FR2731050A1

FR2731050A1 - Procede d'estimation du remplissage en air d'un cylindre d'un moteur a combustion interne

Info

Publication number: FR2731050A1
Application number: FR9502460A
Authority: FR
Inventors: Mariano Sans; Francis Tarroux
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1996-08-30
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: FR2731050B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé d'estimation du remplissage en air d'un cylindre d'un moteur à combustion interne. Ce procédé consiste à: a) - mesurer la pression d'air (P0 ) régnant dans le collecteur d'admission à un premier point mort haut du moteur, b) - calculer la dérivée P'n de cette pression et prédire quelle sera la valeur (P|^n + 1 ) de la pression d'admission au point mort haut suivant, c) - répéter l'étape b, jusqu'au dernier point mort haut (i) du cycle moteur et, d) - utiliser au moins l'une des pressions prédites (P0 , P|^1 ,..., P|^i ) pour déterminer une quantité de carburant à injecter dans un cylindre.

Description

La présente invention conceme un procédé d'estimation du remplissage en air d'un cylindre d'un moteur à combustion interne. Plus particulièrement ce procédé réalise une prédiction de la pression d'air régnant dans le collecteur d'admission d'un moteur à combustion inteme. Cette pression d'admission prédite permet de déterminer le remplissage en air d'un cylindre associé à ce collecteur d'admission.

II est important de connaître avec précision le remplissage en air d'un cylindre, afin de lui apporter une quantité appropriée de carburant pour provoquer une combustion optimale. Habituellement le calcul de la quantité d'air pénétrant dans un cylindre s'effectue, soit par une mesure de la pression dans le collecteur d'admission, soit par une mesure directe du débit d'air entrant au niveau du papillon d'admission des gaz.

Or, dans les moteurs comportant un papillon manuel (directement couplé à la pédale d'accélération), on observe un retard lors de variations transitoires de ce papillon entre le débit d'air aspiré et le débit de carburant injecté. Ces variations transitoires apparaissent à chaque changement de régime moteur et de position papillon. Pour suivre au plus près ces variations transitoires, il convient de manière générale d'enrichir en carburant lors des phases d'accélérations et d'appauvrir en carburant lors des décélérations. II est donc primordial, de détecter puis, de tenir compte des variations transitoires au cours d'un cycle moteur. Or la pression d'admission est représentative (avec un retard) de ces variations transitoires.

Les procédés de détermination du remplissage en air, connus à ce jour, consistent à introduire des corrections additives ou multiplicatives, sur la mesure de la pression effectuée à chaque point mort haut (PMH), ou sur la quantité d'essence à injecter, préalablement déterminée. Ces corrections sont déterminées en fonction du point de fonctionnement moteur et /ou en fonction des variations détectées sur le papillon, pour anticiper les variations prévisibles du remplissage en air réel.

Ces éléments de correction sur la pression collecteur n'apportent cependant pas une réelle estimation de la future pression, mais introduisent uniquement des termes correctifs équivalents, sans réelle signification physique avec l'évolution future de la pression. Notamment les procédés connus à ce jour n'utilisent pas de modèle physique suffisamment représentatif de l'état futur du système d'admission, ce qui rend empirique la mise au point des stratégies de calcul de la quantité de carburant à injecter à chaque cycle moteur.

Le but de la présente invention est d'estimer le remplissage en air de chaque cylindre et de prédire quelle sera la valeur de la pression dans le collecteur d'admission au moment de l'ouverture des soupapes d'admission du cycle moteur en cours. En outre on cherche à créer un modèle physique représentatif de l'évolution future de la pression. II s'agit de s'affranchir de tout procédé empirique.

A cet effet la présente invention concerne un procédé d'estimation du remplissage en air d'un cylindre d'un moteur à combustion inteme, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
a) - mesurer la pression d'air régnant dans le collecteur d'admission
à un premier point mort haut d'un cycle moteur,
b) - calculer la dérivée de cette pression et prédire quelle sera la
valeur de la pression d'admission au point mort haut suivant,
c) - répéter l'étape b, jusqu'au demier point mort haut d'un horizon
de prédiction choisi, et
d) - utiliser au moins l'une des pressions prédites pour déterminer
une quantité de carburant à injecter dans un cylindre.

Ainsi la présente invention calcule, à chaque point mort haut, une dérivée de la pression de manière à déterminer la pression prédite au point mort haut suivant. L'horizon de prédiction correspond à un cycle moteur ou est inférieur à ce cycle moteur. Cet horizon de prédiction peut donc varier de 1 à N
PMH (N est égal au nombre de cylindres du moteur) et peut être déterminé en fonction de divers paramètres et / ou mesures caractérisant le point de fonctionnement du moteur tels que: la pression, le régime, etc.

Comme indiqué à l'étape c), I'étape b) est répétée jusqu'au demier point mort haut de l'horizon de prédiction choisi. De ce fait, sur la durée d'un cycle moteur on effectue plusieurs itérations successives en recalculant à chaque fois la dérivée de la pression précédente. Ceci permet de tenir compte des variations du gradient à chaque point mort haut et de ne pas considérer que ce gradient est constant sur l'horizon d'itération. En conséquence les variations transitoires pendant un cycle moteur sont suivies au plus près.

Selon une première forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, une seule valeur de pression prédite dans un cycle moteur, est utilisée pour le calcul du remplissage en air du cylindre en question. Cette valeur peut, par exemple, être la dernière ou l'avant dernière pression prédite du cycle moteur.

Ces dernières valeurs de pression prédites, sont en effet représentatives de la pression qui régnera dans le collecteur d'admission, au moment de l'ouverture et de la fermeture des soupapes d'admission.

Selon une seconde forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est tenu compte de toutes les valeurs de pression prédites ou mesurées pendant un cycle moteur, pour déterminer quel est le remplissage en air d'un cylindre. A cet effet un calcul de convolution est réalisé sur tout le cycle moteur. Un peigne de convolution est déterminé pour affecter à chaque pression prédite, un coefficient représentatif de l'importance de cette pression prédite dans révaluation du remplissage en air global effectif, après la fermeture de la soupape d'admission de ce cylindre.

Bien évidemment, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre pour chacun des cylindres du moteur, quelle que soit la forme de mise en oeuvre choisie. Le procédé selon l'invention est donc mis en oeuvre plusieurs fois au cours d'un même cycle moteur, mais à chaque fois pour un cylindre différent.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 est une vue schématique illustrant le fonctionnement d'un
moteur classique à quatre temps,
La figure 2: est une vue schématique illustrant une première forme
de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et
La figure 3: est une vue schématique représentant une seconde
forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Pour bien comprendre le procédé selon l'invention, on rappelle tout d'abord le fonctionnement classique d'un moteur à combustion interne.

On a choisi d'illustrer à la figure 1 I'application du procédé selon l'invention, à un moteur à combustion interne, à quatre temps. Bien entendu l'homme du métier pourra extrapoler cet exemple à des moteurs à combustion inteme présentant un cycle de tout type (deux temps ou plus), et avec un nombre de cylindres différent de quatre.

Un tel moteur 10, comporte quatre cylindres 11 (un seul est représenté à la figure 1) qui, au cours d'un cycle moteur, se remplissent d'un mélange air / carburant. Chaque cylindre 11 est alimenté en mélange lorsqu'une soupape d'admission 12 ménagée dans ce cylindre s'ouvre. En amont de cette soupape d'admission 12 on trouve un collecteur 13, éventuellement muni d'un filtre à air 14. Le collecteur 13 est muni d'un papillon des gaz 15, dont le rôle est de laisser plus ou moins pénétrer d'air à l'intérieur du collecteur. Ce papillon des gaz 15 est couplé à une pédale d'accélération (non représentée à la figure 1) manoeuvrée par un conducteur.

En appuyant plus ou moins sur sa pédale d'accélération, le conducteur fait varier l'angle d'ouverture a du papillon ce qui a pour conséquence de faire varier la quantité d'air admise dans le cylindre.

Un injecteur de carburant 16, envoie dans le collecteur, une quantité de carburant prédéterminée par un calculateur 18.

Lorsque la soupape d'admission 12 du cylindre 11 s'ouvre, le mélange air / carburant accumulé dans le collecteur 13, pénètre dans le cylindre en question.

A la figure 1 on a également représenté un système de régulation de ralenti r, un dispositif d'allumage All du mélange air / carburant comprime dans le cylindre et un pot catalytique 17 recyclant les gaz d'échappement refoulés par le cylindre 11. Ces dispositifs de type connus, ne sont pas détaillés.

Le calculateur électronique 18, associé au moteur 10 reçoit la valeur de la pression P régnant dans le collecteur d'admission 13. Cette pression est mesurée par un capteur approprié 19, connu en soi. Le calculateur 18 est également tenu informé par des capteurs adéquats de la vitesse de rotation du moteur N (régime moteur), de la température d'eau 0, etc.

L'une des fonctions du calculateur électronique est de calculer la quantité de carburant à injecter dans un cylindre, pour réaliser un mélange air / carburant en proportions déterminées. A cet effet le calculateur a besoin de connaître la pression régnant dans le collecteur d'admission lorsque la soupape d'admission se fermera. On sait en effet que la pression régnant dans le collecteur d'admission au moment où une soupape se ferme est reliée, par une loi connue, à la pression régnant dans le cylindre en question. Connaissant le volume du cylindre et la température des gaz, on en déduit la quantité d'air présente à l'intérieur du cylindre.La quantité d'essence qu'il fallait injecter pour avoir un mélange air / carburant dans des proportions données est donc facile à déduire. II est donc important de pouvoir prédire la pression qui régnera dans le collecteur d'un cylindre lorsque la soupape d'admission de ce cylindre se referme.

Le graphe représenté à la figure 2 illustre les variations de la valeur de la pression régnant dans le collecteur d'admission, d'un moteur à quatre temps.

En abscisse on trouve les points morts hauts (PMH) du moteur. En ordonnées on trouve la valeur de la pression d'air, dans le collecteur d'admission. Dans le cas d'un moteur à quatre temps, on a quatre PMH par cycle moteur. Ces PMH sont respectivement numérotés 0, 1, 2 et 3.

Le procédé d'estimation du remplissage en air selon l'invention, consiste à effectuer les étapes ci après décrites en continu (prédiction permanente), que l'on soit en régime stabilisé ou en régime dynamique.

Au PMH 0 on effectue une mesure de la pression régnant dans le collecteur d'admission. Soit P0 cette valeur mesurée. A partir de cette mesure et de la dérivée instantanée par rapport au temps de cette mesure Po, on détermine la valeur prédite Pi de la pression au point mort haut suivant, à savoir le PMH 1.

La valeur P1 de cette pression prédite est donnée par la relation suivante: P1 = Po + Po x avec
Po = C x [Q(Po, Pal Pao, a, r, e) - Q(Po,N, e)]
Dans ces relations, P. est la pression atmosphérique au démarrage du moteur, Pa0 était la pression atmosphérique au moment du réglage du moteur type correspondant, a est la position du papillon des gaz, r est un paramètre représentatif de la régulation de ralenti, e est la température du moteur (air et eau), N est la vitesse de rotation du moteur, et At est le temps séparant deux
PMH successifs pendant le cycle moteur en question.

La relation donnant la dérivée de la pression en fonction de la pression
Pn précédente, peut se généraliser sous la forme suivante:
Pn = 1 x [Q(Pn, Papas, a, r, e) - Q(Pn, N' o)]
c dans laquelle 1/ C est représentatif de l'effet capacitif du collecteur et est connu,
Pa est la pression atmosphérique, le premier terme Q(Pns Pas P, , a, r, 0) est représentatif du débit d'air entrant dans le collecteur d'admission, et le second terme Q(Pns N, (3) est représentatif du remplissage du cylindre.

Les premier et second termes de la dérivée de la pression sont déterminés par cartographie pour chaque type de moteur. Ces deux termes sont en fait des fonctions de la température d'air et d'eau. Pour réaliser les cartographies on mesure donc la pression P, I'angle d'ouverture du papillon a, le régime moteur, les températures de l'air et de l'eau et la pression atmosphérique au moment où l'on réalise les cartographies et l'on tient compte de l'ensemble de ces paramètres pour définir les premier et second termes.

Par itérations successives on détermine l'ensemble des valeurs de pression prédites sur le cycle moteur en question (soient P2 et P3 ces valeurs prédites pour les points morts hauts 2 et 3). La relation générale permettant de calculer les pressions prédites pour n'importe quel point mort haut suivant est donnée par la formule suivante: Pt+#t=Pt+Ptx#t dans laquelle Pt + #t est la pression prédite à l'un des PMH du cycle et Pt est la dérivée instantanée de la pression prédite au point mort haut précédent.

II est à noter que dans cette relation la dérivée P est fonction d'un certain nombre de paramètres, dont certains (an, Nn, r) peuvent également être prédits. C'est le cas par exemple pour la position du papillon oh.

Ainsi on a: ân+1=an+ånXt.

La position du papillon pouvant évoluer très rapidement on préfère fixer ân + 2 = an +1. Cependant il est également possible de considérer que:
an+2=an+i+aAt et
an + 3 = an + 2 (par exemple).

De même N peut être une valeur supposée constante ou être une valeur susceptible d'évoluer dans le temps selon la relation suivante:
Nn + 1 = Nn + Nn avec
Nn= Nn-Nn-1
#t
Par contre, les valeurs des températures O de l'air et de l'eau peuvent être considérées comme constantes pendant la durée d'un cycle moteur.

Ainsi à partir de la mesure P0 effectuée, on prédit les valeurs successives de la pression d'admission aux points morts 1, 2, 3. Ce calcul est effectué immédiatement après la mesure de la pression P0. De ce fait les valeurs des pressions prédites Pi, P2 et P3 sont connues bien avant les PMH 1, 2 et 3.

La pression prédite au point mort 3 est alors utilisée pour calculer le remplissage en air du cylindre, et la quantité appropriée de carburant à fournir à ce cylindre pour obtenir une combustion complète. On notera en effet que la soupape d'admission d'un cylindre d'un moteur à quatre temps, se referme sensiblement au point mort haut 3. C'est donc la valeur de la pression prédite au point mort 3 qui permet de déterminer la quantité de carburant à injecter dans le cylindre.

Comme représenté à la figure 2 par la courbe en pointillée, la pression régnant dans le collecteur d'admission a tendance à varier tout au long d'un cycle moteur. Cependant on sait que cette pression présente une période naturelle phasée à chaque PMH. C'est pourquoi il est préférable si l'on veut utiliser une pression qui est représentative de la charge du moteur, d'effectuer une prédiction à chaque PMH. On notera également que la pression dans le collecteur d'admission est également représentative de la charge du moteur lorsque l'on se trouve à demi-PMH. II est donc également possible d'effectuer une prédiction de la pression d'admission à chaque demi-PMH.

En se plaçant à chaque PMH ou chaque demi-PMH on augmente la précision de la prédiction effectuée. En effet jusqu'à ce jour les procédés de prédiction connus ne réalisent qu'une seule prédiction de pression (celle du point mort haut 3) en considérant qu'il n'existe pas de variations de la dérivée de la pression pendant toute la durée du cycle moteur. De ce fait les prédictions réalisées jusqu'à ce jour sont entachées d'erreurs d'imprécision.

On se réfère maintenant à la figure 3, illustrant une seconde forme de mise en oeuvre du procédé précédemment décrit. Tout d'abord comme dans le cas précédemment indiqué on mesure P0 et l'on prédit Pi, P2, P3 (dans le cas d'un moteur à quatre temps). Dans le cadre de cette variante, au lieu de ne prendre en compte que la valeur de la prédiction au demier point mort haut, on utilise l'ensemble des valeurs prédites pendant un cycle moteur, pour calculer la valeur finale de la pression au moment de la fermeture de la soupape d'admission. Ainsi on tient compte de l'évolution dynamique des valeurs de pression prédites pendant l'ensemble d'un cycle moteur.

A cet effet on mémorise les valeurs de pression prédites à chaque
PMH d'un cycle moteur et on utilise ces valeurs pour effectuer un calcul global du remplissage en air effectif.

On effectue alors un calcul de convolution de la pression prédite avec un peigne de convolution défini sur la fenêtre d'un cycle moteur, entre deux ouvertures de la soupape d'admission pour un cylindre donné. II s'agit en fait d'une moyenne entre toutes ces valeurs de pression prédites au cours des PMH de prédiction, pondérée par des coefficients de confiance dont la somme reste unitaire pour assurer la convergence.

On trouve ainsi:

dans laquelle P est la pression prédite globale à prendre en considération pour le calcul du remplissage en air du cylindre en question.

II résulte de ce calcul que la pression globale P à utiliser pour le calcul du remplissage en air (dans un moteur à quatre temps) est donnée par une formule du type:
P = a0 x mesure + a1 x prédiction1 + a2 x prédiction2 +a3 x prédiction3.

On notera que la somme des coefficients a. est égale à

Comme le montre la figure 3 les coefficients de confiance a. sont plus importants en rapport avec les prédictions qui sont les plus proches de l'ouverture et de la fermeture de la soupape d'admission. Ce temps d'ouverture des soupapes est matérialisé par le trait épais s'étendant entre les coefficients a2 et a3 sur la figure 3. Les flèches représentant chacun des coefficients aj (figure 3) ont une longueur proportionnelle à la valeur de ces coefficients.

Ces coefficients, sont d'ailleurs déterminés sur banc d'essai, en fonction d'un moteur type ou directement sur un véhicule type.

On notera que dans le cadre de cette mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le procédé utilisé est le meme que celui indiqué précédemment, mais le calcul de la pression globale destinée à permettre le calcul de la quantité de carburant à injecter, est différent.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre ci dessus décrits et englobe toutes variantes à la portée de l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS 11 Procédé d'estimation du remplissage en air d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à: a) - mesurer la pression d'air (P0) régnant dans le collecteur d'admission à un premier point mort haut du moteur, b) - calculer la dérivée (P n )de cette pression et prédire quelle sera la valeur (Pn + i) de la pression d'admission au point mort haut suivant,

c) - répéter l'étape b, jusqu'au demier point mort haut (i) d'un horizon

de prédiction choisi et,

d) - utiliser au moins l'une des pressions prédites ( Po, P1,---,Pi) pour

déterminer une quantité de carburant à injecter dans un cylindre.

21 Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'horizon de prédiction choisi est inférieur ou égal à un cycle moteur.

31 Procédé d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les étapes a) à d) sont répétées à chaque cycle moteur et pour chaque cylindre.

4] Procédé d'estimation selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la valeur de la pression d'air prédite est déterminée selon la relation suivante:

Pn +1 = Pn + Pn x bt, avec Pn = c x [Q(Pn, Pa,Pao a, r, e) - Q(Pn, N' o)] dans laquelle Pn +1 est la valeur prédite de la pression au point mort n+1, Pn est la valeur de la pression au point mort n, Pnest la dérivée par rapport au temps de la valeur de la pression au point mort n, dt est la période du point mort haut, 1/C est un coefficient représentatif de l'effet capacitif du collecteur, P a est la pression atmosphérique au moment du démarrage du moteur, P, était la pression atmosphérique au moment du réglage du moteur type correspondant, a est la position du papillon des gaz, o est la température du moteur (air et eau), r est un paramètre représentatif de la régulation de ralenti, N est la vitesse de rotation du moteur: le premier terme Q(Pnw P,, Pua0 a, r, 0) est représentatif du débit d'air entrant dans le collecteur d'admission, et le second terme Q(Pnl N, 0) est représentatif du remplissage en air du cylindre.

51 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un au moins des paramètres (N,, an, r) utilisés dans le calcul de Pn est un paramètre prédit.

6] Procédé d'estimation selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les premier et second termes de la dérivée de la pression sont déterminés par cartographie pour chaque type de moteur.

71 Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à chaque point mort haut ou demi point mort haut pour la détermination de la quantité de carburant à injecter dans chacun des cylindres.

8) Procédé d'estimation selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, seule, la dernière pression prédite dans chaque cycle moteur est utilisée pour le calcul de la quantité de carburant à injecter dans le cylindre.

9] Procédé d'estimation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble des valeurs de pression prédites au cours d'un cycle moteur est pris en compte pour la détermination de la quantité de carburant à injecter.

101 Procédé d'estimation selon la revendication 9, caractérisé en ce que la détermination de la quantité de carburant injecté utilise comme valeur de pression prédite, une valeur déterminée par un calcul de convolution sur l'ensemble des pressions prédites, avec un peigne de convolution défini sur toute la fenetre d'un cycle moteur.

11l Procédé d'estimation selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la valeur de la pression prédite utilisée dans le calcul de la quantité de carburant à injecter est déterminée par la relation suivante:

où n est le nombre de point mort haut du cycle de combustion,

et les aj sont des coefficients de confiance.

121 Procédé d'estimation selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les coefficients aj sont plus importants lorsqu'ils affectent les pressions prédites correspondant à l'ouverture et / ou la fermeture des soupapes d'admission.