ANALYSE DES DEFAUTS ET APPLICATION AU MOTEUR DIESEL 

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Les paramètres de commande

Les paramètres de commande regroupent l’ensemble des moyens permettant de contrôler le moteur, parmi lesquels on trouve les suivants :
 la recirculation des gaz.
 la géométrie variable du turbocompresseur.
 le débit de carburant injecté et l’avance à l’injection.

La recirculation des gaz d’échappement

Les émissions de NOx augmentent avec la température des gaz brûlés et la concentration en oxygène. Un moyen efficace pour réduire ces émissions est l’utilisation de la recirculation des gaz d’échappement.
Cette technique consiste à récupérer une partie des gaz d’échappement en sortie des cylindres, et à les re-circuler vers le collecteur d’admission au moyen d’une électrovanne.

Les paramètres d’injection

Le début et la durée d’injection influencent fortement les émissions. Lorsque le début d’injection se rapproche du PMH, la température de combustion, et donc les émissions de NOx sont réduites. Les fumées augmentent à peine, puis diminuent à nouveau à l’approche du PMH. Cependant, ces avantages sont au dépend de la consommation de carburant, et des émissions de HC. L’augmentation des HC est d’importance secondaire, comme une oxydation catalytique fournit une compensation plus que suffisante pour cet inconvénient.

La géométrie variable

Le turbocompresseur à géométrie variable possède des pâles réglables par actionneur. Ce système a été conçu pour mieux adapter le turbocompresseur au moteur. La géométrie variable a un effet sur la pression d’admission et la qualité du remplissage des cylindres. Ainsi, pour une injection constante de carburant, la richesse du mélange, c’est à dire le rapport entre la quantité de carburant et la quantité d’air présent dans le cylindre, varie, ce qui a un effet direct sur le rendement du moteur et les émissions de polluants.

Les paramètres extérieurs

Pour réduire les émissions de HC, CO ainsi que des particules, une oxydation catalytique transforme ces polluants en gaz carbonique, oxygène, azote et en vapeur d’eau. L’oxydation catalytique Diesel utilisée doit se caractériser par une faible pression différentielle pour éviter les effets sur l’échappement.

Normes régulant les émissions de polluants

L’augmentation de la pollution de l’air est une source majeure de souci de toutes les nations industrialisées avec un nombre de véhicules par habitant important. Ceci a déjà imposé la mise en place de mesures de réduction des émissions. Pour assurer une bonne reproductibilité et compatibilité, les quantités de polluants émises sont déterminées avec des méthodes bien spécifiées. Un inconvénient est que les tests et les normes varient d’un pays à l’autre. Des comparaisons directes ne sont que partiellement, ou pas du tout, possibles. Ces différences entraînent notamment des coûts élevés de développement.

Les procédures de détermination des émissions

Le véhicule est installé sur un banc à rouleau et conduit à travers un cycle, qui consiste en une séquence temporelle de vitesse durant laquelle le moteur est soumis à des charges spécifiques. Les résistances de l’air, des roulements et du frottement sont déterminées par des tests de surface. Du fait de la masse des véhicules, les rouleaux du banc sont chargés avec des masses rotatives simulant l’inertie du véhicule durant les accélérations. Selon la forme des changements de charge et de vitesse, les cycles peuvent être divisés en cycles stationnaires et transitoires. Les cycles stationnaires sont une séquence de paliers de vitesses et de charges constantes. Les émissions sont analysées durant chaque palier et le résultat des émissions est alors obtenu par calcul de la moyenne sur l’ensemble des paliers. Lors des cycles transitoires, le véhicule suit une trajectoire définie qui inclut les accélérations ainsi que les décélérations, et des changements de vitesse et de charge. Les résultats finaux sont obtenus par analyse des gaz d’échappements collectés pendant toute la durée du cycle ou par intégration des mesures de polluants.
Les autorités de réglementation ne sont pas toutes unanimes sur les procédures et les catégories de test sont nombreuses. Puisque les émissions dépendent des conditions de vitesse et de charge, les émissions des moteurs mesurées sur différents cycles ne sont pas comparables.
Les normes aux Etats Unis : Deux séries de normes, ont été définies pour les véhicules légers dans les amendements de loi sur l’air propre4. Les règlementations de la première tranche ont été éditées en 1991, et entièrement mises en application en 1997. Celles de la deuxième tranche, ont été adoptées en décembre 1999, pour êtres appliquées en 2004. Les normes de la première tranche s’appliquent à tous les nouveaux véhicules légers de moins de 3.85 tonnes, tels que les voitures de passagers, les camionnettes, les mini vans.
La catégorie des véhicules légers est subdivisée en deux sous-catégories, pour lesquelles les valeurs limites des émissions diffèrent. Les normes ont été progressivement mises en place entre 1994 et 1997. La différence entre les moteurs à essence et les moteurs Diesel porte principalement sur les valeurs limites des émissions, qui sont moins strictes dans le cas du Diesel. Dans le cas des véhicules légers, le cycle actuel appliqué pour la réglementation aux Etats-Unis est le cycle « FTP-75 »5, Ce dernier comprend quatre sections, durant lesquelles les émissions sont collectées individuellement et analysées (Fig.1.5) [10]
Chaque section est caractérisée par durée et un coefficient de pondération pour tenir compte de l’importance de chaque phase vis-à-vis de la pollution :
 phase transitoire de démarrage à froid de 505sec, et un coefficient de pondération de 0.43.
 phase stable de 1371sec, avec un coefficient de 1.0.
 phase d’arrêt de 10 minutes.
 phase de conduite transitoire répétitive, avec une pondération de 0.57.

Les méthodes et instruments de mesure

Des méthodes normalisées sont utilisées pour les deux cycles. Les gaz sont dilués dans l’air ambiant, en même temps que l’air. Les masses de polluants sont alors calculées en unité de masse par unité de distance. Les constituants soumis aux normes, ainsi que les quantités de O2 et CO2 sont mesurées. Pour s’assurer que la technologie de mesure soit bonne et en accord avec les normes spécifiées, plusieurs principes de mesures ont été introduits:
 Infrarouges non dispersifs, pour la mesure des CO et CO2. Un photomètre détecte l’absorption des radiations infrarouges par les gaz. Chaque longueur d’onde est associée à un type de gaz, tandis que l’amplitude indique la concentration du constituant correspondant.
 Détecteur de flamme par ionisation, pour la mesure des HC. Un courant ionique est produit lorsqu’un champ électrique est appliqué à une flamme d’hydrogène. La flamme est alimentée par de l’hydrogène et de l’air lorsque les HC sont ajoutés, le flux ionique augmente proportione1lement au nombre d’atomes de HC.
 Détecteur par chimioluminescence, pour la mesure des NOx. Il est basé sur la réaction. [86].
NO + O3  NO2 + O2 + h.ν.
La quantité de lumière émise h.ν est détectée et convertie en un signal électrique proportionnel à la concentration en NO.
 analyseur de fumées : Il mesure l’indice des fumées par un processus optique. Un débit de gaz atteint un filtre qui noircit au contact des fumées. Un photomètre mesure le noircissement. Une autre méthode consiste à mesurer l’intensité lumineuse d’un rayon traversant les gaz d’échappement.
 instruments de mesure de particules. Il comprend un tunnel de dilution. La masse des particules accumulées sur le piège à particule, et d’autres mesures permettent de déduire les émissions.

Développement d’un modèle de commande

Nous présentons un modèle de type semi mixte (hybridation de modèles de connaissance et de modèles expérimentaux) du moteur Diesel pour des objectifs de commande et de diagnostic. Le choix et la précision du modèle dépendent de l’objectif visé.
Le but peut être d’étudier l’influence de chacun des paramètres du moteur sur son fonctionnement. Dans ce cas, il peut s’avérer indispensable de construire un modèle capable de reproduire de manière très précise le fonctionnement réel du moteur, en intégrant le comportement en basse et haute fréquence du système. Dans ce cas, le modèle doit tenir compte de nombreuses équations physiques à l’échelle microscopique. Les équations différentielles en jeu dans la modélisation du moteur Diesel décrivent l’écoulement des fluides dans les tubulures, les échanges thermiques, la cinétique chimique et la thermodynamique de combustion, de façon à estimer des états de pression, de température, et de débit, aussi bien internes qu’externes à la chambre de combustion. Précisons que la description physique du système est d’autant plus complexe qu’elle allie des phénomènes cycliques (rotation des cylindres) à des phénomènes non cycliques (écoulement des gaz). Dans cet objectif de modélisation, la programmation par éléments ou volumes finis, avec des maillages variables adaptés aux écoulements à frontière mobile, s’avère un outil indispensable. Actuellement, le code KIVA7 est le plus répandu. Les temps de calcul (allant jusqu’à plusieurs h/cycle) sont de loin compatibles avec les objectifs de commande (de l’ordre de la ms) et de diagnostic. Leur avantage réside dans leur capacité à prédire l’influence de chaque paramètre du moteur, tel que la géométrie des pièces du moteur sur l’évolution des gaz.
Dans un autre cas de figure, les modèles peuvent être spécifiquement conçus pour la commande et le diagnostic [82]. Ces modèles permettent l’implantation en temps réel de techniques d’observation, de diagnostic et de commandes non linéaires.
Ainsi, [73] a développé un modèle de simulation du moteur Diesel turbocompressé pour la commande électronique, en considérant les équations de remplissage et en proposant un nouveau modèle simple zone pour décrire le processus de combustion. II faut aussi noter qu’un compromis entre précision et temps de calcul a été discuté dans le but d’une implémentation en temps réel du modèle. [38] s’inspire des travaux de Watson en proposant deux modèles pour des objectifs de commande et de diagnostic. Un des modèles décrit le fonctionnement du moteur Diesel cylindre par cylindre, en considérant notamment le couple moteur instantané recueilli sur chacun des pistons du moteur. L’autre modèle utilise des grandeurs moyennes telles que le couple moyen produit par le moteur. Les avantages de ce modèle résident dans sa simplicité et la prise en compte des principaux non linéarités, tout en permettant une implémentation temps réel. Ce travail de modélisation s’appuie sur un ensemble d’équations de thermodynamique, de mécanique des fluides et de mécanique, décrivant les phénomènes successifs caractérisant le fonctionnement du moteur Diesel.
L’air atmosphérique est aspiré et comprimé par le turbocompresseur puis entraîné dans le collecteur d’admission. Il est ensuite réparti dans les différents cylindres du moteur sous l’effet simultané de la compression et de l’aspiration engendrée par le mouvement rotatif des pistons du moteur. En parallèle, sous l’action de la pédale d’accélérateur et des régulateurs (injection électronique) lié à la pompe à injection, du carburant liquide est injecté pendant les phases de compression propres à chacun des cylindres. Au moment de l’injection, les conditions de pression et de température dans les chambres à combustion sont telles qu’il y a auto inflammation du mélange air carburant. Une partie de l’énergie chimique contenue dans le carburant est perdue par rayonnement et convection, tandis qu’une autre est convertie en énergie mécanique et se traduit par la rotation du moteur, Les gaz brûlés issus de la combustion sont expulsés vers l’échappement et entraînent la rotation de la turbine du turbocompresseur. Ces phénomènes permettent donc de concevoir le moteur Diesel comme un système modulaire. L’architecture modulaire des sous-systèmes qui constituent le moteur Diesel est composée de plusieurs blocs (Fig. 1.8):
 le collecteur d’admission.
 le moteur et les solides en mouvement.
 la pompe d’injection.
 le collecteur d’échappement.
 le turbocompresseur.
 la pollution Diesel.

Variation du rendement efficace du moteur

D’après la figure 2.2 représentant le rendement efficace e  du moteur ainsi que ses projections dans les plans de face (Fig.2.3 et 2.4), on remarque une faible dépendance de ce rendement par rapport à w mais une forte dépendance de l’excès d’air. La discussion ci après tient compte uniquement de.
Si  subit une chute de 60 à 50, le rendement efficace augmente alors que si  subit une chute de 30 à 20, le rendement efficace diminue. Ces changements possibles sur le rendement efficace, affectent selon le bilan d’énergie du vilebrequin, directement la variation temporelle de la vitesse du moteur.
Un autre exemple montre une influence contradictoire en fonction de l’intervalle de variation de  . Si  subit une chute de 40 à 10, le rendement efficace diminue alors que si  décroit de 40 à 30 le rendement efficace augmente ce qui justifie la dépendance de la vitesse de rotation de la grandeur du paramètre du défaut. (Exemple : ka=10% ou ka=25%).

Défaut de réduction dans la géométrie de la turbine :

Ce défaut traduit une panne de fonctionnement sur la géométrie variable de la turbine. Ainsi, une réduction de 20% pour la Gv sur le point de fonctionnement : f m = 4 mg/s et Cr = 700 N.m (Fig.2.7) réduit instantanément la pression d’échappement avant la turbine. On remarque un retard dans la réponse du turbocompresseur à cause de son inertie et par conséquent la vitesse du turbocompresseur diminue après un très court régime transitoire.
Le débit d’air d’admission, de compression ainsi que la pression d’admission diminuent proportionnellement à la vitesse de rotation du turbocompresseur. propos de la vitesse du moteur, la chute de  entraîne une augmentation ou une diminution dans le rendement efficace selon le point de fonctionnement et de la grandeur du paramètre du défaut (Fig.2.3) donc une augmentation ou diminution de la vitesse du moteur. (Fig.2.7-2.8).

Diagnostic à base de modèles

Le diagnostic manuel des systèmes techniques fut introduit dès leur apparition tandis que le diagnostic « automatisé » a vu le jour lorsque les calculateurs électroniques sont devenus couramment utilisés. Au début des années 70, les premiers rapports de recherche sur le diagnostic à base de modèle ont été publiés notamment dans le domaine aérospatial.
Les méthodes de diagnostic à base de modèles ont été développées pour différentes familles de modèles parmi lesquelles nous pouvons citer :
– les modèles du domaine de l’intelligence artificielle qui sont souvent basés sur la logique [26],
– les modèles des systèmes dynamiques à événements discrets [42] [64].
– Les modèles utilisant des variables continues à temps discret ou continu. ces modèles sont habituellement exprimés à travers d’équations différentielles, de récurrence ou statiques. il faut noter que les stratégies de diagnostic à base de modèles ont des performances directement liées à la qualité des modèles, c’est-à-dire à leur aptitude à décrire correctement le fonctionnement du système à surveiller. Cela dit, un modèle même imprécis peut être utilisé à condition d’assortir le diagnostic d’un intervalle de confiance.

Détection des défauts par estimation paramétrique

Les méthodes basées sur le modèle du processus exigent habituellement la connaissance d’un modèle dynamique du processus sous forme d’une structure mathématique et des paramètres. Pour la détection du défaut, les équations différentielles générales sont essentiellement convenables.
Dans la plupart des cas pratiques les paramètres du processus sont connus partiellement ou ne sont pas connus du tout. Alors, ils peuvent être estimés en mesurant le signal d’entrée et de sortie si la structure du modèle de base est connue.
Comme les paramètres du processus ) ( p f  dépendent des coefficients du processus physiquement définis p (comme raideur, coefficients de frottement, résistance), la détermination de changements p autorise habituellement une interprétation physique du diagnostic [31].
Les méthodes d’estimation des paramètres fonctionnent avec des modèles adaptatifs des processus, où seulement la structure du modèle est connue. Elles sont convenables pour la détection des fautes multiplicatives.

Détection des défauts par les observateurs

Si les paramètres du processus sont connus, des observateurs d’état ou observateurs de sortie peuvent être appliqués. Le défaut est modélisé par addition des défauts L f à l’entrée (défauts d’actionneurs additifs) et M f à la sortie (défauts de capteurs « offset »).

Observateurs d’état

L’observateur d’état classique est appliqué si les défauts peuvent être modélisés comme un changement de variable d’état i x  . [7] [76] [16].

Observateurs à entrées inconnues

Une autre possibilité est l’usage d’observateurs à entrées inconnues si la reconstruction de x (t) des variables d’état na pas d’intérêt. Une transformation linéaire aboutit à des nouvelles variables d’état (t) . Les résidus r (t) peuvent être conçus tel qu’ils sont indépendants de l’entrée inconnue v(t), et de l’état par détermination spéciale des matrices  C et 2 T . Les résidus dépendent alors seulement des erreurs additives f (t) l et f (t) m [15].

Détection de défaut par les équations de parité

Une méthode simple de découverte de défaut à base de modèle consiste à prendre un modèle MG fixe et l’exécuter parallèlement au processus p G , pour former une erreur de sortie. r (s) G (s) G (s)u(s) p M    . Si ) ( ) ( s Gs G p M  l’erreur de sortie devient alors pour les défauts additifs d’entrée ) (s fu et de sortie f (s) y . r (s) G (s) f (s) f (s) p u y    .
Une autre possibilité est de produire une équation d’erreur ou une erreur d’entrée [22].
Dans tous les cas les résidus dépendent seulement des défauts d’entrée additive f (t) u et des défauts de sortie f (t) y . La même procédure peut être sollicitée des processus multi variables en utilisant un modèle d’espace état.

Détection des défauts par traitement des signaux

Beaucoup de signaux mesurés y(t) montrent des oscillations qui sont de nature harmonique ou stochastique, ou les deux. Si les changements dans ces signaux sont en relation avec les défauts dans le processus, actionneur ou capteur, une analyse du signal est une source supplémentaire d’informations.
Surtout les vibrations de la machine, les capteurs de positions, vitesse ou accélération sont utilisés pour détecter un déséquilibre sur les axes des machines ou un cliquetis dû à une mauvaise combustion dans les moteurs thermiques.
Certains capteurs, comme le courant électrique, force, courant, débit et pression, peuvent montrer des oscillations de plus hautes fréquences que les réponses dynamiques habituelles du processus.

Table des matières

CHAPITRE 1 LE MOTEUR DIESEL
1.1 Fonctionnement du moteur Diesel
1.1.1 Le Cycle Diesel
1.1.2 La Combustion Diesel
1.1.3 Le Turbocompresseur
1.1.4 Le Processus d’injection
1.2 Moteur Diesel et pollution
1.2.1 Les oxydes d’azote
1.2.2 Les hydrocarbures imbrûlés
1.2.3 Le monoxyde de carbone
1.2.4 Les particules
1.2.5 Les paramètres de conception
1.2.6 Les paramètres de commande
1.2.7 Les paramètres extérieurs
1.2.8 Normes régulant les émissions de polluants
1.3 Développement d’un modèle de commande
1.4 Modélisation du turbocompresseur
1.4.1 Le compresseur
1.4.2 La turbine
1.4.3 Equation de couplage
1.5 Modélisation de l’admission
1.6 Modélisation du moteur et des solides en mouvement
1.7 Modélisation du débit de carburant
1.8 Modélisation de l’échappement
1.9 Modèle de la pollution Diesel
1.10 Modèle complet
1.11 Validation du moteur
1.12 Schéma Bloc Diesel
1.13 Conclusion
CHAPITRE 2 ANALYSE DES DEFAUTS ET APPLICATION AU MOTEUR DIESEL 
2.1 Modélisation des défauts
2.2 Influence Des Défauts
2.2.1 Variation du rendement efficace du moteur
2.2.2 Défaut de réduction d’admission
2.2.3 Défaut de réduction dans la géométrie de la turbine :
2.2.4 Défaut de réduction de couplage turbine compresseur
2.2.5 Défaut de réduction du rendement de l’échangeur
2.2.6 Défaut dans le compresseur
2.2.7 Défaut de fuite dans la chambre d’admission
2.2.8 Comparaison entre Fonctionnement Normal et Défectueux
2.2.9 Récapitulation
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 BIBLIOGRAPHIE SUR LE DIAGNOSTIC DU MOTEUR DIESEL
3.1 Formulation du problème
3.2 Diagnostic à base de modèles
3.2.1 Terminologie et définitions
3.3 Méthodes de détection des défauts basée sur le modèle mathématique
3.3.1 Détection des défauts par estimation paramétrique
3.3.2 Détection des défauts par les observateurs
3.3.3 Détection de défaut par les équations de parité
3.3.4 Détection des défauts par traitement des signaux
3.3.5 Méthodes de classification
3.4 Automobile et diagnostic à base de modèles
3.5 Bibliographie De Diagnostic du Moteur Diesel
3.5.1 Détection du défaut « sous alimentation en gasoil »
3.5.2 Détection du défaut dans les segments du piston
3.5.3 Détection des défauts dans le circuit d’air
3.5.4 Détection des défauts du système de refroidissement
3.5.5 Détection du defaut de fuite dans « waste gate »
3.5.6 Détection des défauts d’injection et de combustion
3.5.7 Détection des défauts d’admission, d’injection et de combustion
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 DIAGNOSTIC DE DEFAUTS D’UN MOTEUR DIESEL PAR OBSERVATEUR RECURSIF
4.1 Détection et Isolation des Défauts
4.2 Modèle du moteur Diesel sans défaut
4.3 Modèle du moteur Diesel avec défaut
4.3.1 Défauts avec formalisme f(x, U) connu :
4.3.2 Défauts avec formalisme f(x,U) inconnu :
4.4 Conception d’observateur récursif
4.4.1 Diagnostic robuste et analyse de la stabilité
4.5 Temps de Détection Du Défaut
4.6 Schéma bloc de l’observateur
4.7 Instrumentation
4.8 Architecture de l’Isolateur
4.9 Simulation
4.9.1 Robustesse
4.10 Conclusion
CHAPITRE 5 ADAPTATION DU CONTROLE PAR SEQUENCEMENT DE GAIN POUR LA DETECTION ET L’ISOLATION DES DEFAUTS D’ACTIONNEURS ET DE CAPTEURS D’UN MOTEUR DIESEL
5.1 Introduction
5.2 Modèle Flou de Takagi_Sugeno
5.2.1 Système flou de Takagi_Sugeno
5.3 Contrôle Par Séquencement de Gains
5.4 Conception du Contrôleur
5.5 Observateur Basée Sur le Contrôle par Séquencement de Gains
5.6 Simulation
5.6.1 Modèle Multilinéaire
5.6.2 Détection des Défauts
5.6.3 Isolation Des Défauts
5.7 Etude comparative
5.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
PERSPECTIVES

Télécharger le rapport complet