EP1729000A1 - Method for estimating the air/fuel ratio in a cylinder of an internal combustion engine using an extended Kalman filter - Google Patents

Method for estimating the air/fuel ratio in a cylinder of an internal combustion engine using an extended Kalman filter Download PDF

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EP1729000A1
EP1729000A1 EP06290557A EP06290557A EP1729000A1 EP 1729000 A1 EP1729000 A1 EP 1729000A1 EP 06290557 A EP06290557 A EP 06290557A EP 06290557 A EP06290557 A EP 06290557A EP 1729000 A1 EP1729000 A1 EP 1729000A1
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating the fuel richness of each cylinder of an internal combustion engine injection, from a measurement of the richness downstream of the collector and an extended Kalman filter.
  • the knowledge of wealth characterized by the ratio of the mass of fuel on the air mass, is important for all vehicles, whether they are petrol engines because it conditions a good combustion of the mixture when it is close of 1, or for vehicles with diesel engines for which the interest of the knowledge of the wealth is different since they work with poor mixture (wealth lower than 1).
  • catalysts using a NOx trap lose their effectiveness over time. In order to return to optimum efficiency, the richness must be kept close to 1 for a few seconds, then return to normal operation at a lean mixture. Depollution by DeNOx catalysis therefore requires precise control of the cylinder-by-cylinder richness.
  • a probe placed at the outlet of the turbine (turbocharged engine) and upstream of the NOx trap, gives a measure of the average richness by the exhaust process. This measurement, being very filtered and noisy, is used for the control of the masses injected into the cylinders during the phases of richness equal to 1, each cylinder then receiving the same mass of fuel.
  • An engine control can thus, from the reconstructed wealth, adapt the fuel masses injected into each of the cylinders so that the wealth is balanced in all the cylinders.
  • the object of the present invention is to model the exhaust process more finely so as, on the one hand, to dispense with the identification step, and on the other hand to bring more robustness to the wealth estimation model. , and this for all operating points of the engine.
  • the invention also makes it possible to perform a measurement every 6 ° of rotation of the crankshaft and thus to have a high frequency information of the measurement of richness, without falling into the measurement noise.
  • the physical model can comprise at least the following four variables: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), the fresh air mass in the exhaust manifold (M air ) the wealth measured by said sensor ( ⁇ ) and the wealth in each of the cylinders ( ⁇ i ).
  • This mode can then comprise at least the two following output data: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and mass flow rates out of said cylinders (d;).
  • the measured richness ( ⁇ ) can be estimated as a function of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and the fresh air mass in the exhaust manifold ( M air ).
  • the estimation of the value of the richness in each of the cylinders may then comprise a real-time correction of the estimate of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), the estimation of the mass of the fresh air in the exhaust manifold ( M air ) and estimating the value of the richness in each of the cylinders ( ⁇ i ).
  • the method can be applied to an engine control to adapt the fuel masses injected into each of the cylinders to adjust the richness in all the cylinders.
  • the composition of the exhaust gas depends on the amount of fuel and air introduced into the combustion chamber, the fuel composition and the development of the combustion.
  • the richness probe measures the concentration of O 2 inside a diffusion chamber, connected to the exhaust pipe by a diffusion barrier made of porous materials. This configuration may induce differences depending on the location of the chosen probe, in particular because of temperature variations and / or pressures in the vicinity of the richness probe.
  • the measured wealth ( ⁇ ) is connected to the mass of air (or to the air flow) around the probe and to the total mass ( or at the total rate).
  • the model is based on a three-gas approach: air, fuel and flue gas.
  • the lean mixture richness formula is used in the estimator, at the level of integration of richness in equation (7), neglecting a very small portion of the air ( ⁇ 3%).
  • the invention is not limited to this mode, in fact, the formula is continuous in the vicinity of a richness equal to 1, and its inversion does not pose a problem for rich mixtures.
  • AMESim is a 0D modeling software, particularly well suited to thermal and hydraulic phenomena. It allows to model volumes, behaviors or restrictions.
  • the basic tubing, restriction and volume modeling blocks are described in the AMESim "Thermal Pneumatic Library" user manual. Standard equations are used to calculate a flow through a restriction and energy and mass conservations. In addition, the model takes into account gas inertia, which is important for studying the dynamics of gas composition.
  • a unique real-time physical model is defined for modeling the overall system, that is to say the entire path of the exhaust gases, from the cylinders to the downstream exhaust from the turbine, through the collector.
  • the exhaust manifold is modeled according to a volume in which there is conservation of the mass. It is assumed that the temperature is substantially constant, and determined from an abacus function of the load and the engine speed.
  • Model to determine the flow passing through the turbine model of the turbine
  • the turbine is modeled according to a flow passing through a flow restriction.
  • the flow rate in the turbine is generally given by mapping (abacus) as a function of the turbine speed and the upstream / downstream pressure ratio of the turbine.
  • the first equation contains one unknown: M T.
  • the second contains two: M air and ⁇ i . This leads to the additional assumptions described below.
  • the measured richness at the sensor is calculated from the richness in the cylinders, the air flow at the cylinder output and the total gas flow rate.
  • This structure is hardly used in a Kalman filter, because it is necessary to estimate the entries of the model.
  • the model is therefore completed by the addition of entries, M T and ⁇ (Mohinder S. Grewal: "Kalman Filtering Theory and Practice” Prentice Hall 1993).
  • the response dynamics of the richness sensor are taken into account, and the transfer function of the measurement probe (of the "UEGO" probe type) is modeled according to a first-order filter.
  • the real-time physical model RTM can be put in the following matrix form from equations (3), (5) and (6):
  • p M T ⁇ i 1 not cyl 1 - ⁇ i . d i ⁇ - M air .
  • the unknowns of the physical model are ultimately M T , M air , ⁇ and ⁇ i .
  • the output data of the physical model is M T and d i .
  • a process (x) is governed by a nonlinear stochastic equation ( f ).
  • x k f x k - 1 , w k - 1 with :
  • x k M T k M air k ⁇ k ⁇ 1 k ⁇ two k ⁇ 3 k ⁇ 4 k
  • a measure ( y ) is given by a nonlinear observation equation h .
  • h h x k , v k
  • the random variables w k and v k respectively represent the model noises and the measurement noises.
  • the different elements are initialized thanks to the values obtained in simulation with AmeSim.
  • the index of the time step k has not been indicated, even if these matrices are actually different at each step.
  • the richness is measured, the total gas mass is the result of the calculation of the model (7) in parallel with the Kalman filter.
  • This estimator based on a Kalman filter allows, ultimately, an estimation of the cylinder to cylinder richness from the measurement of wealth by the sensor located behind the turbine.
  • the estimator thus constructed, makes it possible to correct in real time M T , M air , ⁇ i and ⁇ , from a first value of M T provided by the RTM model (7) and from the measurement of wealth performed. by the probe.
  • the Kalman filter is solved numerically in real time, the calculator using explicit Euler discretization, which is well known to those skilled in the art.
  • FIGS 2A and 2B show below the wealth of references ⁇ i ref given by AmeSim as a function of time (T) and at the top the results of the estimator ( ⁇ i ) as a function of time (T).
  • the four curves correspond to each of the four cylinders.
  • the performance of the estimator based on the Kalman filter is very good. However, there is a slight difference in phase, due to the inertia of the gas which is not taken into account in the present model. It is therefore proposed to complete the model and the estimator by an estimator of the exhaust delay time.
  • the estimator implemented as described above does not allow the estimation method to take into account the delay time between the cylinder exhaust and the signal acquired by the probe.
  • the delay time comes from several sources: transport time in the pipes and through the volumes, dead time of the measuring probe.
  • the penalty is given by ⁇ . If there is a positive variation in the estimated wealth value for cylinder 2, then the delay time between the estimator and the measurements is positive. If there is a variation on cylinder 3, the delay is negative and the penalty is negative. A variation of the cylinder 4 can be considered as a consequence of a positive or negative delay.
  • the delay D applied to the output variables of the RTM model is an additive delay, it is computed by least squares by minimizing J k .
  • the criterion J k is controlled to zero by a PI (Proportional Integral) controller on the delay of the estimator.
  • PI Proportional Integral
  • FIGS. 4A to 4F illustrate the estimation of cylinder to cylinder richness by the estimator previously described on two operating points 2000tr / min high load, 9 bar, (FIGS. 4A to 4C) and 2500 rpm low load, 3 bar, ( Figures 4D to 4F).
  • These figures show up the wealth of references ⁇ i ref as a function of time (T) and at the bottom the results of the estimator ( ⁇ i ) as a function of time (T).
  • the four curves correspond to each of the four cylinders.
  • the present invention relates to an estimation method comprising the construction of an estimator, making it possible, from the measurement of the richness of the probe ( ⁇ ) and the total mass of gas information inside the collector ( M T ), to estimate the wealth at the output of the four cylinders ( ⁇ i ).
  • the estimator thus produced is efficient, and above all does not require any additional adjustment in the case of change of the operating point. No identification phase is necessary, only a measurement and model noise adjustment must be carried out, once and only once.
  • a delay time controller is put in parallel with the estimator, making it possible to reset the delay time following a step of injection time on a cylinder. This allows optimal calibration of the estimator, for example before a rich phase equal to 1.
  • the invention also makes it possible to perform a measurement every 6 ° of rotation of the crankshaft and thus to have a high frequency information of the measurement of richness, without falling into the measurement noise.
  • the high frequency representation makes it possible to take into account the pulsating effect of the system.
  • the modeled system is periodic and makes it possible to obtain an estimator with a better dynamics: one anticipates the pulsation of the escapement.
  • the invention makes it possible to reduce the calculation time by a factor of about 80 compared to the previous methods.

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Abstract

The method for estimating the richness of the fuel mixture in the cylinders of an i.c. engine with a sensor (SR) located after its exhaust manifold (CE) consists of defining an estimate of the richness measured by the sensor, modelling the transfer function of the sensor, and establishing a physical model in real time of the gases ejected from the cylinders. The model is connected to an extended Kalman-type non-linear estimator, which is used to estimate a real-time value for the fuel mixture richness in each of the cylinders.

Description

La présente invention concerne une méthode d'estimation de la richesse en carburant de chaque cylindre d'un moteur à combustion interne à injection, à partir d'une mesure de la richesse en aval du collecteur et d'un filtre de Kalman étendu.The present invention relates to a method for estimating the fuel richness of each cylinder of an internal combustion engine injection, from a measurement of the richness downstream of the collector and an extended Kalman filter.

La connaissance de la richesse, caractérisée par le rapport de la masse de carburant sur la masse d'air, est importante pour tous les véhicules, qu'ils soient à motorisation essence puisqu'elle conditionne une bonne combustion du mélange lorsqu'elle est proche de 1, ou pour les véhicules à motorisation diesel pour lesquels l'intérêt de la connaissance de la richesse est différent puisqu'ils fonctionnent à mélange pauvre (richesse inférieure à 1). En particulier, les catalyseurs utilisant un piège à NOx perdent de leur efficacité avec le temps. Afin de revenir à une efficacité optimale, la richesse doit être maintenue proche de 1 pendant quelques secondes, pour revenir ensuite en fonctionnement normal à un mélange pauvre. La dépollution par catalyse DeNOx nécessite donc un pilotage précis de la richesse cylindre par cylindre.The knowledge of wealth, characterized by the ratio of the mass of fuel on the air mass, is important for all vehicles, whether they are petrol engines because it conditions a good combustion of the mixture when it is close of 1, or for vehicles with diesel engines for which the interest of the knowledge of the wealth is different since they work with poor mixture (wealth lower than 1). In particular, catalysts using a NOx trap lose their effectiveness over time. In order to return to optimum efficiency, the richness must be kept close to 1 for a few seconds, then return to normal operation at a lean mixture. Depollution by DeNOx catalysis therefore requires precise control of the cylinder-by-cylinder richness.

Pour ce faire, une sonde, placée en sortie de la turbine (moteur turbocompressé) et en amont du piège à NOx, donne une mesure de la richesse moyennée par le processus d'échappement. Cette mesure, étant très filtrée et bruitée, est utilisée pour le contrôle des masses injectées dans les cylindres lors des phases de richesse égale à 1, chaque cylindre recevant alors la même masse de carburant.To do this, a probe, placed at the outlet of the turbine (turbocharged engine) and upstream of the NOx trap, gives a measure of the average richness by the exhaust process. This measurement, being very filtered and noisy, is used for the control of the masses injected into the cylinders during the phases of richness equal to 1, each cylinder then receiving the same mass of fuel.

Afin de contrôler d'une manière plus précise, et surtout individuelle, l'injection des masses de carburant dans les cylindres, une reconstruction de la richesse dans chaque cylindre est indispensable. L'implantation de sondes de richesse en sortie de chaque cylindre n'étant pas envisageable sur véhicule étant donné leur prix de revient, la mise en place d'un estimateur fonctionnant à partir des mesures d'une seule sonde, permet avantageusement de connaître séparément les richesses de chaque cylindre.In order to control in a more precise way, and especially individual, the injection of the masses of fuel in the cylinders, a reconstruction of the wealth in each cylinder is indispensable. Since the implantation of wealth probes at the outlet of each cylinder is not possible on a vehicle because of their cost price, the implementation of an estimator operating from the measurements of a single probe advantageously makes it possible to know separately the riches of each cylinder.

Un contrôle moteur pourra ainsi, à partir des richesses reconstruites, adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres afin que les richesses soient équilibrées dans tous les cylindres.An engine control can thus, from the reconstructed wealth, adapt the fuel masses injected into each of the cylinders so that the wealth is balanced in all the cylinders.

On connaît le document FR-2834314 qui décrit la définition d'un modèle, puis son observation et son filtrage grâce à un filtre de Kalman. Ce modèle ne contient aucune description physique du mélange dans le collecteur, et ne tient pas compte des phénomènes très pulsatoires des débits.We know the document FR-2834314 which describes the definition of a model, then its observation and its filtering thanks to a Kalman filter. This model contains no physical description of the mixture in the collector, and does not take into account very pulsating flow phenomena.

L'estimation de la richesse dans les cylindres est uniquement conditionnée par les coefficients d'une matrice, coefficients qui doivent être identifiés hors ligne grâce à un algorithme d'optimisation. De plus, à chaque point de fonctionnement (régime/charge) correspond un réglage différent de la matrice, donc une identification de ses paramètres. Cet estimateur nécessite donc de mettre en place de lourds moyens d'essais (avec 5 sondes de richesse) d'acquisition, et s'avère peu robuste dans le cas d'un changement de moteur.The estimation of the richness in the cylinders is only conditioned by the coefficients of a matrix, coefficients which must be identified offline thanks to an optimization algorithm. In addition, at each operating point (speed / load) corresponds a different setting of the matrix, so an identification of its parameters. This estimator therefore requires the establishment of heavy means of testing (with 5 wealth probes) acquisition, and is not robust in the case of a change of engine.

La présente invention a pour objet de modéliser plus finement le processus d'échappement afin, d'une part de se passer de l'étape d'identification, et d'autre part d'apporter plus de robustesse au modèle d'estimation de richesse, et ceci pour tous les points de fonctionnement du moteur. L'invention permet en outre d'effectuer une mesure tous les 6°de rotation du vilebrequin et donc d'avoir une information haute fréquence de la mesure de richesse, sans pour autant tomber dans le bruit de mesure.The object of the present invention is to model the exhaust process more finely so as, on the one hand, to dispense with the identification step, and on the other hand to bring more robustness to the wealth estimation model. , and this for all operating points of the engine. The invention also makes it possible to perform a measurement every 6 ° of rotation of the crankshaft and thus to have a high frequency information of the measurement of richness, without falling into the measurement noise.

Ainsi, la présente invention concerne une méthode pour estimer la richesse en carburant dans chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant un circuit d'échappement de gaz comprenant au moins des cylindres reliés à un collecteur et un capteur de mesure de la richesse (λ) en aval dudit collecteur. La méthode est caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes :

  • on définit une estimation de ladite richesse (λ) mesurée par ledit capteur à partir d'au moins une variable dudit modèle ;
  • on réalise une modélisation de la fonction de transfert dudit capteur dans lequel on prend en compte ladite estimation de la mesure de richesse mesurée ;
  • on établit un modèle physique représentant en temps réel l'éjection des gaz dans chacun desdits cylindres et leur parcours dans ledit circuit d'échappement jusqu'audit capteur dans lequel on prend en compte ladite modélisation de ladite fonction de transfert ;
  • on couple ledit modèle avec un estimateur non linéaire de type Kalman étendu ;
  • on réalise une estimation en temps réel de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres, à partir dudit estimateur non linéaire de type Kalman étendu.
Thus, the present invention relates to a method for estimating the fuel richness in each of the cylinders of an internal combustion engine comprising a gas exhaust circuit comprising at least cylinders connected to a collector and a sensor for measuring the wealth. (λ) downstream of said manifold. The method is characterized in that it comprises the following steps:
  • an estimate of said richness (λ) measured by said sensor is defined from at least one variable of said model;
  • a modeling of the transfer function of said sensor in which said estimation of the measurement of measured wealth is taken into account;
  • establishing a physical model representing in real time the gas ejection in each of said cylinders and their path in said exhaust circuit to said sensor in which said modeling of said transfer function is taken into account;
  • said model is coupled with a nonlinear estimator of the extended Kalman type;
  • a real-time estimation of the value of the richness in each of the cylinders is made from said nonlinear estimator of the extended Kalman type.

Selon la méthode, on peut modéliser la fonction de transfert à partir d'un filtre du premier ordre.Depending on the method, one can model the transfer function from a first-order filter.

On peut également évaluer un temps de retard dû au temps de transit des gaz et au temps de réponse du capteur, en effectuant une perturbation test dans un cylindre déterminé et en mesurant son effet au capteur.It is also possible to evaluate a delay time due to the transit time of the gases and to the response time of the sensor, by performing a test perturbation in a given cylinder and measuring its effect on the sensor.

Selon un mode de réalisation, le modèle physique peut comporter au moins les quatre variables suivantes : la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ), la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ) la richesse mesurée par ledit capteur (λ) et les richesses dans chacun des cylindres (λ i ). Ce mode peut alors comporter au moins les deux données de sortie suivantes : la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ) et des débits massiques sortant desdits cylindres (d;).According to one embodiment, the physical model can comprise at least the following four variables: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), the fresh air mass in the exhaust manifold (M air ) the wealth measured by said sensor (λ) and the wealth in each of the cylinders ( λ i ). This mode can then comprise at least the two following output data: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and mass flow rates out of said cylinders (d;).

La richesse (λ) mesurée peut être estimée en fonction de la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ) et la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ).The measured richness (λ) can be estimated as a function of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and the fresh air mass in the exhaust manifold ( M air ).

L'estimation de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres peut alors comporter une correction en temps réel de l'estimation de la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ), de l'estimation de la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ) et de l'estimation de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres (λ i ).The estimation of the value of the richness in each of the cylinders may then comprise a real-time correction of the estimate of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), the estimation of the mass of the fresh air in the exhaust manifold ( M air ) and estimating the value of the richness in each of the cylinders (λ i ).

Enfin, la méthode peut être appliquée à un contrôle moteur pour adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres afin de régler la richesse dans tous les cylindres.Finally, the method can be applied to an engine control to adapt the fuel masses injected into each of the cylinders to adjust the richness in all the cylinders.

La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles :

  • la figure 1 présente schématiquement les éléments descriptifs du processus d'échappement ;
  • la figure 2 illustre les richesses de références λ i ref
    Figure imgb0001
    en fonction du temps (T) et les résultats de l'estimateur selon l'invention (λ̂ i ) en fonction du temps (T), pour chacun des quatre cylindres ;
  • la figure 3 illustre la structure de l'estimateur ;
  • les figures 4A à 4C illustrent les richesses de références λ i ref
    Figure imgb0002
    en fonction du temps (T) et les résultats de l'estimateur avec prise en compte du retard selon l'invention (λ i ) sur un premier point de fonctionnement 2000tr/min forte charge (9 bar), en fonction du temps (T) et pour chacun des quatre cylindres.
  • les figures 4D à 4F illustrent les richesses de références λ i ref
    Figure imgb0003
    en fonction du temps (T) et les résultats de l'estimateur avec prise en compte du retard selon l'invention (λ i ) sur un second point de fonctionnement 2500tr/min faible charge (3 bar), en fonction du temps (T) et pour chacun des quatre cylindres.
The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the following description of an embodiment, in no way limiting, illustrated by the appended figures, among which:
  • Figure 1 schematically shows the descriptive elements of the exhaust process;
  • Figure 2 illustrates the wealth of references λ i ref
    Figure imgb0001
    as a function of time (T) and the results of the estimator according to the invention (λ i ) as a function of time (T), for each of the four cylinders;
  • Figure 3 illustrates the structure of the estimator;
  • FIGS. 4A to 4C illustrate the wealth of references λ i ref
    Figure imgb0002
    as a function of time (T) and the results of the estimator taking into account the delay according to the invention (λ i ) on a first operating point 2000tr / min high load (9 bar), as a function of time (T ) and for each of the four cylinders.
  • FIGS. 4D to 4F illustrate the wealth of references λ i ref
    Figure imgb0003
    as a function of time (T) and the results of the estimator taking into account the delay according to the invention (λ i ) on a second operating point 2500tr / min low load (3 bar), as a function of time (T ) and for each of the four cylinders.

Les intérêts d'une estimation de la richesse dans chacun des cylindres individuellement sont nombreux par rapport à une estimation de la richesse moyenne de l'ensemble des cylindres :

  • gain sur le prix de revient si l'estimation est effectuée à partir d'une seule sonde de richesse en sortie turbine ;
  • réduction des émissions polluantes ;
  • amélioration de l'agrément de conduite (régularisation du couple délivré) ;
  • réduction de la consommation de carburant
  • diagnostic du système d'injection (détection de la dérive d'un injecteur ou de la défaillance du système d'injection).
The interest of an estimation of the richness in each of the cylinders individually is numerous compared to an estimate of the average richness of the set of cylinders:
  • gain on the cost price if the estimate is made from a single turbine output wealth probe;
  • reduction of polluting emissions;
  • improvement of the driving pleasure (regularization of the delivered torque);
  • reduced fuel consumption
  • diagnosis of the injection system (detection of the drift of an injector or the failure of the injection system).

Description du processus d'échappement:Description of the escape process:

Le processus d'échappement comprend le parcours des gaz entre la soupape d'échappement jusqu'à l'air libre, en sortie du pot d'échappement. Le moteur de la présente mise en oeuvre en exemple est un 4 cylindres de 2200 cm3. Il est équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable. Le schéma de la figure 1 présente les éléments descriptifs du processus d'échappement, dans la quelle :

  • λ 1 à λ 4 représentent les richesses dans chacun des quatre cylindres ;
  • SR représente la sonde de richesse ;
  • CE correspond au collecteur d'échappement
  • T correspond à la turbine du turbocompresseur ;
  • DS1 à DS4 représentent les débits en sorties des cylindres.
The exhaust process includes the path of the gases between the exhaust valve to the free air at the outlet of the muffler. The engine of the present implementation as an example is a 4 cylinders of 2200 cm 3 . It is equipped with a turbocharger with variable geometry. The diagram in Figure 1 presents the descriptive elements of the exhaust process, in which:
  • λ 1 to λ 4 represent the wealth in each of the four cylinders;
  • SR represents the wealth probe;
  • CE is the exhaust manifold
  • T corresponds to the turbine of the turbocharger;
  • DS1 to DS4 represent the output flows of the cylinders.

La sonde de richesse (SR) est située juste après la turbine (T). Les gaz, après la combustion dans le cylindre, subissent les actions suivantes :

  • passage à travers la soupape d'échappement. Cette dernière étant commandée par un arbre à came, la loi de levée est en forme de cloche. Les débits passeront d'une valeur élevée, lors de l'ouverture de la soupape, à une valeur plus faible lorsque les pressions cylindre et collecteur s'égaliseront, pour enfin réaugmenter lorsque le piston commencera à remonter pour éjecter les gaz d'échappement.
  • passage dans une courte tubulure reliant le collecteur à la sortie de la culasse.
  • phase de mélange dans le collecteur d'échappement (CE) où les débits (DS1 à DS4) des quatre cylindres se rejoignent. C'est ici que se produit le mélange des bouffées, fonction du type de collecteur (symétrique ou asymétrique), de l'AOE (Avance Ouverture Echappement) et du RFE (Retard Fermeture Echappement), qui détermineront la proportion de recouvrements des débits.
  • passage à travers la turbine qui fournit le couple nécessaire au compresseur, situé en amont de l'admission. Bien que son action sur les débits soit peu connue, on peut penser qu'elle va mélanger un peu plus encore les bouffées provenant des différents cylindres.
  • mesure par la sonde de type UEGO.
The richness probe ( SR ) is located just after the turbine ( T ). The gases, after combustion in the cylinder, undergo the following actions:
  • passage through the exhaust valve. The latter being controlled by a camshaft, the law of emergence is bell-shaped. Flow rates will increase from a high value, when opening the valve, to a lower value when the cylinder and manifold pressures equalize, and finally increase when the piston starts to rise to eject the exhaust.
  • passage in a short pipe connecting the manifold to the output of the cylinder head.
  • mixing phase in the exhaust manifold ( CE ) where the flows ( DS1 to DS4 ) of the four cylinders meet. This is where the mixing of puffs occurs, depending on the type of collector (symmetrical or asymmetric), the AOE (Avance Opening Exhaust) and the RFE (Exhaust Closure Delay), which will determine the proportion of flow recoveries.
  • passage through the turbine which provides the torque necessary for the compressor, located upstream of the intake. Although its action on the flows is little known, we can think that it will mix a little more puffs from different cylinders.
  • measurement by the UEGO type probe.

La composition des gaz d'échappement dépend des quantités de carburant et d'air introduites dans la chambre de combustion, de la composition du carburant et du développement de la combustion.The composition of the exhaust gas depends on the amount of fuel and air introduced into the combustion chamber, the fuel composition and the development of the combustion.

En pratique, la sonde de richesse mesure la concentration en O2 à l'intérieur d'une chambre de diffusion, mise en relation avec la conduite d'échappement par une barrière de diffusion fabriquée en matériaux poreux. Cette configuration pourra induire des différences suivant l'emplacement de la sonde choisit, notamment à cause des variations de températures et/ou de pressions à proximité de la sonde de richesse.In practice, the richness probe measures the concentration of O 2 inside a diffusion chamber, connected to the exhaust pipe by a diffusion barrier made of porous materials. This configuration may induce differences depending on the location of the chosen probe, in particular because of temperature variations and / or pressures in the vicinity of the richness probe.

Ce phénomène de variation de richesse dépendant de la pression ou de la température a cependant été négligé, puisque l'on s'intéresse à détecter des disparités de richesse entre les cylindres, la valeur moyenne étant normalement conservée par l'estimateur.This phenomenon of variation of richness depending on the pressure or the temperature has however been neglected, since one is interested in detecting disparities of richness between the cylinders, the average value being normally preserved by the estimator.

Dans le modèle physique temps réel utilisé par l'estimateur selon l'invention, on relie la richesse mesurée (λ) à la masse d'air (ou au débit d'air) se trouvant autour de la sonde et à la masse totale (ou au débit total). Le modèle est basé sur une approche trois gaz : air, carburant et gaz brûlés. Ainsi, on considère, qu'à mélange pauvre, la totalité du gaz restant après combustion est un mélange d'air et de gaz brûlés. Pour un mélange riche, le carburant étant en excès, on retrouve donc du carburant imbrûlé et des gaz brûlés après combustion, tandis que tout l'air a disparu. En réalité, la combustion n'est jamais à 100% complète, mais pour notre estimateur, la combustion sera considérée comme complète.In the real-time physical model used by the estimator according to the invention, the measured wealth (λ) is connected to the mass of air (or to the air flow) around the probe and to the total mass ( or at the total rate). The model is based on a three-gas approach: air, fuel and flue gas. Thus, it is considered that, at lean mixture, the totality of the gas remaining after combustion is a mixture of air and gas burned. For a rich mixture, the fuel is in excess, so there is unburned fuel and burnt gases after combustion, while all the air is gone. In reality, the combustion is never 100% complete, but for our estimator, the combustion will be considered complete.

On définit une formulation reliant la richesse aux masses des trois espèces citées. Dans le cas d'un mélange pauvre : l'air est en excès, et il ne reste pas de carburant après la combustion. Avant combustion, on suppose que sont présentes les masses suivantes dans le cylindre, avec M air , la masse d'air, M carb , la masse de carburant et M gazB , la masse de gaz brûlés : M air = x ; M carb = y ; M gaz B = 0

Figure imgb0004
A formulation linking the richness to the masses of the three species mentioned is defined. In the case of a lean mixture: the air is in excess, and there is no fuel remaining after combustion. Before combustion, it is assumed that the following masses are present in the cylinder, with M air, the air mass M carb, the fuel mass M and gazB, the mass of burnt gases: M air = x ; M carb = there ; M gas B = 0
Figure imgb0004

Sachant qu'il faut 14,7 fois plus d'air que de carburant pour être à la stoechiométrie, on peut construire ce tableau indiquant les masses de chaque espèce avant et après combustion : Masse d'air Masse de carburant Masse de gaz brûlés Avant combustion x y 0 Après combustion x-14,7xy 0 y+14,7xy Knowing that it takes 14.7 times more air than fuel to be stoichiometric, one can build this table indicating the masses of each species before and after combustion: Air mass Mass of fuel Mass of burnt gases Before combustion x there 0 After combustion x-14,7xy 0 y + 14,7xy

La richesse λ représentant le rapport M carb /M air , on obtient après calculs la formulation suivante, uniquement valable si le mélange est pauvre : λ = M gaz B . PCO M air . 1 + PCO + M gaz B . PCO

Figure imgb0005
PCO correspond au rapport M air /M carb lorsque le mélange est stoechiométrique. PCO est le pouvoir calorifique du carburant.The richness λ representing the ratio M carb / M air , we obtain after calculations the following formulation, only valid if the mixture is poor: λ = M gas B . PCO M air . 1 + PCO + M gas B . PCO
Figure imgb0005
where PCO corresponds to the ratio M air / M carb when the mixture is stoichiometric. PCO is the calorific value of the fuel.

Pour un mélange riche, la formule est la suivante : λ = M carb . 1 + PCO M gaz B + 1

Figure imgb0006
For a rich mix, the formula is: λ = M carb . 1 + PCO M gas B + 1
Figure imgb0006

Cependant, ces formules sont valables dans le cas où le mélange ne contient pas d'EGR, puisque la présence de gaz brûlés à l'admission modifie les concentrations des trois gaz à l'échappement.However, these formulas are valid in the case where the mixture does not contain EGR, since the presence of flue gases on admission modifies the concentrations of the three exhaust gases.

Dans le présent mode de réalisation, seule la formule de richesse pour mélange pauvre est utilisée dans l'estimateur, au niveau de l'intégration de la richesse dans l'équation (7), en négligeant une très faible partie de l'air (<3%). Cependant, l'invention ne se limite pas à ce mode, en effet, la formule est continue au voisinage d'une richesse égale à 1, et son inversion ne pose pas de problème pour les mélanges riches.In the present embodiment, only the lean mixture richness formula is used in the estimator, at the level of integration of richness in equation (7), neglecting a very small portion of the air ( <3%). However, the invention is not limited to this mode, in fact, the formula is continuous in the vicinity of a richness equal to 1, and its inversion does not pose a problem for rich mixtures.

Afin de mieux appréhender la manière dont se mélangent les gaz dans les conduites d'échappement, un modèle de moteur diesel a été utilisé sous le logiciel AMESim de la Société IMAGINE (France). Ce modèle, qui ne peut pas être inversé servira de référence pour valider le modèle selon l'invention.In order to gain a better understanding of the way gases mix in the exhaust pipes, a diesel engine model was used under the AMESim software of IMAGINE (France). This model, which can not be reversed, will serve as a reference for validating the model according to the invention.

AMESim est un logiciel de modélisation 0D, particulièrement bien adapté aux phénomènes thermiques et hydrauliques. Il permet notamment de modéliser des volumes, conduites ou restriction.AMESim is a 0D modeling software, particularly well suited to thermal and hydraulic phenomena. It allows to model volumes, behaviors or restrictions.

Le modèle d'échappement comprend :

  • les tubulures d'échappement représentées par un volume et un tube ;
  • le collecteur d'échappement avec échanges thermiques ;
  • la turbine et la vanne de by-pass ;
  • un volume à la confluence des débits turbine et vanne;
  • un tube entre la turbine et la sonde de mesure ;
  • un volume et un tube pour la ligne d'échappement.
The exhaust model includes:
  • the exhaust pipes represented by a volume and a tube;
  • the exhaust manifold with heat exchange;
  • the turbine and the bypass valve;
  • a volume at the confluence of the turbine and valve flows;
  • a tube between the turbine and the measuring probe;
  • a volume and a tube for the exhaust line.

Les blocs élémentaires de modélisation des tubulures, restrictions et volumes sont décrits dans le manuel d'utilisation AMESim "Thermal Pneumatic Library". On utilise les équations standards pour calculer un débit à travers une restriction et les conservations d'énergie et de la masse. De plus, le modèle prend en compte les inerties des gaz, ce qui est important pour étudier la dynamique de la composition des gaz.The basic tubing, restriction and volume modeling blocks are described in the AMESim "Thermal Pneumatic Library" user manual. Standard equations are used to calculate a flow through a restriction and energy and mass conservations. In addition, the model takes into account gas inertia, which is important for studying the dynamics of gas composition.

Comme ce modèle est 0D, la dimension temps n'est pas prise en compte, et il n'est pas possible de modéliser un temps de retard avec une approche physique. Si une variable d'entrée est modifiée, la sortie est immédiatement changée. Le temps de transport est ainsi négligé. Cette limitation est importante lorsque l'on essaye de travailler sur des acquisitions en temps réel.Since this model is 0D, the time dimension is not taken into account, and it is not possible to model a delay time with a physical approach. If an input variable is changed, the output is immediately changed. The transport time is neglected. This limitation is important when trying to work on acquisitions in real time.

Selon l'invention, l'on définit un modèle physique temps réel unique pour modéliser le système global, c'est-à-dire l'ensemble du parcours des gaz d'échappement, depuis les cylindres jusqu'à l'échappement en aval de la turbine, en passant par le collecteur.According to the invention, a unique real-time physical model is defined for modeling the overall system, that is to say the entire path of the exhaust gases, from the cylinders to the downstream exhaust from the turbine, through the collector.

I- Définition d'un modèle physique temps réelI- Definition of a real-time physical model

Dans le présent mode de réalisation, on considère que la variation de la température est faible sur un cycle moteur, et que son action est limitée sur les variations de débits. Ce sont en effet les variations de pressions qui sont primordiales dans le processus, puisque directement reliées aux débits. On s'impose donc une température fixe pour chaque élément : cylindres, collecteur et turbine. Les échanges de chaleur ne sont donc pas non plus modélisés. Cette hypothèse de simplification se révèle sans grande incidence.In the present embodiment, it is considered that the variation of the temperature is low on a motor cycle, and that its action is limited on the variations of flow rates. It is indeed the pressure variations that are essential in the process, since they are directly related to flow rates. We therefore impose a fixed temperature for each element: cylinders, collector and turbine. Heat exchanges are therefore not modeled either. This simplification hypothesis is not very important.

Dans une première approche, deux gaz sont considérés: de l'air frais et des gaz brûlés. Les équations classiques décrivent l'évolution de la masse totale des gaz dans les volumes, et de la masse de l'air frais. Les gaz brûlés peuvent ensuite en être déduit. Cette démarche est valable dans le cas d'un fonctionnement en mélange pauvre, mais des équations similaires peuvent être écrites pour le carburant et les gaz brûlés, dans le cas de mélange riche.In a first approach, two gases are considered: fresh air and flue gases. The classical equations describe the evolution of the total mass of gases in volumes, and the mass of fresh air. The flue gas can then be deduced. This approach is valid in the case of a lean mixture operation, but similar equations can be written for the fuel and the flue gases, in the case of rich mixture.

A) Modèle physique du collecteur d'échappement :A) Physical model of the exhaust manifold:

Le collecteur d'échappement est modélisé selon un volume dans lequel il y a conservation de la masse. On suppose que la température est sensiblement constante, et déterminée à partir d'abaque fonction de la charge et du régime moteur.The exhaust manifold is modeled according to a volume in which there is conservation of the mass. It is assumed that the temperature is substantially constant, and determined from an abacus function of the load and the engine speed.

Selon l'invention, on a choisi de relier la richesse mesurée à la masse d'air se trouvant autour de la sonde et à la masse totale. Ainsi, la conservation de la masse totale dans le collecteur exprime le fait que la masse de gaz d'échappement dans le collecteur est égal à la masse de gaz d'échappement entrante dans le collecteur (débit de sortie des cylindres) diminuée de la masse sortante du collecteur. On suppose que la composition du débit dans la turbine est la même qu'à la sortie du collecteur. Ainsi la masse sortante du collecteur est égale au débit passant par la turbine. On a ainsi la formule suivante pour la masse totale : N e d M T d α = i = 1 n cyl d i α d T M T

Figure imgb0007
avec :

N e
: Régime moteur
α
: Angle du vilebrequin
M T
: Masse totale dans le collecteur d'échappement
d i
: Débit massique sortant du cylindre i
d T
: Débit total passant par la turbine
According to the invention, it has been chosen to relate the measured richness to the mass of air around the probe and to the total mass. Thus, the conservation of the total mass in the manifold expresses the fact that the mass of exhaust gas in the manifold is equal to the mass of exhaust gas entering the manifold (output flow of the cylinders) minus the mass outgoing collector. It is assumed that the composition of the flow rate in the turbine is the same as at the outlet of the collector. Thus the mass leaving the collector is equal to the flow rate passing through the turbine. We thus have the following formula for the total mass: NOT e d M T d α = Σ i = 1 not cyl d i α - d T M T
Figure imgb0007
with:
N e
: Engine speed
α
: Angle of the crankshaft
M T
: Total mass in the exhaust manifold
d i
: Mass flow coming out of the cylinder i
d T
: Total flow through the turbine

De même pour la conservation de la masse d'air, nous avons : N e d M air d α = i = 1 n cyl 1 λ i . d i α d air M air

Figure imgb0008
avec

N e
: Régime moteur
α :
Angle du vilebrequin
M air :
Masse d'air frais dans le collecteur d'échappement
λ i :
Richesse dans chacun des cylindres
d i :
Débit massique sortant du cylindre i
d air :
Débit d'air passant par la turbine
Similarly for the preservation of the air mass, we have: NOT e d M air d α = Σ i = 1 not cyl 1 - λ i . d i α - d air M air
Figure imgb0008
with
N e
: Engine speed
α:
Angle of the crankshaft
M air :
Fresh air mass in the exhaust manifold
λ i :
Wealth in each of the cylinders
d i :
Mass flow coming out of cylinder i
of air:
Air flow through the turbine

On décrit maintenant les modèles physiques permettant de déterminer le débit de sortie des cylindres et les débits passant par la turbine.The physical models for determining cylinder output and flow through the turbine are now described.

Modèle permettant de déterminer le débit de sortie des cylindres : éjection des gazModel to determine the output flow of the cylinders: gas ejection

Le débit de sortie des gaz à la sortie des cylindres peut être modéliser grâce un modèle physique décrivant le débit en sortie des soupapes d'échappement. Pour ce modèle, d'éjection des gaz par les soupapes, on utilise trois variables :

  • l'angle du vilebrequin (α);
  • le débit aspiré par le cylindre d asp (variable estimée par le contrôle moteur en amont) ;
  • la valeur moyenne de richesse mesurée par la sonde λ̅ sur un cycle.
Le débit sortant moyen est connu à partir du débit aspiré et du débit d'essence injectée. La valeur instantanée du débit sortant, quant à elle, est basée sur un gabarit dépendant du débit aspiré. Ce gabarit est un modèle physique (une courbe) reposant sur une loi empirique permettant d'estimer un débit moyen pour un cylindre en fonction de l'angle de vilebrequin à partir du régime moteur, de l'angle du vilebrequin, du débit aspiré par le cylindre et de la valeur moyenne de richesse mesurée par la sonde sur un cycle. Cette loi physique a pour seule contrainte de respecter le débit sortant moyen (aire de la courbe) et de fournir une courbe rendant compte des deux phénomènes suivants :
  • l'équilibre de pression cylindre/échappement qui se traduit par un pic de débit en fonction de l'angle du vilebrequin ;
  • un débit qui se calque sur la section efficace de la soupape d'échappement qui se traduit par un second pic de débit d'amplitude plus faible. Ce gabarit () fournit en sortie une allure (courbe) du débit massique en sortie des soupapes d'échappement d i , c'est-à-dire une estimation commune () du débit pour tous les cylindres. Il est obtenu en corrélation avec les mesures de banc moteur. En fonction du débit aspiré et de la richesse moyenne mesurée par la sonde λ̅, on effectue ensuite une homothétie du gabarit et l'on effectue un déphasage pour chaque cylindre en fonction de l'angle de vilebrequin, pour déduire le débit de sortie des gaz à la sortie de chaque cylindre : d i α = d α i + α . α 0
    Figure imgb0009
    avec :
    • d i (α) : le débit de sortie des gaz à la sortie du cylindre i ;
    • (α) : le gabarit, c'est-à-dire une estimation du débit en sortie des cylindres ;
    • α 0 = d asp . 1 + λ PCO
      Figure imgb0010
    • α i : l'angle de déphasage pour le cylindre i.
On peut observer schématiquement le déphasage de la courbe du gabarit sur la figure 1 (DS1 à DS4). The output flow rate of the gases at the outlet of the cylinders can be modeled by a physical model describing the output flow of the exhaust valves. For this model, gas ejection by the valves, three variables are used:
  • the angle of the crankshaft ( α );
  • the flow rate sucked by the cylinder asp (variable estimated by the engine control upstream);
  • the mean value of richness measured by the probe λ̅ on a cycle.
The average outflow is known from the intake flow and the gasoline flow injected. The instantaneous value of the outgoing flow, for its part, is based on a template dependent on the sucked flow rate. This template is a physical model (a curve) based on an empirical law for estimating a mean flow rate for a cylinder as a function of the crankshaft angle from the engine speed, the crankshaft angle, the flow sucked by the cylinder and the average value of richness measured by the probe on a cycle. This physical law has the only constraint to respect the average outflow (area of the curve) and to provide a curve accounting for the two following phenomena:
  • the cylinder / exhaust pressure equilibrium which results in a flow peak as a function of crankshaft angle;
  • a flow which is traced on the effective section of the exhaust valve which results in a second peak of lower amplitude flow rate. This template ( ) provides an output (curve) of the mass flow rate at the outlet of the exhaust valves d i , that is to say a common estimate ( ) of the flow rate for all the cylinders. It is obtained in correlation with engine bench measurements. As a function of the suction flow rate and the average richness measured by the probe λ̅, the template is then homothed and a phase shift is made for each cylinder as a function of the crankshaft angle, in order to deduce the output flow rate of the gases. at the exit of each cylinder: d i α = d ~ α i + α . α 0
    Figure imgb0009
    with:
    • d i ( α ): the output flow rate of the gases at the outlet of the cylinder i;
    • ( α ): the template, that is to say an estimate of the output flow of the cylinders;
    • α 0 = d asp . 1 + λ ~ PCO
      Figure imgb0010
    • α i : the phase shift angle for the cylinder i.
It is possible to observe schematically the phase shift of the curve of the template in FIG. 1 (DS1 to DS4).

On décrit maintenant les modèles physiques permettant de déterminer le débit passant par la turbine.The physical models for determining the flow through the turbine are now described.

Modèle permettant de déterminer le débit passant par la turbine : modèle de la turbineModel to determine the flow passing through the turbine: model of the turbine

La turbine est modélisée selon un débit passant à travers une restriction du débit. Le débit dans la turbine est généralement donné par cartographie (abaque) en fonction du régime de la turbine et du rapport de pression amont/aval de la turbine.The turbine is modeled according to a flow passing through a flow restriction. The flow rate in the turbine is generally given by mapping (abacus) as a function of the turbine speed and the upstream / downstream pressure ratio of the turbine.

Le débit passant par la turbine d T est une fonction de la masse totale (M T ) dans le collecteur d'échappement, de la température dans le collecteur d'échappement, du régime du turbocompresseur et de la géométrie du turbocompresseur. Les données d'entrée de ce modèle sont donc :

  • La masse totale de gaz d'échappement (M T ) ;
  • La masse d'air (M air );
  • Le régime moteur (N e );
  • Le régime de la turbine (du turbocompresseur).
The flow rate passing through the turbine d T is a function of the total mass ( M T ) in the exhaust manifold, the temperature in the exhaust manifold, the turbocharger speed and the geometry of the turbocharger. The input data of this model are:
  • The total mass of exhaust gas (M T );
  • The air mass ( M air );
  • The engine speed ( N e );
  • The speed of the turbine (turbocharger).

Ce débit peut être estimé à partir d'une fonction concave de la masse totale M T . Cette fonction est notée p. Le débit dans la turbine s'écrit alors : d T (M T )=M T ·p(M T ).This flow rate can be estimated from a concave function of the total mass MT. This function is noted p. The flow rate in the turbine is then written: d T ( M T ) = M T · p ( M T ).

La fonction p est une fonction de type racine qui s'exprime en fonction d'une part du régime de la turbine, et d'autre part en fonction du rapport entre la masse totale dans le collecteur d'échappement (M T ) et la masse dans le collecteur dans les conditions atmosphériques (M 0). Ainsi la cartographie donne p(M T ) en fonction du rapport M T M 0

Figure imgb0011
et du régime de la turbine (du turbocompresseur). La formule utilisée par cette cartographie est : p M T = f régime turbine . 2. g g 1 . M T M 0 2 g M T M 0 g + 1 g
Figure imgb0012

où :

  • f est une fonction polynomiale
  • g est une constante
Les paramètres de la fonction f sont optimisés par corrélation avec la cartographie de la turbine.The function p is a function of the root type which is expressed as a function of turbine speed on the one hand and on the other hand as a function of the ratio between the total mass in the exhaust manifold ( M T ) and the mass in the collector under atmospheric conditions ( M 0 ). Thus the map gives p ( M T ) according to the ratio M T M 0
Figure imgb0011
and turbine (turbocharger) speed. The formula used by this mapping is: p M T = f turbine scheme . 2. boy Wut boy Wut - 1 . M T M 0 - two boy Wut - M T M 0 - boy Wut + 1 boy Wut
Figure imgb0012

or :
  • f is a polynomial function
  • g is a constant
The parameters of the function f are optimized by correlation with the mapping of the turbine.

De plus la composition en air est supposée la même que dans le collecteur d'échappement. Le débit d'air passant à travers la turbine est donc : d air M air = M air M T d T M T = M air . p M T

Figure imgb0013
In addition, the air composition is assumed to be the same as in the exhaust manifold. The flow of air passing through the turbine is therefore: d air M air = M air M T d T M T = M air . p M T
Figure imgb0013

Ainsi, à l'aide des modèles physiques d'éjection des gaz et de la turbine, les équations (1) et (2) s'écrivent : { N e d M T d α = i = 1 n cyl d i α M T . p M T N e d M air d α = i = 1 n cyl 1 λ i . d i α M air . p M T

Figure imgb0014
Thus, using the physical models of gas ejection and the turbine, equations (1) and (2) are written: { NOT e d M T d α = Σ i = 1 not cyl d i α - M T . p M T NOT e d M air d α = Σ i = 1 not cyl 1 - λ i . d i α - M air . p M T
Figure imgb0014

Ce système d'équation (3) constitue le modèle physique du collecteur d'échappement.
Les données d'entrées de ce modèle sont :

N e :
Régime moteur
α :
Angle du vilebrequin
d i :
Débit massique sortant du cylindre i
d T :
Débit total passant par la turbine
d air
: Débit d'air passant par la turbine
λ i :
Richesse dans chacun des cylindres
This system of equation (3) constitutes the physical model of the exhaust manifold.
The input data of this model are:
N e :
Engine speed
α:
Angle of the crankshaft
d i :
Mass flow coming out of cylinder i
d T :
Total flow through the turbine
of air
: Air flow through the turbine
λ i :
Wealth in each of the cylinders

Et les inconnues du système sont :

M T
: Masse totale dans le collecteur d'échappement
M air :
Masse d'air frais dans le collecteur d'échappement
And the unknowns of the system are:
M T
: Total mass in the exhaust manifold
M air :
Fresh air mass in the exhaust manifold

La première équation contient une inconnue : M T . La seconde en contient deux : M air et λ i . Ceci conduit aux hypothèses supplémentaires décrites ci-après.The first equation contains one unknown: M T. The second contains two: M air and λ i . This leads to the additional assumptions described below.

B) Hypothèse sur les richesses sorties cylindre:B) Hypothesis on the wealth outputs cylinder:

Pour compléter le modèle physique temps réel (RTM) du collecteur d'échappement, on suppose que les richesses sorties cylindres sont constantes sur un point de fonctionnement, on a donc : N e . d λ i d α = 0

Figure imgb0015
To complete the real-time physical model (RTM) of the exhaust manifold, it is assumed that the cylindrical outputs are constant on an operating point, so we have: NOT e . d λ i d α = 0
Figure imgb0015

En fait, le calcul s'effectuant en temps réel, l'on estime des constantes λ i . In fact, the computation taking place in real time, one estimates constant λ i .

C) Hypothèse sur la dynamique du capteurC) Hypothesis on the dynamics of the sensor

Dans les équations précédentes, la richesse mesurée auprès du capteur est calculée à partir de la richesse dans les cylindres, du débit d'air en sortie cylindres et du débit du gaz total. Cette structure est difficilement utilisée dans un filtre de Kalman, car il faut estimer les entrées du modèle. Le modèle est donc complété par l'adjonction des entrées, M T et λ (Mohinder S. Grewal : « Kalman Filtering Theory and Practice » Prentice Hall 1993).In the previous equations, the measured richness at the sensor is calculated from the richness in the cylinders, the air flow at the cylinder output and the total gas flow rate. This structure is hardly used in a Kalman filter, because it is necessary to estimate the entries of the model. The model is therefore completed by the addition of entries, M T and λ (Mohinder S. Grewal: "Kalman Filtering Theory and Practice" Prentice Hall 1993).

Pour ce faire, on tient compte de la dynamique de réponse du capteur de richesse, et l'on modélise la fonction de transfert de la sonde de mesure (de type sonde "UEGO") selon un filtre du premier ordre. La richesse (λ) donnée par le modèle en aval de la turbine est égale à la richesse dans la collecteur, et en utilisant l'équation de la richesse précédemment décrite, il est possible d'estimer la richesse mesurée à partir de M T et M air : λ = M gaz B . PCO M air . 1 + PCO + M gaz B . PCO = 1 M air M T

Figure imgb0016
To do this, the response dynamics of the richness sensor are taken into account, and the transfer function of the measurement probe (of the "UEGO" probe type) is modeled according to a first-order filter. The richness (λ) given by the model downstream of the turbine is equal to the richness in the collector, and by using the equation of wealth previously described, it is possible to estimate the wealth measured from M T and M air : λ = M gas B . PCO M air . 1 + PCO + M gas B . PCO = 1 - M air M T
Figure imgb0016

Ainsi, on peut modéliser la réponse de la sonde par la relation suivante : N e . d λ d α = 1 τ M T M air M T λ

Figure imgb0017
avec :

τ :
Constante de temps du capteur de richesse considéré comme un premier ordre.
Thus, we can model the response of the probe by the following relation: NOT e . d λ d α = 1 τ M T - M air M T - λ
Figure imgb0017
with:
τ:
Time constant of the wealth sensor considered as a first order.

D) Expression du modèle physique temps réelD) Expression of the real-time physical model

Finalement, le modèle physique temps réel RTM peut se mettre sous la forme matricielle suivante à partir des équations (3), (5) et (6) : X = M T M air λ λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 N e . d X d α = i = 1 n cyl d i α M T . p M T i = 1 n cyl 1 λ i . d i α M air . p M T 1 τ M T M air M T λ 0 0 0 0

Figure imgb0018

Les inconnues du modèle physique sont au final M T , M air , λ et les λ i .
Les données de sorties du modèle physique sont M T et d i . Finally, the real-time physical model RTM can be put in the following matrix form from equations (3), (5) and (6): X = M T M air λ λ 1 λ two λ 3 λ 4 NOT e . d X d α = Σ i = 1 not cyl d i α - M T . p M T Σ i = 1 not cyl 1 - λ i . d i α - M air . p M T 1 τ M T - M air M T - λ 0 0 0 0
Figure imgb0018

The unknowns of the physical model are ultimately M T , M air , λ and λ i .
The output data of the physical model is M T and d i .

E) Temps de retard de l'échappement:E) Exhaust delay time:

Les temps de retard dus au transport du gaz dans les tubulures et les différents volumes, ainsi que du temps « mort » de la sonde de mesure, n'est pas pris en compte dans le modèle physique décrit ci-dessus (système d'équations 7). Cependant le modèle a été construit de manière linéaire vis-à-vis de ce ces retards car on néglige le transport dans les tubulures. Aussi, les retards peuvent être compilés en un seul délai de retard pour l'ensemble du processus d'échappement, et le modèle physique peut être inversé tel quel, l'influence du délai de retard pouvant être considéré ultérieurement, comme explicité ci-après.The delay times due to the gas transport in the pipes and the different volumes, as well as the "dead" time of the measuring probe, are not taken into account in the physical model described above (system of equations 7). However, the model has been built linearly with respect to these delays because the transport in the pipes is neglected. Also, the delays can be compiled in a single delay time for the entire escape process, and the physical model can be reversed as is, the influence of the delay delay can be considered later, as explained below. .

II- Estimateur de richesse :II- Wealth estimator:

Le modèle physique (7) décrit ci-dessus que la richesse en aval de la turbine (que l'on considère identique à la richesse dans le collecteur) est exprimée comme une fonction de la composition du débit de gaz à l'entrée du collecteur d'échappement.The physical model (7) described above that the wealth downstream of the turbine (which is considered identical to the richness in the collector) is expressed as a function of the composition of the gas flow at the inlet of the collector exhaust.

Les données mesurées sont :

  • Richesse mesurée par la sonde : λ
The measured data are:
  • Wealth measured by the probe: λ

Les autres données connues du système sont :

  • Régime moteur : N e
  • Angle du vilebrequin : α
  • Régime de la turbine (du turbocompresseur)
  • Débit aspiré par le cylindre
The other known data of the system are:
  • Engine Speed: N e
  • Angle of the crankshaft: α
  • Turbocharger (Turbocharger) Regime
  • Flow sucked by the cylinder

Les données modélisées du système sont :

  • Débit massique sortant du cylindre i : d i
  • Débit total passant par la turbine : d T
  • Débit d'air passant par la turbine : d air
  • Masse totale dans le collecteur d'échappement : M T
The modeled data of the system are:
  • Mass flow rate out of cylinder i: d i
  • Total flow through the turbine: d T
  • Air passing through the turbine flow rate: of air
  • Total mass in the exhaust manifold: M T

Les inconnues sont donc :

  • Richesses dans chacun des quatre cylindres : λ i
  • Masse d'air frais dans le collecteur d'échappement : M air
The unknowns are:
  • Riches in each of the four cylinders: λ i
  • Fresh air mass in the exhaust manifold: M air

Le modèle physique (7) est non linéaire, et il est impossible de résoudre un tel système en temps réel. Il est donc nécessaire d'utiliser un estimateur, plutôt que de chercher à calculer directement les inconnues du système. Le choix de l'estimateur selon l'invention repose sur le fait que ce modèle a une structure qui peut être utilisée dans un filtre de Kalman étendu. Ainsi, pour estimer les inconnues à partir du modèle physique RTM, la méthode selon l'invention propose de construire un estimateur basé sur un filtre de Kalman étendu. Un tel filtre est bien connu de l'homme du métier et est décrit dans le document suivant :

  • Greg Welch and Gary Bishop : « An Introduction to the Kalman Filter ».
  • University of North Carolina - Chapel Hill TR95-041. May 23, 2003).
On rappelle ci-après la structure d'un filtre de Kalman étendu. Le filtre de Kalman étendu, aussi appelé EKF (Extented Kalman Filter) permet d'estimer le vecteur d'état d'un processus dans le cas où celui-ci, ou le procédé de mesure, est non linéaire.The physical model (7) is non-linear, and it is impossible to solve such a system in real time. It is therefore necessary to use an estimator, rather than seeking to directly calculate the unknowns of the system. The choice of the estimator according to the invention is based on the fact that this model has a structure that can be used in an extended Kalman filter. Thus, to estimate the unknowns from the physical model RTM, the method according to the invention proposes to construct an estimator based on an extended Kalman filter. Such a filter is well known to those skilled in the art and is described in the following document:
  • Greg Welch and Gary Bishop: An Introduction to the Kalman Filter .
  • University of North Carolina - Chapel Hill TR95-041. May 23, 2003).
The following is a reminder of the structure of an extended Kalman filter. The extended Kalman filter, also called EKF (Extented Kalman Filter) makes it possible to estimate the state vector of a process in the case where the latter, or the measurement method, is nonlinear.

On suppose qu'un processus (x) est gouverné par une équation stochastique non linéaire (f). Au pas de temps k, on peut écrire : x k = f x k 1 , w k 1 avec : x k = M T k M air k λ k λ 1 k λ 2 k λ 3 k λ 4 k

Figure imgb0019
It is assumed that a process (x) is governed by a nonlinear stochastic equation ( f ). At the time step k, we can write: x k = f x k - 1 , w k - 1 with : x k = M T k M air k λ k λ 1 k λ two k λ 3 k λ 4 k
Figure imgb0019

Une mesure (y) est donnée par une équation d'observation non linéaire h. Au pas de temps k, on peut écrire : y k = h x k , v k

Figure imgb0020

où les variables aléatoires w k et v k représentent respectivement les bruits de modèle et les bruits de mesure.A measure ( y ) is given by a nonlinear observation equation h . At the time step k, we can write: there k = h x k , v k
Figure imgb0020

where the random variables w k and v k respectively represent the model noises and the measurement noises.

La méthode d'estimation comporte un estimateur basé sur une technique de prédiction / correction. C'est-à-dire que l'on réalise une prédiction de la variable, puis on y applique à chaque pas de temps une correction. Ces étapes de est le suivant prédiction / correction sont décrite ci-dessous dans le cadre général d'un filtre de Kalman étendu :

  • On note :
    • la prédiction de x au pas de temps k.
    • k l'estimation de x au pas de temps k.
The estimation method includes an estimator based on a prediction / correction technique. That is, a prediction of the variable is made and then a correction is applied at each time step. These steps of the following prediction / correction are described below in the general framework of an extended Kalman filter:
  • We notice :
    • x the prediction of x at time step k.
    • x k the estimate of x at the time step k.

Étape de prédiction : x ^ k = f x ^ k 1 , 0 P k = A k P k 1 A k T + W k Q k 1 W k T

Figure imgb0021
Prediction stage: x ^ k - = f x ^ k - 1 , 0 P k - = AT k P k - 1 AT k T + W k Q k - 1 W k T
Figure imgb0021

Dans les équations précédentes, nous utilisons les variables suivantes :

  • P k est la matrice symétrique définie positive de dispersion de l'erreur
  • Q k est la matrice symétrique définie positive de dispersion du bruit blanc gaussien w k
  • R k est la matrice symétrique définie positive de dispersion du bruit blanc gaussien v k
  • P k
    Figure imgb0022
    est la matrice symétrique définie positive de propagation de l'erreur
In the previous equations, we use the following variables:
  • P k is the symmetric positive definite matrix of dispersion of the error
  • Q k is the positive definite symmetric matrix of Gaussian white noise dispersion w k
  • R k is the positive definite symmetric matrix of dispersion of Gaussian white noise v k
  • P k -
    Figure imgb0022
    is the definite positive symmetric matrix of propagation of the error

Les différents éléments sont initialisés grâce aux valeurs obtenues en simulation avec AmeSim.The different elements are initialized thanks to the values obtained in simulation with AmeSim.

Étape de correction :

  • L'estimation de x au pas de temps k, x k , est obtenue par correction de la prédiction x ^ k
    Figure imgb0023
    de la façon suivante : K k = P k H k T H k P k H k T + V k R k V k T 1 x ^ k = x ^ k + K k y k h x ^ k , 0 P k = I K k H k P k
    Figure imgb0024

    où :
    • A est la matrice Jacobienne des dérivées partielles de f par rapport à x : A i , j = f i x j x ^ k , 0
      Figure imgb0025
    • W est la matrice Jacobienne des dérivées partielles de f par rapport à w : W i , j = f i w j x ^ k , 0
      Figure imgb0026
    • H est la matrice Jacobienne des dérivées partielles de h par rapport à x : H i , j = h i x j x ^ k , 0
      Figure imgb0027
    • V est la matrice Jacobienne des dérivées partielles de h par rapport à v : V i , j = h i x j x ^ k , 0
      Figure imgb0028
Correction step:
  • The estimate of x at the time step k, x k , is obtained by correcting the prediction x ^ k -
    Figure imgb0023
    as follows : K k = P k - H k T H k P k - H k T + V k R k V k T - 1 x ^ k = x ^ k - + K k there k - h x ^ k - , 0 P k = I - K k H k P k -
    Figure imgb0024

    or :
    • A is the Jacobian matrix of the partial derivatives of f with respect to x: AT i , j = f i x j x ^ k , 0
      Figure imgb0025
    • W is the Jacobian matrix of the partial derivatives of f with respect to w: W i , j = f i w j x ^ k , 0
      Figure imgb0026
    • H is the Jacobian matrix of the partial derivatives of h with respect to x: H i , j = h i x j x ^ k - , 0
      Figure imgb0027
    • V is the Jacobian matrix of the partial derivatives of h with respect to v: V i , j = h i x j x ^ k - , 0
      Figure imgb0028

On notera que pour alléger les notations, l'indice du pas de temps k n'a pas été indiqué, même si ces matrices sont en fait différentes à chaque pas.It should be noted that, in order to lighten the notations, the index of the time step k has not been indicated, even if these matrices are actually different at each step.

A l'entrée du filtre de Kalman, la richesse λ en aval de la turbine et la masse totale de gaz dans le collecteur (M T ), sont nécessaires. Les paramètres d'entrée, mesurés ou modélisés, de l'estimateur sont donc : Y = M T λ

Figure imgb0029
At the input of the Kalman filter, the wealth λ downstream of the turbine and the total mass of gas in the manifold ( M T ), are necessary. The input parameters, measured or modeled, of the estimator are: Y = M T λ
Figure imgb0029

La richesse est mesurée, la masse totale de gaz est le résultat du calcul du modèle (7) en parallèle au filtre de Kalman.The richness is measured, the total gas mass is the result of the calculation of the model (7) in parallel with the Kalman filter.

Cet estimateur basé sur un filtre de Kalman permet, au final, une estimation de la richesse cylindre à cylindre à partir de la mesure de richesse par le capteur situé derrière la turbine.This estimator based on a Kalman filter allows, ultimately, an estimation of the cylinder to cylinder richness from the measurement of wealth by the sensor located behind the turbine.

L'estimateur ainsi construit, permet de corriger en temps réel M T , M air , λ i et λ, à partir d'une première valeur de M T fournie par le modèle RTM (7) et à partir de la mesure de richesse effectuée par la sonde.The estimator thus constructed, makes it possible to correct in real time M T , M air , λ i and λ, from a first value of M T provided by the RTM model (7) and from the measurement of wealth performed. by the probe.

On résout numériquement en temps réel le filtre de Kalman, le calculateur faisant appel à une discrétisation d'Euler explicite, bien connu de l'homme du métier.The Kalman filter is solved numerically in real time, the calculator using explicit Euler discretization, which is well known to those skilled in the art.

Résultats en simulation : test de l'estimateur (9)Results in simulation: test of the estimator (9)

A partir des richesses individuelles connues, on estime par la modélisation de référence AMESim une richesse au niveau de la sonde (λ). Cette valeur de richesse (λ) est utilisée en entrée de l'estimateur. La dynamique de la sonde n'a pas été prise en compte. On applique des déséquilibres d'injection et on observe l'estimation cylindre à cylindre de la richesse (λ i ) à partir de la mesure de richesse derrière la turbine (λ).From the known individual wealth, one estimates by reference modelization AMESim a richness on the level of the probe (λ). This wealth value (λ) is used at the input of the estimator. The dynamics of the probe has not been taken into account. Injection imbalances are applied and the cylinder-to-cylinder estimation of the richness (λ i ) is observed from the wealth measurement behind the turbine (λ).

Pour la simulation, on déséquilibre successivement les 4 cylindres en introduisant 80µs d'injection en plus sur le cylindre, puis on déséquilibre le cylindre 1 et 4 de la même façon. Les figures 2A et 2B montrent en bas les richesses de références λ i ref

Figure imgb0030
données par AmeSim en fonction du temps (T) et en haut les résultats de l'estimateur (λ̂ i ) en fonction du temps (T). Les quatre courbes correspondent à chacun des quatre cylindres. La performance de l'estimateur basé sur le filtre de Kalman est très bonne. On note cependant une légère différence de phase, due à l'inertie du gaz qui n'est pas pris en compte dans le présent modèle. On se propose donc de compléter le modèle et l'estimateur par un estimateur du temps de retard à l'échappement.For the simulation, the 4 cylinders are successively unbalanced by introducing 80 μs of injection into the cylinder, and the cylinder 1 and 4 are unbalanced in the same way. Figures 2A and 2B show below the wealth of references λ i ref
Figure imgb0030
given by AmeSim as a function of time (T) and at the top the results of the estimator (λ i ) as a function of time (T). The four curves correspond to each of the four cylinders. The performance of the estimator based on the Kalman filter is very good. However, there is a slight difference in phase, due to the inertia of the gas which is not taken into account in the present model. It is therefore proposed to complete the model and the estimator by an estimator of the exhaust delay time.

Estimateur du temps de retard à l'échappement :Exhaust delay time estimator:

L'estimateur implémenté comme décrit plus haut, ne permet pas à la méthode d'estimation de prendre en compte le temps de retard entre l'échappement cylindre et le signal acquis par la sonde. Dans la réalité, le temps de retard provient de plusieurs sources : temps de transport dans les tubulures et à travers les volumes, temps mort de la sonde de mesure.The estimator implemented as described above, does not allow the estimation method to take into account the delay time between the cylinder exhaust and the signal acquired by the probe. In reality, the delay time comes from several sources: transport time in the pipes and through the volumes, dead time of the measuring probe.

En appliquant un temps de retard D à l'entrée de l'estimateur sur les variables provenant du modèle, on peut synchroniser l'estimateur avec les mesures de richesse. La structure de l'estimateur avec retard est illustrée sur la figure 3, dans laquelle :

  • N e et α sont les données d'entrées du modèle RTM décrit par les équations (7) ;
  • MMBO est le Modèle de Masse Boucle Ouverte (modèle RTM) ;
  • D est le retard appliqué aux variables de sorties du modèle RTM (MMBO) ; ce retard est issu de l'équation (10) ;
  • SR est la sonde de mesure de la richesse en aval de la turbine utilisée ;
  • ERFK est l'Estimateur de Richesse basé sur un Filtre de Kalman et décrit par l'équation (9) ;
  • λ i est la richesse du cylindre i estimée par l'ERFK.
By applying a delay time D to the input of the estimator on the variables coming from the model, we can synchronize the estimator with the measures of richness. The structure of the delay estimator is illustrated in Figure 3, in which:
  • N e and α are the input data of the RTM model described by equations (7);
  • MMBO is the Open Loop Mass Model (RTM model);
  • D is the delay applied to the output variables of the RTM model (MMBO); this delay comes from equation (10);
  • SR is the measurement of the wealth downstream of the turbine used;
  • ERFK is the Kalman Filter-based Richness Estimator and described by Equation (9);
  • λ i is the richness of the cylinder i estimated by the ERFK.

Le temps de retard dépend des conditions de fonctionnement : vitesse du moteur, charge, pression au collecteur d'échappement, etc. Comme le retard est difficile à modéliser, on a développé une méthode d'identification, de manière à calculer en temps réel le retard entre l'estimateur et les mesures sans appel à une instrumentation supplémentaire. Le principe consiste à appliquer un petit échelon dans le voisinage du point d'injection du cylindre 1, et à calculer les variations estimées de richesse pour chacun des cylindres. Puis, un critère d'identification J k est construit de manière à pénaliser les variations des cylindres 2, 3, et 4. { β = 0 , 1 , 1 , 2 J k = β Λ k Λ 0

Figure imgb0031
avec :

  • Λ k = λ ^ 1 λ ^ 2 λ ^ 3 λ ^ 4 :
    Figure imgb0032
    composition au pas k
  • Λ 0 = λ 1 ref λ 2 ref λ 3 ref λ 4 ref :
    Figure imgb0033
    : composition de référence
The delay time depends on the operating conditions: motor speed, load, exhaust manifold pressure, etc. Since the delay is difficult to model, an identification method has been developed to calculate in real time the delay between the estimator and the measurements without any additional instrumentation. The principle consists of applying a small step in the vicinity of the injection point of the cylinder 1, and calculating the estimated variations of richness for each of the cylinders. Then, an identification criterion J k is constructed so as to penalize the variations of the cylinders 2, 3, and 4. { β = 0 , 1 , - 1 , two J k = β * Λ k - Λ 0
Figure imgb0031
with:
  • Λ k = λ ^ 1 λ ^ two λ ^ 3 λ ^ 4 :
    Figure imgb0032
    composition in step k
  • Λ 0 = λ 1 ref λ two ref λ 3 ref λ 4 ref :
    Figure imgb0033
    : reference composition

La pénalisation est donnée par β. S'il y a une variation positive de la valeur de richesse estimée pour le cylindre 2, alors le temps de retard entre l'estimateur et les mesures est positif. S'il y a une variation sur le cylindre 3, le retard est négatif et la pénalisation est négative. Une variation du cylindre 4 peut être considérée comme une conséquence d'un retard positif ou négatif. Le retard D appliqué aux variables de sorties du modèle RTM, est un délai additif, il est calculé par moindre carré en minimisant J k . The penalty is given by β. If there is a positive variation in the estimated wealth value for cylinder 2, then the delay time between the estimator and the measurements is positive. If there is a variation on cylinder 3, the delay is negative and the penalty is negative. A variation of the cylinder 4 can be considered as a consequence of a positive or negative delay. The delay D applied to the output variables of the RTM model, is an additive delay, it is computed by least squares by minimizing J k .

Le critère J k est contrôlé à zéro par un contrôleur PI (Proportionnel Intégral) sur le retard de l'estimateur. Quand le contrôleur est stabilisé, la variation de la richesse estimée est maximale sur le cylindre 1, et minimale sur le cylindre 4. L'estimateur est alors en phase avec les mesures.The criterion J k is controlled to zero by a PI (Proportional Integral) controller on the delay of the estimator. When the controller is stabilized, the variation of the estimated richness is maximum on the cylinder 1, and minimum on the cylinder 4. The estimator is then in phase with the measurements.

Résultats :Results:

Les figures 4A à 4F illustrent l'estimation de la richesse cylindre à cylindre par l'estimateur décrit précédemment sur deux points de fonctionnement 2000tr/min forte charge, 9 bar, (figures 4A à 4C) et 2500 tr/min faible charge, 3 bar, (figures 4D à 4F). Ces figures montrent en haut les richesses de références λ i ref

Figure imgb0034
en fonction du temps (T) et en bas les résultats de l'estimateur (λ̂ i ) en fonction du temps (T). Les quatre courbes correspondent à chacun des quatre cylindres.FIGS. 4A to 4F illustrate the estimation of cylinder to cylinder richness by the estimator previously described on two operating points 2000tr / min high load, 9 bar, (FIGS. 4A to 4C) and 2500 rpm low load, 3 bar, (Figures 4D to 4F). These figures show up the wealth of references λ i ref
Figure imgb0034
as a function of time (T) and at the bottom the results of the estimator (λ i ) as a function of time (T). The four curves correspond to each of the four cylinders.

La présente invention concerne une méthode d'estimation comportant la construction d'un estimateur, permettant, à partir de la mesure de richesse de la sonde (λ) et de l'information de masse totale de gaz à l'intérieur du collecteur (M T ), d'estimer les richesses en sortie des quatre cylindres (λ i ). L'estimateur ainsi réalisé est performant, et surtout ne nécessite aucun réglage supplémentaire dans le cas de changement du point de fonctionnement. Aucune phase d'identification n'est nécessaire, seul un réglage des bruits de mesure et de modèle doit être effectué, une seule et unique fois.The present invention relates to an estimation method comprising the construction of an estimator, making it possible, from the measurement of the richness of the probe (λ) and the total mass of gas information inside the collector ( M T ), to estimate the wealth at the output of the four cylinders ( λ i ). The estimator thus produced is efficient, and above all does not require any additional adjustment in the case of change of the operating point. No identification phase is necessary, only a measurement and model noise adjustment must be carried out, once and only once.

Pour rendre plus robuste l'estimation selon l'invention, quelles que soient les conditions de fonctionnement, un contrôleur de temps de retard est mis en parallèle de l'estimateur, permettant de recaler le temps de retard à la suite d'un échelon de temps d'injection sur un cylindre. Ceci permet un calage optimal de l'estimateur, par exemple avant une phase de richesse égale à 1.To make the estimation according to the invention more robust, whatever the operating conditions, a delay time controller is put in parallel with the estimator, making it possible to reset the delay time following a step of injection time on a cylinder. This allows optimal calibration of the estimator, for example before a rich phase equal to 1.

L'invention permet en outre d'effectuer une mesure tous les 6° de rotation du vilebrequin et donc d'avoir une information haute fréquence de la mesure de richesse, sans pour autant tomber dans le bruit de mesure. De plus, la représentation haute fréquence permet de tenir compte de l'effet pulsatoire du système. Le système modélisé est périodique et permet d'obtenir un estimateur avec une meilleure dynamique : on anticipe la pulsation de l'échappement.The invention also makes it possible to perform a measurement every 6 ° of rotation of the crankshaft and thus to have a high frequency information of the measurement of richness, without falling into the measurement noise. In addition, the high frequency representation makes it possible to take into account the pulsating effect of the system. The modeled system is periodic and makes it possible to obtain an estimator with a better dynamics: one anticipates the pulsation of the escapement.

Par ailleurs l'invention permet de réduire le temps de calcul d'un facteur 80 environ par rapport aux méthodes antérieures.Moreover, the invention makes it possible to reduce the calculation time by a factor of about 80 compared to the previous methods.

Claims (8)

Méthode pour estimer la richesse en carburant dans chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant un circuit d'échappement de gaz comprenant au moins des cylindres reliés à un collecteur et un capteur de mesure de la richesse (λ) en aval dudit collecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes : - on définit une estimation de ladite richesse (λ) mesurée par ledit capteur à partir d'au moins une variable dudit modèle ; - on réalise une modélisation de la fonction de transfert dudit capteur dans lequel on prend en compte ladite estimation de la mesure de richesse mesurée ; - on établit un modèle physique en temps réel du parcours des gaz dans ledit circuit d'échappement jusqu'audit capteur, dans lequel on prend en compte la modélisation de la fonction de transfert, et comprenant : - un modèle physique d'éjection des gaz dans chacun desdits cylindres ; - un modèle physique dudit collecteur d'échappement ; - un modèle physique du débit passant par une turbine ; - un modèle de temps de retard de l'échappement jusqu'au capteur ; - on couple ledit modèle avec un estimateur non linéaire de type Kalman étendu ; - on réalise une estimation en temps réel de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres, à partir dudit estimateur non linéaire de type Kalman étendu. Method for estimating the fuel richness in each of the cylinders of an internal combustion engine comprising a gas exhaust circuit comprising at least cylinders connected to a collector and a wealth measurement sensor (λ) downstream of said collector , characterized in that it comprises the following steps: an estimate of said richness (λ) measured by said sensor is defined from at least one variable of said model; a modeling is carried out of the transfer function of said sensor in which said estimate of the measurement of measured wealth is taken into account; a physical model is established in real time of the path of the gases in said exhaust circuit to said sensor, in which the modeling of the transfer function is taken into account, and comprising: a physical model for ejecting gases into each of said cylinders; a physical model of said exhaust manifold; - a physical model of the flow passing through a turbine; - a model of delay time from the exhaust to the sensor; said model is coupled with a nonlinear estimator of the extended Kalman type; a real-time estimation of the value of the richness in each of the cylinders is made from said nonlinear estimator of the extended Kalman type. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on réalise ladite modélisation de la fonction de transfert à partir d'un filtre du premier ordre.The method of claim 1, wherein said modeling of the transfer function is performed from a first order filter. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on évalue un temps de retard dû au temps de transit des gaz et au temps de réponse du capteur, en effectuant une perturbation test dans un cylindre déterminé et en mesurant son effet au capteur.Method according to one of the preceding claims, wherein a delay time due to the transit time of the gases and the response time of the sensor is evaluated by performing a test perturbation in a given cylinder and measuring its effect on the sensor. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit modèle physique comporte au moins les quatre types de variables suivants : la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ), la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ), la richesse mesurée par ledit capteur (λ) et les richesses dans chacun des cylindres (λ i )Method according to one of the preceding claims, wherein said physical model comprises at least the following four types of variables: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), the fresh air mass in the exhaust manifold ( M air ), the wealth measured by said sensor (λ) and the wealth in each of the cylinders ( λ i ) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit modèle physique comporte au moins les deux types données de sortie suivants : la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ) et des débits massiques sortant desdits cylindres (d i ).Method according to one of the preceding claims, wherein said physical model comprises at least the following two types of output data: the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and mass flow rates exiting said cylinders ( d i ). Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite richesse (λ) mesurée est estimée en fonction de la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ) et la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ).Method according to one of the preceding claims, wherein said measured richness (λ) is estimated as a function of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ) and the fresh air mass in the exhaust manifold ( M air ). Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite estimation de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres comporte une correction en temps réel de l'estimation de la masse totale de gaz dans le collecteur d'échappement (M T ), de l'estimation de la masse d'air frais dans le collecteur d'échappement (M air ) et de l'estimation de la valeur de la richesse dans chacun des cylindres (λ i ).Method according to one of the preceding claims, wherein said estimation of the value of the richness in each of the rolls comprises a real time correction of the estimate of the total mass of gas in the exhaust manifold ( M T ), estimating the fresh air mass in the exhaust manifold ( M air ) and estimating the value of the richness in each of the cylinders (λ i ). Application de la méthode selon l'une des revendications précédentes à un contrôle moteur pour adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres afin de régler la richesse dans tous les cylindres.Application of the method according to one of the preceding claims to an engine control to adapt the fuel masses injected into each of the cylinders to adjust the richness in all the cylinders.
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