FR2892459A3

FR2892459A3 - Moteur a combustion interne a taux de compression variable

Info

Publication number: FR2892459A3
Application number: FR0510890A
Authority: FR
Inventors: Emmanuel Devaud; Pascal Emery; Stephane Prado
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-27

Abstract

L'invention concerne un procédé d'extrapolation d'une pression instantanée hors combustion durant un cycle compression-détente dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes:- effectuer des mesures de pression durant une partie initiale (T0) exempte de combustion d'un cycle compression-détente ;- extrapoler la pression pour une autre partie du cycle (T2) en appliquant une loi de transformation polytropique p<*>Vgamma=K aux pressions mesurées, p et V étant la pression et le volume instantanés dans la chambre de combustion, K étant une constante et gamma étant un coefficient polytropique.

Description

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A TAUX DE COMPRESSION VARIABLE

L'invention concerne les moteurs à combustion interne, et en particulier les moteurs à combustion internes munis d'un dispositif destiné à faire varier leur taux de compression. Les normes antipollution définissent des exigences de plus en plus contraignantes concernant les émissions polluantes des moteurs des véhicules automobiles. De nombreux compromis dans la conception du moteur sont nécessaires pour respecter ces normes tout en garantissant des niveaux de consommation et de performances satisfaisants.

Des moteurs muni d'un dispositif de variation du taux de compression appelé VCR par la suite, ont été développés notamment afin d'obtenir des gains en consommation ou en émissions polluantes. Le dispositif VCR est usuellement utilisé de la 20 façon suivante . Pour un moteur essence comme pour un moteur diesel, le taux de compression est réduit à forte charge et accru à faible charge. Pour un moteur essence, les performances sont ainsi améliorées et le cliquetis est 25 évité à forte charge, alors que le rendement est optimisé à faible charge. Pour un moteur diesel, la puissance spécifique est améliorée et l'émission de NOx est réduite à forte charge et les émissions de HC, de CO et de CH4 sont réduites à faible charge. 30 Les dispositifs VCR de différents types ont été développés. Ces dispositifs comprennent un actionneur mobile dont: la variation de position permet de modifier le taux de compression d'un ou plusieurs cylindres. Des développements proposent un piston à géométrie variable mcdifiant le volume de la chambre de combustion pour une position donnée du piston. D'autres développements proposent une culasse à position variable afin de modifier le volume de la chambre de combustion. D'autres développements proposent de modifier la cinématique du piston ou de régler une excentrique sur le vilebrequin. D'autres développements proposent de faire varier le volume d'une seconde chambre de combustion. Les :moteurs, et en particulier ceux munis d'un dispositif VCR, souffrent inéluctablement de dispersions dans la géométrie et la cinématique de leurs composants.

Ces dispersions conduisent à des dispersions des taux de compression qui peuvent présenter une amplitude non négligeable et influer négativement sur la consommation, le rendement et les émissions polluantes. En outre, les actionneurs des dispositifs VCR peuvent faire l'objet d'un dimensionnement inadapté par rapport à ces dispersions. Le brevet US-4 834 031 propose de mesurer un taux de compression en utilisant notamment un capteur de pression de combustion. Un circuit d'huile commandé par l'ouverture de valves permet de modifier le taux de compression en faisant pivoter un actionneur sous forme de support de bielle excentrique soit dans une position induisant un taux de compression élevé, soit dans une position induisant un taux de compression réduit. Une commande ouvre ou ferme des valves d'un circuit d'huile 3 en fonction du taux de compression recherché. La mesure du taux de compression pouvant être défaillante, la vitesse de rotation du moteur et la pression d'admission dans un cylindre sont mesurées pour détecter une défaillance du capteur de pression. Lorsqu'une telle défaillance est détectée, le dispositif VCR passe en mode de sécurité dans lequel le taux de compression réduit est imposé afin d'éviter une détérioration du moteur. Aucun des dispositifs VCR connus ne permet de maintenir précisément le taux de compression à une valeur de consigne. D'autres demandes déposées le même jour par la demanderesse proposent de déterminer un taux de compression réel dans la chambre de combustion. Le taux de compression réel doit être déterminé pendant une période de fermeture de la chambre de combustion, c'est-à-dire durant un cycle de compression-détente. Cependant, une combustion a lieu durant le cycle de compression-détente. La figure 4 illustre la pression dans une chambre de combustion d'un moteur diesel à injection directe en fonction de l'angle de vilebrequin, pour des tours de vilebrequin correspondant à une compression-détente respectivement en présence et en absence de combustion. Les deux courbes sont sensiblement identiques jusqu'à l'injection du carburant, peu avant le point mort haut. Ensu-_te, on constate une différence sensible entre la courbe correspondant à l'absence de combustion (trait continu) et la courbe correspondant à une combustion (trait discontinu). Une mesure de pression durant une combustion peut donc altérer la précision d'une telle détermination. Par ailleurs, il est souhaitable de ne pas éviter la combustion durant un cycle de compression-détente dans le seul but de réaliser une détermination du taux de compression. L'invention vise à résoudre ces inconvénients.

L'invention propose ainsi un procédé d'extrapolation d'une pression instantanée hors combustion durant un cycle compression-détente dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes : - effectuer des mesures de pression durant une partie initiale exempte de combustion d'un cycle compression-détente ; -extrapoler la pression pour une autre partie du cycle en appliquant une loi de transformation polytropique p*VY=K aux pressions mesurées, p et V étant la pression et le volume instantanés dans la chambre de combustion, K étant une constante et y étant un coefficient polytropique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit en liaison avec les dessins annexés fournis à titre simplement d'exemples et dans lesquels : - la figure 1 illustre une vue en coupe schématique d'un moteur à combustion mettant en oeuvre l'invention ; - la figure 2 illustre une pression extrapolée à partir d'un tour de vilebrequin correspondant à une combustion ; - la figure 3 illustre schématiquement le procédé mis en œuvre dans un exemple d'application de l'invention ; - la figure 4 compare la pression durant un cycle 5 compression-détente, lors et absence de combustion pour un tour de vilebrequin. L'invention propose d'extrapoler une pression instantanée hors combustion durant un cycle compression-détente dans la chambre de combustion d'un moteur à 10 combustion interne. On effectue des mesures de pression durant une partie initiale exempte de combustion d'un cycle de compression-détente. La pression sur une autre partie du cycle est alors extrapolée en appliquant une loi de transformation polytropique p*VY=K aux pressions 15 mesurées, p et V étant la pression et le volume instantanés dans la chambre de combustion, K étant une constante et y étant un coefficient polytropique. Le coefficient polytropique peut notamment être déterminé par la relation suivante : 20 y= log(P(tl)/P(t2))/log(V(t2)/V(tl)), tl et t2 étant des instants de mesure de pression durant la partie initiale du cycle de compression-détente. Ainsi, la pression hors combustion extrapolée n'est pas altérée par la présence d'une combustion dans 25 le même cycle combustion-détente, après la période de mesure. Différents traitements peuvent être effectués sur la pression extrapolée, notamment afin de déterminer avec précision le taux de compression dans la chambre de combustion. 30 La figure 1 illustre une vue en coupe schématique d'un moteur à combustion interne 1 au niveau de sa chambre de combustion. Le moteur 1 comprend un dispositif de variation de taux de compression. L'exemple illustré concerne une variante dans laquelle on modifie la cinématique des pièces mobiles pour influer sur le taux de compression. Le moteur illustré comprend un actionneur 2 sur lequel une bielle 3 est montée en rotation par tout moyen adéquat. L'actionneur 2 présente une surface de guidage de la bielle 3 sensiblement cylindrique. L'axe de ce cylindre définit sensiblement l'axe de rotation de la tête de bielle autour de l'actionneur 2. Cet axe est décalé par rapport à l'axe du maneton 11 sur lequel l'actionneur 2 est monté. L'actionneur 2 est monté de façon à pouvoir pivoter par rapport au maneton 11 autour de l'axe de ce maneton. L'actionneur peut être maintenu dans différentes positions de pivotement par rapport au maneton 11. Pour chaque pivotement de l'actionneur 2 par rapport au maneton 11, correspond une valeur d'entraxe entre l'axe de rotation 4 du vilebrequin et l'axe de rotation de la tête de bielle. Chacune de ces positions de l'actionneur 2 définit ainsi une valeur de la course du piston 5 dans le cylindre 6 et par conséquent un taux de compression de la chambre de combustion. Un capteur de pression 7 est intégré dans la culasse 10 de façon à mesurer la pression instantanée dans la chambre de cobmustion. Le dispositif de variation de taux de compression comprend également un module de gestion électronique 9.

Le module de gestion électronique 9 comprend une interface de réception ou de calcul d'une consigne de taux de compression. Le module 9 fournit une consigne de position à l'actionneur 2. Le module 9 permet également d'extrapoler la pression instantanée hors combustion durant un cycle compression-détente dans la chambre de combustion du moteur 1. Le module 9 utilise pour cela les mesures de pression du capteur 7 durant une partie initiale exempte de combustion d'un cycle de compression-détente.

Un exemple de pression hors combustion extrapolée est illustré à la figure 2 pour un moteur à combustion interne à injection directe. Cette extrapolation de pression est basée sur une mesure de pression sur un tour de vilebrequin durant la combustion. Entre l'instant de début de compression tl, correspondant à la fermeture de la soupape d'admission, et l'instant t2 antérieur au point mort haut correspondant au début de l'injection, la pression mesurée correspond sensiblement à la pression pour un même calage de vilebrequin durant un cycle sans combustion. Ainsi, la pression extrapolée est identique à la pression mesurée entre tl et t2 (période TO). Durant la période Tl entre l'instant t2 et l'instant t3 (symétrique de t2 par rapport au point mort haut), la pression est extrapolée en se basant sur une loi de transformation polytropique: p*VY=K, avec p et V les pression et volume instantanés dans la chambre de combustion, K une constante et y un coefficient polytropique estimé pendant TO. y peut être déterminé de la façon suivante : 30 y=log(Pdc/Pinj)/log(Vinj/Vdc), avec Pdc et Pinj respectivement les pressions dans la chambre de combustion aux instants tl et t2, et avec Vdc et Vinj respectivement les volumes de la chambre de combustion aux instants t1 et t2.

On extrapole dès lors la pression durant Tl à l'instant t par la formule suivante : p(t)=Pinj* (Vinj/V(t) )Y avec V (t) le volume de la chambre de combustion à l'instant t. Entre t3 et t4 (période T2), on extrapole la pression p(t) par la formule suivante : p(t)=p(PMH-At), avec PMH l'instant du point mort haut et At défini tel que t= PM: +At. La pression extrapolée durant T2 le symétrique par rapport au point mort haut de la pression mesurée durant T0.

On peut également envisager que la pression extrapolée pendant T2 soit calculée par la formule utilisée pour l'extrapolation de la pression durant Tl. Si l'injection a lieu postérieurement au point mort haut, on peut extrapoler la pression hors combustion de la façon suivante. On mesure la pression entre le début de la compression et le point mort haut. La pression extrapolée est alors égale à la pression mesurée pendant ce même intervalle. Entre le point mort haut et l'ouverture de la soupape d'échappement (correspondant à la fin de la détente), on détermine y de la façon suivante : y=log(Pdc/Ppmh)/log(Vpmh/Vdc), Vpmh et Ppmh étant respectivement le volume et la pression au point mort haut.

Entre le point mort haut et l'ouverture de la soupape d'échappement, la pression extrapolée est alors calculée par la formule suivante : p (t) _= Ppmh * (Vpmh / V (t)) Y Bien que les exemples détaillés auparavant traitent de moteurs à combustion interne à injection directe, l'invention s'applique également aux moteurs à combustion interne à injection indirecte. Si dans un moteur à injection directe, l'injection correspond sensiblement au début de la combustion, l'injection et la combustion sont sensiblement décalées dans un moteur à injection indirecte. On peut alors extrapoler la pression hors combustion par mesure de la pression entre le début de la compression et le début de la combustion, puis par des calculs similaires à ceux détaillés auparavant durant le reste du cycle. Pour un moteur essence, l'instant t2 correspondra à l'instant de l'allumage si celui-ci est antérieur au point mort haut, ou l'instant t2 correspondra au point mort haut si l'allumage est postérieur au point mort haut. Les valeurs de volumes utilisées dans les formules peuvent être basées sur la position du vilebrequin et sur la consigne de taux de compression fournie au moteur.

Par ailleurs, bien que les calculs du coefficient polytropique y proposés auparavant reposent sur deux instants de mesure de la pression dans la chambre de combustion, d'autres modes de calcul peuvent être envisagés. On peut par exemple appliquer une méthode de moindre carré, une régression linéaire ou une moyenne à un plus grand nombre de mesures de pression afin de déduire une valeur de y plus précise. La pression extrapolée peut être utilisée pour déterminer le taux de compression réel du moteur à combustion. Le taux de compression réel Tcr peut notamment être déterminé par les formules suivantes : Tcr= A*(Pmax/Pmoy)2+B(Pmax/Pmoy)+C; Tcr =_ [ (B*Pmax/Pmoy) / (A-C*Pmax/Pmoy) ] l/Y, A, B et C étant des constantes prédéterminées ; Tcr= ;Pmax/Pmin) l/r; Pmax, Pmin et Pmoy étant les pressions maximale, minimale et moyennes tirées de la pression instantanée hors combustion extrapolée sur un tour de vilebrequin. La figure 3 illustre un procédé pouvant être mis en œuvre pour corriger une consigne de position d'un actionneur en fonction d'un taux de compression déterminé sur la base d'une pression extrapolée. Un dispositif de commande 21 reçoit d'une part une consigne Ctc de taux de compression et d'autre part une mesure Mtc du taux de compression réel dans la chambre. Sur la base de ces informations, le dispositif 21 génère une consigne de position Cpa et l'applique à l'actionneur 22. L'actionneur prend alors la position réelle Rpa, ce qui modifie le taux de compression dans la chambre de combustion 23. Le capteur 7 permet de déterminer instantanément la pression réelle Prr dans la chambre de combustion durant un tour de vilebrequin correspondant à une combustion. A partir de cette pression Prr, un dispositif d'extrapolation 24 extrapole (par exemple selon un des exemples détaillés auparavant) la pression 11 instantanée en absence de combustion Pre. Le dispositif de détermination de taux de compression 25 reçoit la valeur Pre et détermine le taux de compression Mtc comme décrit précédemment. Le taux de compression Mtc permet ainsi de corriger la consigne de position de l'actionneur Cpa en fonction du taux de compression réel dans la chambre de combustion.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'extrapolation d'une pression instantanée hors combustion durant un cycle compression- détente dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes : effectuer des mesures de pression durant une partie initiale (TO) exempte de combustion d'un cycle compression.-détente ; - extrapoler la pression pour une autre partie du cycle (T2) en appliquant une loi de transformation polytropique p*VY=K aux pressions mesurées, p et V étant la pression et le volume instantanés dans la chambre de combustion, K étant une constante et y étant un coefficient. polytropique.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le coefficient polytropique est déterminé par la relation suivante . y= log (P (tl) /P (t2)) /log (V (t2) /V (tl)) , tl et t2 étant des 20 instants de mesure de pression durant la partie initiale du cycle de compression-détente.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la combustion dans la chambre de combustion débute avant le point mort haut et dans lequel tl et t2 correspondent 25 respectivement au début de la compression et au début de la combustion.

4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la combustion dans la chambre de combustion débute après le point mort haut et dans lequel tl et t2 correspondent 30 respectivement au début de la compression et au point mort haut.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pression instantanée est mesurée durant la partie initiale du cycle de compression-détente, et dans lequel la pression extrapolée est égale à cette pression instantanée durant la partie initiale du cycle compression-détente.

6. Procédé selon les revendications 3 et 5, dans lequel la pression est extrapolée par la loi de transformation polytropique entre t2 et son symétrique t3 par rapport au point mort haut.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pression est extrapolée par la loi de transformation polytropique entre t3 et la fin de la détente du cycle compression-détente.

8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pression entre t3 et la fin de la détente est le symétrique de la pression mesurée entre tl et t2 par rapport au point mort haut.

9. Procédé selon les revendications 4 et 5, dans lequel la pression est extrapolée par la loi de transformation polytropique entre le point mort haut et la fin de la détente du cycle de compression-détente.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les mesures de pression sont effectuées durant un cycle de compression-détente comprenant une combustion.

11. Procédé de commande d'un actionneur mobile (2) de façon à faire varier le taux de compression d'au moins une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne (1), comprenant les étapes suivantes : extrapoler la pression dans la chambre de combustion par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - déterminer le taux de compression de la chambre de combustion à partir de la pression extrapolée ; - recevoir une consigne de taux de compression ; appliquer une consigne de position sur l'actionneur dépendante du taux de compression déterminé et de la consigne de taux de compression.