Diagnostic à base de modèle : application à un moteur diesel suralimenté à injection directe, Model based diagnosis : application to a turbocharged direct injection diesel engine

Institut National Centre de Recherche
Polytechnique de Lorraine en Automatique de Nancy
´Ecole doctorale IAEM Lorraine
D´epartement de Formation Doctorale en Automatique
Diagnostic `a base de mod`ele :
application `a un moteur diesel
suraliment´e `a injection directe
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 20 d´ecembre 2006
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(sp´ecialit´e automatique et traitement du signal)
par
Zahi SABEH
Composition du jury
Pr´esident : D. MAQUIN Professeur `a l’INPL
Rapporteurs : A. OUSTALOUP Professeur a` l’Universit´e de Bordeaux I
G. GISSINGER Professeur a` l’Universit´e de Haute-Alsace
Examinateurs : J. RAGOT Professeur a` l’INPL
F. KRATZ Professeur a` l’ENSI de Bourges
P. DUPRAZ DELPHI DIESEL SYSTEMS
Centre de Recherche en Automatique de Nancy – UMR 7039 - CNRS - UHP - INPL
2, Avenue de la Forˆet de Haye 54516 Vandœuvre-L`es-Nancy
T´el.+33 (0)3 83 59 59 59 Fax +33 (0)3 83 59 56 44 Remerciements

Cette thèse a été réalisée au sein de l’entreprise Delphi Diesel Systems à Blois, en
collaboration avec le Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN) et le
Laboratoire de Vision et Robotique (LVR) de Bourges.
Ce travail n’aurait pu être mené à bien sans le soutien de nombreuses personnes que je tiens à
remercier et je m’excuse d’avance auprès de celles que j’aurais omis de citer.

Je tiens à remercier tout particulièrement Monsieur José RAGOT, Professeur à l’Institut
National Polytechnique de Lorraine et responsable du thème « Diagnostic » au CRAN,
d’avoir dirigé cette thèse avec ses grandes qualités tant sur le plan humain que scientifique.
Ses conseils, sa confiance et son intérêt pour mes travaux ont été le « carburant » de mon
avancement durant les quatre années de thèse.

J’exprime également ma reconnaissance à la direction de Delphi Diesel Systems à Blois
représentée par Monsieur Philipe BERCHER, responsable du centre technique, et à Monsieur
Jean MARTIN responsable de l’équipe EMS (Engine Management Systems) qui ont permis la
réalisation de cette thèse au sein de l’entreprise.

Mes sincères remerciements vont à Monsieur Frédéric KRATZ, Professeur à l’Ecole
Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Bourges et responsable du thème « Diagnostic » au
LVR, pour son soutien et son enthousiasme vis-à-vis de la thématique de mes travaux. Je tiens
à souligner ses efforts considérables ainsi que ceux de Monsieur Yves PARMENTIER,
animateur du Pôle Capteurs et Automatismes à Bourges, qui ont permis le financement de
cette thèse grâce aux Fonds Européens (FEDER) et aux Fonds de Restructuration de la
Défense (FRED) dans la région Centre.

Je remercie Monsieur Pierre DUPRAZ, responsable de l’équipe EMS Générique, pour son
encadrement et son soutien tout au long de ce travail ainsi que pour les longues discussions
techniques enrichissantes et ses remarques et corrections du mémoire.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Monsieur Gérard GISSINGER, Professeur à
l’Université de Haute-Alsace, et à Monsieur Alain OUSTALOUP, Professeur à l’Université
de Bordeaux I, pour avoir accepté de rapporter sur mon mémoire. Leurs questions et
appréciations m’ont permis d’acquérir un meilleur recul sur le travail effectué. L’accueil
qu’ils m’ont réservé dans leurs bureaux respectifs, à Mulhouse et à Bordeaux, m’a donné la
chance de découvrir deux grandes personnalités scientifiques dans le domaine
automatique/automobile.

Un grand merci également à Monsieur Didier MAQUIN, Professeur à l’Institut National
Polytechnique de Lorraine, pour avoir présidé le jury de cette thèse et pour ses quelques
corrections minutieuses qui ont servi durant l’édition de la version définitive de ce mémoire.

Je tiens à citer aussi quelques camarades avec qui j’ai eu de longues discussions et que je
remercie pour tout ce qu’ils ont partagé avec moi durant mes années de thèse à Blois :
Christophe GAUTHIER, Arnaud GIRARD, Nicolas VACHER, Olivier CAGE, Guillaume
GRATON, Nicolas DUVERNOIS.

Enfin, tous mes remerciements vont à mes parents et toute ma famille a qui je dédie ce travail
car ils n’ont cessé de me soutenir et de m’encourager tout au long du chemin. Table des matières








Table des matières
aTable des matières
Introduction 1
Chapitre I : Moteur diesel suralimenté à injection directe 5
1.1 Moteurs à combustion interne 7
1.2 Moteurs alternatifs à pistons
1.3 Moteur diesel 9
1.4 Cycle du moteur 9
1.5 Collecteurs d’admission et d’échappement 10
1.6 Rendement volumique 1
1.7 Pertes de pompage 1
1.8 Rendement de la combustion 1
1.9 Emissions polluantes 1
1.10 Injection directe à rampe commune 13
1.11 Suralimentation par turbocompresseur 14
1.12 Recyclage des gaz d’échappement (EGR) 15
1.13 Avantages et inconvénients des moteurs diesel 17
Chapitre II : Diagnostic à base de modèles 19
2.1 Préambule 21
2.2 Formulation du problème 21
2.3 Diagnostic à base de modèles 2
2.3.1 Terminologie et définitions 23
2.3.2 Principe de la redondance analytique 24
2.3.3 Méthode des résidus 25
2.3.4 Modèles des défauts 26
2.3.5 Isolation des défauts 27
2.3.5.1 Les résidus directionnels 27
2.3.5.2 Les structurés 27
2.4 Automobile et diagnostic à base de modèles 28
Chapitre III : Installation expérimentale 31
3.1 Motivations 3
3.2 XPC Target Box 35
3.3 Calculateur 35
3.4 Module de dérivation 36
3.5 PC portable 37
3.6 Capteurs additionnels 37
3.6.1 Pression 38
3.6.2 Température 38
3.6.3 Vitesse angulaire 38
Chapitre IV : Modélisation du système 39
4.1 Description de la boucle des gaz 41
4.2 Décomposition du système 42
4.2.1 Filtre à air 43
4.2.1.1 Modèle de débit 4
4.2.1.2 Modèle de pression 45
4.2.2 Compresseur 45
bTable des matières
4.2.2.1 Modèle de débit 46
4.2.2.2 Modèle de température 47
4.2.2.3 Modèle de puissance 50
4.2.2.4 Modèle de pression 50
4.2.3 Echangeur de refroidissement de l’air comprimé 51
4.2.3.1 Modèle de débit 52
4.2.3.2 Modèle de température 53
4.2.3.3 Modèle de pression 55
4.2.4 Volet d’admission 5
4.2.4.1 Modèle de débit 56
4.2.5 Collecteur d’admission 58
4.2.5.1 Modèle de pression 58
4.2.5.2 Modèle de température 62
4.2.5.3 Modèle de densité 63
4.2.6 Chambre de combustion 64
4.2.6.1 Modèles de débit 65
4.2.6.2 Modèle de température 67
4.2.6.3 Modèle du rapport Air/Carburant 69
4.2.7 Collecteur d’échappement 71
4.2.7.1 Modèle de pression 72
4.2.7.2 Modèle de température 73
4.2.8 Système de recyclage des gaz d’échappement (EGR) 74
4.2.8.1 Conduit de retour 75
4.2.8.1.1 Modèle de température 75
4.2.8.2 Electrovanne 7
4.2.8.2.1 Modèle de débit 77
4.2.8.2.2 Modèle de température 80
4.2.8.3 Echangeur de refroidissement 81
4.2.8.3.1 Modèle de température 81
4.2.9 Turbine 84
4.2.9.1 Modèle de débit 85
4.2.9.2 Modèle de température 86
4.2.9.2.1 Séparation des rendements 87
4.2.9.2.2 Rendement aérodynamique 89
4.2.9.2.3 Rendement dû à l’échange de chaleur 91
4.2.9.3 Modèle de pression 94
4.2.9.4 Modèle de puissance 95
4.2.9.5 Modèle de vitesse 95
4.2.10 Système d’échappement 96
4.2.10.1 Modèle de débit 96
4.2.11 Actionneurs électriques 98
Chapitre V : Simulation, recalage et validation 101
5.1