PROCEDE D'ESTIMATION DE LA TEMPERATURE D'UN CAPTEUR DE PRESSION DE GAZ FIXE SUR UNE PAROI D'UN MOTEUR DIESEL, ET UTILISATION D'UN TEL PROCEDE

La présente invention est relative à un procédé d'estimation de la température d'un capteur de pression de gaz fixé sur une paroi d'un moteur diesel de véhicule automobile. Elle a également trait à l'utilisation d'un tel procédé pour la détermination de la pression de gaz avant turbine d'un moteur diesel de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur.

Un turbocompresseur est composé d'une turbine et d'un compresseur, dans le but d'augmenter la quantité d'air admise dans le moteur. La turbine est placée à la sortie du collecteur d'échappement et est entraînée par les gaz d'échappement.

La puissance fournie par les gaz d'échappement peut être modulée au moyen d'une soupape de décharge (turbocompresseur à géométrie fixe, en abrégé "TGF") ou d'ailettes (turbo à géométrie variable, en abrégé "TGV"). Le compresseur est monté sur le même axe que la turbine. Il comprime l'air qui entre dans le collecteur d'admission. Un échangeur thermique peut être placé entre le compresseur et le collecteur d'admission pour refroidir l'air sortant du compresseur.

Un actionneur est utilisé pour piloter l'ouverture et la fermeture de la soupape ou des ailettes. Le signal de commande de l' actionneur est fourni par un calculateur appelé UCE (Unité de Contrôle Electronique) et permet d'asservir la pression dans le collecteur d'admission. La consigne de pression dans le collecteur est calculée par l'UCE. La pression dans le collecteur d'admission est mesurée via un capteur placé sur ce collecteur. L'information relative à la Pression avant Turbine (en abrégé "Pavt") revêt une grande importance pour le contrôle des moteurs diesel à turbine à géométrie variable.

Cette information peut avoir trois utilisations distinctes : l'amélioration du temps de réponse de la suralimentation ; - le calcul précis des pertes par pompage du moteur, ce qui permet de rendre la structure couple plus robuste. La structure couple est le calcul du couple effectif du moteur (couple produit diminué des couples consommés par les différents périphériques tel alternateur, compresseur de climatiseur, etc.) qui

permet d'assurer un fonctionnement régulier du moteur ; la garantie de la fiabilité de composants du moteur soumis à la contrainte de la pression amont turbine (soupapes échappement, actuateur du turbo...). II est capital pour le contrôle du moteur de pouvoir assurer le bon fonctionnement d'un capteur de pression avant turbine et de déterminer précisément les plages de fonctionnement correct de ce dernier.

Les gaz d'échappement sont composés, entre autres, d'eau sous forme gazeuse. Lors de la coupure du moteur, les parois de la ligne échappement se refroidissent. L'eau contenue dans les gaz d'échappement se condense au niveau des parois.

De l'eau peut ainsi se condenser au niveau du capteur de Pavt. Dans certaines conditions de fonctionnement (température d'air ambiant, vitesse véhicule....), cette eau liquide peut geler au niveau du capteur. La pression indiquée par le capteur est alors erronée.

On a déjà proposé d'inhiber l'information délivrée par le capteur de Pavt dès que la température de l'air ambiant est inférieure à 0 ⁰ C (risque potentiel de gel). On parle alors de fonctionnement moteur en mode dégradé.

Cette stratégie est extrêmement restrictive puisque le capteur n'est pas nécessairement gelé quand la température de l'air ambiant est inférieure à 0 ⁰ C.

Il est nécessaire de mettre au point un critère de gel du capteur de Pavt afin d'étendre au maximum la plage de fonctionnement du capteur. Le document WO-A-2005/08519 illustre une telle méthode.

Une méthode additionnelle consiste à empêcher au maximum le gel du capteur de Pavt en positionnant celui-ci dans des endroits du sous-capot moteur thermiquement stables (c'est-à-dire avec des variations de température faibles ou parfaitement contrôlées). Ainsi, un constructeur automobile concurrent propose une implantation du capteur sur le circuit de refroidissement du circuit EGR (donc avec une thermique proche de la température de l'eau du circuit de refroidissement, entièrement contrôlée et régulée).

Cette méthode présente l'avantage d'être thermiquement stable, mais elle présente un inconvénient, à savoir qu'il n'existe aucun degré de liberté quant à l'implantation du capteur.

La présente invention vise à pallier les inconvénients des techniques précitées en proposant directement une technique d'estimation de la température du

capteur de Pavt, de manière à permettre l'utilisation de ce capteur même quand la température ambiante est négative et que la sienne est supérieure à 0 ⁰ C.

La présente invention est donc relative à un procédé d'estimation de la température d'un capteur de pression de gaz fixé sur une paroi d'un moteur diesel de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur, ce capteur étant positionné en amont de la turbine dudit turbocompresseur.

Ce procédé est remarquable en ce que ladite estimation est réalisée au moins à partir de la mesure de la température de l'air extérieur et de la température de la paroi sur laquelle est fixé ledit capteur. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé :

- ladite estimation est réalisée à partir de la relation : dT cap ^t eur _ 1 [^ _{1 o} \ τ _^ _ _ι _ o T _ _l _ λ T 1 — — " 1( 1 C ) " 1 eau "T C " 1 air "T l\l échappement J dt τ dans laquelle : • — ^∞ f_f^ _ _var i _a ti _on ^ la température du capteur en fonction dt du temps ;

• T eau = température de l'eau de refroidissement du moteur :

• Tair = température de l'air extérieur : ε = Ki ^• Vitesse"

Kx ^• Vitesse" + 1 • ^ _échappement = variation de la température de la ligne d'échappement associée = Ki -τ - {Tp échappement ⁴ — Teau ⁴ ) où Tpechappement est la température de la paroi de la ligne d'échappement. Kl, K2, K3 et n étant des constantes spécifiques audit véhicule, tandis que "Vitesse" est la vitesse de déplacement dudit véhicule. Dans un mode de réalisation, on néglige la variable δT _echappement .

Dans une variante, la variable Tpechappement est déterminée à l'aide d'un capteur. Conformément à encore une variante, la variable Tpechappement est déterminée à partir d'un modèle informatique.

L'invention concerne également l'utilisation du procédé tel que défini ci-dessus pour la détermination de la pression de gaz avant turbine d'un moteur

diesel de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur, caractérisée par le fait que l'on inhibe l'information de pression délivrée par ledit capteur dès lors que sa température estimée est égale ou inférieure à 0 ⁰ C.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel.

Cette description sera faite en référence à la figure 1 annexée qui illustre, en fonction du temps, la température d'un capteur de Pavt, à partir d'une mesure réelle et de deux estimations. Le principal objectif de la présente invention est de pouvoir fournir une information utile sur la température du capteur de Pavt.

Le principe est d'analyser les phénomènes thermiques qui touchent le capteur de pression avant turbine et de proposer un modèle d'évolution de sa température. Le capteur de Pavt est en équilibre entre la :

- température de l'air extérieure (au travers de la vitesse du véhicule) ;

- température du corps (paroi) sur lequel est fixé le capteur (souvent une température proche de la température de l'eau en sortie du moteur). Selon l'emplacement du capteur, une source de chaleur supplémentaire est considérée. Cette source est généralement une source en provenance de la ligne d'échappement (du fait de la nature du capteur qui mesure la pression avant la turbine).

La modélisation des échanges thermiques repose sur des équations thermiques faisant une analogie avec l'électricité.

A partir de cette analogie, les paramètres entrant en jeu sont les suivants :

- le coefficient de convection de l'air entrant sous le capot: hS, lié à la vitesse du véhicule - le coefficient de conduction avec les parois du moteur : Gc, lié au contact entre le capteur et la paroi de fixation du capteur

- la puissance rayonnée par l'échappement (Pécha _PP ement) liée à la température de la ligne d'échappement.

L'équation régissant la température du capteur est la suivante :

JVl " — Hu ' yl air 1 capteur J T" KjC ' yl eau 1 capteur J T" l echappeme

(équation. 1) Chacun de ces termes est explicité ci-après.

1. Les échanges convectifs entre l'air externe et le capteur : hS Les échanges convectifs sont décrits macroscopiquement par un coefficient d'échange h. Ce coefficient est obtenu en utilisant une relation empirique reliant 3 coefficients sans dimension : le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Reynolds (Re) et le nombre de Prandtl (Pr).

Nu = /(Re" , Pr)

Au premier ordre :

" le nombre de Reynolds est fonction du débit d'air frais entrant dans le compartiment moteur, qui est directement lié à la vitesse véhicule ;

Re = /(Vitesse _ véhicule" )

" le nombre de Prandtl est constant. Pour l'air :

Pr ≈ 0.7

" le nombre de Nusselt est égal à :

Nu = — λ avec λ =0.021 W/m.K pour l'air

^L _caractér i _st i _que ⁼ constante (lié à la géométrie du capteur)

On en déduit que hS = /(vitesse _ véhicule" ) = C ₁ .vitesse _ véhicule"

Avec Ci et n : constantes à identifier sur chaque type de véhicule par des essais.

2. Les échanges conductifs entre l'air externe et le capteur : Gc Les échanges conductifs sont décrits par une conductance constante

Gc constante.

Gc = C ₂

Avec C ₂ = constante à identifier sur chaque type de véhicule par des essais. 3. La puissance rayonnée par l'échappement : Péchappement

Cette puissance est directement liée à la température de paroi de la ligne d'échappement (T _éc hap _P ement) et s'écrit :

échappement 'V r échappement r capteur r J capteur— >echappement Avec ε : émissivité du capteur (proche de 1), S : surface du capteur σ : constante de Boltzmann (5,67.10 ^"8 W/m ² .K ⁴ ), T est exprimée en degrés Kelvin, f _capteur → _echappement '• facteur de forme qui est la fraction de l'énergie émise par le capteur et reçue par la ligne d'échappement. Ce facteur est purement géométrique et est une constante pour un véhicule donné.

Pour un capteur donné : ε .σ .S.f _{capteur→echappement} = C ₄ (constante). λ _T i • • ₁ CtI capteur 4. L inertie du capteur : M - Cp capteur dt

Ce terme représente l'inertie du capteur.

Cpcapteur est la chaleur massique du capteur qui est une constante pour un capteur donné.

M est la masse du capteur. Pour un capteur donné, M - Cpcapteur- = C ₃ est une constante.

— fflfϋl _es t la variation de température du capteur en fonction du

temps.

Introduisons la notion d'efficacité :

1 eau — 1 capteur ε =

1 eau — 1 air Nous recherchons une équation simple décrivant l'évolution de la température du capteur sous la forme : -^ = - • [(I - ε ) • Teau + ε • Tair + ^T échappement] (équation. 2) dt τ

Où x est la constante de temps de l'équation 2. En identifiant les équations 1 et 2., il vient : hS n/L ' (^P _{A rp} 1 échappement ' X ε = « X — Ct /λI échappement — hS + Gc hS + Gc M - Cp

Or, nous avons vu précédemment : hS = C _\ .vitesse _véhicule ⁿ

Gc =C ₂ , MCp = C ₃ ,

*J capteur— >echappement 4

Posons : K, = ^ , K ₂ = Q- et K, = ^-

C, C ₁ C,

II vient alors

_^ _ Ki - Vitesse" _^ _ Ki _ _{4 4}

C — X — ZA_/ échappement — λ 3 " X " ( _/ Uechappement — _/ eau )

Kx • Kitewe" + 1 Kx - Vitesse " + 1

L'identification des constantes Kl, K2, K3 et n sur véhicule nous permet de décrire l'évolution de la température du capteur :

dT capteur _ 1 [^ _{1 o} \ τ^ _ι_ o T _ _l _ λ T 1 — — " 1 ( 1 C ) " 1 eau "T C " 1 air T" ZX 1 échappement J

^t τ Le terme δT , _πnm , _mι , _^ nécessite la connaissance de la température de la ligne d'échappement Tpecha _PP ement . Il peut être envisagé de mesurer cette température avec un capteur ou de l'estimer par un modèle. La création d'un modèle supplémentaire est envisageable mais cela complexifie le modèle initial de température du capteur de Pavt. Or, il est préférable que ce modèle reste simple pour être intégré dans le logiciel d'un moteur.

Prenons comme postulat que la puissance thermique rayonnée par l'échappement augmente la température du capteur. En effet, l'échappement est le composant le plus chaud du compartiment moteur. Négliger cette puissance conduit donc à sous-estimer la température du capteur de Pavt. Ceci n'est pas gênant dans la mesure où l'application principale de l'estimateur de température de capteur de

Pavt est de diagnostiquer le gel. Quand l'estimateur indiquera une température supérieure à 0 ⁰ C, il est certain que le capteur ne sera pas gelé.

Dans un mode de réalisation préférentiel, il peut donc être décidé de négliger volontairement le terme δT _echappement (équivalent à K ₃ nulle) et de résoudre finalement le système suivant :

T 1eeaauu ++ εε -- (Equation. 3) avec

Kx ^• Vitesse n

Kx - Vitesse" + 1 1

et

Kl, K2, K3 et n : constantes à identifier sur véhicule.

Le choix d'un modèle qui ne tient pas compte de la puissance thermique de l'échappement offre ainsi une solution plus simple, tout en étant efficace et facile à implanter dans un logiciel.

A la figure 1 annexée sont représentées des courbes de variation de températures d'un capteur Pavt en fonction du temps.

La courbe A correspond à une mesure directe de la température dudit capteur. La courbe B est une courbe d'estimation établie conformément au présent procédé, en tenant compte de la puissance rayonnée par l'échappement (équation 2).

Enfin, la courbe C est une courbe d'estimation établie conformément au présent procédé, sans tenir compte de la puissance rayonnée par l'échappement (équation 3).

Il apparaît donc de ces courbes que le présent procédé donne des résultats satisfaisants et faciles à implanter dans l'UCE. Il est fiable et facile à calibrer pour toutes les applications moteur (il suffit pour cela de ré-identifier les constantes Kl, K2, K3 et n définies précédemment).

Le présent procédé présente plusieurs avantages :

" L'utilisation du capteur de Pavt et les stratégies associées pourront être étendues à des températures ambiantes négatives tant que la température du capteur sera supérieure à 0 ⁰ C.

" Les équations thermiques régissant le comportement thermique du capteur ne nécessitent pas des fréquence d'échantillonnages importantes. Ce type de modèle est donc peu gourmand en temps de calcul par l'UCE. Il est ainsi implantable facilement dans un logiciel. " II est simple dans son fonctionnement, de sorte qu'il est utilisable pour toutes les applications véhicules.

" Le fait d'estimer la température du capteur permet une liberté d'implantation du capteur dans le véhicule.

" L'information de température du capteur est une information supplémentaire sur la qualité de l'information de Pavt. On peut envisager des corrections de dispersions ou de dérives de l'information Pavt en fonction de la température. Il ne s'agit plus seulement d'un diagnostique du capteur (gelé ou dégelé) mais également de corrections de l'information.

Dans la perspective de conserver une structure de modèle simple, il est nécessaire d'imposer la température de l'air ambiant au démarrage du moteur. Il s'agit de la température la plus basse du système. On conserve ainsi toujours la

notion de «sous-estimation » de la température qui permet de diagnostiquer le gel du capteur.

Le présent procédé peut être appliqué pour tous les composants thermiquement inertes (c'est-à-dire qui ne dégagent pas d'énergie). Il suffit d'adapter alors les équations proposées précédemment au travers des coefficients (Kl, K2, K3 et n) en fonction du positionnement du composant en question.