EP2100030A2 - Reglage de l'avance de l'allumage - Google Patents

Reglage de l'avance de l'allumage

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EP2100030A2
EP2100030A2 EP07871848A EP07871848A EP2100030A2 EP 2100030 A2 EP2100030 A2 EP 2100030A2 EP 07871848 A EP07871848 A EP 07871848A EP 07871848 A EP07871848 A EP 07871848A EP 2100030 A2 EP2100030 A2 EP 2100030A2
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EP
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fuel
ignition
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Withdrawn
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Alain Lunati
Johan Fournel
Thierry Gergaud
Guillaume Biteau
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SP3H SAS
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Abstract

Mise en place d'une stratégie complémentaire d'ajustement de l'avance à l'allumage. Cette stratégie permet d'ajuster au plus près l'angle d'avance à l'allumage en fonction de la structure des molécules qui composent le carburant à partir au moins d'une cartographie. Cet ajustement couvre l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur. La stratégie permet de réduire les émissions polluantes lorsque le moteur est froid dès la phase de démarrage et de stabilisation du moteur lorsque les systèmes de contrôle et régulation du moteur ne sont pas encore en boucle de régulation fermée. L'ajustement de l'avance à l'allumage permet aussi de travailler en limite de cliquetis dans les fonctionnements à forte charge et à pleine charge du moteur.

Description

REGLAGE DE L'AVANCE DE L'ALLUMAGE
L'invention concerne un moteur à allumage commandé agencé pour permettre l'ajustement de la valeur de l'avance à l'allumage.
Pour répondre aux enjeux énergétiques des prochaines décennies et réduire la consommation des véhicules, les émissions de CO2 et de polluants, l'ensemble des motoristes et des constructeurs de véhicules propose des stratégies de plus en plus complexes de la gestion électronique du moteur.
Ces stratégies sont souvent associées à des moteurs de cylindrée réduite mais de puissance et de performance identiques à des moteurs moins perfectionnés et de cylindrée plus importante. La minimisation de la cylindrée des moteurs à iso puissance et performance est communément nommée « downsizing ».
Des efforts importants sont aussi réalisés sur la gestion du démarrage du véhicule, qui engendre encore aujourd'hui des émissions polluantes importantes.
• Le Downsizing : Le développement de ces moteurs plus petits intègre dans le calculateur moteur des lois de commande moteur adaptées (mélange pauvre et charge stratifiée, zone de combustion homogène, balayage moteur par gestion de la vanne EGR, pression du turbo...). Le downsizing permet d'améliorer le rendement des moteurs en déplaçant leur fonctionnement vers de fortes charges (sollicitation moteur soutenue) avec comme conséquence positive de meilleures consommations spécifiques et des émissions polluantes (CO1HC1NOx) et de CO2 réduites.
Cependant pour les moteurs à allumage commandé, l'amélioration du rendement, de la consommation et des émissions polluantes par la réduction de la taille de la cylindrée qui fonctionne plus souvent à forte charge, est limitée par l'apparition du cliquetis, c'est-à-dire le phénomène d'auto-inflammation incontrôlée du carburant.
L'auto-inflammation est une inflammation dans laquelle un mélange carburant/comburant porté à des pressions et températures suffisantes s'enflamme spontanément. Ce phénomène est à la base du fonctionnement d'un moteur Diesel.
Pour un moteur à allumage commandé, le cliquetis est un phénomène très brusque de combustion anormale dû à l'auto-inflammation en masse des dernières fractions du mélange carburé non atteint par le front de flamme en provenance de la bougie qui est particulièrement néfaste et destructrice.
L'apparition du cliquetis dans un moteur à allumage commandé est dû aux facteurs suivants :
- Le design du moteur et l'interaction aérodynamique/combustion ;
- Les réglages du contrôle moteur ;
- La charge de fonctionnement du moteur ; le cliquetis apparaît en règle générale à forte charge ; - Le carburant utilisé, qui, en fonction des molécules qui le composent, offrira une résistance à l'auto-inflammation plus ou moins importante.
Pour un moteur et un carburant donné, l'apparition du cliquetis est facilement limitée en faisant travailler le moteur en sur avance. C'est-à-dire de commander l'allumage du mélange air/carburant bien en amont du point mort haut.
Les procédés de régulations actuels utilisent un détecteur de cliquetis qui informe le contrôle moteur de l'apparition de cette combustion anormale. Le contrôle moteur avance l'allumage d'un pas important de manière à s'éloigner rapidement des conditions favorables au cliquetis. Lors des cycles suivants, le contrôle moteur marque en général un temps d'attente avant de faire plusieurs sauts d'avance pour revenir proche de l'optimum d'avance à l'allumage.
• Démarrage à froid du moteur : Les réglages moteurs pour le démarrage à froid et la période de stabilisation après démarrage sont critiques dans le sens où les conditions de bon démarrage et de minimisation des émissions polluantes ne sont pas réunies simultanément.
Les constructeurs et les motoristes doivent s'assurer que le moteur démarrera à froid même dans des conditions difficiles. Ceci entraîne des marges de sécurité très larges dans les réglages, mais au détriment des émissions polluantes. Les principaux paramètres de contrôle moteur gérant le couple démarrage / émissions polluantes sont l'angle d'avance initial à l'allumage et la richesse du mélange air/carburant.
Pour assurer le démarrage et la stabilisation du moteur, les réglages traditionnels consistent à travailler en mélange riche et en sous avance à l'allumage.
• Impact de la sur avance et sous avance à l'allumage
Travailler en sur avance à l'allumage permet de limiter le cliquetis mais en contrepartie limite le rendement moteur et augmente la consommation de carburant. De plus un allumage en sur avance favorise la création des polluants NOx et HC.
Travailler en sous avance à l'allumage pour les phases de démarrages et de stabilisation retarde le contrôle de la richesse en boucle fermée et donc le fonctionnement du catalyseur trois voix.
Ainsi, les solutions proposées jusqu'à présent comprenant la gestion électronique sont adaptées aux moteurs et normes actuelles.
Cependant, ces solutions ne sont pas suffisantes pour les moteurs de dernières générations, de cylindrée réduite fonctionnant plus souvent à forte charge et dont la contrainte devient la gestion du cliquetis. En effet, une utilisation intensive et non plus ponctuelle du mode de régulation actuel du cliquetis en faisant varier l'avance à l'allumage avec des pas importants d'avance et un retour plus lent vers l'optimum perturbe les conditions d'optimisations du fonctionnement du moteur en boucle fermée et donc l'agrément moteur, la consommation et le bilan pollution en sortie d'échappement.
De même, les solutions actuelles de gestion du démarrage à froid ne seront plus suffisantes avec les normes environnementales futures. Le procédé selon l'invention permet une meilleure gestion de l'avance à l'allumage principalement pour les problématiques liées au démarrage à froid et au cliquetis.
A cet effet, l'invention concerne un moteur à allumage commandé comprenant un module de contrôle électronique/numérique du moteur, ledit module comprenant au moins un système de gestion de l'avance à l'allumage et des moyens de détermination de la structure moléculaire du carburant alimentant, lesdits moyens de détermination permettant d'obtenir des marqueurs de la structure moléculaire du carburant, ledit moteur étant caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour utiliser une pluralité de fonctions de corrélation (ai,a2,... ,an) des marqueurs (ci,C2,..,cn) de la structure moléculaire du carburant avec la valeur de l'avance à l'allumage, lesdites fonctions (ai,a2...,aπ) étant rangées par ordre de corrélation décroissant avec les valeurs de l'ajustement d'avance à l'allumage, afin d'ajuster la valeur de l'angle d'avance à l'allumage en fonction desdites fonctions
Ainsi, pour les moteurs à allumage commandé actuels : l'invention permet la mise en place d'une stratégie complémentaire d'ajustement dé l'avance à l'allumage.
Cette stratégie permet d'ajuster au plus près l'angle d'avance à l'allumage pour tenir compte de la variabilité du délai d'auto-inflammation des carburants qui dépend de la nature et de la structure moléculaire des molécules qui composent le carburant. Cet ajustement couvre l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur. La stratégie permet de réduire les émissions polluantes lorsque le moteur est froid dès les phases de démarrage et de stabilisation du moteur lorsque les systèmes de contrôle et régulation du moteur ne sont pas encore en boucle de régulation fermée. L'ajustement de l'avance à l'allumage permet aussi de travailler en limite de cliquetis dans les fonctionnements à forte charge et à pleine charge du moteur.
Pour les moteurs à allumage commandé de type « downsizé » : Pour ces moteurs qui fonctionnent souvent à forte ou pleine charge et dont la contrainte est l'apparition du cliquetis, l'invention permet la mise en place d'une stratégie complémentaire de gestion de l'avance à l'allumage. Cette stratégie garantie une optimisation de l'avance à l'allumage dans la phase de démarrage du moteur, et permet aussi d'accentuer la réduction de la cylindrée motrice grâce à un contrôle moteur fin en limite de cliquetis.
En faisant souvent fonctionner le moteur à forte charge ou pleine charge, l'invention permet de répondre plus efficacement aux enjeux de réduction de CO2 et de consommation tout en limitant le déclenchement et l'intervention très pénalisante du système de contrôle actuel du cliquetis pour la mise en sécurité du moteur.
Dans les deux cas, la prise en compte des marqueurs de la structure moléculaire du carburant permet une meilleure estimation du délai d'auto-inflammation du mélange donc de la valeur de consigne optimale de l'avance à l'allumage en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur.
Ainsi l'invention rend possible le pré-positionnement dans le contrôle moteur au plus juste des valeurs d'angle d'avance à l'allumage en fonction du point mort haut.
L'invention permet un niveau de contrôle et d'optimisation moteur plus fin mais a l'avantage de conserver le module existant sécuritaire de gestion du cliquetis.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés.
La figure 1 est un tableau représentant des exemples de variation des délais d'auto-inflammation de plusieurs carburants de référence qui couvrent la variabilité moyenne de la qualité des carburants essence fabriqués par les raffineurs au niveau mondial.
La figure 2 est un diagramme représentant un exemple de fonctionnement de stratégie de contrôle de l'avance à l'allumage incluant un ajustement dû à la structure moléculaire du carburant.
La figure 3 est une représentation schématique de l'apparition du cliquetis. La figure 4 est une représentation schématique du fonctionnement du système de gestion du cliquetis.
La figure 5 est un tableau représentant les différents délais d'auto-inflammation pour un jeu P et T donné, des molécules potentiellement présentent dans le carburant de type essence. Ces molécules sont classées par familles (Paraffines, Aromatiques...).
La figure 6 est un graphique représentant un exemple de cartographie de calibration d'ajustement de l'avance à l'allumage en fonction de la structure moléculaire des carburants.
La figure 7 est une représentation schématique des étapes entrant dans le calcul d'ajustement de l'angle d'avance à l'allumage à partir de la détermination de deux marqueurs de la structure moléculaire du carburant et d'une cartographie d'ajustement de l'avance à l'allumage.
Un véhicule équipé d'un moteur thermique à combustion interne à allumage commandé fonctionne en aspirant de l'air prélevé dans l'atmosphère et en le mélangeant à un hydrocarbure liquide composé de molécules hydrocarbonées (essentiellement carbone, hydrogène et oxygène) pour le brûler afin de récupérer l'énergie dégagée par la rupture des liaisons atomiques.
Le principe de fonctionnement du système de gestion de l'allumage commandé est de provoquer une étincelle à partir d'une bougie, afin d'enflammer le mélange air/carburant dans la chambre de combustion au moment voulu pour maximiser le rendement énergétique de la combustion en faisant coïncider le pic de pression de combustion avec une position idéale du couple piston/vilebrequin.
Cependant, il existe un délai de quelques millisecondes entre le moment où l'étincelle se produit et le moment où l'inflammation du mélange air/carburant se propage, correspondant au début de la phase de combustion vive du mélange et à l'obtention d'un pic de pression maximum dans la chambre de combustion. L'avance à l'allumage pilotée électroniquement, s'exprime en degré d'angle de rotation du vilebrequin et permet de synchroniser le début de la combustion caractérisée par l'apparition du pic de pression dans la chambre de combustion avec une position optimum et prédéterminée du piston dans la chambre de combustion.
La valeur d'avance dépend entre autres de la vitesse de rotation du moteur (régime moteur) et de la pression d'admission dans le collecteur d'air.
En général, l'étincelle doit se produire plus tôt quand le régime moteur est plus élevé et plus tardivement quand il diminue. De plus, l'allumage doit être aussi avancé quand la pression d'air dans le collecteur est faible (forte dépression) et inversement.
Une valeur non optimisée d'avance à l'allumage peut avoir un effet significatif sur les émissions polluantes et sur l'agrément de conduite du véhicule. Dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, un angle d'avance à l'allumage trop proche du point mort haut peut provoquer l'apparition d'un phénomène incontrôlé d'auto-inflammation spontanée du mélange air/carburant nommé cliquetis et une augmentation des hydrocarbures imbrûlés (HC) et des oxydes d'azote (NOx).
A l'inverse, une valeur de l'avance à l'allumage trop faible peut provoquer une combustion partielle du mélange air/carburant et entraîner une perte de rendement énergétique du moteur, cette perte de puissance causant une perte d'agrément de conduite et une augmentation des émissions polluantes.
Cependant, la valeur optimale de l'avance à l'allumage associée au délai d'inflammation dépend aussi d'autres facteurs très importants comme la qualité du carburant comme le montre la figure 1 et de plusieurs paramètres de conception du moteur et de fonctionnement du moteur. C'est donc pour tenir compte de la nécessité d'estimer au plus près le calcul du délai d'auto-inflammation du mélange air/carburant qu'il a été mis en place un système de contrôle électronique de détermination de la valeur optimale de l'avance à l'allumage. Comme on peut le constater sur la figure 1 , La variation de délai d'auto-inflammation entre 2 carburants distribués en Europe (équivalant aux carburants de référence PRF 98- 2 et PRF 91-9) excède 25%.
Le cœur du système de contrôle de l'avance à l'allumage repose sur un système de régulation des paramètres du moteur, système qui maximise l'efficacité du moteur en ajustant en temps réel la valeur instantanée de l'angle d'avance à l'allumage pour tenir compte du délai d'inflammation du mélange air/carburant (figure 1) et obtenir le pic maximum de pression de combustion lorsque la position du piston se situe après le point mort haut, dans la position idéalement prédéfinie lors des phases de mise au point moteur.
Lors de la mise au point du moteur, le réglage et l'obtention de la valeur optimale de l'angle d'avance à l'allumage se font aujourd'hui en plusieurs étapes successives, en fonction de stratégies prédéterminées liées au fonctionnement du moteur. Elles sont stockées sous forme de plusieurs cartographies et stratégie de contrôle dans la mémoire de l'ECU (figure 2).
Durant la phase de démarrage du moteur, l'ECU détermine lors d'une première étape, l'angle initial d'avance à l'allumage souvent à partir d'une valeur fixée par défaut en référence à un angle du vilebrequin en avance par rapport au point mort haut du piston. Cette valeur reste la valeur de référence lors de la phase de démarrage et immédiatement après le démarrage tant que la vitesse de rotation du moteur reste sous une valeur de seuil préenregistrée correspondant à un régime moteur instable.
Dès que le signal est reçu par l'ECU comme quoi le moteur a démarré, le calcul et l'optimisation de l'avance à l'allumage vont se faire en boucle de rétrocontrôle par succession de pas, par ajustement de la valeur de l'angle initial d'avance. Ces corrections se font dans une seconde étape, en ajustant la valeur de l'avance en fonction de valeurs en provenance de différents capteurs et par comparaison avec les lois et les cartographies enregistrées dans les mémoires de l'ECU. Dans cette étape, l'angle d'avance à l'allumage initial va être corrigé par le microprocesseur de l'ECU par une valeur d'avance de base calculée à partir des informations relatives au volume d'air dans le collecteur d'admission, de la vitesse de rotation du moteur (régime), de la position du papillon d'air et de la température du moteur.
Dans une troisième étape, un ajustement final est appliqué pour calculer l'angle d'avance à l'allumage optimum, pour tenir compte entre d'autres d'informations en provenance du calculateur moteur, notamment :
- d'une correction due à la température du moteur si le moteur est froid où pour des conditions climatiques extrêmes,
- d'une correction due à une température excessive du moteur, - d'une correction pour stabiliser le régime moteur au ralenti,
- d'une correction due à la pression atmosphérique,
- d'une correction en fonction du taux de recyclage des gaz d'échappement (EGR),
- d'une correction liée à la stratégie de gestion de la richesse, - d'une correction liée à la stratégie de gestion des régimes transitoires (décélération puis accélération),
- d'une correction liée à la stratégie de gestion du cliquetis
- du maximum et du minimum autorisés de valeur d'angle d'avance qui ne peut pas être inférieure ou supérieure à des valeurs de consigne MIN et MAX...
C'est donc la gestion du phénomène de cliquetis par le contrôle électronique de l'avance à l'allumage qui limite l'apparition de ce type de combustion anormale. Cette dernière survient quand les conditions de fonctionnement du moteur conduisent à des oscillations d'amplitudes variables du niveaux de pression et de la température élevée des gaz dans la chambre de combustion qui sont dues à l'auto-inflammation détonante du mélange air-carburant intervenant avant le mécanisme de combustion normale par propagation d'un front de flamme (figure 3). Comme on peut le voir sur la figure 3, l'étincelle (a) est provoquée à partir de la bougie d'allumage. Elle permet la propagation du front de flamme (b) vers les zones de mélange non encore atteintes (c). Si la vitesse de combustion est trop lente, il se produit alors une auto-inflammation en masse des dernières fractions du mélange carburé non atteint par le front de flamme (d), qui provoque le cliquetis du moteur. Le phénomène de cliquetis provient d'une inadéquation entre la résistance à l'auto-inflammation du mélange air/carburant dans la chambre et les caractéristiques de fonctionnement du moteur à un instant donné (Pression/Température) ainsi qu'à des paramètres de conception du moteur.
Ce phénomène est bien connu depuis les années 1930 et de nombreuses solutions pour éviter d'endommager le moteur durant son fonctionnement, en cas de cliquetis persistant ou intense ont été proposées dès les années 1970 notamment par André DOUAD et Joseph RIALAN de l'Institut Français du Pétrole (FR2 337 261).
Ainsi, depuis plus de 20 ans, la mise en place du contrôle électronique du moteur (ECU) et des stratégies et lois de contrôle moteur autorisent l'intégration de la gestion du cliquetis à bord du véhicule, dans une boucle de régulation fermée en utilisant des informations en provenance d'un capteur spécifique de détecteur de vibrations acoustiques (du type piézo-électrique). Il permet de tenir compte de la variabilité de la qualité des carburants disponibles à la pompe.
En effet, les constructeurs mettent au point leur moteur sur la base d'essais à partir d'essences de références et standardisées, mais doivent ensuite pouvoir faire fonctionner le moteur dans toutes les conditions en prenant en compte la variabilité de la qualité des carburants et notamment leur degré de résistance à l'auto-inflammation.
Pour ce faire, la boucle de contrôle agit comme une solution corrective de mise en sécurité moteur en réponse à un phénomène ponctuel anormal. Elle permet de détecter un cliquetis naissant et d'apporter une correction en agissant sur la réduction de l'angle d'avance à l'allumage. Avancer l'allumage par rapport au point mort haut agit directement sur la combustion car ceci permet d'abaisser la température et la pression dans la chambre de combustion du moteur et de retrouver des paramètres de fonctionnement normaux.
La figure 4 représente le fonctionnement du système de gestion du cliquetis. Ce fonctionnement est décrit de la façon suivante : - [A] Des oscillations (k) dues à l'apparition d'une auto-inflammation dans la chambre de combustion, sur un des cylindres apparaissent.
- [B] Le détecteur de cliquetis (Ks) les détecte et transmet un signal « créneau » au système de contrôle. - [C] A chaque créneau du détecteur (Ks), le système de contrôle vient modifier l'avance à l'allumage (AA0) pas à pas (sur avance) durant toute la durée de la combustion anormale, jusqu'à ce que le cliquetis cesse.
- [D] Après un certain temps (tx) prédéfini, le système va ré-avancer la valeur de l'avance à l'allumage pour tendre vers la valeur (AAo) d'origine.
Lorsque le cliquetis apparaît (figure 4), le détecteur de cliquetis convertit la vibration issue des oscillations d'amplitudes du niveau de pression et de température des gaz dans la chambre de combustion en valeur de courant qui est renvoyée dans le module de contrôle moteur. En fonction des valeurs de consigne programmée, l'ECU avance l'allumage par rapport au point mort haut par pas fixe jusqu'à ce que le cliquetis disparaisse. Une fois que le phénomène d'auto- inflammation cesse, l'ECU arrête d'avancer l'allumage et commence à revenir vers une solution optimale en retardant l'allumage.
En cas de cliquetis persistant, il existe de plus une procédure de mise en sécurité du moteur permettant de modifier la valeur de l'avance de base stockée dans la mémoire, en retardant l'allumage sur toute la plage d'utilisation du moteur. Ce processus de prise de marge de sécurité impacte négativement les performances du moteur et la consommation sur une durée relativement longue, qui nécessite de refaire plusieurs pleins de carburant avec une essence de qualité normale ou d'acquitter le défaut dans la mémoire du calculateur mémoire.
Egalement, un travail complet au travers des législations tant au niveau national, européen ou mondial a été fait depuis plus de trente années pour définir des normes pour des carburants avec des spécifications de plus en plus poussées pour résister au phénomène d'auto-inflammation (augmentation de l'indice d'octane du carburant RON 90,95,98... caractéristique de la résistance à l'auto- inflammation du mélange). Malgré tout, lors du démarrage du véhicule, le manque d'information en provenance des différents capteurs, notamment la sonde de richesse n'autorise pas l'optimisation de l'avance à l'allumage et délivre une valeur unique d'avance à l'allumage initiale quelle que soit la qualité du carburant. Cette phase est fortement génératrice de l'essentiel des émissions de polluants HC, CO et NOx.
La difficulté pour le motoriste va être de trouver un compromis dans la valeur de consigne initiale ou du calcul de l'avance à l'allumage de base pour éviter un trop fort ajustement de la part du module de gestion et de correction du cliquetis.
C'est pourquoi les constructeurs apportent un soin méticuleux pour faire progresser les architectures moteurs (design chambre/culasse/piston, suralimentation...) afin de limiter l'apparition du cliquetis.
Jusqu'à présent, le contrôle de la gestion du cliquetis par l'ECU, à partir d'un capteur de cliquetis suffisait à répondre et à corriger l'apparition anormale et ponctuelle du phénomène d'auto-inflammation, dans le cas d'une inadéquation entre les paramètres de fonctionnement du moteur à forte ou pleine charge et l'aptitude du mélange air-carburant à résister à l'auto-inflammation.
Malgré tout cette solution devient insuffisante pour contrôler le phénomène s'il se produit d'une manière récurrente alors que dans la plupart des cas de fonctionnement du moteur l'angle d'avance à l'allumage doit être le plus proche de l'apparition du cliquetis pour optimiser la consommation de carburant.
Certains ont proposé de contrôler le fonctionnement des paramètres moteur à partir d'un capteur carburant basé sur la mesure de constante diélectrique (US 5.150.653) ou des indices de réfraction (DE 4.219.142) ou d'ondes acoustique (US 2005/0247289) mais les applications sont limitées car elles ne prennent pas en compte directement l'impact des interactions entre la variation de la structure moléculaire d'un carburant et les réglages moteurs.
Cependant, la demande de brevet FR-2 883 602 propose l'utilisation d'un capteur dédié, lié à l'identification de structure moléculaire du carburant. L'invention repose sur l'application du procédé selon cette demande de brevet à l'ajustement de la valeur de l'angle de l'avance à l'allumage.
Il est donc possible de relier directement la valeur de l'angle de l'avance à l'allumage à la structure moléculaire du carburant qui alimente le moteur.
La figure 2 montre un exemple de fonctionnement de stratégie de contrôle de l'avance à l'allumage incluant un ajustement dû à la structure moléculaire du carburant. Dans cet exemple cet ajustement fait décroître la valeur de l'avance en étape [D].
Etape [A] - démarrage et post démarrage - boucle ouverte
Angle d'avance = Angle initial d'avance à l'allumage
Etape [B] - moteur en fonctionnement - boucle fermée Angle d'avance = Angle initial + Angle d'avance de base
Etape [C] - moteur en fonctionnement - boucle fermée
Angle d'avance = Angle d'avance initial + Angle d'avance de base + Angle correctif d'avance-
Etape [D] - moteur en fonctionnement - boucle fermée Angle d'avance = Angle d'avance initial + Angle d'avance de base + Angle correctif d'avance + ajustement en fonction de l'ajustement dû à la structure moléculaire du carburant.
Le délai d'auto-inflammation des carburants dépend étroitement de la structure de molécules qui le composent (figure 5). En particulier, la structure moléculaire du carburant dépend du type et du nombre de molécules dans le squelette hydrocarboné. La connaissance de la structure moléculaire du carburant permet ainsi d'appréhender avec précision son délai d'auto-inflammation. Une essence pour moteur à allumage commandé répondant à la norme EN 228 est composée en moyenne de cinquante à cent molécules possédant de 4 à plus de 9 atomes de carbones. Ces molécules sont associées à des familles d'hydrocarbures.
Les familles d'hydrocarbures pures peuvent être regroupées par exemple en : hydrocarbures saturés (alcanes à chaînes carbonées ouvertes linéaires communément appelées Paraffines, alcanes à chaînes carbonées ouvertes ramifiées communément appelées Iso paraffines, ou à chaînes carbonées fermées sur elles-mêmes communément appelées cycliques saturés ou naphténiques) ; hydrocarbures insaturés (oléfines à chaîne ouvertes ou fermées contenant une ou plusieurs doubles liaisons) ; hydrocarbures aromatiques (un ou plusieurs cycles insaturés à noyau benzénique); - produits organiques oxygénés : molécules contenant au moins un atome d'oxygène (alcools, aldéhydes, cétone, esters, éthers, acides...)
Dans la famille des hydrocarbures de type paraffiniques, le délai d'auto- inflammation décroit régulièrement lorsque la longueur de la chaîne augmente. Dans la famille des hydrocarbures de type iso-paraffines, le délai augmente en fonction du nombre et de la complexité des branchements des chaînes latérales. Egalement, les délais d'auto-inflammation des molécules possédant un noyau aromatique sont plus élevés que les molécules n'en possédant pas. Tout comme le délai d'auto-inflammation des molécules ayant une ou plusieurs insaturations est généralement supérieur à celui des paraffines possédant le même squelette carboné et le délai pour ses deux familles dépend de la longueur de ramification des chaînes. Enfin, les molécules cycliques saturés ou non présentent toujours un délai d'auto-inflammation supérieurs à leurs homologues non cycliques.
Le moteur à allumage commandé selon l'invention comprend un module de contrôle électronique/numérique du moteur qui comporte au moins un système de gestion de l'avance à l'allumage et des moyens de détermination de la structure moléculaire du carburant alimentant ledit moteur. Ces moyens de détermination sont par exemple décrits dans la demande de brevet FR-2 883 602. Les moyens d'analyse permettent d'obtenir au moins un marqueur de la structure moléculaire du carburant. Le système de gestion est agencé pour ajuster la valeur de l'angle d'avance à l'allumage à partir du marqueur de la structure moléculaire du carburant fourni par les moyens de détermination. Les marqueurs (ci,C2,...,cn) relatifs à la structure moléculaire du carburant sont liés/corrélés au délai d'auto-inflammation du carburant et donc à l'ajustement de l'avance à l'allumage.
Ainsi, durant la phase de conception du moteur, à partir d'une base de données de calibration au moins, on construit une ou plusieurs tables de corrélation entre la variation de l'avance à l'allumage et de un ou plusieurs marqueurs de la structure moléculaire du carburant (figure 6). La table représentée sur la figure 6 est stockée dans la mémoire de l'ECU. Les axes Ai et A2 permettent de positionner les coordonnées du carburant sur les axes des X et Y, l'axe vertical Z représente les valeurs d'avance d'ajustement VA en degrés d'angle.
A partir de ces tables, le système de gestion est agencé pour déterminer une pluralité de fonctions (a1 la2,... ,an) calculées à partir des marqueurs (ci,C2,..,cn) de la structure moléculaire du carburant. Les fonctions (ai,a2 .. ,an) linéaires ou non sont rangées par ordre de corrélation décroissant avec les valeurs de l'ajustement d'avance à l'allumage.
Le système de gestion peut également être agencé pour déterminer une combinaison au moins parmi toutes les combinaisons possibles (Oi,θ2,...,On) des fonctions (ai,a2,..,an) de la structure moléculaire du carburant. Cette combinaison est l'optimum de corrélation avec la valeur de délai d'auto-inflammation du carburant et de l'ajustement d'avance à l'allumage.
La table de corrélation permet de déterminer la valeur de l'avance à l'allumage en fonction :
- d'au moins un marqueur (c) et préférentiellement de 2 marqueurs (01,02)
- d'au moins d'une fonction (a,) et préférentiellement de 2 fonctions (ai,a2)
- d'au moins d'une combinaison (Oj) et préférentiellement de 2 combinaisons
- sinon d'une pluralité de marqueurs (Ci,c2,...,cn)
- ou sinon d'une pluralité de fonctions (ai,a2,...,an)
- ou sinon d'une pluralité de combinaisons (Qi1O2,..., On) Par exemple, nous construisons les fonctions (ai), (82) et (83) comme fonctions relatives respectivement à la détermination des critères de structures moléculaires des aromatiques, des oxygénés et des iso-paraffines décrits respectivement par les équations : (ai) = (p*ci/ (q*C2) où Ci est un marqueur des aromatiques et C2 un marqueur des chaînes linéaires.
(82) = (u*C3/ (v*C4) où C3 est un marqueur des oxygénés et C4 un marqueur des iso-paraffines.
(83) = (w*Cδ)/ (x*C2) où C5 est un marqueur des iso-paraffines et C2 un marqueur des linéaires. p,q, u, v, w, x étant des constantes
Dans cet exemple, on peut déterminer Oi comme une combinaison des fonctions (ai, a2) ou (ai, a3) ou (a2, a3) ou (a-i, a2, a3) relatives à la capacité de résistance à l'auto-inflammation du carburant. Oi pourrait écrire par exemple : (O1) = aai + ba2 + ga3 + e avec a,b,g,e constantes
Dans notre procédé, le système de gestion de l'avance à l'allumage est agencé pour projeter les valeurs des marqueurs de structures chimiques du carburant (c-i, C2,... , Cn) ou leurs fonctions (ai,a2,...,an) ou leurs combinaisons (Oi,θ2,...,On) dans la ou les tables de corrélation entre la variation de l'avance à l'allumage et le ou les marqueurs des structures chimiques du carburant ou leurs combinaisons, le système étant agencé pour déterminer ainsi la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage relative au carburant.
Ces tables ou cartographies d'ajustement sont stockées dans une mémoire du calculateur moteur ou d'un calculateur annexe relié au calculateur principal.
Il est également possible de construire une ou plusieurs lois ou modèles mathématiques à la place des cartographies, lesdites lois permettant de calculer la valeur de l'avance à l'allumage en fonction des marqueurs ou d'une fonction de ces derniers (a-i, a2, ... , an), de stocker la loi dans une mémoire du calculateur moteur ou d'un calculateur annexe relié au calculateur principal puis d'utiliser les valeurs des marqueurs de structures chimiques du carburant comme variables d'entrée de la loi pour déterminer la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage.
Dans les deux cas, la valeur d'ajustement permet au calculateur moteur d'ajuster les actuateurs afin de régler l'avance à l'allumage selon la nouvelle valeur de consigne.
Cette valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage en fonction de la structure moléculaire du carburant peut être soit un pourcentage de la valeur de l'avance calculée « hors impact carburant » soit un nombre de degré d'avance à retrancher ou rajouter à la valeur d'avance à l'allumage calculée « hors impact carburant ».
La gestion du calcul de la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage en fonction de la structure chimique du carburant peut se faire soit à toutes les étapes classiques de détermination de l'avance à l'allumage par le calculateur moteur ou lors d'une étape supplémentaire, soit en la fractionnant et en la pondérant sur chaque étape. Il est possible d'appliquer l'ajustement lors du calcul de l'avance à l'allumage initial dès la phase de démarrage du véhicule et/ou lors du calcul de l'avance à l'allùmàp âprès démarrage1 èt/ôû lors de l'ajustement final et de la correction selon les autres valeurs de capteurs et/ou dans une étape supplémentaire d'ajustement.
Afin de vérifier le bon fonctionnement du système, le calculateur effectue un processus d'auto diagnostic avant d'appliquer la valeur d'ajustement et les conserver dans une mémoire de stockage. Les valeurs d'ajustement stockées peuvent servir comme valeurs de consigne en cas de défaut constaté lors de l'auto-diagnostique. Enfin le calculateur moteur informe le système qualité diagnostique moteur du résultat de l'auto-diagnostique
En référence à la figure 7, on décrit un procédé d'optimisation de la stratégie de gestion de l'avance à l'allumage à partir d'une cartographie d'ajustement en fonction de marqueurs de la structure moléculaire du carburant.
Sur cette figure, on peut résumer ainsi les différentes étapes :
Etape 1 : Calcul des marqueurs ci et C2 de la structure moléculaire du carburant (C) alimentant le moteur à partir du capteur (FS) Etape 2 : les marqueurs de la structure moléculaire du carburant sont projetés selon les 2 axes Ai et A2 de la cartographie d'ajustement d'avance à l'allumage (A11A2-VA)
Etape 3 : la valeur d'ajustement (va) de l'avance à l'allumage pour le point donné C est déterminée à partir de la table d'ajustement (Ai,A2,VA) et des coordonnées Ci et C2 du carburant.
Etape 4 : la valeur d'ajustement (va) est pris en compte par le module de gestion de l'avance à l'allumage du contrôleur moteur pour déterminer la valeur optimale de consigne d'avance Etape 5 : le contrôle moteur actionne les actuateurs.
La première étape [1] dans l'optimisation de l'ajustement de l'angle d'avance consiste à déterminer les valeurs des marqueurs de structure chimiques du carburant C (Ci1C2...) par l'intermédiaire d'un capteur carburant (FS).
La seconde étape [2] dans l'optimisation de l'ajustement de l'angle d'avance consiste à projeter les valeurs des marqueurs de structure chimique du carburant (C1T C2...) "dans la table ou ïes- tables de coîrélâtiôn entre la variation de l'avance à l'allumage et la structure moléculaire du carburant de manière à déterminer la valeur d'ajustement d'avance optimale (VA) fonction de la structure moléculaire du carburant. Dans cet exemple, la valeur d'ajustement obtenue au croisement de d et c2 est de 3% [3].
Cette valeur est récupérée dans le calcul final de l'avance à l'allumage et l'ajustement se fait lors d'une étape supplémentaire [D] de la stratégie de contrôle de l'avance.
Le calculateur moteur ajuste de 3% la valeur d'avance à l'allumage et positionne les actuateurs afin de respecter la nouvelle consigne.
Selon quelques exemples, l'avance à l'allumage peut être optimisée de la façon suivante en fonction des marqueurs pris en compte :
Les marqueurs (Ci,c2l...,cn) comprennent au moins un marqueur linéaire relatif à la longueur des chaînes carbonées linéaires saturées et ouvertes présentes dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
Les marqueurs (ci,C2,...,cn) comprennent au moins un marqueur branché relatif 5 aux nombres de ramifications sur les chaînes carbonées saturés et ouvertes présentes dans le carburant, l'allumage étant avancé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
Les marqueurs (ci,C2,...,cn) comprennent au moins un marqueur cyclique relatif 10 aux nombres d'atomes contenu les cycles saturés présents dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
Les marqueurs (ci,C2,...,cn) comprennent au moins un marqueur insaturé relatif aux nombres d'insaturations sur les chaînes carbonées ouvertes de type 15 oléfinique présents dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
— •- -- Lès-maΥqύeurs-(cl7c2T^Cn)-cô"rfφïèment:^7ή7)ihir-un marqueur aromatique relatif aux nombres de cycles insaturés à noyau benzénique présents dans le carburant, 20 l'allumage étant avancé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
Les marqueurs (ci,C2,...,cn) comprennent au moins un marqueur lié aux nombres de molécules contenant au moins un atome d'oxygène relatif à la teneur en produit oxygénés présents dans le carburant, l'allumage étant avancé lorsque la 25 valeur dudit marqueur augmente.

Claims

REVENDICATIONS
1- Moteur à allumage commandé comprenant un module de contrôle électronique/numérique du moteur, ledit module comprenant au moins un système de gestion de l'avance à l'allumage et des moyens de détermination de la structure moléculaire du carburant alimentant ledit moteur, lesdits moyens de détermination permettant d'obtenir des marqueurs de la structure moléculaire du carburant, ledit moteur étant caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour utiliser une pluralité de fonctions de corrélation (ai,a2 an) des marqueurs (ci,C2,..,cn) de la structure moléculaire du carburant avec la valeur de l'avance à l'allumage, lesdites fonctions (ai,a2... ,an) étant rangées par ordre de corrélation décroissant avec les valeurs de l'ajustement d'avance à l'allumage, afin d'ajuster la valeur de l'angle d'avance à l'allumage en fonction desdites fonctions
2- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les marqueurs (ci,C2,... ,cn) relatifs à la structure moléculaire du carburant sont liés/corrélés au "délài-d'âTJtό^inflâήWiâtiόfî^u^c^bTjrânFëFciόnc èF rajustement dé l'avance à l'allumage.
3- Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les marqueurs (C1, C2,... , Cn) comprennent au moins un marqueur linéaire relatif à la longueur des chaînes carbonées linéaires saturées et ouvertes présentes dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
4 - Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les marqueurs (ci,c2,... ,cn) comprennent au moins un marqueur branché relatif aux nombres de ramifications sur les chaînes carbonées saturés et ouvertes présentes dans le carburant, l'allumage étant avancé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
5- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les marqueurs (Ci,c2,...,cn) comprennent au moins un marqueur cyclique relatif aux nombres d'atomes contenu les cycles saturés présents dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
6- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les marqueurs (ci,C2,... ,cn) comprennent au moins un marqueur insaturé relatif aux nombres d'insaturations sur les chaînes carbonées ouvertes de type oléfinique présents dans le carburant, l'allumage étant retardé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
7- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les marqueurs (ci,C2,...,cn) comprennent au moins un marqueur aromatique relatif aux nombres de cycles insaturés à noyau benzénique présents dans le carburant, l'allumage étant avancé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
8- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les marqueurs (ci,C2,... ,cn) comprennent au moins un marqueur lié aux nombres de molécules contenant au moins un atome d'oxygène relatif à la teneur en produit oxygénés présents dans le carburant, l'allumage étant avancé lorsque la valeur dudit marqueur augmente.
9 - Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour utiliser une combinaison (Oi,θ2,. ..,On) des fonctions (a-ι,a2,..,an) de corrélation de la structure moléculaire du carburant avec la valeur de l'avance à l'allumage, ladite combinaison étant l'optimum de corrélation avec la valeur de délai d'auto-inflammation du carburant et de l'ajustement d'avance à l'allumage.
10- Moteur selon la revendication 1 ou 9, caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour procéder à la construction d'au moins une table d'ajustement au moins de corrélation, ladite table permettant de déterminer la valeur de l'avance à l'allumage en fonction d'au moins un marqueur de la structure moléculaire du carburant (Cj) ou d'au moins une fonction des marqueurs de la structure moléculaire du carburant (ai) ou d'une pluralité de marqueurs de la structure moléculaire du carburant (ci,C2,...,cn) ou d'une pluralité de fonctions de marqueurs de la structure moléculaire du carburant (ai,a2 an) et/ou de deux marqueurs de la structure moléculaire du carburant (q,Cj) ou de la meilleure de deux combinaisons possibles de marqueurs de la structure moléculaire du carburant (Oj et Oj).
11- Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur moteur, la ou les tables d'ajustement étant stockées dans une mémoire dudit calculateur moteur ou d'un calculateur annexe relié au calculateur moteur.
12- Moteur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le système de gestion de l'avance à l'allumage est agencé pour projeter les valeurs des marqueurs de structures chimiques du carburant (ci,C2,...,cn) ou des fonctions (ai,a2,...,an) ou des combinaisons (Oi,O2,..., On) dans la ou les tables de corrélation entre la variation de l'avance à l'allumage et le ou les marqueurs des structures chimiques du carburant ou leurs combinaisons, le système étant agencé pour déterminer ainsi la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage relative au carburant.
13- Moteur selon la revendication 1 ou 9, caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour procéder à la construction d'au moins un modèle mathématique, ledit modèle permettant de calculer la valeur de l'avance à l'allumage en fonction d'au moins un marqueur de la structure moléculaire du carburant (q) ou d'au moins une fonction des marqueurs de la structure moléculaire du carburant (ai) ou d'une pluralité de marqueurs de la structure moléculaire du carburant (ci, C2,..., Cn) ou d'une pluralité de fonctions des marqueurs de la structure moléculaire du carburant (a1 ,a2,...,an) et/ou de deux marqueurs (q.q) ou de deux combinaisons de marqueurs de la structure moléculaire du carburant (Oj et Oj).
14- Moteur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur moteur, le modèle mathématique d'ajustement étant stocké dans une mémoire dudit calculateur moteur ou d'un calculateur annexe relié au calculateur principal. 15- Moteur selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le système de gestion comprend un programme stocké dans le microprocesseur du calculateur moteur, ledit programme utilisant les valeurs calculées des marqueurs de structures chimiques ou une des combinaisons comme variables d'entrée du modèle mathématique pour déterminer la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage.
16- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la valeur d'ajustement permet au calculateur moteur d'ajuster les actuateurs afin de régler l'avance à l'allumage selon la nouvelle valeur de consigne.
17- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage en fonction de la structure moléculaire du carburant est soit un pourcentage de la valeur de l'avance calculée soit un nombre de degrés à retrancher ou rajouter à la valeur d'avance à l'allumage.
18- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la valeur d'ajustement de l'avance à l'allumage en fonction de la structure chimique du carburant peut se faire à toutes les étapes du calcul de l'avance à l'allumage par le calculateur moteur ou dans une étape supplémentaire.
19- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la valeur d'ajustement peut s'appliquer lors du calcul de l'avance à l'allumage initial, dès la phase de démarrage du véhicule ou lors du calcul de l'avance à l'allumage après démarrage ou lors de l'ajustement final et la correction selon les autres valeurs de capteurs ou après l'ajustement final et la correction selon les autres valeurs de capteurs.
20- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le calculateur est agencé pour effectuer un processus d'auto diagnostique avant d'appliquer la valeur d'ajustement.
21- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que les valeurs d'ajustement sont conservées dans une mémoire de stockage.
22- Moteur selon la revendication 21, caractérisé en ce que les valeurs d'ajustement stockées peuvent servir comme valeurs de consigne en cas de défaut constaté lors de l'auto-diagnostique.
23- Moteur selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que le système de gestion est agencé pour informer le programme général défaut moteur EODB du résultat de l'auto-diagnostic de la gestion d'ajustement de l'avance à l'allumage.
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