Docteur De L’école Des Mines De Paris

— Homogeneous Combustion Compression Ignition (HCCI) combustion is characterized by a very high rate of Exhaust Gas Recirculation (EGR). This improves mixing and dilution in the cylinders, reduces pollutant formation at the expense of combustion stability. Thus HCCI engines requires real-time control to ensure a good trade–off between performance (in terms of torque production and low pollutant emissions) and combustion stability. Such closed-loop control are based on estimation of combustion parameters that are not directly measured. This thesis, supported by IFP (Institut Français du Pétrole), proposes some control algorithms that have been tested experimentally 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 step 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 collector 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 feedforward control takes explicitly physical input constraints into account. Finally, fast Proportional Integral (PI) controller are designed to track these step points using as measured values the above estimations. We describe experimental results for large torque transient and also for driving phases of the eurocycle. The second step is cylinder 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 design instantaneous 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). Experimental results are reported. These results are based on a new class on asymptotic observers of an arbitrary numbers of Fourier 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 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. INTRODUCTION GÉNÉRALE Les contraintes croissantes des normes environnementales ont placé le contrôle moteur au cœur de nombreuses préoccupations des constructeurs automobiles. L’objectif du contrôle moteur est la gestion en temps réel de l’alimentation en air et en carburant du moteur pour le pilotage actif de la combustion dans les cylindres. En pratique, on peut contrôler le circuit d’air et le système d’injection, en jouant sur les quantités admises ainsi que sur les lois horaires et leur synchronisation. Une volonté persistante de diminuer les polluants et d’augmenter la performance du moteur a suscité la recherche de techniques de contrôle et de combustion de plus en plus sophistiquées. Récemment, le mode de combustion homogène – incluant la combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) – est apparue comme une des solutions les plus avancées. Cette combustion nécessite l’utilisation par recirculation de forts taux de gaz brûlés (EGR Exhaust Gas Recirculation). Elle permet d’avoir une combustion homogène dans tout le cylindre. L’EGR augmente la dilution du mélange et permet une diminution du bruit et des émissions polluantes. Cependant, l’augmentation de la recirculation d’EGR tend à déstabiliser la combustion. Un compromis entre performance (en terme de faibles émissions polluantes) et stabilité est donc nécessaire. Un contrôle précis du mélange dans le cylindre est nécessaire. Pour contrôler précisément la combustion, nous devons tenir compte des différentes échelles de temps des boucles de la dynamique moteur. 1. La plus rapide (environ 2kHz) est lié au processus de combustion. La combustion dans la chambre dure un temps correspondant à quelques degrés vilebrequin (500μs pour 6 vilebrequin à 2000 tr/min). D’un point de vue contrôle, cette fréquence est considérée comme une haute fréquence. 2. L’échelle de temps intermédiaire (environ 50Hz) correspond à la production de couple sur un cycle moteur (ce qui correspond à 60ms à 2000 tr/min). Cela correspond à l’ensemble du phénomène de combustion. C’est l’échelle de temps de la boucle de fuel: on est capable de changer les paramètres d’injection d’un cycle à l’autre. x INTRODUCTION GÉNÉRALE 3. La boucle la plus lente (environ 1Hz) est liée à la boucle d’air. La thèse se divise en trois parties – Partie I: Le moteur HCCI et les problèmes de contrôle associés. – Partie II: Le contrôle de la boucle d’air et le contrôle cylindre à cylindre. – Partie III: L’estimation de systèmes linéaires périodiques. Partie I. — Cette partie décrit les différentes étapes de la combustion et les variables qui jouent sur le processus de combustion. Pour contrôler le processus de combustion, nous cherchons à connaître précisément la masse totale, la composition et la température de ce qui est aspiré dans le cylindre et déterminons quand et comment injecter le carburant. Le chapitre 1 est dédié à la description d’un moteur Diesel, nous présentons les différentes étapes du processus de combustion. Dans le chapitre 2, nous décrivons la structure de contrôle pour moteur Diesel développé à l’IFP. Nous examinons l’impact de chaque actionneur sur le processus de combustion. Nous donnons une interprétation de l’évolution des caractéristiques du mélange aspiré dans le cylindre (masse totale, composition et température), lorsque les consignes des actionneurs varient. En résumé, nous étudions les effets des commandes sur le processus de combustion et sur les performance du moteur. Ces performances sont exprimées en terme de bruit, de couple fourni et d’émissions polluantes. Enfin, nous nous intéressons à la gestion de l’injection. Ce problème se résume en deux questions : "quel est le moment le plus opportun pour injecter le carburant dans le cylindre?" et "quelle quantité doit-on en injecter?". Dans le chapitre 3, nous proposons de sequencer le problème général du contrôle de la combustion en trois sous problèmes. – Le contrôle de la boucle d’air: dans un premier temps, nous cherchons contrôler les masses aspirées dans le cylindre (air frais et gaz brûlés). – Le contrôle cylindre à cylindre: il s’agit du problème d’équilibrage entre les cylindres en dépit de la variabilité des éléments techniques constitutifs (notamment les injecteurs). En effet, alors que chaque injecteur reçoit la même consigne, on observe que tous les cylindres n’ont pas le même comportement. – Le contrôle de la boucle de fuel: pour garantir les caractéristiques du mélange dans le cylindre il est nécessaire de ralentir la dynamique de la boucle de fuel pour l’adapter à celle de la boucle d’air, typiquement dix fois plus lente. INTRODUCTION GÉNÉRALE xi Comme nous le montrons expérimentalement sur un moteur HCCI, les deux premiers problèmes sont essentiels au fonctionnement du moteur. Le troisième n’est pas primordial. En revanche ne pas le résoudre revient à accepter un niveau élevé de bruit et d’émission de polluants en transitoire. Ce qui est en contradiction avec une utilisation sur véhicule série. Partie II. — Cette partie présente des solutions aux deux premiers problèmes présentés dans la Partie I. Dans le chapitre 4, nous nous plaçons dans le cas d’une modification de la demande en couple. Nous avons montré que pour garantir une combustion performante pendant le transitoire il était nécessaire de contrôler la boucle d’air. Grâce à une relation statique établie expérimentalement, nous traduisons l’évolution de la demande en couple en consigne sur les caractéristiques du mélange aspiré dans le cylindre. Pour cela, nous proposons une structure de contrôle à deux nivaux. Tout d’abord nous générons une trajectoire admissible pour le système. Ensuite, nous développons un observateur/contrôleur qui réalise le suivi des variables commandées autour de la trajectoire planifiée. Des résultats expérimentaux sont présentés. Dans le chapitre 5, nous considérons le problème de l’estimation et du contrôle de la richesse cylindre à cylindre. Les déséquilibres de richesse cylindre à cylindre reflètent les différences entre la combustion de chacun des cylindres. Ces différences peuvent être mesurées par le capteur placé derrière la turbine. Nous présentons deux stratégies dont nous comparons les efficacités et présentons des résultats en boucle fermée. Dans le chapitre 6, nous considérons le problème de l’estimation du couple de combustion. Le couple de combustion caractérise les performances du moteur. Il dépend de diverses entrées comme le temps d’injection, le taux d’EGR. . . Nous n’avons pas de mesure directe de ce couple mais nous mesurons la vitesse instantanée de l’arbre vilebrequin au bout de la transmission. Nous développons des observateurs haute fréquence pour estimer ce couple. Nous prouvons la convergence des observateurs considérés et présentons des résultats expérimentaux. Partie III. — Comme vu au chapitre 6, l’estimation des systèmes périodiques excités par une perturbation périodique inconnue est très utile dans les problèmes d’observateurs dans le domaine du contrôle moteur. Comme décrit dans 6.3.4, les filtres de Kalman donnent une estimation de cette excitation au prix d’un temps de calcul très élevé. C’est xi