FR2861805A1 - Methode d'estimation de la concentration de certaines especes chimiques a l'interieur d'un cylindre de moteur a combustion, et application au controle d'un moteur a injection - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une méthode d'estimation de la concentration de différentes espèces chimique dans le cylindre d'un moteur de véhicule automobile.Selon l'invention, la méthode est itérative, et comprend les étapes suivantes:1/ Mesure des pression et température (Pcolk, Tcolk) dans le collecteur d'admission à l'itération k ;2/ Prédiction des pression et température (Pcolk+1, Tcolk+1) à l'itération k+1 en fonction de (Pcolk, Tcolk) ;3/ Estimation des masses desdites espèces chimiques dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés;4/ Estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission (5), et dans le cylindre (1) avant et après combustion, à l'itération k+1, en fonction de la quantité de carburant injecté (mCxHyk+1) à l'itération k+1, et des données calculées aux itérations précédentes.

Description

L'invention concerne en général les moteurs à combustion.

Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect une méthode d'estimation de la concentration de certaines espèces chimiques à l'intérieur d'un cylindre de moteur à combustion interne et à injection pilotée, ce moteur comprenant des moyens d'injection de carburant dans le cylindre, des soupapes d'injection et d'échappement, un collecteur d'admission insufflant dans le cylindre un flux de gaz d'admission pour chaque injection, un collecteur d'échappement des gaz d'échappement résultant de la combustion du carburant dans le cylindre, des moyens de recyclage dans le collecteur d'admission d'un flux de gaz d'échappement recyclé pour chaque injection, des moyens d'admission dans le collecteur d'admission d'un flux d'air frais pour chaque injection, et des moyens de mesure de grandeurs caractérisant l'état du moteur, dont au moins la pression et la température dans le collecteur d'admission, une fraction massique résiduelle Xres des gaz d'échappement restant dans le cylindre après l'échappement suivant la combustion.

La qualité de la combustion dans les moteurs à combustion interne (moteur à allumage commandé ou allumage par compression) ainsi que les performances délivrées par les moteurs dépend de la quantité et de la température des gaz présents dans la chambre de combustion. La prédiction des différentes quantités de gaz permet de calculer la quantité de carburant nécessaire au moteur pour fonctionner dans les conditions voulues, ainsi que le couple qui sera délivré et les conditions dans lesquelles il sera délivré (émissions, consommation, dynamique).

De plus en plus de moteurs fonctionnent avec des mélanges pauvres en carburant afin d'augmenter le rendement global. Comme la recirculation de gaz brûlés réintroduit des gaz brûlés dans la chambre de combustion, elle peut, dans le cas de mélanges pauvres, modifier la richesse du mélange à enflammer et donc les caractéristiques de la combustion.

Il est donc crucial dans ce cas de connaître la composition des gaz dans la chambre de combustion afin de connaître la composition des gaz recirculés et ainsi de prédire la composition des gaz dans la chambre au cycle suivant. Les phénomènes transitoires seront alors mieux maîtrisés car la composition des gaz est connues à l'avance.

Par ailleurs, l'émergence de nouveaux modes de combustion ( ATAC, CAI, HCCI...) ainsi que la complexité des moteurs et des objectifs de plus en plus sévères en terme de consommation et d'émissions polluantes nécessitent également une meilleure estimation de la composition chimique du mélange dans le cylindre, pour une meilleure maîtrise de la combustion.

La mesure des gaz dans le moteur étant impossible, il faut donc élaborer des modèles permettant de reconstruire la quantité et la composition du mélange dans le moteur.

A l'heure actuelle, la composition des gaz dans le cylindre est déterminée dans des conditions d'équilibre, sans prendre en compte les gaz recirculés. Il n'est donc pas possible de modéliser les régimes transitoires.

Par ailleurs, il existe des modèles permettant de prédire la pression et la température dans le collecteur d'admission, utilisés pour l'estimation en transitoire de la charge en air frais du moteur.

Ces modélisations ne prennent pas en compte les gaz résiduels provenant de la recirculation interne dans le cylindre, c'est-à-dire la fraction résiduelle des gaz d'échappement restant dans le cylindre, ni la géométrie du circuit des gaz recirculés de manière externe, ni la composition chimique dans ces différents flux.

Ces modèles ne permettent donc pas de déterminer la composition chimique du mélange dans la chambre de combustion en régime transitoire et d'adapter la quantité de carburant injectée en conséquence.

Il en résulte une augmentation des émissions polluantes.

La méthode de l'invention vise à pallier les défauts ci-dessus, et permet de déterminer les diverses espèces chimiques présentes dans le cylindre de tout moteur à combustion interne à pistons classiques instrumenté de capteurs de pression et température dans le collecteur. Le modèle développé est un modèle prédisant la pression et la température dans le collecteur d'admission ainsi que les différentes espèces chimiques dans le cylindre et ceci à un pas de calcul. Ce modèle prend en compte la recirculation externe et interne des gaz.

A cette fin, la méthode de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que qu'elle est itérative, chaque itération correspondant à une injection, et comprend la mise en oeuvre des étapes suivantes à chaque itération k: 1/ Mesure desdites grandeurs, dont les pression et température Polk, Tcolk dans le collecteur d'admission à l'itération k; 2/ Prédiction des pression et température Pcolk+l' Tcolk+l dans le collecteur d'admission à l'itération k+l en fonction de Poolk, Tcolk; 3/ Estimation des masses desdites espèces chimiques dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, à l'itération k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur aux des d'admission Tcolk, et précédentes itérations k+l et k Polk l' Tcolk+l et Polk, données calculées aux itérations 4/ Estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission, et dans le cylindre avant et après combustion, à l'itération k+l, en fonction des 2861805 4 masses calculées à l'étape 3/, de la quantité de carburant injecté mc,IYk+l à l'itération k+l, et des données calculées aux itérations précédentes.

Dans un mode de réalisation possible de l'invention, l'étape 3/ comprend les sous-étapes suivantes.

31/ Estimation des masses totales des flux de gaz d'admission, de gaz d'échappement recyclée et d'air frais mcYlk+1' Amegrk+l' et AmpaPk+1 à l'itérations k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission aux itérations k+l et k Pco1, Tco1k+1 et Pcol k+ 1 k' Tco1k; 32/ Estimation des masses desdites espèces chimiques dans les flux de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, en fonction des masses totales calculées à l'étape 31/ et de la composition chimique dans le collecteur d'admission et dans le cylindre estimée pour l'itération k.

Avantageusement, la masse de gaz d'admission OmcY1 k+1 est estimée en fonction du remplissage i, lui-même calculé en fonction de la pression Pco1k+1 du collecteur d'admission à l'itération k+l estimée à l'étape 2/, et du régime moteur.

De préférence, l'étape 3/ comprend la sous-étape 25 suivante: 33/ Estimation de la fraction massique résiduelle Xresk+l en fonction de la pression Pco1k+1 dans le collecteur d'admission à l'itération k+l.

Par exemple, la fraction massique résiduelle Xresk+l a l'itération k+l est également estimée en fonction de la richesse Ok+1 dans le cylindre à l'itération k+l et des cycles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'injection et d'échappement.

De préférence, les grandeurs mesurées à l'étape 1/ comprennent la pression d'échappement dans le collecteur d'échappement Pechk à l'itération k, cette pression étant utilisée aux sous-étapes 31/ et 33/ pour estimer la masse 2861805 5 totale de gaz d'échappement recyclée Amegrk+l et la fraction massique résiduelle Xresk+l à l'itération k+l.

Par exemple, les moyens d'admission comprennent une première vanne de contrôle contrôlant le débit d'air l'ouverture de la masse totale l'itération k+l étant estimée cette ouverture.

les moyens de recyclage vanne de contrôle contrôlant le débit de gaz d'échappement recyclés dans le collecteur d'admission, l'ouverture de cette vanne étant mesurée à l'étape 1/, la masse totale de gaz d'échappement recyclés Amegrk+l à l'itération k+l étant estimée également en fonction de cette ouverture.

De préférence, l'étape 4/ est réalisée en effectuant des bilans de masses pour le collecteur d'admission et le cylindre, en prenant en compte la combustion de la masse de carburant mC,HYk 1 injectée à l'étape k+l.

Par exemple, un retard i est pris en compte à l'étape 4/ dans le recyclage des gaz d'échappement recyclés.

Avantageusement, les espèces chimiques dont les 25 concentrations sont déterminées par la méthode comprennent au moins le dioxygène 02, l'eau H2O, l'azote N2, et le gaz carbonique CO2.

Selon un second aspect, l'invention concerne l'application de la méthode décrite ci-dessus au contrôle d'un moteur à injection, la quantité de carburant injecté et/ou les cycles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'injection et d'échappement étant déterminés à l'aide de la méthode, de façon à diminuer la consommation de carburant, et/ou réduire les émissions de gaz, et/ou augmenter le rendement du moteur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui frais dans le collecteur d'admission, cette vanne étant mesurée à l'étape 1/, d'air frais Ampapk+l à également en fonction de Avantageusement, comprennent une seconde en est faite ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à allumage commandé et à injection indirecte, sur lequel la méthode de l'invention est appliquée; - la figure 2 est une représentation graphique de l'évolution, en ordonnée, de la pseudo richesse dans le collecteur d'admission, de la richesse dans le cylindre, et du taux de neutres dans le cylindre, en fonction du temps t (abscisse, en secondes), pour une richesse théorique de 0.95 dans le collecteur d'admission sans recirculation externe (EGR), calculée avec la méthode de l'invention; on voit clairement que la richesse est modifiée par la recirculation externe de gaz d'échappement dans le collecteur, et par les recirculations externe (EGR) et interne (IGR) dans le cylindre; le calcul est effectué en supposant que la vanne contrôlant le recyclage des EGR est ouverte entre t=1.2s et t=5.2s, et que la vanne contrôlant l'admission d'air frais est ouverte à partir de t=5.2s; - les figures 3 et 4 sont des représentations graphiques de l'évolution respectivement de la température et de la pression dans le collecteur d'admission (ordonnée, respectivement en K et en pascal) en fonction du temps t (abscisse, en secondes), calculée de la même façon que pour la figure 2; - la figure 5 est une représentation graphique de l'évolution des fractions massiques de dioxygène 02, d'azote N2, d'eau H2O, de gaz carbonique CO2 et de carburant CXHy dans le collecteur d'admission (courbes 1), dans le collecteur d'échappement (courbes 2), et dans le cylindre avant combustion (courbes 3) en fonction du temps t (abscisse, en secondes), calculée de la même façon que pour la figure 2; - la figure 6 est une représentation graphique de la fraction massique résiduelle de gaz restant dans le cylindre après échappement(ordonnée), en fonction du rapport des pressions dans les collecteurs d'admission et d'échappement (Pcol/Pech) et de la richesse dans le cylindre cl) ; - la figure 7 est un logigramme général de mise en oeuvre de la méthode de l'invention; - la figure 8 est un logigramme détaillé de l'étape observateur/ prédicteur de pression/température dans le collecteur et de l'étape de calcul des masses des flux; et - la figure 9 est un logigramme détaillé de l'étape observateur d'espèces.

La méthode d'estimation est adaptée à un moteur à combustion interne et à injection pilotée du type représenté sur la figure 1. Ce moteur comprend au moins un cylindre 1, des moyens 2 d'injection de carburant dans le cylindre 1, des soupapes d'injection et d'échappement 3 et 4, un collecteur d'admission 5 insufflant dans le cylindre 1 un flux de gaz d'admission pour chaque injection, un collecteur d'échappement 6 des gaz d'échappement résultant de la combustion du carburant dans le cylindre 1, des moyens de recyclage 7 dans le collecteur d'admission d'un flux de gaz d'échappement recyclés pour chaque injection, des moyens d'admission 8 dans le collecteur d'admission 5 d'un flux d'air frais pour chaque injection, et des moyens de mesure de grandeurs caractérisant l'état du moteur, dont au moins la pression et de la température dans le collecteur d'admission 5, une fraction massique résiduelle Xres des gaz d'échappement restant dans le cylindre 1 après l'échappement qui suit la combustion.

Les moyens d'admission 8 comprennent une première vanne de contrôle, de type papillon, contrôlant le débit d'air frais dans le collecteur d'admission 5.

Les moyens de recyclage 7 comprennent une seconde vanne de contrôle contrôlant le débit de gaz d'échappement recyclé dans le collecteur d'admission 5.

Pour la suite, on appellera recyclage externe le flux de gaz d'échappement recyclés vers le collecteur d'admission 5, et recyclage interne la fraction des gaz restant dans le cylindre 1 après échappement.

Dans les moteurs fonctionnant en mélange pauvre avec recirculation interne et externe des gaz, les gaz recirculés dans le cylindre ont une composition chimique qui dépend des gaz d'échappement évacués plusieurs cycles auparavant.

Il est donc nécessaire pour le contrôle-moteur de prédire la composition des différents gaz introduits dans le cylindre. Dans un objectif de contrôle de la combustion, il n'est pas nécessaire de connaître exactement toutes les espèces chimiques admises, mais seulement celles pouvant participer à la combustion ou la conditionner.

La méthode de l'invention prend donc en compte: - la masse de dioxygène 02, car elle est représentative de la quantité de comburant disponible la masse d'hydrocarbures frais: CXHY qui est représentative de la quantité de carburant disponible - les masses de CO2, H20 et N2 qui conditionnent la vitesse de combustion ainsi que la température dans la chambre de combustion Les autres gaz ( NOx, HC, CO, ...) peuvent être négligés dans une optique de contrôle de la charge du moteur, car leur influence est négligeable par rapport à 02, CO2, H20, N2 et CXHY.

La méthode de l'invention est un estimateur/prédicteur à un pas qui permet d'estimer la concentration de certaines espèces chimiques dans le cylindre ( 02, 002, H20, N2) avant la combustion. Ce modèle permet donc d'adapter la bonne quantité de carburant et éventuellement le bon phasage d'injection, d'allumage, et d'ouverture des soupapes d'injection et d'échappement à chaque cycle en fonction de l'estimation des gaz présents dans la chambre de combustion.

Pour avoir une bonne estimation des différentes masses de gaz, le principe consiste à considérer que la masse de chaque gaz présente dans le cylindre est la somme des masses de gaz provenant du collecteur d'admission, de la recirculation interne et du carburant injecté.

De même, la masse de chaque gaz présente dans le collecteur d'admission résulte des masses de gaz provenant du flux d'air frais et du circuit de recirculation externe.

Afin de déterminer chaque contribution, des modélisations du débit de gaz traversant les première et seconde vannes de contrôle sont décrites. Un modèle d'estimation de la quantité de gaz recirculés de manière interne est présenté.

Les débits traversant les vannes de contrôle sont modélisés à l'aide de la relation de Barré de St Venant, en fonction de leur ouverture et d'une différence de pression amont/aval.

La quantité de carburant injectée est déterminée en fonction des caractéristiques de l'injecteur ( débit en fonction de la durée d'ouverture, de la tension batterie...). Ce point est connu et ne sera pas développé ici.

Le recyclage interne est déterminé à partir d'une analyse thermodynamique du cycle du moteur et nécessite de déterminer la pression échappement ( ce qui peut être réalisé par un modèle ou une cartographie donnant la pression collecteur en fonction du régime moteur).

Cette méthode ne nécessite pas d'instrumentation supplémentaire sur un véhicule et permet de mieux gérer les régimes transitoires. Il faut toutefois effectuer certaines calibrations sur banc moteur pour la modélisation des échanges de chaleur dans le collecteur d'admission.

La méthode de prédiction est basée sur un modèle physique moyen. On considère que la température est 2861805 10 uniforme dans les collecteurs, que les gaz sont mélangés de façon homogène, que la combustion est complète et que les gaz obéissent à la loi des gaz parfaits.

La méthode de l'invention est itérative, chaque 5 itération correspondant à une injection.

Comme le montre la figure 7, elle comprend la mise en uvre des étapes suivantes à chaque itération k: 1/ Mesure des grandeurs caractéristiques du moteur, dont les pression et température Pco1k, Tcolk dans le collecteur d'admission 5 à l'itération k; 2/ Prédiction des pression et température Polk.1, Tcolk+l dans le collecteur d'admission 5 à l'itération k+l en fonction de Polk, Too1k; 3/ Estimation des masses totales et des masses des espèces chimiques dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, à l'itération k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission 5 aux itérations k+l et k Pcolk+l' Toolk+l et Polk, Tco1k, et des données calculées aux itérations précédentes; estimation de la fraction massique résiduelle Xresk+1 après échappement à l'itération k+1 dans le cylindre 1; 4/ Estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission 5, et dans le cylindre 1 avant et après combustion, à l'itération k+l, en fonction des masses calculées à l'étape 3/, de la quantité de carburant injecté mc,,Yk+i à l'itération k+l, et des données calculées aux itérations précédentes.

On va d'abord décrire les équations permettant 30 d'effectuer les calculs des étapes 2/ à 4/. Dans un deuxième temps, on détaillera les sous-étapes constituant les étapes 2/ à 4/.

La signification des variables utilisées dans les équations est précisée à la fin de la description.

Modèle de collecteur d'admission utilisé.

En différenciant la loi des gaz parfaits (1) et à partir de la loi de conservation de la masse (2), on obtient l'équation (3) : PV = mr T Emin=raout Pco1 = V \mpaprairTamb + megrregrTegr mcylrcolTcol + AmpaprairTair + AmegrregrTegr AmcylrcolTcoi) col (3) Les compositions des gaz d'échappement recyclés, de l'air frais et des gaz contenus dans le collecteur étant différentes, la constante des gaz parfaits est différente. Par soucis de simplification des calculs, on peut prendre comme valeurs (par exemple) . rair=287 J/kg/K rcoi=288 J/kg/K regr=294 J/kg/K Afin de déterminer la température dans le collecteur, on utilise l'équation de la conservation de l'énergie (4).

dEc+dEp+dU=8Q+8W+h rh +h m h rira (4) pap pap egr egr cyl cyl On considère que les énergies cinétique dEc et potentielle dEp sont faibles et que le travail du collecteur 0W est nul. On obtient alors une relation sur la dérivée de la température (5). 5)

Afin de modéliser les échanges de chaleur dans le collecteur, on utilise une relation (6) du type (1) (2) = h, (T,ol Tparol) avec \ h= / P v Dh E Cp,cc Q \ lu i / Lcol La relation (6) peut être mise sous la forme (8) l Tcor Ycor = N (Tcol Tarib)(mpap + megr Pcol Les échanges de chaleur par conduction et radiation ne sont pas exprimés directement mais ils sont pris en compte lors de la calibration du modèle à travers f3 et K. Le débit d'air frais est déterminé à partir de la relation de Barré de St Venant (9) qui suppose un écoulement mono dimensionnel isentropique à travers un orifice.

(6) (7) (8) Y 1 \ Y si Pcol Pamb \ y+l1 si Pc Pamb \)f (9) r 2 +1, Le débit d'air frais étant proportionnel à la section de passage du conduit, il faut caractériser l'ouverture de la première vanne de contrôle, de type papillon. forme: La section de passage du papillon est de la d d. D d cos(a) D" S -- d DP" 1- + r 1 + p. aresin 2 (D) 2 D,0, cos(a)J 2D a P cos(a) / 1 ( d cos(a )\ 2 cos(a ) esinl D, cos(a) pour un angle papillon inférieur à arccos / d \ Dpap (10) .cos(ao) Cdegr Segr Pech m egr = (13) V rTegr I r+l z 2 z(r 1) pool ( 2 r -1 si < y+l/ PeCh \y+1 2y y 1 Pour des angles papillon supérieurs à cette valeur, la section de passage est: z Spap = D2ap aresin Dpap / d. Dpap 2 V ( \z d Le débit de gaz d'échappement recyclés est également déterminé à partir de la relation de Barré de St Venant. La section de passage de la seconde vanne de contrôle est modélisée par la relation Segr =z degr Lee (12) La masse du flux de gaz d'admission Amcy1 entrant 15 dans le cylindre est estimée à partir du remplissage moteur. Pcal

Le remplissage 1v est caractérisé en fonction de la pression collecteur et du régime moteur.

4meyl = rcyl v (Pcol, N) (14) Tcol Tref Vcyl Tcal 14 Observateur/prédicteur de Luenberger La prédiction de la pression et de la température 5 dans le collecteur 5 est réalisée à partir d'un système mis sous forme de représentation d'état: X = AX et Y= CX où A et la matrice d'état, C /Pcol\ est la matrice identité et X= \Tcol Etant donné que les équations (3) et (5) sont non linéaires, il faut linéariser les équations autour d'un point de fonctionnement après les avoir exprimées de façon symbolique pour obtenir un système linéaire. La linéarisation est effectuée de la manière suivante pour une fonction: f (x + 0X) = f (Ai + d d(Xx). Y (15) Dans notre cas, on a x= Pcol On obtient donc "'col, i /' j col col Tcol)(Pcor+APcor,T o,+ATcor) \Tcol, -Pcor aPcol aPcol aTcol aTcol aTcol aTcol eTcol / (Pcor,Tco, ) + (Pco,,Tco, ) col ATcol (16) Après discrétisation à une période te (qui est 25 variable temporellement et variable angulairement), la représentation devient: Xk+1 =Ao Xk + A0 I A(t0) Vo (17) 2861805 15 où Ao =exp(A(to).te) , I est la matrice identité et Vo représente les conditions initiales de la dérivée du vecteur X. aPcol P aPcol T 'Pool Pool pCol P col aT Col a aP aT V = col cor e t A= oor col Vo Tcor al) .1 aTool.Tcol aTcol aTcol apcol 0Tcol / aTcol aTcol L'observateur/prédicteur s'écrit alors Xk+1/k A0 Xk/k 1 + (A0 - I) A(to) 1 Vo + Ko (Yk - C. Xk/k-I) La matrice Ko est le gain de l'observateur, Yk C.Xk/k-1 représente l'erreur.

X=AX Y=CX X AX+K(Y CX) La stabilité de l'observateur est assurée par placement de pôle. Les pôles sont définit comme étant les valeurs propres de la matrice Ao - Ko*C dans un système discret. Pour avoir un système stable, le module des pôles doit être inférieur à 1.

Estimation des masses des flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés La masse de gaz d'échappement recyclés dans le collecteur d'admission à l'itération k+1 est obtenue à partir de l'équation de conservation de la masse appliquée au collecteur d'admission 5 (éq.19).

2861805 16 Etant donné que la variation de masse dans le collecteur est due au débit entrant dans les cylindres d'une part et aux débits admis via le papillon et la seconde vanne de contrôle d'autre part, on peut écrire: AmeS,t.i mcolk+t mcolk 4m + AmcY (19) masse de gaz variation de masse masse d'air masse de gaz recyclés dans le collecteur par la vanne sortant du papillon collecteur mcolk+1et mcolksont déterminés à partir de la loi des gaz parfaits (éq.l) étant donné que l'on connaît la pression et la température dans le collecteur 5 aux itérations k+l et k.

En connaissant le débit du flux d'air frais traversant la vanne papillon par la relation de Barré de St Venant, on détermine la masse du flux d'air frais en multipliant par la période d'échantillonnage te, c'est-à- dire par l'intervalle de temps séparant deux injections successives.

Am papk+i m papk+i. te (20) La masse de chaque espèce chimique dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés est déterminée comme suit: ZCO2 colle+1 mcol k+1 mCO2 colk + AmCO2 egrk+, AmCO2 cylk+, MO2 Amo2Papk =AmPaPk, MO2 +3.77M N2 MN2 AmN2PaPk+, OmPaPk+t Mot +3.77 MN2 Am02egrk+, Amegrk+, 'X02echk_, AmN2egrk+, Amegrk+, '2N2echk_, AmH2Oegr" Ame$rk+, ZH2Oechk_r A1CO2egrk+, =Amegrk+i ZCO2echk_z Am02cylk+, Amcylk+, 'ZO2colk AmN2CYlk+1 Amcylk+, '/'N2co1k QmH2Ocy1k+1 Ameylk+, 'ZH2Ocolk OmCO2cylk+1 Amcylk+, XCO2 colk où ti représente le retard des gaz d'échappement recyclés, c'est-à-dire le délais pour que les gaz d'échappement parcourent le circuit reliant le collecteur d'échappement et le collecteur d'admission.

Estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission et le cylindre, avant et après 10 combustion La concentration, c'est-à-dire la fraction massique, de chaque espèce chimique dans le collecteur d'admission 5 à l'itération k+l est alors: m02co1k +Amo2Papk+, +Am02egrk+, Amo2cylk+i xO2colk+l mcol k+1 mN2colk +AmN2POPk+i +QmN2egrk+, AmN2cYlk+, (22) mH2Oco1k +AmH2Oegrk+, Am H2Ocy1k+1 mcol k+1 (21) ZN2colk+, mcol k+I ZH2O colk+1 2861805 18 La concentration de chaque gaz dans le collecteur d'échappement à l'itération k+1, après combustion, correspond à : Xi col k *1 Amcyl k+i + Xi ech k mres k+l Am cyl k,I +mCsHy x+i+ mres k+i (23) xi ech k+i mresk+l représente la masse de gaz résiduelle dans le cylindre 1 à la fin de l'itération k, après échappement, et donc au début de l'itération k+l, avant que le flux de gaz d'admission pénètre dans le cylindre 1.

La fraction massique de gaz résiduels est définie comme: xres mres (24) mr0, , où mtot,yl est la masse totale dans le cylindre 1. On en déduit donc m =x. Am +m +m Tes res cyl CH res k' xy / on obtient _.yeti, (26) Les concentrations des différentes espèces chimiques dans le cylindre 1 après combustion, à l'itération k+l, sont donc: (25) Xres k+t \mcyl t+t + mCsHy k+t Am cyl k +mCxH,, k+1 + 1 'tes k+t Xres k+i 0172cyl k+, + mCsHy k+i / Omeylk+I k+, +YYICxHy + 1 %res k+t %res (AM cyl.mcyl + x+, cyl k+t xHy k+t + Qm k+l %CO2 ech k COZ C. H. x+i res k+i / %res k+i (Amcyl k+t + mC.,H., k+1) Omcyl k+I +mCx Il y, k+t + (27) La concentration des espèces chimiques dans le 5 cylindre 1, à l'itération k+ 1, avant combustion est: XN2 col k+i 'mcyl k+l + .N2 ech k ZN2 eY1 k+l 1 Zres y k+t /l, res k+l (Amci k+l + mC.xH É ) y k+I XH20col k+l'mcyl k+l + %H2Oech k 1 Xres k 1 1 Xres k-,l %O, ech k+I 1 %N, ech k+I %H2Oech k+I ZCO, ech k+, ( ZN, ech k+, %N, col k+1 'mcyl k+, + X N2 ech k 1 ires k+I Xres k+I (Amcyl k+I +mCxFIy, )'\ k+, %H+Oech k+t ZCO, ech k+t %H20col k+t 'mcyl k+, + %H2Oech k %CO2 col k+i Xres k+1 (\mcyl k+l + mCxH k+1 1 /res k+i / + AmH2O C,H, k+I 1 %res k+I /L 02 cyl k+l 1 XN2 cyl k+1 XH2O cy1 k+1 XC'02 cyl k+1 x H y cyl k+l Xres k+l (Am cyl + m k+l Cxfl y k+l 1 Xres k+l Xres k+1 (AMcyl k+l + mCxH, ) Am + m + k+1 cyl k+l Cx Hy k+l XH2Ocyl k+l ) xres x+1 (Amcyl + m k+l Cxtl y x+1 Amcy1 k+l + mCxHy k+l + XCO2 cyl k+1 %CO2 col k+1 'mcyl k+I + %CO2 ech k xres (4mcy1 k+1 + m k+I CsH k+ y 1 Xres k+1 Xres k+1 Amcyl k+1 + mCxH. I y k+I 1 xres k+1 Ameyl k+I + mCxly k+1 + mCxHy k+l %CxHycyl k+1= x(Om + m) res k+1 cyl k+t CkHy k+l Ameyl k+ t + mCxHy k+1 + 1 xres k+1 (28) Les masses de CO2 et H20 résultant de la combustion du carburant sont déterminées à partir de la masse de carburant injecté en supposant que la combustion est complète. L'équation est du type: ( CzHy+/x+y(02+3.77N2)-xCO2+yH2O+ x+y 3.77 N2 (29) 2 4, On obtient donc comme apport de masse dû au carburant: AmH2O C,,H, k+1 = yk+ 1. Am

CO2 C..,Hyk+1 = mCxHyk+1 MHZQ Y MCH 2 MC0.x MC.YHy (30) Estimation de la fraction massique de gaz résiduels Le modèle de gaz résiduels utilisé est un modèle zéro dimension basé sur une analyse du cycle théorique et ensuite recalé sur moteur. Ce modèle prend en compte la géométrie de ladistribution, les pressions moyennes admission et échappement, le rapport volumétrique et la richesse.

1-0.7106 2 0 =15.18490F Pcolk resk+l N Pechk Pcolk Pechk, OF = Dadm Aadm + Déch Aéch Vd Dans cette relation, Dadm et Déch sont les diamètres des sièges des soupapes d'admission et d'échappement, Vd est la cylindrée. Aadm et Aéch, sont les aires définies par: OA=FE RFE Aadm = f Ladm d B et Aéch = f Léch d B (33) AOA OA=FE où LI et Le sont les levées des soupapes d'admission et d'échappement. AOA et RFE sont l'avance ouverture admission et le retard fermeture échappement;OA=FE 8.4357 / \ 0.155 +0.0381Y'k Pcolk (31) Tx Pechk i (32) indique l'angle vilebrequin lorsque les levées de soupape sont identiques pour l'admission et l'échappement.

Calcul de la richesse Les gaz d'échappement recyclés contiennent du dioxygène lorsque le moteur fonctionne en mélange pauvre, le calcul de la richesse est donc définit par rapport au dioxygène étant donné que c'est le comburant. On définit la richesse comme étant: mCH. mo

mC.,Hy m 02 / stoe mC H mair ( mCH \ mair Jsu), et non plus (34) A partir des différentes concentrations calculées antérieurement (collecteur et échappement), on peut définir une pseudo-richesse dans le cylindre qui ne prend en compte que le dioxygène provenant du collecteur d'admission (Ço,eg,.k) et une richesse dans le cylindre ( 002 c,,i k) avec.

_ MÇHy k 9'02 egr k = / .PCO,o2.Lo2 col k ÉQmcyl k et (35) mCxHr k x02 ech k Amcyl k + mCsHY k x02 col k mcyi k + PCO,o2 (36) O o2 cyi k 1 xres k avec 12x+ y (37) où PCO,02représente le pouvoir comburivore du carburant par rapport au dioxygène.

x+ 4J.MoZ PCO, 02 = On peut également définir un taux de neutre qui représente la quantité de gaz neutres, c'est à dire de gaz ne participant pas à la combustion, par rapport à la stoechiométrie.

mC.,Hy taux neutre = mneutres PCO,neutres xMco2 + Y MH2o + x + Y 3.77 MNZ 2 4 12x+y Cette démarche permet, d'un cycle au suivant, de connaître la composition massique des gaz présents dans le cylindre pouvant participer à la combustion. Couplée à une prédiction des masses admises via la modélisation du collecteur d'admission 5 et à une estimation des gaz d'échappement recyclés de façon interne, elle permet de prédire la composition massique du flux de gaz d'admission.

On va maintenant, en référence aux figures 7 à 9, détailler la méthode de calcul, et en particulier les étapes de calcul 1/ à 4/ mentionnées plus haut.

Comme le montre la figure 8, l'étape 1/ est précédée d'une étape d'initialisation 0/, effectuée dans une phase de démarrage, qui n'est pas répétée à chaque itération.

Au cours de cette étape 0/, les fractions massiques des différentes espèces chimiques dans les collecteurs d'admission et d'échappement sont prises égales à celles de l'air.

L'étape 1/ consiste à mesurer des grandeurs caractérisants l'état du moteur. Ces grandeurs sont typiquement les pression et température Polk+l, Toik dans avec PCO, neutres = 2861805 23 le collecteur d'admission à l'itération k, la pression extérieure Patm, la température ambiante Ta b, la pression d'échappement Pechk à l'itération k, la température des gaz dans le collecteur d'échappement Techk, et les ouvertures des première et seconde vannes de contrôle (nommés respectivement angle papillon et levée EGR). La pression d'échappement Pechk et la température des gaz dans le collecteur d'échappement Techk peuvent également être estimées et non mesurées.

L'étape 2/ vise à prédire les pression et température Pco1k+1, Tco1k+1 dans le collecteur d'admission 5 à l'itération k+l en fonction de Pco1k, Tco1k.

On calcule d'abord pour cela, comme le montre la figure 8, les débits massiques totaux d'air frais et de gaz d'échappement recyclés, à l'itération k, à partir des équations (9) et (13). On calcule également la masse du flux de gaz d'admission AmcYlk à l'itération k à l'aide de l'équation (14).

Puis on intègre les débits massiques totaux d'air frais et de gaz d'échappement recyclé, à l'itération k, pour obtenir les masses des flux d'air frais et de gaz d'échappement recyclés Ampapk et Amegrk à l'itération k.

Enfin, à l'aide des équations (3), (5) et (18), on prédit les pression et température dans le collecteur d'admission Pcolk+l et Tcolk+i à l'itération k+l.

L'étape 3/ est partiellement représentée sur la figure 8 et vise à estimer les masses totales et les masses des espèces chimiques dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, à l'itération k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission aux itérations k+l et k Pcolk+l' Tcolk+l et Pcolk, Tcolk, et en fonction des données calculées aux itérations précédentes.

Pour cela, l'étape 3/ comprend les sous-étapes 35 suivantes: Sous-étape 31/ 2861805 24 Estimation du débit massique total du flux d'air frais à l'itération k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission à l'itération k+l, en utilisant l'équations (9).

Intégration du débit massique total d'air frais à l'itération k+l, pour obtenir la masse du flux d'air frais Ampapk+l à l'itération k+1.

Estimation de la masse du flux de gaz d'admission Omcyl à k+1 l'itération k+l à l'aide de l'équation (14), en fonction 10 des pression et température dans le collecteur d'admission à l'itération k+l.

Estimation de la masse dans le collecteur d'admission à l'itération k+l et à l'itération k à l'aide de l'équation (1), en fonction des pression et température aux itérations k+l et k Pco1k+1' Tco1k+1 et Pco1k, Tcolk; Estimation de la masse du flux de gaz d'échappement recyclés Amegrk, à l'itération k+1, à l'aide de l'équation (19).

Sous-étape 32/ Estimation des masses des espèces chimiques dans les flux de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés (micylk+l' Amiegrk+l) , i représentant Oz, H2O, N2, et CO2, en fonction des masses totales calculées à l'étape 31/ et de la composition dans le collecteur d'admission et dans le cylindre après combustion estimées pour l'itération k, en utilisant les équations (21).

Estimation des masses des espèces chimiques dans le flux d'air frais Amipapk+l' i représentant 02 et N2, en fonction de la masse totale du flux Ampapk+l estimée à l'étape 31/ et de la composition chimique de l'air, en utilisant les équations (21) Sous-étape 33/ Estimation de la fraction massique résiduelle X à resk+l l'itération k+l en fonction des pressions Pco1k et Pechk dans les collecteurs d'admission et d'échappement à l'itération k, en fonction de la richesse d)k dans le cylindre à l'itération k, des cycles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'injection et d'échappement, et de données géométriques et fonctionnelles sur les soupapes d'admission et d'échappement, à l'aide des équations (31) à (33).

La richesse 0k utilisée est elle-même estimée à l'aide des équations (36) et (37).

L'étape 4/ est représentée sur la figure 9 et constitue l'indicateur d'espèces chimiques. L'estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission à l'itération k+l, c'est-à-dire l'estimation des fractions massiques XjColk+1, est effectuée à l'aide des équations (22), en utilisant les masses des différents éléments chimiques présents dans le collecteur d'admission micolk estimées pour l'itération k. La masse totale présente dans le collecteur d'admission à l'itération k+l mColk+1 est estimée en utilisant l'équation (1), en fonction de la pression dans le collecteur Pcol Application industrielle de l'idée La méthode décrite ci-dessus fonctionne pour les moteurs à quatre temps à allumage commandé ou diesel.

Les applications potentielles de l'idée sont de deux ordres.

Cet estimateur peut être implanté dans un contrôle moteur. Il tient compte de l'historique du moteur car les valeurs calculées prennent en compte les réglages k+l évaluée à l'étape 2/.

Les fractions massiques de chaque espèce chimique Xiechk+1 dans le cylindre avant et après combustion, à l'itération k+l, sont estimées à l'aide des équations (27), (28) et (30) en fonction des masses calculées à l'étape 3/, de la quantité de carburant injecté m à C,HYk+1 l'itération k+l, de la fraction résiduelle Xresk+l calculée à la sous-étape 33/ et des fractions massiques calculées aux itérations précédentes.

Les équations (30) permettent de prendre en compte les apports de masses de CO2 et H2O résultant de la combustion.

2861805 26 effectués les cycles précédents. Les phases transitoires sont donc mieux gérées et ceci sans capteurs supplémentaires.

Il peut être utilisé sur des moteurs possédant des déphaseurs d'arbres à cames augmentant le croisement car le calcul de la fraction massique de résiduels tient compte de la distribution du moteur.

Les figures 2 à 6 illustrent les résultats de calculs effectués avec la méthode de l'invention dans un 10 cas de fonctionnement typique.

Identification des acronymes utilisés dans les équations A: aire Cd: coefficient de débit Cp: capacité thermique massique à pression constante Cv: capacité thermique massique à volume constant D: diamètre papillon d: diamètre axe de papillon degr: diamètre axe de la seconde vanne de contrôle Ec: énergie cinétique Ep: énergie potentielle h: enthalpie massique Legr: levée de la seconde vanne de contrôle L01: longueur du collecteur M: masse molaire m: masse m: débit Am: masse transférée pendant une période te N:régime moteur OF: facteur de croisement P: pression P: dérivée de la pression par rapport au temps PCO,02: pouvoir comburivore du carburant par rapport au dioxygène 2861805 27 Q: chaleur Q flux de chaleur r: Constante des gaz parfaits de l'air.

S: section T: température T: dérivée de la température par rapport au temps te: période d'échantillonnage Tx: rapport volumétrique U: énergie interne V: volume W travail x: nombre d'atomes de carbone par molécule de carburant y: nombre d'atomes d'hydrogène par molécule de 15 carburant É angle papillon a : angle papillon en position fermée de la vanne (3: constante x ou X: fraction massique 8 constante s: constante k constante richesse y: coefficient adiabatique lite: remplissage É : conductibilité thermique É viscosité dynamique / : viscosité cinématique p: masse volumique a constante C: constante de retard des gaz d'échappement recyclés constante 35 Indices adm: admission amb, air: ambiant col: collecteur cyl: cylindre éch: échappement egr: recirculation des gaz d'échappement IGR: recirculation des gaz internes i: espèce chimique i (02, H2O, N2, 002, CXHy) in: entrant out: sortant pap: papillon h: hydraulique res: résiduel dans le cylindre tot: total

Claims (1)

1. 29 REVENDICATIONS

   1. Méthode d'estimation de la concentration de certaines espèces chimiques à l'intérieur d'un cylindre (1) de moteur à combustion interne et à injection pilotée, ce moteur comprenant des moyens (2) d'injection de carburant dans le cylindre (1), des soupapes d'injection et d'échappement (3, 4), un collecteur d'admission (5) insufflant dans le cylindre (1) un flux de gaz d'admission pour chaque injection, un collecteur d'échappement (6) des gaz d'échappement résultant de la combustion du carburant dans le cylindre (1), des moyens de recyclage (7) dans le collecteur d'admission (5) d'un flux de gaz d'échappement recyclé pour chaque injection, des moyens d'admission (8) dans le collecteur d'admission (5) d'un flux d'air frais pour chaque injection, et des moyens de mesure de grandeurs caractérisant l'état du moteur, dont au moins la pression et de la température dans le collecteur d'admission (5), une fraction massique résiduelle Xres des gaz d'échappement restant dans le cylindre (1) après l'échappement suivant la combustion, caractérisé en ce qu'elle est itérative, chaque itération correspondant à une injection, et comprend la mise en oeuvre des étapes suivantes à chaque itération k: 1/ Mesure desdites grandeurs, dont les pression et température (Pcolk, Tcolk) dans le collecteur d'admission à l'itération k; 2/ Prédiction des pression et température (Pco1k+1, TcoIk+1) 30 dans le collecteur d'admission (5) à l'itération k+l en fonction de ( Pcolk, Tco1k) ; 3/ Estimation des masses desdites espèces chimiques dans les flux d'air frais, de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, à l'itération k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission (5) aux itérations k+l et k (P colk+l' Tcolk+l 2861805 30 Poolk, Tcolk), et des données calculées aux itérations précédentes; 4/ Estimation de la composition chimique dans le collecteur d'admission (5), et dans le cylindre (1) avant et après combustion, à l'itération k+l, en fonction des masses calculées à l'étape 3/, de la quantité de carburant injecté (mc, yk+1) à l'itération k+1, et des données calculées aux itérations précédentes.

   2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étape 3/ comprend les sous-étapes suivantes: 31/ Estimation des masses totales des flux de gaz d'admission, de galîz d'échappement recyclée et d'air frais (AmcYlk+1' Amegrk+l' rapk+l) à l'itérations k+l, en fonction des pression et température dans le collecteur d'admission (5) aux itérations k+l et k (Pco1k+1, Tco1k+1 ' Pcolk' Tcolk) ; 32/ Estimation des masses desdites espèces chimiques dans les flux de gaz d'admission et de gaz d'échappement recyclés, en fonction des masses totales calculées à l'étape 31/ et de la composition chimique dans le collecteur d'admission (5) et dans le cylindre (1) estimées pour l'itération k.

   3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la masse de gaz d'admission (AmcY1k+1) est estimée en fonction du remplissage (T1J lui-même calculé en fonction de la pression (Pco1k+1) du collecteur d'admission (5) à l'itération k+l estimée à l'étape 2/, et du régime moteur.

   4. Méthode selon la revendication 2 ou 3, 30 caractérisée en ce que l'étape 3/ comprend la sous-étape suivante.

   33/ Estimation de la fraction massique résiduelle (Xresk+l) en fonction de la pression (Pcolk+l) dans le collecteur d'admission (5) à l'itération k+l.

   5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que la fraction massique résiduelle (X) à resk+l l'itération k+l est également estimée en fonction de la richesse (d)k+1) dans le cylindre (1) à l'itération k+l et des cycles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'injection et d'échappement (3, 4).

   6. Méthode selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les grandeurs mesurées à l'étape 1/ comprennent la pression d'échappement dans le collecteur d'échappement (6) (Pechk) à l'itération k, cette pression étant utilisée aux sous-étapes 31/ et 33/ pour estimer la masse totale de gaz d'échappement recyclée (Amegrk+l) et la fraction massique résiduelle (Xresk+l) a l'itération k+l.

   7. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'admission (8) comprennent une première vanne de contrôle contrôlant le débit d'air frais dans le collecteur d'admission (5), l'ouverture de cette vanne étant mesurée à l'étape 1/, la masse totale d'air frais (Ampapk+1) à l'itération k+l étant estimée également en fonction de cette ouverture.

   8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les moyens de recyclage (7) comprennent une seconde vanne de contrôle contrôlant le débit de gaz d'échappement recyclés dans le collecteur d'admission (5), l'ouverture de cette vanne étant mesurée à l'étape 1/, la masse totale de gaz d'échappement recyclés (Omegrk+l) à l'itération k+l étant estimée également en fonction de cette ouverture.

   9. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'étape 4/ est réalisée en effectuant des bilans de masses pour le collecteur d'admission (5) et le cylindre (1), en prenant en compte la combustion de la masse de carburant (%,yk+l) injectée à l'étape k+l.

   10. Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'un retard (T) est pris en compte à l'étape 4/ dans le recyclage des gaz d'échappement recyclés.

   11. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les espèces chimiques dont les concentrations sont déterminées par la méthode comprennent au moins le dioxygène 02, l'eau H2O, l'azote N2, et le gaz carbonique CO2.

   12. Application de la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 au contrôle d'un moteur à injection, la quantité de carburant injecté et/ou les cycles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'injection et d'échappement étant déterminés à l'aide de la méthode, de façon à diminuer la consommation de carburant, et/ou réduire les émissions de gaz, et/ou augmenter le rendement du moteur.