FR2927420A1 - Dispositif de mesure de pression et procede correspondant - Google Patents
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Abstract
Dispositif de mesure de pression cylindre d'un moteur à combustion interne dont le fonctionnement comprend une pluralité de cycles successifs, chaque cycle se décomposant en au moins des première et deuxième phases, le dispositif de mesure comprenant au moins un capteur de pression (1) constitué d'au moins un élément piézo-électrique associé à un élément capacitif, et d'une sortie (10) générant une première tension (V1) représentative d'une pression (F) appliquée à l'élément piézo-électrique, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre :- un module de filtrage (2) comprenant au moins une entrée (20) et une sortie (21), apte à filtrer des tensions basses fréquences parasites présentes sur son entrée (20), et à générer sur sa sortie (21) une deuxième tension (V2) exempte de ces tensions basses fréquences parasites ;- un module de commande (3) apte à délivrer un signal de commande (Scom) fonction d'un paramètre de commutation corrélé à une phase, parmi les première et deuxième phases, dans laquelle le moteur fonctionne ;- un module de commutation (4), en réponse au signal de commande (Scom), apte à déconnecter l'entrée (20) du module de filtrage (2) de la sortie (10) du capteur de pression (1) pendant la première phase, et à relier l'entrée (20) du module de filtrage (2) à la sortie (10) du capteur de pression (1) pendant la deuxième phase ; et- une sortie (5) générant une tension de sortie (Vout) égale à la première tension (V1) pendant la première phase, et égale à la deuxième tension (V2) pendant la deuxième phase.
Description
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de pression utilisé notamment dans le domaine de l'automobile. L'invention se rapporte notamment à un dispositif de mesure de la pression régnant dans un cylindre d'un moteur à combustion interne. Un dispositif de mesure couramment utilisé dans ce domaine comprend au moins un capteur de pression constitué d'un élément piézo-électrique associé à un élément capacitif, générant une tension représentative de la pression appliquée audit élément piézo-électrique. De manière générale, un élément piézo-électrique (par exemple un quartz) est un élément sensible à une contrainte, en l'occurrence une pression F, qui lui est appliquée.
L'utilisation d'un tel élément piézo-électrique dans un capteur de pression, permet de générer une charge Q proportionnelle à la pression appliquée. Un convertisseur de charge, par exemple un condensateur de capacité C, associé à l'élément piézo-électrique, transforme la charge Q en une première tension V1 proportionnelle à cette charge Q, avec V1 = Q / C. La tension V1 est donc représentative de la pression appliquée.
Comme illustré sur la figure 1 a, le condensateur peut être un condensateur interne intégré à l'élément piézo-électrique (par exemple la capacité de l'élément piézo-électrique), et la première tension V1 est alors prise directement aux bornes de cet élément piézo-électrique. Le condensateur peut également être un condensateur externe C. Comme illustré sur la figure 1 b, le condensateur externe C est associé à un amplificateur AOP (également appelé amplificateur de charge), et la première tension V1 est prise en sortie de l'amplificateur AOP. Trois caractéristiques sont à mettre en oeuvre afin d'assurer un bon traitement du signal de détection de la pression : i. une bonne réjection des composantes basses fréquences et continues. Ceci est impératif, car sinon il y a instabilité du signal qui se traduit par une saturation du signal de sortie. ii. une conservation de la bande passante du signal de pression détecté. Si tel n'est pas le cas, il va y avoir distorsion du signal, ce qui le rend moins 30 facilement exploitable iii. la conservation de la valeur du minimum du signal en tant que valeur de référence. Il a donc été proposé dans l'art antérieur de répondre à cette problématique en utilisant un montage intégrateur pur (cf. figures la et 1b). Ce type de montage permet de disposer d'une bande passante large (pleine en fait), ce qui permet de convertir les charges issues de l'élément piézo-électrique avec toute la bande passante du signal utile et donc sans distorsion. Mais cette conservation de la bande passante a pour défaut de ne pas présenter de réjection des composantes basses fréquences. Ceci a pour conséquence de laisser passer les bruits issus des effets de température. Ces effets de température sont constitué de l'effet pyro-électrique (une variation de température entraînant une variation de la polarisation électrique du cristal piézo-électrique) et par des effets de dilatation des éléments mécaniques constituant l'élément sensible. En outre ce type de montage intégrateur ne permet pas de s'affranchir des courants de fuite issus d'un mauvais isolement des bornes de l'élément piézo-électrique, ce qui amène une dérive du signal. Cette alternative n'est donc ni optimale ni même satisfaisante. Afin de stabiliser cette première tension V1, une autre alternative connue consiste à placer une résistance R (ou tout autre filtre permettant d'obtenir une fonction de transfert comprenant une fonction d'intégration des charges en tension et un filtrage des basses fréquences) montée en parallèle sur le condensateur de capacité C, comme illustré sur les figures 2a et 2b. La résistance R associée au condensateur se comportant comme un filtre passe-haut, les tensions basses fréquences parasites sont alors filtrées et la première tension V1 résultante est alors exempte de ces parasites. Dans le cas d'un moteur à combustion interne à quatre temps exécutant une succession de cycles, chaque cycle se décompose en quatre phases également dénommées "temps" (ces quatre temps étant usuellement appelés "admission", "compression", "combustion û détente", "échappement"). Lors des phases de compression et de combustion - détente, la pression cylindre peut atteindre plus d'une centaine de bars, alors que pendant les phases d'admission et d'échappement, la pression cylindre n'est que de quelques bars. Pour corriger les paramètres d'injection de carburant et les critères d'allumage du mélange carburant / comburant, l'instant de début de combustion du mélange doit être déterminé précisément. Par ailleurs, lorsque le moteur fonctionne en phase de compression ou de combustion -détente, l'évolution dans le temps de la contrainte appliquée à l'élément piézo-électrique est comparable û de manière assez grossière û à un signal pulsé tel que représenté à la figure 3a. Or, la solution de stabilisation de la tension en sortie du capteur de pression au moyen d'une résistance R présente plusieurs défauts, notamment lorsque l'évolution de la contrainte est comparable à une impulsion référencée à zéro, tel qu'illustré à la figure 3a. En effet, la résistance R réalisant un filtre passe-haut, la première tension V1 (tension en sortie du capteur de pression) présente une composante continue nulle. Ainsi, pour une contrainte comparable à un signal constitué par une répétition d'impulsions référencées à zéro, à une fréquence f avec un rapport cyclique A, la première tension V1 présentera un niveau bas variable, fonction du rapport cyclique A, comme le montre la figure 3b. Par ailleurs, en fin d'impulsion la première tension V1 ne retrouve pas tout de suite le niveau de référence. En effet, durant l'impulsion, la charge d'entrée n'est pas entièrement transférée dans le condensateur, une partie étant transférée dans la résistance, ce qui conduit à une perte de charge se traduisant par un décalage de tension et à une distorsion de la tension en sortie du capteur de pression. Comme on le voit, utiliser l'effet de réjection des basses fréquences par un filtre passe-haut induit une distorsion du signal de détection de la pression dans le cas de figure d'un moteur à combustion interne. En effet, le signal a une bande passante incluant de très basses fréquences (de l'ordre de 0,5 Hz). La conservation de la bande passante n'est donc plus assurée. En outre, un filtre passe-haut a pour caractéristique de venir altérer la valeur moyenne du signal puisque le filtre élimine la fréquence 0 Hz, également appelée composante continue. La valeur moyenne étant ramenée à zéro, elle fausse la valeur minimale du signal. Or comme cette valeur minimale est représentative de la pression atmosphérique, elle ne peut plus servir de référence fiable. Cette alternative n'est donc pas acceptable non plus. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure de pression exempt de l'une au moins des limitations précédemment évoquées. L'invention propose notamment de diviser le signal représentatif de la pression appliquée en deux zones, et d'appliquer un traitement approprié pour chaque zone du signal afin d'atténuer les distorsions du signal en sortie du dispositif de mesure, un traitement particulier consistant par exemple à appliquer ou non un filtre pour éliminer les tensions parasites basses fréquences du signal en sortie du capteur. Le critère discriminant les deux zones du signal, et donc l'application ou non d'un traitement (par exemple le filtre) sur les tensions parasites, peut-être par exemple un niveau de tension seuil, une fenêtre temporelle synchronisée sur le signal d'entrée (système à verrouillage de phase) ou une fenêtre temporelle définie par un autre capteur (par exemple un capteur de position du piston û ou de tout autre élément de l'équipage mobile û du moteur à combustion interne). L'invention permet ainsi d'obtenir un signal en sortie du dispositif de mesure, exempt de distorsions et de tensions parasites basses fréquences, et représentatif de la pression appliquée à l'élément piézo-électrique. Les objets, caractéristiques et avantages, de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - les figures 1 a et 1 b illustrent le schéma de principe de la conversion de la charge délivrée par l'élément piézo-électrique en tension, comme expliqué précédemment ; les figures 2a et 2b présentent des moyens de stabilisation de la tension, comme 5 détaillé plus haut ; - la figure 3a présente l'évolution dans le temps (en abscisses) d'un signal pulsé référencé à zéro ; - la figure 3b présente la distorsion du signal pulsé de la figure 3a ; la figure 4a présente un schéma de principe d'un dispositif de mesure selon un 10 mode de réalisation particulier de l'invention ; et la figure 4b présente plus en détail un dispositif de mesure selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Comme illustré sur la figure 4a, l'invention concerne un dispositif de mesure de pression cylindre d'un moteur à combustion interne dont le fonctionnement comprend une 15 pluralité de cycles successifs, chaque cycle se décomposant en au moins des première et deuxième phases, le dispositif de mesure comprenant au moins un capteur de pression 1 constitué d'au moins un élément piézo-électrique associé à un élément capacitif, et d'une sortie 10 générant une première tension V1 représentative d'une pression appliquée à l'élément piézo-électrique. 20 Le dispositif comprend en outre : - un module de filtrage 2 comprenant au moins une entrée 20 et une sortie 21, apte à filtrer des tensions basses fréquences parasites présentes sur son entrée 20, et à générer sur sa sortie 21 une deuxième tension V2 exempte de ces tensions basses fréquences parasites ; 25 - un module de commande 3 apte à délivrer un signal de commande Scom fonction d'un paramètre de commutation corrélé à une phase moteur, parmi les première et deuxième phases, dans laquelle le moteur fonctionne ; un module de commutation 4, en réponse au signal de commande, apte à déconnecter l'entrée 20 du module de filtrage 2 de la sortie 10 du capteur de 30 pression 1 pendant la première phase, et à relier l'entrée 20 du module de filtrage 2 à la sortie 10 du capteur de pression 1 pendant la deuxième phase ; et - une sortie 5 générant une tension de sortie Vout égale à la première tension V1 pendant la première phase, et égale à la deuxième tension V2 pendant la deuxième phase. La première phase correspond par exemple à une phase de compression ou à une 5 phase de combustion - détente, et la deuxième phase correspond par exemple à une phase d'admission ou à une phase d'échappement. Le dispositif peut en outre comprendre un amplificateur dont une première entrée est reliée à une première borne de l'élément piézo-électrique, dont une deuxième entrée est reliée à une deuxième borne de l'élément piézo-électrique, et dont une sortie est reliée 10 à la sortie du capteur de pression, l'élément capacitif étant monté entre la sortie du capteur de pression et la première entrée de l'amplificateur. La figure 4b présente une réalisation particulière de l'invention, dans laquelle l'élément piézo-électrique, le condensateur de capacité C et un amplificateur AOP constituent le capteur de pression 1, le condensateur associé à l'amplificateur 15 transformant la charge Q délivrée par l'élément piézo-électrique en une première tension V1. Le paramètre de commutation est par exemple le résultat d'une comparaison de la première tension V1 à une tension seuil Vth, le moteur fonctionnant dans la première phase lorsque la première tension est au moins égale à la tension seuil, et le moteur 20 fonctionnant dans la deuxième phase lorsque la première tension est inférieure à la tension seuil. De préférence, pendant la première phase, la pression appliquée est comparable à une impulsion de courte durée et la première tension V1 est supérieure à la tension seuil Vth, et pendant la deuxième phase la première tension appliquée est inférieure à la 25 tension seuil Vth, comme illustré sur la figure 3a. Dans ces conditions, l'utilisation du condensateur sans module de filtrage pendant la première phase permet de générer une tension de sortie Vout exempte de distorsion, le condensateur jouant le rôle d'un filtre de fréquence de coupure égale à 0 Hz. Lors de la deuxième phase, l'association du module de filtrage avec le capteur de pression permet de générer une tension de sortie exempte 30 des parasites basses fréquences. A titre d'exemple, la tension seuil Vth peut être représentative d'une pression de cinq bars (5 bars). Dans l'exemple particulier de la figure 4b, le module de commande 3 est un comparateur Comp comparant la première tension V1 à la tension seuil Vth, par exemple Vth = 5 Volts. Lorsque la première tension V1 est supérieure ou égale à la tension seuil 35 Vth, on considère dans cette réalisation particulière que la contrainte est comparable à une impulsion ou que le moteur fonctionne en phase de compression ou de combustion - détente, le comparateur générant alors un signal de commande Scom pour commander au module de commutation 4, ici un interrupteur, de ne pas relier le module de filtrage 2 au capteur de pression 1. La tension de sortie Vout générée à la sortie 5 du dispositif de mesure sera alors égale à la première tension V1. Lorsque la première tension V1 est inférieure à la tension seuil Vth, on considère dans cette réalisation particulière, que la contrainte n'est plus comparable à une impulsion ou que le moteur fonctionne en phase d'admission ou d'échappement, le signal de commande Scom généré par le comparateur Comp commande au module de commutation 4 de relier le module de filtrage 2 au capteur de pression 1. Les tensions parasites basses fréquences présentes dans la première tension V1 (tension en sortie du capteur de pression) sont alors filtrées par le module de filtrage 2 et la tension de sortie Vout générée à la sortie 5 du dispositif de mesure sera alors égale à une deuxième tension V2 représentative de la première tension V1 exempte de ces parasites basses fréquences.
Le paramètre de commutation peut être une fenêtre temporelle délimitée en fonction de la position d'un piston du moteur et d'une courbe de pression de référence corrélée au moteur, le moteur fonctionnant dans la première phase à l'intérieur de cette fenêtre temporelle, et le moteur fonctionnant dans la deuxième phase en dehors de cette fenêtre temporelle.
En effet, la pression dans le cylindre dépendant de la position du piston dans ledit cylindre, la détermination de sa position (à l'aide d'un capteur de position du vilebrequin par exemple) permet, en se référant à une courbe de référence de la pression dans le cylindre, de déterminer des fenêtres temporelles dans lesquelles la pression est comparable à un signal pulsé référencé à zéro.
Le module de filtrage 2 peut être un filtre passe-bas 6 d'ordre n monté en parallèle avec l'élément capacitif, n étant un nombre entier positif. Le module de filtrage 2 peut également être une résistance R montée en parallèle avec l'élément capacitif. De préférence, le module de filtrage 2 est monté en parallèle avec l'élément 30 capacitif et est constitué par la résistance R associée au filtre passe-bas 6 d'ordre n, le filtre passe-bas 6 d'ordre n associé à la résistance R formant un filtre passe-bas d'ordre n+1 Dans l'exemple particulier de la figure 4b, le filtre passe-bas 6 utilisé comprend notamment un premier condensateur Cl et des première et deuxième résistances R1 et 35 R2.
A titre d'exemple illustratif nullement limitatif en soi, R=10MQ, R1=1MQ, R2=300K4, C=1200pF et C1=2pF. L'invention a également pour objet un procédé de mesure de pression cylindre d'un moteur à combustion interne dont le fonctionnement comprend une pluralité de cycles 5 successifs, chaque cycle se décomposant en au moins des première et deuxième phases, le procédé consistant à au moins générer une première tension V1 représentative d'une pression F appliquée à un élément piézo-électrique associé à un élément capacitif. Le procédé comprenant les étapes suivantes : - délivrer un signal de commande Scom fonction d'un paramètre de 10 commutation corrélé à une phase moteur, parmi les première et deuxième phases, dans laquelle le moteur fonctionne ; - lorsque le paramètre de commutation est corrélé à la première phase, générer un signal de sortie Vout égale à la première tension V1, en réponse au signal de commande Scom; et 15 - lorsque le paramètre de commutation est corrélé à la deuxième phase, filtrer les tensions basses fréquences parasites présentes dans la première tension V1, et générer un signal de sortie Vout égale à une deuxième tension V2 représentative de la première tension V1 exempte de ces tensions basses fréquences parasites, en réponse au signal de commande.
Claims (9)
1. Dispositif de mesure de pression cylindre d'un moteur à combustion interne dont le fonctionnement comprend une pluralité de cycles successifs, chaque cycle se décomposant en au moins des première et deuxième phases, le dispositif de mesure comprenant au moins un capteur de pression (1) constitué d'au moins un élément piézo- électrique associé à un élément capacitif, et d'une sortie (10) générant une première tension (V1) représentative d'une pression (F) appliquée à l'élément piézo-électrique, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre : un module de filtrage (2) comprenant au moins une entrée (20) et une sortie (21), apte à filtrer des tensions basses fréquences parasites présentes 10 sur son entrée (20), et à générer sur sa sortie (21) une deuxième tension (V2) exempte de ces tensions basses fréquences parasites ; un module de commande (3) apte à délivrer un signal de commande (Scom) fonction d'un paramètre de commutation corrélé à une phase, parmi les première et deuxième phases, dans laquelle le moteur fonctionne ; 15 un module de commutation (4), en réponse au signal de commande (Scom), apte à déconnecter l'entrée (20) du module de filtrage (2) de la sortie (10) du capteur de pression (1) pendant la première phase, et à relier l'entrée (20) du module de filtrage (2) à la sortie (10) du capteur de pression (1) pendant la deuxième phase ; et 20 - une sortie (5) générant une tension de sortie (Vout) égale à la première tension (V1) pendant la première phase, et égale à la deuxième tension (V2) pendant la deuxième phase.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le paramètre de commutation est le résultat d'une comparaison de la première tension (V1) à une tension seuil (Vth), le 25 moteur fonctionnant dans la première phase lorsque la première tension (V1) est au moins égale à la tension seuil (Vth), et le moteur fonctionnant dans la deuxième phase lorsque la première tension (V1) est inférieure à la tension seuil (Vth).
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le paramètre de commutation est une fenêtre temporelle délimitée en fonction de la position d'un piston du moteur et d'une 30 courbe de pression de référence corrélée au moteur, le moteur fonctionnant dans la première phase à l'intérieur de cette fenêtre temporelle, et le moteur fonctionnant dans la deuxième phase en dehors de cette fenêtre temporelle.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module de filtrage (2) est un filtre passe-bas d'ordre n monté en parallèle avec l'élément capacitif, n étant un nombre entier positif.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module de filtrage (2) 5 est une résistance montée en parallèle avec l'élément capacitif.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module de filtrage (2) est monté en parallèle avec l'élément capacitif et est constitué par la résistance associée au filtre passe-bas d'ordre n.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la première phase 10 correspond à une phase de compression ou à une phase de combustion - détente, et dans lequel la deuxième phase correspond à une phase d'admission ou à une phase d'échappement.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif comprend en outre un amplificateur (AOP) dont une première entrée est reliée à une première borne de 15 l'élément piézo-électrique, dont une deuxième entrée est reliée à une deuxième borne de l'élément piézo-électrique, et dont une sortie est reliée à la sortie (10) du capteur de pression (1), l'élément capacitif étant monté entre la sortie (10) du capteur de pression et la première entrée de l'amplificateur (AOP).
9. Procédé de mesure de pression cylindre d'un moteur à combustion interne dont le 20 fonctionnement comprend une pluralité de cycles successifs, chaque cycle se décomposant en au moins des première et deuxième phases, le procédé consistant à au moins générer une première tension (V1) représentative d'une pression (F) appliquée à un élément piézo-électrique associé à un élément capacitif , caractérisé en ce qu'il consiste en outre à : 25 - délivrer un signal de commande (Scom) fonction d'un paramètre de commutation corrélé à une phase moteur, parmi les première et deuxième phases, dans laquelle le moteur fonctionne ; - lorsque le paramètre de commutation est corrélé à la première phase, générer un signal de sortie (Vout) égale à la première tension (V1), en réponse au 30 signal de commande (Scom) ; et lorsque le paramètre de commutation est corrélé à la deuxième phase, filtrer les tensions basses fréquences parasites présentes dans la première tension (V1), et générer un signal de sortie (Vout) égale à une deuxième tension (V2) représentative de la première tension (V1) exempte de ces tensions basses fréquences, en réponse au signal de 35 commande (Scom).
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