EP3581788A1 - Procédé et système d'estimation de la température des bougies de préchauffage d'un moteur à combustion interne - Google Patents

Abstract

Procédé (20) d'estimation de la température (T_(t)) du crayon des bougies de préchauffage implantées dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un capteur de pression de cylindre (P_cyl), dans lequel en mesurant la pression de cylindre (P_cyl), pour chaque position de vilebrequin, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie (T_(t)) au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, on estime une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion (T_gaz(cycle)) et par pas de calculs itératifs, on estime la température (T_(t)) du crayon des bougie.

Description

• La présente invention concerne le domaine des bougies de préchauffage des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs de type Diesel.
• Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine de l'estimation de la température de telles bougies de préchauffage.
• Afin de démarrer un moteur Diesel lorsque la température extérieure est inférieure à une valeur seuil, la température du mélange air-carburant doit être portée à une certaine température pour améliorer l'auto-inflammation du mélange. On utilise pour cela des bougies de préchauffage implantées dans la chambre de combustion du moteur et pilotées via un boitier de préchauffage.
• Il existe des bougies dites « à allumage rapide », pilotées notamment par une commande de type Rapport Cyclique d'Ouverture, d'acronyme « RCO ». L'utilisation de telles bougies nécessite de connaitre la température de l'élément chauffage des bougies, afin de ne pas dépasser leur température maximale admissible, qui conduirait à l'endommagement de l'élément chauffant desdites bougies.
• On peut se référer au document FR 2 891 868 - B1 qui décrit un procédé d'estimation de la température d'échappement sur une sortie d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, à partir de la pression de cylindre mesurée.
• Toutefois, ce document prévoit seulement le calcul d'une température dans la chambre de combustion lors de l'ouverture de la soupape d'échappement.
• On connait les modèles théoriques d'estimation de la température des bougies de préchauffage dans lesquels on réalise un bilan énergétique au niveau de l'élément chauffant, ici le crayon de la bougie.
• La variation d'énergie interne dE du crayon de la bougie s'écrit selon l'équation suivante : $$\mathit{dE}=m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{\mathit{dT}}_{\mathit{bougie}}$$

  

  Avec :
• m, la masse du crayon, exprimée en Kg ;
• Cv, la capacité calorifique massique du matériau du crayon, exprimée J.K-1.kg-1 ; et
• T_bougie, la température du crayon de la bougie, exprimée en K.
• L'énergie perdue E_perdue s'écrit selon l'équation suivante et correspond au refroidissement par échanges convectifs avec les gaz internes à la chambre de combustion, et par conduction entre la bougie et sa fixation sur la culasse du moteur. $$E_{\mathit{perdue}}=h\left(T_{\mathit{gaz}}\right)\mathrm{.}S\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{gaz}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}+\lambda \mathrm{.}s\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{culasse}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}$$

  

  Avec :
• h, un coefficient d'échanges thermiques variant de façon linéaire en fonction de la température des gaz dans la chambre de combustion : h(T_gaz ) = h ₀.(1 + KT_gaz ), exprimée en W/(m².K) ;
• S, la surface du crayon en contact avec les gaz dans le cylindre, exprimée en m² ;
• T_gaz, la température des gaz internes à la chambre de combustion, exprimée en K ;
• t, le temps, exprimé en s ;
• λ, la conductivité thermique exprimée en W/(m².K) ;
• s, la surface d'échange entre la bougie et la culasse, exprimée en m² ; et
• T_culasse, la température de la culasse, approximable à la température du liquide de refroidissement T_eau mesurée par un capteur, exprimée en K.
• L'énergie gagnée E_gagnée s'écrit selon l'équation suivante et correspond à la puissance électrique appliquée à la bougie. $$E_{\mathit{gagnée}}=U\mathrm{.}I\mathrm{.}\mathit{dt}=\frac{U^2}{R\left(T_{\mathit{bougie}}\right)}\mathrm{.}\mathit{dt}$$

  

  Avec :
• U, la tension appliquée à la bougie, exprimée en V;
• I, l'intensité parcourant la bougie, exprimée en A ; et
• R, la résistance de la bougie variant de façon linéaire en fonction de la température de la bougie: R(T_bougie)=R₀.(1+a.T_bougie), exprimée en W, avec a, un coefficient d'évolution de la résistance électrique du crayon de la bougie avec sa température.
• La variation d'énergie interne dE du crayon de la bougie peut ainsi s'écrire selon l'équation suivante : $$\mathit{dE}=m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{\mathit{dT}}_{\mathit{bougie}}=E_{\mathit{gagnée}}-E_{\mathit{perdue}}=\frac{U^2}{R\left(T_{\mathit{bougie}}\right)}\mathrm{.}\mathit{dt}-h\left(T_{\mathit{gaz}}\right)\mathrm{.}S\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{gaz}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}+\lambda \mathrm{.}s\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{culasse}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}$$

  
• Ce qui conduit aux équations suivantes : $$\frac{{\mathit{dT}}_{\mathit{bougie}}}{\mathit{dt}}=\frac{U^2}{m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{R}_0}\mathrm{.}\frac{1}{\left(1+a\mathrm{.}{T}_{\mathit{bougie}}\right)}-\frac{h_0\mathrm{.}S}{m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{R}_0}\mathrm{.}\left(1+K\mathrm{.}{T}_{\mathit{bougie}}\right)\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{gaz}}\right)\mathrm{.}+\lambda \mathrm{.}s\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{eau}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}$$

  

  $$\frac{{\mathit{dT}}_{\mathit{bougie}}}{\mathit{dt}}=\frac{1}{{\tau }_{\mathit{chauffe}}}\mathrm{.}{\left(\frac{U}{U_{\mathit{ref}}}\right)}^2\mathrm{.}\left(\frac{1}{a}-T_{\mathit{bougie}}\right)-\frac{1}{{\tau }_{\mathit{refr}}}\mathrm{.}\left(1+K\mathrm{.}{T}_{\mathit{bougie}}\right)\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{gaz}}\right)+\lambda \mathrm{.}s\mathrm{.}\left(T_{\mathit{bougie}}-T_{\mathit{eau}}\right)\mathrm{.}\mathit{dt}$$

  

  Avec :
• Uref, la tension de référence d'alimentation du réseau de bord, généralement 12V, exprimée en V;
• $\frac{1}{{\tau }_{\mathit{chauffe}}}=\frac{a\mathrm{.}{U_{\mathit{ref}}}^2}{m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{R}_0},$
  
  une valeur constante, exprimée à s^-1 ; et
• $\frac{1}{{\tau }_{\mathit{refr}}}=\frac{h_0\mathrm{.}S}{m\mathrm{.}\mathit{Cv}\mathrm{.}{R}_0},$
  
  une valeur constante, exprimée à s^-1.
• On notera que le coefficient d'échange par convection ho est susceptible d'être variable avec la pression et la vitesse des gaz dans la chambre de combustion (nombre de Nusselt et Planck). Ce coefficient peut dépendre du débit des gaz admis par le moteur.
• La température de la bougie T_(t) en fonction du temps est calculée en discrétisant l'équation Eq.i.5 à une récurrence temporelle dans un calculateur embarqué, selon l'équation suivante : $$T_{\left(t\right)}=T_{\left(t-1\right)}+\frac{1}{{\tau }_{\mathit{chauffe}}}\mathrm{.}{\left(\frac{U_{\left(t\right)}}{U_{\mathit{ref}}}\right)}^2\mathrm{.}\left(\frac{1}{a}-T_{\left(t-1\right)}\right)-\frac{1}{{\tau }_{\mathit{ref}}r}\mathrm{.}\left(1+K\mathrm{.}{T}_{\left(t-1\right)}\right)\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{gaz}}\right)+k\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{eau}}\right)$$

  
• Dans cette équation, la température des gaz interne à la chambre de combustion T_gaz n'est pas mesurée et est difficilement estimable de manière précise. On peut l'approximer à une température moyenne, soit fixe correspondant à la température d'équilibre de la bougie, par exemple lors de mesures sur bancs d'essais, soit caractérisée par des cartographies intégrées au calculateur.
• Toutefois, la température des gaz interne à la chambre de combustion T_gaz dépend notamment du point de fonctionnement moteur, de la température des gaz admis, du débit de gaz traversant le moteur, du réglage de la combustion, etc...
• Il est ainsi difficile d'obtenir une estimation fiable de la température de la bougie T_(t) en l'absence d'une détermination de la température des gaz interne à la chambre de combustion T_gaz.
• Il existe un besoin d'améliorer les procédés et systèmes d'estimation de la température des bougies de préchauffage.
• Le but de la présente invention est donc de permettre une estimation précise et robuste de la température des bougies de préchauffage et ainsi permettre d'exploiter au mieux le potentiel desdites bougies pour chauffer efficacement la chambre de combustion et améliorer le démarrage du moteur, aussi que la stabilité du moteur après démarrage.
• L'invention a pour objet un procédé d'estimation de la température du crayon des bougies de préchauffage implantées dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un capteur de pression de cylindre, dans lequel en mesurant la pression cylindre, pour chaque position vilebrequin, par exemple tous les degrés de vilebrequin 1° crk, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, c'est-à-dire à la température du liquide de refroidissement, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, on estime une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion et par pas de calculs itératifs, on estime la température du crayon des bougies.
• Ainsi, la température des crayons des bougies de préchauffage est estimée de manière précise, en n'utilisant que les paramètres physiques et géométriques du moteur.
• Avantageusement, on calcule une valeur de température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur en fonction d'une valeur de la température à la fermeture des soupapes d'admission, une valeur de volume de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, une valeur de volume de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, une valeur de pression du cylindre) à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre et une valeur de pression du cylindre, pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par le capteur cylindre.
• Ainsi, la température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, est calculable d'après l'équation des gaz parfaits (P.V=n.R.T), où $\frac{P\mathrm{.}V}{T}$

  

  est une constante entre un point considéré et le point de fermeture des soupapes d'admission.
• Par exemple, la température à la fermeture des soupapes d'admission est calculée en assimilant cette phase à une polytropique, en fonction d'une valeur de température à l'ouverture des soupapes d'admission calculée en fonction de la température, de la température de recirculation des gaz d'échappement et des débits d'air frais et de gaz recirculés mesurés par capteurs, du volume de la chambre de combustion au moment (ivo (ouverture des soupapes d'admission), ivc (fermeture des soupapes d'admission), evo (ouverture des soupapes d'échappement) et evc (fermeture des soupapes d'échappement), et d'un coefficient polytropique de la compression dépendant de la composition des gaz admis (taux de recirculation des gaz d'échappement EGR).
• En variante, la température à l'ouverture des soupapes d'admission peut être mesurée par un capteur.
• Avantageusement, on calcule une estimation de la température moyenne des gaz dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur en fonction de la valeur de température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur calculée.
• L'estimation de la température moyenne des gaz est, par exemple, calculée en fonction, la durée d'ouverture angulaire des soupapes admission, la durée angulaire toutes soupapes fermées, la durée d'ouverture angulaire des soupapes d'échappement, la température moyenne dans le cylindre pendant les phases d'admission et de détente assimilée à la moyenne des températures [T_ivo ; T_ivc] ; [T_evo ; T_evc] et la température à la fermeture des soupapes d'échappement.
• Par exemple, la température à la fermeture des soupapes d'échappement est calculée en assimilant cette phase à une polytropique en fonction d'un coefficient polytropique de la détente, dépendant la composition des gaz d'échappement (richesse), et de la température à l'ouverture des soupapes d'échappement.
• Selon un mode de réalisation, on calcule une estimation de la température du crayon de la bougie en fonction de la température moyenne des gaz sur un cycle de combustion, cette température étant calculée à partir des valeurs de température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur, ces valeurs étant calculées grâce notamment aux mesures du capteur de pression de cylindre.
• On s'affranchit ainsi de l'imprécision de la caractérisation de la température des gaz par tables ou cartographies dans l'équation de calcul de la température des bougies de préchauffage.
• Grace à l'invention, le calcul de l'estimation de la température du crayon de la bougie de préchauffage est robuste au point de fonctionnement moteur (régime et couple, ou régime et quantité de carburant injecté), à la température ou la pression ambiante, au débit admis par le moteur et aux réglages de combustion.
• Selon un second aspect, l'invention concerne un système d'estimation de la température du crayon des bougies de préchauffage implantées dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un capteur de pression de cylindre, dans lequel en fonction de la pression cylindre mesurée par le capteur, pour chaque position vilebrequin, par exemple tous les degrés de vilebrequin 1°crk, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, c'est-à-dire à la température du liquide de refroidissement, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud.
• Le système comprend un module d'estimation d'une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion et par pas de calculs itératifs, et un module d'estimation de la température du crayon des bougies.
• Ainsi, la température des crayons des bougies de préchauffage est estimée de manière précise, en n'utilisant que les paramètres physiques et géométriques du moteur.
• Avantageusement, le système comprend un module de calcul d'une valeur de température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, en fonction d'une valeur de la température à la fermeture des soupapes d'admission, une valeur de volume de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, une valeur de volume de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, une valeur de pression du cylindre à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre et une valeur de pression du cylindre, pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par le capteur cylindre.
• Ainsi, la température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées est calculable d'après l'équation des gaz parfaits (P.V=n.R.T), où $\frac{P\mathrm{.}V}{T}$

  

  est une constante entre un point considéré et le point de fermeture des soupapes d'admission.
• La température à la fermeture des soupapes d'admission est calculée en assimilant cette phase à une polytropique, en fonction d'une valeur de température à l'ouverture des soupapes d'admission calculée en fonction de la température, de la température de recirculation des gaz d'échappement et des débits d'air frais et de gaz recirculés mesurés par capteurs, du volume de la chambre de combustion au moment X (ivo (ouverture des soupapes d'admission), ivc (fermeture des soupapes d'admission), evo (ouverture des soupapes d'échappement) et evc (fermeture des soupapes d'échappement), et d'un coefficient polytropique de la compression dépendant de la composition des gaz admis (taux de recirculation des gaz d'échappement EGR).
• En variante, la température à l'ouverture des soupapes d'admission peut être mesurée par un capteur.
• Le module de calcul d'une estimation de la température moyenne des gaz dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur est, par exemple, configuré pour calculer ladite estimation en fonction de la valeur de température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur calculée.
• L'estimation de la température moyenne des gaz est calculée en fonction, la durée d'ouverture angulaire des soupapes admission, la durée angulaire toutes soupapes fermées, la durée d'ouverture angulaire des soupapes d'échappement, la température moyenne dans le cylindre pendant les phases d'admission et de détente assimilée à la moyenne des températures [T_ivo ; T_ivc] ; [T_evo ; T_evc] et la température à la fermeture des soupapes d'échappement.
• La température à la fermeture des soupapes d'échappement est calculée en assimilant cette phase à une polytropique en fonction d'un coefficient polytropique de la détente, dépendant la composition des gaz d'échappement (richesse), et de la température à l'ouverture des soupapes d'échappement.
• Ainsi, le module de calcul d'une estimation de la température du crayon de la bougie est configuré pour calculer ladite estimation en fonction de la température dans le cylindre pour chaque position angulaire du moteur calculée et de la température moyenne des gaz sur un cycle de combustion calculée.
• On s'affranchit ainsi de l'imprécision de la caractérisation de la température des gaz par tables ou cartographies dans l'équation de calcul de la température des bougies de préchauffage.
• Grace à l'invention, le calcul de l'estimation de la température du crayon de la bougie de préchauffage est robuste au point de fonctionnement moteur (régime et couple, ou régime et quantité de carburant injecté), à la température ou la pression ambiante, au débit admis par le moteur et aux réglages de combustion.
• 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 aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 illustre un système d'estimation de la température des bougies de préchauffage selon l'invention ; et
• la figure 2 illustre les étapes d'un procédé d'estimation de la température des bougies de préchauffage selon l'invention mis en oeuvre par le système de la figure 1.
• Un système d'estimation de la température des bougies de préchauffage, référencé 10 dans son ensemble, est destiné à être intégré dans une unité de commande d'un moteur à combustion interne de type Diesel (non représenté), comprenant une chambre de combustion dans les pistons du moteur, des bougies de préchauffage implantées dans ladite chambre de combustion et au moins un capteur de pression de cylindre P.
• Le système 10 d'estimation de la température des bougies de préchauffage comprend un module 12 de calcul d'une valeur de température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement associées à la chambre de combustion sont fermées, selon l'équation suivante : $$T_{\mathit{cyl}\left(\mathit{angle}\right)=\frac{T_{\mathit{ivc}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}\mathrm{.}{\mathit{Pcyl}}_{\mathit{ivc}}}}\mathrm{.}{\mathit{Vol}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\mathrm{.}{\mathit{Pcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}$$

  

  Avec :
• T_ivc, la température à la fermeture des soupapes d'admission « intake valve closing temperature » en termes anglo-saxons, calculées selon l'équation Eq.2 ci-dessous, exprimée en K ;
• Vol_ivc, le volume de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, exprimé en m³ ;
• Vol_(angle), le volume de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, exprimé en m³ ;
• Pcyl_(ivc), la pression du cylindre à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre, exprimée en bar ; et
• Pcyl_(angle), la pression du cylindre, pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par un capteur cylindre, exprimée en bar.
• Ainsi, la température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, est calculable d'après l'équation des gaz parfaits (P.V=n.R.T), où $\frac{P\mathrm{.}V}{T}$

  

  est une constante entre un point considéré et le point de fermeture des soupapes d'admission (ivc).
• La température à la fermeture des soupapes d'admission T_ivc est calculée selon l'équation ci-dessous en assimilant cette phase à une polytropique : $$T_{\mathit{ivc}}=T_{\mathit{ivo}}\mathrm{.}{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{ivc}}}$$

  

  Avec : $$T_{\mathit{ivo}}=\frac{T_{\mathit{air}}\mathrm{.}{Q}_{\mathit{air}}+T_{\mathit{EGR}}\mathrm{.}{Q}_{\mathit{EGR}}}{Q_{\mathit{air}}+Q_{\mathit{EGR}}}$$

  

  Avec :
• T_ivo, la température à l'ouverture des soupapes d'admission « intake valve opening temperature » en termes anglo-saxons, calculée selon l'équation Eq.3 ci-dessus en fonction de la température T_air, de la température de recirculation des gaz d'échappement T_EGR, et des débits d'air frais Q_air et de gaz recirculés Q_EGR, mesurés par capteurs ; en variante, la température à l'ouverture des soupapes d'admission T_ivo peut être mesurée par un capteur, exprimée en K ;
• Vol_X, le volume de la chambre de combustion au moment X (ivo (ouverture des soupapes d'admission), ivc (fermeture des soupapes d'admission), evo (ouverture des soupapes d'échappement) et evc (fermeture des soupapes d'échappement), exprimé en m³ ; et
• γ_ivc, un coefficient polytropique de la compression dépendant de la composition des gaz admis (taux de recirculation des gaz d'échappement EGR).
• Le système 10 d'estimation de la température des bougies de préchauffage comprend en outre un module 14 de calcul d'une estimation de la température moyenne des gaz Tgaz dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur.
• Considérant l'inertie thermique du crayon de bougie, de l'ordre du 1/10è de secondes, nettement supérieur au temps caractéristique d'évolution de la température (ou pression) cylindre, de l'ordre du millième de secondes, la température moyenne des gaz Tgaz(cycle) peut être estimée comme une valeur de température des gaz internes au cylindre moyennée sur un cycle de combustion, et calculée par le module 14 selon l'équation suivante : $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle\_n}\right)}=\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{ivo}}\to {\alpha }_{\mathit{ivo}}}{720°}\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{ivo}}+T_{\mathit{ivc}}}{2}\right]+\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{ivc}\to \mathit{evo}}}{720°}\mathrm{.}\mathit{moy}{\left\{{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\right\}}_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}\to {\alpha }_{\mathit{evo}}}\right]+\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{evo}}\to {\alpha }_{\mathit{evc}}}{720°}\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{evo}}+T_{\mathit{evc}}}{2}\right]$$

  

  Avec :
• α_ivo→α_ivo , la durée d'ouverture angulaire des soupapes admission α_admin, exprimée en [°crk] ;
• α_{ivc → evo} , la durée angulaire toutes soupapes fermées, exprimée en [°crk] ;
• α_evo → α_evc, la durée d'ouverture angulaire des soupapes d'échappement α_exh, exprimée en [°crk] ;
• moy{Tcyl _(angle)} _{αivc → αevo} , la température moyenne dans le cylindre pendant les phases d'admission et de détente assimilée à la moyenne des températures respectivement [T_ivo ; T_ivc] et [T_evo ; T_evc], exprimée en K ; et
• T_evc, la température à la fermeture des soupapes d'échappement « exhaust valve closing temperature » en termes anglo-saxons, calculées selon l'équation Eq.5 ci-dessous, exprimée en K.
• La température à la fermeture des soupapes d'échappement T_evc est calculée selon l'équation ci-dessous en assimilant cette phase à une polytropique : $$T_{\mathit{evc}}=T_{\mathit{evo}}\mathrm{.}{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{iec}}}$$

  

  Avec :
• γ_evc , un coefficient polytropique de la détente, dépendant la composition des gaz d'échappement (richesse) ; et
• T_evo, la température cylindre à l'ouverture des soupapes d'échappement, exprimée en K, avec T_evo = Tcyl_(evo)
• En incorporant les équations Eq.2 et Eq.3 dans l'équation Eq.4, la température moyenne des gaz Tgaz(cycle) sur un cycle de combustion s'écrit selon les équations suivantes : $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}=\left[{\alpha }_{\mathit{ad}\min }\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{ivo}}+T_{\mathit{ivc}}}{2}\right]+\left[\left(720-\left({\alpha }_{\mathit{ad}\min }+{\alpha }_{\mathit{exh}}\right)\right)\mathrm{..}\mathit{moy}{\left\{{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\right\}}_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}\to {\alpha }_{\mathit{evo}}}\right]+\left[{\alpha }_{\mathit{exh}\mathrm{..}}\frac{T_{\mathit{evo}}+T_{\mathit{evc}}}{2}\right]$$

  

  $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}=\left[{\alpha }_{\mathit{ad\; min}}\mathrm{.}{T}_{\mathit{ivo}}\mathrm{.}\frac{1+{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{ivc}}}}{2}\right]+\left[\frac{1}{{\alpha }_{\mathit{ivc}\to \mathit{evo}}}\mathrm{.}{\displaystyle {\int }_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}}^{{\alpha }_{\mathit{evo}}}}\mathit{Tcyl}\mathrm{.}\mathit{d\alpha }\right]+\left[{\alpha }_{\mathit{exh}}\mathrm{..}{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{evo}\right)}\mathrm{.}\frac{1+{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{evc}}}}{2}\right]$$

  
• Le système 10 d'estimation de la température des bougies de préchauffage comprend en outre un module 16 de calcul d'une estimation de la température du crayon de la bougie T_(t) en fonction de la température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur calculée à l'équation Eq.1 et de la température moyenne des gaz Tgaz(cycle) sur un cycle de combustion calculée à l'équation Eq.7.
• L'estimation de la température du crayon de la bougie T_(t) s'écrit selon l'équation suivante : $$T_{\left(t\right)}=T_{\left(t-1\right)}+\frac{1}{{\tau }_{\mathit{chauffe}}}\cdot {\left(\frac{U_{\left(t\right)}}{U_{\mathit{ref}}}\right)}^2\mathrm{.}\left(\frac{1}{a}-T_{\left(t-1\right)}\right)-\frac{1}{{\tau }_{\mathit{ref}}r}\mathrm{.}\left(1+K\mathrm{.}{T}_{\left(t-1\right)}\right)\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}\right)+k\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{eau}}\right)$$

  

  Avec :
• τ_chauffe , le temps caractéristique de chauffe du crayon de la bougie, exprimé en s ;
• τ_refr, le temps caractéristique de refroidissement du crayon de la bougie, exprimé en s, dépendant du débit d'air aspiré par le moteur, exprimé en kg/s ;
• a, un coefficient d'évolution de la résistance électrique du crayon de la bougie avec sa température ;
• K, un coefficient d'évolution des facteurs thermiques avec la température des gaz ;
• k, un facteur d'échanges conductifs via la culasse égal à λ.s, avec λ, la conductivité thermique exprimée en W/(m².K) et s, la surface d'échange entre la bougie et la culasse, exprimée en m² ;
• U_ref, la tension de référence, exprimée en V ; et
• T_eau, la température de l'eau, exprimée en K.
• Ainsi, en mesurant la pression cylindre P_cyl, pour chaque position vilebrequin, par exemple tous les degrés de vilebrequin 1°crk, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie T(t) au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, c'est-à-dire à la température du liquide de refroidissement, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, il est possible d'estimer une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion T_gaz(cycle). Par pas de calculs itératifs, on peut ensuite estimer la température du crayon de la bougie de préchauffage T_(t), de manière précise, en n'utilisant que les paramètres physiques et géométriques du moteur.
• On s'affranchit ainsi de l'imprécision de la caractérisation de la température des gaz Tgaz par tables ou cartographies dans l'équation Eq.8 qui est dans l'état de la technique simplifiée.
• Grace à l'invention, le calcul de l'estimation de la température du crayon de la bougie de préchauffage est robuste au point de fonctionnement moteur (régime et couple, ou régime et quantité de carburant injecté), à la température ou la pression ambiante, au débit admis par le moteur et aux réglages de combustion.
• L'organigramme représenté sur la figure 2 illustre un exemple de procédé 20 mis en oeuvre par le système représenté sur la figure 1.
• Lors d'une première étape 21, on calcule une valeur de température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées selon l'équation suivante : $$T_{\mathit{cyl}\left(\mathit{angle}\right)}=\frac{T_{\mathit{ivc}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}\mathrm{.}{\mathit{Pcyl}}_{\mathit{ivc}}}\mathrm{.}{\mathit{Vol}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\mathrm{.}{\mathit{Pcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}$$

  

  Avec :
• T_ivc, la température à la fermeture des soupapes d'admission « intake valve closing temperature » en termes anglo-saxons, calculée selon l'équation Eq.2 ci-dessous, exprimée en K ;
• Vol_ivc, le volume de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, exprimé en m³ ;
• Vol_(angle), le volume de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, exprimé en m³ ;
• Pcyl_(ivc), la pression du cylindre à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre, exprimée en bar ; et
• Pcyl_(angle), la pression du cylindre, pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par un capteur cylindre, exprimée en bar.
• Ainsi, la température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur, pour laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont femrées, est calculable d'après l'équation des gaz parfaits (P.V=n.R.T), où $\frac{P\mathrm{.}V}{T}$

  

  est une constante entre un point considéré et le point de fermeture des soupapes d'admission (ivc).
• La température à la fermeture des soupapes d'admission T_ivc est calculée selon l'équation ci-dessous en assimilant cette phase à une polytropique : $$T_{\mathit{ivc}}=T_{\mathit{ivo}}\mathrm{.}{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{ivc}}}$$

  

  Avec : $$T_{\mathit{ivo}}=\frac{T_{\mathit{air}}\mathrm{.}{Q}_{\mathit{air}}+T_{\mathit{EGR}}\mathrm{.}{Q}_{\mathit{EGR}}}{Q_{\mathit{air}}+Q_{\mathit{EGR}}}$$

  

  Avec :
• T_ivo, la température à l'ouverture des soupapes d'admission « intake valve opening temperature » en termes anglo-saxons, calculée selon l'équation Eq.3 ci-dessus en fonction de la température T_air, de la température de recirculation des gaz d'échappement T_EGR, et des débits d'air frais Q_air et de gaz recirculés Q_EGR, mesurés par capteurs ; en variante, la température à l'ouverture des soupapes d'admission T_ivo peut être mesurée par un capteur, exprimée en K ;
• Vol_X, le volume de la chambre de combustion au moment X (ivo (ouverture des soupapes d'admission), ivc (fermeture des soupapes d'admission), evo (ouverture des soupapes d'échappement) et evc (fermeture des soupapes d'échappement), exprimé en m³ ; et
• γ_ivc , un coefficient polytropique de la compression dépendant de la composition des gaz admis (taux de recirculation des gaz d'échappement EGR).
• Lors de l'étape 22, on calcule une estimation de la température moyenne des gaz T_gaz dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur.
• Considérant l'inertie thermique du crayon de bougie, de l'ordre du 1/10è de secondes, nettement supérieur au temps caractéristique d'évolution de la température (ou pression) cylindre, de l'ordre du millième de secondes, la température moyenne des gaz T_gaz(cycle) sur un cycle de combustion est calculée par le module 14 selon l'équation suivante : $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle\_n}\right)}=\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{ivo}}\to {\alpha }_{\mathit{ivo}}}{720°}\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{ivo}}+T_{\mathit{ivc}}}{2}\right]+\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{ivc}\to \mathit{evo}}}{720°}\mathrm{.}\mathit{moy}{\left\{{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\right\}}_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}\to {\alpha }_{\mathit{evo}}}\right]+\left[\frac{{\alpha }_{\mathit{evo}}\to {\alpha }_{\mathit{evc}}}{720°}\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{evo}}+T_{\mathit{evc}}}{2}\right]$$

  

  Avec :
• α_ivo → α_ivo, la durée d'ouverture angulaire des soupapes admission α_admin, exprimée en [°crk] ;
• α_{ivc → evo} , la durée angulaire toutes soupapes fermées, exprimée en [°crk] ;
• α_evo → α_evc , la durée d'ouverture angulaire des soupapes d'échappement α_exh, exprimée en [°crk] ;
• moy{Tcyl _(angle)} _{αivc → αevo}, la température moyenne dans le cylindre pendant les phases d'admission et de détente assimilée à la moyenne des températures respectivement [T_ivo ; T_ivc] et [T_evo ; T_evc], exprimée en K ; et
• T_evc , la température à la fermeture des soupapes d'échappement « exhaust valve closing temperature » en termes anglo-saxons, calculées selon l'équation Eq.5 ci-dessous, exprimée en K.
• La température à la fermeture des soupapes d'échappement T_evc est calculée selon l'équation ci-dessous en assimilant cette phase à une polytropique : $$T_{\mathit{evc}}=T_{\mathit{evo}}\mathrm{.}{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{iec}}}$$

  

  Avec :
• γ_evc , un coefficient polytropique de la détente, dépendant la composition des gaz d'échappement (richesse) ; et
• T_evo, la température à l'ouverture des soupapes d'échappement, exprimée en K, avec T_evo = Tcyl_(angle).
• En incorporant les équations Eq.2 et Eq.3 dans l'équation Eq.4, la température moyenne des gaz Tgaz(cycle) sur un cycle de combustion s'écrit selon les équations suivantes : $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}=\left[{\alpha }_{\mathit{ad}\min }\mathrm{.}\frac{T_{\mathit{ivo}}+T_{\mathit{ivc}}}{2}\right]+\left[\left(720-\left({\alpha }_{\mathit{ad}\min }-{\alpha }_{\mathit{exh}}\right)\right)\mathrm{.}\mathit{moy}{\left\{{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{angle}\right)}\right\}}_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}\to {\alpha }_{\mathit{evo}}}\right]+\left[{\alpha }_{\mathit{exh}}\mathrm{...}\frac{T_{\mathit{evo}}+T_{\mathit{evc}}}{2}\right]$$

  

  $$T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}=\left[{\alpha }_{\mathit{ad\; min}}\mathrm{.}{T}_{\mathit{ivo}}\mathrm{.}\frac{1+{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{ivc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{ivc}}}}{2}\right]+\left[\frac{1}{{\alpha }_{\mathit{ivc}\to \mathit{evo}}}\mathrm{.}{\displaystyle {\int }_{{\alpha }_{\mathit{ivc}}}^{{\alpha }_{\mathit{evo}}}}\mathit{Tcyl}\mathrm{.}\mathit{d\alpha }\right]+\left[{\alpha }_{\mathit{exh}}\mathrm{..}{\mathit{Tcyl}}_{\left(\mathit{evo}\right)}\mathrm{.}\frac{1+{\left(\frac{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evo}}}{{\mathit{Vol}}_{\mathit{evc}}}\right)}^{{\gamma }_{\mathit{evc}}}}{2}\right]$$

  
• Lors de l'étape 23, on calcule une estimation de la température du crayon de la bougie T_(t) en fonction de la température dans le cylindre T_cyl(angle) pour chaque position angulaire du moteur calculée à l'équation Eq.1 et de la température moyenne des gaz T_gaz(cycle) sur un cycle de combustion calculée à l'équation Eq.7.
• L'estimation de la température du crayon de la bougie T_(t) s'écrit selon l'équation suivante : $$T_{\left(t\right)}=T_{\left(t-1\right)}+\frac{1}{{\tau }_{\mathit{chauffe}}}\cdot {\left(\frac{U_{\left(t\right)}}{U_{\mathit{ref}}}\right)}^2\mathrm{.}\left(\frac{1}{a}-T_{\left(t-1\right)}\right)-\frac{1}{{\tau }_{\mathit{ref}}r}\mathrm{.}\left(1+K\mathrm{.}{T}_{\left(t-1\right)}\right)\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{gaz}\left(\mathit{cycle}\right)}\right)+k\mathrm{.}\left(T_{\left(t-1\right)}-T_{\mathit{eau}}\right)$$

  

  Avec :
• τ_chauffe , le temps caractéristique de chauffe du crayon de la bougie, exprimé en s ;
• τ_{refroidissement} , le temps caractéristique de refroidissement du crayon de la bougie, exprimé en s, dépendant du débit d'air aspiré par le moteur, exprimé en kg/s ;
• a, un coefficient d'évolution de la résistance électrique du crayon de la bougie avec sa température ;
• K, un coefficient d'évolution des facteurs thermiques avec la température des gaz ;
• k, un facteur d'échanges conductifs via la culasse égal à λ.s, avec λ, la conductivité thermique exprimée en W/(m².K) et s, la surface d'échange entre la bougie et la culasse, exprimée en m² ;
• U_ref , la tension de référence, exprimée en V ; et
• T_eau, la température de l'eau, exprimée en K.
• Ainsi, en mesurant la pression cylindre P_cyl, pour chaque position vilebrequin, par exemple tous un degré vilebrequin 1°crk, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie T(t) au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, c'est-à-dire à la température du liquide de refroidissement, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, il est possible d'estimer une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion T_gaz(cycle). Par pas de calculs itératifs, on peut ensuite estimer la température du crayon de la bougie de préchauffage T_(t), de manière précise, en n'utilisant que les paramètres physiques et géométriques du moteur.
• On s'affranchit ainsi de l'imprécision de la caractérisation de la température des gaz Tgaz par tables ou cartographies dans l'équation Eq.8 qui est dans l'état de la technique simplifiée.
• Grace à l'invention, le calcul de l'estimation de la température du crayon de la bougie de préchauffage est robuste au point de fonctionnement moteur (régime et couple, ou régime et quantité de carburant injecté), à la température ou la pression ambiante, au débit admis par le moteur et aux réglages de combustion.

Claims (10)

1. Procédé (20) d'estimation de la température (T_(t)) du crayon des bougies de préchauffage implantées dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un capteur de pression de cylindre (P_cyl), dans lequel en mesurant la pression de cylindre (P_cyl), pour chaque position de vilebrequin, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie (T_(t)) au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, on estime une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion (T_gaz(cycle)) et par pas de calculs itératifs, on estime la température (T_(t)) du crayon des bougie.
2. Procédé (20) selon la revendication 1, dans lequel on calcule une valeur de température dans le cylindre (T_cyl(angle)) pour chaque position angulaire du moteur en fonction d'une valeur de la température (T_ivc) à la fermeture des soupapes d'admission, une valeur de volume (Vol_ivc) de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, une valeur de volume (Vol_(angle)) de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, une valeur de pression du cylindre (Pcyl_(ivc)) à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre et une valeur de pression du cylindre (Pcyl_(angle)), pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par le capteur cylindre.
3. Procédé (20) selon la revendication 2, dans lequel la température à la fermeture des soupapes d'admission (T_ivc) est calculée en assimilant cette phase à une polytropique, en fonction d'une valeur de température (T_ivo) à l'ouverture des soupapes d'admission calculée en fonction de la température (T_air), de la température de recirculation des gaz d'échappement (T_EGR) et des débits d'air frais (Q_air) et de gaz recirculés (Q_EGR) mesurés par capteurs, du volume (Vol_X) de la chambre de combustion à un moment donné (X) et d'un coefficient polytropique (γ_ivc) de la compression dépendant de la composition des gaz admis.
4. Procédé (20) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel on calcule une estimation de la température moyenne des gaz (T_gaz) dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur en fonction de la valeur de température dans le cylindre (T_cyl(angle)) pour chaque position angulaire du moteur calculée.
5. Procédé (20) selon la revendication 4, dans lequel l'estimation de la température moyenne des gaz (T_gaz) est calculée en fonction, la durée d'ouverture angulaire des soupapes admission (α_ivo → α_ivo ), la durée angulaire toutes soupapes fermées(α _{ivc → evo} ), la durée d'ouverture angulaire des soupapes d'échappement (α_evo → α_evc ), la température moyenne (moy{Tcyl _(angle)} _{αivc → αevo} ) dans le cylindre pendant les phases d'admission et de détente assimilée à la moyenne des températures ([T_ivo ; T_ivc] ; [T_evo ; T_evc]) et la température (T_evc) à la fermeture des soupapes d'échappement.
6. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel la température à la fermeture des soupapes d'échappement (T_evc) est calculée en assimilant cette phase à une polytropique en fonction d'un coefficient (γ_evc ) polytropique de la détente, dépendant la composition des gaz d'échappement (richesse), et de la température (T_evo) à l'ouverture des soupapes d'échappement.
7. Procédé (20) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel on calcule une estimation de la température du crayon de la bougie (T_(t)) en fonction de la température dans le cylindre (T_cyl(angle)) pour chaque position angulaire du moteur calculée et de la température moyenne des gaz (T_gaz(cycle)) sur un cycle de combustion calculée.
8. Système (10) d'estimation de la température (T_(t)) du crayon des bougies de préchauffage implantées dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un capteur de pression de cylindre (P_cyl), dans lequel en fonction de la pression de cylindre (P_cyl) mesurée par le capteur, pour chaque position de vilebrequin, en connaissant la tension de pilotage de la bougie, en initialisant la température de la bougie (T_(t)) au premier pas de calcul moteur froid, à la température de la culasse, ou à la température précédente en cas de démarrage à chaud, le système comprend un module (14) d'estimation d'une valeur de température moyenne dans le cylindre sur un cycle de combustion (T_gaz(cycle)) et par pas de calculs itératifs, et un module (16) d'estimation de la température (T_(t)) du crayon des bougie.
9. Système (10) selon la revendication 8, comprenant un module (12) de calcul d'une valeur de température dans le cylindre (T_cyl(angle)) pour chaque position angulaire du moteur en fonction d'une valeur de la température (T_ivc) à la fermeture des soupapes d'admission, une valeur de volume (Vol_ivc) de la chambre de combustion à la fermeture des soupapes d'admission, calculé en fonction de l'angle vilebrequin, la course, l'alésage et le volume mort du cylindre, une valeur de volume (Vol_(angle)) de la chambre de combustion, pour chaque position angulaire du cylindre, une valeur de pression du cylindre (Pcyl_(ivc)) à la fermeture des soupapes d'admission, mesurée par un capteur cylindre et une valeur de pression du cylindre (Pcyl_(angle)), pour chaque position angulaire du cylindre, mesurée par le capteur cylindre.
10. Système (10) selon la revendication 9, dans lequel le module 14 de calcul d'une estimation de la température moyenne des gaz (T_gaz) dans le cylindre à laquelle est soumis le crayon de la bougie au cours d'un cycle moteur est configuré pour calculer ladite estimation en fonction de la valeur de température dans le cylindre (T_cyl(angle)) pour chaque position angulaire du moteur calculée.

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