EP2409010A1

EP2409010A1 - Procede de determination de l'avance a l'allumage d'un moteur thermique

Info

Publication number: EP2409010A1
Application number: EP10708337A
Authority: EP
Inventors: Ludovic Nowak; Smaïl MOKHTARI
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-01-25
Also published as: FR2943100B1; FR2943100A1; WO2010106259A1; CN102428260A; BRPI1006744A8; BRPI1006744B1; BRPI1006744A2; CN102428260B

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique d'un véhicule à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée. Le procédé comporte les étapes suivantes : - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur; - enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et - à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avancé e l'allumage dudit moteur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE L'AVANCE A L'ALLUMAGE D'UN MOTEUR THERMIQUE.

[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française 0951644 déposée le 16 mars 2009 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence. [0002] La présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à allumage commandé.

[0003] Un moteur à combustion interne à allumage commandé est une machine où l'énergie thermique dégagée par la combustion est transformée en énergie motrice mécanique. Dans ce type de moteur, contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible ne s'enflamme pas spontanément, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par une bougie. Pour maximiser le rendement énergétique de la combustion le mélange combustible doit être enflammé de manière à faire coïncider le pic de pression dans la chambre de combustion avec une position idéale du couple piston/vilebrequin. Cependant, il existe un délai entre le moment où l'étincelle est produite et le moment où l'inflammation du mélange 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. C'est pour cette raison que l'allumage de la bougie est déclenché avec une avance.

[0004] L'avance à allumage pilotée électroniquement par un calculateur, exprimée en degré d'angle de rotation du vilebrequin, correspond à l'angle entre le déclenchement de l'étincelle et le point mort haut du piston. La valeur d'avance permet de synchroniser l'apparition du pic de pression dans la chambre de combustion avec la position optimum et prédéterminée du piston dans la chambre de combustion.

[0005] A l'heure actuelle, le réglage et l'obtention des valeurs d'avance optimale de l'allumage sont déterminées lors de la mise au point du moteur pour l'ensemble des conditions de fonctionnement pouvant être rencontrées par le moteur. Ces valeurs d'avances optimales déterminées sur les bancs de calibrations sont ensuite stockées sous forme de plusieurs cartographies et stratégies de contrôle dans le calculateur du moteur. Cette phase de calibration demande à l'heure actuelle un nombre important d'essais moteur. L'adjonction des actionneurs supplémentaires par les constructeurs (déphaseurs des arbres à came), afin de respecter les normes environnementales de plus en plus contraignantes et limiter la consommation, augmente de manière significative le nombre d'essais moteur nécessaires à leur mise au point.

[0006] La solution technique proposée par la présente demande de brevet permet de limiter le nombre d'essais et ainsi de diminuer le coût et la durée de la phase de calibration du moteur.

[0007] Au lieu de tabuler les avances à l'allumage et par la suite de réaliser des interpolations de type linéaire ou polynomiale entre les points tabulés, l'invention propose d'utiliser un algorithme de calcul basé en partie sur la physique de combustion. Selon l'invention, les avances à allumage sont calculées à partir d'équations qui retranscrivent les évolutions thermodynamiques en termes de différences d'avance par rapport à des avances de référence tabulées. [0008] De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage de moteurs thermiques à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, le procédé comportant les étapes suivantes:

• à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituants des points d'appui;

• déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ;

• enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et

• à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur. [0009] Ce procédé est avantageusement valable dans toute la plage et dans tous les modes de fonctionnement de moteurs thermiques à allumage commandé.

[0010] Dans une variante, lesdits paramètres de calibration peuvent comprendre les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAO_ref , le point FMBx_ref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C|_Nι_ref, une constante de combustion Cc_MBref βt une vitesse de flamme laminaire globale estimée SL_ref.

[0011] Dans une variante, lesdits paramètres d'entrée peuvent être choisis parmi les paramètres suivants :

• la masse d'air frais admise dans le cylindre ( ^mr )

• la masse de gaz brûlé dans le cylindre ( ^{mGBR = MlGR + mEGR} ) • la masse de carburant dans le cylindre ( ^m≈^»* )

• la charge ( ^" )

T

• la température moyenne ( ^MEL('^rc) ) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission

• le rapport ( ' ^MEL ) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange

• la masse molaire ( ^MMEL ) d_u mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé

• l'angle d'ouverture admission (OA)

• le régime moteur (N).

T

• la température d'eau du moteur ( ^eau ). [0012] Dans une variante, ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx

[0013] Dans une variante, l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion est déterminée.

[0014] Dans une variante, ledit modèle physique peut être représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (D|_N0 en fonction notamment d'une constante (C|_N|₎, l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D _CMB) en fonction notamment d'une constante

[0015] Dans une variante, afin de calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAO_est_ιm) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant : * le calcul du délai d'initialisation D|_N, à partir de l'avance optimale estimée AAO_estιm et desdits points d'appui,

^* la détermination de FMBx à partir des valeurs de D|_N, et de AAO_estιm

^* le calcul du délai de combustion D_CMB à partir de FMBx, et

^* le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO peut être corrigée en prenant en compte la température du moteur

[0016] Dans une variante, le délai d'initialisation (D,_N|) peut être calculé à l'aide d'une équation du type : [0017] Dans une variante, le délai de combustion (DCMB) peut être calculé à l'aide d'une équation du type :

avec : H_{ch (FMBy)} longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé pour une quantité de mélange brûlé à y%, [0018] Dans une variante, l'étape b précédente peut avantageusement comporter deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération.

[0019] Dans une variante, la valeur de FMBx de l'étape b précédente peut être déterminée par FMBx = D|_N| - AAO_est._{m ,} la valeur de D|_N, étant celle obtenue par la première itération. [0020] Dans une variante, l'avance à l'allumage AAO peut être déterminée par :

AAO = - FMBy_ref + D|_Nht1 + D_CMB m

FMBy_ref étant la valeur de FMB obtenue par calibration, D|_N, _lt1 et D_CMB_M étant les valeurs obtenue à l'aide de ladite première itération. [0021] Ladite valeur estimée (AAOestim) peut être déterminée à partir d'une équation du type :

AAO _^ = C_AAO * l ₊ ^^{" SL}- ^] * AAO _ref

[0022] La vitesse de flamme estimée (SL_estιm) peut être déterminée à l'aide d'une équation du type :

or _ or χ

[0023] De façon avantageuse x=5 et y=50.

[0024] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels :

• la figure 1 illustre schématiquement le procédé selon l'invention, et • la figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que le délai d'initialisation D|_N| et le délai de combustion D_CMB-

[0025] L'exposé d'un mode de réalisation de l'invention fait appel à de nombreuses abréviations. On donnera donc tout d'abord, sous l'entête Nomenclature, la signification de ces abréviations.

Nomenclature

AAO : Avance à l'allumage optimale PMH: point mort haut

D|_N| : délai d'initialisation ou délai entre l'allumage (AA) et le point à 5% FMB. D_CMB: délai de combustion ou délai entre le point à 5% FMB et le point à 50% FMB. GBR : taux de gaz brûlé résiduel et recirculé (qui est égal à IGR + EGR, IGR signifiant « Internai Gas

Recirculation » et EGR « External Gas Recirculation ») GBR = ^^≤ m_GBR + m_mr + m_carb

H_ch : longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé. IVC : « Intake Valve Closing » qui est l'angle du vilebrequin au moment où la soupape d'admission se ferme K_Aero : coefficient de correction aérodynamique. L : longueur Ld : « Load » : Charge ou remplissage

FMB : fraction de masse brûlée

FMBx et FMBy: point correspondant à une fraction brûlée de respectivement x% et y% de la masse totale du mélange. Ce point peut être exprimé de préférence en degrés d'angle vilebrequin ou en temps. v + v

R_voi : rapport volumétrique o taux de compression R_vg[ = cyl mort

Vmort : volume de la chambre de combustion lorsque le piston est positionné au point mort haut PMH Vcyl=volume balayé par le piston

RFA : Retard Fermeture Admission o IVC « Intake Valve Closing » (Angle de fermeture des soupapes d'admission)

SL : Vitesse de flamme laminaire

SL₀ : Vitesse de flamme laminaire mesurée dans des conditions standard de pression et de température. χ₀ = — ^air-^stoch : Coefficient stœchiométrique : c'est le rapport de la masse d'air et du carburant à la

"Icarb stock stœchiométrie m : Débit massique

PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur

Cp : Capacité calorifique à pression constante

Indice

Air : air frais

Air swept : air balayé : c'est l'air qui transite directement de la tubulure d'admission à la tubulure d'échappement à travers la chambre de combustion au moment où les soupapes d'admission s'ouvrent et les soupapes d'échappement se ferment CMB : combustion au point FMB50 comb : avec combustion

INI : initiation i.e. entre l'allumage et le point FMB5 it1 : première itération it2 : deuxième itération MAP : mise au point

MEL : mélange. Le mélange est constitué d'air, d'EGR, d'IGR et de carburant. ref : point de référence calibré en mise au point wcomb : sans combustion

[0026] L'énergie dégagée par la combustion est récupérée de manière optimale sous forme d'énergie mécanique par le piston lorsque le FMB50 est calée à une position spécifique après le Point Mort Haut (PMH) cela correspond pour un point de fonctionnement donné (Régime/charge) à régler l'avance à l'allumage de manière à obtenir le couple optimum en sortie le vilebrequin. En effet, c'est lorsque l'on atteint le couple maximale du point de fonctionnement du moteur que la consommation du moteur est minimale. Pour se faire, la combustion du mélange doit être initialisée plus tôt en prenant en compte les délais d'initialisation et de combustion du mélange carburé. Le principe du modèle consiste à estimer ces délais en fonction des conditions thermodynamiques du mélange carburé et du contrôle moteur pour calculer l'avance à allumage optimale (AAO). En calculant le délai de combustion du FMB5 au FMB50 et le délai de l'allumage au FMB5 selon des équations physiques proposées à la référence [1 ] ci-après (équations appelées par la suite équations de Hires et al.), il est possible de déterminer l'angle vilebrequin à laquelle l'allumage du mélange doit être effectué.

[0027] La description qui suit concerne un mode de mise en œuvre se référant à 5% de la masse de carburant brûlé (FM B5) et à 50% (FM B50). Ces pourcentages pourraient être différents et, de façon générale, ces pourcentages sont x% et y%.

[0028] Les délais d'initialisation et de combustion peuvent être déterminés à partir de modèles physiques basés sur la connaissance des conditions thermodynamiques dans le cylindre. Les deux articles suivants [1 ] et [2] donnent des modèles et équations utiles : >- [1 ] Hires S. D., Tabaczynski RJ. and Novak J. M., The Prédiction of Ignition Delay and Combustion Intervais for a Homogenous Charge, Spark Ignition Engine. SAE 780232

>- [2] Metgalchi M. and J. C. Keck, Burning velocities of mixtures of air with Methanol Isooctane and Indolene at high pressure and température, Combustion and Flame, 48, P. 191 -210, 1982.

[0029] La figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que les délais D|_N, (délai d'initialisation) et D_CMB (délai de combustion).

[0030] Le délai d'initialisation et le délai de combustion ne peuvent pas être calculés directement. En effet, pour les calculer il faut connaître la pression et la température du mélange au moment de l'allumage et notamment au FMB5. L'évolution de la pression et de la température du mélange enfermé dans la chambre de combustion au cours du cycle de combustion peut être estimée via des calculs de compression adiabatique et calculs simples de l'augmentation de température due à la combustion, mais pour alimenter correctement les équations de Hires et al. avec les bons niveaux de pression et de température, il faut estimer au plus juste l'angle d'allumage et l'angle à laquelle 5% du carburant a brûlé (FMB5). Ceux-ci seront obtenus par itération.

[0031] Dans un premier temps l'angle d'allumage est estimé par une simple relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire au FMB50.

ΛAO_^m = [l₊ ^{SL-ς_L ^S^^J AAO_ref eq.1

[0032] En effet, la vitesse de propagation du front de flamme est le paramètre physique qui a une influence d'ordre 1 sur l'avance à l'allumage. La vitesse de flamme évolue avec la pression et la température. Pour ce premier calcul de proportionnalité on utilise les conditions thermodynamiques obtenues au FMB50. SL_estim * (1 - C_GBR * GBR) eq.2

[0033] L'AAO_ref et le SL_ref sont tirées de cartographies, fonctions du régime et de la charge, prédéterminées lors de la calibration du moteur. On prend les valeurs de AAO_ref et le SL_ref situées au même niveau de charge et de régime que le point de fonctionnement pour lequel on veut déterminer l'avance.

[0034] A partir de cette première estimation de l'AAO, commence le calcul de l'avance à allumage optimale avec les équations de Hires et al.. Le délai d'initialisation est calculé avec la pression et la température moyenne du cylindre entre l'AAO précédemment estimée et l'angle où 5% de la fraction de carburant a brûlé. A ce stade, l'angle à laquelle 5% du carburant a brûlé (FMB5) n'est pas précisément connu. Pour remédier à cela, une cartographie des FMB5 de combustions optimales a été prédéterminée lors de la phase de calibration du moteur.

Ci_Ni _ref est une valeur tirée d'une cartographie à deux dimensions régime et charge prédéterminée lors de la phase de calibration. K_aéro est un coefficient qui retranscrit le niveau d'aérodynamique interne régnant dans la chambre de combustion. Il est fonction du régime et du déphasage angulaire de l'arbre à came par rapport au vilebrequin. La vitesse moyenne du piston fonction du régime présent dans l'équation de Hires et al. a été remplacé par le K_aé_ro-

[0035] La détermination de NU et H est donnée dans la description du mode de réalisation détaillée donnée ci-après.

[0036] A partir de l'AAO estimé et du délai d'initialisation précédemment calculé, une nouvelle valeur de FMB5 du point de fonctionnement est approximée :

FMB5_estim = D_INIU1 - AAO_estim eq.4

[0037] Cette nouvelle valeur de l'angle où 5% de la fraction de carburant à brûlé permet de calculer le délai de combustion notamment la hauteur H représentative dans l'équation 5 de l'échelle des turbulences présentes dans la chambre à ce moment de la combustion.

^D CMB₁₁₁ = ^CCOMB_r4 °

[0038] Les valeurs de SL _CMBJ_H , NU _CMB m sont calculées aux conditions de pression et de température estimées au FMB50 (voir description détaillée). [0039] Après avoir calculé le délai d'initialisation et le délai de combustion, une nouvelle estimation de l'avance à l'allumage optimale peut être calculée selon l'équation suivante : AAO_ιΛ = -FMB50_ref + D_INhΛ + D_CMBA eq.6

[0040] Ensuite, une seconde itération est effectuée. A cette nouvelle AAO_lt1 sont associées de nouvelles conditions thermodynamiques différentes de celles au moment de la détermination de l'AAO_esu_m- Un nouveau calcul du délai d'initiation est donc effectué (idem eq. 3). Une nouvelle valeur de FMB5 est alors déduite (idem eq. 4). Le calcul d'un délai de combustion est effectué. Par rapport à la première itération il n'y a que la valeur de H_CMB qui change. De nouveau par l'équation 6 une nouvelle AAO est déterminée. Ce calcul itératif pourrait ainsi se poursuivre plusieurs fois afin d'obtenir un meilleur niveau de précision sur l'estimation de l'avance optimale mais pour des questions de temps d'utilisation du processeur du calculateur embarqué les itérations sont de préférence limitées à deux. [0041] Pour résumer, le calcul de l'AAO est itératif. La première étape est l'étape d'initialisation du calcul avec l'estimation de l'AAO par une relation simple de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire. La seconde étape est le premier calcul utilisant les équations de Hires et al.. A ce stade, ne connaissant pas encore la valeur du FMB5, on s'appuie sur la valeur de FMB5_ref déterminée lors de la phase de calibration. Lors de cette phase, un nombre important (par exemple une centaine) de points de fonctionnement dits de « référence » ou « d'appui » répartis dans le plan régime-charge ont été déterminés au banc d'essais avec une avance réglée de façon optimale. Pour cette multitude de points, les valeurs de C|_Nι_ref, C_CMBref, FMB5_ref, FMB50_ref, SL_ref, AAO_ref ont été calculées et tabulées dans des cartographies à deux dimensions régime et charge. Entre cette centaine de points des interpolations linéaires sont effectuées pour avoir accès à l'ensemble des valeurs dans le plan régime- charge. A l'issue de cette seconde étape une AAO est obtenue. A partir de cette AAO, le même calcul itératif est réalisé mais avec la nouvelle valeur de FMB5 qui a été obtenue.

[0042] L'intérêt de ce modèle est de pouvoir prédire les avances à l'allumage optimales à partir de quelques points d'appui déterminés au banc moteur (desquels sont issus les constantes nécessaires au calcul itératif : C|_Nι_ref, C_CMBref, FMB5_ref, FMB50_ref, SL_ref, AAO_ref). Le modèle recalcule les avances en prenant en compte les évolutions des conditions thermodynamiques et des déphasages des arbres à came par rapport aux points d'appuis.

[0043] La pression et la température du mélange dans la chambre de combustion n'étant pas mesurées directement, ces grandeurs sont approximées puis utilisées pour calculer le temps de propagation de la flamme dans le cylindre. [0044] Les étapes principales du procédé sont représentées schématiquement sur la figure 1 .

[0045] De façon synoptique, la première étape consiste à estimer l'avance à l'allumage optimale AAO_esu_m, de manière « grossière » en prenant en compte uniquement la vitesse de propagation de la flamme laminaire. Pour cela on utilise les paramètres moteur qui sont indiqués à l'annexe 1 ci-après et les calibrations (ou points d'appui) prédéterminés, indiqués à l'annexe 2, lors de la mise au point du moteur sur banc d'essais.

[0046] Ensuite, l'avance à l'allumage optimale AAO est déterminée par deux itérations de calcul. Cette détermination est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chaque phase de combustion (phase d'initialisation et phase de combustion), ainsi que sur le calcul de la viscosité cinématique NU et la vitesse de flamme laminaire SL à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion. La première itération comporte les étapes suivantes :

- calcul du délai d'initialisation D|_Nht1 à partir de l'avance optimale estimée AAO_estιm et des calibrations, notamment FMB5 . - détermination du point FMB5_estιm à partir de D|_N, _lt1 et AAO_estιm, avec FMB5 = D|_N, _lt1 - AAO_estιm . calcul du délai de combustion D_CMB _M à partir de FMB5, et

- calcul de l'avance optimale AAO_lt1

[0047] La deuxième itération comporte les étapes suivantes calcul du délai d'initialisation de la combustion D|_N, _lt2, et calcul du délai de combustion D_CMB _ιe ce qui conduit à une valeur de l'avance à l'allumage non corrigée AAO_w∞rr

[0048] La valeur AAOwcorr est ensuite corrigée en considérant des aspects non pris en compte par le modèle (température du moteur Teau).. Ce correctif d'avance est cartographie et additionné à l'avance optimale pour fournir la valeur de AAOcorr.

Description détaillé d'un mode de réalisation :

[0049] Afin de ne pas alourdir cette description, certains calculs sont décrits ci-après dans une « Annexe de la méthode de calcul », composée d'annexés 1 à 7.

1 . Estimation de l'avance à l'allumage optimale (AAO) [0050] La première étape du calcul consiste à réaliser une estimation de l'AAO :

ΛAO_estm = C_AAA l ₊ ^K -^f _sL ^ ^J \ * AAO_ref eq. 1 ^'

[0051] Pour se faire, les paramètres moteur (cf. annexe 1 ) et les calibrations prédéterminées lors de la mise au point (cf. annexe 2) sont utilisés. Ces paramètres permettent d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion.

(T Y ( P Ϋ eq. 2'

SL_^ = SL, * (l -C_βBR *GBR) τ_n P_n

[0052] La température au point FMB50_ref (eq. 3') est estimée à partir de l'augmentation de température due à la compression du mélange (on considère que la compression des gaz enfermés dans le cylindre est adiabatique). Elle est déterminée à partir de la température des gaz enfermés au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVC) d'une part, et d'une augmentation de température liée à la combustion de 50% du mélange (loi de dégagement de chaleur simplifiée, eq. 5'), d'autre part, tel que :

T_MEL(FMB5Q_mf ) ⁼ ^MEL_wcomb + ^MEL_{comh (50}o_/o) ^βq.3' avec

J¹ — T * _r mmma-l

^MEL^_o^ (^FMB50 _ref) ¹ MEL(IVC) ^ eff(FMB50_ref) eq.4' et

0.5 * m_carb * PCI

AT M_λ EL_comb (50%) eq.5' m, " Cp_M [0053] La pression au point FMB50_ref est alors déduite de la relation des gaz parfaits

T M₁ EL(FMBSO_n, ) -^-^mMEL

' MEL(FMBSO_n,)

[0054] On remarquera que la masse molaire du mélange (M_MEL) est calculée à partir de la composition des gaz et des capacités calorifiques des espèces (H2O, CO2, CO, NO, 02, N2).

[0055] La valeur de SL_ref est tirée d'une cartographie de calibration régime-charge. Les valeurs de SL_ref auront été calculées de la même manière que ci-dessus pour les points d'appui dit de « «référence », c'est dire des points de fonctionnement moteur dont on a déterminé l'avance à allumage optimale au préalable sur banc moteur (lors de la mise au point du moteur, la phase de calibration des moteurs).

2. Détermination de l'avance optimale en deux itérations de calcul

[0056] La méthode proposée est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chacune des phases de la combustion, i.e. pendant la phase d'initialisation et pendant la phase de combustion. A partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion, la viscosité cinématique et la vitesse de flamme laminaire sont calculées pour pouvoir estimer les délais associées à chacune des phases.

a) Première itération

>- Calcul du délai d'initialisation DINI(I ère itération)

[0057] A partir de l'avance optimale estimée (AAOestim) et des essais, notamment le FMB5ref, le délai d'initialisation de la première itération (annexe 3) peut être calculé. Le FMB5ref est déterminé sur les points d'appui à partir de l'analyse de la pression cylindre mesurée avec un capteur lors de la phase de mise au point.

H_^ eq.6'

D_1N, = C , NU_IN, )ⁿ-

SL_m,

[0058] Pour se faire, la viscosité cinématique (cf. Annexe 5), la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées. Les calculs du volume de la chambre et du rapport volumétrique peuvent être réalisés à partir, respectivement, des équations données page 44 et page

43 de l'ouvrage de Heywood J. B. (1988) Internai Combustion Engine Fondamentals, Mc Graw-Hill International Editions. Des conditions moyennes relatives à la phase d'initialisation sont utilisées pour le calcul de NUINNtI , SL INIiti et Hch INIiti : MEL_mb(FMB5_ref)

¹ ¹ P MMEELL((AAAAOO_eeΛstlJJ + ^~ ' ^{1 L} PM MEL_mb(FMB5_ref)

_{HΛ m Hm/} , avec β_m =^AΛO- ^+FUB^'

[0059] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont présentés ci- après : ψ — ψ * _τ gamma-l

¹MEL(AAO^₁J ^{~ 1}MEL(WC) ' ^'eff(AAO_eΛm) ^ P — ^MEL(-^AAO'ΛJ ^• -¹⁷¹MEL rMEL(AAO^) ^~— -

¹ MEL-' ch(AAO_eΛm) 1MEL(FMBS^) ^~ -* MEL_mlnb(FMB5_ref) ^~*^~ ^¹ MEL_comb(5%) o_{vpr ψ} __ψ *._τ gamma-l _f . _ 0.05 * m_∞rb * PCI a^{CU 1}MEL_wcomb(FMB5_ref) ¹MEL(LVC) ' efj (FMBi „,) MEL_cσmb(β%) m_MEL * Cp _h

¹ MEL(FMBS Λ -"-M MEL

*P M>EL(FMB5_^f)

M M_ME_mLy-'_r C.h(FMBS Λ

[0060] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance optimale estimée permet alors de déterminer le point FMB5 estimé.

FMB5_estim=D_!mn-AAO_estim

>- Calcul du délai de combustion (1ère itération) [0061] A partir du point FMB5_estιm, le délai de combustion de la première itération peut être calculé :

[0062] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées pour des conditions moyennes relatives à la phase de combustion. La pression et la température correspondant au point FMB50_ref sont significatives pour la phase de combustion et on peut supposer que :

¹ TMEL_CMB =

P MEL_CMB = ¹ PMEL(FMBSO_n/) [0063] On remarquera que les calculs de T_{MEL(FMB50 )} et P_{MEL(FMB50 )} sont analogues à ceux réalisés pour l'estimation de l'AAO.

[0064] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50_ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion issus de la première itération :

AAO_iΛ = -FMB50_ref + D_INIiΛ + D_t CMBUl

b) Deuxième itération

[0065] La méthode est à nouveau appliquée pour affiner le calcul en utilisant les paramètres estimés lors de la première itération. >- Calcul du délai d'initialisation de la combustion (2ème itération)

[0066] A partir de l'AAOm et du FMB5_estιm calculés par la première itération, le délai d'initialisation peut être déterminé pour la deuxième itération de calcul :

[0067] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être recalculées pour les conditions thermodynamiques moyennes relatives à la phase d'initialisation.

rp _ ¹ TMELjAAO₁₁₁ ) + ^{τ L} T MEL(FMB5 _βstιm )

¹MEL₀₁₁₁₁₂ ^~ ^

P + P rMEL_MIιi2 ^{~ "}

_{HΛ = Hch(θ} avec θ_{INI =} ^O^ FMB5_estim

[0068] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont détaillés ci- après :

_# rp _ rp φ gamma -1 1 MEL(AAO₁₁₁ ) ¹ MEL(LVC) ^Leff (AAO₁₁₁ )

^ -^-^mMEL

• ¹ T MEL(FMBi^_111n ) = ^λT MEL_WCŒnb (FMBi^_111n ) +~ A ¹^¹T MEL_CŒnb (5%) SVPΓ T = T * _T ^gamma-¹ 0 ^ ¹ MEL_m,_oml, (FMBi_eaim ) ¹ MEL(LVC) ^ eff(FMBi_eaim ) et Ar 0.05 * m_carb * PCI θ^{t AT}MEL_mb (i_%) -

"¹MEL

¹ MEL(FMBi^_111n ) ^•1^-^mMEL

^PMEL(FMBi_csllm ) _{M v}

MEL -^r ch{FMB 5 _E3tιm ) [0069] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance calculée par la première itération permet alors d'affiner la position du point FMB5 :

FMB5_ιtl = D_INIιtl - AAO₁₁₁

*- Calcul du délai de combustion (2ème itération)

[0070] A partir du point FMB5_lti , le délai de combustion de la deuxième itération peut être calculé :

7"

[0071] Les conditions au point FMB50_ref restent significatives pour la phase de combustion de cette deuxième itération. Ainsi, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire restent inchangées.

[0072] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50_ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion :

AAO₁₁₂ = -FMB50_ref + D_INhtl + D_CMBitl

3. Correction applicable à l'avance optimale calculée

[0073] Un correctif, sous forme de décalage à appliquer à l'avance optimale calculé, permet de prendre en compte la température moteur (Teau) non pris en compte par le modèle . Ce correctif d'avance est cartographie et est additionné à l'avance optimale.

AAO_cor = AAO₁₁₁ + AAAO

[0074] On remarquera que - AAAO est une cartographie fonction de la charge et de la température d'eau

Annexes de la méthode de calcul

Annexe 1 : Paramètres d'entrée du modèle

Ces paramètres ne sont pas constants et doivent être déterminés par calcul [indiqué par (cale)] ou par mesure (mes) ou par modélisation (mod), de préférence à chaque cycle de combustion. m_αιr : masse d'air frais admise dans le cylindre (par exemple en kg) (mod) m_GBR : masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre (par ex. en kg) (mod) ^m _carb ^'- masse de carburant dans le cylindre (par exemple en kg) (mes) On rappelle que : m_MEL=m_air+m_carb+m_GBR et que : GBR = ^≤ m_GBR + m_aιr + m_carb

T_MEL(IVC) : température moyenne des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVCo Intake Valve Closing) (par exemple en ⁰K) (mod) γ_MEL : rapport de la capacité calorifique à pression constante (Cp) et de la capacité calorifique à volume constant (Cv) du mélange (cale) M_MEL : masse molaire du mélange air+carburant+gaz brûlé (g/mol) (cale)

OA : angle d'ouverture admission pris par rapport au PMH admission (°Vιlbrequιn) (mes) N : régime moteur (tr/min) (mes) T_eau ^'- température d'eau du moteur (par exemple en ⁰C) (mes)

Annexe 2 : Calibration MAP

Les calibrations sont fonction du régime et de la charge.

^* AAO_ref est l'avance à l'allumage optimale et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc d'essais ;

^* FMB5_ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 5% de la masse totale du mélange et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ;

^* FMB50_ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 50% de la masse totale du mélange et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ;

^* Ci_Ni_ref est la constante d'initialisation déterminée lors des calibrations .

D_IMref = FMB5_ref +AA0_ref

^NU∞ref ^{= NU}(T_MaiNW ^a r_rcf >«_→ef "OBR^ ^/ ™BS^ ) AVeC ^M'-_f ^{= ch(AAO} _Yef ^FMBi _Yef ⁾

^SL'NI_ref ^{= SL}(T_MEIlMr4 P_UEkMγef K₄ GBIi₄)

T MEh_NIrcf = T ^Λ MEL(IVQ₄ AAO_rcf FMB5_rcf T_MElRF^_f m_a ^ m_→ef M₀^₄ y_rcf M_MEIref)

P ^MELINI_ref = P ^MEL(^TMEI_INIyef ^ma _fc/ "W^ "¹G^₁/ ^MMEI_r4)

^* Cc_MBref est la constante de combustion déterminée lors des calibrations. C_n CMB_ref avec

^NUCMB_ref = ^NU(T_MEICMBr4,m^_ef,m_→ef,m_βB^_f, FMBSO_ref)

^H^_f = ^H-

^SLCMB_ref ^{~ SL}(T_Ml ΛφGBHe_f)

T ^MEL _CM^_cf = T ^ME^^Ç-φFMB50_rcf,T_MEIχp4^,m_a,_wf,m_car^_f,mg_B^_f,γ_rφM_MEIrtf)

P MEIatfy =P MEL(T_UEIaιvm_aWref,m_caγbref,m_GBBref,M_UEIτef)

^* SL_ref est la vitesse de flamme laminaire globale estimée.

SL_ref

SL₀ = SL_(À) a = a_{λ) T = T

¹ MEL(FMBSO^ ) ¹ MEL(IVC_ref,FMB50_ref ,T_MELRFAref ,m_a,_rref,m_→ef,m_GBRref,_γref,M_MEL_ref )

¹ P MEL(FMBSO,,, ) = ¹ P ,m_∞γτ4 ,m_caΛτerm_GBRτef M_MELτef )

Annexe 3 : Délai d'initialisation et de combustion

Le calcul se base sur l'enseignement de la référence [1 ] Hires et al.

2/3

.1/3 ^Hch _mλ D_INI = C_mJSP.NU_INI)^l!

Le terme SP (vitesse moyenne du piston, cf. annexe 4) dépendant du régime a été retiré des équations 6' et 7' et remplacé par le K_aé_ro dépendant également du régime et du déphasage de l'arbre à cames admission (en effet, l'aérodynamique interne est modifié par le déphasage de la loi de levée des soupapes d'admission).

On remarquera que les délais peuvent être mesurés sur banc d'essais et correspondent à : D_m = FMB5_ref + AAO_ref D_CMB = FMB50_ref - FMB5_ref et que pour prendre en compte l'aérodynamique dans la chambre de combustion, les relations proposée par Hires et al. (référence [1 ]) ont été adaptées (cf. eq. 6' et eq. 7'). Les valeurs du coefficient K_Aero dépendent du déphasage de l'arbre à came admission et du régime. Annexe 4 : vitesse moyenne du piston

SP = L *- c 30

Annexe 5 : Viscosité cinématique

NU est le rapport entre la viscosité dynamique (MU) et la masse volumique du mélange (RHO):

NU = ≡- RHO

La masse volumique du mélange est déterminée à partir de la masse du mélange dans le cylindre (i.e. la somme des masses d'air, d'IGR, d'EGR et de carburant) et du volume de la chambre : m, _^r

RHO = -

K₁ La viscosité dynamique est déterminée à partir de la loi de Sutherland S)

Annexe 6 : Taux de compression effectif τ_eff représente le rapport de volumes de la chambre de combustion entre la position angulaire (θ) et l'angle de fermeture des soupapes d'admissionoivc.

Annexe 7 : définition des différentes positions angulaires.

Les différentes positions angulaires du vilebrequin sont illustrées sur la figure 2.

[0075] La présente invention permet un gain de temps et une réduction des coûts de calibration grâce à la réduction du nombre d'essais de calibration. De plus, le modèle physique de l'invention s'applique pour tous les modes de fonctionnement du moteur et quelque soit le modèle de moteur, alors que précédemment il était nécessaire de faire une cartographie complète pour chaque nouveau modèle de moteur.

[0076] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, les taux de 5% et de 50% de la masse de carburant brûlé peuvent être différents : de façon générale, ils sont respectivement de x% et y%. De même, certaines équations peuvent être modifiées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ;

- enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et

- à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits paramètres de calibration comprennent les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAO_ref, le point FMBx_ref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C|_Nι_ref, une constante de combustion Cc_MBref βt une vitesse de flamme laminaire globale estimée SL_ref.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits paramètres d'entrée sont choisis parmi les paramètres suivants :

- la masse d'air frais admise dans le cylindre ( m_mr )

- la masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre ( m_GBR ) - la masse de carburant dans le cylindre ( m_carb )

- la charge ( Ld ) -

- la température moyenne { T_MEL{IVC) ) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission

- le rapport ( γ_MEL ) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange

- la masse molaire ( M_MEL ) du mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé

- l'angle d'ouverture admission (OA)

- le régime moteur (N).

- la température d'eau du moteur ( T ^eau ).

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point

FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx.

5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on détermine l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit modèle physique est représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (D,_N|) en fonction notamment d'une constante (C|_N|), l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D _CMB) en fonction notamment d'une constante (C_CMB)

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que pour calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAO_estιm) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant :

^* le calcul du délai d'initialisation D|_N| à partir de l'avance optimale estimée AAO_estιm et desdits points d'appui, * la détermination de FMBx à partir des valeurs de D|_N| et de rAAO_estιm

^* le calcul du délai de combustion D_CMβ à partir de FMBx, et

^* le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO; c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO est corrigée en prenant en compte la température du moteur.

8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite étape b comporte deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération.

9. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la valeur de FMBx de l'étape b est déterminée par FMBx = D|_N, - AAO_estιm ; la valeur de D|_N, étant celle obtenue par la première itération.

10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que l'avance à l'allumage AAO est déterminée par :

AAO = - FMBy_rθf + D,_Nι ,ti + D_CMB iti

FMBy étant la valeur de FMB obtenue par calibration, DINI iti et DCMB iti étant les valeurs obtenue à l'aide de ladite première itération.