei F4) (8) dans laquelle 4) représente le coefficient de Barré de Saint Venant. [0047] En supposant l'égalité des puissances (Pturb = Pcornp) des équations 5 et 6 et en remplaçant le débit de la turbine 17 (équation 7) et le débit de la soupape de décharge 26 (équation 8) par leur expression, on aboutit à la relation reliant la pression de suralimentation p2 à la section efficace Seff de la soupape de décharge 26: [0048] [Math. 9] 9 Ygaz CPgazTelturb (a) Ynaz nco',, P3 P3 L) \frrn'3 \P3) P2 = Pl Qati-CPairT1 Yutz \Vair-1 +1 (9) [0049] On inverse cette expression pour retrouver l'équation f. [0050] En dérivant l'équation 9 par rapport à Sen, on obtient : [0051] [Math. 10] ap2 ()Serf Ygaz gicla Sen ,P3 (1)(14) CPgazTelturb (P4) 1/gaz P3 r T3 P3 QairCPairn 1 [0052] Après inversion, il suit : [0053] [Math. 11] + 1 Yfiez-1 ncomp Yair-1 P3 r, _ (P4) Ygaz P3 (P4) --eigaz 3)iturb Irr3 QairCPatrTi ilSef f [Y y az -1 i.gazT3liturb 1 - ( r 1:41 3) Ye a 2 1 yair - 1 \ Lech P3 (Palcp 01.7 'P3i comp Pi Y air QatrCPairT y -1 AP 2 NITI7 3 1j3 P3 CI) M) CPgazT3riturb [1 - (7,3) neomP - gaz P4 Ygaz [0054] Le nouveau schéma de commande est illustré sur la figure 4. La nouvelle position de consigne x_cons de la soupape de décharge 26 est égale à la somme d'une consigne x_prepos dite de prépositionnement issue d'une boucle ouverte BO et d'une consigne dite de correction x_corr issue de la linéarisation de l'action du régulateur grâce à une fonction de sensibilité. On remarque donc que les deux actions sont bien séparées et que l'action du régulateur ne change pas le point de fonctionnement de la boucle ouverte BO. Le turbocompresseur 15 est piloté en fonction de la position de consigne x_cons précédemment déterminée. [0055] Plus précisément, la boucle ouverte BO est appliquée à la consigne de pression de suralimentation P2_cons pour obtenir la consigne de prépositionnement x_prepos. La boucle ouverte BO met en oeuvre la fonction f établissant une relation entre une consigne de pression de suralimentation P2_cons et une section efficace Sen de la soupape de décharge 26. La fonction f est basée sur un modèle de puissance P_comp du turbocompresseur 15 et un modèle inverse Mod_inv_turb de la turbine 17. En outre, la boucle ouverte BO met en oeuvre une fonction g (x = g(Se«)) établissant une correspondance entre la section efficace Seri de la soupape de décharge 26 et la position de consigne x_cons de la soupape de décharge 26. [0056] Par ailleurs, un soustracteur, Sous, calcule un écart E entre une consigne de pression de suralimentation P2_cons et une mesure de pression de suralimentation P2 mes issue du moteur 11. +1 Q air CP carTt 11 [0057] Un module M1 applique une correction à l'écart E ainsi calculé. La correction, par exemple de type proportionnel-intégral-dérivé, est appliquée en amont de la fonction de sensibilité. ar- [0058] Un module M2 applique la fonction de sensibilité ÔP2 qui est la dérivée de l'inverse de la fonction f par rapport à une pression de suralimentation. [0059] Un module M3 applique une fonction If de dérivée de la fonction g par rapport à la section efficace Sen de la soupape de décharge 26 au résultat de la fonction de sensibilité pour obtenir la consigne de correction x_corr. [0060] Le sommateur Som calcule la somme de la consigne de prépositionnement x_prepos et de la consigne de correction x_corr pour obtenir la position de consigne x_cons de la soupape de décharge 26. [0061] Les modules M1, M2, et M3 sont avantageusement des modules de type logiciel intégrés dans le calculateur moteur 30. [0062] Une boucle de régulation standard est ensuite appliquée à la position de consigne x_cons de la soupape de décharge 26. A cet effet, un soustracteur Sous détermine un écart entre la position de consigne x_cons de la soupape de décharge 26 et la mesure de la position x_mes de la soupape de décharge 26. Cet écart est corrigé par un correcteur de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) pour obtenir un signal de commande électrique de soupape S_comm à appliquer à l'actionneur de soupape Act_soup. [0063] L'invention apporte ainsi une solution appropriée à la problématique de contrôle de la pression de suralimentation rencontrée sur la stratégie de contrôle classique. L'invention améliore la robustesse et les performances de la régulation de la suralimentation et ainsi la qualité et la prestation mise au profit du conducteur. L'invention facilite également la calibration de la loi de commande grâce à la séparation des actions du régulateur et de la boucle ouverte et réduit ainsi le coût et le temps de cette activité. En outre, l'invention réconcilie deux visions différentes de la mise au point et de la conception du contrôle commande liées au paradigme entre la régulation en amont et en aval. La première approche (le régulateur en 12 amont) apportant de la linéarisation et la deuxième approche (le régulateur en aval) de la robustesse aux dispersions. 13