Modélisation et simulation de la boucle des gaz dans un moteur diesel à injection directe Zahi SABEH, José RAGOT, Didier MAQUIN http ://www.ensem.inpl-nancy.fr/jose.ragot/ Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN) Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Modélisation, Optimisation et Simulation des Systèmes : Communication, Coopération et Coordination Paris, 31 mars - 2 avril 2008
Enjeux et objectifs de la modélisation La complexité des moteurs diesel modernes contrôlés par l électronique, avec un nombre croissant de capteurs et d actionneurs, nécessite des systèmes de mesure et de diagnostic améliorés et automatisés à bord des véhicules utilisant ces moteurs. La surveillance appropriée et la détection précoce des défauts nécessite de disposer de modèles de bon fonctionnement des composants. On établit des modèles des composants de cette boucle, on identifie leurs paramètres et on procède à la validation du modèle complet de la boucle. Quelques idées sur l utilisation des modèles pour la surveillance et le diagnostic de fonctionneemnt
Enjeux et objectifs de la modélisation Les trois points importants de l exposé Modéle : connaissances physiques + traitement statistique Etude d un moteur à l échelle 1 Calage paramétrique à partir d essais réels
Dispositif expérimental
Schéma de la boucle des gaz du moteur diesel
Etapes de l étude de la boucle des gaz en vue de son diagnostic Décomposition fonctionnelle de la boucle des gaz Modélisation de chaque composant Identification paramétrique de chaque composant Validation locale de chaque composant Validation globale du modèle Analyse structurelle du modèle
Etapes de l étude de la boucle des gaz en vue du diagnostic
Liste des variables de la boucle des gaz du moteur diesel Var. Définition P 0 Pression atmosphérique P 1 Pression après filtre à air P 2 Pression après compresseur P 4 Pression dans collecteur admission P 5 Pression dans collecteur échappement P 7 Pression après turbine T 1 Température après filtre à air T 2 Température après compresseur T 3 Température après échangeur refroidissement air T 4 Température collecteur admission T 5 Température collecteur échappement T 7 Température après turbine T 8 Température après échangeur refroidissement EGR T 9 Température liquide refroidissement Température après conduit retour EGR T 10 Var. Définition ω 1 Vitesse angulaire turbocompresseur ω 2 Régime moteur V Vitesse véhicule Q 0 Débit air traversant filtre à air Q 1 Débit air traversant compresseur Q 10 Débit carburant injecté D 1 Consigne angle ouverture volet admissio D 2 Consigne angle ouverture vanne EGR D 3 Consigne angle ouverture aubes turbine L 1 Angle d ouverture volet d admission L 2 Angle d ouverture vanne EGR Angle d ouverture aubes turbine L 3
Filtre à air Relation «débit volumique de l air traversant le filtre et la perte de charge» ( P 0 (t) P 1 (t) = C 1 Q 0 (t) C ) 14T 1 (t) 2 P 0 (t) C 1 coefficient de décharge (lié à la section effective de passage et les frictions avec les parois) C 14 constante du gaz parfait de l air d admission P 0 pression en entrée du filtre P 1 est la pression en sortie du filtre T 1 température en sortie du filtre Q 0 débit massique de l air traversant le filtre.
Filtre à air La perte de charge dans le filtre à air varie en fonction du débit qui dépend à son tour, en partie, de la pression en sortie du filtre. Cette pression peut être calculée en s inspirant de la loi du gaz parfait (PV = nrt) comme suit : P 1 (t) P 10 = C 14T 1 (t) C 0 t C 0 est le volume du filtre C 14 la constante du gaz parfait de l air d admission 0 (Q 0 (τ) Q 1 (τ))dτ P 1 est la pression en sortie du filtre T 1 la température en sortie du filtre Q 0 le débit massique de l air traversant le filtre Q 1 le débit d air sortant du filtre et traversant le compresseur. Le seul paramètre a priori inconnu ou mal connu de ce modèle est la constante C 0 qui devra être ultérieurement identifiée.
Compresseur P 1 (t) T ref Q 1 (t) = Q 1cor P ref T 1 (t) ( ) P2 (t) Q 1cor = f Q1cor P 1 (t), ω 1cor(t) T ref ω 1cor (t) = ω 1 (t) T 2 (t) T 2 (t) = T 1 (t) + P 2 (t) P 20 = T 2(t) C 16 t 0 T 1 (t) f (Q 1 (t), ω 1 (t)) (Q 1 (τ) Q 2 (τ))dτ ( (P2 ) C7 (t) 1) P 1 (t) P 1 et P 2 T 1 T 2 ω 1 et ω 1cor Q 1 et Q 1cor pressions en sortie du filtre et en sortie du compresseur température en sortie du filtre à air est la température de l air en sortie du compresseur régime de rotation instantané et celui corrigé du compresseur débits d air instantané et corrigé traversant le compresseur
Compresseur FIG.: Domaine de fonctionnement du compresseur à différents régimes de fonctionnement. Q = ( a ( P2 ) 2 + a P 2 + a ) (b ω 2 + b ω + b )
Recalage des paramètres du modèle Le but de cette phase de développement du modèle est de faire correspondre au mieux le comportement du modèle simulé à celui du système réel, à savoir la boucle des gaz du moteur. Pour cela, nous avons utilisé des données expérimentales provenant de différents types d essais effectués à l aide du véhicule de recherche. Une partie de ces données (jeu de données d identification), correspondant aux variables d entrée du modèle, a été injectée dans le simulateur déjà présenté pour établir la simulation. Quant à la deuxième partie des données (jeu de données de validation), elle a servi à évaluer l erreur entre les valeurs des sorties simulées et celles issues du système réel en vue du recalage du modèle.
Recalage des paramètres du modèle Par. Description C 1 Coefficient de décharge du filtre à air f Q1cor Cartographie de débit corrigé du compresseur f η1 Cartographie de rendement du compresseur C 2 Coefficient de décharge de l échangeur d air comprimé f η2 Cartographie d efficacité de l échangeur d air comprimé f Athr Cartographie de section effective passage volet d admission f η4 Cartographie de rendement volumique du moteur f η5 Cartographie de rendement à l échappement f η6 Cartographie d efficacité du conduit de retour d EGR f Aegr Cartographie de section effective de passage de la vanne d EGR f η7 Cartographie d efficacité de l échangeur d EGR f Q5cor Cartographie de débit corrigé de la turbine f η Cartographie de rapport optimal de vitesse des ailettes de la turbine f Cuop Cartographie de rendement aérodynamique maximum de la turbine f η8 Cartographie d efficacité de la structure métallique du turbocompresseur C 13 Section effective équivalente de passage du système d échappement Paramètres du modèle statique de la boucle des gaz du moteur diesel.
Recalage des paramètres influant sur le comportement dynamique Le modèle de la boucle des gaz contient plusieurs volumes intermédiaires, non nécessairement bien connus a priori, dont le remplissage et l évacuation constituent la dynamique des pressions formées dans ces volumes. De plus, le moment d inertie de l arbre turbocompresseur vient déterminer la dynamique de ce dernier tout en affectant la dynamique globale de la boucle des gaz. Le recalage dynamique consiste donc à ajuster les paramètres intervenant dans la partie dynamique du modèle à l aide de données expérimentales afin d approcher au mieux le comportement dynamique global du système réel. Le tableau résume les paramètres du modèle de la boucle des gaz visés par ce recalage dynamique.
Recalage des paramètres influant sur le comportement dynamique Par. Description C 0 Volume du filtre à air et de son raccord au compresseur C 16 Volume entre le compresseur et son échangeur de refroidissement C 17 Volume entre l échangeur de refroidissement et le volet d admission C 18 Volume du collecteur d admission C 21 Volume du collecteur d échappement C 22 Volume situé entre la turbine et le système d échappement C 12 Moment d inertie de l arbre turbo. C 24 Constante de temps de la réponse du volet d admission C 25 Constante de temps de la réponse de la vanne EGR C 26 Constante de temps de la réponse des ailettes de la turbine Paramètres du modèle dynamique de la boucle des gaz du moteur OM646.
Extrait des signaux mesurés ayant servi au recalage dynamique du modèle de la boucle des gaz
Profil de la vitesse du véhicule durant le test NEDC. FIG.: Profil de la vitesse du véhicule durant le test standard NEDC.
Signaux d entrées Q 10, W 2, V, D 1, D 2, D 3 Débit carburant : Q 10 Régime moteur : W 2 Vitesse véhicule : V Volet admission : D 1 Vanne EGR : D 2 Aube turbine : D 3
Angles d ouverture L i en fonction des consignes D i Volet admission L 1 = f (D 1 ) Vanne EGR L 2 = f (D 2 ) Aubes turbine L 3 = f (D 3 )
Sorties Q 1, P 1, T 3 Débit air compresseur Q 1 = f (P 1, P 2, ω 1, T 1 ) Pression air après filtre P 1 = f (T 1, Q 0, Q 1 ) Température après échangeur T 3 = f (T 1, T 2, Q 2, V)
Sorties P 4, T 5, P 5 Pression collecteur admission P 4 = f (Q 3, T 3, Q 4, T 4, Q 6, T 8 ) Température collecteur échappement T 5 = f (P 5, m exh, m ig ) Pression collecteur échappement P 5 = f (Q 5, T 5, Q 6, Q 7, T 12 )
Précisions du modèle de la boucle des gaz. Var. Q 1 P 1 T 3 P 4 T 5 P 5 L 1 L 2 L 3 E moy 3.2 0.5 2 1.3 1.7 2.3 1.1 1.4 1.2 E max 4.8 1.1 2.7 2.2 2.5 2.5 1.5 1.8 1.3 Précisions du modèle de la boucle des gaz.
Table d occurrence des variables dans les modèles P 0 P 1 T 0 Q 0 T 1 Q 1 P 2 ω 1 T 2 Q 2 W 1 P 3 T 3 V T 0 Q 3 P 4 L 1 m a m e Q 4 R 4 T 4 T 8 ρ 4 ω 2 Q 5 T 5 m. 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 X X X X..................... 2.. X. X....................... 3. X. X X X...................... 4. X.. X X X X.................... 5. X.. X X X X X................... 6..... X X. X X.................. 7.... X X.. X. X................. 8...... X. X X. X................ 9.. X..... X X.. X X X............. 10......... X. X X.. X............ 11........... X... X X X.......... 12............... X.. X X X....... 13............... X.. X X X....... 14.................. X X. X...... 15............ X.. X X. X X X. X X.... 16................ X. X X.. X..... 17.................. X X.... X... 18.................... X... X X.. 19.................... X..... X. 20...................... X.. X X X 21.......................... X X
Conclusion Les points importants de l étude Identifier les composants d un système complexe et les variables explicatives Concevoir un modèle de chaque composant identifier les paramètres de chaque modèle Valider chaque modèle Valider le modèle d ensemble Hypothèses et contraintes Fonctionnement moyen par cycle On utilise les capteurs équipant un véhicule de série On dispose de données à différents régimes de fonctionnement Détection de défauts de capteurs Détection de fuites Travaux en cours et futurs