FR2776066A1 - Procede de calcul de la pression moyenne indiquee d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de calcul de la pression moyenne indiquee d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

Procédé d'estimation du couple de la boucle positive d'un moteur à allumage commandé par calcul de la pression moyenne indiquée par la boucle positive du cycle de pression dans le cylindre en fonction du volume du dit cylindre, la boucle positive étant la partie de la courbe représentative du fonctionnement du moteur lorsque les soupapes sont fermées, en fonction du débit d'air entrant dans le moteur, de la pression dans le collecteur du moteur, du régime de fonctionnement N, de l'avance à l'allumage, et de la richesse de fonctionnement. La pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ est égale au produit de la pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et à l'avance optimale PMI+opt,Ri=1 , par le coefficient de richesse piRi et par le rendement d'avance piav . La pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et à l'avance optimale est égale au produit de la quantité d'air entrant dans le moteur par un coefficient K dépendant de la pression collecteur et du régime de fonctionnement N.

Description

Procédé de calcul de la pression moyenne indiquée d'un moteur à
combustion interne
La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne dans lesquels l'augmentation des exigences de qualité de fonctionnement associé au développement des moyens de commande et de régulation nécessite un contrôle de plus en plus précis du fonctionnement global de ces moteurs.
Les moyens de commande et de régulation du moteur peuvent comprendre des sondes de richesse, un papillon d'admission motorisé, un allumage électronique intégral, etc. En particulier, la connaissance du couple moteur brut en fonction des paramètres de fonctionnement appliqués tels que la richesse, le régime, la charge d'air et l'avance à l'allumage, peut permettre d'anticiper la ou les commandes à utiliser afin de réguler correctement le fonctionnement du moteur compte tenu des accessoires dont le véhicule est équipé et qui doivent être alimentés en énergie, directement ou indirectement, par le moteur tels que l'air conditionné, la direction assistée, une boîte de vitesses automatique, un système anti-patinage et de contrôle de trajectoire, etc.
On a proposé d'effectuer une mesure directe du couple par un capteur spécifique lorsque le moteur est en fonctionnement. Par exemple on peut mesurer la variation de période de défilement des dents d'unc couronne de mesure solidaire du volant d'inertie du moteur au moyen d'un capteur fixe.
On a également proposé de calculer le couple moteur en utilisant les divers capteurs existant sur le moteur tels que le débitmètre d'air, des sondes de richesse, le capteur d'allumage et de régime, le capteur de pression et de température du collecteur, etc. D'après le document français n"91 11 919, le couple moteur efficace à l'avance optimale est défini comme une cartographie fonction du régime et de la pression du collecteur. Ce couple est ensuite augmenté du couple des frottements grâce à une table en fonction du régime pour obtenir le couple gaz indiqué et qui sera ensuite corrigé par un rendement d'avance unique. Ce couple gaz est à nouveau diminué des pertes par frottement pour finalement obtenir le couple effectif correspondant au réglage d'avance adopté.
On connaît également le document WO-96 35 874 dans lequel le couple moteur est défini comme une cartographie du couple à richesse unitaire et à l'avance optimale, corrigé par un rendement d'avance selon une loi unique de dégradation du couple en fonction de la dégradation de l'avance par rapport à l'avance optimale.
Toutefois, ces documents ne permettent pas une estimation suffisamment fine de la valeur du couple et, de ce fait, ne permettent pas une régulation optimale du moteur permettant un rendement maximal soit pour une réduction de la consommation de carburant, soit pour une réduction des émissions d'effluents de combustion.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des procédés proposés ci-dessus en utilisant une rendement d'avance défini de façon particulièrement précise.
Le procédé d'estimation du couple d'un moteur à allumage commandé selon l'invention, s'effectue par calcul de la pression moyenne indiquée par la boucle positive du cycle de pression dans le cylindre en fonction du volume dudit cylindre, la boucle positive étant la partie de la courbe représentative du fonctionnement du moteur lorsque les soupapes dudit moteur sont fermées. Cette estimation est effectuée en fonction du débit d'air entrant dans le moteur, de la pression dans le collecteur du moteur, du régime de fonctionnement N, de l'avance à l'allumage AV, et de la richesse apparente de combustion Ri. La pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ est égale au produit de la pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et à l'avance optimale PMI+opt, Ri = 1, par le coefficient de richesse 7tRi et par le rendement d'avance gIAV, la pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et l'avance optimale étant égale au produit de la quantité d'air entrant dans le moteur par coup (1/2 tour de vilebrequin pour un 4 cylindres) par un coefficient K dépendant de la pression dans le collecteur et du régime de fonctionnement N. On utilise ainsi une formulation suffisamment simple pour en permettre l'utilisation cn temps réel par le calculateur de contrôle du moteur.
Dans un mode de réalisation, le coefficient de richesse 7tRi est égal à 1 si la richesse Ri est égale à 1, le coefficient de richesse TtRi étant une variable dépendant de la richesse Ri.
Avantageusement, le rendement d'avance aIAV dépend d'une variable P qui obéit à une régression polynomiale du second degré fonction de l'écart entre l'avance optimale du point de fonctionnement et l'avance appliquée et dont la courbure est fonction de la valeur de l'avance optimale AV et de la richesse Ri, avec JCAV égal = l-P x (AV-AVopt)2
L'évolution de PMI+ en fonction de l'avance est modélisée par une courbe du second degré approchant les points réellement mesurés.
De préférence, on effectue une pondération des points réellement mesurés, un poids A plus important étant accordé aux points de mesure les plus proches de la valeur de l'avance optimale, selon l'équation suivante : A(i) = Amin + (PMI+(i) - PMI+min) x (Amax - Amin) I (PMI+max -
PMI+min), A min étant le poids minimum associé à la valeur minimum mesurée de la pression moyenne indiquée PMI+, AmaX étant le poids maximum associé à la valeur maximum mesurée de la pression moyenne indiquée PMI+, en utilisant un critère de minimisation: Min [j A(i)2 x (PMI+(i)mes - PMI+(i)calc)21 i étant le nombre de mesure pour une courbe, PMI+ (i)mes étant la pression moyenne indiquée PMI+ mesurée au point i, et PMI+(i)calc étant la pression moyenne indiquée PMI+ calculée au point i selon la courbe de modélisation.
En effet, pour caractériser le niveau de performance d'un moteur à allumage commandé, on utilise l'estimation de la pression moyenne indiquée par la boucle positive du cycle de pression en fonction du volume de cylindre. Cette estimation permet de ne considérer que le travail potentiellement récupérable lors de la combustion dans le cylindre et de se dégager de certaines contraintes propres à chaque moteur tels que les frottements de l'équipage mobile et de la distribution caractérisés par la pression moyenne des frottements PMF, ainsi que de la boucle négative du cycle pression = f(volume) correspondant au fonctionnement du moteur lorsque les soupapes d'admission ou d'échappement sont ouvertes.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels
la figure 1 montre la courbe de pression en fonction du volume de cylindre
la figure 2 est une courbe montrant l'évolution de la pression moyenne indiquée de la boucle positive en fonction de l'avance
la figure 3 est une courbe similaire montrant la courbe obtenue sans pondération et la courbe obtenue avec pondération
la figure 4 est un schéma montrant l'élaboration de la valeur de couple en fonction du régime du moteur, du débit d'air, de la pression du collecteur, et de l'avance à l'allumage;
la figure 5 est un schéma de fonctionnement de la boîte couple illustrée sur la figure 4 ; et
la figure 6 est un schéma illustrant l'élaboration du rendement d'avance.
Comme on peut le voir sur la figure 1, l'évolution de la pression régnant dans un cylindre d'un moteur à combustion interne à allumage commandé en fonction du volume s'établit selon deux boucles principales, une boucle dite positive correspondant au fonctionnement du moteur lorsque les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, et une boucle négative correspondant au fonctionnement du moteur pendant la phase d'échappement suivie de la phase d'admission, les soupapes d'admission ou d'échappement étant ouvertes.
Le travail que l'on peut récupérer sous forme d'énergie mécanique est donc égal à la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ de laquelle on retranche la pression moyenne indiquée de la boucle négative PMI- et la pression moyenne des frottements PMF.
La pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ est estimée en fonction du produit de la pression moyenne indiquée de la boucle positive à avance optimale et coefficient de richesse unitaire par le coefficient de richesse et par le rendement d'avance : PMI+ = PMI+opt, Ri = 1 x ZRi 7tRi x TtAV. Le coefficient de richesse 7tRi = 1 lorsque la richesse Ri est égale à 1. La pression moyenne indiquée de la boucle positive du moteur considérée à richesse unitaire et à l'avance optimale est égale au produit du débit d'air Qr entrant dans le moteur par coup (1/2 tour vilebrequin pour un 4 cylindres) par un coefficient K dépendant à la fois de la pression dans le collecteur Pcol et du regime de fonctionnement N: PMI+opt,Ri = i = K(Pc0i,
N) x Qr
Le coefficient K est une cartographie représentative du rendement de combustion du moteur à la richesse unitaire. Le rendement d'avance 7rAV caractérise l'évolution de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ en fonction de l'avance à l'allumage. Cette évolution obéit à une régression polynomiale du second degré fonction de l'écart entre l'avance optimale du point de fonctionnement et l'avance appliquée et dont la courbure est fonction de la valeur de l'avance optimale et de la richesse de fonctionnement 7tAV = 1 - f (AVopt) x h (Ri) x (AV
AVopt)2.
Le terme AV est un coefficient établi selon une cartographie des avances optimales fonction de la pression du collecteur et du régime de fonctionnement. Cette cartographie résulte de l'inteirolation non linéaire, fonction de la richesse de fonctionnement, entre deux cartographies de référence des avances optimales en fonction de la pression du collecteur et du régime de fonctionnement, l'une étant établie à richesse Ri égale 1 et l'autre à une richesse Ri inférieure à 1, avec AVopt (Pcols N, Ri) = int erp (AVopt (Ri = 1), AVopt (Ri < 1), Ri).
Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, la formulation utilisée pour l'estimation de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ fait intervenir les avances optimales AVopt des divers points de fonctionnement du moteur. I1 convient de pouvoir caractériser de façon précise toutes ces avances optimales. Leur détermination s effectue principalement dans la zone la plus plate de la courbe appelée chapeau d'avance en raison de sa forme. On utilise une courbe du second degré pour modéliser l'évolution de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ en fonction de l'avance, son équation étant obtenue par minimisation de l'écart entre les points mesurés et la courbe mathématique. Ce type de minimisation engendre une imprécision de l'estimation du point d'avance optimal alors que la valeur de la PMI+ optimale calculée gardera une valeur proche de la mesure.
Sur l'exemple de la figure 2, la différence entre les points de mesure et la courbe est flagrante et on ne peut utilise la valeur de l'avance optimale trouvée d'après la courbe. La précision requise sur la mesure de l'avance optimale AVopt nécessite d'effectuer une pondération accordant plus d'importance aux points de fonctionnement qui se rapprochent de l'avance optimale expérimentale plutôt qu'à ceux qui en sont éloignés.
On effectue donc une approximation sur les mesures avec une pondération variable suivant l'éloignement du point d'avance par rapport au point le plus proche de l'avance optimale. La courbe ainsi trouvée (figure 3) est celle qui passe au plus près de l'ensemble des points de mesure d'un chapeau d'avance en obéissant à un critère de minimisation pondéré. Le critère de pondération retenu est présenté ci-dessous : on définit Amin comme étant le poids minimum associé à la valeur minimum mesurée de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ min et Amax comme étant le poids maximum associé à la valeur maximum mesurée de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ max.
Entre ces deux extremums, le poids évoluera linéairement en fonction des valeurs de la PMI+ mesurée, soit: A(i) = Amin + (PMI+ (i) - PMI+ min ) x (Amax - Amin) / (PMI + max - PMI + min).
On cherchera à minimiser l'écart pondéré des mesures par rapport à l'approximation mathématique de type: PMI+ = PMI+opt x [î - C x (AV- AVopt)2], C étant la courbure de la courbe du second degré.
Le critère de minimisation associé s'écrira ainsi : min [A(i)2 x (PMI+(i)mes - PMI+(i)calc)2]. Avec i étant le nombre de mesure pour un chapeau d'avance, PMI+(i) mes étant la PMI+ mesurée au point i et
PMI+(i)calc étant la PMI+ calculée par l'approximation mathématique au point i.
Pour chaque chapeau d'avance ainsi calculé, on peut ainsi faire passer une courbe unique répondant au critère de minimisation. Cette courbe est mise pour chaque point de fonctionnement (richesse, régime, pression du collecteur) sous la forme PMI+ = K x Qr x [1 - C x (AV
AVopt)2]; avec PMI+opt = K x Qr
Comme on peut le voir sur la figure 3, l'utilisation de la méthode avec pondération permet une meilleure approximation des points de mesure.
La calibration des paramètres globaux du modèle sur les résultats d'essais sur banc du moteur est effectuée par minimisation de l'écart entre le modèle ct les mesures. Les calibrations à optimiser sont les suivantes
- g (Ri) : table des rendemcnts de richesse
- f (AVopt) : table des courbures des chapeaux modélisés et fonction de l'avance optimale
- h (Ri) : influence de la richesse sur les courbures des chapeaux modélisés.
Lc critère global de minimisation retenu fait intervenir des souscritères s'appliquant à la fois aux écarts de courbure, d'avance optimale et de valeur de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+.
Pour chaque sous-critère de minimisation, on se fixe un poids et un objectif de précision entrant dans la détermination globale de l'écart du modèle par rapport aux mesures. Le critère de minimisation des valeurs absolues du modèle par rapport aux mesures s'écrit: CRIT(PMI+) = min [a x L abs (PMI+(i)mes - PMI+(i)calc) i.
On peut par exemple prendre un objectif de précision 0,3 bars.
Le critère de minirnisation des courbures du modèle par rapport aux mesures s'écrit: CRIT (courbe) = min [b x E abs (1 - courbure (k) calc / courbure (k) mes)] ; k étant le nombre de chapeaux de courbure. On peut par exemple prendre un objectif de précision de 20% d'erreur sur les courbures.
Le critère de minirnisation des avances optimales du modèle par rapport aux mesures s'écrit : CRIT(AVopt) = min [c x E abs (AVopt(k) mes - AVopt(k)calc)]. On peut par exemple prendre un objectif de précision de 1" d'erreur sur l'estimation des avances optimales. Le critère global des minimisation résultant est la somme algébrique des souscritères définis ci-dessus. Pour chaque critère, on affecte un poids multiplicatif d'objectif de précision que l'on désire (les coefficients a, b et c). En considérant les objectifs de précision donnés dans les exemples, la proportionnalité des critères de convergence impose: a x 0,3 = b x 0,2 = c x 1.
Comme on peut le voir sur la figure 4, la valeur de couple est élaborée à partir de la pression moyenne exercée PME dans le moteur ; la valeur de la pression moyenne exercée étant obtenue à partir dc la pression d'échappement et des sorties d'une boîte couple dont le fonctionnement est illustré dans la figure 5, et du régime N du moteur. La pression à l'échappement est calculée à partir de la quantité d'air entrant dans le moteur Qr exprimé en kilogramme / seconde.
Comme on peut le voir sur la figure 5, la boîte couple permet d'obtenir les valeurs de la pression collecteur Pool, de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+, du rendement d'avance 7tAV, du coefficient de richesse 7tRi et de la pression moyenne de fonctionnement
PMF du moteur. La valeur de la PMI+ est obtenue comme expliquée précédemment par une pondération tenant compte des valeurs de la quantité d'air entrant dans le moteur Qr en gramme par tour, d'une cartographie du coefficient K en fonction de la pression collecteur PCO1 et du régime de fonctionnement N à richesse unitaire, du rendement d'avance 7tAV et du coefficient de richesse 7tRi L'obtention de la valeur du rendement d'avance ZAV est illustrée sur la figure 6. La courbe représentative coefficient de richesse n;Ri est obtenue à partir de la valeur de la richesse Ri. La pression moyenne de fonctionnement PMF est calculée à partir du régime de fonctionnement N. La quantité d'air Qr en gramme par tour est calculée à partir de la quantité d'air en kg/s et du régime de fonctionnement N.
Comme on peut le voir sur la figure 6, le rendement d'avance 7CAV est élaboré à partir de l'influence de la richesse sur les courbures des chapeaux modélisés h(Ri), de l'avance AV, de la table des courbures des chapeaux modélisés f(AVopt) et des avances optimales AVopt (Ri). La fonction h(Ri) est élaborée à partir de la valeur de la richesse Ri. Le calcul de la table des courbures des chapeaux modélisés f(AVopt) et des avances optimales AVopt(Ri) est réalisé à partir des cartographies établies pour une richesse unitaire et pour une richesse inférieure à 1, par exemple égale à 0,68, en fonction du régime de fonctionnement N et de la pression collecteur Pool, et de la variable P dépendant de la richesse Ri.
Grâce à l'invention, on dispose d'un procédé d'estimation du couple d'un moteur, de grande précision permettant une commande améliorée du moteur ce qui se traduit par une amélioration du rendement et une diminution de la consommation énergétique.

Claims (5)

  1. I. Procédé d'estimation du couple d'un moteur à allumage commandé par calcul de la pression moyenne indiquée par la boucle posi tivc du cycle de pression dans le cylindre en fonction du volume du dit cylindre, la boucle positive étant la partie de la courbe représentative du fonctionnement du moteur lorsque les soupapes sont fermées, en fonction du débit d'air entrant dans le moteur, dc la pression dans le collecteur du moteur, du régime de fonctionnement N, de l'avance à l'allumage, et de la richesse de fonctionnement, la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ étant égale au produit de la pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et à l'avance optimale PMI+Opt,Ril par le coefficient de richesse 7tRi et par le rendement d'avance glas, la pression moyenne indiquée de la boucle positive pour une richesse égale à 1 et à l'avance optimale étant égale au produit de la quantité d'air entrant dans le moteur par un coefficient K dépendant de la pression collecteur et du régime de fonctionnement N.
    REVENDICATIONS
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le coefficient de richesse sRi est égal à 1 si la richesse Ri est égale à 1, le coefficient de richesse 7tRi étant une variable dépendant de la richesse Ri.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le rendement d'avance Zav dépend d'une variable P qui obéit à une régression polynomiale du second degré fonction de l'écart entre l'avance optimale du point de fonctionnement et l'avance appliquée et dont la courbure est fonction de la valeur de l'avance optimale et de la richesse Ri, avec :':av = l-P*(AV-AVopt) -
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'évolution de la pression moyenne indiquée de la boucle positive PMI+ en fonction dc l'avance est modélisée par une courbe du second degré approchant les points réellement mesurés.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'on effectue une pondération des points réellement mesurés, un poids A plus important étant accordé aux points de mesure les plus proches de l'avance optimale expérimentale, selon l'équation suivante
    A(i) = Amin + (PMI+(i) - PMI+min) * (A max - Amin) / (PMI+max -
    PMI+min), A min étant le poids minimum associc à la valeur minimum mesurée dc la PMI+, Amax étant le poids maximum associé à la valeur maximum mesurée de la PMI+, en utilisant un critère de minimisation:
    Min [#iA(i) * (PMI+(i)mes - PMI+(i)calc)] ; i étant le nombre de mesures pour une courbe, PMI+(i)mes étant la PMI+ mesurée au point i, et
    PMI+(i)calc étant la PMI+ calculée au point i selon la courbe de modélisation.
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