[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 turbocompresseur comporte une turbine du type à géométrie fixe (TGF) ou à géométrie variable (TGV). Un turbocompresseur à géométrie fixe comporte une soupape de décharge permettant à une partie des gaz d'échappement de ne pas passer par la turbine. Un turbocompresseur à géométrie variable présente des ailettes permettant de faire varier la section de passage des gaz d'échappement. Une consigne de position du turbocompresseur (la position de la soupape de décharge pour le turbocompresseur à géométrie fixe ou la position des ailettes pour le turbocompresseur à géométrie variable) permet d’atteindre la consigne de pression de suralimentation.

[0004] Cette consigne de position est généralement élaborée à partir des équations de base régissant le fonctionnement de la turbine. Cette façon de procéder engendre implicitement un bouclage avec la position de la turbine courante. Cela implique plusieurs inconvénients, notamment le manque de précision, d’homogénéité, ainsi que des difficultés de calibration. En effet, la complexité de ce calcul et la présence de ce bouclage ne permettent pas d’atteindre ou d’améliorer la précision en ciblant judicieusement les paramètres mis en jeux tels que les champs turbine, le rendement turbine, ou la section efficace de passage des gaz dans le cas d’une soupape de décharge. Par conséquent, l’erreur commise par cette méthode est inhomogène en fonction des conditions d’utilisation de la turbine. [0005] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant 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, caractérisé en ce que le procédé comporte:

- une étape de détermination d'une puissance adaptée P _a dapt qui ^est fonction d'une puissance envoyée au compresseur, d'une pression en aval de la turbine, et d'une température en amont de la turbine,

- une étape de détermination d'un débit adapté Qa _d ap _t qui ^est fonction d'un débit de gaz d'échappement, d'une pression en aval de la turbine, et d'une température en amont de la turbine,

- une étape de détermination de la position de consigne du turbocompresseur à partir de la puissance adaptée P _adapt et du débit adapté Q _adapt , et

- une étape de pilotage du turbocompresseur en fonction de la position de consigne précédemment déterminée.

[0006] L'invention permet ainsi, en utilisant une pression de sortie de la turbine, de supprimer le bouclage avec la position courante du turbocompresseur qui est source d'erreur de calcul. En outre, grâce à l'invention, la nouvelle consigne de position de la turbine recherchée est obtenue simplement à partir d’un champ unique dépendant de deux variables d’entrée uniquement. Cette réduction de variables d'entrée facilite la calibration du procédé. L'invention est basée sur un principe générique adapté à un turbocompresseur à géométrie fixe (TGF) ou variable (TGV).

[0007] Selon une mise en œuvre, la puissance adaptée est déterminée à partir de la formule suivante:

Avec :

P _CO mp étant une puissance envoyée au compresseur;

P ₄ étant une pression en aval de la turbine;

T ₃ étant une température en amont de la turbine.

[0008] Selon une mise en œuvre, le débit adapté est déterminé à partir de la formule suivante:

Avec :

Q _ech étant un débit de gaz d'échappement;

P ₄ étant une pression en aval de la turbine;

T ₃ étant une température en amont de la turbine.

[0009] Selon une mise en œuvre, une relation entre la position de consigne du turbocompresseur et un couple puissance adaptée P _adapt -débit adapté Qa _d a _pt est obtenue à partir d'essais moteur.

[0010] Selon une mise en œuvre, une relation entre la position de consigne du turbocompresseur et un couple puissance adaptée P _adapt -débit adapté Qa _d a _pt est obtenue à partir de données fonctionnelles de la turbine du turbocompresseur.

[001 1 ] Selon une mise en œuvre, le turbocompresseur comporte une turbine à géométrie variable.

[0012] Selon une mise en œuvre avec une turbine à géométrie variable, la position de consigne est la position de consigne des ailettes de la turbine.

[0013] Selon une mise en œuvre, le turbocompresseur comporte une turbine à géométrie fixe.

[0014] Selon une mise en œuvre avec une turbine à géométrie fixe, la position dé consigné est la position de consigne d’une soupape de décharge du turbocompresseur.

[0015] L'invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique tel que précédemment défini.

[0016] L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur moteur tel que précédemment défini. [0017] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

[0018] La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de véhicule automobile avec laquelle est mis en oeuvre un procédé selon l'invention de calcul d'une position de consigne d'un turbocompresseur de moteur thermique;

[0019] La figure 2 est un diagramme d'une loi de commande de suralimentation avec bouclage sur l’estimation de la pression en entrée de la turbine;

[0020] Les figures 3 et 4 sont des représentations graphiques de caractéristiques fonctionnelles de rendement et de perméabilité de la turbine pour une position donnée du turbocompresseur;

[0021 ] La figure 5 est une représentation graphique de la perméabilité de la turbine en fonction d'un taux de détente;

[0022] La figure 6 est un diagramme de la loi de commande du calcul de la position du turbocompresseur selon l'invention;

[0023] Les figures 7 et 8 montrent des courbes à iso-taux de détente de la turbine et iso position du turbocompresseur dans un champ puissance adaptée/débit adapté pour un turbocompresseur respectivement à géométrie fixe et à géométrie variable;

[0024] Les figures 9 et 10 sont des représentations graphiques de l'erreur de pression de suralimentation en fonction du point de fonctionnement régime-puissance obtenue respectivement avec un procédé selon l'état de la technique et un procédé selon l'invention.

[0025] La figure 1 montre un exemple d'architecture de véhicule automobile 1 comportant un moteur thermique 5 suralimenté par un turbocompresseur 2 comprenant un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur 5. A cet effet, le compresseur 3 est disposé sur une conduite d’admission 8 en amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur une conduite d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0026] Dans le cas d'un turbocompresseur 2 ayant une turbine 4 à géométrie fixe, une vanne de décharge 15 permet de gérer la quantité de gaz d'échappement circulant à travers la turbine 4 et la quantité de gaz passant par une conduite de décharge 16. Alternativement, le turbocompresseur 2 muni d'une turbine 4 à géométrie variable comporte des ailettes permettant de faire varier la section de passage des gaz d'échappement.

[0027] De manière à maintenir la densité de l’air acquise en sortie du compresseur 3, on utilise un échangeur de chaleur 10 dit RAS (pour "Refroidisseur d'Air de Suralimentation") apte à refroidir l’air circulant dans la conduite d’admission 8. L'échangeur 10 est monté en aval du compresseur 3 et en amont d'un doseur d'air 18.

[0028] Par ailleurs, un système 23 de recirculation des gaz d'échappement (dit "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais) comporte une conduite de redirection 27 des gaz d'échappement apte à rediriger une partie des gaz d'échappement issus d'un collecteur d'échappement 20 vers le répartiteur d'admission 28 du moteur 5 après passage dans un échangeur 14. Ainsi, une partie des gaz d'échappement du moteur 5 est rejetée vers l'extérieur du véhicule automobile à travers la conduite d'échappement 9 et une autre partie des gaz est recyclée. La quantité de gaz devant être remise en circulation est contrôlée par la vanne EGR 25 montée en amont du répartiteur d'admission 28.

[0029] Un calculateur moteur 26 est apte à piloter les différents organes du véhicule, en particulier l'injection du moteur thermique 5, la turbine 4 du turbocompresseur 2, le doseur d'air 18, et la vanne EGR 25. Ce calculateur 26 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention de calcul d'une position de consigne du turbocompresseur 2.

[0030] La figure 2 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 B1 (interne) régule la position du turbocompresseur 2 à géométrie fixe ou variable. La deuxième boucle (externe) B2 régule la pression de suralimentation. Ce système de commande suppose la mesure de la pression de suralimentation P sur mes du moteur thermique 5 ainsi que la position du turbocompresseur Pos_turb (x). Cette dernière permet de mesurer la levée de la tige de l’actionneur pilotant soit la vanne de décharge 15 ou les ailettes du turbocompresseur 2 à géométrie variable. [0031 ] Plus précisément, un comparateur Comp permet de calculer une erreur entre la consigne de pression de suralimentation Cons_P_sural et la pression de suralimentation mesurée P sur mes. Un bloc de régulation PID corrige cette erreur et le résultat est ajouté à la consigne de pression de suralimentation Cons_P_sural via le sommateur Som.

[0032] Le système de suralimentation est non-linéaire. Cette non-linéarité est notamment intrinsèque au turbocompresseur 2. Afin de linéariser ce système vis-à-vis du régulateur, un modèle inverse de ce dernier est intégré dans la loi de commande.

[0033] Le module P_Comp détermine ainsi à partir de la consigne de pression de suralimentation corrigée Cons_P_sural_corr la puissance de compresseur requise Cons_puiss_comp. Ensuite, cette dernière est traduite en consigne de perméabilité de la soupape de décharge via le modèle inverse de la turbine Modjnv turb. Enfin, cette perméabilité est convertie à son tour en consigne de position de turbocompresseur via le modèle Cons_pos_turb.

[0034] Cette inversion nécessite de connaître la pression en amont de la turbine Est_P_E turb. Or pour la connaître, il faut connaître la position réelle du turbocompresseur Pos_turb, elle-même déterminée par la consigne de la position Cons_pos_turb. Il y a donc un bouclage, via un bloc de régulation Regjoos, de type PID, au niveau de la consigne de position Cons_pos_turb du turbocompresseur 2.

[0035] Afin de supprimer ce bouclage, l'invention modifie la structure de consigne de position Cons_pos_turb du turbocompresseur 2 et le modèle inverse de la puissance de la turbine Modjnv turb du module M.

[0036] On détaille ci-après la nouvelle structure d’inversion de la puissance de la turbine et de calcul de la consigne de position du turbocompresseur 2.

[0037] Les différentes variables utilisées dans les différents calculs sont définies dans le tableau ci-dessous :

[0038] Dans la suite de la description, les hypothèses suivantes sont faites :

- la température d'échappement totale est considérée connue et est égale à la température d’échappement statique :

T _3t - T ₃ (1)

- la puissance du compresseur est connue. Cette dernière est obtenue via l’équation suivante :

- la turbine 4 se caractérise complètement par les données fonctionnelles suivantes :

- la perméabilité :

Qred f ( t T> N _r ed > · ) (3) - le rendement : h _t = f (n _T , N _red , x) (4)

[0039] Les figures 3 et 4 montrent des caractéristiques fonctionnelles du rendement h _t et de la perméabilité Q _red de la turbine 4 pour une position de turbocompresseur donnée. Chaque courbe représente un iso-régime réduit de turbine N _red .

[0040] Afin d’introduire la nouvelle approche de calcul de la consigne de position Cons_pos_turb du turbocompresseur 2, on exploite la donnée suivante : à une position de turbocompresseur 2 donnée (TGV ou TGF), et pour un iso-régime du turbocompresseur 2 donné, l’équilibrage des puissances du compresseur 3 et de la turbine 4 impose l’unicité du point d’équilibre entre le compresseur 3 et la turbine 4. Par conséquent, on ne retient qu’une seule valeur de rendement par iso-régime du turbocompresseur 2.

[0041 ] Les caractéristiques fonctionnelles de la turbine (3) et (4) deviennent donc : la perméabilité :

[0042] Les propriétés des gaz sont constantes et considérées indépendantes de la température :

Cp_gaz Cp_air Cp

Ygaz Ygaz Y

[0043] On définit les variables suivantes :

Puissance adaptée :

[0044] En régime stabilisé (c’est-à-dire à vitesse de turbocompresseur 2 constante), comme donc .

[0045] Le débit adapté s'exprime de la façon suivante

Avec :

[0046] Pour le calcul de la puissance adaptée P _a dapt en remplaçant (8) dans (7) et en multipliant et en divisant par P _3t pour faire apparaître le taux de détente de la turbine 4 (p _t = P _3t /P ₄ ) , on obtient :

[0047] En réorganisant les différents termes de l’équation (12), on fait apparaître

FF

également la perméabilité de la turbine Q _red = Q _turb — , et on obtient :

Pa

suit :

[0048] Selon les équations (5) et (6), on en déduit finalement la relation

Padapt Q ÎJ ^Î T’X) (15) [0049] On constate donc que la puissance de la turbine adaptée P _a dapt dépend uniquement de la détente et de la position de la turbine 4.

[0050] Pour le calcul du débit de la turbine adapté Qadapt à partir des équations (10) et (1 1 ) et en multipliant et en divisant à nouveau par ^ _3t pour faire apparaître le taux de détente de la turbine (p _t = P _3t /P ₄ ) , on obtient :

[0051 ] Afin d’expliciter le débit d'échappement Q _ech , on distingue deux cas. Dans le cas d'une turbine à géométrie variable (TGV), en remplaçant l’équation (1 1 ) dans (16), on fait apparaître la perméabilité de la turbine Q _red = Q _turb — :

Il suit :

Qadapt Qred ^p T (19)

[0052] Selon l’équation (5), on obtient finalement :

[0053] On constate également que le débit de la turbine adapté Qadapt dépend uniquement de la détente et de la position de la turbine 4.

[0054] Dans le cas d'une turbine 4 à géométrie fixe (TGF), à partir des équations (10), (1 1 ) et en multipliant et en divisant à nouveau par ^ _3t pour faire apparaître le taux de détente de la turbine (p _t = P _3t /P ₄ ) , on obtient :

[0055] Selon l’équation de Barré Saint Venant, le débit de la vanne de décharge QWG s’écrit :

[0057] On constate donc que le terme de gauche de l’équation (23) est fonction de la position de la vanne de décharge ainsi que de la détente de la turbine 4 : ri

QWG ~ S _e ff (x). h ₁₂ (p _t ) (24) 1

[0058] Par ailleurs, selon les équations (18), (19) et (20), nous avons :

[0059] En remplaçant (24) et (25) dans (21 ), on obtient :

Qadapt b- ₂₂ (p _t , ^c ) + S _e ff x). h ₁₂ (ji _T )n _T (26)

[0060] On constate alors que :

Qadapt h ₂ (jl _T , x) (27) est fonction de la détente et de la position de la turbine 4.

[0061 ] Finalement on montre que, quelle que soit la technologie de turbocompresseur 2 (TGV ou TGF), on a :

cas TGV (28)

= h(ji _T , x) cas TGF /TGV

cas TGF [0062] Le système d’équations (28) est un système d’équations non linéaires à deux inconnues. Il admet une solution unique si et seulement si les fonctions g et h sont strictement monotones.

[0063] Pour une position du turbocompresseur donnée x ₀ , on peut montrer que la fonction P _adapt = g(n _T , x ₀ ) est strictement croissante :

-y

[0064] En effet, Q _red ( ⁿ _T> ^x o et ^p t( ¹ ~ ^p t ^Y ) sont des fonctions croissantes en fonction de p _t , et h _t( t _, ^c o) varie peu en fonction de p _t .

[0065] On peut donc inverser la fonction g selon : p _t — 9 padapt’ ^x o) (20)

[0066] On réinjecte ensuite cette expression dans la fonction g :

[0067] De la même façon, on montre que pour une position du turbocompresseur donnée x ₀ , la fonction Q _adapt = h(n _T , x ₀ ) qui s’apparente à la perméabilité de la turbine 4 est strictement croissante.

[0068] La figure 5 montre ainsi que la perméabilité de la turbine est une fonction croissante en fonction du taux de détente p _t .

[0069] Finalement, les fonctions g et h étant inversibles, on peut exprimer la position du turbocompresseur x ₀ en fonction de la puissance et débit adaptés :

XQ — (P _a dapt'Qadapt) (22)

[0070] Donc connaissant la puissance adaptée P _a dapt ^et I ^e débit adapté Qadapt . on peut en déduire la position du turbocompresseur Cons_pos_turb.

[0071 ] La figure 6 montre les différents modules logiciels pouvant être implémentés dans le calculateur moteur 26 pour effectuer le calcul de la position de consigne du turbocompresseur x. [0072] Le module M1 permet de déterminer la puissance adaptée P _ac iapt qui est fonction de la puissance P _comp envoyée au compresseur 3, de la pression P ₄ en aval de la turbine 4, et de la température T ₃ en amont de la turbine 4. Le module M2 permet de calculer la racine carrée de la température T ₃ .

[0073] Le module M3 permet de déterminer le débit adapté Qadapt qui est fonction du débit de gaz d'échappement Q _ech , de la pression P ₄ en aval de la turbine 4, et de la température T ₃ en amont de la turbine 4.

[0074] Le module M4 détermine la position de consigne du turbocompresseur Cons_pos_turb à partir de la puissance adaptée P _a a _apt et du débit adapté Qa _d a _pt précédemment déterminés.

[0075] La relation entre la position de consigne du turbocompresseur et le couple puissance adaptée P _adapt - débit adapté Qadapt est obtenue à partir d’essais moteur ou à partir de données fonctionnelles de la turbine 4 fournies notamment par le fournisseur de turbocompresseur 2. Le turbocompresseur 2 est piloté en fonction de la position de consigne précédemment déterminée.

[0076] On fournit ci-après des exemples de caractérisation de turbine 4 à géométrie fixe (TGF) et à géométrie variable (TGV) issus de données fournisseur.

[0077] Les figures 7 et 8 montrent des courbes à iso-taux de détente de la turbine 4 (courbes en pointillés) et iso-position du turbocompresseur 2 dans un champ puissance adaptée P _adapt - débit adapté Qadapt P ^{our un} turbocompresseur 2 respectivement à géométrie fixe et à géométrie variable.

[0078] On observe que la position du turbocompresseur 2 est unique pour un couple Padapt / Qadapt donné, ce qui est cohérent avec les calculs détaillés dans les expressions (28) à (32).

[0079] Les figures 9 et 10 sont des représentations graphiques de l'erreur de pression de suralimentation (PME) en fonction du point de fonctionnement régime-puissance N _mot obtenue respectivement avec un procédé selon l'état de la technique et un procédé selon l'invention. [0080] Il en ressort que l’erreur de pression de suralimentation varie de -50 à 200 mbar avec le procédé selon l'état de la technique, et varie de -35 à 35 mbar avec le procédé selon l'invention.

[0081 ] L’erreur de pression de suralimentation est ainsi plus réduite et centrée avec le procédé selon l'invention comparé au procédé selon l'état de la technique qui engendre une erreur hétérogène plus importante.