Système de régulation de la pression de suralimentation pour moteur à combustion interne à deux turbocompresseurs étages

La présente invention concerne un système de régulation de la pression de suralimentation pour moteur à combustion interne, notamment du type diesel, comportant deux étages de turbocompresseurs,

L'utilisation de deux turbocompresseurs étages dans les moteurs à combustion interne permet d'augmenter Ia puissance et le couple du moteur et d'améliorer le rendement en réduisant la consommation en carburant.

Dans ce mode de suralimentation, l'un des turbocompresseurs fonctionne à basse pression et est actif dans les faibles régimes du moteur, tandis que l'autre turbocompresseur est actif dans les régimes plus élevés et fonctionne à haute pression.

Le fonctionnement de ces deux turbocompresseurs est contrôlé par un système de régulation.

Des systèmes de régulation de la pression de suralimentation pour moteurs à combustion interne à deux turbocompresseurs étages ont été décrits notamment dans tes documents DE10144683, WO 2005/24201 et FR 2878285.

Dans ces systèmes de régulation les zones de fonctionnement des deux turbocompresseurs sont régulées par des signaux qui commandent des actionneurs qui agissent eux-mêmes sur des papillons qui ouvrent ou ferment des circuits de dérivation - couramment appelés « by pass » par les spécialistes - associés aux deux turbocompresseurs.

Les essais effectués par la Demanderesse ont permis de constater que les systèmes de régulation connus manquaient de robustesse en ce qui concerne la commande des actionneurs précités, ne permettaient pas de maîtriser le régime du turbocompresseur haute pression, ce qui entraîne un risque de surrégime et ne comportaient pas de moyens pour prépositionner séparément les actionneurs de commande des deux turbocompresseurs.

Le but de la présente invention est de proposer un système de régulation de la pression de suralimentation pour moteurs à deux turbocompresseurs étages permettant de remédier aux inconvénients des systèmes connus.

Ce but est atteint selon l'invention, grâce à un système de régulation de la pression de suralimentation pour moteur à combustion interne comportant deux étages de turbocompresseurs, à savoir un turbocompresseur basse pression et un turbocompresseur haute pression, les zones de fonctionnement de chacun des turbocompresseurs étant contrôlées par des papillons commandés par des actionneurs fermant ou ouvrant un circuit de dérivation associé à chacun des turbocompresseurs, caractérisé en ce que ce système comprend des moyens pour élaborer une consigne de pression de suralimentation, des moyens pour transformer cette consigne en une consigne de rapport de compression pour chacun des turbocompresseurs, cette dernière consigne coopérant avec un premier régulateur pour régler le rapport de compression de chacun des turbocompresseurs, ce premier régulateur coopérant avec un second régulateur pour régler Ie rapport de détente de chacun des turbocompresseurs en fonction d'une valeur de consigne de rapport de détente pour chacun de ces turbocompresseurs, des moyens pour préposîtionner tes actionneurs de commande des papillons de réglage des pressions à la sortie de chacun des deux turbocompresseurs, les deux régulateurs coopérant avec une unité d'arbitrage adaptée pour commander un actionneur pour modifier la pression à Ia sortie de l'un des turbocompresseurs ou à la sortie de l'autre turbocompresseur. De préférence, ce système comprend en outre des moyens de contrôle de l'ouverture du circuit de dérivation relié à Ia sortie du compresseur du turbocompresseur haute pression coopérant avec un actionneur pour commander l'ouverture de ce circuit de dérivation.

Avantageusement, le système selon l'invention, comprend des moyens pour faire une estimation statique du turbocompresseur BP, en fonction du régime du moteur et du débit d'air à l'entrée du turbocompresseur et à partir de cette estimation calculer tes pressions en amont et en aval du compresseur du turbocompresseur HP à l'aide des relations suivantes :

- estimation de la pression en amont du compresseur HP = Mesure de la pression atmosphérique X estimation du rapport de compression BP,

- estimation de la pression en aval de la turbine HP = Mesure de la pression en aval de la turbine BP X taux de détente de la turbine BP.

Selon d'autres particularités de l'invention :

- ie système comprend des moyens pour élaborer la consigne de pression de suralimentation au moyen d'une cartographie et des moyens pour corriger cette consigne pour protéger Ie turbocompresseur actif à l'égard des surrégimes ; - les deux régulateurs du système coopèrent de façon que le régulateur de rapport de compression corrige la consigne de rapport de détente de la turbine du turbocompresseur ;

- lorsque Ie turbocompresseur HP est actif,

- la consigne de rapport de compression correspond à la consigne de rapport de compression HP,

- la mesure de rapport de compression correspond à la mesure de rapport de compression HP,

- la consigne de rapport de détente de Ia turbine correspond à la consigne de rapport de détente turbine HP, - la mesure de rapport de détente de Ia turbine correspond à la mesure de rapport de détente de la turbine HP,

- le prépositionnement d'actionneur correspond au préposîtionnement de l'actionneur HP, et

- le signal de commande correspond au signal de commande à la vanne du circuit de dérivation HP ;

- lorsque Ie turbocompresseur BP est actif,

- Ia consigne de rapport de compression correspond à la consigne de rapport de compression BP,

- Ia mesure de rapport de compression correspond à la mesure de rapport de compression BP,

- la consigne de rapport de détente de la turbine correspond à la consigne de rapport de détente de la turbine BP,

- la mesure de rapport de détente de la turbine correspond à la mesure de rapport de détente de la turbine BP, - Ie préposîtionnement d'actionneur correspond au préposîtionnement de l'actionneur BP, et

- le signal de commande correspond au signal de commande à la vanne du circuit de dérivation BP ;

- tes moyens pour élaborer les consignes de rapport de compression des turbocompresseurs BP et HP comprennent des moyens pour mesurer ou estimer la pression en amont du turbocompresseur actif et des moyens pour limiter le rapport de compression pour tenir compte des limites de surrégime du turbocompresseur actif ;

- les consignes de détente des turbines des turbocompresseurs BP et HP sont déterminées à partir de la consigne de rapport de compression en appliquant une correction sur la pression en aval de ia turbine ;

- les moyens pour prépositionner les actionneurs de réglage de la pression à Ia sortie des turbocompresseurs BP et HP sont adaptés pour prépositîonner lesdîts actionneurs en fonction du fonctionnement stabilisé désiré pour l'un ou l'autre des turbocompresseurs ;

- l'unité d'arbitrage est adaptée pour commander l'ouverture du circuit de dérivation relié à la turbine HP, lorsque le régulateur BP est actif et pour commander la fermeture du circuit de dérivation relié à Ia turbine BP, lorsque Ie régulateur HP est actif ; et

- les moyens de contrôle de l'ouverture du circuit de dérivation relié à la sortie du compresseur HP comprennent des moyens pour limiter cette ouverture afin d'éviter un risque de surrégime de la turbine. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après.

Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs ;

- Ia figure 1 est un schéma d'ensemble montrant un moteur à combustion interne à deux étages de turbocompresseurs et une unité de commande électronique comportant le système de régulation de la pression de suralimentation selon l'invention,

- la figure 2 est un schéma montrant la structure générale du système de régulation selon l'invention,

- Ia figure 3 est un schéma illustrant l'estimation statique du turbocompresseur BP,

- la figure 4 est un schéma illustrant la détermination du débit d'air de consigne,

- la figure 5 est un schéma illustrant Ia détermination de la consigne de pression de suralimentation,

- la figure 6 est un schéma illustrant ia structure des régulateurs HP et BP,

- la figure 7 est un schéma illustrant l'élaboration des consignes de rapport de compression BP et HP,

- Ia figure 8 est un schéma illustrant la mesure du rapport de compression BP et HP,

- Ia figure 9 est un schéma illustrant l'élaboration des consignes de détente BP et HP ₁

- Ia figure 10 est un schéma illustrant le prépositîonnement des actionneurs BP et HP, - Ia figure 11 est un schéma illustrant l'unité d'arbitrage BP et HP,

- la figure 12 est un autre schéma illustrant l'arbitrage de la figure 11 ,

- la figure 13 est un schéma illustrant le contrôle de l'ouverture du circuit de dérivation du compresseur HP.

La figure 1 représente un moteur à combustion interne 1 du type diesel comportant deux turbocompresseurs étages 2 et 3.

Le turbocompresseur 2 appelé turbocompresseur basse pression BP est relié à Ia pression atmosphérique.

La sortie de son compresseur est reliée à l'entrée du compresseur du turbocompresseur 3 appelé turbocompresseur haute pression HP au travers d'un échangeur basse pression 4.

La sortie du compresseur du turbocompresseur HP est reliée à Ia tubulure d'admission 5 du moteur 1 au travers d'un échangeur haute pression 6.

La tubulure d'échappement 7 du moteur est reliée à la turbine du turbocompresseur BP et à Ia turbine du turbocompresseur HP par un circuit de dérivation 8 et un conduit 9, respectivement.

Une dérivation 10 envoie Ie gaz d'échappement directement dans la ligne d'échappement 11.

Par ailleurs, une dérivation 12 équipée d'une vanne 13 permet de recycler une partie des gaz d'échappement vers la tubulure d'admission 5, Un capteur 14 mesure la pression de suralimentation dans la tubulure d'admission 5,

Un autre capteur 15 mesure Ia pression dans la tubulure d'échappement 7 en amont de la turbine du turbocompresseur HP.

Un troisième capteur de pression 16 mesure la pression en aval de la turbine du turbocompresseur BP.

Un capteur de température 17 mesure la température à l'entrée du compresseur du turbocompresseur BP. Les dérivations 8 et 10 sont chacune équipées d'un papillon 18, 19 commandé par un actionneur (non représenté).

Un autre papillon 20 peut être prévu dans la dérivation 21 qui relie l'échangeur BP 4 à l'échangeur HP 6.

Le bloc 22 symbolise l'unité de commande électronique UCE du moteur. Cette unité de commande contient Ie système de régulation de la pression de suralimentation selon l'invention.

Ce système est relié aux différents capteurs 14, 15, 16, 17 et aux actionneurs des papillons 18, 19 et 20.

La structure du système de régulation précité, comprend (voir figure 2) ; - un bloc 31 d'élaboration d'une consigne de pression de suralimentation qui coopère avec,

- un bloc 32 d'élaboration de consignes de rapport de compression BP ou HP qui coopère avec,

- un bloc 33 de régulation de rapport de compression BP ou HP qui lui-même coopère avec,

- un bloc 34 de régulation de rapport de détente BP ou HP en fonction d'une consigne de rapport de détente BP ou HP reçue d'un bloc 35 et en fonction d'un prépositionnement (voir bloc 36) des actionneurs BP ou HP c'est-à-dire ceux qui commandent respectivement les papillons 19 et 18 représentés sur la figure 1 ,

- une unité d'arbitrage 37 qui coopère avec Ie régulateur du bloc 34 pour commander (voir bloc 38) la « wastegate » BP c'est-à-dire le volet 19 ou bien (voir bloc 39) le « by-pass » de la turbine HP c'est-à-dire le volet 18,

- un bloc de contrôle 40 du circuit de dérivation (by-pass) du compresseur HP qui commande (voir bloc 41) l'ouverture ou la fermeture de cette dérivation.

Dans le cas d'un système à double suralimentation, le fonctionnement du système HP est fortement influencé par Ie système BP. On utilise alors un estimateur statique qui prédit en fonctionnement stationnaire les conditions aux bornes du système BP, puis en entrée du système HP, Ces estimations sont utilisées ensuite pour déterminer les consignes du système HP et les prépositionnements de son actionneur, décrits plus loin.

On souhaite que l'estimation du système BP prenne en compte l'influence des conditions extérieures sur son fonctionnement, pour pouvoir dans la seconde étape les prendre en compte sur les consignes et Ie prépositionnement HP.

A cet effet, la structure représentée sur la figure 3 est proposée pour estimer en statique les variations des conditions environnementales sur Ie système BP.

Sur cette figure 3 :

PavalTBP est la mesure de la pression en aval de la turbine BP, PRtBP est l'estimation du rapport de détente de Ia turbine BP,

TinCBP est la mesure de la température d'air en entrée du compresseur BP et

PRcBP est l'estimation du rapport de compression BP.

Le débit d'air de consigne est cartographie en régime et couple moteur, comme montré sur la figure 4.

Ensuite, on peut calculer les conditions aux bornes du système HP avec les formules suivantes :

Estimation de la pression en amont du compresseur HP = Mesure de la pression atmosphérique X Estimation du rapport de compression BP

Estimation de la pression en aval de turbine HP = Mesure de Ia pression aval turbine BP X Taux de détente turbine BP.

Ces grandeurs sont importantes dans la suite des calculs. Elles peuvent être estimées de la façon proposée ici, ou mesurées par des capteurs.

Lorsque Ie système HP est désactivé (c'est-à-dire que Ie circuit de dérivation du compresseur HP et le circuit de dérivation de Ia turbine HP sont ouverts,

autrement dit, que les papillons 18 et 20 sont en position ouverte) ces estimateurs sont inutiles car les pressions amont compression BP et aval turbine BP sont directement mesurées par des capteurs.

La pression en aval de Ia turbine BP peut être mesurée par un capteur piézo- électrique placé en amont du filtre à particule (FAP), La variation de pression est traduite en tension qui est mesurable par le calculateur d'injection. Une fois la tension numérisée, elle est traduite en hecto Pascal (HPa) via une table de correspondance.

La température d'air à l'entrée du compresseur BP peut être mesurée par un capteur résistif de type CTN (coefficient de température négatif). La variation de résistance est traduite en tension qui est mesurable par le calculateur d'injection.

Une fois la tension numérisée, elle est traduite en degré Kelvin (K ⁰ ) via une table de correspondance.

La pression atmosphérique peut être mesurée par un capteur piézo- électrique placé en amont du filtre à particule (FAP), La variation de pression est traduite en tension qui est mesurable par le calculateur d'injection. Une fois la tension numérisée, elle est traduite en hecto Pascal (HPa) via une table de correspondance.

Ejabojation. d§Ja_con§j^

La consigne de pression de suralimentation est cartographïée en régime moteur et débit de carburant. Les corrections fonction des conditions environnementales nécessaires pour protéger - notamment des surrégimes - les turbocompresseurs sont différentes suivant le système actif. Si le système BP est actif, les corrections sont similaires à celles d'une simple suralimentation. Par contre, si le système HP est actif, ies corrections dépendent des conditions en amont du compresseur HP, donc en aval du compresseur BP.

D'autre part, le régime turbocompresseur est lié au rapport de compression du système. Il convient donc de limiter Ie rapport de compression consigne plutôt que la consigne de pression de suralimentation pour protéger le compresseur : cette variable est plus représentative d'un comportement physique du système. Les consignes du régulateur sont donc calculées en plusieurs étapes :

- une première étape qui détermine la consigne de pression de suralimentation donnée par une cartographie simple dépendant du régime et du couple moteur

- une seconde étape déterminant Ie rapport de compression consigne pour le système actif _» prenant en compte la pression de suralimentation consigne et des corrections pour protéger le turbocompresseur actif dépendant des conditions à ses bornes.

La première étape se résume donc à une simple cartographie donnant une consigne correspondant à des réglages du moteur, comme montré sur la figure 5.

Les deux régulations sont exclusives et utilisent les deux mêmes régulateurs 23, 24 et pour cela il suffit alors de les réinitialiser lors des transitions entre les systèmes.

Les deux régulateurs sont dans une configuration dite « en cascade », c'est- à-dire que Ie régulateur 23 de rapport de compression corrige la consigne de rapport de détente de Ia turbine.

Le premier régulateur 23 permet de contrôler le rapport de compression BP ou HP et le deuxième régulateur 24 de contrôler le rapport de détente dans les turbines BP ou HP. Les rapports de compression de chaque système peuvent être soit mesurés par l'intermédiaire de capteurs, soit estimés à partir de l'utilisation de modèles destinés à remplacer ces capteurs.

La figure 6 montre la structure des régulations HP et BP. Selon cette structure, lorsque le système HP est actif, - la consigne de rapport de compression correspond à Ia consigne de rapport de compression HP,

- la mesure de rapport de compression correspond à la mesure de rapport de compression HP,

- la consigne de rapport de détente de la turbine correspond à Ia consigne de rapport de détente turbine HP,

- la mesure de rapport de détente de la turbine correspond à la mesure de rapport de la détente turbine HP,

- le prépositionnement correspond au prépositionnement HP, et

- le signal de commande correspond au signal de commande by-pass

HP. Par ailleurs, lorsque le système BP est actif,

- Ia consigne de rapport de compression correspond à Ia consigne de rapport de compression BP ₁

- Ia mesure de rapport de compression correspond à Ia mesure de rapport de compression BP,

- Ia consigne de rapport de détente de la turbine correspond à Ia consigne de rapport de détente de la turbine BP, - la mesure de rapport de détente de la turbine correspond à la mesure de rapport de détente turbine BP,

- le prépositionnement correspond au prépositionnement BP, et

- le signal de commande correspond au signal de commande by-pass BP.

Elaboration des consignes de rapport de compression BP et HP : La consigne de rapport de compression est déterminée à partir de la consigne de pression de suralimentation et de la pression en amont du compresseur régulé. Cette pression peut être mesurée ou estimée : dans le cas du compresseur BP, c'est Ia pression atmosphérique. Pour le compresseur HP, c'est la pression de sortie du compresseur BP, éventuellement corrigée pour tenir compte de la perte de charge de l'échangeur de refroidissement.

Le rapport de compression de consigne est ensuite limité pour tenir compte des limites de surrégime du turbocompresseur actif, d'une façon similaire à celle connue pour un système de simple suralimentation.

Le régulateur agit ensuite sur la consigne correspondant au système actif, comme montré par le schéma de la figure 7.

Cette mesure est illustrée par Ie schéma de la figure 8,

Lorsque Ie système HP est actif, la mesure de pression en amont du compresseur correspond à l'estimation de Ia pression amont compresseur HP

Lorsque le système BP est actif, la mesure de la pression en amont du compresseur correspond à Ia mesure de la pression atmosphérique.

E|ajwajjθjτsjjejjx)r^^ Les consignes de taux de détente dépendent de la consigne de rapport de compression, avec une correction sur la pression en aval de Ia turbine. A cet effet, Ia structure représentée sur la figure 9 est proposée.

Selon cette structure, si le système HP est actif, la consigne de rapport de compression correspond à la consigne de rapport de compression HP et la pression en aval de la turbine correspond à l'estimation de la pression en aval de Ia turbine HP.

Si, par contre, le système BP est actif, la consigne de rapport de compression correspond à la consigne de rapport de compression BP et la pression en aval de la turbine correspond à la mesure de la pression en aval de la turbine BP.

Mesure. des rapports _, de détentes _, BP et HP :

Quelque soit le système actif (BP ou HP) la pression en amont de Ia turbine provient du même capteur de pression placé en amont de la turbine HP. En effet, lorsque le système BP est actif le by-pass turbine est complètement ouvert et donc la pression amont turbine HP est égale à la pression en amont de la turbine BP.

Dans ce cas, si Ie système HP est actif, Ia mesure du rapport de détente HP correspond à la mesure de la pression en amont de la turbine HP divisée par l'estimation de la pression en aval. Si, par contre, le système BP est actif, la mesure du rapport de détente BP correspond à la mesure de la pression en amont de la turbine HP divisée par la mesure de la pression en aval de la turbine BP.

La pression en aval de la turbine BP peut être mesurée par un capteur piézoélectrique placé en amont du filtre à particule (FAP). La variation de pression est traduite en tension qui est mesurable par Ie calculateur d'injection. Une fois Ia tension numérisée» elle est traduite en hecto Pascal (HPa) via une table de correspondance.

L'objectif du préposîtîonnement est d'apporter une anticipation au régulateur en boucle fermée, en commandant l'actionneur du système à la valeur correspondant à son fonctionnement stabilisé désiré. Les préposîtionnements d'un actionneur dépendent donc d'une mesure ou d'une estimation des conditions aux bornes du turbocompresseur considéré et des consignes de rapport de compression et de détente. A partir des estimations statiques du système BP décrites ci-dessus _» on connaît ces conditions pour les deux systèmes (HP et BP). A cet effet, le schéma représenté sur la figure 10 est proposé.

La commande du système actif est donnée par la sortie du régulateur, L'actionneur de l'autre système est prépositionné à une valeur donnée par une cartographie. Lorsque Ie régulateur BP est actif, la commande bypass turbine HP est normalement commandée complètement ouverte. Lorsque Ie régulateur HP est actif, Ia wastegate BP est normalement prépositionnée fermée, mais elle peut être préposîtïonnée ouverte pour des raisons de dépollution.

Le schéma de la figure 11 explique ce fonctionnement.

L'arbitrage des deux régulations (BP ou HP) dépend de Ia sortie du régulateur 24 de taux de détente avec une condition sur Ie signe de l'erreur entre la consigne de rapport de compression et Ia mesure, pour assurer une hystérésis. Les deux transitions possibles sont alors :

- Si Ia régulation BP est active, Ia sortie du régulateur est supérieure à un seuil et l'erreur de régulation est positive, alors on active le régulateur HP et on désactive Ie régulateur BP.

- Si Ia régulation HP est active, la sortie du régulateur est inférieure à un seuil et l'erreur de régulation est négative, ators on active le régulateur BP et on désactive Ie régulateur HP,

Le schéma de la figure 12 illustre à titre d'exemple l'arbitrage des deux régulations ci-dessus.

On propose d'utiliser une stratégie similaire à celle présentée plus haut.

Cependant, avec la stratégie proposée de transition entre les deux turbos, il faut prendre en compte dans la commande du by-pass (dérivation) du compresseur une condition d'ouverture du by-pass turbine HP pour éviter un risque de surrégime HP,

Ce contrôle est illustré par le schéma de la figure 13. En d'autres termes, le système selon l'invention est contrôlé par une seule régulation composée de deux régulateurs (rapport de compression et rapport de détente turbine), qui agit sur le by-pass de la turbine HP, ou sur la wastegate BP suivant le système en cours de régulation. On considère que les deux actionneurs de commande sont successifs : lorsqu'on est en butée sur un actionneur, on passe sur l'autre. Ainsi, la zone d'utilisation de chaque système (HP ou BP) n'est pas prédéterminée par des cartographies statiques, mais elle est dynamique : elle dépend de l'état du système et du régulateur.

D'autre part _» le régime d'un turbocompresseur et le rapport de compression étant liés de façon statique par l'intermédiaire du débit d'air, le système selon l'invention limite le rapport de compression à une valeur maximum pour éviter un surrégîme des turbines. Les structures selon l'état de la technique ne prennent pas en compte ce phénomène. Le système selon l'invention transforme la consigne de pression de suralimentation en consigne de rapport de compression pour chaque turbocompresseur, Cette transformation est immédiate lorsque le système BP est utilisé, mais doit passer par un capteur pression supplémentaire ou par modélisation. On peut ainsi prendre en compte les risques de surrégime, notamment lors des régimes transitoires, dans la consigne du régulateur, ce qui n'était pas le cas dans les structures selon l'état de la technique.

Enfin, en ce qui concerne les prépositîonnβments des actîonneurs, ils doivent être adaptés pour prendre en compte les variations des conditions aux bornes du turbocompresseur. Dans le cas d'un système de simple suralimentation, ce sont les conditions atmosphériques et pression aval turbine. Dans le cas d'un système de double suralimentation, les conditions aux bornes du système HP dépendent du système BP. Il faut donc estimer ces conditions par l'intermédiaire d'un modèle,

ou les mesurer. Cette approche, plus physique que celle connue permet une meilleure robustesse du préposïtîonnement des actionneurs et une diminution du temps de mise au point grâce à une séparation des systèmes.