FR2924166A3 - Procede et dispositif de pilotage moteur a combustion interne - Google Patents

Procede et dispositif de pilotage moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

Procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne comprenant les étapes suivantes :i. détecter un changement de mode de fonctionnement entre un mode de fonctionnement stabilisé et un mode de fonctionnement transitoire,ii. déterminer un pilotage optimum correspondant à ce mode de fonctionnement,iii. piloter le moteur à partir de consignes de pilotage déterminées selon cet optimum,le pilotage dans le mode de fonctionnement transitoire étant destiné à réaliser un optimum de temps de réponse du moteur, et le pilotage dans le mode de fonctionnement stabilisé étant destiné à réaliser un optimum de consommation du moteur.

Description

PROCEDE et DISPOSITIF de PILOTAGE MOTEUR à COMBUSTION INTERNE
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour un pilotage de moteur à combustion interne.
Des technologies liées au pilotage des moteurs à combustion interne se sont énormément développées ces dernières années, notamment grâce au développement des organes de pilotage électro-commandées (injecteurs, bougies, valves, ...), contrôlées par un calculateur permettant ainsi d'améliorer les prestations du moteur (consommation, temps de réponse,
.)...DTD: Ce type de commande permet un pilotage des organes découplé mécaniquement de la position du piston (mais associé à la mesure de la position des pistons et/ou du vilebrequin) et permet ainsi le développement de nouvelles technologies de pilotage des moteurs.
Le pilotage découplé permet par exemple de commander directement l'injection de carburant (à la différence d'un carburateur où le carburant est aspiré par un effet Venturi). Il devient alors possible d'avoir une injection directe ou indirecte dans le moteur. De plus, le pilotage permet un phasage variable de l'injection (consigne cartographiée de l'angle de fin d'injection, la consigne d'angle de début d'injection étant alors calculée à partir d'une masse d'essence à injecter et du régime moteur).
Dans le cas d'un moteur essence, le pilotage dissocié permet également une avance à l'allumage variable (déclenchement de l'étincelle d'une bougie avant ou après que le piston n'atteigne un point mort haut, car le front de combustion généré par l'étincelle met un certain temps à parcourir la chambre de combustion). Il est connu par l'homme du métier que plus un moteur tourne vite, plus l'avance à l'allumage doit être augmentée ; a contrario, en cas de forte charge, l'allumage doit être déclenché plus tard. D'une manière générale, le réglage d'avance à l'allumage est un compromis entre l'obtention du meilleur rendement de combustion et les contraintes (cliquetis, température échappement,...).
Le pilotage découplé permet également de réaliser une distribution variable (en anglais : Variable Valve Timing, ou WT) qui est un terme générique pour désigner une technologie relative au moteur à combustion interne et qui permet de faire varier la levée et/ou le calage des soupapes.
Les soupapes, qui coiffent une partie haute du cylindre, permettent une admission et un échappement d'un mélange air/essence dans une chambre de combustion. Une synchronisation entre les soupapes (calage) et un niveau d'ouverture des soupapes (levée) sont définis par la forme et l'angle des cames. Par exemple, un calage variable permet de faire varier la durée d'une phase de croisement (ouverture simultanée des soupapes). Les phases de croisement permettent aux gaz d'échappement d'être mieux expulsés par l'admission du mélange air/essence frais; le but étant, d'une part de remplir au maximum le cylindre de mélange frais (et ce, le plus rapidement possible), et d'autre part d'évacuer la quasi totalité des gaz d'échappement (gaz brûlés). Ce phénomène engendre une combustion plus énergétique. Par exemple, le croisement est généralement faible au ralenti, et augmenté si l'on souhaite avoir du couple à bas et moyen régime. Il existe différents dispositifs mécaniques afin de modifier l'angle des cames ; toutefois, la tendance est à l'implémentation d'une distribution variable sans arbres à cames, en remplaçant ces derniers par des actionneurs (technologie camless), augmentant encore les bénéfices de cette technologie qui sont : - de faire fonctionner un moteur à bas régime tout en gardant un 30 fort couple, - de garder un moteur puissant à haut régime, - de garantir un meilleur rendement du moteur, - de réduire les hydrocarbures non brulés à l'échappement.
Les réglages relatifs aux technologies de pilotage d'un moteur (WT, injection, allumage,...) sont obtenus généralement par cartographie selon différents paramètres comme le régime moteur et la charge demandée par le conducteur. Ces cartographies permettent donc d'obtenir des réglages optimums dans le contrôle du moteur. Ces réglages peuvent être optimums dans la consommation du moteur ou dans la performance en termes de temps de réponse du moteur.
Cependant, plus les réglages sont optimums pour la consommation, moins ils le sont pour la performance du moteur. A contrario, plus les performances du moteur sont optimums pour la performance, moins ils le sont pour la consommation du moteur. Les cartographies sont élaborées lors d'essais sur un banc moteur.
Le document JP 2004245104 (MITSUBISHI MOTORS CORP) décrit un dispositif de contrôle d'un moteur Turbo comprenant une unité de contrôle, des soupapes d'admission et d'échappement permettant une technologie VVT. Lorsqu'un régime transitoire est détecté (par exemple une demande d'accélération), le contrôleur contrôle les soupapes de façon à augmenter le croisement (en anglais : overlap) des soupapes. Cela permet d'améliorer le temps de réponse du moteur en réduisant le temps de réponse du turbo (en anglais : Turbo lag).
L'ensemble des solutions propose un réglage spécifique des WT garantissant un meilleur temps de réponse du moteur lors d'une phase transitoire, mais ne propose pas de stratégie de pilotage qui garantisse un optimum dans toutes les situations.
Un but de l'invention est d'améliorer le pilotage des moteurs et de 30 proposer une stratégie de pilotage afin de garantir un optimum dans toutes les situations.
A cet effet il est prévu un procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne comprenant les étapes suivantes : i. détecter un changement de mode de fonctionnement entre un mode de fonctionnement stabilisé et un mode de fonctionnement transitoire, ii. déterminer un pilotage optimum correspondant à ce mode de fonctionnement, iii. piloter le moteur à partir de consignes de pilotage déterminées selon cet optimum, le pilotage dans le mode de fonctionnement transitoire étant destiné à réaliser un optimum de temps de réponse du moteur, et le pilotage dans le mode de fonctionnement stabilisé étant destiné à réaliser un optimum de consommation du moteur.
Ainsi le réglage spécifique du pilotage du moteur permet de garantir un optimum quelque soit le mode de fonctionnement.
Avantageusement, mais facultativement, l'invention comporte au moins l'une des caractéristiques suivantes : - les consignes de pilotage sont interdépendantes, - les consignes de pilotage sont des consignes VVT et des consignes de phasage d'injection, - une détection d'un changement de mode de fonctionnement comprend une étape de calcul d'une différence entre un objectif de pression de suralimentation et une pression de suralimentation mesurée, - une détection d'un changement de mode de fonctionnement comprend une étape de mesure de la volonté du conducteur, -une consigne de pilotage est déterminée à partir d'un régime moteur et/ou d'une charge demandée par le conducteur, - les consignes de pilotage sont filtrées, - le procédé est destiné à piloter un moteur turbo, - le procédé est destiné à piloter un moteur atmosphérique, - l'invention concerne aussi un dispositif de pilotage d'un moteur comprenant un capteur, un actionneur et un calculateur, et destiné à piloter un moteur selon un procédé selon l'invention, - l'invention concerne également un véhicule comprenant un moteur à combustion interne, comprenant un dispositif de pilotage du moteur selon l'invention. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 présente un diagramme schématique d'un fonctionnement d'un procédé de pilotage selon l'invention, - la figure 2 présente des courbes de fonctionnement d'un procédé selon l'invention.
Nous nous limiterons dans la description suivante, à deux optimums de pilotage possibles : - Un optimum de performance du moteur qui garantit un meilleur temps de réponse du moteur par rapport aux demandes d'un conducteur. Par exemple, si le conducteur veut doubler un autre véhicule, il a besoin d'un temps de réponse très rapide du moteur à une demande d'augmentation de la vitesse. Bien évidemment ce pilotage n'est pas forcément optimum pour la consommation, 25 - Il est donc prévu également un optimum de consommation dans le cas où le moteur se trouverait dans un mode de fonctionnement stabilisé (par exemple sur autoroute) ; ce pilotage garantit une moindre consommation et donc un meilleur respect de l'environnement (notamment grâce à une réduction des émissions d'hydrocarbures imbrûlés). Bien évidemment, il peut être prévu d'autres optimums de pilotage d'un moteur sans sortir du cadre de l'invention.
En référence à la figure 1, nous allons décrire un dispositif de pilotage selon l'invention. Ce dispositif est destiné à piloter un moteur selon un procédé selon l'invention. Un bloc 1 est destiné à détecter un changement de mode de fonctionnement du moteur. Dans cette réalisation, les modes de fonctionnement détectables sont un mode de fonctionnement transitoire et un mode de fonctionnement stabilisé . Bien évidemment il peut y avoir d'autres modes de fonctionnement possibles (leur nombre n'étant pas limité à deux). La détection du changement de mode de fonctionnement est basée sur une mesure du régime moteur (vitesse de rotation du moteur) 12, un booléen de détection de transitoire de suralimentation 14, une mesure d'une température du liquide de refroidissement 16 et un booléen de condition de pleine charge conducteur 18.
Le booléen de détection de transitoire de suralimentation 14 (valable pour un moteur Turbo) est établi à partir d'une différence entre une valeur de consigne de pression de suralimentation issue d'une estimation de la demande du conducteur (cette consigne est généralement liée à l'enfoncement de la pédale d'accélération mais aussi au régime moteur et à une demande de correction de couple extérieure comme dans le cas d'un régulateur de vitesse , ESP, BVA , ...) et une mesure par un capteur de pression réelle de suralimentation ; le booléen est déterminé par rapport au dépassement ou au non-dépassement d'une valeur seuil par cette différence.
Le booléen de condition de plein charge 18 (valable pour un moteur atmosphérique, comme pour un moteur Turbo) est établi à partir du dépassement ou du non-dépassement du couple demandé par rapport à une valeur seuil. La demande de couple émane du conducteur et indique que ce dernier veut faire fonctionner le moteur au maximum de ses capacités.
A partir de données d'entrée (12, 14, 16 et 18), le bloc 1 détecte tout changement de mode de fonctionnement et détermine alors si le moteur se trouve dans un mode de fonctionnement stabilisé ou transitoire à l'aide de cartographies et de conditions seuil précédemment citées. Bien évidemment le bloc 1 peut utiliser d'autres données afin de déterminer le mode de fonctionnement du moteur.
Des blocs 2 et 4 sont destinés à calculer des consignes VVT (Admission et/ou échappement), respectivement pour un mode de fonctionnement stabilisé et transitoire, à partir du régime moteur 22 et de la charge moteur demandée 24. Ces consignes sont déterminées à partir de cartographies établies lors d'essais sur un banc moteur. Notamment, il est prévu que les consignes WT en mode de fonctionnement transitoire permettent un croisement des soupapes (période durant laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes) ; ce qui permet d'optimiser le remplissage d'air et le balayage des gaz brulés de la chambre de combustion et donc d'avoir une combustion plus énergique.
Des blocs 3 et 5 sont destinés à calculer des consignes de phasage d'injection, respectivement pour un fonctionnement stabilisé et transitoire, à partir du régime moteur 22 et de la charge moteur demandée 24. Ces consignes sont déterminées à partir de cartographies établies lors d'essais sur un banc moteur. Les consignes de phasage d'injection sont différentes selon le mode de fonctionnement. En mode de fonctionnement transitoire, les consignes de phasage injection permettent d'améliorer les temps de réponse du moteur et en mode de fonctionnement stabilisé, de réduire le niveau d'hydrocarbures imbrûlés à l'échappement. Il est à noter que les phasages d'injection et les consignes VVT sont interdépendantes et que, suivant un mode de fonctionnement donné, toute modification de l'une des consignes entraîne une modification de l'autre consignes.
Un bloc 6 permet d'aiguiller les consignes précédemment décrites selon le mode de fonctionnement du moteur. Ainsi, à partir de l'information du bloc 1, le bloc 6 aiguille vers sa sortie les consignes de mode de fonctionnement stabilisé (émanant des blocs 2 et 3) ou les consignes de mode de fonctionnement transitoire (émanant des blocs 4 et 5), selon que le bloc 1 ait déterminé respectivement un mode de fonctionnement stabilisé ou transitoire.
Ainsi un dispositif selon l'invention permet un pilotage continu en boucle fermée, sur les consignes données par le bloc 6, quelque soit le mode de fonctionnement déterminé.
Les consignes de pilotage émanant du bloc 6 sont filtrées par le bloc 7 afin de respecter un bon niveau d'agrément de conduite, et d'éliminer toute discontinuité qui pourrait survenir dans les signaux de consigne.
Les consignes sont acheminées vers un calculateur (non représenté) qui contrôle les différents organes de pilotage (dans notre réalisation, ces organes sont des actionneurs de soupape et des injecteurs). Dans cette réalisation, les consignes de pilotage régulées sont des consignes de phasage d'injection et des consignes WT, bien évidemment30 le dispositif peut réguler toute autre consigne du pilotage d'un moteur, par exemple l'allumage dans le cas d'un moteur essence (pilotage des bougies), sans sortir du cadre de l'invention. D'ailleurs l'ensemble des consignes mises en oeuvre pour un pilotage spécifique d'un moteur sont interdépendantes, c'est-à-dire que toutes modifications de l'une des consignes entraîne une modification de l'ensemble des autres consignes dans le même mode de fonctionnement et donc dans le même optimum.
En référence à la figure 2, nous allons décrire un exemple de fonctionnement d'un procédé selon l'invention lors de basculements entre des modes de fonctionnement stabilisés et transitoires.
Les deux premières courbes 30 et 32 sont des courbes liées respectivement à la charge demandée par le conducteur (par exemple par un enfoncement d'une pédale d'accélération) et la charge réelle. La charge peut représenter un couple demandé, un objectif de pression de suralimentation (dans le cas d'un moteur turbo) ou un objectif de remplissage. Le remplissage représente la quantité d'air massique (en kg/tour) entrant dans les cylindres d'un moteur et est déterminée par la formule suivante :
Mair = Pcol * Vcyl * Remp / r * T°air r Remp une pression du collecteur (en Pascal) cylindrée du moteur (en m3) température de l'air (en K) constante des gaz (287 j/kg/K pour l'air) rendement de remplissage (en %). C'est une fonction des caractéristiques physiques du moteur (géométrie et dimensions du circuit d'admission et d'échappement et du diagramme de distribution d'admission et d'échappement).
Cette masse d'air frais Mair est ensuite utilisée (avec un objectif de richesse) pour le calcul de la masse d'essence à injecter et donc du couple résultant du moteur.
Durant la phase stabilisée (étape I), la charge demandée et la charge réelle sont sensiblement égales, ce qui implique un écart très faible. Par voie de conséquence, la détection d'un mode de fonctionnement transitoire, représentée par la deuxième courbe 34, reste au niveau bas, indiquant que le moteur est en mode de fonctionnement stabilisé. Ce qui implique que la dynamique de transition entre les modes stabilisées et transitoire (en sortie du bloc 7 de figure 1), représentée par la courbe 36, est à un niveau d'optimum de consommation (mode stabilisé). Les consignes WT et de phasage d'injection, représentées par les courbes 38 et 40, restent constantes. En conséquence de ce pilotage, le régime moteur, représenté par la courbe 42 reste lui-même sensible constant.
Dans un deuxième temps (étape II), un écart entre la charge demandée et la charge réelle est détectée, cet écart est catégorisé comme étant important car, comme expliqué précédemment, il dépasse une valeur seuil. Par voie de conséquence, la courbe 34 de détection d'un mode de fonctionnement transitoire passe à un niveau haut, indiquant que le pilotage passe dans un mode de fonctionnement transitoire. Comme expliqué précédemment, la détection d'un changement de mode de fonctionnement peut être basée sur d'autres variables comme le régime moteur ou la température du liquide de refroidissement. Le pilotage étant passé dans un mode de fonctionnement transitoire, les consignes VVT et les consignes de phasage d'injection utilisée (courbe 38 et 40) émane alors d'un optimum de performance (basé sur le temps de réponse du moteur). La présence du filtre du bloc 7 implique un filtrage dans la transition entre les deux cartographies, représenté par un morceau de courbe linéaire. Bien évidemment, le filtrage peut avoir un tout autre profil sans sortir du cadre de l'invention (exponentiel, hyperbolique, parabolique, linéaire par morceaux, ...).
A partir de cette cartographie, des consignes VVT et phasage d'injection spécifiques au mode de fonctionnement transitoire sont envoyées aux organes de pilotage, ce qui implique une augmentation rapide du régime moteur (courbe 42) et un temps de réponse amélioré. La courbe 44 représente d'ailleurs le profil du régime moteur si le pilotage était resté en optimum de consommation. Il est à noté que les consignes de phasage d'injection et les consignes VVT sont interdépendantes et que toutes modifications de l'une des consignes entraîne une modification de l'autre dans la recherche de l'optimum.
A la fin de l'étape II, en conséquence du pilotage moteur, l'écart entre la charge demandée et la charge réelle est réduit ce qui implique que l'écart devient inférieur à une valeur seuil et est donc catégorisé comme étant un écart faible (début de l'étape III). Par voie de conséquence, la détection du mode de fonctionnement transitoire passe de nouveau à un niveau bas indiquant que le pilotage passe dans un mode de fonctionnement stabilisé. La cartographie WT et phasage d'injection passe donc de nouveau dans un optimum de consommation moteur, cependant, comme expliqué précédemment, le passage entre les deux modes de fonctionnement est filtré afin de garantir un bon niveau d'agrément de conduite et d'éviter les discontinuités dans les consignes de pilotage. Il est à noté que le filtrage d'une transition d'un mode de fonctionnement stabilisé vers un mode de fonctionnement transitoire (début de l'étape II) et le filtrage d'une transition d'un mode de fonctionnement transitoire vers un mode de fonctionnement stabilisé (début de l'étape III) peuvent être différents. Cela est même recommandé dans le cas où l'on souhaite un passage à un optimum de performance, auquel cas le filtrage doit permettre une transition rapide.
En conséquence du passage à une cartographie en optimum de consommation, les consignes WT et phasage d'injection passe progressivement à un niveau stabilisé, différent du niveau stabilisé de départ, car le moteur fonctionne à un régime et à une charge différente.
Le procédé selon l'invention est valable pour un moteur essence 10 comme pour un moteur diesel.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne comprenant les étapes suivantes : i. détecter un changement de mode de fonctionnement entre un mode de fonctionnement stabilisé et un mode de fonctionnement transitoire, ii. déterminer un pilotage optimum correspondant à ce mode de fonctionnement, iii. piloter le moteur à partir de consignes de pilotage déterminées selon cet optimum, caractérisé en ce que le pilotage dans le mode de fonctionnement transitoire est destiné à réaliser un optimum de temps de réponse du moteur, et en ce que le pilotage dans le mode de fonctionnement stabilisé est destiné à réaliser un optimum de consommation du moteur.
2. Procédé de pilotage d'un moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les consignes de pilotage sont interdépendantes.
3. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les consignes de pilotage sont des consignes WT et des consignes de phasage d'injection.
4. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une détection d'un changement de mode de fonctionnement comprend une étape de calcul d'une différence entre un objectif de pression de suralimentation et une pression de suralimentation mesurée.
5. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'une détection d'un changement de mode de fonctionnement comprend une étape de mesure de la volonté du conducteur.
6. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une consigne de pilotage est déterminée à partir d'un régime moteur et/ou d'une charge demandée par le conducteur. 10
7. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les consignes de pilotage sont filtrées. 15
8. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à piloter un moteur turbo.
9. Procédé de pilotage d'un moteur selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à piloter un moteur atmosphérique.
10. Dispositif de pilotage d'un moteur comprenant un capteur, un actionneur et un calculateur, caractérisé en ce qu'il est destiné à piloter un moteur 25 selon un procédé de l'une des revendications précédentes.
11.Véhicule comprenant un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de pilotage du moteur selon la revendication précédente. 30
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JP2004245104A (ja) * 2003-02-13 2004-09-02 Mitsubishi Motors Corp 過給式エンジン
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