FR2832459A1 - Procede et appareil de commande et de regulation pour la mise en oeuvre d'un moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne (10) selon lequel pour déterminer la pression (ps) dans une zone (20) en amont d'une soupape d'admission (22) on tient compte d'une charge d'air frais (rl) d'une chambre de combustion (16), ou selon lequel pour déterminer la charge d'air frais (rl) de la chambre de combustion (16) on tient compte de la pression (ps) dans la zone (20) située en amont de la soupape d'admission (22), et selon lequel la détermination utilise également la vitesse de rotation (nmot) du vilebrequin (18) du moteur à combustion interne (10). La charge d'air frais (rl) ou la pression (ps) est calculée par les équations thermodynamiques et/ ou les équations de mécanique des fluides, au moins à un instant discret (72) pendant un cycle de travail du moteur à combustion interne (10) dans un bloc de traitement (66).
Description
rotation de l'arbre menant.
Etat de la technique La présente invention concerne un procédé de mise en _u vre d'un moteur à combustion interne selon lequel pour déterminer la pression (ps) dans une zone en amont d'une soupape d'admission on tient s compte d'une charge d'air frais (rl) d'une chambre de combustion, ou se lon lequel pour déterminer la charge d'air frais (rt de la chambre de com bustion on tient compte de la pression (ps) dans la zone située en amont de la soupape d'admission, et selon lequel dans la détermination on utilise également la vitesse de rotation (nmot) du viletrequin du moteur à com
o bustion interne.
On connat un tel procédé, par exemple appliqué aux mo teurs à combustion interne à indection dans la tubulure d'admission. Dans de tels moteurs à combustion interne, on a soit un capteur massique d'air installé à proximité du volet d'étranglement ou un capteur de pression s dans la tubulure d'admission, ce capteur étant installé dans cette tubu lure. Pour commander le moteur à combustion interne, il faut en général à la fois connaître la pression dans la tubulure d'admission et la charge d'air frais. Cela signifie qu'il faut modéliser les grandeurs qui ne sont pas saisies par un capteur. Le modèle correspondant est appelé modèle de
changement de charge.
A l'aide de ce modèle de changement de charge, partant de la grandeur d'entrée " pression dans la tubulure d'admission ", on calcule la masse d'air frais aspirée par le moteur à combustion interne. Le calcul se fait à l' aide d'une équation linéaire comprenant un coefficient linéaire de pente que l'on multiplie par la différence entre la pression dans la tu
bulure d'aspiration et une pression partielle d'un gaz restant interne.
En tenant compte de ce gaz restant interne, on tient compte du fait que la charge du cylindre d'un moteur à combustion interne con tient toujours une certaine quantité de gaz restant provenant de la der nière combustion. Dans le cas d'une réintroduction interne des gaz d'échappement par chevauchement des soupapes, on a en outre une cer taine partie de gaz d'échappement qui revient du tuyau d'échappement dans la chambre de combustion. Cela peut se faire soit du fait que la sou pape d'échappement se ferme seulement après que le piston du moteur à 3s combustion interne ait passé le point mort haut. I1 peut en résulter une durée dans laquelle alors la soupape d'échappement et la soupape
d'admission de la chambre de combustion sont ouvertes simultanément.
Rapporté à une rotation de l'arbre à cames, cet intervalle de temps est ap
pelé angle de chevauchement.
I1 existe également des fonctions pour calculer la pression partielle interne du gaz restant dans la chambre de combustion ainsi que le coefficient linéaire ou pente, en utilisant des champs de caractéristi ques. Les champs de caractéristiques reçoivent par exemple la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur à combustion interne, l'angle de che vauchement des arbres à cames et le cas échéant le centre de gravité du chevauchement des arbres à cames. De tels champs de caractéristiques o nécessitent toutefois une place de mémoire relativement importante. En outre, dans les moteurs à combustion interne actuels, il est nécessaire de calculer de façon plus précise la charge de l'air frais ou la pression dans la
tubulure d'admission.
On connait également des programmes de simulation à l'aide desquels on peut simuler les états thermiques et dynamiques dans le moteur à combustion interne d'une façon très fine. Les opérations qui se déroulent effectivement lors du changement de charge peuvent très bien étre copiées avec de tels programmes de simulation. Méme les pulsa tions qui se produisent pendant le fonctionnement dans la tubulure d'aspiration et dans l'installation d'échappement du moteur à combustion interne, peuvent étre modélisées. Du fait des calculs relativement impor tants, il n'est toutefois pas possible de faire un calcul en temps réel par exemple dans un appareil de commande du moteur à combustion interne
à l'aide de tels programmes de simulation.
But de l'invention La présente invention a ainsi pour but de développer un procédé défini ci-dessus permettant avec une mise en _uvre de calculs réduite, de déterminer néanmoins avec une grande précision la grandeur souhaitée. Exposé de l'invention A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci dessus, caractérisé en ce que la charge d'air frais (rl) ou la pression (ps) est calculée par les équations thermodynamiques et/ou les équations de mécanique des fluides, à au moins un instant discret pendant un cycle de
travail du moteur à combustion interne dans un bloc de traitement.
Avantages de l'invention L'utilisation des équations thermodynamiques et/ou des équations de la mécanique des fluides permet de déterminer les relations thermodynamiques et dynamiques effectives dans la chambre de combus tion et dans les zones du moteur à combustion interne proches de la chambre de combustion et cela avec une très grande précision. Contrai rement à l'utilisation d'équations empiriques et/ou de champs de caracté s ristiques on peut également copier les comportements thermiques et dynamiques complexes des moteurs à combustion interne actuels d'une manière très précise. La charge de caleul de l'appareil de commande per mettant de commander ou de réguler les fonctions du moteur à combus
tion interne est dans ces conditions très réduite.
o Les ou la formule résultant des équations thermodynami ques et/ou des équations de la mécanique des fluides pour calculer la charge d'air frais ou la pression ne sont à calculer en effet qu'une seule fois de manière fondamentale pendant un cycle de travail du moteur à combustion interne. Le calcul par étapes fines continues de l'état thermi s que et dynamique actuel dans le moteur à combustion interne, comme cela est nécessaire dans les programmes de simulation usuels en utilisant des installations de calcul importantes, n'est pas nécessaire pour le pro cédé de l'invention. En outre, on peut également copier l'influence de la température actuelle du gaz frais d'alimentation et la température des gaz o d'échappement, de manière physique en procédant de façon simple ce qui
est également avantageux pour la précision du résultat du calcul.
Des développements avantageux de l'invention seront expli
cités ci-après.
Selon un premier développement, le calcul tient compte du s gaz restant qui se trouve dans la chambre de combustion après la ferme ture de la soupape d' admission. Un tel gaz restant existe pratiquement touj ours de manière moindre mais néanmoins il existe si le moteur à com bustion interne dispose d'une réintroduction interne ou externe des gaz d'échappement. Pour une telle réintroduction interne des gaz o d' échapp ement, on fixe l'instant d'ouverture de la soupape d' admission et/ou l'instant de fermeture de la soupape d'échappement pour que la chambre de combustion soit remplie au début d'un nouveau cycle de tra vail non p as avec de l'air frais mais également avec de s gaz d' é chapp ement restants provenant de la combustion précédente. Le gaz restant permet de ss diminuer la température de flamme dans la chambre de combustion et ainsi de réduire le développement des oxydes d'azote. La prise en compte du gaz restant se trouvant dans la chambre de combustion est rendue très
faisable par le procédé de l'invention.
Selon un développement, il est proposé que le calcul tienne compte du gaz restant résiduel se trouvant dans la chambre de combus tion après la fermeture de la soupape d'admission, et/ou de gaz restant réaspiré dans la chambre de combustion après la fermeture de la soupape s d'admission. Cela permet d'améliorer d'autant la précision du calcul du remplissage (charge) d'air frais ou de la pression dans la zone situce en amont de la soupape d'admission. L'expression.. en amont >> désigne ici la zone qui se trouve entre la soup ape d' admis sion et l'entrée de la tubulure d'aspiration (ou tubulure d'admission) indépendamment de ce que o l'écoulement se fait effectivement de la tubulure d'admission vers la chambre de combustion ou de la chambre de combustion en retour dans
la tubulure d' admission.
L'expression " gaz restant résiduel >, désigne le gaz restant emprisonné dans le volume de la chambre de combustion à la tempéra s ture de la chambre de combustion et à la pression antagoniste des gaz d' échapp ement à l'instant de la fermeture de la soupape d' échapp ement du moteur à combustion interne. L'expression.. gaz restant réaspiré " si gnifie le gaz restant que l'on réaspire pendant le chevauchement des sou papes (c'est-à-dire lorsqu'en même temps la soupape d'admission et la o soup ap e d' é chapp ement sont ouvertes) d'une zone situce en aval de la soup ape d' échapp ement à travers la chambre de combustion dans la zone située en amont de la soupape d'admission. Ce gaz restant se combine au
gaz restant résiduel.
La somme du gaz restant résiduel et du gaz restant réaspiré forme l'ensemble du gaz restant interne dans le moteur à combustion in terne. En divisant le gaz restant en une partie résiduelle et une partie ré aspirée, on peut calculer les composantes respectives d'une manière relativement simple par les équations thermodynamiques et/ou de la mé canique des fluides. De plus, on peut encore mieux tenir compte des in fluences sur les différentes parties de gaz restant, par exemple les instants de commutation de la soupape d'admission et de la soupape
d'échappement ainsi que du chevauchement des soupapes.
La température du mélange de gaz dans la chambre de combustion est donnée par la formule des mélanges de gaz suivante: 3s mi * Tm, = i 1X mi en tenant compte des fractions massiques de gaz restant résiduel et/ou de
gaz restant réaspiré et de l'air frais ainsi que des températures respectives.
Cette formule se calcule facilement dans l'appareil de commande et donne
de bons résultats.
s I1 est particulièrement avantageux pour caleuler la quantité du gaz restant réaspiré se trouvant dans la chambre de combustion de prendre l'hypothèse que dans certains états de fonctionnement du moteur à combustion interne, le gaz peut passer d'une zone située en aval de la soupape d'échappement à travers un organe d'étranglement équivalent o dans une zone située en amont de la soupape d'admission, la quantité de gaz s'écoulant en retour se calculant à partir d'un débit massique surcriti que traversant cet organe d'étranglement, le débit massique surcritique dépendant au moins du chevauchement de l' angle d'ouverture de la sou pape d'admission et de l'angle de fermeture de la soupape d'échappement, s de la température du gaz se trouvant dans la zone situce en aval de la soupape d'échappement, de la pression du gaz dans cette zone, et/ou d'un rapport entre la pression du gaz dans la zone située en aval de la soupape d'échappement et la pression du gaz située dans la zone en amont de la
soupape d'admission.
o I1 convient tout d' ab ord de remarquer que l' expression " en aval >, désigne la zone qui se trouve entre la soup ap e d' échapp ement et l' extrémité du tuyau d' échapp ement, indépendamment de la circulation réelle allant de la chambre de combustion vers le tuyau d'échappement ou du tuyau d'échappement en retour dans la chambre de combustion. Cette
s expression concerne ainsi la direction de << l'écoulement principal >.
L'hypothèse modélisée indiquée ci-dessus correspond très
bien aux conditions effectives dans le moteur à combustion interne.
L'écoulement des gaz d'échappement à travers l'ouverture de la soupape d'échappement à travers la chambre de combustion et à travers so l'ouverture de la soup ape d' admission peut très bien s' assimiler à l'écoulement d'un gaz à travers un organe d'étranglement équivalent. Un tel écoulement à travers un organe d'étranglement se calcule de façon très précise avec les équations themodynamique et de mécanique des fluides, connues. Les propriétés de l'organe d'étranglement équivalent peuvent se
déterminer par les essais.
Le débit massique surcritique peut également dépendre de la position du centre de gravité de la zone de chevauchement des deux courbes des soupapes. Si la vitesse de fermeture de la soupape d' échappement e st égale à la vitesse d' ouverture d e la soup ape d'admission, le centre de gravité se situe exactement sous le sommet de la zone de chevauchement sensiblement triangulaire. Si la vitesse d'ouverture est différente de la vitesse de fermeture, le centre de gravité se s déplace et il en est de même de l'instant auquel il faut détecter les valeurs
évoquées ci-dessus.
I1 est également avantageux que le débit massique surcriti que soit multiplié par la valeur de sortie d'une caractéristique dans laquelle on a appliqué le rapport de la pression régnant dans une zone o située en aval de la soupape d'échappement et de la pression dans la chambre de combustion ou encore d'une zone située en amont de la sou pape d'admission. Une telle caractéristique est également appelée " caractéristique de flux de sortie ". I1 s'agit d'une équation connue dans la
mécanique des fluides décrivant l'écoulement à travers un diaphragme.
Avec cette équation, on peut exprimer simplement le comportement de l'écoulement en fonction de la différence de pression de part et d'autre du diaphragme. On suppose pour cela que pendant le chevauchement des soupapes, le gaz qui revient présente une certaine température et une o certaine pression. Si toutefois il y a des pulsations de pression en aval de la soup ap e d' échapp ement et en amont de la soup ap e d'admission, dépen dant de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur à combustion in terne, le quotient des pressions peut prendre une valeur différente de la
valeur moyenne au moment du chevauchement.
s Pour pouvoir tenir compte de cette situation dans le calcul, il est proposé de multiplier le rapport de la pression du gaz dans la zone située en amont de la soupape d' admission à la pression du gaz dans la zone située en aval de la soupape d'échappement, avec un coefficient de correction qui dépend de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur à
combustion interne.
Selon un autre développement, il est proposé de corriger le calcul de la pression mesurée ou modélisée du gaz dans la zone située en aval de la soupape d'échappement en fonction de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur à combustion interne et/ou en fonction de l'angle de fermeture de la soupape d'échappement. Cela tient compte du fait que la pression dans la zone situ ée en aval de la soupape d' échapp ement peut pulser dans certaines plages de vitesse de rotation, et/ou que la soupape d'échappement se ferme à un certain instant dans le cycle de travail du moteur à combustion interne. Ces pulsations de pression sont prises en
compte par la correction proposée selon l'invention.
Dans le cas le plus simple, la correction peut consister à multiplier la pression mesurée ou modélisée avec la valeur de sortie d'un s champ de caractéristiques dans lequel on introduit la vitesse de rotation du vilebrequin ou du moteur à combustion interne et l' angle de fermeture de la soupape d'échappement. Par cette correction, on peut tenir compte du fait que si la soup ap e d' échapp ement se ferme de manière significative avant le point mort haut ou de manière significative après le point mort o haut du piston associé à la chambre de combustion, ainsi qu'à des vites ses de rotation élevées du vilebrequin du moteur, il n'y a plus d'équilibrage des pressions. Si la soupape d'échappement se ferme avant le point mort haut du piston, la pression du gaz restant résiduelle est plus élevoe que si la soupape d'échappement se ferme après le point mort haut
du piston.
De façon analogue, pour le calcul de la pression mesurée ou modélisée du gaz dans la zone située en amont de la soupape d'admission, on peut corriger en fonction de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur à combustion interne et/ou en fonction de l'angle d'ouverture de la
soupape d'admission.
I1 est en outre prévu de déterminer la masse du gaz restant résiduel à l'aide du volume de la chambre de combustion à l'instant de la fermeture de la soup ap e d' échapp ement ou s ensiblement au milieu du chevauchement des soupapes. I1 serait également possible d'utiliser pour le calcul, le volume de la chambre de combustion que l'on a lorsque les deux soupapes ont exécuté la même course. Dans tous les cas ci-dessus,
on peut calculer de manière précise la masse du gaz restant résiduel.
I1 est particulièrement avantageux pour les calculs de ther modynamique, de partir de l'équation d'état des gaz parfaits, cela permet
des simplifications importantes du calcul sans influence sur le résultat.
Selon l'invention, on peut supposer que la capacité calorifi que et/ou l'exposant d'isentropie du gaz restant ou de la fraction de gaz restant ont la même valeur que celle de l'air frais. Cette hypothèse est
possible car dans les deux gaz il y a principalement de l'azote.
s5 Une autre approximation qui participe à la simplification de l'application du procédé selon l'invention consiste à utiliser l'équation d'état des gaz parfaits dans les conditions adiabatiques. Dans les relations thermodynamiques, on néglige ainsi les échanges de chaleur au niveau des soupapes, des parois de la chambre de combustion et autres compo sants de la chambre de combustion ainsi que dans les zones proches de la chambre de combustion. Cela est possible sans que la précision du calcul
ne soit détériorce.
s Toutefois, on peut tenir compte de l'influence des passages de chaleur sur la température saisie ou modélisce dans la zone en amont de la soupape d'admission en appliquant une fonction de correction. Ainsi, on calcule d'une part de manière adiabatique ce qui permet des simplifi cations considérables pour les équations et d'autre part l'influence des o flux de chaleur n'est pas totalement négligée. Le calcul est ainsi plus sim
ple et néanmoins précis.
L'invention concerne également un programme d'ordinateur pour la mise en _uvre du procédé exposé ci-dessus effectuée par un ordi nateur. I1 est préférable que le programme d'ordinateur soit enregistré
s dans une mémoire notamment une mémoire flash.
L'invention concerne également un appareil de commande et/ou de régulation pour la mise en _uvre d'un moteur à combustion in terne. Un tel appareil de commande et/ou de régulation comporte une
mémoire contenant le programme d'ordinateur pour le procédé.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un moteur à combustion interne, s - la figure 2 est un diagramme montrant la procédure pour déterminer une charge d' air normale pendant le fonctionnement du moteur à com bustion interne de la figure 1, - la figure 3 montre un diagramme donnant la course d'un piston en fonction de l'angle du vilebrequin, so la figure 4 montre un diagramme représentant la position d'une sou pape d' admission et d'une soup ap e d' échapp ement du moteur à com bustion interne de la figure 1 en fonction de l'angle d'un arbre à cames, - la figure 5 est un graphique pour la présentation de l'équation thermo dynamique pour le calcul de la charge d'air frais dans une chambre de ss combustion du moteur à combustion interne de la figure 1, - la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 5 détaillant le dé
veloppement de l'équation.
Description de l'exemple de réalisation
La figure 1 montre un moteur à combustion interne portant globalement la référence 10. Ce moteur comporte plusieurs cylindres dont un seul est représenté à la figure 1 sous la référence 12. Le cylindre reçoit un piston 14 coulissant délimitant une chambre de combustion 16. Une bielle (non référencée) relie le piston 14 à un vilebrequin 18 représenté de
manière symbolique.
L'air frais arrive dans la chambre de combustion 16 par une tubulure d'admission 20 et une soupape d'admission 22. Un injecteur 24 o équipe la tubulure d'admission 20. Cet injecteur est relié à un système d'alimentation en carburant 26. En amont de l'injecteur 24 se trouve un volet d'étranglement 28 mis dans une position appropriée par un action neur 30. Entre l'injecteur 24 et le volet d'étranglement 28 on détecte la température de l'air frais d'alimentation à l'aide d'un capteur 32 et la
s pression de cet air à l'aide d'un capteur 34.
Les gaz de combustion chauds sont expulsés de la chambre de combustion à travers une soupape d'échappement 36 et un tuyau d'échappement ou un collecteur d'échappement 38. Un catalyseur 40 nettoie les gaz d'échappement. Entre la soupape d'échappement 36 et le catalyseur 40 on détecte la température des gaz d'échappement à l'aide d'un capteur de temp érature 42 et leur pression à l' aide d'un capteur de
pression 44.
Le moteur à combustion interne 10 dispose d'une com mande continue double par arbre à cames. Cela signifle que les instants de fermeture et d'ouverture de la soupape d'admission 22 et de la soupape d'échappement 36 sont réglés en continu. Pour cela la soupape d' admission 2 2 est commandée par un artre à cames d' admission 4 6 et la soupape d'échappement 36 par un arbre à cames d'échappement 48. Les actionneurs 50, 52 permettent de régler les arbres à cames 46, 48 pen dant le fonctionnement pour avoir les instants de fermeture et d'ouverture souhaités. Le mélange air/carburant dans la chambre de combustion 16 du moteur à combustion interne 10 est allumé par une bougie
d'allumage 54 elle-méme commandée par un système d'allumage 56.
Le fonctionnement du moteur à combustion interne 10 est
commandé ou régulé par un appareil de commande et de régulation 58.
L'appareil de commande et de régulation 58 est relié en entrée au capteur de température 32 et au capteur de pression 34 de la tubulure d'admission 20. Il reçoit également les signaux du capteur de température 42 et du capteur de pression 44 équipant le tuyau d'échappement 38. Un capteur 60 fournit en outre des signaux permettant d'obtenir la vitesse de rotation du vilebrequin 18 et sa position angulaire. De façon analogue on s a des capteurs 62, 64 qui détectent la position angulaire de l'arbre à ca mes d'admission 46 et de l'arbre à cames d'échappement 48. En sortie, l'appareil de commande et de régulation 58 est relié à l'indecteur 24, à l'actionneur 30 du volet d'étranglement 28, aux actionneurs 50, 52 de l'arbre à cames d'admission 46 et de l'arbre à cames d'échappement 48
o ainsi qu'au système d'allumage 56.
Pour pouvoir déterminer chaque quantité ou dose de carbu rant correspondant au couple demandé par l'utilisateur du moteur à com bustion interne 10 et donnant la composition souhaitée du mélange dans la chambre de combustion 16, il faut déterminer la quantité d'air frais ar rivant dans la chambre de combustion 16 dans un cycle de fonctionne ment. Pour cela on pourrait certes utiliser également un capteur mais cette solution n'est pas choisie pour des raisons de coût puisque comme dans le cas présent, on a déjà un capteur de pression 34 dans la tubulure d'admission 20. Dans un exemple de réalisation non représenté, à la place du c apteur de pression, la tubulure d' admission est é quipé e d'un capteur de masse d'air. Dans ce cas, pour déterminer la charge d'air de la cham bre de combustion, il faut déterminer la pression dans la tubulure
d'admission à partir des signaux détectés.
La détermination de la charge d' air frais rl (il s' agit ici d'une charge d'air frais dans des conditions normales) est obtenue dans le cas du moteur à combustion interne 10 représenté à la figure 1 selon le pro cédé représenté à la figure 2. Ce procédé est enregistré sous la forme d'un programme d' ordinateur dans une mémoire de l' appareil de commande et
de régulation 58.
Les capteurs équipant le moteur à combustion interne 10 fournissent différentes valeurs de mesure. Le capteur de température 32 de la tubulure d' admis sion 20 mesure la temp érature T_fg de l' air aspiré dans la tubulure d'admission 20. Le capteur de pression 32 mesure la pression ps de l'air aspiré dans la tubulure d'admission 20. Le capteur de s5 température 42 mesure la température T_aLg des gaz d'échappement dans le tuyau d'échappement 38 et de façon analogue le capteur de pression 44 mesure la pression p_abnav des gaz d'échappement dans la tubulure d'échappement 38. Le capteur 60 fournit les informations concernant la vitesse de rotation instantanée nmot du vilebrequin 18 ainsi que la posi tion angulaire wk du vilebrequin 18. De façon analogue les capteurs 62 et 64 fournissent des informations concernant la position angulaire wne et wna de l' arbre à cames d' admission 6 2 et de l' arbre à came s
s d'échappement 64.
Les valeurs mesurées sont fournies à un bloc de traitement 66. A l'aide des équations thermodynamiques et des équations de mécani que des fluides à partir des valeurs mesurées on calcule la charge d'air frais normale rl à la fin d'une course d'aspiration du piston 14 dans le cy o lindre 12 (référence 68 à la figure 2). Pour simplifier le calcul, on définit certaines hypothèses physiques. On suppose par exemple que les condi tions adiabatiques règnent dans la chambre de combustion 16 et dans les zones de la tubulure d' admission 20 et du tuyau d'échappement 2 8 à
proximité de la chambre de combustion.
s Dans un premier temps, on ne tient pas compte des trans ferts de chaleur des composants se trouvant dans ces zones avec le gaz qui ctrcule. Pour obtenir néanmoins un résultat de calcul aussi précis que possible, le bloc de traitement 66 contient des fonctions de correction 70 qui composent de nouveau au moins en partie les imprécisions engen o drées par les simplifications des équations de mécanique des fluides et de thermodynamique 68. La température de l'air aspiré est modifice suivant
les fonctions de correction.
Le calcul de la charge d'air frais rl normale n'est pas fait de manière continue. Au lieu de cela, dans le présent exemple de réalisation, s on effectue ce calcul une fois pendant un cycle de fonctionnement du cy lindre 12 (ainsi que le fonctionnement représente pour un moteur à com bustion interne à quatre temps, le parcours des quatre temps) à un instant discret; dans le cas présent il s'agit du point mort haut pour le piston 14, le calcul étant alors fait avant le début d'une course so d'aspiration (référence 72 à la figure 3). Le calcul de la charge d'air frais rl se fait également suivant une trame de temps synchronisée sur l' angle du
vilebrequin 18.
Les calculs dans le bloc de traitement 66 se font suivant les
formules représentées aux figures 5 et 6.
s La figure 5 représente l'équation (1) pour normaliser la charge d'air frais rl. Pour cela on rapporte la masse m_fg de l'air frais d'alimentation à une masse normale mO. La masse normale mO découle de l'équation des gaz parfaits (2) pour une pression standard pO égale à 1013,25 hpa, une température normale T0 de 273 K et une cylindrce V-h du piston 14 du moteur à combustion interne 10. Le coefficient Zylza est
le nombre de cylindres du moteur à combustion interne 10.
La masse d'air frais m_fg dans l'équation (l) découle des s équations (3) à (6) de la figure 5. L'équation (4) est la formule générale des mélangesde gaz pour caleuler la température dans la chambre de com bustion 16 à l'instant de la fermeture de la soupape d'admission 22. A cet instant, il y a une masse de gaz résiduel m_rg dans la chambre de com bustion 16. Cette masse est à une température T_rg. Il y a également une
o masse d'air frais m_fg à la température T_fg.
Comme le montre la figure 5, la masse totale m_ges des gaz contenus dans la chambre de combustion 16 se compose de la masse d'air frais m_fg et de la masse de gaz résiduel m_rg. Elle est déduite de l'équation des gaz parfaits pour une pression p_bres régnant dans la s chambre de combustion 16 à l'instant de la fermeture de la soupape d'admission 22. On donnera ci-après d'autres détails concernant la masse
de gaz résiduel m_rg.
En fonction de la vitesse de rotation nmot du vilebrequin 18 du moteur à combustion interne 10 et de l'angle wnwe du l'arbre à cames d'admission 46 pour lequel la soupape d'admission 22 s'ouvre, on peut avoir des pulsations de pression dans la tubulure d'admission 20. C'est pourquoi la pression p_bres ne correspond pas dans tous les cas à la pression ps de la tubulure d'aspiration, détectée par le capteur de pres sion 34. Cette pression est corrigée selon l'équation (6) par un champ de caractéristiques FPESKORR en fonction de la vitesse de rotation nmot du
moteur de l'angle d'ouverture wnwe de la soupape d'admission 22.
La masse de gaz résiduel m_rg est définie de la manière sui vante: Pour réduire la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10, le moteur 10 repré senté à la figure 1 est équipé d'une réinjection interne des gaz d'échappement. Il s'agit d'une partie des gaz d'échappement prélevoe dans le tuyau d'échappement 38 qui est reconduite dans la chambre de com bustion 16 ou qui reste dans la chambre de combustion 16. Cette fraction 3s des gaz d'échappement subsistant dans la chambre de combustion 16 est appelée < résidu de gaz " et la fraction des gaz d'échappement qui est réas pirce dans la chambre de combustion 16 est appelée " gaz réaspiré " (voir
l'équation (8) à la figure 6).
La masse m_rgres du gaz résiduel et la masse m_rgreasp du gaz réindecté se définit par l'angle de fermeture wnwa de la soupape d ' échapp ement 3 6 et l' angle d' ouverture wnwe de la soupape d' admis sion 22 et du chevauchement qui en résulte wnwvue pour les soupapes (voir la
s figure 4).
Lorsqu'on substitue les équations (2) à (6) dans l'équation (1) de la figure 5, on obtient l'équation (7) de la figure 6. A l'aide des équa tions (8) à (13) de la figure 6, sous l'équation (7) on obtient la masse de gaz restant m_rg. La masse m_rgres du gaz restant résiduel est donnée par o l'équation (9) des gaz parfaits. On suppose pour cela que la pression du gaz restant résiduel, juste avant la fermeture de la soupape d'échappement 36 est égale à la pression du gaz d'échappement dans le
tuyau d'échappement 38, pression détectée par le capteur de pression 44.
Si toutefois la soup ape d' é chappement 3 6 se ferme avant le is point mort haut ou de manière significative après le point mort haut, cette hypothèse n'est plus tout à fait acceptable. La même remarque s'applique également pour les vitesses de rotation élevées du vilebrequin 18. Pour cette raison, on multiplie la valeur de mesure p_abnav du capteur de pression 44 avec la sortie d'un champ de caractéristiques o FPABNAVRESKOR qui reçoit d'une part la vitesse de rotation nmot du vi lebrequin 18 et d'autre part l'angle de fermeture wnwa de la soupape
d'échappement 36 (équation 10).
En déterminant le volume V_brrgres, utilisé dans l'équation (9), on distingue entre les cas suivants: s Si la soupape d'échappement 36 se ferme avant que la sou pape d'admission 22 s'ouvre (c'est-à-dire en l'absence de chevauchement entre le mouvement des soupapes), le volume V_brrgres est égal au vo lume de la chambre de combustion 16 à cet instant auquel se ferme la soupape d'échappement 36. Si toutefois la soupape d'admission 22 s'ouvre avant que la soupape d'échappement 36 ne se ferme (ce cas est représenté à la figure 4 par le chevauchement des soupapes wnwvue) on prend pour le volume V_brrgres, le volume de la chambre de combustion 16 corres pondant à un instant moyen entre l'instant d' ouverture de la soup ape
d'admission 22 et l'instant de fermeture de la soupape d'échappement 36.
I1 serait également possible d'utiliser le volume à l'instant auquel les deux soupapes ont effectué la même course. La température T_brrgres utilisée dans l'équation (9) est la température fournie par le capteur de tempéra
ture 42 aux instants déjà cités en relation avec le volume V_brrgres.
On détermine la masse m_rgreasp du gaz restant réaspiré selon l'équation (12) de la figure 6. Pour déterminer la masse du gaz res tant réaspiré, on suppose tout d'abord de manière simplifiée que l'écoulement dans le tuyau d'échappement 38 par la soupape s d'échappement 36 et la chambre de combustion 16 ainsi que la soupape d'admission 22 dans la tubulure d'admission 20 correspond à un écoule ment à travers un organe d'étranglement équivalent ou à travers un dia phragme équivalent. Ce débit massique se situe entre les valeurs wnwe et wnwa pendant l'espace de temps de chevauchement des soup apes
o wnwvue (figure 4).
L'ouverture libérée pendant le chevauchement est transfor moe en une ouverture équivalente pendant tout le cycle de fonctionne ment. Le déhit massique moyen constant correspondant possède la valeur surcritique normal MSNREASP. Dans le cas présent, le débit massique
s MSNREASP ne dépend ainsi que de l'angle de chevauchement wnwvue.
Mais on pourrait également envisager une dépendance entre le centre de
gravité des surfaces en chevauchement (surface hachurée à la figure 4).
Pour la température du gaz restant qui revient, on suppose que cette tem pérature correspond à la température des gaz d'échappement T_abg dé
tectée par le capteur de température 42.
Le débit massique surcritique MSNREASP est multiplié dans l'équation (12) par la " caractéristique de sortie " appelée en abrégé caractéristique " KLAF ". Cette caractéristique décrit l'écoulement à travers un diaphragme ou un point d'étranglement en fonction de la différence de pression en amont et en aval du diaphragme du point d'étranglement. On suppose en outre que les gaz d'échappement revenant pendant le chevau chement du mouvement des soupapes wnwvue, se trouve à la contre pres
sion des gaz d'échappement p_abnavk.
Comme pendant le fonctionnement du moteur à combus tion interne 10 il y a des pulsations de pression dans le tuyau d'échappement 38 et dans la tubulure d'aspiration 20, en particulier aux vitesses de rotation élevées, on multiplie le rapport des pressions ps/p_abnav avec la sortie d'une courbe caractéristique FPABGKOR qui reçoit la vitesse de rotation nmot détectée par le capteur 60. La grandeur umsrlm est un coefficient de conversion par lequel on transforme un débit massique [kg/h] en une fraction en pourcentage de la charge de la cham bre de combustion dans des conditions normales. Celui-ci se déduit de l'équation 13. Le coefficient KUMSRL est une constante dépendant de la cylindrce. La temp érature T_rg du gaz restant se calcule à l' aide de la formule placée à la figure 6 au-dessus de l'équation (7). L'équation 14 cor s respond à l'équation des mélanges selon la thermodynamique. Dans cette équation la température T_rgreasp du gaz restant réaspiré se détermine par l'équation de Poisson. Les équations (9) à (13) utilisées également pour déterminer la température T_rg ont déjà été expliquées ci-dessus. Ces
équations ne seront plus détaillées ici.
o Comme cela apparaît aux figures 5 et 6, les valeurs mesu rées T_fg, p_abnav, ps, nmot, T_abg, wk. (pour déterminer les volumes différents V_x) , ainsi que wnwe et wnwa (à partir desquelles on peut dé duire wnwvue), permettent d'obtenir finalement la charge relative en air frais rl. Pour simplifier les équations thermodynamique on a supposé que s l'on était dans des conditions adiabatiques. On suppose également que la cap acité calorifiqu e et le coefficient d'isentropie (K) de s gaz d' échapp ement et de l'air frais sont les mêmes. Cette hypothèse est vraie car les deux gaz
se composent dans les mêmes conditions d'à peu près 80 % d'azote.
Pour simplifier le calcul de l'écoulement en retour des gaz o d'échappement dans la tubulure d'aspiration 20 on utilise les équations d'un écoulement de fluide à travers un diaphragme. Cette hypothèse est également vraie car flnalement l'intervalle formé par les soupapes d'échappement 36 et d'admission 22 peut être considéré comme équiva lent à un diaphragme ou à un point d'étranglement. L'imprécision résul s tant de l'hypothèse de conditions adiabatiques se compense pour l'essentiel par des fonctions de correction différentes. Les calculs des for mules (1) à (15) peuvent être exécutés très rapidement dans l'appareil de commande et de régulation 58. Dans le présent exemple de réalisation, ces calculs sont exécutés au cours d'un cycle de fonctionnement c'est- à- dire juste avant le début d'une course. L'intervalle de temps correspondant porte la référence 72 à la figure 3. Dans un exemple de réalisation non re présenté d'une trame de calcul en synchronisme angulaire habituel, ce point est avancé d'environ 70 par rapport à la représentation donnée à la
figure 3.
3s
Claims (11)
1 ) Procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne (10) se lon lequel pour déterminer la pression (ps) dans une zone (20) en amont d'une soupape d'admission (22) on tient compte d'une charge d'air frais (rD s d'une chambre de combustion (16), ou selon lequel pour déterminer la charge d'air frais (rl) de la chambre de combustion (16) on tient compte de la pression (ps) dans la zone (20) située en amont de la soupape d'admission (22), et selon lequel dans la détermination on utilise égale ment la vitesse de rotation (nmot) du vilebrequin (18) du moteur à com 0 bustion interne (10), caractérisé en ce que la charge d'air frais (rl) ou la pression (ps) est calculée par les équations thermodynamiques et/ou les équations de mécanique des fluides, à au moins un instant discret (72) pendant un cycle de travail du moteur à
lS combustion interne (10) dans un bloc de traitement (66).
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le calcul on tient compte du gaz restant (m_rg) dans la chambre de
o combustion (16) après la fermeture de la soupape d'admission (22).
3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour le calcul on tient compte du gaz restant résiduel (m_rgres) se trou s vant dans la chambre de combustion (16) après la fermeture de la sou pape d'admission (22) et/ou du gaz restant réaspiré (m_rgreasp) dans la chambre de combustion (16) après la fermeture de la soupape d'admission (22).
4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3,
caractérisé en ce qu' on suppose que la température (T_bres) du mélange de gaz qui se trouve dans la chambre de combustion (16) est donnée par la formule de mélange suivante: Imi * T Tmix = i mi en tenant compte de la fraction massique (m_rgres, m_rgreasp, m_fg) du gaz restant résiduel et/ou du gaz restant réaspiré et de l'air frais et des
températures respectives (T_rgres, T_rgreasp, T_fg).
5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce que pour calculer la quantité (m_rgreasp) du gaz restant réaspiré dans la chambre de combustion (16) on suppose que dans certains états de fonc tionnement du moteur à combustion interne (10), le gaz peut passer d'une o zone (38) située en aval d'une soupape d'échappement (36) à travers un organe d' étranglement é quivalent dans la zone (2 0) situ ée en amont de la soupape d'admission (22), la quantité (m_rgreasp) de gaz retourné se cal cule à partir d'un débit massique surcritique (MSREASP) qui traverse l'organe d'étranglement, et le débit massique surcritique (MSREASP) dé s pend du chevauchement (wnwvue) de l' angle d'ouverture (wnwe) de la soup ape d'admission (22) et de l'angle de fermeture (wnwa) de la soup ape d'échappement (36), d'une température des gaz dans la zone située en aval de la soupape d'échappement, la pression du gaz dans la zone située en aval de la soupape d'échappement et/ou d'un rapport de la pression (p_abnav) du gaz dans la zone (38) située en aval de la soupape d'échappement (36), rapporté à la pression (ps) du gaz dans la zone (20)
située en amont de la soupape d'admission (22).
6 ) Procédé selon la revendication 5, 2s caractérisé en ce que le déLit massique surcritique dépend également de la position du centre
de gravité de la zone de chevauchement des deux courbes de soupape.
7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6,
caractérisé en ce que le débit massique surcritique (MSREASP) est multiplié par la valeur de sortie d' une caractéristique (KLAF) dans laqu elle on intro duit le rapport de la pression (p_abnav) dans une zone (38) située en aval de la soupape d'échappement (36), à la pression (ps) dans la chambre de combustion ou
dans une zone (20) située en amont de la soupape d'admission (22).
8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport de la pression (ps) du gaz dans la zone (20) situce en amont de la soupape d'admission (22), à la pression (p_abnav) du gaz dans la zone (38) situce en aval de la soupape d'échappement (36) est multiplié par un coefficient de correction (FPABGKOR) dépendant de la vitesse de rotation
s (nmot) du vilebrequin (18) du moteur à combustion interne (10).
9 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8,
caractérisé en ce que pour le calcul de la pression mesurée ou modélisée (p_abnav) du gaz dans o la zone (38) située en aval de la soupape d'échappement (36), on fait une correction en fonction de la vitesse de rotation (nmot) du vilebrequin (18) du moteur à combustion interne (10) et/ou en fonction de l'angle de fer
meture (wnwa) de la soupape d'échappement (36).
s 10 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour le calcul de la pression mesurée ou modélisée (ps) du gaz dans la zone (20) situce en amont de la soupape d'admission (22), on fait une cor rection en fonction de la vitesse de rotation (nmot) du vilebrequin (18) du o moteur à combustion interne (10) et/ou en fonction de l'angle d'ouverture
(wnwe) de la soupape d'admission (22).
11 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que s l'on détermine la masse (m_rgres) du gaz restant résiduel à l'aide du vo lume de la chambre de combustion (V_es) à l'instant de la fermeture de la soup ap e d' échappement ou sensiblement au milieu du chevau chement
des soupapes (wnwvue).
o 12 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans les calculs thermodynamiques on part de l'équation d'état d'un gaz parfait. s 13 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que pour le calcul on suppose que la capacité calorifique et/ou le composant d'isentropie du ga restant ou de la fraction de gaz restant ont les mêmes
valeurs que celles de l'air frais.
s 14 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13,
caractérisé en ce qu'
on utilise l'équation d'état du gaz parfait pour les conditions adiabatiques.
) Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14,
o caractérisé en ce qu' on tient compte de l'influence des échanges de chaleur sur la température saisie ou modélisée dans la zone en amont de la soupape d'admission en
appliquant une fonction de correction.
s 16 ) Programme d'ordinateur, caractérisé en ce qu' il est appliqué à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, exécuté dans un ordinateur.
o 17 ) Programme d'ordinateur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'
il est enregistré dans une mémoire notamment une mémoire Flash.
18 ) Appareil de commande et/ou de régulation (58) pour mettre en oeuvre un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu' il comporte une mémoire contenant un programme d'ordinateur selon
l'une quelconque des revendications 16 ou 17.
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