EP1696115A1

EP1696115A1 - Dispositif d'optimisation en temps réel du copule d'un moteur rotatif à combustion interne

Info

Publication number: EP1696115A1
Application number: EP06300049A
Authority: EP
Inventors: Jean-Paul Berthe; Pascal Emery
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2006-08-30
Also published as: FR2881181A1; FR2881181B1

Abstract

Dispositif d'optimisation en temps réel du couple d'un moteur (1) rotatif à combustion interne d'un véhicule automobile, le couple dudit moteur (1) étant régulé par un paramètre mécanique donné (E). Ledit dispositif est embarqué et comprend une unité de commande (14), ladite unité de commande (14) comprenant un moyen (29) apte à générer une valeur de couple moteur (S) en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (1) mesuré, un moyen (41) apte à générer une perturbation permanente (D) dudit paramètre mécanique (E) et un moyen de régulation (30) dudit paramètre mécanique (E) de façon que le couple moteur (S) soit constant et optimal quelle que soit la perturbation générée (D) et pour une quantité de carburant injectée donnée.

Description

La présente invention concerne d'une manière générale, l'optimisation en temps réel du couple d'un moteur rotatif d'un véhicule automobile. L'invention s'applique avantageusement aux moteurs à combustion interne à injection directe ou indirecte de carburant, de type essence, à allumage commandé ou de type Diesel, à allumage par compression.
Les normes européennes anti-pollution devenant de plus en plus sévères sur les moteurs de véhicules automobiles, il est important pour les constructeurs automobiles de réduire les émissions polluantes de leurs moteurs sans négliger leur consommation et leurs performances.
Pour atteindre ce résultat, un réglage optimal des paramètres des moteurs est nécessaire. Par exemple, il est important d'obtenir la combinaison de paramètres donnant un couple moteur maximum avec une quantité de carburant injecté donnée, de manière à augmenter le rendement du moteur et donc de minimiser sa consommation.
On connaît par les demandes de brevets américains US 2004/0084019 et US 2004/0084025 (Zhu et al.), un dispositif permettant d'améliorer le rendement de combustion en perfectionnant le rapport air/carburant. Cette amélioration est réalisée en utilisant une information proportionnelle aux quantités introduites dans le mélange air-carburant. Cette information est issue d'un capteur d'ionisation placé dans la chambre de combustion du moteur. Cependant, ce dispositif n'agit pas sur le point de fonctionnement du moteur de façon à améliorer le rendement de cycle, c'est-à-dire sur le rendement de la machine thermique.
Pour cela, des mises au point du moteur sur banc d'essai doivent être réalisées. Cependant ces procédures nécessitent de nombreux essais sur banc moteur qui peuvent se révéler très coûteux.
L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes.
L'invention cherche à améliorer le rendement de la machine thermique pour une quantité de carburant donnée, c'est-à-dire le rapport énergie mécanique récupérée/énergie mécanique développée.
À cet effet, l'invention propose un dispositif d'optimisation en temps réel du couple d'un moteur rotatif à combustion interne d'un véhicule automobile, le couple dudit moteur étant régulé par un paramètre mécanique donné.
Selon une caractéristique générale de l'invention, ledit dispositif est embarqué. En outre, il comprend une unité de commande, ladite unité de commande comprenant un moyen apte à générer une valeur de couple moteur en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur mesuré, un moyen apte à générer une perturbation permanente dudit paramètre mécanique et un moyen de régulation dudit paramètre mécanique de façon que le couple moteur soit constant et optimal quelle que soit la perturbation générée et pour une quantité de carburant injectée donnée.
Ce dispositif a pour avantage d'optimiser le couple moteur en fonction d'un paramètre mécanique lié au type de moteur concerné. Cette optimisation a lieu en temps réel, contrairement aux dispositifs existants où la recherche de la valeur optimale s'effectue manuellement par des tests de valeur successifs du paramètre considéré et à l'aide de plans d'expérience.
Selon un mode de réalisation, ledit paramètre mécanique est l'ouverture d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement dans un moteur de type Diesel à combustion homogène.
Selon un autre mode de réalisation, ledit paramètre mécanique est l'avance à l'allumage par rapport au point mort haut du vilebrequin d'un moteur de type à allumage commandé.
Selon un autre mode de réalisation, ledit paramètre mécanique est l'avance à l'injection par rapport au point mort haut du vilebrequin d'un moteur de type Diesel conventionnel.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend avantageusement un additionneur apte à ajouter la perturbation à la valeur du paramètre mécanique, la sortie de l'additionneur étant rebouclée sur son entrée par l'intermédiaire du moyen de régulation.
En outre, le moyen de régulation peut comprendre avantageusement :

un bloc de dérivation recevant en entrée la valeur dudit paramètre mécanique perturbé, et la valeur de couple moteur générée, et apte à calculer la dérivée du couple moteur en fonction dudit paramètre mécanique,
un bloc de saturation connecté en sortie du bloc de dérivation,
un intégrateur apte à intégrer ladite valeur dérivée par rapport au temps,
un amplificateur d'un gain prédéterminé.

Le dispositif peut comprendre un moyen de mesure de l'angle vilebrequin du moteur.
À l'aide de la valeur de l'angle vilebrequin, il est possible de déterminer la valeur du couple moteur comme le décrit le brevet FR 2 681 425 (Renault).
Le dispositif peut comprendre en outre un moyen de mesure de la pression de combustion du moteur.
La valeur de la pression de combustion associée à la valeur de l'angle vilebrequin permettent de déterminer la valeur du couple moteur selon des formules bien connues de l'homme du métier.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif peut comprendre un moyen de mesure du couple moteur.
De préférence, l'excitation est une fonction périodique, d'une amplitude et d'une période prédéterminée.
L'excitation peut avantageusement être une fonction créneau.
Le dispositif tel que décrit précédemment peut être embarqué à bord d'un véhicule automobile pour optimiser un couple moteur pour une quantité de carburant injectée donnée, de manière à améliorer le rendement du moteur.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 représente très schématiquement un moteur Diesel à combustion homogène associé à un dispositif d'optimisation du couple moteur selon l'invention ;
la figure 2 représente très schématiquement un moteur à allumage commandé associé à un dispositif d'optimisation du couple moteur selon l'invention ; et
la figure 3 représente très schématiquement un moteur Diesel conventionnel associé à un dispositif d'optimisation du couple moteur selon l'invention ;
la figure 4 représente un mode de réalisation d'un dispositif d'optimisation en temps réel du couple d'un moteur rotatif à combustion interne selon l'invention.

Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1 Diesel à combustion homogène ou non, représenté schématiquement, comprend au moins une chambre de combustion 2 illustrée sur la figure 1 dans la partie haute d'un cylindre 3, à l'intérieur duquel se déplace un piston 4 connecté à une bielle 5 dont l'extrémité est reliée à un vilebrequin 6. Une soupape d'admission 7 permet de commander l'admission en ouvrant ou obturant le conduit d'admission 8, en communication avec la chambre de combustion 2. Une soupape d'échappement 9 permet quant à elle, d'obturer ou d'ouvrir le passage des gaz d'échappement en provenance de la chambre de combustion 2 vers le conduit d'échappement 10.
Dans l'exemple illustré, le moteur à combustion interne 1 comprend en outre un système de ré-injection partielle des gaz d'échappement à l'admission (EGR).
À cet effet, une vanne de régulation 11, dite « vanne EGR », commande la quantité de gaz d'échappement prélevé de la conduite 10 par la conduite 12, qui est ainsi ré-injectée par la conduite 13 dans le conduit d'admission 8. Une unité électronique de commande 14 assure le fonctionnement du moteur 1 et reçoit à cet effet un certain nombre d'informations.
Ces informations proviennent de différents capteurs placés dans le moteur et dans les différentes conduites, leurs signaux étant amenés sur l'unité électronique de commande 14, pour que celle-ci puisse déterminer une valeur du couple moteur.
Par exemple, sur la figure 1, on a représenté un capteur 15 de pression de combustion dans la chambre de combustion 2. La valeur de la pression mesurée est alors amenée par une connexion 16 à l'unité électronique de commande 14. Un capteur de l'angle vilebrequin 17 est placé au niveau du vilebrequin 6 et la mesure de l'angle est délivrée à l'unité de commande électronique 14 par une connexion 18.
Dans une autre variante, seul un capteur de l'angle vilebrequin peut être utilisé. À cet effet, le dispositif décrit dans le brevet FR 2 681 425 propose un dispositif permettant de calculer le couple moteur uniquement à partir de l'angle vilebrequin.
Dans une autre variante, les capteurs de l'angle vilebrequin 17 et de la pression de combustion 15 peuvent être remplacés par un capteur du couple moteur (non représenté).
L'unité électronique de commande 14 délivre à l'aide d'une connexion 19 sa commande à destination de la vanne EGR 11.
La figure 2, sur laquelle les éléments similaires portent les mêmes références, représente un moteur à allumage commandé, tel que par exemple un moteur à combustion essence. Pour ce type de moteur, contrairement au moteur Diesel à combustion homogène, l'unité électronique de commande 14 délivre par l'intermédiaire de la connexion 19 une commande destinée à une bougie d'allumage 21.
La figure 3, sur laquelle les éléments similaires portent les mêmes références, représente un moteur de type Diesel conventionnel. Pour ce type de moteur, l'unité électronique de commande 14 délivre par l'intermédiaire de la connexion 19 une commande destinée à un injecteur 22.
On se rapporte à présent à la figure 4, qui illustre plus précisément les principaux éléments de l'unité électronique de commande 14. On considère en premier lieu un moteur à combustion interne de type Diesel à combustion homogène. Les modifications engendrées par l'utilisation des autres types de moteurs précités seront décrites ci-après.
La commande délivrée par l'unité électronique 14 consiste donc en une valeur de l'ouverture de la vanne EGR, encore appelée « taux d'EGR ».
L'unité électronique de commande comprend un premier moyen 29 apte à élaborer une valeur de couple moteur S à partir des paramètres de fonctionnement du moteur 1, ici la pression de combustion délivrée par la connexion 16 et l'angle vilebrequin délivré par la connexion 18.
L'unité électronique de commande 14 comprend également un moyen de régulation 30 dont le but est la recherche permanente d'une valeur sensiblement nulle pour la dérivée du couple moteur par rapport à la valeur de l'ouverture de la vanne EGR, soit : $\frac{d S}{d E} \approx 0,$
où
E est la valeur de la commande d'ouverture de la vanne EGR envoyée par l'unité électronique de commande 14 par la connexion 19,
S est le couple du moteur enregistré en réponse à cette ouverture.
En d'autres termes, quelle que soit l'ouverture de la vanne EGR, le couple moteur S doit rester constant.
Tant que $\frac{d S}{d E}$
est différent de la valeur de zéro le dispositif augmente ou diminue la valeur E d'ouverture de la vanne EGR, en fonction du signe de la dérivée $\frac{d S}{d E} .$
La dérivée $\frac{d S}{d E}$
du couple moteur par rapport à l'ouverture de la vanne EGR est calculée par un bloc de dérivation 31 situé dans le moyen de régulation 30. Le bloc de dérivation 31 reçoit en entrée le couple moteur S par une connexion 32 puis délivre la valeur $\frac{d S}{d E}$
par l'intermédiaire d'une connexion 33 à un bloc de saturation 34.
Le bloc 34 délivre alors la dérivée saturée par l'intermédiaire d'une connexion 35 à un bloc 36, de façon que le bloc 36 intègre la valeur de $\frac{d S}{d E} .$
Le bloc de saturation permet de limiter la valeur de $\frac{d S}{d E},$
pour éviter que le bloc de régulation 30 ne sorte de son domaine de fonctionnement au cas où $\frac{d S}{d E}$
prendrait des valeurs trop importantes.
L'intégrale de la valeur $\frac{d S}{d E}$
sur un temps Δt, c'est-à-dire $\int_{t - Δ t}^{t} \frac{d S}{d E} d t,$
est calculée par le bloc 36 et délivrée à un amplificateur 37 par une connexion 38. L'amplificateur possède un gain constant K à ajuster. Le signe du gain K est choisi selon que la courbe de convergence du couple moteur S est concave ou convexe. Dans le premier cas, le gain K est positif et dans le second K est négatif. La commande de régulation $K . \int_{t - Δ t}^{t} \frac{d S}{d E} d t$
est alors délivrée en sortie du moyen de régulation 30 par une connexion 39.
La sortie du moyen de régulation 30 est reliée à un additionneur 40, qui reçoit également en entrée une perturbation D permanente délivrée par un moyen 41 par l'intermédiaire d'une connexion 42.
Cette perturbation peut être par exemple un créneau, d'amplitude ±d ajustable et de période △t, mais elle peut également être toute autre fonction périodique.
La commande d'ouverture E de la vanne EGR résultante est égale à : $E = D + K . \int_{t - Δ t}^{t} \frac{d S}{d E} .$
Cette commande E est délivrée par l'intermédiaire de la connexion 19 au moteur 1.
En outre, la commande E est délivrée par l'intermédiaire d'une boucle de retour 44 au bloc de dérivation 31, qui est alors apte à estimer la dérivée $\frac{d S}{d E},$
le couple moteur S ayant été soumis à la perturbation sous forme de créneau D.
Cette perturbation D engendre une variation élémentaire $\frac{d E}{d t}$
de la valeur d'ouverture de la vanne EGR. Le bloc 31 analyse alors l'effet de cette perturbation sous la forme d'une variation élémentaire du couple moteur $\frac{d S}{d t} .$
Le bloc 31 en déduit alors : $\frac{d S}{d E} = \frac{d S}{d t} \frac{d t}{d E} .$
En effet, étant donné que la perturbation D est permanente, on évite que le rapport $\frac{d S}{d E}$
soit indéterminé, puisque l'on maintient $\frac{d E}{d t}$
à une valeur non nulle.
Ce processus itératif continue jusqu'à l'obtention d'un couple moteur optimal, c'est-à-dire un couple moteur S constant quelle que soit la perturbation D.
En combustion à allumage commandé, par exemple en combustion essence dans un moteur tel que représenté sur la figure 2, cette procédure s'effectue de manière similaire. La vanne EGR 11 étant remplacée par une bougie d'allumage 21, l'unité de commande électronique 14 envoie par conséquent un ordre d'allumage à la bougie 21 avec une avance donnée par rapport au point mort haut (PMH). L'unité électronique 14 enregistre ensuite la variation du couple moteur due à cette variation d'avance à l'allumage. L'unité électronique 14 peut alors recalculer une nouvelle commande d'avance à l'allumage jusqu'à ce que le couple moteur optimal soit atteint.
Dans le cas des moteurs de type Diesel conventionnel, tel que représenté par exemple sur la figure 3, la procédure s'effectue également de manière similaire. La vanne EGR 11 étant remplacée par un injecteur 22, l'unité de commande électronique 14 envoie par conséquent un ordre d'injection à l'injecteur 22 avec une avance donnée par rapport au point mort haut (PMH). L'unité électronique 14 enregistre ensuite la variation du couple moteur due à cette variation d'avance à l'injection. L'unité électronique 14 peut alors recalculer une nouvelle commande d'avance à l'injection jusqu'à ce que le couple moteur optimal soit atteint.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple.
En particulier, une excitation permanente différente d'une fonction créneau peut être envisagée. Ainsi tout autre fonction périodique pourrait convenir.

Claims

Dispositif d'optimisation en temps réel du couple d'un moteur (1) rotatif à combustion interne d'un véhicule automobile, le couple dudit moteur (1) étant régulé par un paramètre mécanique donné (E), caractérisé par le fait que ledit dispositif est embarqué et qu'il comprend une unité de commande (14), ladite unité de commande (14) comprenant un moyen (29) apte à générer une valeur de couple moteur (S) en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (1) mesuré, un moyen (41) apte à générer une perturbation permanente (D) dudit paramètre mécanique (E) et un moyen de régulation (30) dudit paramètre mécanique (E) de façon que le couple moteur (S) soit constant et optimal quelle que soit la perturbation générée (D) et pour une quantité de carburant injectée donnée.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit paramètre mécanique est l'ouverture d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement dans un moteur de type Diesel à combustion homogène.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit paramètre mécanique est l'avance à l'allumage par rapport au point mort haut du vilebrequin d'un moteur de type à allumage commandé.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit paramètre mécanique est l'avance à l'injection par rapport au point mort haut du vilebrequin d'un moteur de type Diesel conventionnel.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un additionneur (40) apte à ajouter la perturbation (D) à la valeur du paramètre mécanique, la sortie de l'additionneur (40) étant rebouclée sur son entrée par l'intermédiaire du moyen de régulation (30).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen de régulation (30) comprend :
- un bloc de dérivation (31) recevant en entrée la valeur dudit paramètre mécanique perturbé (E), et la valeur de couple moteur générée (S), et apte à calculer la dérivée du couple moteur en fonction dudit paramètre mécanique $(\frac{d S}{d E}),$

- un bloc de saturation (34) connecté en sortie du bloc de dérivation (31),

- un intégrateur (36) apte à intégrer ladite valeur dérivée par rapport au temps,

- un amplificateur (37) d'un gain prédéterminé (K).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de mesure (17) de l'angle vilebrequin du moteur.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de mesure (17) de la pression de combustion du moteur.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de mesure du couple moteur.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'excitation (D) est une fonction périodique, d'une amplitude et d'une période prédéterminée.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'excitation (D) est une fonction créneau.
Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes embarqué à bord d'un véhicule automobile pour optimiser un couple moteur pour une quantité de carburant injectée donnée, de manière à améliorer le rendement du moteur.