Procédé de régulation d'une suralimentation pour

turbocompresseur couplé à une machine électrique, et dispositif turbocompresseur correspondant L 'invention concerne les systèmes de suralimentation de moteurs à combustion interne, par exemp le des turbocompresseurs de moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, et plus particulièrement les systèmes de contrôle de tels turbocompresseurs.

Le turbocompresseur est un organe du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne. Il comprend un compresseur pour compresser l ' air admis dans le moteur et une turbine qui fournit de l ' énergie mécanique au compresseur, la turbine étant entraînée par les gaz d' échappement.

Il existe deux grands types de turbocompresseurs, les turbocompresseurs à géométrie fixe et les turbocompresseurs à géométrie variable. Dans les turbocompresseurs à géométrie variable, on peut agir sur la vitesse de rotation de la turbine en ajustant l' inclinaison des pales de la turbine. Dans les turbocompresseurs à géométrie fixe, on peut, dans certaines variantes de réalisation, agir sur la vitesse de rotation de la turbine grâce à une vanne de décharge montée en parallèle de la turbine (parfois appelée « wastegate ») et qui permet de détourner l ' air d' échappement de la turbine. L'invention concerne une seconde variante de turbocompresseurs à géométrie fixe, dans lequel la régulation par une vanne de décharge est remp lacée par une régulation à l'aide d'une machine électrique apte à entraîner l'axe du turbocompresseur. Quand la demande de pression de suralimentation ne justifie pas l'utilisation de l'intégralité de l'énergie disponible au niveau de la turbine, la machine électrique peut être utilisée en génératrice pour produire de l'énergie électrique envoyée vers une batterie d'accumulateur en vue d'un usage ultérieur. Lorsqu'au contraire une forte puissance est nécessaire au niveau du compresseur, par exemple pendant des phases transitoires au début d'une accélération du véhicule, la machine électrique peut contribuer à fournir l'énergie nécessaire au compresseur, en sus de l'énergie disponible au niveau de la turbine. De tels systèmes de suralimentation peuvent par exemple être emp loyés sur des véhicules utilitaires, pour lesquels les plages de fonctionnement exigées du moteur ne nécessitent pas un délestage trop rapide de la pression en amont de la turbine, et qui peuvent donc faire l'économie de la vanne de wastegate.

La sévérisation des normes de dépollution amène en outre, de plus en plus souvent, à insérer un filtre à particules dans le circuit d'échappement, ce qui réduit le taux de détente de la turbine du turbocompresseur. Il est donc nécessaire de réguler le plus finement possible le fonctionnement du turbocompresseur.

La régulation peut être assurée au moins pour partie par un système de prépositionnement, envoyant une consigne de puissance (motrice ou génératrice) à la machine électrique, à partir de cartographies prenant en compte essentiellement le point de fonctionnement du moteur. La régulation peut être complétée par un régulateur prenant en compte l'écart de la pression de suralimentation mesurée par rapport à une pression de suralimentation de consigne . Cependant, les cartographies étant établies pour une géométrie bien précise du moteur et du système de suralimentation, les dispersions de fabrication, et l'usure du moteur, conduisent à des écarts non négligeables du comportement par rapport au comportement du moteur standard ayant servi à établir les cartographies.

L'invention a pour but de proposer un système de régulation d'un turbocompresseur qui permet de réduire ces imprécisions et de compenser leur dérive dans le temps, sans augmenter la complexité globale du système de régulation.

L'invention propose un système turbocompresseur pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un turbocompresseur et une machine électrique configurée pour pouvoir appliquer alternativement un couple moteur et un couple résistant à l'arbre du turbocompresseur. Le système comprend en outre un premier capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz en aval de la turbine du turbocompresseur, un second capteur de pression apte à mesurer la pression de gaz dans un co llecteur d'admission des cylindres du moteur, comprend un capteur de température placé de manière à mesurer en amont du compresseur du turbocompresseur, une température de gaz entrant dans le système, comprend un capteur de température placé de manière à mesurer une température d'admission des gaz dans un co llecteur d'admission du moteur, comprend un débitmètre placé de manière à mesurer le débit des gaz traversant le compresseur. Le système comprend une unité de commande électronique configurée pour calculer une consigne de puissance envoyée vers la machine électrique. Pour calculer la consigne de puissance l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer, une première valeur de puissance assimilable à une puissance de consigne du compresseur, et une valeur de premier régime de rotation assimilable à un régime de rotation du turbocompresseur. Cette première puissance et ce premier régime peuvent être calculés en prenant en compte une pression de suralimentation de consigne, la température en amont du compresseur, la température des gaz dans le co llecteur d'admission, et le débit de gaz traversant le compresseur.

Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est configurée pour élaborer une seconde valeur de puissance assimilable à une puissance estimée de la turbine, en prenant en compte le premier régime de rotation et la pression en aval de la turbine.

Avantageusement, l'unité de commande électronique est configurée pour calculer un terme de puissance de consigne en boucle ouverte en additionnant trois termes proportionnels respectivement à la première valeur de puissance, à la seconde valeur de puissance, et à un terme inertiel calculé à partir du premier régime de rotation.

Avantageusement, l'unité de commande électronique peut être configurée pour ajouter au terme de puissance de consigne en boucle ouverte, un correctif de consigne de puissance en boucle fermée, calculé en prenant en compte la pression de suralimentation de consigne, la pression mesurée par le second capteur de pression dans le co llecteur d'admission, et le débit des gaz traversant le compresseur.

Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul de la première puissance et du premier régime de rotation.

L'unité de commande électronique peut être en outre configurée pour estimer ou mesurer une troisième valeur de pression assimilable à une pression en amont du compresseur, et pour prendre en compte cette valeur dans le calcul du terme correctif de consigne de puissance en boucle fermée.

L'unité de commande électronique peut être configurée pour estimer ou mesurer une seconde valeur de débit assimilable à un débit de la turbine, et une seconde valeur de température assimilable à une température en amont de la turbine, et pour prendre en compte ces deux valeurs dans le calcul de la seconde valeur de puissance.

Selon un mode de réalisation avantageux, le turbocompresseur comprend une turbine à géométrie fixe et sans conduite de dérivation contournant la turbine.

De manière préférentielle, l'unité de commande électronique est configurée pour utiliser, pour le calcul de la consigne de puissance, au plus deux types de consignes cartographiées directement en fonction du point de fonctionnement du moteur, soit une première valeur de cartographiée assimilable à une pression, et au plus une seconde valeur cartographiée assimilable à une température.

Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de régulation d'un turbocompresseur pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, le turbocompresseur étant relié à une machine électrique apte à lui délivrer alternativement un couple moteur et un couple résistif. On calcule une première consigne de puissance de la machine électrique en soustrayant à une puissance souhaitée du compresseur du turbocompresseur, une valeur estimée de la puissance actuellement délivrée par la turbine et un terme inertiel calculé à partir d'une valeur estimée du régime actuel de rotation du turbocompresseur.

Avantageusement, on pilote la machine électrique par un terme de consigne obtenu en ajoutant à la première consigne de puissance un terme obtenu par un régulateur à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, le taux de compression de consigne étant calculé à partir de la pression de suralimentation de consigne, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur, et le taux de compression estimé étant calculé à partir de la pression délivrée par le second capteur de pression, du débit mesuré des gaz traversant le compresseur, et d'une pression mesurée en amont du compresseur.

D ' autres buts, caractéristiques et avantages de l 'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d' exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

-la figure 1 rappelle l'architecture générale d'un moteur équip é d'un turbocompresseur selon l'invention,

-la figure 2 illustre une partie d'un système de régulation d'un turbocompresseur appartenant au système de motorisation de la figure 1 .

Tel qu'illustré sur la figure 1 , un système turbocompresseur 1 comprend un turbocompresseur 37, une machine électrique 45 , un moteur 30 équipé de capteurs 14, 15 , 1 7, 1 8 , 19, 40, 49, 54, 55 et comprend une unité de commande électronique 2.

Le turbocompresseur 37 comprend un compresseur 32 et une turbine 33 montés sur un arbre commun. Une machine électrique 45 est également so lidaire, ou so lidarisable au travers d'un embrayage, de l'arbre du turbocompresseur. Par so lidaire, on entend que la machine électrique 45 est reliée à l'arbre du turbocompresseur de manière à pouvoir entraîner celui-ci en rotation, éventuellement au travers d'un j eu d'axes et de pignons . De l'air frais A, arrivant à une pression atmosphérique P _a tmo , mesurée par un capteur de pression 49, est filtré par un filtre à air 31. L'air filtré issu du filtre 31 est comprimé par le compresseur 32. L'air comprimé est ensuite refroidi par un échangeur 34 et injecté via une vanne 39 alimentant un collecteur d'alimentation 40 assurant qu'une même pression d'air arrive aux cylindres 41 du moteur 30. Une partie des gaz sortant des cylindres du moteur 30 peut, dans certaines variantes de réalisation, être détournée vers le collecteur d'admission 40 via un court circuit muni d'un refroidisseur 35 et d'une vanne 36. La turbine 33 du turbocompresseur 37 est entraînée par les gaz d'échappement du moteur. La turbine 33 entraîne en rotation le compresseur 32. Un couple supplémentaire, couple moteur ou couple de freinage, peut être appliqué au compresseur à l'aide de la machine électrique 45. La machine électrique 45 est alimentée à partir d'une batterie d'accumulation 44, au travers d'un convertisseur électrique 43.

Le turbocompresseur 37 est relié à une unité de commande électronique 2, elle-même reliée à un estimateur 17 du régime de rotation N _e du moteur 30 et à un estimateur 18 du couple C _e développé par le moteur 30. Selon les variantes de réalisations, l'unité de commande 2, au lieu d'être reliée à un estimateur de couple 18 peut être reliée à une unité d'injection (non représentée) transmettant à l'unité de commande 2, la valeur instantanée FIM _sp de consigne de débit de carburant injecté dans le moteur 30. Le turbocompresseur 37 est équipé d'un débitmètre 15 disposé de manière à mesurer le débit de gaz W _c traversant le compresseur 32, et d'un premier capteur de température 14 disposé de manière à mesurer la température T _uc de gaz en amont du compresseur, par exemple placé dans le débitmètre 15, et d'un premier capteur de pression 19 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression de gaz Pa _t en aval de la turbine 33, par exemple placé entre la turbine 33 et un filtre à particules (non représenté). Le premier capteur de température, le débitmètre et le premier capteur de pression sont reliés à l'unité de commande électronique 2. L'unité de commande électronique 2 est également reliée à un second capteur de pression 16 disposé de manière à pouvoir mesurer la pression P _spg des gaz présents dans le collecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 peut être en outre reliée à un capteur de température d'air 55 mesurant la température d'air dans le co llecteur d'admission 40. L'unité de commande électronique 2 est aussi reliée à un capteur 49 de pression atmosphérique P _a tmo , capteur qui peut par exemple être intégré à un calculateur d'inj ection. L'unité de commande 2 est également reliée à un superviseur 42 qui transmet à l'unité de commande 2 , une valeur de consigne P _S pg, s _P représentant la pression de gaz souhaitée dans le co llecteur d'admission 40. P _S pg, s _P est parfois aussi appelée par la suite pression de suralimentation de consigne. L'unité de commande 2 élabore une consigne de puissance électrique Peiec, s _P qui est par exemp le envoyée au convertisseur 43 , qui alimente alors la machine électrique 45 de manière à générer un couple moteur correspondant à cette puissance électrique, ou qui pilote la machine électrique 45 de manière à ce qu'elle développe le couple résistant correspondant. Les "consignes de puissance électrique" (par exemple Peiec, s _P ) s'entendent ici comme les puissances mécaniques demandées à la machine électrique, en tenant compte du rendement de la machine.

Le court circuit 35 représente ici un système de recirculation de gaz à haute pression, ou "EGR HP" . L'invention peut aussi être appliquée à des systèmes comprenant un circuit de recirculation à basse pression, ou "EGR BP" , dans lequel les gaz d'échappement sont réinj ectés en amont du compresseur.

La figure 2 illustre une partie d'un système de régulation associé à un turbocompresseur selon l 'invention. On retrouve sur la figure 2 des éléments communs à la figure 1 , les mêmes éléments étant alors désignés par les mêmes références . L 'unité de commande électronique 2 comprend un générateur de consigne 12 apte à délivrer une consigne de puissance de la machine électrique 45. L 'unité de commande électronique 2 comprend un estimateur 20 apte à estimer un régime de rotation N _tc , est du turbocompresseur, et apte à délivrer une puissance compresseur de consigne POW _c , _sp . L'unité de commande électronique 2 peut également comprendre une cartographie 1 3 permettant de relier un débit W _c du compresseur à un incrément de pression AP _C00 i correspondant à une perte de charge au niveau de l'échangeur 34.

Le générateur 12 comprend une unité de calcul de puissance turbine 2 1 , un estimateur 4 de puissance électrique en boucle ouverte , un sommateur 5 , et un régulateur 1 1 .

L'unité de calcul de puissance turbine 2 1 comprend un calculateur de coordonnées 22 , une première cartographie 3 a, une seconde cartographie 3 b , et un estimateur de puissance turbine 46.

L ' unité de commande électronique 2 reçoit sur une première entrée numérique ou analogique une valeur de température T _ut représentant une température en amont de la turbine 33 . C ette valeur de température T _ut est communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. L ' unité de commande électronique 2 reçoit sur une autre entrée numérique ou analogique une valeur de débit W _t représentant un débit traversant la turbine . C ette valeur de débit est également communiquée sur une entrée du calculateur de coordonnées 22. Les valeurs W _t et T _ut peuvent être des valeurs mesurées, mais peuvent être également des valeurs estimées à p artir d'autres valeurs connues . La valeur W _t peut être estimée au moyen de l'équation 2 , et la valeur T _ut peut être cartographié en fonction du point de fonctionnement (régime, couple) du moteur 30. Le calculateur 22 reço it également la valeur Pa _t de pression en aval de la turbine, délivrée par le capteur 1 9.

Une valeur de pression P _uc , qui peut aussi être so it mesurée , so it estimée, par exemple au moyen de l'équation 1 , est communiquée au régulateur 1 1 et à l' estimateur de régime turbo 20.

Le premier calculateur 20 reçoit en entrée les données délivrées par les capteurs 14 , 1 5 , 1 7 ainsi que la consigne de pression de suralimentation P _S pg, s _P émanant du superviseur 42. I l reço it également en entrée la troisième valeur de pression estimée P _{u c} . A partir de ces valeurs, et à l'aide de diverses cartographies (non représentées) le premier calculateur 20 calcule une valeur POW _c , _sp assimilable à une puissance de consigne du compresseur 32 , et une valeur N _tc , est assimilable à une vitesse de rotation d ' un arbre du turbo compresseur. La valeur N _tc , est est calculée en particulier à partir des équations 4b et 6b détaillées plus bas . La valeur POW _c , _sp est calculée en particulier à l'aide des équations 4a, 6a, et 8 , ainsi que des équations 3 et 9, détaillées plus bas . La valeur N _tc , sp est envoyée vers le calculateur de coordonnées 22, et en parallèle vers l'estimateur en boucle ouverte 4. La puissance compresseur de consigne POW _c , _sp est envoyée vers l'estimateur 4 en boucle ouverte. Le premier calculateur 20 peut utiliser une cartographie 13 pour calculer une valeur AP _C00 i assimilable à une perte de charge, à partir du débit W _c issu du capteur 15. La valeur AP _C00 i est utilisée également par le régulateur 1 1 . Selon une variante de réalisation, le premier calculateur 20 peut recevoir en entrée directement la valeur AP _C00 i.

Le calculateur de coordonnées 22 calcule à partir des valeurs W _t , T _ut et Pat, trois coordonnées C l , C2, et C3. C l et C2 sont utilisées par l'unité de calcul 2 1 pour lire la cartographie 3 a, et C l et C3 sont utilisées pour lire la cartographie 3b , comme indiqué par exemple dans les équations 1 1 et 12. La valeur sans dimension r| _t , qui peut être considérée comme un rendement de la turbine, et la valeur sans dimensions PR _t , qui peut être considérée comme un taux de détente de la turbine, sont ainsi extraites respectivement des cartographies 3 a et 3b, et envoyées vers l'estimateur de puissance turbine 46. L'estimateur de puissance turbine 46 reçoit en outre les valeurs W _t et T _ut , également utilisées par le calculateur de coordonnées 22. L'estimateur de puissance turbine 46 envoie une valeur POW _t , _es t de puissance turbine, estimée par exemple au moyen de l'équation 10, vers l'estimateur en boucle ouverte 4.

L'estimateur en boucle ouverte 4 utilise le régime turbo estimé N _tc , est, un terme inertiel Nt _{c est} ^dN ' ' ^est issu de ce régime turbo estimé, la dt

puissance compresseur de consigne POW _c , _sp et la puissance turbine estimée POW _t , _es t pour calculer, par exemple selon l'équation 14, une consigne de puissance électrique en boucle ouverte P _elec , sp, oi, qui est envoyée sur une des entrées du sommateur 5. Le terme inertiel Nt _{c est} ^dN ' ' ^est peut être calculé directement par l'estimateur 4, ou peut par exemple lui parvenir d'un dérivateur 58 recevant du premier calculateur 20 la valeur N _tc , est .

Le sommateur 5 reçoit sur une seconde entrée une valeur de correction en boucle fermée P _elec , sp ,ci , issue du régulateur 1 1 . Le régulateur 1 1 , qui peut être un régulateur de type PID (proportionnel intégral dérivé) élabore cette valeur de correction en boucle fermée Peiec, _sp ,ci , à partir d'un écart entre un taux de compression estimé du turbocompresseur, tel que calculé par exemple à l'équation 4b, et un taux de compression de consigne du turbocompresseur, tel que défini par exemp le à l'équation 4a. Le régulateur 1 1 utilise pour cela les valeurs issues des capteurs 15 et 16, la valeur estimée P _{u c} , la consigne Pspg, s _P issue du superviseur 42, ainsi que, éventuellement, la cartographie 13.

Comme indiqué aux équations 4a et 4b, le taux de compression estimé est calculé en fonction de deux variables mesurées ou estimées sur le turbocompresseur 37, soit P _uc et AP _C00 i, et d'une variable mesurée ou estimée au niveau du co llecteur 40, P _{sp g} . Le taux de compression de consigne est calculé en fonction de deux variables issues de mesures P _uc et AP _C00 i, et d'une valeur de consigne P _S pg, s _P qui est substituée à la valeur mesurée P _{sp g} dans les formules de calcul ayant servi au calcul du premier taux de compression.

Le mode de calcul des différentes grandeurs est exposé ci- après. Lexique des principales grandeurs utilisées :

Grandeur Unité Description

[mbar] Pression atmosphérique

Patmo

(mesurée)

[mbar] Pression (mesurée) dans le p co llecteur ou "pression de

suralimentation"

[mbar] Pression en amont du

compresseur (estimée) [mbar] Pression en aval du

compresseur (estimée)

[mbar] Pression en aval de la turbine p*

(mesurée)

[-] Taux de compression P _uc /P _dc

PR, [-] Taux de détente P _ut /P _dt

[Nm] Couple développé par le

C _e

moteur 30

Ne [rpm] Régime du moteur 30(mesuré)

[rpm] Régime du

N _tc

turbocompresseur(estimé)

[rad/s] N _tc , mais exprimé en rad/s

J [Kg/m ² ] Inertie du turbocompresseur

[Kg/s] Débit du compresseur (mesuré)

[Kg/s] Débit de la turbine (estimé)

[-] Efficacité/rendement du

compresseur (cartographiée, ou calculée)

[-] Efficacité/rendement de la turbine (cartographiée, ou calculée)

[° ] Température en amont du

T uc

compresseur (mesurée)

[° ] Température en amont de la

T ut

turbine (estimée)

[° ] Température de l'air dans le

T adm co llecteur d'admission à

l'entrée du moteur 30(mesurée) _f [J/(Kg - °K)] Capacité thermique massique p,adm

des gaz à l'admission

f [J/(Kg - °K)] Capacité thermique massique à p,exh

des gaz à l'échappement

Y [-] Rapport des capacités thermiques massiques C _p /C _v des gaz (à l'admission ou à l'échappement suivant les équations)

POW _t [W] Puissance de la turbine

POW _c [W] Puissance compresseur

[mbar] Perte de charge de l'échangeur

^^cool

34

Rair 8 , 3 1 4 J Mol^ K ¹ Constante des gaz parfaits

[W] Consigne de puissance

Pelec, sp, ol

électrique en boucle ouverte

[W] Correction de puissance

Pelec, sp ,cl

électrique en boucle fermée

[W] Consigne de puissance de la machine électrique (positive

P ¹ e, sp

en mode moteur, négative en générateur)

De manière générale dans ce qui suit X _{e s} t est une variable estimée à partir d'une ou plusieurs variables mesurées, à l'aide de cartographie éventuelles .

X _mes est une variable mesurée par un capteur dédié.

X _sp (" set point") est une variable de consigne, élaborée au moins en partie à partir de grandeurs émanant du conducteur du véhicule.

Les variables utilisées comme "mesures" dans la stratégie de contrôle peuvent se décomposer trois catégories :

• les variables directement mesurées

• les variables directement estimées

• les variables "hybrides" qui peuvent être estimées ou mesurées en fonction du fonctionnement du reste du circuit de circulation de gaz dans le moteur. Variables mesurées consommées dans la stratégie

C es variables sont :

• Régime moteur N _e ,

• Débit carburant FIM _sp , proportionnel au couple C _e développ é par le moteur

• Pression atmo sphérique P _atm ,

• Pression co llecteur P .

• Débit passant à travers le compresseur W _c ,

• Température amont compresseur T _uc .

· Pression aval turbine P at

Dans des variantes de réalisation de l'invention, on peut faire l'économie d'un ou deux capteurs en estimant indirectement les variables suivantes :

· Débit passant à travers le compresseur W _c ,

• Température amont compresseur T _uc ,

qui sont alors des variables " hybrides " consommées dans la stratégie .

En effet, les conditions d'utilisations de ces variables sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP . Dans le cas de l'EGR HP , un débitmètre d'air est utilisé comme information de débit compresseur et un capteur de température d'air extérieur est utilisé comme information de température amont compresseur.

Dans le cas contraire (EGR BP , ou pas d'EGR) , le débit compresseur est estimé via le remp lissage, et la température amont compresseur est estimée via un bilan enthalpique utilisant le capteur de température d' air entrée moteur.

Variables estimées consommée dans la stratégie

C es variables sont :

• La pression amont compresseur P _uc ,

• La température amont turbine T _ut , • Le débit échappement W _t .

Estimation de la pression amont compresseur :

Pour l'estimation de la pression amont compresseur, on considère la perte de charge du filtre à air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air.

Pue ⁼ Patmo ^~ ffaa (^ c ) E quatio n ( 1 )

Equation de perte de charge du filtre à air

Estimation de la température amont turbine :

La température amont turbine, T _ut , est utilisée dans la stratégie.

Elle est estimée grâce à une cartographie qui dépend du régime moteur et du débit carburant. Cette cartographie est pré calibrée grâce à des essais réalisés sur banc moteur. La calibration est ensuite affinée par des essais sur véhicule.

Estimation du débit échappement, aussi appelé débit turbine : En stabilisé le débit turbine W _t est égal au débit compresseur plus le débit carburant. En dynamique, ce bilan est affecté par les termes de dynamique de la ligne d'air et de l'échappement. Pour modéliser cette dynamique, on écrit le débit turbine comme suit :

P V

W _t = W _C + 0.00012 FIM _sp * N _e - ^{spg m} Equation (2)

Calcul du débit échappement estimé (pour un moteur à 4 cylindres), où FIM _sp est le débit carburant (en mg/cp). Le vo lume V _to t est une variable de calibration qui permet de représenter les effets dynamiques sur le débit.

Consigne de débit compresseur

Les conditions de calcul de cette variable W _c , _sp sont différentes selon que l'on est dans une configuration EGR HP ou EGR BP . Dans le cas de l'EGR HP, on prend directement la consigne qui sert de consigne à l'EGR HP . Dans le cas contraire (EGR BP ou sans EGR), la consigne de débit compresseur est calculée sur la base de l ' équation de remplissage moteur. L ' équation qui résume le calcul est la suivante :

^W _° «> Equation (3)

Calcul du débit d'air consigne sans EGR HP

où :

• V _t [m ³ ] est la cylindrée du moteur,

• η _νο1 est le rendement vo lumétrique. Cette cartographie est identifiée à partir des essais en stabilisé.

• Padm [Kg/m ³ ] est la densité d'air dans le co llecteur d'admission 40 (obtenue en divisant la pression de l'air dans le co llecteur par la température de l'air dans le co llecteur et par la constante des gaz parfaits)

De la pression de suralimentation au taux de compression

Cette première étape de calcul a pour but de transformer la pression de suralimentation en taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du compresseur.

Pour le calcul du taux de compression, on considère la perte de charge du refroidisseur d'air. Cette perte de charge est estimée avec une cartographie qui dépend du débit d'air. Les taux de compression consigne et estimé sont calculés respectivement avec la consigne et la mesure de pression de suralimentation, respectivement P _spg ^ _p et P _spg^mes .

La consigne de pression de suralimentation est généralement stockée dans une cartographie, en fonction du couple et du régime du moteur.

La mesure de pression de suralimentation est faite via un élément piézoélectrique 16 qui permet la conversion de la pression en tension électrique directement l'interprétable par le calculateur d' inj ection.

Consigne et estimation du taux de compression

Le calcul de la consigne et l'estimation du taux de compression est expliqué par : _ _D P spg,sp + AP cool _ _D P spg,mes + AP cool Calcul du taux de compression

Equation 4a Equation 4b

Calcul de la perte de charge RAS

Entrées/ Sorties du bloc

Entrées :+--

• Pression de suralimentation consigne P _spg ^ _p par exemple,

• Pression de suralimentation mesure P _spg^mes ,

• Débit compresseur W _c ,

• Pression amont compresseur P _uc ,

• Température amont compresseur T _uc .

Sorties :

• Taux de compression consigne PR _{c sp} ,

• Taux de compression estimé PR _{c est} .

Le taux de compression consigne peut être limité afin de garantir à terme de ne pas dépasser un régime turbocompresseur limite

Du taux de compression au régime turbocompresseur

Cette deuxième étape de calcul a pour but de lier le régime turbocompresseur avec le taux de compression. L'intérêt de cette transformation est de se mettre dans le référentiel du turbocompresseur.

Consigne et estimation du régime turbocompresseur

Pour la consigne et l'estimation du régime turbo, nous utilisons les cartographies constructeur et moteur pour obtenir le régime turbo corrigé en fonction du régime moteur et du taux de compression. En effet, en exprimant le débit compresseur comme étant le débit aspiré par le moteur, nous obtenons : ref,c T.. P r _r ef,c

PR c = f J c, N,. vol r adm,sp ' e

ref,c P.,

Equation (5 )

En inversant cette fonction, on obtient le régime turbocompresseur corrigé en fonction du taux de compression et du régime moteur. C ette fonction est notée fut . Nous avons donc :

Equation (6a) Equation (6b)

C alcul du régime turbocompresseur (équations 4) avec T _{u c} la température amont compresseur et,

T _{r e} f_ _c la température de référence du compresseur.

Entrées/ Sorties du blo c de calcul :

Entrées :

• Régime moteur N _e ,

• Taux de compression estimé PR _{c est} ,

• Taux de compression consigne PR _{c sp} ,

• Température amont compresseur mesuré T _uc .

Sorties :

• Régime turbocompresseur consigne N _tc ,

• Régime turbocompresseur estimé N _{tc est} .

Vers une consigne de puissance compresseur

C ette étape de calcul a pour but de lier les précédents calculs afin de construire une consigne de puissance compresseur.

L'expression de la puissance compresseur est donnée par :

r-l

POW _r = WX p,adm PR _^ Equation (7) ou : • W _c est le débit passant à travers le compresseur,

• 7" _Mc est la température amont compresseur,

• PR _c est le taux de compression,

• ^c _P ,adm ^est l ^a capacité thermique massique des gaz l'admission,

• Y est le rapport des capacités thermiques massiques l'admission.

• 77 _c est l'efficacité compresseur, cartographiée La question est de savoir dans ce calcul si les variables utilisées doivent être des valeurs de consigne ou des valeurs mesurées/estimées. Le même type d'arbitrage s'impose pour le calcul de la puissance turbine qui utilise un débit une efficacité turbine . Dans le calcul de la puissance de consigne, nous faisons le choix d'utiliser toutes les consignes possibles. La puissance compresseur consigne délivrée par l'estimateur 20 s'exprime :

POW c,,sp W c,sp T uc quation (8)

• 77 _c est l'efficacité compresseur de consigne, cartographiée par exemple sous la forme :

Equation (9)

Entrées/ Sorties du bloc Entrées :

• Taux de compression consigne PR _{c sp} ,

• Débit compresseur consigne W ,

• Régime turbocompresseur consigne N _t ,

• Température et pression amont compresseur T _uc et P _u

Sortie : Puissance compresseur consigne POW _c c,sp '

Vers une estimation de puissance turbine

Cette étape de calcul a pour but d'estimer la puissance actuellement prélevée par la turbine dans les gaz d'échappement.

La puissance turbine estimée est donnée par

Equation (10)

ou :

• r^est l'efficacité turbine,

• C _Pexh est la capacité thermique massique à l'échappement,

• Y est le rapport des capacités thermiques massiques l'échappement.

Avec le taux de détente turbine étant cartographié dans la cartographie 3b sous la forme suivante :

PR _t =f _P W,- T _m ■f _PRt {C\C\) Equation (11) dt

Avec l'efficacité de la turbine calculée par la relation statique suivante : ' Equation (12)

Entrées/ Sorties du bloc

Entrées :

J _r est le débit passant à travers la turbine,

N _tcest est l'estimation du régime du turbocompresseur,

Z^est la température amont turbine,

T _ref est la température de référence turbine (valeur constante), r _e est la pression de référence turbine (valeur constante), P _dt est la pression aval turbine • PR _t est le taux de détente,

Sorties :

• Puissance turbine estimée P _test .

Vers la consigne de boucle ouverte de puissance électrique.

Cette étape de calcul a pour but de déterminer la consigne de puissance électrique grâce au bilan de puissance sur l'arbre du turbocompresseur. L'utilisation du terme dynamique apporte un gain sur le temps de réponse de la boucle de suralimentation (effet d'anticipation).

P _ele c, _sp , _ol =P W _csp -POW _test + _t ( ^j _tc ² ) Equation (13)

POW _csp QSt la consigne de puissance compresseur,

POW _t QSt la puissance turbine,

• co _rc est le régime turbocompresseur estimé(en rad/s),

• Jest l'inertie de l'ensemble tournant (compresseur, axe, turbine et machine électrique). La consigne de puissance électrique se calcule donc en fonction de la puissance compresseur consigne, de la puissance turbine estimée et de la variation d'énergie cinétique consigne. Elle s'écrit donc :

π dN

P _elée s = POW _c,sp ^~ POW _est + {—) ² JN _tc,est

Equation (14)

Calcul de la consigne de puissance turbine en boucle ouverte

Entrées/ Sorties du bloc

Entrées :

• Puissance compresseur consigne POW _csp ,

• Régime turbocompresseur estimé N _tcest . • Puissance turbine estimée POW _{t est} .

Sorties :

• Puissance électrique consigne boucle ouverte P _electiSPi0l .

Remarque : dans notre convention la consigne de puissance électrique est positive en mode moteur et négative en mode générateur.

Le mode moteur est défini par

POW _c,sp Equation ( 15)

Le mode générateur est défini par

POW _c,sp Equation ( 16)

Vers une consigne de puissance électrique en boucle fermée : Un contrôleur peut être nécessaire pour compenser les erreurs de modèle. Il est à noter que plus le mo dèle utilisé est précis, moins l'action du contrôleur sera nécessaire. On peut même envisager des variantes de réalisation sans contrôleur.

La stratégie basée sur mo dèle est suffisamment performante pour qu'un PID à gains fenêtrés constants soit suffisant.

Peiec, _sp ,d = K _p * ^■ * ^■ PR _C + K, j ε _PSc dt + K _d Equation ( 17)

Où:

BP R _C est l'écart entre les valeurs de rapports de détente estimé et de consigne calculés respectivement aux équations (4a) et (4b)

K _p , Ki ,Kd sont des valeurs de gains du régulateur 1 1 .

La sortie du contrôleur est destinée à opérer une correction de taux de détente ( PR^ _sp ^ ), c'est pourquoi nous avons choisi de mettre en entrée du contrôleur une erreur de taux de compression afin de limiter la variation de gain statique entre les valeurs d'entrée et de sortie

Les entrées/sorties sont

Entrées :

• Taux de compression consigne PR _{c sp} ,

• Taux de compression estimé PR _{c est} ,

Sorties :

• Correction de puissance électrique consigne boucle fermé p elect,sp,cl '

L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits et peut se décliner en de nombreuses variantes. Dans l'exemple illustré plus haut, certaines variables de fonctionnement du turbocompresseur sont mesurées à l'aide de capteur ou directement déduites à partir de mesures effectuées par des capteurs . D'autres variables sont estimées à partir des mesures effectuées à l'aide de modèles mathématiques. La proportion de variables directement issues de mesures et de variables estimées peut être modifiée sans sortir du cadre de l'invention. Un système de saturation peut être prévu entre le sommateur 5 et le convertisseur électrique 43 pour imposer une consigne de puissance à la machine électrique qui est comprise entre une valeur minima et une valeur maxima, ces valeurs minima et maxima dépendant des autres paramètres de fonctionnement du moteur 30. Le capteur de température 55 dans le co llecteur d'admission peut être remplacé par un débitmètre mesurant le débit de la turbine. Le capteur de pression (P _a t _m o) d'air extérieur au véhicule peut être remplacé par un capteur de la pression (P _uc ) à l'entrée du compresseur.

Le système de régulation selon l'invention peut être utilisé aussi bien pour des systèmes avec recirculation de gaz d'échappement à haute pression (EGR HP) que pour des systèmes avec recirculation de gaz à basse pression (EGR BP) . Il ne nécessite qu'un nombre minimal de capteurs de pression (un capteur de pression d'air atmosphérique et un capteur de pression d'air dans le co llecteur d'admission) .

Le système de régulation proposé permet une régulation fine de la pression de suralimentation grâce à la prise en compte des interactions physiques entre les différents paramètres mesurés, la puissance fournie à la machine électrique et la pression de suralimentation que l'on souhaite imposer. Le lien entre le taux de compression et le taux de détente se fait grâce au bilan d'énergie au niveau du turbocompresseur qui est un modèle physique fiable et indépendant du mode de fonctionnement moteur.

Liste de références

1 Système turbocompresseur

2 Unité de commande électronique

3a Première cartographie

3b Seconde cartographie

4 Estimateur en boucle ouverte

5 Sommateur

11 Régulateur

12 Générateur de consigne de puissance de la machine électrique

13 Cartographie reliant W _c et AP _C00 i

14 Capteur de température amont compresseur T _uc

15 Débitmètre mesurant le débit compresseur W _c

16 "2 ^nd capteur" de pression P _S p _g ,mes dans le collecteur 40

17 Estimateur de régime moteur N _e

18 Estimateur de couple moteur C _e

19 "1 ^er capteur" de pression Pat en aval de la turbine 33

20 Estimateur estimant le régime turbo N _tc ,est et la puissance compresseur de consigne POW _c . _sp

21 Unité de calcul de puissance turbine

22 Second calculateur des coordonnées Cl, C2 et C3 des cartographies 3a et 3b

30 Moteur

31 Filtre à air

32 Compresseur

33 Turbine

34 Echangeur

35 Refroidisseur

36 Vanne

37 Turbocompresseur

39 Vanne

40 Collecteur d'admission du moteur 41 Cylindres du moteur

42 Superviseur élaborant la consigne pression de suralimentation P _S pg, s _P

43 Convert isseur électrique

44 Batterie

45 Machine électrique

46 Estimateur de puissance turbine

55 Capteur de température d'air dans le co llecteur d'admission du moteur

58 Dérivateur

A Prise d'air frais

Nota : p . 10 à 12 : liste des principales grandeurs mentionnées