FR2836223A1 - Methode de mesure de la pression dans un collecteur d'admission de moteur - Google Patents
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Abstract
Il s'agit de mesurer la pression dans au moins un collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne, en fonction du régime de rotation du moteur. Pour cela, on effectue des mesures échantillonnées de ladite pression dans le collecteur d'admission (5a, 7) de façon asynchrone par rapport au cycle de rotation du moteur, avec un filtrage dynamique des mesures (en 27), en fonction d'au moins un paramètre tel que la variation d'ouverture d'un papillon (19) pour les lisser.
Description
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L'invention concerne la régulation d'un moteur dans lequel on utilise la détente des gaz portés à haute pression et à haute température produits par le mélange détonant d'un carburant dans de l'air comprimé.
A priori, tant les moteurs à explosion à allumage commandé (typiquement les moteurs à essence), qu'il s'agisse de moteurs à carburateur (s), à injection directe (par exemple du type à rampe commune) ou indirecte que les moteurs à combustion"type Diesel" (alimentés typiquement en gas-oil) sont concernés.
A noter également que l'invention concerne les moteurs deux temps et les moteurs quatre temps.
Dans ce domaine, dénommé de manière générale"moteur à combustion interne", l'invention a pour objet de proposer une méthode de mesure de la pression dans un collecteur d'admission du moteur.
La mesure de la quantité d'air admise dans le ou les cylindres du moteur est une donnée essentielle pour le réglage de ce moteur.
Il a déjà été proposé d'utiliser pour cela des débitmètres massiques. Cette solution est onéreuse et difficilement applicable dans nombre de situations.
Les moteurs ayant typiquement un (des) collecteur (s) d'admission renfermant un organe (typiquement un papillon) régulateur du débit d'air dans ce collecteur (donc du débit d'air alimentant le ou les cylindres du moteur), il a également été proposé d'estimer la quantité d'air admis en fonction de la position de cet organe régulateur.
Ces mesures peuvent toutefois être erronées, notamment dans le cas de moteurs de petites cylindrées.
Au contraire, la méthode de mesure de l'invention consiste à mesurer la pression dans un collecteur d'admission de moteur ; cette mesure de pression d'air fournira une donnée de débit d'air utile pour le dosage stoechiométrique carburant/comburant.
Ce type de mesure a déjà été envisagé.
Mais, jusqu'à présent, on a effectué dans ce cas des mesures échantillonnées synchrones, typiquement immédiatement avant la fermeture de la soupape d'admission du cylindre concerné, c'est-à-dire peu après le point mort bas.
La qualité des résultats fournis s'avère toutefois encore perfectible.
Ceci est en particulier vérifiable sur les moteurs de petites cylindrées et/ou lorsque le volume du ou des collecteur (s) d'admission est relativement faible pour un volume de cylindre donné.
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Ceci pourrait s'expliquer par le fait que sur certains moteurs, de fortes fluctuations de pression surviennent dans le (s) collecteur (s) d'admission, notamment lors des phases d'accélération ou de décélération, ce qui rend erratiques les résultats des mesures échantillonnées synchrones de pression.
En outre, l'échantillonnage synchrone nécessite un calculateur relativement puissant. Le calculateur doit être capable d'interrompre systématiquement, à un même moment du cycle, toutes ses autres tâches pour se consacrer à la mesure concernée.
L'invention a pour objet de proposer une solution performante répondant aux difficultés exposées, de manière qu'on puisse notamment s'exonérer des conséquences en termes de qualité de mesure, et donc de réglage moteur, provoquées par les fortes fluctuations de pressions (pulsations) dans les collecteurs d'admission de certains moteurs.
Selon une caractéristique importante, la solution de l'invention se caractérise en ce qu'on effectue lesdites mesures échantillonnées de pression de façon asynchrone par rapport au cycle de rotation du moteur, avec un filtrage pour lisser les mesures.
Il peut être envisagé différents types de filtrages, tels qu'un filtrage mécanique (utilisation d'un col ou d'un orifice calibré disposé sur le chemin du collecteur d'admission en amont de la prise de pression), ou encore des filtrages électroniques classiques.
Cependant, de tels filtrages présentent l'inconvénient de n'être pas adaptés aux différentes conditions de fonctionnement du moteur. En effet, un filtrage faible ne permettra pas de s'affranchir des fluctuations de pression rencontrées, alors qu'un filtrage fort empêchera la mesure obtenue de suivre précisément la quantité d'air réelle lors de transitoires par exemple liés à de fortes accélérations ou de rapides variations de position de l'organe de régulation du débit d'air admis.
Pour pallier ces inconvénients, et pour la qualité des mesures à obtenir et pour permettre un traitement optimisé de ces données, il est conseillé que l'étape de filtrage comprenne : - une acquisition, par l'intermédiaire d'un capteur analogique de pression, des données échantillonnées, une conversion de ces données dans un convertisseur analogique/numérique, - puis un passage des données converties dans un filtre numérique dynamique.
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Avantageusement, le filtrage numérique consistera en un filtrage"glissant", c'est-à-dire permettant d'obtenir, à une étape de filtrage de rang n, une valeur moyennée fonction des résultats de l'étape n - 1 et la remplaçant.
Pour une qualité de mesure, ce filtrage sera avantageusement fonction de l'un au moins des paramètres suivants : - régime moteur (vitesse de rotation du moteur), - variation de la vitesse de rotation dudit moteur, - gradient d'ouverture de l'organe régulateur disposé dans le collecteur d'admission où sont effectuées les mesures de pression.
On pourra ainsi en particulier tenir compte des conditions réelles d'utilisation de ce moteur, y compris pendant les phases d'accélération et de décélération.
A noter également qu'un domaine privilégié d'application de la solution de l'invention concerne les moteurs dont les volumes de collecteur (s) d'admission sont faibles et en particulier inférieurs à la cylindrée du moteur.
Il s'est même avéré qu'un secteur encore plus privilégié d'application de la
solution de l'invention est celui dans lequel la relation suivante est vérifiée :
Vpcxnc Vpc x nc < 3, 5 avec : C
Vpc : Volume du collecteur d'admission ou du plénum de ce collecteur où les mesures échantillonnées de pression sont effectuées, nc : Nombre de cylindres du moteur,
C : Cylindrée du moteur.
solution de l'invention est celui dans lequel la relation suivante est vérifiée :
Vpcxnc Vpc x nc < 3, 5 avec : C
Vpc : Volume du collecteur d'admission ou du plénum de ce collecteur où les mesures échantillonnées de pression sont effectuées, nc : Nombre de cylindres du moteur,
C : Cylindrée du moteur.
On notera à toutes fins utiles que l'on appelle "plénum" d'un collecteur d'admission, une chambre interposée sur ce collecteur, entre l'organe régulateur du débit d'air d'admission et la soupape d'admission du cylindre auquel ledit collecteur est relié. Le collecteur peut toutefois en être dépourvu, son volume propre en tenant lieu.
C'est typiquement dans ce plénum que peuvent s'effectuer les mesures échantillonnées asynchrones de l'invention, par l'intermédiaire d'un capteur de pression approprié.
Une description encore plus détaillée de l'invention va maintenant être fournie, en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre schématiquement un cylindre d'un moteur à essence avec un collecteur d'admission, et son plénum d'admission, et un collecteur d'échappement, - la figure 2 montre globalement deux courbes d'évolution du débit massique d'air dans un cylindre en fonction de la pression d'air d'admission, pour un moteur de forte cylindrée (typiquement moteur de
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voiture de 21, à injection ; trait plein) et pour un moteur quatre temps de moto 250 cm3 ; traits pointillés, (cas où le rapport entre le volume du plénum du collecteur d'admission et le volume du cylindre raccordé à ce collecteur est nettement inférieur à 1), et - les figures 3 et 4 montrent l'influence du filtrage dynamique de la pression d'admission (MAP) conformément à l'invention, en fonction de la vitesse de rotation du moteur ou pour différentes ouvertures du papillon d'admission.
Sur la figure 1 tout d'abord, on voit un cylindre 1 avec un collecteur 3 d'échappement de gaz et un collecteur 5 d'admission d'un fluide nécessaire au fonctionnement du moteur. On suppose ici qu'il s'agit d'un mélange air/essence.
Le collecteur d'admission 5 comprend une première partie 5a et une seconde partie 5b entre lesquelles est interposé un "plénum d'admission" 7 dans lequel ne circule que de l'air et consistant en une chambre de tranquillisation de section plus importante que celle des tronçons de collecteur 5a, 5b. Le tronçon 5b est relié à la chambre de combustion (ou chambre d'explosion) 9 à travers l'orifice 11 où est située la soupape d'admission 13. Une soupape d'échappement 15 contrôle le passage entre la chambre 9 et le collecteur d'échappement 3.17 désigne le piston qui se déplace dans le cylindre 1. L'arrivée du carburant n'a pas été représentée.
19 désigne l'organe régulateur du débit d'air d'admission disposé à l'intérieur du tronçon de collecteur 5a, en amont du plénum d'admission 7. En l'espèce, il s'agit d'un papillon monté tournant autour d'un axe.
En amont, le tronçon du collecteur d'admission 5a est relié au filtre à air schématisé en 21.
La représentation de la figure 1 est uniquement une représentation de principe et n'est aucunement limitative.
Sur la figure 2, le débit d'air d'admission dans le cylindre est considéré comme correspondant à celui dans le tronçon 5b, tandis que la pression d'air d'admission (MAP) correspond à la pression dans le plénum 7, là où est disposé un capteur de pression 23.
En outre, les courbes ont été établies avec une pression dans le cylindre supposée constante pendant la phase d'admission et égale à la pression d'air d'admission MAP.
La température est également supposée comme constante durant cette phase d'admission. La soupape 13 est quant à elle supposée ouverte quasiment au point mort haut du piston (immédiatement après) et fermée au point mort bas. On suppose se trouver en cours de cycle de fonctionnement du moteur de sorte qu'il existe un
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volume de gaz brûlés dans le cylindre, juste au-dessus du piston, avant la phase d'admission.
Comme on peut le constater sur cette figure 2, les problèmes de pulsation qui apparaissent alors en particulier sur les moteurs de petites cylindrées (courbe en traits pointillés) à partir d'une certaine pression MAP, empêchent effectivement d'obtenir des données satisfaisantes de pression d'air admis.
Pour s'exonérer de cette dérive qui survient à partir d'une certaine pression MAP, on va donc faire effectuer par la sonde de pression 23 des mesures échantillonnées et ce de façon asynchrone, en associant de préférence à de telles mesures un filtrage électronique pour obtenir des données numériques moyennées.
Le filtrage électronique permet de limiter le niveau de pollution, dès lors qu'il va tenir compte des conditions réelles de fonctionnement du moteur.
Le rythme d'acquisition des mesures asynchrones pourrait être par exemple toutes les quatre à cinq ms.
Le filtre est un filtre numérique passe-bas non linéaire.
Sur la figure 1, on a schématisé en 25 un convertisseur analogique/numérique relié au capteur 23 et, en 27, le filtre numérique recevant les données converties avant de les transmettre, une fois filtrées, vers un calculateur numérique 29 adapté pour en particulier définir le dosage carburant/air devant alimenter les cylindres pour le meilleur fonctionnement de ce moteur.
Bien entendu, des relevés asynchrones de pression permettent d'utiliser un calculateur moins sophistiqué, donc moins cher.
En outre, l'intégration des erreurs du fait du filtre utilisé améliore la précision des mesures qui ne sont ainsi plus soumises aux aléas générés par les pulsations du moteur.
Malgré tout, le filtre induit un effet retard.
Et l'on doit tenir également compte des phases réelles de fonctionnement dans lesquelles peut se trouver le moteur.
Aussi, a-t-on préféré un filtrage dynamique tenant compte d'au moins un (de préférence plusieurs) paramètre moteur et tout particulièrement, le gradient de déplacement de l'organe régulateur 19 et/ou la vitesse de rotation du moteur et/ou l'accélération de ce dernier (dérivée du régime, c'est-à-dire, variation en accélération ou en décélération du régime moteur).
Avec le filtrage dynamique conseillé, plus l'organe de régulation 19 s'ouvrira rapidement, moins le filtre numérique agira. Sa constante de temps sera faible ce qui permettra un suivi rapide de l'évolution de la pression générée par l'ouverture ou la fermeture de ce moyen régulateur 19.
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Typiquement, la formule de fonctionnement opératoire du filtre pourra être la suivante :
MAPn = Man, + G (MAPbasn-MAPn. i) avec : MAPn = Pression d'admission d'air dans le plenum, obtenue au rang d'échantillonnage n, après passage dans le filtre dynamique passe-bas,
MAPn-1 = Pression d'admission d'air dans le plenum, obtenue pour le rang d'échantillonnage n-1,
MAPbasn = pression d'admission d'air dans le plénum, obtenue au rang d'échantillonnage n, non filtrée,
G = gain du filtre.
MAPn = Man, + G (MAPbasn-MAPn. i) avec : MAPn = Pression d'admission d'air dans le plenum, obtenue au rang d'échantillonnage n, après passage dans le filtre dynamique passe-bas,
MAPn-1 = Pression d'admission d'air dans le plenum, obtenue pour le rang d'échantillonnage n-1,
MAPbasn = pression d'admission d'air dans le plénum, obtenue au rang d'échantillonnage n, non filtrée,
G = gain du filtre.
Avantageusement, le gain G du filtre est une fonction d'au moins un des paramètres moteurs précités. Cette fonction peut être déterminée par calcul, ou, mieux encore être définie dans une ou plusieurs tables de calibration établies par des essais du moteur sur banc de test.
On notera qu'en utilisant un tel filtre passe-bas dont le gain G et donc la constante de temps est fonction au moins de la vitesse du moteur (voire de son accélération comme déjà indiquée) et du gradient de déplacement du papillon 19, on élimine les effets des pulsations sans interférer avec la dynamique de la pression d'admission MAP.
Sur les figures 3 et 4, on a d'ailleurs figuré la manière dont le filtre numérique agit. On a représenté en abscisse, sur ces deux figures, le déroulement d'un ou plusieurs cycles moteur, exprimé en degrés de rotation du vilebrequin.
Sur la figure 3, les valeurs de pression sont en ordonnées du coté gauche de la figure. La courbe 1 en trait fin montre l'évolution de la pression mesurée dans le collecteur d'admission sans mesures échantillonnées et filtrées conformément à l'invention, tandis que la courbe 2 en trait épais correspond à l'évolution de la pression MAP telle qu'obtenue à partir des mesures échantillonnées en asynchrone et filtrées comme dans l'invention, en tenant compte de l'évolution du régime moteur N représenté sur la courbe 3 (vitesse de rotation en ordonnées sur la partie droite de la figure) et du gradient de déplacement du papillon d'admission représenté par la courbe 5 sur la figure 4. Sur la figure 4, on a représenté en ordonnées l'angle (apap) d'ouverture du papillon exprimé en pourcentage de la pleine ouverture. La courbe 4 en trait fin montre l'évolution de position de "l'organe régulateur de l'air d'admission" (papillon) tandis que la courbe 5 en trait épais montre l'évolution du gradient de déplacement de cet organe.
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On peut ainsi constater que pendant la période correspondant à la partie notée"phase 1", le filtrage numérique est important alors que le gradient d'ouverture du papillon 19 est faible.
Par contre, pendant la période correspondant à la "phase 2", le filtrage devient minimum tandis que le gradient de déplacement du moyen 19 est important.
Claims (6)
1. Méthode de mesure de la pression dans au moins un collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne, en fonction du régime de rotation du moteur, caractérisée en ce qu'on effectue des mesures échantillonnées de ladite pression dans le collecteur d'admission (5a, 7) de façon asynchrone par rapport au cycle de rotation du moteur, avec un filtrage des mesures pour les lisser.
2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étape de filtrage comprend : - une acquisition des données échantillonnées (en 23), - une conversion dans un convertisseur analogique/numérique (25), - puis un passage des données converties dans un filtre numérique (27).
3. Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'on utilise un filtre électronique (27) dont la constante de temps est pilotée en fonction de la variation de vitesse de rotation du moteur.
4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le collecteur d'admission renfermant un organe mobile (19) régulateur du débit d'air d'admission en fonction d'une position plus ou moins ouverte ou plus ou moins fermée de cet organe régulateur, on utilise, pour l'étape de filtrage, un filtre électronique (27) dont la constante de temps est pilotée en fonction du gradient d'ouverture ou de fermeture de l'organe régulateur
5. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, le collecteur d'admission renfermant un organe mobile régulateur (19) du débit d'air d'admission en fonction d'une position plus ou moins ouverte ou plus ou moins fermée de cet organe régulateur, on utilise un filtre électronique (27) dont la constante de temps est pilotée en fonction du régime moteur ou de son accélération.
6. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on effectue les mesures d'échantillonnage et de filtrage sur un
moteur respectant la condition suivante :
Vc x nc 3 5 avec : C'3, 5 avec : C
Vc : Volume du collecteur d'admission (5a, 7) ou d'un plénum (7) de ce collecteur où les mesures échantillonnées sont effectuées, n nc : Nombre de cylindres du moteur,
C : Cylindrée du moteur.
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