EP2534355B1

EP2534355B1 - Procede de regulation d'un parametre de fonctionnement d'un moteur et systeme de commande mettant en oeuvre un tel procede

Info

Publication number: EP2534355B1
Application number: EP11708058.0A
Authority: EP
Inventors: Frédéric Gourves
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: CN102782296A; EP2534355A1; CN102782296B; WO2011098708A1; FR2956161A1; FR2956161B1

Description

L'invention porte sur le domaine du contrôle de la stabilité en fonctionnement des moteurs à combustion.
Les moteurs à combustion à allumage commandé présentent, notamment lors de leur fonctionnement en charge partielle, une pression à l'admission inférieure à la pression atmosphérique. Cette pression inférieure à la pression atmosphérique crée ce que l'on appelle des pertes par pompage qui entraînent une surconsommation de carburant, du fait d'un travail supplémentaire imposé aux pistons du moteur lors des phases d'admission.
Il est connu, dans les moteurs à allumage commandé, d'utiliser le « croisement » des soupapes, c'est-à-dire des périodes lors desquelles les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes, pour diminuer la surconsommation liée aux pertes par pompage à faible charge et charge partielles.
Plus précisément, afin de limiter les pertes par pompage, il est possible d'utiliser des déphaseurs d'arbre à cames pour adapter le croisement des soupapes admission et échappement. Le croisement de soupapes est le résultat particulier d'un retard à l'échappement et d'une avance à l'admission. Il a pour effets de faciliter l'aspiration des gaz frais avec les gaz brûlés ce qui permet de faciliter le remplissage du cylindre.
Cependant le croisement a un effet sur la stabilité du moteur. Il est important dans le cadre du contrôle du fonctionnement des moteurs à combustion à allumage commandé de pouvoir en caractériser la stabilité de fonctionnement. En particulier, imposer un croisement des soupapes trop important peut dégrader fortement la stabilité moteur, ce qui est nuisible à la fois au confort de l'automobiliste, au bon fonctionnement du moteur, et à sa durée de vie. Pour un fonctionnement optimal du moteur, la stabilité de celui-ci doit donc être prise en compte.
Actuellement dans les calculateurs des moteurs généralement utilisés en série, les niveaux de croisement sont calibrés de manière à avoir un compromis entre robustesse du moteur et niveau de consommation en carburant. Il s'agit de réglages figés dans des cartographies, qui ne prennent pas en considération le fonctionnement réel du moteur, et sont donc peut précis, et ne permettent pas d'atteindre un niveau de consommation optimal, c'est-à-dire le plus faible possible.
Il est par ailleurs connu au travers de la demande de brevet français FR2909722 ou de la demande de brevet allemand DE 10 2006 0266 40 un procédé de régulation des paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection, comprenant le calcul d'un indice représentatif de la stabilité d'un moteur et sa comparaison à une consigne, afin d'optimiser les paramètres régulés en se rapprochant de la consigne de stabilité. Les solutions proposées sont satisfaisantes pour le réglage des paramètres en régime stabilisé, mais, l'indice de stabilité tel qu'il est construit dans cette demande n'est que peu fiable lors du fonctionnement du moteur en transitoire.
Dans l'invention, il est proposé un procédé de régulation dans lequel on caractérise de manière plus précise la stabilité d'un moteur à combustion, notamment lors des phases de fonctionnement transitoires (phases de variation de la vitesse de rotation du moteur). Ce procédé permet d'adapter les paramètres de fonctionnement du moteur ayant une influence sur sa stabilité tel que l'avance à l'allumage ou la richesse, mais est particulièrement avantageux pour adapter le croisement des soupapes et donc d'optimiser la consommation du carburant du moteur en transitoire.
Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de régulation d'un paramètre de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes :

élaboration d'une consigne de stabilité,
calcul d'un indice de stabilité moteur,
calcul de l'écart de stabilité égal à la différence entre la consigne de stabilité et l'indice de stabilité.
traitement de l'écart de stabilité par un régulateur qui fournit une consigne de contrôle moteur, à appliquer au paramètre de fonctionnement du moteur,

Dans une variante préférentielle de l'invention, la consigne de contrôle moteur tend à optimiser le croisement des soupapes pour diminuer la consommation en carburant du moteur tout en respectant la consigne de stabilité. En effet, le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux pour réguler le croisement des soupapes afin de diminuer la consommation du moteur, notamment dans les phases de fonctionnement du moteur à faible et moyenne charge. En pratique, l'optimisation du croisement des soupapes consiste à appliquer les consignes d'ouverture des soupapes d'admission et de fermeture des soupapes d'échappement permettant de diminuer au maximum la consommation en carburant, en maximisant la période de croisement pendant laquelle les soupapes d'admission et d' échappement sont simultanément ouvertes, et en positionnant au mieux ces ouvertures et fermetures dans le cycle moteur. Le procédé est applicable à la régulation des autres paramètres influant sur la stabilité de fonctionnement du moteur (avance à l'allumage et richesse), mais cela ne constitue pas son application préférentielle, car il existe d'autres méthodes fiables et plus simples pour les réguler : par construction d'un indice de stabilité tel que connu dans l'art antérieur pour les phases stabilisées, notamment immédiatement après le démarrage du moteur, ou par utilisation de sondes spécifiques pendant les phases transitoires.
De préférence, on met en oeuvre une stratégie de secours en cas d'écart de stabilité supérieur à un seuil prédéterminé. Une forte instabilité du moteur peut entrainer une défaillance du moteur. Une stratégie de secours permet d'assurer la fiabilité du moteur. Une telle stratégie consiste à ramener rapidement le moteur sur un point de fonctionnement sur lequel sa stabilité est assurée, par exemple en appliquant un croisement de soupape nul, et des consignes conservatives d'avance à l'allumage et de richesse.
De préférence, les étapes du procédé sont répétées à chaque combustion dans le moteur. On obtient ainsi une régulation rapide du paramètre considéré, ce qui permet notamment d'optimiser ce paramètre en ayant à tout instant du fonctionnement du moteur un indice de stabilité très proche de la consigne de stabilité.
De préférence, le procédé est mis en oeuvre lors de phases de fonctionnement en transitoire du moteur. Il peut également être utilisé lors des phases de fonctionnement en stabilisé. C'est en effet dans les phases de fonctionnement en transitoire que le procédé développé dans l'invention revêt tout son intérêt. En effet, la prise en compte d'une fonction de la dérivée du régime moteur, traduisant l'évolution du régime moteur, permet la création d'un indice représentatif de la stabilité de fonctionnement du moteur, y compris pendant que son régime évolue, c'est-à-dire pendant son fonctionnement en phase transitoire.
De préférence, on calcule l'indice de stabilité par la formule : $Is = |T_{PMH} • \frac{\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} - \frac{ⅆ ω_{Mesuree}}{ⅆ t}}{ω_{mesuree}}|$
dans laquelle Is est l'indice de stabilité, $\frac{ⅆ ω_{Mesuree}}{ⅆ t}$
est la dérivée temporelle mesurée du régime du moteur à l'instant du calcul, qui correspond à un instant où une combustion se produit dans un cylindre du moteur, $\frac{ⅆ ω_{Théorique}}{ⅆ t}$
est la dérivée temporelle estimée du régime du moteur en fonction de son couple estimé à l'instant du calcul et des inerties s'opposant à la variation de sa vitesse de rotation, ω _mesuree est le régime moteur mesuré à l'instant du calcul, et T_PMH est la durée écoulée à l'instant du calcul depuis combustion précédente. Ce mode de calcul permet l'obtention d'un indice adimensionnel représentatif de la stabilité de fonctionnement du moteur, y compris dans ses phases de fonctionnement en transitoire.
De préférence, la dérivée temporelle estimée du régime du moteur est calculée par la formule : $\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} = \frac{Couple_Estime}{J_{equivalent}}$
dans laquelle Couple_Estime est l'estimation du couple du moteur à, T_PMH est la durée écoulée depuis combustion précédente, et J_equivalent est la traduction sous forme d'un moment d'inertie équivalent des inerties s'opposant à la variation de la vitesse de rotation du moteur. Il s'agit donc de l'inertie du moteur ou du véhicule ramenée sur l'arbre moteur en fonction du rapport de boite engagé. Le fait de prendre en compte l'inertie du véhicule ramené sur l'arbre moteur permet d'utiliser l'indicateur de stabilité en transitoire et véhicule roulant
De préférence, la dérivée temporelle mesurée du régime du moteur est obtenue par la formule : $\frac{ⅆ ω_{mesuree}}{ⅆ t} = \frac{ω_{PMH_n} - ω_{PMH_n - 1}}{T_{PMH}}$
dans laquelle ω _{PMH_n} est le régime moteur à l'instant du calcul, ω_{PMH_n-1} le régime à l'instant de la combustion précédente. L'approximation de la dérivée temporelle du régime par l'étude de sa variation entre deux combustions offre une bonne précision, du fait d'un pas temporel faible et d'une étude entre deux combustions, qui sont les événements générateurs des variations de régime du moteur.
L'invention porte également sur un système de commande d'un moteur à combustion interne, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.
L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement l'invention dans son mode de réalisation préférentiel visant au réglage du croisement des soupapes en tant que paramètre influant sur la stabilité.
la figure 1 est un schéma-bloc général du procédé selon l'invention,
la figure 2 représente un exemple de stratégie de régulation mise en oeuvre par le procédé selon l'invention,
La figure 3 représente un module de calcul du régulateur de la figure 1
La figure 1 décrit, à l'aide de schémas blocs, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Un superviseur 1 détermine, par exemple selon les conditions de fonctionnement d'un moteur 2, si le procédé selon l'invention doit être ou non mis en oeuvre. Dans le procédé selon l'invention, la stabilité du moteur 2 est déterminée par une fonction de calcul d'un indicateur de stabilité 3, qui fournit comme résultat un indicateur de stabilité Is. Un calculateur 4 fournit une consigne de stabilité Cs, par exemple par le biais d'une cartographie propre au moteur 2. Un comparateur 5, calcule la différence entre les deux valeurs Cs et Is, pour fournir en sortie un signal Es, appelé écart ou erreur de stabilité.
L'écart de stabilité Es est ensuite fourni à un régulateur 6, dans l'exemple un régulateur de type P.I.D. (proportionnel intégral dérivé), mais celui-ci peut être de tout autre type (LQ, Hinfini, etc.).
Le régulateur prend alors en compte l'écart de stabilité Es pour calculer une consigne de croisement des soupapes, c'est-à-dire en pratique une consigne d'ouverture de l'admission OA et une consigne de fermeture des soupapes d'échappement FE. Cette consigne est transmise à l'organe de commande du moteur pour être appliquée aux déphaseurs d'admission et d'échappement.
L'indicateur de stabilité doit permettre détecter rapidement et de manière fiable la qualité de combustion même en transitoire de régime.
Pour cela, l'indicateur de stabilité combustion utilise dans l'invention 3 données principales en entrée:

La mesure du régime moteur
L'estimation du couple moteur
Le rapport de boîte engagé

La stabilité est caractérisée dans l'invention par un indice, fonction de la différence entre la dérivée du régime moteur telle que mesurée (ou plus précisément, telle que calculée à l'aide de mesures du régime moteur) à la dérivée estimée que le moteur devrait avoir du fait du couple moteur au moment du calcul. Cela permet l'obtention d'un indice de stabilité représentatif y compris dans les phases de fonctionnement du moteur en transitoire.
La dérivée temporelle mesurée du régime est calculée par la formule suivante : $\frac{ⅆ ω_{mesuree}}{ⅆ t} = \frac{ω_{PMH_n} - ω_{PMH_n - 1}}{T_{PMH}}$
dans laquelle :

ω _{PMH_n} (rad/s) est le régime moteur à l'instant du calcul, instant correspondant à l'instant d'une combustion ;
ω_{PMH_n-1} (rad/s) le régime à l'instant de la combustion précédente ;
T_PMH (s) la durée écoulée depuis la combustion précédente (c'est-à-dire la durée entre la combustion se produisant à l'instant du calcul et la combustion précédente).

Ce calcul est préférentiellement réalisé à chaque combustion du moteur. Le régime est mesuré également à chaque combustion.
La dérivée temporelle estimée du régime est calculée par la formule suivante : $\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} = \frac{Couple_Estime}{J_{equivalent}}$
dans laquelle :

Couple_Estime (N.m) est l'estimation du couple du moteur, donnée par le système de contrôle moteur,
et J_equivalent (kg.m²) est la traduction sous forme d'un moment d'inertie équivalent des inerties s'opposant à la variation de la vitesse de rotation du moteur. Il s'agit de l'inertie du moteur ou du véhicule ramenée sur l'arbre moteur en fonction du rapport de boite engagé.

L'estimation du couple moteur, donnée par le contrôle moteur, peut être réalisée selon divers modèles plus ou moins complexes et précis. Le contrôle moteur peut par exemple employer un modèle basé sur la formule suivante : $Couple_Estime = \frac{η_{Ri} \times η_{indiqué} (P_{adm}, Régime) \times Pci \times Estimation_Re mplissage}{π \times Pco} \times η_{avance} - CMF$
Avec:

ηavance: rendement d'avance à l'allumage
ηindiqué : rendement indique fonction de la pression d'admission et du régime
Pci pouvoir calorifique inférieur
Estimation du remplissage : estimation basée sur le régime, la pression admission, les angles d'ouverture des soupapes d'admission et de fermeture des soupapes d'échappement.
Pco : pouvoir comburivore
CMF : cartographie de frottement du moteur

Le moment d'inertie équivalent J_equivalent du véhicule ramené sur l'arbre primaire de boîte (et donc moteur) peut quant à lui être calculé par la formule : $J_{equivalent} = I_{moteur} + \frac{Masse_Vehicule \times R_{Roue} \times (1 + ε)}{R_{bv} \times η_{bv}}$
Avec :

I_moteur : inertie du moteur
Rroue : rayon de roue
Rbv : rapport de boite (fonction du rapport engagé) et de pont
ηbv : rendement de boite (fonction du rapport engagé)
ε inertie des pièces tournantes de la transmission (arbre primaire, secondaire, arbre de transmission, pignon). Ceci est fonction du rapport engagé.

L'indice de stabilité Is est calculé de la manière suivante : $Is = |T_{PMH} • \frac{\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} - \frac{ⅆ ω_{Mesuree}}{ⅆ t}}{ω_{mesuree}}|$
Ce calcul peut être moyenné sur plusieurs points afin de réaliser un filtrage passe-bas.
La figure 2 montre un exemple de déroulement de la stratégie de contrôle du moteur, mise en oeuvre grâce au procédé selon l'invention. On se place dans le cas où le moteur est stable immédiatement après le démarrage. Le dispositif de contrôle moteur mettant en jeu un procédé selon l'invention, va calculer une consigne de croisement de la distribution, en fonction d'un premier indice de stabilité calculé. La régulation ainsi réalisée va augmenter le croisement des soupapes tant que le moteur reste stable (par rapport à la consigne de stabilité), et ce, selon une variante de l'invention, dans une certaine limite prédéterminée.
En cas de forte instabilité du moteur (critère défini par exemple par un niveau seuil de l'erreur de stabilité Es), on applique dans la variante de l'invention ici représentée une stratégie de secours, pouvant par exemple consister en l'adoption d'une consigne de croisement de la distribution prédéfinie et assurant la stabilité de manière certaine, par exemple un croisement nul (demande de « décroisement » rapide du moteur), éventuellement accompagnée de l'adoption de consignes de pilotage de l'avance à l'allumage et de richesse
Lorsque la mise en oeuvre de la stratégie de secours a permis de retrouver un niveau de stabilité acceptable, le système applique de nouveau le procédé selon l'invention.
La figure 3 présente la fonction de régulation du croisement des soupapes mise en oeuvre dans le régulateur 6. Ce régulateur 6 intègre une fonction de sommation F1 apte à prendre en considération le signal de sortie de trois autres fonctions :

Une fonction de détermination de la consigne de base F2 du croisement des soupapes ;
Une fonction de correction de la consigne F3, fonction de l'écart de stabilité Es;
Une fonction de mise en oeuvre d'une stratégie de secours F4.

Une ou plusieurs de ces fonctions sont actives selon la stratégie de fonctionnement déterminée par le superviseur 1.
En fonction des ordres envoyés par le superviseur 1, une consigne de croisement des soupapes (sous la forme de consignes de pilotage de l'ouverture des soupapes d'admission et de fermeture des soupapes d'échappement), en sortie de la fonction de sommation F1, peut être déterminée :

par une simple boucle ouverte (cartographie en fonction de la température d'eau par exemple). Dans ce cas la fonction de sommation F1 ne prend en compte que le signal de sortie de la fonction de détermination de la consigne de base F2
par une boucle ouverte et une régulation de type PID par exemple, qui détermine une correction en fonction de l'erreur de stabilité. Dans ce cas la fonction de sommation F1 prend en compte le signal de sortie de la fonction de détermination de la consigne de base F2 le signal de la fonction de correction de la consigne F3.
par une stratégie de secours, qui peut consister par exemple en un incrément ou un décrément important sur la boucle ouverte. Dans ce cas, la fonction de sommation F1 prend en considération les signaux des trois fonctions de détermination de la consigne de base F2, de correction de la consigne F3, de mise en oeuvre d'une stratégie de secours F4.

L'invention propose ainsi un procédé permettant de faire évoluer le niveau de croisement de la distribution d'un moteur en fonction de sa stabilité, afin d'adopter un réglage permettant les gains de consommations maximaux obtenus par le croisement. En d'autres termes, il est possible d'asservir le croisement à un niveau de stabilité souhaité de sorte limiter au maximum la consommation du moteur.
L'invention peut également être appliquée à la régulation d'autres paramètres influant sur la stabilité du moteur, tel que la richesse ou l'avance à l'allumage, en visant l'obtention d'une plus grande quantité d'énergie disponible à l'échappement et/ou la réduction des émissions polluantes.

Claims

Procédé de régulation d'un paramètre de fonctionnement d'un moteur à combustion interne (2), comprenant les étapes suivantes :
- élaboration d'une consigne de stabilité (Cs),

- calcul d'un indice de stabilité moteur (Is),

- calcul de l'écart de stabilité (Es) égal à la différence entre la consigne de stabilité (Cs) et l'indice de stabilité (Is).

- traitement de l'écart de stabilité (Es) par un régulateur (6) qui fournit une consigne de contrôle moteur (OA, FE), à appliquer au paramètre de fonctionnement du moteur (2),
caractérisé en ce que l'indice de stabilité (Is) est une fonction de la différence entre la dérivée temporelle mesurée du régime moteur à l'instant du calcul, et la dérivée temporelle estimée du régime moteur en fonction du couple moteur et des l'inerties s'opposant à la variation de sa vitesse de rotation.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la consigne de contrôle moteur tend optimiser le croisement des soupapes pour diminuer la consommation en carburant du moteur tout en respectant la consigne de stabilité (Cs).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre une stratégie de secours en cas d'écart de stabilité (Es) supérieur à un seuil prédéterminé.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes du procédé sont répétées à chaque combustion dans le moteur (2).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lors de phases de fonctionnement en transitoire du moteur (2).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on calcule l'indice de stabilité (Is) par la formule : $Is = |T_{PMH} • \frac{\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} - \frac{ⅆ ω_{Mesuree}}{ⅆ t}}{ω_{mesuree}}|$

dans laquelle Is est l'indice de stabilité, $\frac{ⅆ ω_{Mesuree}}{ⅆ t}$
est la dérivée temporelle mesurée du régime du moteur à l'instant du calcul, qui correspond à un instant où une combustion se produit dans un cylindre du moteur, $\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t}$
est la dérivée temporelle estimée du régime du moteur en fonction de son couple estimé à l'instant du-calcul et des l'inerties s'opposant à la variation de sa vitesse de rotation, ω _mesuree est le régime moteur mesuré à l'instant du calcul, et T_PMH est la durée écoulée à l'instant du calcul depuis combustion précédente.
Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la dérivée temporelle estimée du régime du moteur est calculée par la formule : $\frac{ⅆ ω_{Estimée}}{ⅆ t} = \frac{Couple_Estime}{J_{equivalent}}$

dans laquelle Couple_Estime est l'estimation du couple du moteur, et J_equivalent est la traduction sous forme d'un moment d'inertie équivalent des inerties s'opposant à la variation de la vitesse de rotation du moteur.
Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que la dérivée temporelle mesurée du régime du moteur est obtenue par la formule : $\frac{ⅆ ω_{mesuree}}{ⅆ t} = \frac{ω_{PMH_n} - ω_{PMH_n - 1}}{T_{PMH}}$

dans laquelle ω _PMH__n est le régime moteur à l'instant du calcul, ω_{PMH_n-1} le régime à l'instant de la combustion précédente, et T_PMH est la durée écoulée depuis combustion précédente.
Système de commande d'un moteur à combustion interne, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.