Brevet FR3107957A1 — publié le 20210910

L’invention concerne un dispositif d’estimation (2) pour estimer une perte de charge (ΔP) d’un dispositif à débit d’air induisant une perte de charge, le dispositif d’estimation (2) comprenant des moyens de mesure ou d’estimation du débit d’air (Q), des moyens de mesure ou d’estimation de la température de l’air (T) et des moyens de mesure ou d’estimation de la pression de l’air (P), caractérisé en ce que le dispositif d’estimation (2) est configuré pour estimer la perte de charge (ΔP) du dispositif à débit d’air en prenant en compte la température de l’air (T) et la pression de l’air (P), en particulier par extrapolation à partir de valeurs standard de pertes de charge (ΔP 0 ), de température (T 0 ) et de pression (P 0 ) dans des conditions standard et sur la base d’une formule de Sutherland (g(T), µ/µ 0, Q 0 ). Fig. 3 DISPOSITIF D’ESTIMATION DE PERTE DE CHARGE PRENANT EN COMPTE LA TEMPERATURE ET LA PRESSION L’invention se rapporte au domaine des dispositifs à débit d’air induisant une perte de charge, en particulier dans des systèmes de boucle d’air de moteurs thermiques. Il s’agit notamment de filtres à air et d’échangeurs de refroidisseur d’air de suralimentation (ou échangeurs RAS). L’invention se rapporte plus précisément à l’estimation des pertes de charges pour des dispositifs à débit d’air. L'objectif principal du filtre à air est de séparer les particules polluantes de l'air frais aspiré par le moteur. Ces dernières (solides ou liquides), si elles ne sont pas filtrées, peuvent entraîner des dégradations importantes du moteur (par exemple corrosion, encombrement). Cette séparation ne peut pas être obtenue sans perte de charge. Cette dernière réduit la pression à l’admission du moteur impactant ainsi sa performance. L’enjeu est alors de réduire au minimum cette perte de charge sans altérer l’efficacité du filtre. L’estimation de la perte de charge permet d’améliorer la précision dans les cas d’un besoin de débit d’air de consigne en aval du dispositif à débit d’air. En effet, l’air en amont peut être envoyé à un débit donné, en tenant compte de la perte de charge pour être au plus proche de la consigne en aval du dispositif à débit d’air. Pour justifier le calcul des pertes de charges, on peut considérer un filtre à air défini par sa section A et sa longueur L, comme illustré en figure 1. Il est parcouru par un débit d’air frais Q. La perte de charge s’écrit : Dans le cas de l’état de l’art actuel, elle est simplement calculée selon: Avec f souvent approximée par un polynôme de second ordre selon: Avec a et b des constantes. La perte de charge de l’état de l’art actuel est alors uniquement fonction du débit traversant le filtre dans des conditions de pression et température figées ( T 0 et P 0 ) souvent 25°C et 101300 Pa. La solution de l’état de l’art permet d’estimer la perte de charge d’un filtre à air, mais nécessite une mesure in situ de la pression en aval du filtre à air. Cela implique une instrumentation spécifique qui rallonge les délais de fabrication et peut induire des problèmes de maintenance. En outre, l’estimation de la perte de charge doit idéalement avoir une précision tenant compte des conditions en temps réel du dispositif à débit d’air. En effet, une estimation fortement biaisée contraint à prendre de la marge induisant ainsi une perte de puissance pour le moteur. Ainsi, un premier objectif de l’invention est de proposer un dispositif permettant d’avoir une estimation ne nécessitant pas d’instrumentation supplémentaire afin de limiter les délais de fabrication et les problèmes de maintenance. Un deuxième objectif de l’invention est de proposer un dispositif permettant d’avoir une estimation plus précise de la perte de charge tenant compte des conditions en temps réel. Pour ce faire, il est proposé un dispositif d’estimation pour estimer une perte de charge d’un dispositif à débit d’air induisant une perte de charge, le dispositif d’estimation comprenant des moyens de mesure ou d’estimation du débit d’air, des moyens de mesure ou d’estimation de la température de l’air et des moyens de mesure ou d’estimation de la pression de l’air, caractérisé en ce que le dispositif d’estimation est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air en prenant en compte la température de l’air et la pression de l’air. Ainsi, l’invention permet d’estimer la perte de charge d’un filtre à air ou d’un échangeur RAS ou tout autre dispositif similaire induisant une perte de charge. Avantageusement, cette solution prend en compte intrinsèquement les effets de pression et de température, ce qui augmente la précision de l’estimation en temps réel, sans nécessiter de mesure in situ de la pression en aval du filtre. Elle permet alors le pilotage de la charge du moteur au plus juste sans prendre de marge afin de tenir compte ces erreurs d’estimation. De préférence, le dispositif d’estimation est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air par calculs mis en œuvre par ordinateur. Avantageusement, une détermination par calcul permet d’avoir une estimation très précise et d’éviter des temps d’essais de calibration en vue de réaliser des courbes de calibration pouvant être multidimensionnelles. Selon d’autres aspects pris isolément, ou combinés selon toutes les combinaisons techniquement réalisables : le dispositif d’estimation comprend des moyens de mesure du débit d’air et des moyens de mesure de la température de l’air; et/ou le dispositif d’estimation est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air par extrapolation à partir de valeurs standard de pertes de charge, de température et de pression dans des conditions standard; et/ou le dispositif d’estimation est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air sur la base des formules où μ est la viscosité de l’air en utilisation; μ 0 est la viscosité de l’air dans les conditions standard; T est la température de l’air en utilisation; T 0 est la température de l’air dans les conditions standard; Q est le débit d’air en utilisation; Q 0 est le débit d’air dans les conditions standard; ΔP est la perte de charge en utilisation; ΔP 0 est la perte de charge dans des conditions standard; P est la pression de l’air en utilisation; et P 0 est la pression de l’air dans les conditions standard; et soit le rapport de viscosité μ/μ0 est déterminé par la formule suivante tenant compte d’une formule de Sutherland où C est une constante de l’air dans la formule de Sutherland; soit le rapport de viscosité μ/μ0 est approximé en fonction de la température de l’air par la formule suivante où k1 et k2 sont des constantes; et/ou le dispositif d’estimation est configuré pour estimer la perte de charge d’un dispositif à débit d’air qui est un filtre à air ou un échangeur de refroidisseur d’air de suralimentation. L’invention porte en outre sur un procédé mis en œuvre par ordinateur pour estimer la perte de charge d’un dispositif à débit d’air induisant une perte de charge, caractérisé par la mise en fonction d’un dispositif d’estimation selon l’invention. En particulier, les étapes du procédé correspondent aux actions des moyens ou éléments du dispositif d’estimation selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un produit-programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé selon l’invention, ou l’exécution des actions des moyens ou éléments du dispositif d’estimation selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L’invention concerne également un système de pilotage de charge comprenant un dispositif d’estimation selon l’invention, ou un produit-programme selon l’invention. L’invention porte en outre sur une plateforme de contrôle moteur comprenant un dispositif d’estimation selon l’invention, ou un produit-programme selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un véhicule à moteur comprenant un dispositif d’estimation selon l’invention, un produit-programme selon l’invention, un système de pilotage de charge selon l’invention ou une plateforme de contrôle moteur selon l’invention. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : illustre schématiquement un dispositif à débit d’air qui est un filtre à air, pour lequel le dispositif selon l’invention peut être utilisé; illustre schématiquement une comparaison de rapports de viscosité suivant la formule de Sutherland ou suivant une approximation par polynôme en fonction de la température. illustre schématiquement les fonctionnalités du dispositif d’estimation selon un mode de réalisation préféré de l’invention; illustre schématiquement une comparaison des pertes de charge en fonction de la température, de la pression et du débit de l’air. L’invention se rapporte à l’estimation des pertes de charges pour des dispositifs à débit d’air tel qu’un filtre à air 1, un échangeur RAS ou tout autre dispositif similaire induisant une perte de charge. Dans la présente invention, une amélioration de la loi de prédiction de la perte de charge du filtre à air actuellement utilisée dans les modèles de contrôle commande, est proposée. Ce nouveau modèle tient compte des conditions environnantes comme, notamment, la température et le débit de l’air qui traverse le filtre et la pression en amont du filtre. En effet, la modélisation de l’état de l’art où la fonction f est uniquement en fonction du débit traversant le filtre, ne tient pas compte de l’évolution de la pression P et de la température T. Ainsi, elle induit des imprécisions sur les pertes de charge. En particulier, dans le cas des applications pour les véhicules automobiles, la température et la pression varient substantiellement en fonction de l’altitude et des conditions météorologiques. Sans cette simplification, la perte de charge dépendrait en réalité du débit d’air Q, de la section du filtre A, de sa longueur ainsi que de la masse volumique et de la viscosité de l’air. L’objet de cette invention est, connaissant les valeurs de pertes de charge pour des conditions standard de température et de pression (T 0 ,P 0 ), et connaissant la relation valable dans ces conditions (par exemple par mesures sur un banc moteur ou banc composant), de remonter à la valeur de perte de charge en cours(∆P) quels que soient les conditions de température T, de pression P, et de débit en cours. Pour cela, on peut supposer que la relation est polynomiale d’ordre 2 : à T 0 , P 0 données. En particulier, les calculs sont réalisés par ordinateur en temps réel dans le dispositif. Le développement de cette relation par une approche sur la base des formules liées au nombre de Reynolds, permet d’obtenir des formules prenant en compte la température et la pression de l’air, en particulier en amont du filtre. Le dispositif 2 selon l’invention prend en compte intrinsèquement les effets de pression et de température, ce qui augmente la précision de l’estimation en temps réel, sans nécessiter de mesure in situ de la pression en aval du filtre. Il permet alors le pilotage de la charge du moteur sans prendre en compte une marge qui tient compte d’erreurs d’estimation. Le dispositif 2 selon l’invention ne nécessite pas d’instrumentation supplémentaire ce qui limite les délais de fabrication et les problèmes de maintenance. En outre, le dispositif 2 permet de prendre en compte les conditions en temps réel du dispositif de débit d’air 1, en particulier suivant les conditions météorologiques et l’altitude. Plus précisément, les formules correspondantes sont les suivantes: où μ est la viscosité de l’air en utilisation; μ 0 est la viscosité de l’air dans les conditions standard; T est la température de l’air en utilisation; T 0 est la température de l’air dans les conditions standard; Q est le débit d’air en utilisation; Q 0 est le débit d’air dans les conditions standard; ΔP est la perte de charge en utilisation; ΔP 0 est la perte de charge dans des conditions standard; P est la pression de l’air en utilisation; et P 0 est la pression de l’air dans les conditions standard. La mise en œuvre de ces formules fait intervenir un rapport de viscosité μ/μ 0 . Celui-ci peut être déterminé dans une première variante par la formule suivante tenant compte de la formule de Sutherland: où C est une constante de l’air dans la formule de Sutherland. En particulier, on peut considérer les constantes de l’air suivantes: Dans une deuxième variante, le rapport de viscosité μ/μ 0 peut être approximé en fonction de la température de l’air par la formule suivante où k1 et k2 sont des constantes. On peut envisager des données de constructeur, en particulier automobile, incluant des valeurs standard, notamment de P 0 , Q 0 , T 0 , et un dispositif appliquant les calculs requis. La figure 2 illustre les différences d’évaluation du rapport de viscosité par l’approximation en fonction de la température (courbe 2a); et suivant la formule de Sutherland (courbe 2b). Avantageusement, l’approximation permet de limiter les temps de calcul des processeurs tout en ayant une évaluation précise du rapport de viscosité. La figure 3 illustre les fonctionnalités du dispositif 2 selon un mode de réalisation préféré de l’invention, sous forme d’un schéma bloc. Les données en entrée sont représentées à gauche de la figure, et les opérations sont représentées dans les cases («x» pour une multiplication et «/» pour une division). La figure 4 illustre le gain en précision du nouvel estimateur de perte de charges. A cet effet, on réalise un calcul sur la plage utile de pression, de débit et de température avec le nouveau dispositif 2. Le résultat de calcul selon l’état de l’art actuel est le pan le plus inférieur représenté en noir. On constate alors une erreur pouvant aller jusqu’à 50mbar dans le cas extrême de température et d’altitude. L’invention présentée permet d’estimer la perte de charge d’un filtre à air, d’un échangeur RAS, avec prise en compte des effets de pression et de température. Elle permet alors que le pilotage du turbocompresseur (ou du papillon) soit réalisé sans marge en prenant en compte une marge d’erreur, et ainsi ne pas perdre de puissance moteur par cette considération. L’invention porte en outre sur un procédé pour estimer la perte de charge d’un dispositif à débit d’air 1 induisant une perte de charge, caractérisé par la mise en fonction d’un dispositif d’estimation 2 tel que décrit précédemment. En particulier, les étapes du procédé correspondent aux actions des moyens ou éléments du dispositif d’estimation tel que décrit précédemment, et plus particulièrement ceux illustrés en figure 3. Par ailleurs, cette invention comprend une solution logicielle qui se substitue à l’information d’un capteur de pression (ou de différentiel de pression). Elle représente donc un avantage en terme matériel car elle ne nécessite pas de pièce physique, s’affranchissant des implémentations en usine, et du risque de panne. Ainsi, l’invention concerne un produit-programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé tel que décrit précédemment, ou l’exécution des actions des moyens ou éléments du dispositif d’estimation 2 tel que décrit précédemment, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Par «ordinateur» est entendu une unité de commande de type ordinateur telle qu’un ordinateur de bord ou un calculateur de véhicule automobile. Cette invention peut être intégrée à une plateforme de contrôle moteur 3 déjà existante. Ce type de plateforme comprend généralement un système de pilotage de charge 3a. L’invention permet le pilotage de la charge du moteur sans prendre en compte une marge qui tient compte d’erreurs d’estimation. Plus généralement, l’invention concerne un véhicule à moteur 4, en particulier un véhicule automobile, comprenant un dispositif d’estimation 2 tel que décrit précédemment, un produit-programme tel que décrit précédemment, un système de pilotage de charge 3a tel que décrit précédemment ou une plateforme de contrôle moteur 3 telle que décrite précédemment. Dispositif d’estimation (2) pour estimer une perte de charge (ΔP) d’un dispositif à débit d’air (1) induisant une perte de charge, le dispositif d’estimation (2) comprenant des moyens de mesure ou d’estimation du débit d’air (Q), des moyens de mesure ou d’estimation de la température de l’air (T) et des moyens de mesure ou d’estimation de la pression de l’air (P),caractérisé en ce que le dispositif d’estimation (2) est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air en prenant en compte la température de l’air (T) et la pression de l’air (P). Dispositif d’estimation (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est configuré pour estimer la perte de charge (ΔP) du dispositif à débit d’air (1) par extrapolation à partir de valeurs standard de perte de charge (ΔP 0 ), de température (T 0 ) et de pression (P 0 ) dans des conditions standard. Dispositif d’estimation (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il est configuré pour estimer la perte de charge du dispositif à débit d’air (1) sur la base des formules où μ est la viscosité de l’air en utilisation; μ 0 est la viscosité de l’air dans les conditions standard; T est la température de l’air en utilisation; T 0 est la température de l’air dans les conditions standard; Q est le débit d’air en utilisation; Q 0 est le débit d’air dans les conditions standard; ΔP est la perte de charge en utilisation; ΔP 0 est la perte de charge dans des conditions standard; P est la pression de l’air en utilisation; et P 0 est la pression de l’air dans les conditions standard; et soit le rapport de viscosité μ/μ 0 est déterminé par la formule suivante tenant compte d’une formule de Sutherland où C est une constante de l’air dans la formule de Sutherland; soit le rapport de viscosité μ/μ 0 est approximé en fonction de la température de l’air par la formule suivante où k1 et k2 sont des constantes ; Dispositif d’estimation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, configuré pour estimer la perte de charge d’un dispositif à débit d’air (1) qui est un filtre à air ou un échangeur de refroidisseur d’air de suralimentation. Procédé mis en œuvre par ordinateur pour estimer la perte de charge (ΔP 0 ) d’un dispositif à débit d’air (1) induisant une perte de charge, caractérisé par la mise en œuvre d’un dispositif d’estimation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Produit-programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé selon la revendication 5, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Système de pilotage de charge (3a) comprenant un dispositif d’estimation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Plateforme de contrôle moteur comprenant un dispositif d’estimation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Véhicule à moteur (4) comprenant un dispositif d’estimation (2) selon l’une des revendications 1 à 4.