EP1898079B1 - Procedure de modulation de performances d'un moteur thermique base sur une estimation de la temperature de piston - Google Patents

Procedure de modulation de performances d'un moteur thermique base sur une estimation de la temperature de piston Download PDF

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EP1898079B1
EP1898079B1 EP20070115763 EP07115763A EP1898079B1 EP 1898079 B1 EP1898079 B1 EP 1898079B1 EP 20070115763 EP20070115763 EP 20070115763 EP 07115763 A EP07115763 A EP 07115763A EP 1898079 B1 EP1898079 B1 EP 1898079B1
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Benoît GOBIN
François GARNIER
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow

Definitions

  • a method of modulating the performance of a heat engine based on an estimate of the piston temperature is provided.
  • the document EP-A-1 473 455 describes a method for estimating the temperature of the piston.
  • the invention provides a solution to improve the operating conditions of the heat engine pistons, so as to reduce the dimensioning of these pistons and / or to increase the service life.
  • This over-sizing is penalizing in terms of the manufacturing cost of the pistons, and it is also limiting with respect to engine performance when it is operated under normal conditions of use.
  • the object of the invention is to overcome this drawback by proposing a motor control method for reducing the size of the pistons.
  • the subject of the invention is a method for controlling a heat engine such as a motor vehicle engine, consisting in continuously evaluating a temperature of the piston or pistons of this engine from updated data in real time which are representative of thermal flows in and out of the engine, and to modify at least one power parameter of the engine, such as the injected fuel flow, when this temperature reaches a maximum of first threshold value corresponding to a risk of nibbling and / or melting of the piston or after exceeding by the temperature of a second threshold value during a predetermined time interval, the exceeding of this second threshold value beyond the interval of predetermined time corresponding to a risk of cracking of the piston or pistons.
  • a heat engine such as a motor vehicle engine
  • the invention also relates to a method as defined above, in which the temperature of the piston or pistons is evaluated on the basis of data from sensors which are representative of the flow rate and the temperature of the air entering the engine, fuel flow into the engine, feed and injection pressure, coolant and engine oil temperatures, and engine speed.
  • the invention also relates to a method as defined above, in which the modified parameter is the fuel flow injected into the engine.
  • the invention also relates to a method as defined above, in which the modified parameters are the injection advance, the injection pressure, the fuel flow, and the air flow admitted into the engine.
  • the invention also relates to a method as defined above, in which the engine power parameters are modified so as to avoid exceeding the first threshold value and the second threshold value beyond the predetermined duration.
  • the invention also relates to a method as defined above, wherein the first threshold value is a material-dependent constant in which the piston is manufactured.
  • the idea underlying the invention is to modulate the control of the engine so as to prevent it from being exploited under severe conditions, that is to say at operating points likely to cause deterioration of the engine. or pistons. Thanks to this control, the dimensioning of the pistons can be revised downwards without penalizing their lifetime.
  • control of the motor is modulated by modifying its power parameters in real time, so as to remain continuously in normal operating ranges.
  • the critical operating ranges are temperature values of the piston or pistons not to be exceeded.
  • the fuel injection rate in the cylinders is reduced so as to remain below the critical temperature.
  • the temperature of the pistons is determined by a quasi-static estimator taking into account the different thermal flows in and out of the engine, as well as the temperature of the cooling water and the engine oil to determine the temperature of its pistons.
  • the method according to the invention is implemented in a motor control management unit, that is to say by an injection management unit.
  • the deterioration of a piston generally occurs on the one hand by nibbling or melting, and on the other hand by cracking.
  • the nibbling and melting are favored by a local increase in the temperature of the piston, while the cracking is caused by a hot-cold thermal shock, or by an alternation of mechanical stresses whose effects are accentuated by an average temperature of the piston too high.
  • the invention proposes the implementation of a first temperature threshold T1 of the piston Tp not to be exceeded in order to avoid the appearance of the nibbling and / or melting phenomenon.
  • This first temperature threshold can be defined theoretically or empirically, that is to say by tests: it is a fixed value which depends mainly on the characteristics of the material in which the piston is manufactured.
  • the invention further proposes the implementation of a second temperature threshold, denoted T2, which can only be exceeded for a duration shorter than a predetermined value, T max, to prevent the occurrence of the cracking phenomenon.
  • the second temperature threshold T2 as well as the maximum duration Tmax are defined by first establishing a damage law from bench engine tests, then choosing values of T2 and Tmax ensuring that by relying on this law of damage, the cracking must not appear if the criterion T2 and Tmax is respected.
  • the tests initially consist in defining empirically a damage law taking into account the temperature of the piston Tp, the temperature Tgaz of the gases in the combustion chamber, the pressure Pcyl in the cylinders as well as the time spent on each point of considered.
  • the temperature Tp determined with a lower detailed estimator, or by direct measurements by equipping the pistons with sensors.
  • the pressure of the gases can come from sensors, and their temperature can be deduced from different measurements by thermodynamic calculations.
  • the pressure and temperature of the gases can also be calculated from the advance to injection, injection pressure, air flow, fuel flow, and air temperature.
  • a temperature value T2 and a duration Tmax are chosen using the damage law previously established.
  • T2 and Tmax are chosen so as to respect the condition according to which for any operating point Pcyl and Tgaz possible, the law of damage shows that the cracking does not appear until the temperature T2 is exceeded during a duration greater than Tmax.
  • the second threshold value T2 is smaller than the first threshold value T1.
  • the temperature of the piston Tp is continuously evaluated thanks to a quasi-static type estimator, implemented for example in the power management unit, and taking into account: the air flow rate Qair entering the engine; fuel flow Qcarb; the air temperature Tair; the injection advance Ai; Prail pressure of the fuel in the injection rail of the injection system; the water temperature of the engine cooling water which is representative of the average temperature of the entire engine; the oil temperature of the engine oil; and the engine speed N.
  • a quasi-static type estimator implemented for example in the power management unit, and taking into account: the air flow rate Qair entering the engine; fuel flow Qcarb; the air temperature Tair; the injection advance Ai; Prail pressure of the fuel in the injection rail of the injection system; the water temperature of the engine cooling water which is representative of the average temperature of the entire engine; the oil temperature of the engine oil; and the engine speed N.
  • Tp water, oil
  • Tpiston (95, 125) F (water-95) + G . (Toil-125).
  • the coefficients A, B, C, D, E, F and G are coefficients determined from bench tests in instrumenting the piston or pistons and determining the values of these coefficients so that the estimator as defined above provides a temperature evaluation as close as possible to the values measured on the instrumented piston or pistons.
  • the estimator shows, it is of quasi-static type, that is to say that once the coefficients A to G calibrated, the temperature of the pistons can be evaluated directly from the instantaneous values different variables that come into play.
  • This estimator is thus simple to implement in a computer of the management unit which is directly or indirectly linked, for example via a CAN bus of the vehicle, to different sensors or calculators of the vehicle delivering real-time values of the different variables needed to evaluate the temperature of the pistons.
  • control unit in which the method is implemented modulates the power supply of the motor when the temperature Tp of the pistons reaches the first threshold temperature T1, by modifying the power parameters to prevent the temperature Tp does not exceed the T1 value.
  • the management unit when it is reached by the pistons, the management unit triggers a time delay for a predetermined duration Tmax, and stops this delay if the temperature of the pistons goes back to below T2 before flow of duration Tmax.
  • the management unit modulates the power supply of the motor only if, after the lapse of the duration Tmax, the temperature of the pistons is still greater than the second threshold value T2.
  • the management unit acts on the engine injection system for example to reduce the flow of fuel injected when the engine Although it reaches a severe operating zone, it can also affect other injection parameters and the air flow parameter to prevent the engine from being used under severe conditions.
  • the management unit can be provided to modulate the power supply by modifying the ignition advance Ai, the pressure Prail in the injection rail, or the air flow Qair, which translates for the user by reducing the power delivered by the engine relative to the power it requires by acting on the accelerator pedal.

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Description

  • Procédé de modulation de performances d'un moteur thermique basé sur une estimation de la température de piston.
  • Le document EP-A-1 473 455 décrit un procédé d'estimation de la température du piston.
  • L'invention apporte une solution pour améliorer les conditions de fonctionnement des pistons de moteurs thermiques, afin soit de réduire le dimensionnement de ces pistons et/ou d'en augmenter la durée de vie.
  • Il apparaît que lorsque les pistons d'un moteur sont soumis à des conditions de fonctionnement sévères, ils sont sujets à deux types de dégradations : d'une part le grignotage et la fusion, et d'autre part la fissuration.
  • Afin de minimiser le risque d'apparition de telles dégradations, on est donc amené à surdimensionner les pistons, c'est-à-dire à les dimensionner en se basant sur une utilisation en conditions sévères, au lieu de les dimensionner simplement en se basant sur des conditions normales d'utilisation.
  • Ce surdimensionnement est pénalisant en termes de coût de fabrication des pistons, et il est d'autre part limitatif vis-à-vis des performances du moteur lorsque celui-ci est exploité en conditions d'utilisation normales.
  • Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé de pilotage de moteur permettant de réduire le dimensionnement des pistons.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'un moteur thermique tel qu'un moteur de véhicule automobile, consistant à évaluer continûment une température du ou des pistons de ce moteur à partir de données actualisées en temps réel qui sont représentatives de flux thermiques entrants et sortants du moteur thermique, et à modifier au moins un paramètre d'alimentation de ce moteur, tel que le débit de carburant injecté, lorsque cette température atteint une première valeur seuil correspondant à un risque de grignotage et/ou de fusion du piston ou après dépassement par la température d'une seconde valeur seuil pendant un intervalle de temps prédéterminé, le dépassement de cette seconde valeur seuil au-delà de l'intervalle de temps prédéterminé correspondant à un risque de fissuration du ou des pistons.
  • L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la température du ou des pistons est évaluée à partir de données issues de capteurs qui sont représentatives du débit et de la température de l'air entrant dans le moteur, du débit de carburant entrant dans le moteur, de l'avance et de la pression d'injection, des températures de l'eau de refroidissement et de l'huile du moteur, et du régime du moteur.
  • L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le paramètre modifié est le débit de carburant injecté dans le moteur.
  • L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel les paramètres modifiés sont l'avance à l'injection, la pression d'injection, le débit de carburant, et le débit d'air admis dans le moteur.
  • L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel les paramètres d'alimentation du moteur sont modifiés de manière à éviter un dépassement de la première valeur seuil et de la seconde valeur seuil au-delà de la durée prédéterminée.
  • L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la première valeur seuil est une constante dépendant du matériau dans lequel le piston est fabriqué.
  • L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence à la figure unique qui est un graphe montrant l'évolution de température de pistons au cours du temps et illustrant des critères de détection de conditions d'utilisation sévère sur la base de l'évolution de cette température.
  • L'idée à la base de l'invention est de moduler le pilotage du moteur de manière à éviter qu'il ne soit exploité dans des conditions sévères, c'est-à-dire à des points de fonctionnement susceptibles de provoquer une détérioration du ou des pistons. Grâce à ce pilotage, le dimensionnement des pistons peut être revu à la baisse sans pénaliser leur durée de vie.
  • Selon l'invention, le pilotage du moteur est modulé en modifiant ses paramètres d'alimentation en temps réel, de manière à rester continûment dans des plages de fonctionnement normal. Les plages de fonctionnement critiques sont des valeurs de température du ou des pistons à ne pas dépasser.
  • Par exemple, lorsque la température critique des pistons est atteinte, le débit d'injection de carburant dans les cylindres est réduit de manière à rester en deçà de la température critique.
  • La température des pistons est déterminée par un estimateur quasi-statique prenant en compte les différents flux thermiques entrants et sortants du moteur, ainsi que la température de l'eau de refroidissement et de l'huile moteur pour déterminer la température de ses pistons.
  • Le procédé selon l'invention est implémenté dans une unité de gestion du contrôle moteur, c'est-à-dire par une unité de gestion de l'injection.
  • Plus particulièrement, la détérioration d'un piston se produit généralement d'une part par grignotage ou fusion, et d'autre part par fissuration. Le grignotage et la fusion sont favorisés par une augmentation locale de la température du piston, alors que la fissuration est provoquée par un choc thermique chaud-froid, ou par une alternance de contraintes mécaniques dont les effets sont accentués par une température moyenne du piston trop élevée.
  • Afin d'éviter la détérioration du piston, l'invention propose la mise en oeuvre d'un premier seuil T1 de température du piston Tp à ne pas dépasser afin d'éviter l'apparition du phénomène de grignotage et/ou de fusion.
  • Ce premier seuil de température peut être défini de manière théorique ou bien empirique, c'est-à-dire par des essais : il s'agit d'une valeur fixe qui dépend principalement des caractéristiques du matériau dans lequel est fabriqué le piston.
  • L'invention propose d'autre part la mise en oeuvre d'un second seuil de température, noté T2, ne pouvant être dépassé que pendant une durée inférieure à une valeur prédéterminée, Tmax, pour éviter l'apparition du phénomène de fissuration.
  • Le second seuil de température T2 ainsi que la durée maximale Tmax sont définis en établissement d'abord une loi d'endommagement à partir d'essais du moteur sur banc, puis en choisissant des valeurs de T2 et Tmax assurant qu'en se fiant à cette loi d'endommagement, la fissuration ne doit pas apparaître si le critère T2 et Tmax est respecté.
  • Les essais consistent dans un premier temps à définir empiriquement une loi d'endommagement prenant en compte la température du piston Tp, la température Tgaz des gaz dans la chambre de combustion, la pression Pcyl dans les cylindres ainsi que le temps passé sur chaque point de fonctionnement considéré.
  • La température Tp déterminée avec un estimateur détaillé plus bas, ou bien par mesures directes en équipant les pistons de capteurs. La pression des gaz peut être issue de capteurs, et leur température peut être déduite de différentes mesures par calculs thermodynamiques. La pression et la température des gaz peuvent aussi être calculées à partir de l'avance à l'injection, de la pression d'injection, du débit d'air, du débit de carburant, et de la température de l'air.
  • Dans un second temps une valeur de température T2 et de durée Tmax sont choisis en utilisant la loi d'endommagement établie précédemment.
  • Les valeurs de T2 et Tmax sont choisies de manière à respecter la condition selon laquelle pour tout point de fonctionnement Pcyl et Tgaz possible, la loi d'endommagement montre que la fissuration n'apparaît pas tant que la température T2 n'est pas dépassée pendant une durée supérieure à Tmax.
  • En pratique, la seconde valeur seuil T2 est inférieure à la première valeur seuil T1.
  • La température du piston Tp est évaluée continûment grâce à un estimateur de type quasi-statique, implémenté par exemple dans l'unité de gestion de l'alimentation, et prenant en compte : le débit Qair d'air entrant dans le moteur ; le débit de carburant Qcarb ; la température de l'air Tair ; l'avance à l'injection Ai ; la pression Prail du carburant dans le rail d'injection du système d'injection ; la température Teau de l'eau de refroidissement du moteur qui est représentative de la température moyenne de l'ensemble du moteur ; la température Thuile de l'huile moteur ; et le régime N du moteur.
  • Avantageusement, l'estimateur quasi statique de la température du piston Tpiston s'écrit de la manière suivante, dans laquelle Tp(95, 125) correspond à la température du piston si l'eau et l'huile sont respectivement à 95° et 125°C : Tp(95, 125)=A.Qair+B.Qcarb+C.Tair+D.Ai+E.Prail.
  • La température effective du piston, notée Tp(Teau, Thuile), est ensuite corrigée à partir des températures Teau et Thuile comm suit : Tp(Teau, Thuile) - Tpiston(95, 125)=F.(Teau-95)+G.(Thuile-125).
  • Les coefficients A, B, C, D, E, F et G sont des coefficients déterminés à partir d'essais sur banc en instrumentant le ou les pistons et en déterminant les valeurs de ces coefficients pour que l'estimateur tel que défini ci-dessus fournisse une évaluation de température la plus proche possible des valeurs mesurées sur le ou les pistons instrumentés.
  • Comme le montre l'expression de l'estimateur, il est de type quasi-statique, c'est-à-dire qu'une fois les coefficients A à G calibrés, la température des pistons peut être évaluée directement à partir des valeurs instantanées des différentes variables entrant en ligne de compte.
  • Cet estimateur est ainsi simple à mettre en oeuvre dans un calculateur de l'unité de gestion qui est liée directement ou indirectement, par exemple via un bus CAN du véhicule, à différents capteurs ou calculateurs du véhicule délivrant des valeurs actualisées en temps réel des différentes variables nécessaires à l'évaluation de la température des pistons.
  • Comme représenté dans la figure unique, l'unité de commande dans laquelle est implémenté le procédé module l'alimentation du moteur lorsque la température Tp des pistons atteint la première température seuil T1, en modifiant les paramètres d'alimentation pour éviter que la température Tp ne dépasse la valeur T1.
  • En ce qui concerne la seconde valeur seuil, notée T2, lorsqu'elle est atteinte par les pistons, l'unité de gestion enclenche une temporisation pour une durée prédéterminée Tmax, et arrête cette temporisation si la température des pistons repasse en deçà de T2 avant écoulement de la durée Tmax.
  • Dans ce second cas, l'unité de gestion module l'alimentation du moteur uniquement si après écoulement de la durée Tmax, la température des pistons est encore supérieure à la seconde valeur seuil T2.
  • Comme indiqué plus haut, l'unité de gestion agit sur le système d'injection du moteur par exemple pour diminuer le débit de carburant injecté lorsque le moteur atteint une zone de fonctionnement sévère, mais elle peut aussi agir sur d'autres paramètres d'injection ainsi que sur le paramètre de débit d'air pour éviter que le moteur ne soit exploité en conditions sévères.
  • Par exemple, l'unité de gestion peut être prévue pour moduler l'alimentation en modifiant l'avance à l'allumage Ai, la pression Prail dans le rail d'injection, ou encore le débit d'air Qair, ce qui se traduit pour l'utilisateur par une réduction de la puissance délivrée par le moteur par rapport à la puissance qu'il demande en agissant sur la pédale d'accélérateur.

Claims (6)

  1. Procédé de pilotage d'un moteur thermique tel qu'un moteur de véhicule automobile, consistant à évaluer continûment une température (Tp) du ou des pistons de ce moteur à partir de données (Qair, Qcarb, Tair, Ai, Prail, Teau, Thuile) actualisées en temps réel qui sont représentatives de flux thermiques entrants et sortants du moteur thermique, et à modifier au moins un paramètre d'alimentation de ce moteur (Qair, Qcarb, Ai, Prail) lorsque cette température (Tp) atteint une première valeur seuil (T1) correspondant à un risque de grignotage et/ou de fusion du piston ou après dépassement par la température (Tp) d'une seconde valeur (T2) seuil pendant un intervalle de temps prédéterminé (Tmax), le dépassement de cette seconde valeur seuil (T2) au-delà de l'intervalle de temps prédéterminé correspondant (Tmax) à un risque de fissuration du ou des pistons.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température (Tp) du ou des pistons est évaluée à partir de données issues de capteurs qui sont représentatives du débit (Qair) et de la température (Tair) de l'air entrant dans le moteur, du débit de carburant (Qcarb) entrant dans le moteur, de l'avance (Ai) et de la pression d'injection (Prail), des températures de l'eau de refroidissement (Teau) et de l'huile du moteur (Thuile), et du régime du moteur (N).
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre modifié est le débit de carburant (Qcarb) injecté dans le moteur.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédente, dans lequel les paramètres modifiés sont l'avance à l'injection (Ai), la pression d'injection (Prail), le débit de carburant (Qcarb), et le débit d'air (Qair) admis dans le moteur.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les paramètres d'alimentation du moteur (Qair, Qcarb, Ai, Prail) sont modifiés de manière à éviter un dépassement de la première valeur seuil (T1) et de la seconde valeur seuil (T2) au-delà de la durée prédéterminée (Tmax).
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première valeur seuil (T1) est une constante dépendant du matériau dans lequel le piston est fabriqué.
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