EP1916404A1 - Procede d`estimation de parametres caracteritique d`un moteur thermique et de controle des flux thermiques appliques a des composants de ce moteur - Google Patents

Procede d`estimation de parametres caracteritique d`un moteur thermique et de controle des flux thermiques appliques a des composants de ce moteur Download PDF

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EP1916404A1
EP1916404A1 EP07301462A EP07301462A EP1916404A1 EP 1916404 A1 EP1916404 A1 EP 1916404A1 EP 07301462 A EP07301462 A EP 07301462A EP 07301462 A EP07301462 A EP 07301462A EP 1916404 A1 EP1916404 A1 EP 1916404A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
engine
fuel
heat
combustion
heat engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07301462A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
David Gimbres
Jean-Pierre Chemisky
Patrick Lutz
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections

Definitions

  • the invention relates to a method for estimating the parameters characterizing the operation of a heat engine and controlling heat flows applied to components of this engine.
  • the method according to the invention makes it possible to directly control, in a closed loop and in real time, the thermal flux levels applied to these motor components.
  • engine applies equally to all types of combustion engines, whether of gasoline or diesel type.
  • engine will be used.
  • Figure 1 at the end of the present description illustrates very schematically an example of configuration of a cylinder block 1 of a heat engine.
  • the main components comprise a cylinder proper 11, a cylinder head 10 and a piston 12 in linear movement back and forth within the walls of the cylinder 11.
  • the space between the upper wall of the piston 12 and the lower wall of the cylinder head 10 defines the combustion chamber 13, a place of intense heating due to the combustion of the gas mixture injected into this chamber. This results in significant heat transfer to the walls of the cylinder head 10, the cylinder 11 and to the piston 12.
  • the four-stroke engines are provided with "water jackets", 100 and 110 respectively, the water circulating in enclosures created in the walls of the cylinder head 10 and the cylinder 11.
  • T piston wall , T cylinder wall , T cylinder wall represent the respective temperatures (in ° C) of the walls of these components and S piston , S cylinder head , S cylinder , their surfaces (in m 2 ) exposure to the flow thermal.
  • the combustion gas is the temperature of the gases (in ° C) during combustion, that is to say the temperature prevailing in the combustion chamber 13.
  • the coefficient K is obtained by empirical correlations generally used during combustion analyzes for the calculation of heat flux.
  • the correlation most often used is the so-called "Woschni” correlation which makes it possible to fix this coefficient K.
  • heat fluxes are generally calculated using combustion analysis software which determines the temperatures of the combustion gases as well as the wall temperatures as functions of predetermined motor parameters (air mass, fuel mass, etc.)
  • the parameters influencing the thermal flows are multiple.
  • This relationship can be linear (which is usually true at full load), or higher.
  • the absolute flows can be calculated in a given repository by using a combustion analysis tool, and the parameters of the previous linear relation identified.
  • the different input parameters above can be system data (calculator instructions for the fuel mass, the injection advance, etc.).
  • the object of the invention is to provide a method of estimating determined physical parameters, characteristic of the operation of a heat engine, and of controlling the thermal flows to which the components of this heat engine are subjected, aiming at overcoming the disadvantages of the processes and devices of the known art, some of which have just been recalled
  • the estimation of determined physical parameters associated with an engine thermal is performed in real time, in particular with regard to the fuel flow, the air flow, the combustion phase, etc., as a function of the cylinder pressure, the associated thermal flows as a function of identified constants being calculated during the development of this engine, that is to say during a preliminary or initial phase, for example experimentally.
  • the temperature of the injected air + EGR mixture can be measured or estimated by a predetermined specific model. If the "measurement” option is selected, this measurement can be done in the intake manifold for example, taking into account the "EGR" mentioned above.
  • the estimation of the parameters and the flow control having the characteristics recalled above can be obtained by measuring the pressure prevailing in all or some of the cylinders, and by adopting a control strategy, using this cylinder pressure parameter, which will be specified. and detailed below.
  • Such a measurement can be made simply by using one or more standard pressure sensor implanted in one or more rolls. Current motors of such sensors are already present, and the pressure measurement necessary to perform the control step according to the invention does not entail a significant additional cost and complexity.
  • the invention thus has many advantages, in particular the method of the invention makes it possible to reduce the development margins during the development of the engines with respect to the thermal flows, and to control the flow levels during critical life situations. for the motor components. It allows a good behavior over time of these components.
  • FIG. 2 very schematically illustrates such a configuration. Only the essential organs necessary for a good understanding of the invention have been represented.
  • the motor 3 includes an engine block 30 itself comprising, in the example of Figure 2, four cylinders 1a to 1d, similar to the cylinder 1 already described with reference to Figure 1.
  • an engine inlet block 30 fresh air is fed to the cylinders, 1a to 1d, via an intake duct 310, to an inlet manifold 31 and the individual conduits 311. at the output of the engine block 30, the exhaust gas is expelled by an exhaust line 300.
  • a stitching member of the EGR consists of a valve 33 for diverting to the inlet distributor 31 via a conduit 330, a variable percentage of the exhaust gas. It therefore turns out that, in fact, the intake distributor 31 delivers an air / exhaust mixture at the inlet of the engine 3by the intake duct 310.
  • one or more pressure sensors 34 for measuring the pressure in the combustion chambers of the cylinders 1 a to 1 d, at least one sensor being necessary in the specific context of the invention .
  • This or these sensors 34 may be integrated in the cylinder head or in the glow plugs.
  • the sensors 34 measure the pressure in the combustion chamber of all or part of the cylinders 1a through 1d.
  • the output signals of sensors 34 are transmitted to an electronic control unit or "ECU” (for "Electronic Control Unit” according to the English terminology commonly used).
  • a temperature sensor 35 is also provided on the intake distributor 31. The measured signals are also transmitted to the computer 32.
  • the motor 3 also comprises a body 40 comprising a common supply rail (not shown) adapted to feed the engine cylinders, 1a to 1d, in multiple injections of fuel such as a pilot injection followed by a main injection.
  • a common supply rail not shown
  • the output signals of these devices are transmitted to the computer 32.
  • the computer 32 According to these signals and other standard signals, the computer 32 generates control signals, in a conventional manner per se, and transmits control signals making it possible to drive specific members of the motor 3 (injectors not shown, valve 33, member 40, etc.), especially those necessary for carrying out the process of the invention.
  • the computer 32 is particularly suitable for controlling the fuel injection parameters in each cylinder, in particular the feed angle, the flow rate and the duration of the fuel injection into the cylinder, as is known per se. in the state of the art.
  • the piloting of the fuel injection is carried out from a first predetermined law for controlling the injection of fuel into the cylinders, 1 a to 1 d , and a second predetermined law for controlling the fuel injection. intake of the air / exhaust mixture at the inlet 31/310 of the engine 3.
  • the computer 32 is arranged to correct the first control law of the injection in order to obtain throughout the life of the vehicle nominal emission levels of pollutants and combustion noise despite the presence of drifts in the operation in the motor and fast transients of it.
  • the motor 3 comprises a body 38 comprising computing means 380 receiving the output signals or sensor (s) 34 measuring the pressure in at least one of the engine cylinders, 1a to 1d, and the crank angle acquisition member 36.
  • These calculation means 380 are adapted to determine, as a function of the acquired pressures and angles, a quantity relative to the phasing of the combustion of the fuel in each cylinder, 1 a to 1 d , and for each cycle of this cylinder.
  • These calculation means 380 also make it possible to determine the release of heat caused by the combustion of the fuel injected into the cylinder for the current cycle from relations which will be explained below.
  • the member 38 further comprises calculation means 381 which receive the output signals of the calculation means 380 and are adapted to the calculation, as a function of the release of heat delivered by the calculation means 380, a crankshaft angle CAx corresponding to a predetermined fraction X of the total amount of fuel burned in the cylinder for the current cycle, as will be detailed hereinafter in the description of the process.
  • the motor 3 also comprises means 39 which receive the output signals of the calculation means 381 and are adapted to correct the control of the injection as a function of the crankshaft angle CAx determined.
  • These means 39 comprise in particular mapping means (not shown) which receive the output signals from the operating acquisition device 37 of the engine 3 and which are arranged to deliver, as a function of the operating point acquired from the engine 3, an instruction for the crankshaft angle CAx from a predetermined mapping of angles.
  • the method according to the invention comprises two main phases: a phase of estimation of determined physical parameters characteristic of the operation of a heat engine and a phase of control of heat flows. on specific components of this engine, including the cylinder or cylinders, the cylinder head and the piston of each cylinder.
  • the first phase may be preceded by an initial or preliminary phase performed at the time of engine design, the first and second phases comprising taking place in real time.
  • the engine comprises four cylinders, it being understood that this number can be any (1, 4 or 6 cylinders, for example). It will also be assumed that this is a diesel engine, it being understood that the process according to the invention applies equally to gasoline engines and diesel engines, as has been recalled. To fix ideas, we will refer again, in what follows, to the configuration described with reference to Figure 2.
  • the first step consists in calculating the fuel mass injected from the cylinder pressure signal.
  • the determination of the quantity of fuel injected during the so-called main injection, and therefore of the fuel mass can be carried out by evaluating the average heat clearance DQ over an interval centered with respect to this injection.
  • the heat evolution measurements are obtained from measurements of the pressure prevailing in the combustion chamber of a cylinder, 1a to 1d, for example by means of one or more sensor (s) 34 integrated pressure (s) in the cylinder head or in the glow plug of a diesel engine.
  • the second step consists in calculating the mass of air entering the cylinders, 1 a to 1 d , via the intake duct 310, again from the cylinder pressure signal.
  • the estimate of the air mass entering the cylinders, 1 a to 1 d, is based on a polytropic model.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate, in the form of two graphs, a pressure profile in a given combustion chamber (for example FIG. 1:13) measured during the compression phase (FIG. 3A) and FIG. linear relationship between the total gas flow rate and the sum of pressure variations in the combustion chamber considered according to the angular positions of the crankshaft (for example Figure 1: 12).
  • the ordinate axis of the graph of FIG. 3A represents the cylinder pressure in bars (10 5 Pa) and the abscissa axis the crankshaft angle (° VII).
  • the ordinate axis of the graph of FIG. 3B represents the total flow (in Kg) and the abscissa axis the sum of pressure variations also in bars.
  • the graph of FIG. 3B clearly shows a linear relationship linking the flow rate to ⁇ P i , with i : 1 to n.
  • the coefficient A ' is corrected as a function of the temperature of the intake air which can be measured by the sensor 35 positioned in the above-mentioned distributor 31.
  • This estimate which requires the presence of at least one pressure sensor 34 in one of the rolls, 1 a to 1 d, is based on a linear relationship linking the flow rate as has been shown with reference to FIGS. 3A and 3B.
  • the difficulty of evaluating the regression slope (coefficient A ') lies in its dependence on the temperature of the gases in a cylinder (for a chosen reference angle), which itself strongly depends on the variations of the EGR rate. in a diesel engine.
  • AT AT 0 T charge relation in which A 0 is a constant calibrated according to tests carried out in the design phase specific to each engine configuration (initial phase mentioned above) and T air + EGR mixture the temperature in the intake manifold after mixing air and fuel. EGR.
  • the third step is the calculation of the combustion phasing.
  • the combustion phase corresponds to the crankshaft angle for which X% of fuel has been burned (with X between 0 and 100).
  • the phasing CA x corresponds to the angle at which the BKW normalized by the total mass burned (integration over the entire combustion cycle) equals X %
  • the fourth step consists of measuring the temperature of the air + EGR malfunction at the engine inlet.
  • the temperature of the air + EGR mixture can be measured using a temperature sensor 35 positioned in the inlet distributor 31 downstream of the EGR quilting. .
  • this temperature can also be modeled or mapped as a function of the operating point of this engine (initial phase mentioned above). In the latter case, this mapping can, as before, be recorded in memory means usually associated with the computer 32.
  • the control of the thermal flows is based on the estimation of the aforementioned thermal flows, the estimation being a function of the four physical parameters acquired or measured during the stages of the first phase and characteristics of a given heat engine, namely the mass or the air flow, mass or fuel flow, combustion phasing and charge temperature.
  • the method according to the invention makes it possible, according to a flow setpoint mapping for each operating point of the engine, to control the closed-loop, real-time and cycle-to-cycle flux levels, also using one or more cylinder pressure sensors 34.
  • mapping is determined during the initial tuning of a given engine 3 (initial phase mentioned above).
  • the "fuel quantity" actuator can not be used, since the partial load operation is set by the amount of fuel.
  • an action on the ignition advance, the air flow and / or the temperature can be used to control the heat flow.
  • the instructions can be adapted by changing the injection time in the case of a diesel engine or the ignition advance in the case of a gasoline engine.
  • the set points can be adapted by changing the air boost pressure the position of the throttle valve. EGR valve 33, that is the fraction of the recycled exhaust gas. It is understood again that "air” "[air + EGR].
  • combustion phasing it is possible to adapt the setpoints by modifying the fuel injection advance (diesel engine) or the ignition advance (gasoline engine).
  • the decrease in heat flow on a piston can be achieved by reducing the amount of fuel and a "sub-calibration of the injection". Such operation is obtained by a later combustion, itself obtained by a delayed injection into the combustion cycle.
  • the controlled heat flow is here the heat flow on each piston (for example Figure 1: 12) and the actuator is, for example, the amount of fuel, hereinafter referred to as Qcarb .
  • the regulator is a regulator of type known as "PID" (for proportional action - integral - derivative) classic used generically for the control of the engines.
  • Offset corresponds to the pitch of the variation of the quantity of fuel necessary to modify the thermal flows.
  • this step is typically of the order 0.2 mg per shot. This quantity is determined during an initial phase of development depending on the engine and the sensitivities of the heat flows to this parameter.
  • block 20 calculates heat flow to the piston (for example, FIG. 1: 12). It receives the results of the calculations made by the blocks 26 and 27 described below (links 260 and 270).
  • the output of the block 27 is looped back, as previously indicated (link 270) on the heat flow calculation block 20 to the piston.
  • the method according to the invention makes it possible to directly control, in a closed loop and in real time, the heat flux levels applied to the components of the engine.
  • the invention applies equally to a diesel engine or a gasoline engine.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de paramètres caractérisant le fonctionnement d'un moteur thermique (3), diesel ou à essence, et de contrôle des flux thermiques appliqués à ses composants : pistons, classes et/ou cylindres (1 a à 1 d ). Le procédé comprend un première phase consistant en l'estimation de ces paramètres : valeur de la masse de carburant injecté, valeur de la masse du mélange air + EGR, température (35) du mélange air+egr", et "phasage de combustion" dans un cycle de combustion à partir de la pression de cylindre (34); et une deuxième phase consistant dans le contrôle en boucle fermée et en temps réel du flux thermique appliqué aux composants du moteur thermique (3), à partir d'une grandeur dérivée d'au moins un des paramètres caractéristiques estimés, dite "actionneur".

Description

  • L'invention concerne un procédé d'estimation des paramètres caractérisant le fonctionnement d'un moteur thermique et de contrôle des flux thermiques appliqués à des composants de ce moteur.
  • Il concerne la tenue thermique des composants d'un tel moteur directement soumis aux flux de combustion. Ces composants sont notamment le piston, la culasse et le cylindre
  • Plus particulièrement, le procédé selon l'invention permet de contrôler directement, en boucle fermée et en temps réel, les niveaux de flux thermiques appliqués à ces composants de moteur.
  • Dans le cadre de l'invention, le terme "moteur" s'applique indifféremment à tous types de moteurs thermiques, qu'ils soient de type à essence ou diesel. Pour simplifier, dans ce qui suit, le terme générique "moteur" sera donc utilisé.
  • Il est tout d'abord utile de rappeler les principales données caractérisant la génération des flux thermiques issus de la combustion.
  • La figure 1 placée en fin de la présente description illustre très schématiquement un exemple de configuration d'un bloc cylindre 1 d'un moteur thermique. Les composants principaux comprennent un cylindre proprement dit 11, une culasse 10 et un piston 12 en mouvement linéaire de va et vient à l'intérieur des parois du cylindre 11. L'espace compris entre la paroi supérieure du piston 12 et la paroi inférieure de la culasse 10 définit la chambre de combustion 13, lieu d'un échauffement intense dû à la combustion du mélange de gaz injecté dans cette chambre. Il en résulte des transferts thermiques importants vers les parois de la culasse 10, du cylindre 11 et vers le piston 12. Pour limiter l'échauffement de ces composants, on prévoit dans les moteurs quatre temps des "chemises d'eau", 100 et 110 respectivement, l'eau circulant dans des enceintes créées dans les parois de la culasse 10 et du cylindre 11.
  • Comme il est bien connu, les flux thermiques sur les différents composants du moteur, à savoir le piston 12, la culasse 10 et le cylindre 11, exprimés en Watts, obéissent aux relations suivantes : F ⁢ T piston = K × S piston ⁢ T gaz combustion - T paroi piston
    Figure imgb0001
     F ⁢ T culasse = K × S culasse ⁢ T gaz combustion - T paroi culasse
    Figure imgb0002
     F ⁢ T cylindre = K × S cylindre ⁢ T gaz combustion - T paroi cylindre
    Figure imgb0003
     relations dans lesquelles FTpiston, FTculasse, FTcylindre représentent les flux thermiques respectifs sur le piston, la culasse et le cylindre. De même, Tparoi piston, Tparoi culasse, Tparoi cylindre représentent les températures (en °C) respectives des parois de ces composants et Spiston, Sculasse, Scylindre, leurs surfaces (en m2) d'exposition aux flux thermiques. Enfin, Tgaz combustion est la température des gaz (en °C) lors de la combustion, c'est-à-dire la température régnant dans la chambre de combustion 13.
  • Le coefficient K est obtenu par des corrélations empiriques généralement utilisées lors d'analyses de combustion pour le calcul de flux thermique. La corrélation la plus souvent utilisée est la corrélation dite de "Woschni" qui permet de fixer ce coefficient K.
  • De façon connue également, les flux thermiques sont généralement calculés à l'aide d'un logiciel d'analyse de combustion qui détermine les températures des gaz de combustion ainsi que les températures de parois en fonctions de paramètres moteurs prédéterminés (masse d'air, masse de carburant, etc.)
  • Il est donc possible de cartographier les flux thermiques en fonction du point de fonctionnement d'un moteur donné (régime / couple), lors de la phase de mise au point de ce moteur.
  • Les paramètres influençant les flux thermiques sont multiples.
  • Comme il vient d'être rappelé, les flux thermiques sont fonction du point de fonctionnement moteur. Il est donc possible de les estimer et de les identifier en fonction des paramètres moteurs principaux suivants:
    • la masse ou le débit de carburant injecté ;
    • la masse ou le débit d'air utilisé;
    • la température du mélange air + EGR (air + "EGR", pour "Exhaust Gas Recirculation", ou recyclage des gaz d'échappement) en entrée du moteur ; et
    • l'angle de début d'injection ou d'allumage pour les moteurs à essence, qui se traduit fonctionnellement par une valeur dite de "phasage de combustion" dans le cycle (début de combustion ou angle correspondant à x % de carburant brûlé).
  • Le flux sur chaque composant du moteur, piston 12, culasse 10 et cylindre 11, obéit alors à la relation suivante (4), relation dans laquelle f() est une fonction de plusieurs paramètres et Tmélange air + EGR la température de l'air injecté : Flux Thermique = f ⁢ masse carburant ⁢ masse dʹair ⁢ T mélange air + EGR ⁢ Angle de combustion
    Figure imgb0004
  • Cette relation peut être linéaire (ce qui est généralement vrai à pleine charge), ou bien de degré supérieur.
  • Pour une relation linéaire, l'expression précédente prend la forme suivante : Flux Thermique = A × masse carburant + B × masse dʹair + C × T mélange air + EGR + D × Angle de combustion + E
    Figure imgb0005
     relation dans laquelle A, B, C, D et E sont des coefficients dépendant des caractéristiques propres à un moteur donné.
  • Lors du développement d'un moteur, les flux absolus peuvent dont être calculés dans un référentiel donné en faisant appel à un outil d'analyse de combustion, et les paramètres de la relation linéaire précédente identifiés.
  • De façon pratique, pour chaque point de charge, on associe donc un flux thermique à différentes valeurs des paramètres "masse carburant", "masse d'air", "température du mélange air + EGR admis", etc.
  • Les différents paramètres d'entrée précédents peuvent être des données systèmes (consignes calculateur pour la masse de carburant, l'avance à l'injection, etc.).
  • Cependant, les procédés mis en oeuvre dans l'art connu pour estimer les flux thermiques présentent plusieurs inconvénients.
  • Notamment, le désavantage principal rencontré lorsque l'on utilise ces données d'entrée provient du fait que les paramètres systèmes ne reflètent pas les valeurs réelles.
  • En particulier, il est bien connu que les injecteurs de carburant présentent des dispersions quant à leurs caractéristiques de fonctionnement, même lorsqu'ils sont neufs, et dérivent dans le temps, avec des amplitudes de dérives de valeurs non négligeables. Il s'ensuit que les quantités réelles de carburant injecté correspondent en réalité à des valeurs différentes des quantités systèmes demandées.
  • Un phénomène analogue est constaté en ce qui concerne le débit d'air, conséquence des dispersions et dérives des composants de la boucle d'air (turbocompresseur, débitmètre d'air, etc.), d'un capteur de température, ou du capteur régime (pour la détermination du début d'injection ou d'allumage),
  • Pour pallier ces dysfonctionnements, il est d'usage, dans l'art connu, d'adopter des marges de développement importantes pour éviter tout risque destruction du moteur après dispersions et dérives des composants d'ordre 1 pour les flux thermiques. Cela conduit le plus souvent à des augmentations du coût, en tout état de cause à des fonctionnements opérationnels manquant de précision.
  • L'invention se fixe pour but un procédé d'estimation de paramètres physiques déterminés, caractéristiques du fonctionnement d'un moteur thermique, et de contrôle des flux thermiques auxquels sont soumis les composants de ce moteur thermique, visant à pallier les inconvénients des procédés et dispositifs de l'art connu, dont certains viennent d'être rappelés
  • Le procédé selon l'invention comprend deux phases principales :
    • une phase d'estimation de paramètres physiques déterminés, caractéristiques du fonctionnement d'un moteur thermique ;
    • et une phase de contrôle des flux thermiques sur des composants déterminés de ce moteur, notamment le ou les cylindres, la culasse et le piston de chaque cylindre;
  • Selon une première caractéristique importante de l'invention, l'estimation de paramètres physiques déterminés associés à un moteur thermique s'effectue en temps réel, notamment en ce qui concerne le débit de carburant, le débit d'air, le phasage de combustion, etc., en fonction de la pression cylindre, les flux thermiques associés en fonction de constantes identifiées étant calculés lors de la mise au point de ce moteur, c'est-à-dire lors d'une phase préliminaire ou initiale, par exemple de façon expérimentale.
  • On peut noter dès à présent que la température du mélange air + EGR injecté peut être mesurée ou estimée par un modèle spécifique préétabli. Si l'option "mesure" est retenue, cette mesure peut être effectuées dans le répartiteur d'admission par exemple, avec prise en compte de l' "EGR" précité.
  • Selon une deuxième caractéristique importante de l'invention, contrairement aux procédés de l'art connu, il est procédé à un contrôle direct, en boucle fermée et en temps réel, des niveaux de flux thermiques appliqués aux composants du moteur.
  • L'estimation des paramètres et le contrôle de flux présentant les caractéristiques rappelées ci-dessus peuvent être obtenus en mesurant la pression régnant dans tout ou partie des cylindres, et en adoptant une stratégie de contrôle, utilisant ce paramètre de pression cylindre, qui sera précisée et détaillée ci-après.
  • Une telle mesure peut être réalisée simplement en faisant appel à un ou plusieurs capteur de pression standard implanté(s) dans un ou plusieurs cylindre(s). Sur les moteurs actuels de tels capteurs sont déjà présents, et la mesure de pression nécessaire pour réaliser l'étape de contrôle selon l'invention n'entraîne pas un supplément significatif de coût et de complexité.
  • L'invention présente donc de nombreux avantages, notamment le procédé de l'invention permet de réduire les marges de développement lors de la mise au point des moteurs au regard des flux thermique, et de contrôler les niveaux de flux lors de situations de vie critiques pour les composants moteurs. Il permet une bonne tenue dans le temps de ces composants.
  • L'invention a donc pour objet principal un procédé d'estimation de paramètres déterminés caractérisant le fonctionnement d'un moteur thermique comprenant au moins un cylindre et de contrôle des flux thermiques appliqués à des composants du moteur thermique, le moteur thermique comprenant des moyens pour réinjecter en entrée un pourcentage déterminé de la masse des gaz d'échappement éjectés pour réaliser un recyclage de ces gaz dit "EGR", caractérisé en ce qu'il comprend, au moins,
    • un première phase consistant en l'estimation des paramètres déterminés, ces paramètres étant la valeur de la masse de carburant injecté dans la chambre de combustion de chacun des cylindres, la valeur de la masse du mélange air+ EGR en entrée du moteur thermique, la température du mélange et une grandeur dite de "phasage de combustion" dans un cycle de combustion ; et
    • une deuxième phase consistant dans le contrôle en boucle fermée et en temps réel du flux thermique appliqué à au moins un des composants du moteur thermique, à partir d'une grandeur dérivée d'au moins un des paramètres caractéristiques estimés, dite "actionneur"
  • L'invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée en se référant aux dessins annexés, parmi lesquels :
    • la figure 1 illustre schématiquement un exemple de configuration d'un bloc cylindre montrant les principaux composants exposés aux flux thermique dus à la combustion des gaz ;
    • la figure 2 illustre schématiquement un exemple de configuration de moteur thermique et d'un dispositif associé pour la mise en oeuvre du procédé selon un mode de réalisation préféré de l'invention;
    • les figures 3A et 3B sont des graphes illustrant un profil de pression dans une chambre de combustion mesuré pendant la phase de compression et la relation linéaire liant le débit total de gaz et la somme de variations de pression dans cette chambre de combustion ; et
    • la figure 4 illustre schématiquement, à titre d'exemple, le contrôle du flux thermique sur un piston en pleine charge
  • On va tout d'abord décrire la configuration d'un moteur et d'un dispositif permettant l'implémentation du procédé selon l'invention.
  • La figure 2 illustre très schématiquement une telle configuration. Seuls les organes essentiels nécessaires à la bonne compréhension de l'invention ont été représentés.
  • Le moteur 3 comprend un bloc moteur proprement dit 30 comportant, dans l'exemple de la figure 2, quatre cylindres, 1a à 1d, similaires au cylindre 1 déjà décrit en regard de la figure 1. En entrée du bloc moteur 30, l'air frais est transmis aux cylindres, 1a à 1d, via un conduit d'admission 310, à un répartiteur d'admission 31 et des conduits individuels 311. En sortie du bloc moteur 30, le gaz d'échappement est expulsé par une ligne d'échappement 300.
  • Outre divers organes classiques (pot d'échappement, etc., non représentés), on dispose sur cette ligne d'échappement 300 un organe de piquage de l'EGR constitué d'une vanne 33 destinée à dériver vers le répartiteur d'admission 31, via un conduit 330, un pourcentage variable des gaz d'échappement. Il s'avère donc, qu'en réalité, le répartiteur d'admission 31 délivre un mélange air/gaz d'échappement en entrée du moteur 3parle conduit d'admission 310.
  • Selon une caractéristique importante de invention, on prévoit un ou plusieurs capteurs de pression 34 pour mesurer la pression régnant dans les chambres de combustion des cylindres, 1a à 1 d, au moins un capteur étant nécessaire dans le cadre plus particulier de l'invention. Ce ou ces capteurs 34 peuvent être intégrés dans la culasse des cylindres ou dans les bougies de préchauffage. Les capteurs 34 mesurent la pression régnant dans la chambre de combustion de tout ou partie des cylindres 1a à 1d. Les signaux de sortie de des capteurs 34 sont transmis à une unité de contrôle électronique ou "ECU" (pour "Electronic Control Unit" selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée).
  • Il peut s'agir avantageusement d'un calculateur numérique à programme enregistré. De tels calculateurs sont généralement présents sur les moteurs récents, ce qui n'entraîne donc pas de coût supplémentaire significatif. Les modifications nécessaires se résument essentiellement à une adaptation des programmes résidents et/ou l'ajout de modules logiciels spécifiques au procédé de l'invention.
  • On prévoit également un capteur de température 35 disposé sur le répartiteur d'admission 31. Les signaux mesurés sont également transmis au calculateur 32.
  • Le moteur 3 comprend également un organe 40 comportant une rampe commune d'alimentation (non représentée) adapté pour alimenter les cylindres du moteur, 1a à 1d, selon des injections multiples de carburant, comme par exemple une injection pilote suivie d'une injection principale.
  • On prévoit également des moyens 36 d'acquisition de l'angle vilebrequin de chaque cylindre et des moyens 37 d'acquisition du point de fonctionnement du moteur, notamment le régime de rotation du moteur, le couple moteur demandé par le conducteur et la pression dans la rampe commune d'alimentation.
  • Les signaux de sortie de ces organes (capteur de température 35, capteur(s) de pression 34, moyens d'acquisition d'angle vilebrequin 36 et de point de fonctionnement 37) sont transmis au calculateur 32.
  • En fonction de ces signaux et d'autres signaux standards, le calculateur 32 élabore des signaux de commande, de façon classique en soi, et transmet des signaux de commande permettant de piloter des organes déterminés du moteur 3 (injecteurs non représentés, vanne 33, organe 40, etc.), notamment ceux nécessaires à la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
  • Le calculateur 32 est notamment adapté pour piloter les paramètres de l'injection de carburant dans chaque cylindre, en particulier l'angle d'avance, le débit et la durée de l'injection de carburant dans le cylindre, comme cela est connu en soi dans l'état de la technique.
  • Plus spécifiquement, le pilotage de l'injection de carburant est réalisé à partir d'une première loi prédéterminée de pilotage de l'injection de carburant dans les cylindres, 1a à 1d, et d'une seconde loi prédéterminée de pilotage de l'admission du mélange air/gaz d'échappement en entrée 31/310 du moteur 3.
  • Le calculateur 32 est agencé pour corriger la première loi de pilotage de l'injection afin d'obtenir tout au long de la vie du véhicule des niveaux nominaux d'émission de polluants et de bruit de combustion malgré la présence de dérives dans le fonctionnement dans le moteur et de transitoires rapides de celui-ci.
  • Pour ce faire, le moteur 3 comprend un organe 38 comprenant des moyens de calcul 380 recevant les signaux de sortie du ou des capteur(s) 34 mesurant la pression dans au moins un des cylindres du moteur, 1a à 1 d, et de l'organe d'acquisition de l'angle vilebrequin 36. Ces moyens de calcul 380 sont adaptés pour déterminer en fonction des pressions et des angles acquis une grandeur relative au phasage de la combustion du carburant dans chaque cylindre, 1a à 1d, et pour chaque cycle de ce cylindre. Ces moyens de calcul 380 permettent également de déterminer le dégagement de chaleur provoqué par la combustion du carburant injecté dans le cylindre pour le cycle courant à partir de relations qui seront explicitées ci-après.
  • L'organe 38 comprend en outre des moyens de calcul 381 qui reçoivent les signaux de sortie des moyens de calcul 380 et sont adaptés au calcul, en fonction du dégagement de chaleur délivré par les moyens de calcul 380, un angle vilebrequin CAx correspondant à une fraction prédéterminée X de la quantité totale de carburant brûlé dans le cylindre pour le cycle courant, de la manière qui sera détaillée ci-après lors de la description du procédé.
  • Le moteur 3 comprend également des moyens 39 qui reçoivent les signaux de sortie des moyens de calcul 381 et sont adaptés pour corriger le pilotage de l'injection en fonction de l'angle vilebrequin CAx déterminé. Ces moyens 39 comprennent notamment des moyens formant cartographie (non représentés) qui reçoivent les signaux de sortie de l'organe 37 d'acquisition de fonctionnement du moteur 3 et qui sont agencés pour délivrer, en fonction du point de fonctionnement acquis du moteur 3, une consigne pour l'angle vilebrequin CAx à partir d'une cartographie prédéterminée d'angles.
  • On va maintenant décrire le procédé de l'invention.
  • Comme il a été rappelé dans le préambule de la présente description, le procédé selon l'invention comprend deux phases principales : une phase d'estimation de paramètres physiques déterminés, caractéristiques du fonctionnement d'un moteur thermique et une phase de contrôle des flux thermiques sur des composants déterminé de ce moteur, notamment la ou les cylindres, la culasse et le piston de chaque cylindre.
  • Comme il sera précisé ci-après, la première phase peut être précédée d'une phase initiale ou préliminaire réalisée au moment de la conception du moteur, les première et deuxième phases comprenant se déroulant en temps réel.
  • On va maintenant détailler la première phase et les principales étapes qu'elle comporte pour estimer des paramètres physiques déterminés caractéristiques du fonctionnement d'un moteur donné.
  • Pour fixer les idées, on supposera dans ce qui suit que le moteur comprend quatre cylindre, étant entendu que ce nombre peut être quelconque (1, 4 ou 6 cylindres, par exemple). On supposera également qu'il s'agit d'un moteur diesel, étant entendu que le procédé selon l'invention s'applique indifféremment aux moteurs à essence et aux moteurs diesel, comme il a été rappelé. Pour fixer les idées, on se référera donc de nouveau, dans ce qui suit, à la configuration décrite en regard de la figure 2.
  • Les principales étapes nécessaires pour obtenir une estimation de paramètres physiques caractérisant le fonctionnement d'un moteur donné sont les suivantes :
    • calcul de la masse de carburant injecté dans les cylindres
    • calcul de la masse d'air entrant dans les cylindres ;
    • calcul du phasage de combustion ; et
    • mesure de la température du mélange air + EGR en entrée du moteur.
  • Ces étapes vont maintenant être détaillées.
  • La première étape consiste dans le calcul de la masse de carburant injecté à partir du signal de pression cylindre.
  • Le calcul de la masse de carburant peut être réalisé selon le procédé décrit dans le brevet européen EP 1 429 009 B1 aux noms de Peugeot Citroën Automobiles S.A. et Delphi Technologies Inc., intitulé "Moteur diesel muni d'un dispositif de contrôle du débit d'injection de carburant".
  • Dans ce brevet, on a démontré qu'il est possible, en mesurant la pression régnant dans la chambre de combustion d'un cylindre, 1a à 1 d, de déterminer des dégagements de chaleur élémentaire à un instant donné.
  • A partir de ces données, la détermination de la quantité de carburant injectée lors de l'injection dite principale, et donc de la masse de carburant, peut être effectuée en évaluant le dégagement DQ de chaleur moyen sur un intervalle centré par rapport à cette injection principale,
  • Les mesures de dégagement de chaleur sont obtenues à partir de mesures de la pression régnant dans la chambre de combustion d'un cylindre, 1a à 1d, par exemple au moyen d'un ou plusieurs capteur(s) de pression 34 intégré(s) dans la culasse ou dans la bougie de préchauffage d'un moteur diesel.
  • Pour une description plus détaillée du procédé de calcul de la masse de carburant injecté à partir du signal de pression cylindre, on pourra se reporter avec profit au brevet européen EP 1 429 009 B1 précité.
  • De façon plus précise, dans le cadre de la présente invention, le calcul de la masse de carburant injecté est basé sur le calcul d'un dégagement de chaleur simplifié obéissant à la relation ci-dessous : ⅆ Q ⅆ α = 1 k - 1 × v × ⅆ P ⅆ α + k × P × ⅆ V ⅆ α
    Figure imgb0006
     relation dans laquelle :
    • dQ/dα est exprimé en Joules par ° ;
    • P et V sont la pression et le volume dans le cylindre, respectivement;
    • α est l'angle vilebrequin en °;
    • k est le coefficient polytropique fixé à 1,34
  • La masse de carburant injecté est déduite par intégration du dégagement de chaleur sur la fenêtre de combustion et multiplication par le potentiel calorifique du carburant (PCI): m carburant = PCI . ∫ ⅆ Q
    Figure imgb0007
     relation dans laquelle :
    • mcarburant est la masse de carburant (en kg) ;
    • dQ est exprimé en joules ; et
    • PCI est exprimé kg/joules,
  • Une variante du calcul de la masse carburant est également décrite dans le brevet européen précité. Dans cette variante, on prend en compte une calibration de divers coefficients lors du développement du moteur: m carburant = A ⁢ I 1 + A × I 2 + B
    Figure imgb0008
     relation dans laquelle I 1 et I 2 correspondent à l'intégrale de dQ sur deux fenêtres différentes (fenêtre de compression et de combustion), et A et B deux constantes équivalentes à la prise en compte du PCI, et calibrées en développement,
  • La deuxième étape consiste dans le calcul de la masse d'air entrant dans les cylindres, 1a à 1d, via le conduit d'admission 310, toujours à partir du signal de pression cylindre.
  • Ce calcul peut être réalisé selon le procédé décrit dans les demandes de brevet, au nom de Peugeot Citroën Automobiles S.A., FR 2 876 739 A1 et FR 2 878 575 A1 , toutes deux intitulées "Procédé de régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne et véhicule automobile mettant en oeuvre ce procédé".
  • Dans de nombreux moteurs, on ajoute à l'air frais admis un pourcentage des gaz d'échappement du moteur qui sont recirculés vers l'entrée de la ou des chambres de combustion pour limiter les émissions de gaz toxiques. Ce pourcentage de gaz est appelé communément "EGR" (de l'anglo-saxon "Exaust Gaz recirculation"). De ce fait, par "masse d'air" on entend le paramètre [air frais + "EGR"]. Lorsque le moteur 3 comprend plusieurs cylindres, 1a à 1 d, on prévoit habituellement un répartiteur d'admission d'air (figure 2 : 31). Le pourcentage précité est obtenu en pilotant la vanne 33.
  • L'estimation de la masse d'air entrant dans les cylindres, 1 a à 1 d, se base sur un modèle polytropique.
  • Pour une description plus détaillée du procédé de calcul de la masse de carburant injecté à partir du signal de pression cylindre, on pourra se reporter avec profit au brevet européen EP 1 429 009 B1 précité.
  • Les figures 3A et 3B, annexées à la présente, illustrent, sous la forme de deux graphes, un profil de pression dans une chambre de combustion données (par exemple figure 1:13) mesuré pendant la phase de compression (figure 3A) et la relation linéaire liant le débit total de gaz et la somme de variations de pression dans la chambre de combustion considérée suivant les positions angulaires du vilebrequin (par exemple figure 1 : 12).
  • L'axe des ordonnées du graphe de la figure 3A représente la pression cylindre en bars (105 Pa) et l'axe des abscisses l'angle vilebrequin (°VII).
  • L'axe des ordonnées du graphe de la figure 3B représente le débit total (en Kg) et l'axe des abscisses la somme de variations de pression également en bars
  • Pour fixer les idées, on à représenté sur le graphe de la figure 3A différentes positions angulaires, α REF , α1, α2, ..., αn, pour des positions de mesure parmi n possibles. Ces positions sont comprises entre zéro et le "point mort haut" (PMH), avec αREF représentant la position angulaire de référence et ΔPi représentant les variations de pression par rapport à la pression mesurée pour αREF.
  • On constate bien sur le graphe de la figure 3B une relation linéaire liant le débit à ΣΔPi , avec i: 1 à n.
  • De façon plus précise, la masse d'air est estimée par une formule du type satisfaisant la relation suivante : m air = Aʹ × Δ ⁢ P cyl + Bʹ
    Figure imgb0009
     relation dans laquelle les coefficients A' et B' sont cartographiés en fonction du régime moteur. Cette cartographie peut être enregistrée dans des moyens de mémoires habituellement associés au calculateur 32.
  • Le coefficient A' est corrigé en fonction de la température de l'air d'admission qui peut être mesuré par le capteur 35 positionné dans le répartiteur précité 31. Cette estimation, qui nécessite la présence d'au moins un capteur de pression 34 dans un des cylindres, 1a à 1 d, s'appuie sur une relation linéaire liant le débit comme il a été montré en regard des figures 3A et 3B. La difficulté de l'évaluation de la pente de régression (coefficient A') réside dans sa dépendance à la température des gaz dans un cylindre (pour un angle de référence choisi), qui elle-même dépend fortement des variations du taux d'EGR dans un moteur diesel. La relation suivante suivante est utilisée : Aʹ = A 0 T charge
    Figure imgb0010
     relation dans laquelle A0 est une constante calibrée en fonction d'essais réalisés en phase de conception spécifiques à chaque configuration moteur (phase initiale précitée) et T mélange air + EGR la température dans le collecteur admission après mélange de l'air et de l'EGR.
  • La troisième étape consiste dans le calcul du phasage de combustion.
  • Le calcul de phasage est effectué par les moyens de calcul 380 à partir du dégagement de chaleur, plus précisément le phasage est de nouveau calculé à partir du dégagement de chaleur simplifié suivant : ⅆ Q ⅆ α = 1 k - 1 × v × ⅆ P ⅆ α + k × P × ⅆ V ⅆ α
    Figure imgb0011
     relation dans laquelle :
    • P est la pression dite de cylindre dans la chambre ;
    • V est le volume de la chambre ;
    • α est l'angle vilebrequin; et
    • k est le coefficient polytropique fixé à 1,34.
  • Le phasage de combustion correspond à l'angle vilebrequin pour lequel X % de carburant a été brûlé (avec X compris entre 0 et 100).
  • Pour fixer les idées, à titre d'exemple, il est traditionnellement utilisé les phasages CAx suivants:
    • CA5 (Angle pour lequel 5% de carburant a été brûlé- représentatif de l'angle de début de combustion);
    • CA 25 (Angle pour lequel 25% de carburant a été brûlé) ;
    • CA 50 (Angle pour lequel 50% de carburant a été brûlé) ;
    • CA75 (Angle pour lequel 75% de carburant a été brûlé) ; et
    • CA90 (Angle pour lequel 90% de carburant a été brûlé - représentatif de l'angle de fin de combustion)
  • La fraction brûlée (dégagement d'énergie cumulé) s'obtient par intégration du dégagement de chaleur précédent, et obéit à la relation suivante : FMB angle = ∑ k = 1 angle dQ k
    Figure imgb0012
  • Le phasage CAx correspond à l'angle pour lequel la FMB normalisée par la masse totale brûlée (intégration sur tout le cycle de combustion) égale X %
  • Enfin, la quatrième étape consiste en la mesure de la température du malange air + EGR en entrée du moteur.
  • Comme rappelé précédemment pour le calcul de la masse d'air, la température du mélange air + EGR peut être mesurée à l'aide d'un capteur de température 35 positionné dans le répartiteur d'admission 31 en aval du piquage de l'EGR.
  • Cependant, en fonction de l'instrumentation spécifique à un moteur donné, cette température peut également être modélisée ou cartographie en fonction du point de fonctionnement de ce moteur (phase initiale précitée). Dans ce dernier cas, cette cartographie peut, comme précédemment, être enregistrée dans des moyens de mémoires habituellement associés au calculateur 32.
  • On va maintenant décrire la deuxième phase principale du procédé selon l'invention, à savoir la phase de contrôle des flux thermiques sur des composants déterminés de ce moteur, notamment le ou les cylindres, la culasse et le piston de chaque cylindre.
  • Le contrôle des flux thermiques se base sur l'estimation des flux thermiques précités, l'estimation étant fonction des quatre paramètres physiques acquis ou mesurés pendant les étapes de la première phase et caractéristiques d'un moteur thermique donné, à savoir la masse ou le débit d'air, la masse ou le débit de carburant, le phasage de combustion et la température de la charge.
  • Dans ce qui suit, on se référera de nouveau à la configuration de moteur et du dispositif décrite en regard de la figure 2.
  • Selon une caractéristique importante, le procédé selon l'invention permet, en fonction d'une cartographie de consigne de flux pour chaque point de fonctionnement du moteur, de contrôler les niveaux de flux en boucle fermée, en temps réel et cycle à cycle, également en faisant appel à un ou plusieurs capteurs de pression cylindre 34.
  • La cartographie précitée est déterminée lors de la mise au point initial d'un moteur donnée 3 (phase initiale précitée).
  • L'actionneur ou moyen d'action pour modifier les flux thermiques peut être soit :
    • chaque paramètre pris à lui seul : quantité d'air, quantité de carburant, ou phasage de combustion ou température de la charge ;
    • un couplage d'au moins deux paramètres : par exemple quantité d'air et quantité de carburant, ou quantité de carburant et phasage de combustion, etc., ou tout autre combinaison de tout ou partie des quatre paramètres.
  • On doit toutefois noter que les paramètres les plus importants sont la quantité de carburant et le phasage de combustion.
  • On doit également noter que, dans le cadre du contrôle de flux thermique à charge partielle, l'actionneur " quantité de carburant" ne peut être utilisé, puisque le fonctionnement à charge partielle est fixé par la quantité de carburant. Par contre une action sur l'avance à l'allumage, le débit d'air et/ou la température peut être utilisée pour contrôler le flux thermique.
  • En ce qui concerne le paramètre "masse de carburant", qui peut être dérivé du "débit de carburant", ou quantité par unité de temps, on peut adapter les consignes en modifiant la durée d'injection dans le cas d'un moteur diesel ou l'avance à l'allumage dans le cas d'un moteur à essence.
  • En ce qui concerne le paramètre "masse d'air", qui peut être dérivé du "débit d'air", ou quantité par unité de temps, on peut adapter les consignes en modifiant la pression de suralimentation en air la position du papillon d'admission ou de la vanne EGR 33, c'est-à-dire la fraction des gaz d'échappement recyclés. Il est entendu de nouveau que "air" " [air + EGR].
  • En ce qui concerne le paramètre "phasage de combustion", on peut adapter les consignes en modifiant l'avance à l'injection de carburant (moteur diesel) ou à l'avance à l'allumage (moteur à essence).
  • En ce qui concerne le paramètre la température de la charge, on peut adapter les consignes en modifiant la température par un système dit de "bypass proportionnel" par exemple.
  • A titre d'exemple, la diminution du flux thermique sur un piston peut être réalisée par la diminution de la quantité de carburant et un "sous-calage de l'injection". Un tel fonctionnement est obtenu par une combustion plus tardive, obtenue elle-même par une injection retardée dans le cycle de combustion.
  • Toujours dans le cadre du contrôle de flux thermique sur un piston, et à titre d'exemple non exhaustif, on va maintenant décrire de façon détaxé les principales phases étapes de ce contrôle par référence au bloc diagramme 2 de la figure 4.
  • On se référera également à la configuration de moteur décrite sur la figure 2. En effet, pour fixer les idées, on suppose que le moteur 3 comprend quatre cylindres, 1a à 1d, et qu'il est équipé de quatre capteurs de pression cylindre 34, et d'un capteur 35 de température de la charge dans le répartiteur 31.
  • Le flux thermique contrôlé est ici le flux thermique sur chaque piston (par exemple figure 1 : 12) et l'actionneur est, par exemple, la quantité de carburant, ci-après dénommée Qcarb.
  • Du fait de la nature de l'actionneur mis en oeuvre, comme il a été indiqué, le contrôle de flux thermique ne peut être réalisé ici que sur la pleine charge.
  • Le régulateur est un régulateur de type dit "PID" (pour action proportionnelle - intégrale - dérivée) classique utilisé de façon générique pour le contrôle des moteurs.
  • Les données d'entrées, stockés dans des moyens de mémoire associés au calculateur 32, sont les suivantes :
    • cartographie d'un paramètre "régime/charge des flux thermiques" sur chaque piston ;
    • paramètre "Offsets" de quantité de carburant ;
    • cartographie des paramètres "quantités de carburant nominales (Qcarb)" ; et
    • paramètre "tolérance maximale sur l'erreur de consigne de flux thermique", que l'on notera ε L .
  • Le paramètre "régime/charge" dépend des points de fonctionnement du moteur 3. Chaque point de fonctionnement est notamment caractérisé par :
    • le régime moteur en tr/mn; et
    • la charge du moteur, c'est-à-dire le couple exprimé en Nm et la puissance en kW
  • Il est donc possible de construire une cartographie en deux dimensions des niveaux de flux thermiques pour chaque point de fonctionnement du moteur 3.
  • Le paramètre appelé "Offset" correspond au pas de la variation de la quantité de carburant nécessaire pour modifier les flux thermiques. A titre d'exemple non limitatif, ce pas est typiquement de l'ordre 0,2 mg par coup. Cette quantité est déterminée lors d'une phase initiale de développement en fonction du moteur et des sensibilités des flux thermiques à ce paramètre.
  • Si on se réfère de nouveau au bloc diagramme 2 de la figure 4, le bloc 20 effectue le calcul du flux thermique au piston (par exemple figure 1 : 12). Il reçoit les résultats des calculs effectués par les blocs 26 et 27 décrits ci-après (liaisons 260 et 270).
  • Les résultats de ces calculs (liaison 200) sont transmis au bloc 21 qui effectue le calcul de l'erreur sur le flux thermique suivant: ε = FT calculé - FT consigne " FT " signifiant " Flux Thermique "
    Figure imgb0013
  • Si ε > εL, le résultat est transmis au bloc 23 pour y être enregistré (liaison 210), dans le cas contraire, si ε < ε L , le résultat est transmis au bloc 24 pour y être enregistré (liaison 211).
  • Dans le deuxième cas, puisque l'erreur calculée ε est inférieure à l'erreur de consigne ε L , le résultat est transmis au bloc 26 (liaison 240) pour application de la quantité nominale de carburant Qcarb. En effet, puisque l'actionneur de contrôle de flux thermique est ce paramètre, il n'y a pas lieu de le modifier. La sortie du bloc 26 est, comme précédemment indiqué rebouclée (liaison 260) sur le bloc 20 de calcul de flux thermique au piston.
  • Lorsque l'erreur calculée ε est supérieure à l'erreur de consigne ε L , il y a lieu d'entreprendre une action corrective. La sortie du bloc 23 est transmise (liaison 230) au bloc de calcul 25. Celui-ci effectue un calcul de régulation consistant en la détermination de l'offset de Qcarb permettant de minimiser l'erreur ε. Le résultat est transmis (liaison 250) au bloc de calcul 27. Ce dernier détermine une nouvelle valeur de Qcarb satisfaisant la relation suivante : Qcarb = Qcarb nominale + Offset de Qcarb
    Figure imgb0014
     et applique cette nouvelle valeur. En d'autres termes, cette nouvelle valeur est transmise à des moyens de commande de la carburation (injecteurs, etc., non représentés) par le calculateur 32.
  • La sortie du bloc 27 est rebouclée, comme il a été précédemment indiqué (liaison 270) sur le bloc 20 de calcul de flux thermique au piston.
  • Les calculs nécessaires et les stockages de données sont effectués de façon avantageuse en recourant à un calculateur numérique 32, du type à programme enregistré ou tout organe similaire. Comme il a été indiqué, de tels calculateurs sont couramment utilisés dans les moteurs de conception moderne. Il suffit donc d'adapter le programme enregistré pour implémenter les sous-programmes et/ou routines spécifiques au procédé de l'invention. Cette adaptation, en soi, est à la portée de l'homme de métier et n'implique ni accroissement de complexité, ni coût supplémentaire significatifs.
  • Cependant, les calculs et les opérations associées ci-dessus pourraient tout aussi bien être réalisés par des circuits électroniques dédiés sans sortir du cadre de l'invention.
  • Sur cet exemple significatif, mais non exhaustif, on constate bien que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'était fixée.
  • En effet, le procédé selon l'invention permet de contrôler directement, en boucle fermée et en temps réel, les niveaux de flux thermiques appliqués aux composants du moteur.
  • De façon plus générique, on peut résumer la phase de contrôle des flux thermiques sur des composants du moteur comme indiqué ci-après.
  • Cette phase comprend au moins les étapes suivantes :
    • la détermination pendant la phase initiale d'une cartographie de valeurs de consigne de flux thermique pour chaque point de fonctionnement du moteur thermique;
    • la détermination pendant la phase initiale d'un paramètre dit "tolérance maximale d'erreur de consigne de flux thermique" ;
    • l'enregistrement de ces données dans des moyens de mémoire ;
    • le choix d'un ou plusieurs paramètres caractéristique estimés comme actionneur pour agir sur le fonctionnement du moteur thermique et l'enregistrement d'une valeur de consigne de cet actionneur ;
    • la détermination des valeurs du flux thermique instantané sur un ou plusieurs composants du moteur thermique ;
    • le calcul d'une valeur d'erreur de flux thermique égale à la différence entre la valeur du flux thermique instantané et les valeurs de consigne de flux thermique pour chaque point de fonctionnement du moteur ; et
    • la correction de la valeur de consigne de l'actionneur seulement et seulement si la valeur d'erreur est supérieure au paramètre "tolérance maximale d'erreur de consigne", de manière à minimiser la valeur d'erreur de flux thermique, l'enregistrement dans des moyens de mémoire de cette nouvelle valeur de consigne de l'actionneur et son application à des moyens de commande pour modifier le fonctionnement du moteur thermique.
  • Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations explicitement décrits, notamment en relation avec les figures 1 à 4.
  • Comme il a été notamment précisé, l'invention s'applique indifféremment à un moteur diesel ou à un moteur à essence.
  • Enfin, les exemples numériques n'ont été fournis que pour mieux fixer les idées et ne sauraient constituer une quelconque limitation de la portée de l'invention. Ils procèdent d'un choix technologique à la portée de l'Homme de Métier.

Claims (20)

  1. Procédé d'estimation de paramètres déterminés caractérisant le fonctionnement d'un moteur thermique comprenant au moins un cylindre et de contrôle des flux thermiques appliqués à des composants du moteur thermique, le moteur thermique comprenant des moyens pour réinjecter en entrée un pourcentage déterminé de la masse des gaz d'échappement éjectés pour réaliser un recyclage de ces gaz dit "EGR", caractérisé en ce qu'il comprend, au moins,
    - un première phase consistant en l'estimation des paramètres déterminés, ces paramètres étant la valeur de la masse de carburant injecté dans la chambre de combustion (13) de chacun des cylindres (1a - 1d), la valeur de la masse du mélange air+ EGR en entrée (310) du moteur thermique (3), la température du mélange et une grandeur dite de "phasage de combustion" dans un cycle de combustion
    - une deuxième phase consistant dans le contrôle en boucle fermée et en temps réel du flux thermique appliqué à au moins un des composants du moteur thermique (10, 11, 12), à partir d'une grandeur dérivée d'au moins un des paramètres caractéristiques estimés, dite "actionneur
    et en ce qu'il comprend en outre une phase initiale consistant à déterminer lors de la conception du moteur thermique (3) des paramètres supplémentaires et à les stocker dans des moyens de mémoire, et en ce que les paramètres supplémentaires comprennent au moins une cartographie en deux dimensions des niveaux de flux thermiques pour chaque point de fonctionnement du moteur thermique, représentant le régime et la charge de ce moteur, de tolérance maximale d'erreur sur des consignes de flux thermique (ε L ), le pas de variation de quantité de carburant, dit "offset", nécessaire pour modifier les flux thermiques, et des quantités de carburant nominales.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit moteur thermique étant équipé d'au moins un capteur (34) mesurant la pression dans au moins un des cylindres (1a - 1d), l'estimation de la masse de carburant injecté comprend l'étape de détermination des dégagements de chaleur élémentaire dQ à partir de la relation suivante : ⅆ Q ⅆ α = 1 k - 1 × v × ⅆ P ⅆ α + k × P × ⅆ V ⅆ α
    Figure imgb0015
     relation dans laquelle dQ/dα est exprimé en Joules par °, P et V sont la pression mesurée par le capteur de pression (34) et le volume de carburant dans le cylindre (1a - 1d), respectivement, α est l'angle dit de "vilebrequin" en °, et k est le coefficient polytropique de valeur déterminée, et en ce que la masse de carburant injecté est obtenue par intégration du dégagement de chaleur sur une fenêtre de combustion et multiplication par le potentiel calorifique PCI du carburant obéissant à la relation suivante : m carburant = PCI . ∫ ⅆ Q
    Figure imgb0016
     relation dans laquelle mcarburant est la masse de carburant exprimée en kg, dQ est exprimé en joules, et PCI est exprimé kg/joules.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur déterminée du coefficient polytropique est 1,34.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le dit moteur thermique étant équipé d'au moins un capteur (34) mesurant la pression dans au moins un mélange air + EGR la masse de la "charge" en entrée du moteur thermique (3) est basée sur un modèle polytropique, comprenant une étape de mesure d'un nombre déterminé i de variations de pression ΣΔPi mesurées par le capteur de pression (34), pour i angles α i dits "vilebrequin", par rapport à la pression mesurée pour un angle "vilebrequin" dit de référence αREF, de façon à satisfaire la relation suivante : m air = Aʹ × Δ ⁢ P cyl + Bʹ
    Figure imgb0017
     relation dans laquelle A' et B' sont des coefficients cartographiés en fonction du régime du moteur thermique (3) et déterminé pendant la phase initiale.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient A' est corrigé en fonction de la température de la "charge" de façon à satisfaire la relation suivante : Aʹ = A 0 T mélangeair + egr
    Figure imgb0018
     relation dans laquelle A 0 est une constante calibrée en fonction d'essais réalisés lors de la phase initiale sur le moteur thermique et T mélange air + EGR la température du mélange air + egr
  6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le moteur thermique étant équipé d'au moins un capteur mesurant la pression (34) dans au moins un des cylindres (1a - 1d), l'estimation du phasage de combustion comprend :
    - une première étape de détermination des dégagements de chaleur élémentaire dQ à partir de la relation suivante : ⅆ Q ⅆ α = 1 k - 1 × v × ⅆ P ⅆ α + k × P × ⅆ V ⅆ α ,
    Figure imgb0019
     relation dans laquelle dQ/dα est exprimé en Joules par °, P et V sont la pression mesurée par le capteur de pression (34) et le volume de carburant dans le cylindre (1a - 1d), respectivement, α est l'angle dit "vilebrequin" en °, et k est le coefficient polytropique de valeur déterminée ; et
    - une deuxième étape de détermination de la fraction FMB (angle) de carburant brûlé par intégration des dits dégagements de chaleur, "angle" étant l'angle vilebrequin pour lequel un pourcentage de carburant X déterminé, compris entre 0 % et 100 %, a été brûlé, ladite fraction obéissant à la relation suivante : FMB angle = ∑ k = 1 angle dQ k ,
    Figure imgb0020
    et en ce que le phasage de combustion est obtenu en déterminant l'angle dit vilebrequin pour lequel la fraction de carburant brûlé normalisée par intégration sur un cycle complet de combustion est égale au pourcentage déterminé.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur déterminée du coefficient polytropique est 1,34.
  8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que CAx est le phasage de combustion pour lequel le pourcentage de carburant déterminé X a été brûlé et en ce que X est choisi parmi les valeurs suivantes 5 %, 25 %, 50 %, 75 % ou 90 %.
  9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le moteur thermique comprenant un répartiteur d'admission (31) dans lequel sont mélangés l'air utilisé en entrée et ledit "EGR" l'estimation de température du mélange est obtenue par des mesures de température fournies par un capteur de température (35) positionné dans le répartiteur d'admission.
  10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'estimation de température du mélange est obtenue à partir de valeurs, modélisées ou cartographiés en fonction du point de fonctionnement du moteur thermique (3), enregistrées dans des moyens de mémoire, et en ce que ces valeurs sont déterminées pendant la phase initiale,
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la phase de contrôle du flux thermique appliqué à au moins un des composants (10, 11, 12) du moteur thermique (3), dite "actionneur comprend au moins les étapes suivantes :
    - la détermination pendant la phase initiale d'une cartographie de valeurs de consigne de flux thermique pour chaque point de fonctionnement du moteur thermique (3) ;
    - la détermination pendant la phase initiale paramètre "tolérance maximale d'erreur de consigne de flux thermique "(ε L ) ;
    - l'enregistrement de ces paramètres dans des moyens de mémoire ;
    - le choix d'au moins un des paramètres caractéristiques déterminés estimés comme valeur dite "actionneur" pour agir sur le fonctionnement du moteur thermique (3) et l'enregistrement d'une valeur de consigne de cet "actionneur" ;
    - la détermination des valeurs du flux thermique instantanés sur au moins un composant du moteur thermique (3) ;
    - le calcul d'une valeur dite d'erreur de flux thermique égale à la différence entre la valeur déterminée du flux thermique instantané et les valeurs de consigne de flux thermique pour chaque point de fonctionnement du moteur thermique ; et
    - la correction de la valeur de consigne dudit "actionneur" seulement et seulement si la valeur dite d'erreur de flux thermique est supérieure au paramètre "tolérance maximale sur l'erreur de consigne de flux thermique", de manière à minimiser la valeur de l'erreur, l'enregistrement dans les moyens de mémoire de cette nouvelle valeur de consigne dudit "actionneur" et son application à des organes de commande de carburation pour modifier le fonctionnement du moteur thermique (3).
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moteur thermique est un moteur diesel (3).
  13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moteur thermique est un moteur à essence.
  14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, au moins le paramètre "valeur de la masse de carburant injecté dans la chambre de combustion (13) de chacun des cylindres (1a - 1d) constitue ledit "actionneur" et en ce que la correction est effectuée en modifiant la durée d'injection de carburant dans les cylindres (1a - 1d),
  15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, au moins le paramètre phasage de combustion (13) de chacun des cylindres (1a - 1d) constitue ledit "actionneur" et en ce que la correction est effectuée en modifiant l'avance à l'allumage,
  16. Procédé selon les revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que, au moins le paramètre "valeur de la masse du mélange air + EGR" constitue ledit "actionneur" et en ce que la correction est effectuée en modifiant la pression de suralimentation en carburant ou le pourcentage déterminé (33, 330) de la masse des gaz d'échappement éjectés recyclés formant ledit "EGR".
  17. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, au moins le paramètre grandeur dite de "phasage de combustion" constitue ledit "actionneur" et en ce que la correction est effectuée en modifiant l'avance à l'injection de carburant.
  18. Procédé selon les revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que, au moins le paramètre dit de "température du mélange" constitue ledit "actionneur" et en ce que la correction est effectuée en modifiant cette température en dotant le moteur thermique (3) d'un système dit de "bypass proportionnel"
  19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que ledit "actionneur" est une combinaison de tout ou partie des paramètres caractéristiques estimés.
  20. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que les composants du moteur thermique sont constitués par un ensemble comprenant tout ou partie des composants suivants : pistons (12), culasses (13) et/ou cylindres (1a - 1d).
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