FR2876739A1 - Procede de regulation d'un systeme d'admission d'un moteur a combustion interne et vehicule automobile mettant en oeuvre ce procede - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne utilisant un procédé d'estimation de la masse totale de gaz admise dans des chambres de combustion du moteur à combustion interne, selon lequel on mesure le débit d'air frais et on introduit la masse totale de gaz estimée et le débit d'air frais mesuré comme valeurs d'entrée dans un régulateur destiné à réguler le système d'admission.L'invention concerne également un véhicule automobile pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Description
L'invention concerne un procédé de régulation d'un système d'admission
d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne et des moyens mettant en uvre ce
procédé.
Pour obtenir un fonctionnement optimal d'un moteur à combustion interne, on se sert de plusieurs paramètres, par exemple de la quantité d'air admise dans la ou les chambres de combustion du moteur. En effet, la masse d'air admise, par cycle de fonctionnement, dans chacune des chambres de combustion conditionne les émissions et le couple fourni par le moteur. A cet effet, on utilise généralement une cartographie de remplissage associée éventuellement à un capteur de pression de suralimentation en cas de présence d'un turbocompresseur ou d'un compresseur. Par ailleurs, dans de nombreux moteurs, on ajoute à l'air frais un pourcentage des gaz d'échappement du moteur qui sont reconduits ou recirculés vers l'entrée de la ou des chambres de combustion pour limiter les émissions de gaz toxiques. Toutefois, les demandes en air frais et les demandes en gaz recirculés variant au cours du fonctionnement du moteur, notamment suivant le régime et la charge du moteur, il est nécessaire de connaître à tout moment la masse d'air frais aspirée par le moteur afin de pouvoir réguler le dispositif d'admission d'air et de gaz recirculés.
Dans le cadre de la présente invention, le terme "les gaz admis" désigne indifféremment de l'air frais seul et de l'air frais mélangé avec une partie recirculée des gaz d'échappement, quelque soit leur rapport volumique, destinés à être admis dans une ou plusieurs chambres de combustion d'un moteur à combustion interne.
Cette désignation va par ailleurs dans le sens de l'objet de l'invention selon lequel on régule le système d'admission de gaz sur la base d'une estimation de la masse totale des gaz admis dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, faute de pouvoir mesurer directement la masse de gaz recirculés.
Les moteurs auxquels la présente invention s'applique plus particulièrement sont des moteurs à allumage par compression. Toutefois, l'invention peut également s'appliquer à des moteurs à allumage commandé.
Des procédés d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne sont connus. Ainsi, par exemple, le document FR-A-2 835 281 décrit un procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion à partir de mesures de la pression dans les cylindres du moteur. L'estimation se base sur un modèle polytropique et la masse d'air est estimée par une formule du type M = A x AP + B, où les coefficients A et B sont cartographiés en fonction du régime du moteur. Le coefficient A est par ailleurs corrigé en fonction de la température de l'air d'admission. Ce procédé d'estimation s'applique uniquement à des moteurs qui ne sont pas pourvus d'un système de recirculation des gaz d'échappement.
Un autre procédé d'estimation de la masse d'air est connu du document EPA-O 522 908. Ce procédé se base, comme celui décrit dans le document cité ci avant, sur un modèle polytropique et sur une formule du type M = A x OP + B où A et B sont fonction des positions angulaires du vilebrequin du moteur ainsi que de la pression dans les chambres de combustion, du volume dans les chambres de combustion aux positions angulaires indiquées du vilebrequin et d'autres paramètres. Ce procédé d'estimation s'applique uniquement à des moteurs à allumage commandé et sans recirculation des gaz d'échappement.
Le document US-A-005245969 décrit un procédé de contrôle des paramètres d'injection et d'avance à l'allumage dans un moteur à combustion interne à partir de l'évaluation du remplissage sur la base du signal d'un 2876739 3 capteur de pression de la chambre de combustion. Ce procédé fait abstraction d'un débitmètre d'air et ne semble donc pas applicable à un moteur suralimenté et muni d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement.
Le document US-A-006167755 décrit un procédé d'estimation de la charge en air admise dans un moteur à combustion interne. L'estimation est effectuée à partir de la mesure de pression dans une chambre de combustion à deux positions angulaires prédéterminées du vilebrequin. Ce procédé semble inadapté au fonctionnement d'un moteur suralimenté et muni d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement.
Encore un autre procédé d'estimation de la masse d'air admise est connu du document US-A-005359975. La masse d'air est estimée sur la base des indications d'un débitmètre et se limite à des applications à un moteur à allumage commandé non suralimenté.
Tous les procédés d'estimation de la masse d'air frais admise dans une chambre de combustion énoncés ci avant se basent donc en particulier sur l'information issue d'un débitmètre d'air et sur une mesure de la pression. Toutefois, ces procédés présentent quelques inconvénients en raison desquels ces procédés connus ne peuvent pas être appliqués de manière principale à un moteur à allumage par compression suralimenté et muni d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement.
En effet, lorsque la masse d'air totale admise est estimée à l'aide de la pression mesurée dans le collecteur d'admission du moteur à combustion, la masse d'air réellement admise dans les chambres de combustion peut varier par rapport à cette valeur estimée en fonction des pertes en charge entre le collecteur d'admission et les chambres de combustion. Ces pertes en charge peuvent varier d'un exemplaire d'un type de moteur à l'autre en raison des tolérances de fabrication, et elles peuvent également varier au cours de la vie du moteur en raison de l'encrassement des chambres de combustion et de la variation du rendement volumétrique du moteur qui en résulte.
Lorsque le débit d'air est mesuré à l'entrée du système d'alimentation en air, l'information fournie par ce débitmètre est susceptible d'être décalée dans le temps par rapport aux quantités présentes dans les chambres de combustion. Ce décalage est dû au temps de transport d'une masse d'air considérée entre l'entrée du système d'alimentation et la chambre de combustion. 1l s'y ajoute des effets de compression de l'air à travers le système d'admission complet.
Le but de l'invention est de proposer un procédé, et des moyens pour sa mise en uvre, permettant de 15 pallier les inconvénients des procédés connus.
Le procédé de l'invention, ainsi que les moyens pour sa mise en uvre, doivent être applicables à tout type de moteur à combustion interne et plus particulièrement à un moteur à allumage par compression, suralimenté et avec recirculation des gaz d'échappement.
Le but de l'invention est atteint avec un procédé de régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne, qui comprend une étape d'estimation de la masse totale de gaz admise dans des chambres de combustion du moteur selon un procédé d'estimation énoncé ci après, une étape de mesure du débit d'air frais et une étape d'introduction de la masse totale de gaz estimée et du débit d'air frais mesuré comme valeurs d'entrée dans un régulateur destiné à réguler le système d'admission.
Le but de l'invention est également atteint avec un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur de gaz d'admission, de soupapes d'admission destinées à permettre le passage des gaz d'admission vers des chambres de combustion du moteur ainsi que de pistons destinés à varier la pression des gaz dans les chambres de combustion du moteur, la position des pistons étant déterminée à l'aide de moyens 2876739 5 mesurant la position angulaire d'un vilebrequin auquel les pistons sont reliés, ainsi que des moyens de mesure de la pression des gaz dans au moins une chambre de combustion du moteur, des moyen de mesure du débit d'air frais, des moyens de stockage, de modélisation ou de calcul d'une valeur de débit de gaz admis dans une chambre de combustion en fonction d'une variation de pression dans la chambre de combustion, et des moyens de stockage et de calcul reliés aux moyens de mesure de la pression dans la au moins une chambre de combustion, aux moyens de mesure du débit d'air frais et aux moyens de mesure de la position angulaire du vilebrequin, les moyens de stockage et de calcul étant conformés pour mettre en oeuvre le procédé de régulation énoncé ci avant.
Le procédé d'estimation de la masse totale de gaz admise dans des chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, qui est utilisé pour la régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne selon le procédé de régulation énoncé plus haut, comprend au moins les étapes suivantes: déterminer, c'est-à-dire mesurer, cartographier ou modéliser, une série de valeurs de débit de gaz admis dans une chambre de combustion en fonction d'une variation de pression dans la chambre de combustion, mesurer au moins une valeur de pression dans au moins une chambre de combustion du moteur et calculer la ou les variations de pression par rapport à une pression de référence, estimer la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur à partir de la (ou des) variation(s) de pression calculée(s) et sur la base de la série de valeurs de débit de gaz déterminée.
Ces étapes peuvent être complétées par l'une ou 35 l'autre ou plusieurs des étapes suivantes: obtenir la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur à partir des estimations individuelles de la masse totale de gaz admise dans chacune des chambres de combustion du moteur; obtenir la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur à partir d'une estimation de la masse totale de gaz admise dans une seule chambre de combustion du moteur; mesurer la température des gaz admis dans les chambres de combustion du moteur et corriger la masse totale de gaz admise en fonction des variations de la température des gaz admis; estimer la température des gaz admis dans les chambres de combustion du moteur à partir des paramètres du moteur et d'un modèle d'échanges thermiques, et à corriger la masse totale de gaz admise en fonction des variations de la température des gaz admis; recaler les moyens de mesure du débit d'air frais, cet étape étant effectuée lorsque le taux de gaz d'échappement recirculés est zéro.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-après d'un procédé de régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne et de sa mise en oeuvre dans un véhicule automobile.
La description est faite en référence aux dessins dans lesquels: - la figure 1 représente un diagramme sur la base duquel la masse totale de gaz peut être déterminée, c'est-à-dire mesurée, cartographiée ou modélisée.
- la figure 2 montre un schéma d'un agencement de moyens permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La présente invention se base sur une estimation du débit total des gaz admis dans des chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, c'est-à-dire sur une estimation du débit total des gaz admis, que ces gaz soient uniquement de l'air frais ou un mélange d'air frais avec un pourcentage de gaz d'échappement recirculés. Pour y parvenir, le procédé de l'invention s'appuie sur une estimation basée sur des paramètres du fonctionnement du moteur, qui sont déterminés lors du développement du moteur, c'est-à-dire qui sont mesurés, cartographiés ou modélisés.
L'estimation du débit total des gaz admis dans les chambres de combustion du moteur nécessite la présence d'au moins un capteur de pression dans au moins une des chambres de combustion du moteur à combustion interne. Cette estimation nécessite par ailleurs la présence de moyens permettant de mesurer la position angulaire d'un vilebrequin auquel des pistons des chambres de combustion sont attachés. En effet, afin de pouvoir effectuer l'estimation du débit de gaz total avec la plus grande précision possible, on mesure la pression dans une chambre de combustion donnée, après la fermeture de la soupape d'échappement et avant le début de la combustion, à au moins deux positions angulaires différentes du vilebrequin, ce qui correspond à au moins deux positions différentes du piston dans la chambre de combustion et par là, à au moins deux volumes différents de la chambre de combustion donnée. On s'appuie, à cet effet, à une relation linéaire liant le débit total des gaz et n variations de pression dans une chambre de combustion donnée, mesurés entre une position angulaire de référence et n positions angulaires considérées dans les phases d'admission et/ou compression de la chambre de combustion. n est bien entendu supérieur ou égal à 1.
La figure 1 illustre, sous la forme de deux graphes, un profil de pression dans une chambre de combustion donnée, mesuré pendant la phase de compression (graphe de gauche) et la relation linéaire liant le débit total du gaz et la somme de variations de pression dans la chambre de combustion considérée suivant les positions angulaires du vilebrequin. Les différentes positions angulaires sont référencées aMES pour une position de mesure parmi les n positions possible, MES variant de 1 à n, et aref pour la position de référence.
En prenant en compte l'équation des gaz parfaits et l'hypothèse de compression isentropique, on peut 5 démontrer dans l'équation n Qgaz =A x APi+B i=1 qui permet de calculer le débit de gaz et dans 10 laquelle APi = Pcyli - Pcylref, avec Pcyli et Pcylref comme pressions du cylindre considéré respectivement à l'angle ai et à l'angle aref A: pente de régression et B: ordonnée à l'origine que le coefficient A est calculé suivant l'équation A= Varef x RxTaref Y r Y 1/p +1/p +...+l/ p -n \. 1 2 n j avec pi= V a lVarej' pn=Va/ et aref y: coefficient polytropique Varef: volume de chambre de combustion à la position angulaire ref Taref: température des gaz admis dans la chambre de combustion à la position angulaire ref du vilebrequin et B = Masse de résiduels.
La difficulté de déterminer la pente de régression, c'est-à-dire le coefficient A, réside dans le fait que ce coefficient dépend de la température des gaz admis dans la chambre de combustion. Et, comme indiqué plus haut, la température des gaz admis dépend fortement des variations du taux (ou pourcentage) de gaz d'échappement recirculés.
Avantageusement, le coefficient A est calculé selon la relation A=Ao/Troll, où A0 est une constante calibrée en fonction des résultats obtenus par des essais spécifiques pour chaque configuration d'un moteur à combustion interne et où Tooll est la température dans le collecteur d'admission après le mélange fait de l'air frais et de gaz d'échappement recirculés. La température dans le collecteur d'admission peut être mesurée par un capteur spécifique. Mais elle peut également être estimée sur la base d'une cartographie de température d'échappement moteur à partir des autres paramètres de fonctionnement du moteur et d'un modèle d'échange thermique dans un refroidisseur dans lequel les gaz d'échappement recirculés passent. La décision pour l'une ou l'autre des façons de déterminer la température du collecteur d'admission, c'est-àdire la décision pour l'utilisation d'une température de collecteur mesurée ou pour l'utilisation d'une température de collecteur estimée, est prise en fonction du type de moteur, de l'ensemble des instruments et capteurs susceptibles d'être mis en oeuvre et le risque d'une dérive ou d'une dispersion des différents capteurs et des caractéristiques des composants du système d'admission.
Ainsi, la masse totale de gaz admise dans des chambres de combustion d'un moteur à combustion interne est estimée en prédéterminant d'abord une série de valeurs de débit de gaz admis dans une chambre de combustion en fonction d'une variation de pression dans la chambre de combustion, en mesurant une ou plusieurs valeurs de pression dans une ou plusieurs chambres de combustion du moteur et en calculant ensuite la ou les variations de pression par rapport à une pression de référence, et en estimant ensuite la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur à partir de la ou des variations de pression calculées et sur la base de la série de valeurs de débit de gaz prédéterminée.
La masse totale de gaz admise ainsi estimée est avantageusement corrigée en tenant compte de la température des gaz admis, que cette température soit mesurée ou estimée comme décrit plus haut.
Pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur à allumage par compression, le système d'admission des gaz est régulé, lorsqu'il comprend un turbocompresseur pour obtenir une suralimentation des chambres de combustion, en agissant sur le turbocompresseur et sur une vanne destinée à varier le pourcentage de gaz d'échappement recirculés, ainsi que, dans certains moteurs, sur un papillon doseur permettant de faire passer une partie des gaz d'admission dans un échangeur permettant de modifier leur température. Les moyens de régulation du système d'admission reçoivent comme valeur d'entrée le débit d'air frais mesuré par le débitmètre et le débit total des gaz admis, estimé selon le procédé de l'invention décrit ci avant. Cette méthode est avantageuse du fait que le débit d'air frais et le débit total des gaz sont connus avec une bonne précision. Il est donc plus avantageux de déterminer le taux de gaz d'échappement recirculés, et aussi plus précis, que de vouloir estimer le taux de gaz d'échappement recirculés à partir d'une mesure de la pression de suralimentation et du débit d'air frais, puisque cette première méthode est sensible aux dispersions et à l'encrassement des différents conduits par lesquels l'air d'admission passe, ce qui peut non seulement modifier le rendement volumétrique du moteur, mais aussi le rapport entre la pression de suralimentation et la masse réellement admise dans les chambres de combustion.
C'est donc ainsi que l'on régule le système d'admission d'un moteur à combustion interne en estimant la masse totale de gaz admise dans les chambres de combustion du moteur selon le procédé décrit ci avant et en mesurant le débit d'air frais et en introduisant ces valeurs comme valeur d'entrée dans un régulateur destiné à réguler le système d'admission.
Afin de s'assurer que le débitmètre d'air frais ne dérive pas ou, pour le moins, que des dérives éventuelles de ce débitmètre ne falsifient pas les estimations de la masse d'air frais admise dans des chambres de combustion du moteur, on procède, dans des intervalles prédéterminés, réguliers ou irréguliers, à un recalage du débitmètre d'air frais. Ce recalage est de préférence effectué lorsque les conditions de fonctionnement du moteur font que le taux de gaz d'échappement recirculés admis est zéro. Ces conditions sont remplies, par exemple, lorsque le moteur tourne en pleine charge, lors de décélérations et lors d'un ralenti prolongé. A cet effet, le moteur est avantageusement pourvu de moyens de détection de conditions favorables au recalage du débitmètre d'air.
Dans l'hypothèse où de telles conditions de fonctionnement, favorables au recalage du débitmètre, ne pourraient pas être rencontrées avec une fréquence suffisante, il est possible de conformer les moyens de commande et de régulation du système d'admission de manière à déclencher des conditions de recalage à des intervalles réguliers, lorsque la présence forcée de ces conditions de recalage ne portent pas préjudice au fonctionnement du moteur.
Pour atteindre différents points sur la courbe de linéarisation du débitmètre, le débit d'air admis dans les chambres de combustion peut être réduit temporairement lorsque cela ne dégrade pas le fonctionnement moteur (par exemple en décélération), par le moyen d'un vannage actif à l'admission et sans recirculation de gaz d'échappement.
La figure 2 représente, dans un synoptique de fonctionnement général la régulation obtenue moyennant le procédé de régulation décrit ci avant.
On retrouve sur ce synoptique les différents moyens contribuant à la mise en uvre du procédé de l'invention. Et on y voit plus particulièrement que les valeurs d'entrée des moyens de régulation du système d'admission prennent naissance d'une part au débitmètre d'air frais dont les valeurs de mesure sont introduites dans des moyens de cartographie pour corriger les valeurs du débitmètre, le résultat étant envoyé comme données représentant le débit d'air frais, au moyen de régulations du système d'admission du moteur à combustion interne. D'autre part, les valeurs d'entrée prennent naissance dans le ou les capteurs de pression dont un ou plusieurs, voire toutes les chambres de combustion du moteur à combustion interne sont pourvues. Le signal du capteur, ou les signaux des capteurs, sont introduits dans un moyen de calcul et d'estimation de la masse totale de gaz admise, moyens auxquels sont également introduits des données représentant le régime du moteur, des positions angulaires du vilebrequin, la température des gaz admis et la température de l'eau de refroidissement du moteur et, le cas échéant, encore d'autres données. Les moyens de calcul et d'estimation envoient des signaux d'une part vers les moyens de régulation du système d'admission et d'autre part vers des moyens de recalage du débitmètre pour effectuer un recalage du débitmètre dans les conditions décrites plus haut et pour corriger la cartographie du débitmètre, afin que les corrections que ces moyens de cartographie apportent aux données issues du débitmètre d'air frais soient correctement mises à jour.
Les moyens de régulation du système d'admission reçoivent, outre les données représentant le débit d'air frais corrigé et le débit total des gaz admis, ou respectivement la masse totale de gaz admise, des données représentant la charge du moteur, la température de l'air frais d'admission, la température de l'eau de refroidissement du moteur et, le cas échéant, encore d'autres paramètres de régulation.
Sur la base des différentes valeurs d'entrée, les moyens de régulation calculent et envoient des consignes aux moyens destinés à agir sur le turbocompresseur, des signaux de consigne destinés à agir sur les moyens destinés à varier le taux des gaz d'échappement recirculés, des signaux de consigne aux moyens destinés à varier le débit de l'air d'admission et, le cas échéant encore d'autres signaux de consigne à des moyens supplémentaires destinés à agir sur des éléments nécessaires pour assurer le fonctionnement optimal du moteur à combustion interne.
Claims (7)
1. Procédé de régulation d'un système d'admission d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il 5 comprend une étape d'estimation de la masse totale de gaz admise dans des chambres de combustion du moteur, cette estimation étant obtenue en déterminant, c'est-à-dire en mesurant, en cartographiant ou en modélisant, une série de valeurs de débit de gaz admis dans une chambre de combustion en fonction d'une variation de pression dans la chambre de combustion, en mesurant au moins une valeur de pression dans au moins une chambre de combustion du moteur et calculer la ou les variations de pression par rapport à une pression de référence, et en estimant la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur à partir de la (ou des) variation(s) de pression calculée(s) et sur la base de la série de valeurs de débit de gaz déterminée, une étape de mesure du débit d'air frais et une étape d'introduction de la masse totale de gaz estimée et du débit d'air frais mesuré comme valeurs d'entrée dans un régulateur destiné à réguler le système d'admission.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur est obtenue à partir des estimations individuelles de la masse totale de gaz admise dans chacune des chambres de combustion du moteur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la masse totale de gaz admise dans l'ensemble des chambres de combustion du moteur est obtenue à partir d'une estimation de la masse totale de gaz admise dans une seule chambre de combustion du moteur.
4. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé par une étape
consistant à mesurer la température des gaz admis dans les chambres de combustion du moteur et à corriger la masse totale de gaz admise en fonction des variations de la température des gaz admis.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par une étape consistant à estimer la température des gaz admis dans les chambres de combustion du moteur à partir des paramètres du moteur et d'un modèle d'échanges thermiques, et à corriger la masse totale de gaz admise en fonction des variations de la température des gaz admis.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par une étape de recalage des moyens de mesure du débit d'air frais, cet étape étant effectuée lorsque le taux de gaz d'échappement recirculés est zéro.
7. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur de gaz d'admission, les gaz d'admission comprenant au moins de l'air frais, de soupapes d'admission destinées à permettre le passage des gaz d'admission vers des chambres de combustion du moteur ainsi que de pistons destinés à varier la pression des gaz dans les chambres de combustion du moteur, la position des pistons étant déterminée à l'aide de moyens mesurant la position angulaire d'un vilebrequin auquel les pistons sont reliés, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la pression des gaz dans au moins une chambre de combustion du moteur, des moyen de mesure du débit d'air frais, des moyens de stockage d'une série de valeurs de débit de gaz admis dans une chambre de combustion en fonction d'une variation de pression dans la chambre de combustion, et des moyens de stockage et de calcul reliés aux moyens de mesure de la pression de gaz, aux moyens de mesure du débit d'air frais et aux moyens de mesure de la position angulaire du vilebrequin, les moyens de stockage et de calcul étant conformés pour mettre en uvre le procédé de régulation selon la revendication 1.
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