FR2908460A1 - Procede de gestion d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Procédé de gestion d'un moteur à combustion interne dans lequel on détermine au moins un paramètre de commande en prenant en considération une grandeur d'état (pgaz, Tgaz), d'un remplissage se trouvant d'une chambre de combustion (14) du moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce que la grandeur d'état (pgaz, Tgaz) est déterminée en tenant compte de la composition actuelle d'un mélange de gaz dans la chambre de combustion (14), admis ou déterminé.

Description

1 La présente invention concerne un procédé de gestion d'un moteur à

combustion interne dans lequel on détermine au moins un paramètre de commande en prenant en considération une grandeur d'état (Pgaz, Tgaz), d'un remplissage dans une chambre de combustion du moteur à combustion interne. Etat de la technique On peut réduire l'apparition de substances nocives dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par l'optimisation de la combustion du carburant. Une telle optimisation nécessite toutefois une connaissance la plus précise possible des grandeurs d'état du remplissage de la chambre de combustion du moteur à combustion interne. La détermination précise de ces grandeurs d'état nécessitait jusqu'à présent soit une dépense élevée de capteurs, par exemple par le montage de capteurs de pression qui déterminent la pression actuelle dans la chambre de combustion ou alors cette détermination est liée à un certain nombre de tolérances qui rendent cette optimisation plus difficile. But de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé du type ci-dessus qui permet, à l'aide de moyens simples, une détermination la plus précise possible d'une grandeur d'état actuelle d'un rem-plissage se trouvant dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la grandeur d'état est déterminée en tenant compte d'un assemblage actuel d'un mélange de gaz se trouvant dans la chambre de combustion admis ou déterminé. Selon d'autres développements avantageux de l'invention, -pour déterminer la grandeur d'état on admet une modification d'état adiabatique à partir d'un état final connu, - un exposant adiabatique est utilisé, cet exposant est déterminé en prenant en considération la pression partielle de composants séparés du mélange de gaz, 2908460 2 les exposants adiabatiques pour les mélanges de gaz qui sont significatifs pour des états de fonctionnement déterminés sont mémorisés et peuvent être rappelés en fonction d'un état de fonctionnement actuel ou prévu, 5 pour déterminer l'exposant adiabatique on admet qu'il s'agit d'un mélange de gaz parfaits, - pour chaque composant du mélange de gaz on détermine une grandeur d'état partielle à partir d'un état de départ partiel connu et la grandeur d'état du mélange d'état est alors déterminée par la somme 10 des grandeurs d'état partielles, - selon une autre caractéristique, l'invention concerne un ordinateur est programmé pour l'utilisation d'un procédé selon une des revendications précédentes, - suivant une autre caractéristique, l'invention concerne un support 15 de mémoire électrique pour une installation de commande et/ ou de régulation d'un moteur à combustion interne avec un procédé tel que défini ci-dessus est mémorisé dans un programme d'ordinateur pour l'utilisation d'un procédé décrit précédemment, - l'installation de commande et/ou de régulation il est programmée 20 pour l'utilisation d'un procédé décrit précédemment. Des développements concernent un programme d'ordinateur, un moyen de mémorisation électrique ainsi qu'un dispositif de commande et de régulation. Selon l'invention, en particulier dans les moteurs à cornbustion interne modernes, on ne peut pas supposer que le remplissage de la chambre de combustion du moteur à combustion interne ne contienne que de l'air. Bien plus, dans beaucoup d'états de fonctionne-ment du moteur à combustion interne on a un mélange de gaz par exemple lorsque le moteur fonctionne avec un recyclage de gaz 30 d'échappement ou lorsque de l'eau ou de la vapeur d'eau est injectée dans la chambre de combustion. Selon l'invention on admet ou détermine tout d'abord la composition actuelle du mélange de gaz dans la chambre de combustion, c'est-à-dire que l'on répartit le mélange de gaz en composants de gaz, significatifs. La grandeur d'état est alors déter- minée en tenant compte de mélanges de gaz définis de cette manière.

2908460 3 De cette manière un calcul en temps réel des grandeurs d'état internes du moteur est possible. Ainsi, la commande de la combustion et du début de la combustion peuvent être améliorés et cela sans capteurs coûteux tels que par exemple des capteurs de pression de 5 chambre de combustion. L'optimisation de la combustion peut ainsi se faire en prévision, car la composition actuelle du mélange de gaz dans la chambre de combustion peut être prévue à partir de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. De manière avantageuse la présente invention peut être 10 en particulier à des moteurs à combustion interne avec recyclage de gaz d'échappement. Lorsque les taux de recyclage des gaz d'échappement augmentent on a notamment une augmentation de la déviation entre le rapport effectif et de telles prévisions qui sont réalisées en suivant l'hypothèse que de l'air pur est disponible dans la chambre de combus- 15 tion. L'utilisation du présent procédé ne se limite ainsi pas à des moteurs de série. Ce procédé peut de manière intéressante également être utilisé dans des simulations pour analyser des fonctions et des systèmes aussi bien pendant la phase de compression (injection) que pour les informations pour les processus en aval (retraitement des gaz 20 d'échappement). Les grandeurs d'état particulièrement essentielles pour l'optimisation de la combustion sont la pression et la température. On obtient de bons résultats tout en ayant des coûts de calcul acceptables si pour déterminer les grandeurs d'état on utilise une 25 modification d'état adiabatique à partir d'un état final connu. La compression d'un moteur à combustion interne est certes poly-tropique ; il y a un échange d'énergie irréversible avec l'environnement. Lorsque ce flux d'énergie est toutefois décrit sous la forme d'une perte de pression, la courbe de pression peut être calculée par la compression adiabati- 30 que. Pour cela on peut utiliser un exposant adiabatique qui est déterminé en prenant en compte la pression partielle des composants séparés du mélange de gaz. Pour cela, les pressions partielles de molécules aussi bien que les pressions partielles de mélange de gaz 35 peuvent être intéressante. Ces pressions partielles peuvent alors être 2908460 4 utilisées en tant que facteurs de pondération pour le calcul d'un exposant adiabatique moyen en utilisant l'exposant adiabatique des composants séparés du mélange de gaz. On réduit de manière significative la dépense de calcul 5 pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne lorsque les exposants adiabatiques sont représentatifs des états de fonctionnement déterminés du moteur à combustion interne ; ils peuvent être mémorisés et être rappelés en fonction d'un état de fonctionnement actuel ou prévu. Ces exposants adiabatiques peuvent précédemment être calculés 10 de manière très précise au moyen des méthodes appropriées ; on peut également imaginer de les déterminer au cours d'essais. Selon les états de fonctionnement (par exemple pas de recyclage, de faible recycler ou recyclage de gaz important, injection d'eau, pas d'injection d'eau, etc...) on peut alors par exemple choisir les exposants adiabatiques corres- 15 pondants à partir d'un tableau. Pour déterminer les exposants adiabatiques, on peut également admettre qu'il s'agit d'un mélange de gaz parfaits. Une telle hypothèse est dans beaucoup de cas fiable et conduit à des résultats suffisamment précis. En même temps on réduit ainsi les moyens de dé- 20 termination des exposants adiabatiques. De plus selon l'invention on propose de déterminer tout d'abord pour chaque composant du mélange de gaz, une grandeur d'état partielle à partir d'un état de départ partiel, connu, et l'on détermine la grandeur d'état du mélange d'état par la somme des grandeurs 25 d'état partielles. De plus on propose le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) fixation de l'état de fonctionnement actuel du moteur à combustion interne, 30 (b) le cas échéant détermination de la composition représentative du mélange de gaz se trouvant dans la chambre de combustion correspondant à l'état de fonctionnement, (c) détermination ou rappel d'un exposant adiabatique correspondant au mélange de gaz ou à l'état de fonctionnement, 2908460 5 (d) détermination d'une grandeur d'état de sortie à l'instant soupape d'admission ferme , (e) détermination de la grandeur d'état en fonction d'un angle de vilebrequin ou d'une position de piston.

5 Selon d'autres développements avantageux de l'invention, - pour déterminer la grandeur d'état on admet une modification d'état adiabatique à partir d'un état final connu, - un exposant adiabatique est utilisé, cet exposant est déterminé en prenant en considération la pression partielle de composants séparés 10 du mélange de gaz, - les exposants adiabatiques pour les mélanges de gaz qui sont significatifs pour des états de fonctionnement déterminés sont mémorisés et peuvent être rappelés en fonction d'un état de fonctionnement actuel ou prévu, 15 - pour déterminer l'exposant adiabatique on admet qu'il s'agit d'un mélange de gaz parfaits, - pour chaque composant du mélange de gaz on détermine une grandeur d'état partielle à partir d'un état de départ partiel connu et la grandeur d'état du mélange d'état est alors déterminée par la somme 20 des grandeurs d'état partielles, - selon une autre caractéristique, l'invention concerne un ordinateur est programmé pour l'utilisation d'un procédé selon une des revendications précédentes, - suivant une autre caractéristique, l'invention concerne un support 25 de mémoire électrique pour une installation de commande et/ ou de régulation d'un moteur à combustion interne avec un procédé tel que défini ci-dessus est mémorisé dans un programme d'ordinateur pour l'utilisation d'un procédé décrit précédemment, - l'installation de commande et/ ou de régulation il est programmée 30 pour l'utilisation d'un procédé décrit précédemment. Des développements concernent un programme d'ordinateur, un moyen de mémorisation électrique ainsi qu'un dispositif de commande et de régulation. Dessins 2908460 6 Des exemples de réalisation avantageux de l'invention seront décrits ci-après plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à corn- 5 bustion interne ; - la figure 2 est un ordinogramme d'un premier procédé pour gérer le moteur à combustion interne de la figure 1 ; - la figure 3 est un diagramme dans lequel la pression de chambre de combustion est représentée en fonction d'un angle de vilebrequin ; 10 - la figure 4 est un ordinogramme d'un second procédé pour la gestion du moteur à combustion interne selon la figure 1. Description de modes de réalisation de l'invention A la figure 1 un moteur à combustion interne porte la référence générale 10 il comporte plusieurs cylindres dont un seul a été 15 représenté pour des raisons de lisibilité, ce cylindre porte la référence 12. Le cylindre 12 comprend une chambre de combustion 14 limitée par une paroi de chambre de combustion 16 et un piston 18. Le piston 18 est relié à un vilebrequin 20 dont la position actuelle et la vitesse de rotation sont déterminées par un capteur 22.

20 L'air frais entre dans la chambre de combustion 14 par une soupape d'admission 24 et une tubulure d'admission 26. Les gaz d'échappement de combustion sont évacués de la chambre de combustion 14 par la soupape d'échappement 28 et la tubulure de gaz d'échappement 30. La tubulure de gaz d'échappement 30 et le tuyau 25 d'admission 26 peuvent être reliés par une conduite de recyclage de gaz d'échappement 32 et une soupape de recyclage de gaz d'échappement 34. De cette manière on peut ramener des gaz d'échappement de la tubulure de gaz d'échappement 30 à la tubulure d'aspiration 26. Le carburant est injecté dans la chambre de combustion 14, directement par 30 un injecteur 36, à des états de fonctionnement déterminés ; on peut également, de manière complémentaire, injecter de l'eau ou de la vapeur d'eau dans la chambre de combustion 14 à l'aide d'un injecteur 38. Le fonctionnement du moteur à combustion interne est commandé et régulé par un dispositif de commande et de régulation 40.

35 Ce dispositif reçoit des signaux de différents capteurs ainsi que du cap-2908460 7 teur de vilebrequin 22. Ce dispositif commande différents dispositifs de réglage du moteur à combustion interne, par exemple la soupape de recyclage de gaz d'échappement 34, l'injecteur 36 de carburant et l'injecteur 38 d'eau ou de vapeur d'eau.

5 La compression dans la chambre de combustion 14 pendant le cycle de compression est poly-tropique, c'est-à-dire qu'il y a un échange d'énergie irréversible avec l'environnement. Lorsque cet échange d'énergie irréversible est décrit sous la forme d'une perte de pression, alors la courbe de pression dans la chambre de combustion 10 14 pendant un cycle de compression se calcule par la compression adiabatique en fonction de la formule suivante (1) : Pz = Pgaz - PL (1) 15 pz est la pression dans le cylindre, Pgaz est la pression ré-elle de gaz et pL désigne la perte de pression en fonction par exemple d'un échange de chaleur avec les parois de la chambre de combustion 16, d'une fuite de pression entre le piston 18 et la paroi de chambre de combustion 16, etc...

20 La formule (1) ci-dessus n'est valable que pour les gaz parfaits ; dans les mélanges de gaz qui ne présentent pas les caractéristiques des gaz parfaits, on a des écarts importants pour les courbes de pression et de températures calculées. La caractéristique la plus exacte possible de la pression (p) régnant dans la chambre de combustion 14 25 et de la température T de celle-ci pendant le cycle de compression en fonction de la position du piston 18 ou de l'angle de vilebrequin du vilebrequin 20 est toutefois très importante pour l'optimisation de la combustion et la réduction des émissions polluantes. Dans le moteur à combustion interne 10 représenté à la figure 1, ces grandeurs d'état (p) 30 et T dans la chambre de combustion 14 sont d'ailleurs, déterminées au moyen d'un procédé basé sur les considérations thermodynamiques suivantes : Dans les mélanges de gaz, la pression de gaz Pgaz peut être divisée en pressions partielles pi. Pour cela on peut utiliser aussi 5 15 2908460 8 bien des pressions partielles de molécules que des pressions partielles de mélanges de gaz. Pour cela on utilise l'équation de Dalton suivante : Pgaz = LPi (2) La pression partielle pi décrit dans ce cas une pression partielle du composant de gaz (i). On peut ensuite déterminer un facteur de pondération xi pour la formule (3) : 10 xi = Pi (3) Pgaz Sur la base du facteur de pondération xi et de l'exposant adiabatique ki pour les composants de gaz (i) on peut alors déterminer un exposant adiabatique ki moyen selon la formule (4) : Km = f (xi, ki) (4) La pression de gaz pgaz actuelle peut être calculée à l'aide de la formule (5) suivante : 20 Pgaz = PO /V -\Km 0 Vz / (5) po est la pression dans la chambre de combustion 14, directement au début du cycle de compression à l'instant de la fermeture 25 de la soupape d'admission 24 ; le volume vo est le volume des gaz au même instant et le volume vZ est le volume de la chambre de combustion 14 se modifiant en fonction du temps, c'est-à-dire par rapport à un angle déterminé du vilebrequin 20 ou à une position déterminée du pis-ton 18. De manière analogue, la température actuelle de gaz Tgaz peut 30 être calculée à l'aide de la formule (6) suivante : 2908460 9 Tgaz = T0 V -\Km 0 Vz / (6) Dans la formule (6), la température To est celle qui règne dans la chambre de combustion 14 au début du cycle de compression 5 c'est-à-dire lorsque la soupape d'admission 24 se ferme. Sur la base des relations physiques et thermodynamiques citées, on utilise un procédé qui sera par la suite décrit à l'aide de la figure 2 : Après un démarrage (42), on détermine (44) l'état de fonc- 10 tionnement actuel ou directement avant, du moteur à combustion in-terne 10. Il peut par exemple s'agir d'un état de fonctionnement avec/ou sans recyclage de gaz d'échappement ou avec/sans injection d'eau. Ensuite, en fonction de l'état de fonctionnement on détermine la composition des gaz correspondants (46). On obtient ainsi des pressions 15 partielles représentatives des composants de gaz séparés (i) déterminés pour cet assemblage de gaz spécifiques. Sur cette base on peut déterminer (48) l'exposant adiabatique moyen km. Il est également possible que pour certaines compositions déterminées du mélange de gaz dans la chambre de combustion 14 ou 20 également pour des états de fonctionnement très particuliers du moteur à combustion interne, les exposants adiabatiques correspondants km pour les différents types de moteurs à combustion interne correspondants soient déterminés par des essais préalables et mémorisés ; en fonction de l'état de fonctionnement actuel du moteur à combustion in- 25 terne 10 selon le bloc 44, rappelés à partir de la mémoire en 48. Avec l'exposant adiabatique km correspondant moyenné, on peut alors dé-terminer (50) en fonction de l'angle du vilebrequin 20 ou de la position du piston 18, la pression de gaz Pgaz et la température Tgaz. Le procédé s'achève au pas 52.

30 Selon la figure 3, avec le procédé décrit, la pression effective peut être calculée ou prédite de manière très précise. La ligne en trait continu à la figure 3 montre une courbe de pression mesurée au cours d'un essai, vers la fin de la compression dans la chambre de combustion 14 ; la courbe de pression obtenue à l'aide du procédé ci- 2908460 10 dessus est représentée en trait interrompu ; une courbe de pression dé-terminée avec un procédé habituel est représentée en pointillés (en posant l'hypothèse qu'il y a de l'air pur dans la chambre de combustion 14). On reconnaît la bonne correspondance entre la courbe obtenue à 5 l'aide du procédé selon la figure 2 et la courbe de pression mesurée (ré-elle). A la place d'un composant adiabatique moyenné km on peut également déterminer une pression partielle de gaz pgaz_i pour chaque composant (i) du mélange de gaz en tant que grandeur d'état partielle, et ce à nouveau à partir d'une pression de gaz de sortie po_i à l'instant soupape d'admission 24 fermée du composant de gaz (i). Ces pressions de gaz partielles pgaz_i peuvent alors être sommées et elles donnent la pression de gaz totale Pgaz. La relation correspondante est la suivante : 15 Po_i Pgaz = (7) Pour la température de gaz on a l'équation : 20 T0_i Tgaz = (8) On comprend que la température Toi est égale à la température totale To à l'instant soupape d'admission 24 ferme . Le pro-cédé correspondant est représenté à la figure 4. Il correspond au 25 procédé de la figure 2. Toutefois, au pas 54 on détermine tout d'abord la pression de gaz partielle pgaz_i et on somme ensuite au pas 56 alors qu'au pas 58, la température de gaz Tgaz est au contraire directement formée par la sommation. Comme les autres pas de procédé sont identiques à ceux du procédé selon la figure 2, ils portent des références iden- 30 tiques et ne seront pas à nouveau explicités. En fonction de la température de gaz déterminée spécifiquement en fonction du vilebrequin et de la pression de gaz Tgaz déter- 5 2908460 11 minée en fonction spécifiquement du vilebrequin on peut à nouveau dé-terminer avec une précision très élevée un paramètre de commande, par exemple une quantité de carburant à injecter de sorte que l'on réduise les émissions polluantes du moteur à combustion interne 10. 10 15

Claims (3)

REVENDICATIONS

1 ) Procédé de gestion d'un moteur à combustion interne dans lequel on détermine au moins un paramètre de commande en prenant en considération une grandeur d'état (pgaz, Tgaz), d'un remplissage se trouvant d'une chambre de combustion (14) du moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce que la grandeur d'état (pgaz, Tgaz) est déterminée en tenant compte de la composition actuelle d'un mélange de gaz dans la chambre de combustion (14), admis ou déterminé.

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur d'état est une pression (pgaz) et/ou une température (Tgaz).

3 ) Procédé selon une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que pour déterminer la grandeur d'état (pgaz, Tgaz) on admet une modification d'état adiabatique à partir d'un état final connu (To, po). 20 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on utilise un exposant adiabatique (Km) qui est déterminé en prenant en considération la pression partielle (pi) de composants (i) séparés du mé-25 lange de gaz. 5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les exposants adiabatiques (k;) pour les mélanges de gaz qui sont signi- 30 ficatifs pour des états de fonctionnement déterminés sont mémorisés et peuvent être rappelés en fonction d'un état de fonctionnement actuel ou prévu. 6 ) Procédé selon l'une des revendications 4 à 5, 35 caractérisé en ce que 2908460 13 pour déterminer l'exposant adiabatique (km) on admet qu'il s'agit d'un mélange de gaz parfaits. 7 ) Procédé selon la revendication 3, 5 caractérisé en ce que pour chaque composant (i) du mélange de gaz on détermine une grandeur d'état partielle (pgaz_i, Tgaz_i) à partir d'un état de départ partiel connu (po_i, Toi) et la grandeur d'état (pgaz, Tgaz) du mélange d'état est alors déterminée par la somme des grandeurs d'état partielles (pgaz_i, Tgaz i). 8 ) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' il comporte les pas suivants : (a) détermination (44) d'un état de fonctionnement actuel du moteur à combustion interne, le cas échéant, (b) détermination (46) de la composition représentative correspondant à l'état de fonctionnement du mélange de gaz dans la chambre de combustion (14), (b) détermination (48) ou rappel du composant adiabatique (km) corres- pondant à l'état de fonctionnement ou au mélange de gaz, (c) détermination d'une grandeur d'état de sortie (po, To) à l'instant soupape d'admission fermée , (d) détermination (50) de la grandeur d'état (pgaz, Tgaz) en fonction de l'angle du vilebrequin (20) ou de la position d'un piston (18). 9 ) Programme d'ordinateur, caractérisé en ce que il est programmé pour l'utilisation d'un procédé selon une des revendications précédentes. 10 ) Moyen de mémorisation électrique pour un dispositif de commande ou de régulation (40) d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu' il contient un programme d'ordinateur pour l'utilisation d'un procédé selon les revendications 1 à 8. 2908460 14 11 ) Dispositif de commande et/ou de régulation (40) pour un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu' il est programmé pour l'utilisation d'un procédé selon l'une des revendi-5 cations 1 à 8. 10