EP2195519B1

EP2195519B1 - Estimation de parametres d'etat d'un moteur par mesure de la pression interne d'un cylindre

Info

Publication number: EP2195519B1
Application number: EP08837795A
Authority: EP
Inventors: Sébastien CASTRIC; Vincent Talon
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: EP2195519A1; WO2009047412A1; FR2922262A1; FR2922262B1

Description

L'invention concerne l'estimation de paramètres d'état d'un moteur rotatif à combustion interne comprenant une pluralité de cylindres.
Les normes antipollution et la baisse de la consommation deviennent des enjeux de plus en plus importants pour les constructeurs automobiles. Il est donc nécessaire de maîtriser la consommation des véhicules, donc des rejets de dioxyde de carbone, tout en rejetant le moins possible de gaz polluants tel que les oxydes d'azotes NO_x, le monoxyde de carbone CO, les carburants imbrûlés HC et les particules, notamment pour les moteurs diesel.
Ceci passe obligatoirement par une maîtrise parfaite de la combustion. Il est donc nécessaire de connaître les grandeurs de différents paramètres d'état du moteur, qui sont par exemple :

le remplissage η _v (quantité de gaz frais admis dans les cylindres)
le couple moteur
le régime moteur
les phasages des injections de carburant ϕ _inj
la masse de carburant introduite pour chaque injection M_inj
la température en sortie du cylindre T_avt
la pression en sortie du cylindre P_avt
les émissions d'oxyde d'azote NO_x
les émissions de monoxyde de carbone CO
les émissions de carburants imbrûlés HC
les émissions de particules

Grâce à l'estimation de ces grandeurs il est possible de contrôler le moteur en boucle fermée, c'est-à-dire d'optimiser à chaque instant le contrôle du moteur grâce à la connaissance de son état.
Comme on le sait, de nombreux capteurs sont généralement embarqués dans les véhicules pour la mesure d'une pluralité de grandeurs et de paramètres d'état, ce qui entraîne un coût non négligeable dans la fabrication des véhicules.
On pourra se référer par exemple à la demande de brevet européen publiée sous le numéro EP 1 367 248 , dans laquelle une estimation de l'émission d'oxydes d'azote NO_x est réalisée à partir d'un modèle mathématique dit « capteur virtuel » et d'une pluralité de mesures de paramètres d'état du moteur. Mais la mise en oeuvre de ce modèle nécessite la mesure de nombreux paramètres d'état.
On pourra également se référer par exemple à la demande de brevet américain publiée sous le numéro US 2004/0073381 , dans laquelle est décrit un moyen pour estimer l'émission d'oxydes d'azote NO_x à partir de la corrélation entre une pluralité de mesures de paramètres de contrôle du moteur et d'une table de grandeurs statiques établie en fonction d'une moyenne des températures d'oxyde d'azote. Mais ce moyen nécessite également la mesure de nombreux paramètres d'état et présente l'inconvénient d'utiliser des tables statiques qui sont coûteuses en temps de conception.
Le but de l'invention est donc de fournir un système de contrôle de paramètres d'état d'un moteur permettant de répondre aux besoins évoqués précédemment et, en particulier, de proposer un système d'estimation de ces paramètres d'état qui permet de supprimer certains capteurs comme celui de la pression à la sortie du cylindre ou en amont de la turbine d'un turbocompresseur P_avt ou de la température en amont de la turbine T_avt .
Ces estimateurs permettent aussi de connaître les émissions polluantes à chaque instant, afin d'en déduire le taux d'émission d'oxydes d'azote NO_x. Il est donc avantageux de supprimer le capteur d'oxyde d'azote. Cette maîtrise des émissions permet aussi d'envisager la diminution des volumes des systèmes de post-traitement de ces émissions.
Un autre but de l'invention est de fournir un système d'estimation de paramètres d'état d'un moteur qui permet de s'affranchir de la conception préalable de nombreuses cartographies de réglage des moteurs et de diminuer ainsi de façon importante les temps de mise au point.
Dans un mode de réalisation, le système estime au moins un paramètre d'état d'un moteur à combustion interne comprenant : au moins un cylindre et un piston mobile entraîné par l'intermédiaire d'un vilebrequin ; un moyen pour mesurer la variation temporelle de l'angle du vilebrequin et la pression interne dudit cylindre ; au moins un modèle physique pour calculer une pluralité de variables temporelles intermédiaires à partir desdites mesures de l'angle du vilebrequin et de la pression interne du cylindre et à partir d'une mesure d'au moins un paramètre d'état du moteur ; un moyen pour créer des tables de variables temporelles discrétisées à partir desdites variables temporelles intermédiaires ; et un modèle d'apprentissage pour estimer au moins un paramètre d'état du moteur à partir desdites tables de variables temporelles discrétisées.
Le modèle d'apprentissage peut être par exemple, de type réseau de neurones, de type statistique ou encore de type de krigeage.
Avantageusement, la mesure de la pression interne du cylindre peut être réalisée au moyen d'un capteur de pression. Il est à noter que chaque cylindre peut être équipé d'un tel capteur de pression ou plus simplement, un seul des cylindres du moteur.
Avantageusement, le système comporte un moyen pour initialiser le modèle d'apprentissage par la réalisation d'essais préalables.
Selon un autre aspect, un procédé d'estimation d'au moins un paramètre d'état d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins un cylindre et un piston mobile entraîné par l'intermédiaire d'un vilebrequin, comprend les étapes suivantes :

Une première étape de mesure de la variation temporelle de l'angle du vilebrequin et de la pression interne du cylindre ; une deuxième étape de calcul, par l'intermédiaire d'au moins un modèle physique, d'une pluralité de variables temporelles intermédiaires à partir desdites mesures de l'angle du vilebrequin et de la pression interne du cylindre et à partir d'une mesure d'au moins un paramètre d'état du moteur ; une troisième étape de discrétisation desdites variables temporelles intermédiaires, destinée à la création de tables de variables temporelles discrétisées ; et une quatrième étape d'estimation, par l'intermédiaire d'un modèle d'apprentissage, d'au moins un paramètre d'état du moteur à partir desdites tables de variables temporelles discrétisées.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé, sur lequel, la figure illustre un système conforme à l'invention destiné à estimer certains paramètres d'état d'un moteur.
Sur la figure, on a représenté schématiquement, un système d'estimation de paramètres d'état d'un moteur à combustion interne 2.
Le moteur à combustion interne 2 comprend un cylindre 3 dans lequel se déplace un piston 4 par l'intermédiaire d'une bielle 5 reliant le piston 4 au vilebrequin 6. Une chambre de combustion 7 est délimitée par ledit cylindre 3, ledit piston 4 et une culasse 8. La culasse 8 est munie d'au moins deux soupapes 9 et 10 qui permettent de relier la chambre de combustion 7 avec respectivement le collecteur d'admission 9a, pour de l'air éventuellement mélangé avec une partie des gaz d'échappement, et le collecteur d'échappement des gaz 10a. Le moteur 2 comprend également un injecteur de carburant 11 disposé de façon à injecter du carburant dans la chambre de combustion 7.
Le système d'estimation comprend deux capteurs de mesure 20 et 21 ainsi qu'un boîtier électronique de calcul 22 comprenant trois modules : un module de calcul 23, un module de discrétisation 24 et un module d'estimation 25.
Le capteur 20 permet de mesurer à tout instant l'angle θ du vilebrequin 6, le capteur 21 permet de mesurer la pression interne P_cyl du cylindre 3 qui correspond à la pression à l'intérieur de la chambre de combustion 7.
Ces capteurs 20 et 21 émettent chacun un signal de mesure temporel, transmis respectivement par les connexions 20a et 21a, en direction du boîtier électronique de calcul 22.
Le module de calcul 23 comprend plusieurs modèles physiques 231 à 237 qui permettent de calculer un certain nombre de variables temporelles intermédiaires à partir des signaux temporels d'entrée θ, P_cyl et à partir des mesures de certains paramètres d'état du moteur 2, amenées par la connexion 22a à l'entrée du module de calcul 23.
Ces variables temporelles intermédiaires ainsi calculées sont transmises par des connexions 26 à l'entrée du module de discrétisation 24. Les variables temporelles intermédiaires peuvent être, par exemple, la température du cylindre T_cyl , le dégagement de chaleur Q, la fraction massique de gaz brûlés X_b, la masse de carburant liquide M_{carb_liq} et vaporisé M_{carb_vap}, la masse de gaz frais M_gf et de gaz brûlés M_gb, le taux de gaz brûlé X_gb, ou encore le coefficient polytropique k.
Les paramètres d'état du moteur 2 amenés par la connexion 22a sont, par exemple, des paramètres comme le régime moteur, les phasages des injections de carburant ϕ _inj ou la masse de carburant introduite pour chaque injection M_inj . Ce sont des variables distinctes des variables temporelles intermédiaires calculées.
Les variables temporelles intermédiaires sont discrétisées dans le module 24 pour générer des tables de variables temporelles discrétisées. Cette discrétisation des signaux s'effectue à des instants précis pour certaines mesures d'angles θ du vilebrequin 6.
Le module d'estimation 25 reçoit ces tables de variables temporelles discrétisées par les connexions 27 afin d'estimer les paramètres d'état recherchés, comme par exemple le remplissage η _v ou la température en sortie du cylindre T_avt .
La pression interne P_cyl du cylindre 3 permet donc de construire des variables temporelles intermédiaires pour en déduire certains paramètres d'état du moteur 2. Cette construction des variables temporelles s'effectue par l'intermédiaire de modèles physiques 231 à 237 qui ne se basent que sur des variables temporelles, à l'exclusion de toute variable d'espace.
Comme il a été décrit précédemment, les modèles 231 à 237 reçoivent comme entrées les variables P_cyl , θ et certains paramètres d'état amenés par la connexion 22a. Il est possible également qu'un modèle physique puisse utiliser comme entrée une pluralité de variables temporelles intermédiaires, amenées par les connexions (30), qui sont le résultat d'un calcul effectué par un autre modèle, augmentant ainsi le nombre de combinaisons de calculs de variables intermédiaires.
Toutes ces variables temporelles intermédiaires, qui dépendent de la mesure de la variable P_cyl et de l'angle θ du vilebrequin 6 associé, ne sont calculées que lorsque les soupapes 9a et 10a sont fermées, c'est-à-dire à un moment où aucun transvasement gazeux n'est effectué dans, ou à partir de, la chambre de combustion 7.
Sur la figure, on a représenté, à titre d'exemple, certains modèles physiques 231 à 237 du module de calcul 23. Mais ce module 23 peut comprendre une plus grande quantité de modèles, l'exemple donné n'étant pas limitatif. Les calculs effectués par les différents modèles physiques sont décrits ci-dessous :

Modèle physique 231 : calcul de la température du cylindre dans la chambre de combustion T _cyl .

La température du cylindre peut être calculée grâce à la loi des gaz parfaits : $T_{cyl} = \frac{P_{cyl} \cdot V_{cyl}}{M_{t} \cdot r}$

Où :

P_cyl est la pression interne du cylindre
V_cyl est le volume du cylindre
M_t est la masse totale enfermée dans le cylindre
r est la constante des gaz parfaits, r = 287 J/kg.K

La masse totale M_t peut être déterminée par une cartographie en fonction du régime moteur et de la pression du collecteur d'admission 9a.
Le volume du cylindre V_cyl est déterminé grâce à la mesure de l'angle θ du vilebrequin 6. Une loi analytique permet de déterminer V_cyl en fonction de θ: $V_{cyl} [θ] = V_{m} + S_{pi} \cdot (R_{vi} + L_{bi} - R_{vi} \cdot \cos (θ) - \sqrt{{L_{bi}}^{2} - {R_{vi}}^{2} \cdot \sin {(θ)}^{2}})$

Où :

V_m est le volume mort
S_pi est la surface du piston
R_vi est le rayon du vilebrequin
L_bi est la longueur de bielle

La variable T_cyl ainsi calculée est transmise directement au module de discrétisation 24.

Modèle 232 : calcul du dégagement de chaleur Q.

Le dégagement de chaleur Q représente les échanges de chaleur entre le gaz et l'extérieur, lors des réactions chimiques qui ont lieu pendant la phase de combustion du carburant. C'est-à-dire qu'il représente la somme de la chaleur dégagée par la combustion moins celle perdue aux parois. Q est calculé de la façon suivante: $\frac{ⅆ Q}{ⅆ θ} = \frac{1}{γ - 1} \cdot V_{cyl} \cdot \frac{ⅆ P_{cyl}}{ⅆ θ} + \frac{1}{γ - 1} \cdot P_{cyl} \cdot \frac{ⅆ V_{cyl}}{ⅆ θ}$

Où :

θ est l'angle du vilebrequin
γ est le rapport des chaleurs spécifiques C_p /C_v où C_p et C_v sont les chaleurs massiques, respectivement à pression et volume constant

D'une manière générale, on prend γ égal à 1,4.
La variable Q ainsi calculée est transmise comme entrée aux modèles physiques 233, 234 et 235, ainsi qu'au module de discrétisation 24.

Modèle 233 : calcul de la fraction massique de gaz brûlés X _b .

La fraction massique de gaz brûlés X_b évolue au cours de la combustion. Une image de X_b peut être obtenue grâce au dégagement de chaleur Q. En effet la chaleur dégagée est proportionnelle à la masse de carburant brûlée. Donc l'intégrale de la chaleur Q est directement liée à la masse de carburant déjà brûlée. Cette intégrale est normalisée entre 0 et 1. Elle représente alors l'évolution de la combustion. Elle est appelée X_b. $X_{b} = Norm ‖ \int \frac{ⅆ Q}{ⅆ θ} \cdot ω \cdot dt ‖$

Où ω est la vitesse angulaire du moteur en radian par seconde.
La variable X_b ainsi calculée est transmise directement au module de discrétisation 24.

Modèle 234 : calcul de la masse de carburant liquide M_{carb_liq} et vaporisé M _{carb vap} .

Parmis les paramètres d'état du moteur transmis par la connexion 22a, on peut utiliser les phasages de chaque injection de carburant ϕ _inj , la masse de carburant introduite pour chaque injection M_inj , ainsi que la durée de chaque injection T_inj . Grâce à ces paramètres, on peut reconstruire le débit d'injection dans le cylindre 3.
Ce qui permet de calculer : $\frac{ⅆ M_{carb_liq}}{ⅆ t} = {Qm}_{inj} - {Qm}_{vap}$
$\frac{ⅆ M_{carb_vap}}{ⅆ t} = {Qm}_{vap} - {Qm}_{comb}$

Où :

Qm_inj est le débit moyen de carburant injecté
Qm_vap est le débit moyen de carburant vaporisé
Qm_comb est le débit moyen de combustion du carburant En outre : ${Qm}_{comb} = \frac{1}{PCI} \cdot \frac{ⅆ Q}{ⅆ θ} \cdot ω$

PCI

Le débit moyen de combustion étant directement proportionnel au dégagement de chaleur Q, il peut être calculé à partir du modèle physique 232 précédent.
A chaque instant la masse de carburant liquide et vaporisé présente dans la chambre de combustion 7 peut ainsi être connue.
Les variables M_{carb_liq} et M_{carb_vap} ainsi calculées sont transmises directement au module de discrétisation 24.

Modèle 235 : calcul de la masse de gaz frais M _gf et de gaz brûlés M _gb .

Les gaz brûlés ont deux origines : une partie (appelée EGR) sont les gaz d'échappement partiellement recyclés depuis le collecteur d'échappement 10a vers le collecteur d'admission 9a, une autre partie (appelée GBR) sont les gaz résiduels du cycle précédant qui n'ont pas été vidangés.
A l'instant initial, lorsque la soupape d'admission 9 est fermée, on connaît la masse initiale de gaz frais M_{gf_i}, mélange d'oxygène et d'azote, et la masse initiale de gaz brûlés M_{gb_i} , mélange de dioxyde de carbone, d'eau et d'azote. L'évolution des gaz frais vers les gaz brûlés est dépendante du dégagement de chaleur Q. En effet la combustion se déroule toujours localement à la richesse 1, c'est-à-dire que lorsque l'on brûle 1 gramme de carburant on brûle en moyenne 14,7 grammes de gaz frais.
Or on a vu que: ${Qm}_{comb} = \frac{1}{PCI} \cdot \frac{ⅆ Q}{ⅆ θ} \cdot ω$

Soit ${Qm}_{gf - gb} = PCO \cdot {Qm}_{comb}$

Où :

PCO est le pouvoir de combustion (14,7 environ)
Qm_gf-gb est le débit moyen d'air

Ce qui permet de calculer : $\frac{ⅆ M_{gf}}{ⅆ t} = - {Qm}_{gf - gb}$
$\frac{ⅆ M_{gb}}{ⅆ t} = {Qm}_{gf - gb}$
Les variables M_gf et M_gb ainsi calculées sont transmises comme entrées au modèle physique 236, ainsi qu'au module de discrétisation 24.

Modèle 236 : calcul du taux de gaz brûlés X _gb , diluant utilisé pour diminuer les émissions de NO _x .

Ce taux de gaz brûlé X_gb est la proportion de gaz brûlés présent à la fermeture de la soupape d'admission 9 par rapport à la masse totale M_t enfermée dans le cylindre 3. $X_{gb} = \frac{M_{gb}}{M_{t}} = \frac{M_{gb}}{M_{gf} + M_{gb}}$
La variable X_gb ainsi calculée est transmise directement au module de discrétisation 24.

Modèle 237 : calcul du coefficient polytropique en phase de compression k.

En phase de compression, entre la fermeture de la soupape d'admission et le début de la combustion, on calcule le coefficient polytropique k. Ce coefficient k permet notamment de modéliser les transformations adiabatiques (aucun échange de chaleur et de matière avec l'extérieur) grâce à la formule suivante : $P_{cyl} \cdot {V_{cyl}}^{k} = A$

Où A est une constante.
La valeur de k est identifiée tout au long de la phase de compression grâce à la formule : $k = - \frac{\log (P_{cyl} [θ_{i} + Δ θ]) - \log (P_{cyl} [θ])}{\log (P_{cyl} [θ_{i} + Δ θ]) - \log (P_{cyl} [θ])}$

Où :

θ _i est l'angle du vilebrequin courant
Δθ est l'intervalle de calcul

Cet intervalle de calcul Δθ peut correspondre au minimum à un pas d'échantillonnage du signal de la pression interne du cylindre P_cyl en fonction de l'angle θ du vilebrequin 6. D'une manière générale, l'intervalle est pris de l'ordre de 10 pas d'échantillonnage dudit signal.
La variable k ainsi calculée est transmise directement au module de discrétisation 24.
Après avoir déterminé les variables temporelles intermédiaires décrites ci-dessus, celles-ci sont discrétisées par l'intermédiaire du module 24 afin d'établir des tables de variables discrétisées.
Lesdites tables obtenues sont les entrées du module d'estimation 25. Ce module 25 comprend des modèles d'apprentissage 28 qui peuvent être de type réseau de neurones, comme illustré sur la figure, ou statistique ou encore de type krigeage.
Il est intéressant d'utiliser des modèles de krigeage qui sont des modèles d'interpolation faisant appel aux méthodes stochastiques qui permettent un calcul de probabilités appliqué au traitement de données statistiques.
Il existe trois types de krigeage : le krigeage simple, le krigeage ordinaire et le krigeage universel. La différence entre ces types d'estimation réside dans la connaissance de la statistique de la variable à interpoler :

krigeage simple : la variable stationnaire a une moyenne connue ;
krigeage ordinaire : la variable stationnaire a une moyenne inconnue ;
krigeage universel : la variable est non-stationnaire.

On utilisera, de préférence, un krigeage ordinaire.
De manière générale, le krigeage se base sur la corrélation entre les variables que l'on souhaite estimer et les variables discrétisées qui sont les entrées du modèle.
Dans la méthode du krigeage ordinaire, l'estimation d'une variable peut s'écrire sous la forme suivante : $\hat{y} (x_{0}) = \sum_{i} λ_{i} \cdot y (x_{i})$

Où :

ŷ est l'estimation de la variable en un point non discrétisé x₀
x_i représentent les discrétisations des variables
y(x_i) sont les valeurs associées aux discrétisations x_i
λ _i sont les coefficients de krigeage

Les x_i sont les tables de variables discrétisées obtenues par le module 24, les y(x_i) sont les valeurs des variables que l'on souhaite estimer, comme par exemple le remplissage η _v .
Le principe du krigeage revient à déterminer les coefficients λ _i , qui sont dépendants des x_i , en étudiant le degré de similarité entre les y(x_i) à partir de la covariance entre les points x_i en fonction de la distance entre ces points. Les poids λ _i associés à chacune des valeurs y(x_i) sont choisis de façon à obtenir une prévision ŷ de variance minimale.
Pour identifier le modèle, il faut des essais préalables. L'estimation de nouveaux points repose ensuite sur ces essais. Les modèles d'apprentissage 28 sont donc préalablement identifiés sur des essais réalisés au banc moteur ou sur véhicule.

Claims

Système d'estimation d'au moins un paramètre d'état d'un moteur à combustion interne (2) comprenant au moins un cylindre (3), un piston mobile (4) entraîné par l'intermédiaire d'un vilebrequin (6), de moyens (20, 21) pour mesurer la variation temporelle de l'angle du vilebrequin et la pression interne dudit cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend : au moins un modèle physique (231) pour calculer une pluralité de variables temporelles intermédiaires à partir desdites mesures de l'angle du vilebrequin et de la pression interne du cylindre et à partir d'une mesure d'au moins un paramètre d'état du moteur; un moyen (24) pour créer des tables de variables temporelles discrétisées à partir desdites variables temporelles intermédiaires; et un modèle d'apprentissage (28) pour estimer au moins un paramètre d'état du moteur (2) à partir desdites tables de variables temporelles discrétisées.
Système selon la revendication 1, comprenant un modèle d'apprentissage (28) de type réseau de neurones.
Système selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant un modèle d'apprentissage (28) de type statistique.
Système selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant un modèle d'apprentissage (28) de type krigeage.
Système selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant un moyen pour initialiser le modèle d'apprentissage (28) par la réalisation d'essais préalables.
Procédé d'estimation d'au moins un paramètre d'état d'un moteur à combustion interne (2) comprenant au moins un cylindre (3), un piston mobile (4) entraîné par l'intermédiaire d'un vilebrequin (6), comprenant une première étape de mesure de la variation temporelle de l'angle du vilebrequin et de la pression interne du cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend : une deuxième étape de calcul, par l'intermédiaire d'au moins un modèle physique (231), d'une pluralité de variables temporelles intermédiaires à partir desdites mesures de l'angle du vilebrequin et de la pression interne dudit cylindre et à partir d'une mesure d'au moins un paramètre d'état du moteur; une troisième étape de discrétisation desdites variables temporelles intermédiaires, destinée à la création de tables de variables temporelles discrétisées; et une quatrième étape d'estimation, par l'intermédiaire d'un modèle d'apprentissage (28), d'au moins un paramètre d'état du moteur (2) à partir desdites tables de variables temporelles discrétisées.
Procédé selon la revendication 6, dans lequel, l'étape d'estimation comprend l'utilisation d'un modèle d'apprentissage (28) de type réseau de neurones.
Procédé selon l'une des revendications 6 à 7, dans lequel, l'étape d'estimation comprend l'utilisation d'un modèle d'apprentissage (28) de type statistique.
Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel, l'étape d'estimation comprend l'utilisation d'un modèle d'apprentissage (28) de type krigeage.
Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel, l'étape d'estimation comprend une étape d'initialisation du modèle d'apprentissage (28) par la réalisation d'essais préalables.