Estimation et contrôle d’un moteur HCCI. Estimation des systèmes périodiques

Estimation and control of a Diesel HCCI engine. Estimation of periodical systems

• Auteur / Autrice : Jonathan Chauvin
• Direction : Pierre Rouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et automatique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande, Théorie de la

Moteurs diesel

Mots clés libres

Contrôle moteur

Équilibrage cylindre à cylindre

Résumé

La combustion homogène Diesel (HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition) est caractérisée par un très fort taux de recirculation de gaz brûlés (EGR : Exhaust Gas Recirculation). Cette technique de combustion permet d’augmenter la qualité de mélange et la dilution dans le cylindre, tout en réduisant la formation des polluants. Malheureusement, ce procédé nuit à la stabilité de la combustion. Un compromis est nécessaire entre la stabilité de combustion et les performances du moteur, quantifiées en terme de couple produit, de bruit et d’émissions polluantes. C’est là le rôle du moteur. À fins d’implémentation de stratégie de contrôle, il est nécessaire d’estimer en temps réel l’évolution des paramètres de combustion qui ne sont pas directement mesurés par des capteurs. Cette thèse, réalisée en collaboration avec l’IFP (Institut Français du Pétrole), propose des algorithmes de contrôle qui ont été validés expérimentalement sur un moteur HCCI quatre cylindres développés par l’IFP. Nous décomposons le problème en trois parties et proposons des solutions, validées sur banc moteur, pour les deux premières. La première étape consiste à réaliser le contrôle de la boucle d’air. Le but est d’estimer et de contrôler les masses aspirées par des cylindres (air frais et gaz brûlés). Ces masses s’expriment directement en fonction de la pression, la composition et les débits du collecteur d’admission. Des observateurs non linéaires permettent d’estimer ces variables, en n’utilisant que les capteurs présents sur les véhicules de séries. La construction de ces observateurs ainsi que leurs preuves de convergence utilisent la méthode dite « d’injection de sortie » ainsi que la théorie de stabilité de Lyapunov. Une technique de génération de trajectoires est utilisée pour définir des consignes de débits (air frais et EGR). Cette loi de commande boucle ouverte prend explicitement en copte les contraintes physiques. Enfin, des contrôleurs de type promotionnel intégral (PI) sont utilisés pour garantir le suivi des consignes prescrites. Nous décrivons les résultats expérimentaux obtenus dans différents cas de figures, tels que des transitoires de charge et le cycle de référence européen. La deuxième étape est l’équilibrage cylindre à cylindre. Le but est d’estimer les paramètres de combustion de chacun des cylindres afin de garantir que les cylindres ont la même combustion en dépit de la variabilité des éléments techniques les constituant. Pour cela, nous créons un observateur de couple instantané et un observateur de richesse cylindre à cylindre à partir de capteurs présents sur les véhicules de séries. Nous exploitons l’information de haute fréquence contenue dans les signaux mesurés (échantillonnage aux 6 degrés vilebrequin). Ces observateurs sont validés expérimentalement. Leur conception est nouvelle. Il s’agit d’un nouveau type d’observateurs asymptotiques reconstituant un nombre arbitraire de fréquences d’un signal périodique inconnu entrant dans un système linéaire périodique. Ces observateurs surpassent (à performances comparables) les filtres de Kalman en terme de temps de calculs. Ils sont inspirés des techniques de moyennisation. Une méthodologie de réglage automatique est proposée et justifiée par l’extension à un nombre infini de fréquences. La troisième étape est le contrôle de la boucle de fuel. Durant des transitoires de couples, la boucle de carburant doit suivre la dynamique plus lente de la boucle d’air (qui est typiquement 10 fois plus lente). Nous décrivons cette problématique et expliquons les principales difficultés

Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion is characterized by a very high rate of Exhaust Gas Recirculation (EGR). This improves mixing and dulution in the cylinders, reduces polluant formation at the expense of combustion stability. Thus HCCI engines requuires real-time control to ensure a good trade-off between performance (in terms of torque productio and low polluant emissions) and combustion stability. Such closed-loop control are based on estimation of combustion parameters that not directly measured. This thesis, supported by IFP (Institut Français du Péttrole), proposes some control algorithms that have been tested experimentaly on a 4 cylinders HCCI engine developed by IFP. We decompose the control synthesis in three steps. We propose solutions with experimental validations for the first two steps. The first steps is air path control. The goal is to estimate and to control the masses entering in the cylinders (fresh air and burned gas). These masses are directly related to collecctor pressure, compositions and flow-rates. These variables are estimated via nonlinear observers using commercial cars sensors. Design and theoretical convergence proof follow linearization via output injection and Lyapunov argument. Feedforward control based on motion planning for differentially flat systems are used to derive the flow-rate set points (fresh air and EGR). This feedfoward control takes explicitly physical input constraints into account. Finally, fast Proportional Integral (PI) controller are designed to track these step points unsing as measured values the aboves estimations. We describe experimental results for large torque transient and also driving phases of the eurocycle. The second step is cylinders balancing. The goal is to estimate and control the combustion parameters in order to guarantee that all the cylinders have the same combustion in any steady-state regime . For that, we designedinstantaneous torque and cylinder individual air/fuel ratio (AFR) observers using commercial car sensors. We exploit here the highfrequency information contained in the measured signals (sampling of 6 degree crank angle). Experimenal results are reported. These results are based on a new class on asymptotic observers of an arbitrary numbers of Fournier modes associated to an unknown periodic input entering a linear time-periodic system. These observers outperform Kalman filters in terms of computation burden. Design and convergence proof are based on averaging techniques. A gain design methodology is proposed and justified for large numbers of modes via extension to infinite dimension of the finite-dimensional convergence analysis. The third step is the fuel path control. During large transient, the fuel path must follow the slower air path transient. We describe this still open problematic and point out its main difficulties.