FR2928974A1

FR2928974A1 - Systeme et procede de commande de la combustion dans un moteur a combustion interne.

Info

Publication number: FR2928974A1
Application number: FR0851779A
Authority: FR
Inventors: Pascal Emery; Jamil Abida
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-09-25

Abstract

Système de commande de la combustion dans un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre définissant une chambre de combustion (6), un piston mobile (3) dans le cylindre sous l'action d'un vilebrequin (5), des moyens pour mesurer au moins un paramètre de combustion de référence tel que la pression dans le cylindre et/ou les caractéristiques de déplacement du vilebrequin, et une unité de contrôle électronique (13) capable d'envoyer des signaux de commande à divers actionneurs. L'unité de contrôle électronique comprend une boucle de régulation fermée utilisant comme valeur de consigne d'entrée au moins une valeur représentative d'un paramètre de sortie caractéristique du moteur.

Description

B07-4549FR û AXC/EHE

Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système et procédé de commande de la combustion dans un moteur à combustion interne. Invention de : Pascal EMERY Jamil ABIDA Système et procédé de commande de la phase de combustion d'un moteur à combustion interne La présente invention a concerne la commande de combustion dans un moteur à combustion interne basée sur une architecture de contrôle moteur à boucle fermée. Les normes limitant la quantité de polluants dans les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, en particulier les oxydes d'azote (NOx) et les particules de suie, sont de plus en plus sévères. Pour passer les normes antipollution, il convient de piloter de manière fine la combustion au sein des moteurs à combustion interne, et par conséquent, de parfaire l'architecture des logiciels de commande des moteurs. L'architecture doit correspondre au mieux à la phase de combustion interne du moteur, phase prépondérante quant aux émissions polluantes. Il est donc intéressant de baser l'architecture du logiciel de commande des moteurs sur des estimations en ligne des polluants émis. La complexité grandissante des systèmes de commande des moteurs est aussi une conséquence des normes antipollution. Les architectures logicielles doivent se baser sur des modèles afin de pouvoir prendre en compte cette complexité et éviter une multiplication exagérée des cartographies lors de la phase de mise au point des moteurs. Les logiciels de commande de moteur actuels répondent en très grande majorité à une architecture logicielle comportant une régulation en boucle ouverte pour la commande de la combustion du moteur, c'est-à-dire que des consignes sont appliquées aux actionneurs du moteur sans qu'il n'y ait de retour d'information pour savoir si l'effet escompté sur la combustion a bien eu lieu.

La demande de brevet WO 2005/028833 décrit une architecture de commande en boucle fermée sur la combustion, qui permet de contrôler et d'ajuster le niveau de concentration d'oxygène dans les cylindres en même temps que le taux de turbo compression afin de minimiser les émissions nocives durant les phases transitoires au sein d'un moteur à combustion interne comprenant un système d'injection retardée directement dans le cylindre. La rétroaction de l'architecture est réalisée en comparant le couple instantané mesuré et le couple désiré par le conducteur, qui font tout deux intervenir l'injection de carburant et la concentration d'oxygène dans un cylindre du moteur à combustion interne. La concentration en oxygène dans les cylindres du moteur est régulée en agissant sur la vanne de contrôle du circuit de recirculation des gaz d'échappement. Ce document ne tient pas compte de consignes directes sur les produits de sortie du moteur, comme les polluants, le bruit, la consommation, le couple moteur, etc. qui permettraient d'avoir des informations plus précises sur le comportement du moteur lors sa phase de combustion. La présente invention a pour but de commander la combustion d'un moteur à combustion interne de manière plus fine en régulant le système grâce à une rétroaction portant sur des produits de sortie caractéristiques du moteur à combustion interne. Selon un aspect, il est proposé dans un mode de réalisation un système de commande de la combustion d'un moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion, un piston mobile dans le cylindre sous l'action d'un vilebrequin, des moyens pour mesurer au moins un paramètre de combustion de référence tel que la pression dans le cylindre et/ou les caractéristiques de déplacement du vilebrequin, et une unité de contrôle électronique capable d'envoyer des signaux de commande à divers actionneurs. L'unité de contrôle électronique comprend une boucle de régulation fermée utilisant comme valeur de consigne d'entrée au moins une valeur représentative d'un paramètre de sortie caractéristique du moteur.

L'unité de contrôle électronique comprend un modèle de traduction de valeurs de consignes de paramètres de sortie caractéristiques du moteur en paramètres de combustion. De cette manière, les informations fournies par les paramètres de sortie caractéristiques du moteur sont transformées en paramètres de régulation de la combustion du moteur exploitables par les actionneurs commandés par l'unité de contrôle électronique. Le modèle de traduction peut de préférence tenir compte de la nature du carburant alimentant le moteur pour faire varier, par exemple, les paramètres liés aux différents types de Diesel utilisés entre les pays comme le taux de cétane qui diffère entre les Etats-Unis et l'Europe, mais aussi les types de carburant, comme l'éthanol, ou les flex-fuel. La boucle de régulation fermée comprend une boucle de retour avec de préférence un modèle d'estimation capable de déterminer des paramètres de combustion estimés, à partir de valeurs mesurées d'au moins un paramètre de sortie de référence, le retour de la boucle de régulation se faisant en aval du modèle de traduction. Selon un autre mode de réalisation, le retour de la boucle de régulation peut se faire en amont du modèle de traduction. Les modèles précités comprennent avantageusement des cartographies mémorisées et/ou des modèles physiques sous forme de cartographie mémoire. Les paramètres de sortie caractéristiques du moteur peuvent être choisis parmi les polluants, le bruit, la consommation, le couple moteur et d'une manière générale tous les paramètres qui représentent un état produit par le moteur. Les paramètres de combustion peuvent être choisis parmi l'instant de début de combustion, la durée de la combustion, la pression maximale atteinte dans le cylindre, l'angle du vilebrequin pour lequel la pression est maximale dans le cylindre, l'angle du vilebrequin pour lequel une fraction donnée du combustible a été brûlée, la température des gaz à l'échappement, la pression des gaz à l'échappement. D'autres paramètres peuvent être envisagés dans la mesure où ils sont en relation directe ou indirecte avec la phase de combustion dans le cylindre. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de commande de la combustion dans un moteur à combustion interne dans lequel on mesure au moins un paramètre de combustion de référence tel que la pression dans le cylindre, et/ou la vitesse de rotation du vilebrequin, on commande la combustion à partir des valeurs mesurées et on régule en boucle fermée des paramètres de combustion en utilisant une valeur représentative d'un paramètre de sortie caractéristique du moteur.

De préférence, on estime la valeur d'au moins un paramètre de combustion à partir de la mesure du paramètre de référence et on utilise pour la régulation l'écart entre cette valeur estimée et une valeur de consigne. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 décrit la structure générale d'un cylindre d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. -la figure 2 illustre une architecture de commande de la combustion d'un moteur à combustion interne avec une boucle de régulation fermée. - la figure 3 illustre une variante de l'architecture de commande de la combustion d'un moteur à combustion interne avec une boucle de régulation fermée. Sur la figure 1, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un cylindre 2 d'un moteur à combustion interne 1. Le cylindre 2 comprend un piston 3 mobile sous l'action d'une bielle 4 dont le mouvement est animé par un vilebrequin 5, et une chambre de combustion 6 dans laquelle a lieu la combustion entre le carburant et les gaz. Les gaz prenant part à la combustion sont introduits par un conduit d'admission des gaz 7 comportant une soupape d'admission 8. Les gaz issus de la phase de combustion sont rejetés à l'aide d'un conduit d'échappement des gaz 9 via une soupape d'échappement 10.

Des moyens de mesure des caractéristiques de sorties du moteur sont disposés sur le cylindre du moteur. On a illustré en particulier un moyen 11 pour mesurer les caractéristiques de déplacement du vilebrequin 5, ainsi qu'un moyen 12 pour mesurer la pression dans la chambre de combustion dudit cylindre.

Une unité de contrôle électronique 13 (UCE) permet de recueillir les données des moyens de mesures 11 et 12 via les connexions respectives l l a et 12a. A partir de ces données, l'UCE 13 est capable de commander la combustion en envoyant des signaux de commande à divers actionneurs du système de commande de la combustion du moteur à combustion interne tels qu'un injecteur de carburant 14 via une connexion 14a ou une vanne de recirculation des gaz d'échappement 15 (EGR) via une connexion 15a. La vanne 15 permet de recycler une partie des gaz issus de la phase de combustion dans le conduit d'admission 7, et ainsi optimiser le fonctionnement du moteur à combustion interne et réduire les émissions d'oxydes d'azotes. La figure 2 présente une architecture de commande 16 de la combustion d'un moteur à combustion interne avec une boucle de régulation fermée selon l'invention, telle qu'elle est contenue, par exemple, sous forme logicielle dans l'UCE 13. Une valeur de consigne d'entrée prenant en compte au moins une valeur de paramètres de sortie caractéristiques du moteur telle qu'une quantité de polluants, un niveau de bruit, un taux de consommation de carburant, et/ou une valeur de couple moteur, est fournie au procédé par des cartographies préparées sur un banc moteur lors de la phase de mise au point du moteur, par des modèles physiques ou par un superviseur dont les sorties peuvent s'adapter au type de roulage de la voiture ou au type de conducteur.

Via une connexion 17a, on introduit ces valeurs de consigne d'entrée dans un modèle cartographique 17 qui traduit cette consigne d'entrée en consigne de paramètres de combustion tels que l'instant de début de combustion, la durée de combustion, la pression maximale dans le cylindre, la température des gaz à l'échappement, et la pression des gaz à l'échappement, ou d'autres paramètres en relation directe ou indirecte avec la phase de combustion dans le cylindre. L'information sur la nature du carburant est fournie au modèle cartographique de traduction 17 via une connexion 17b. L'information peut lui être fournie par une stratégie de commande à part, tel un modèle ou une cartographie, qui pourra être basée elle aussi sur l'information donnée par un des moyens de mesure des caractéristiques de la combustion comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre.

On entre ensuite, via une connexion 18a, la consigne de paramètres de combustion issue du modèle de traduction 17 dans un algorithme basé sur une boucle fermée sur le signal d'un moyen de mesure des caractéristiques de la combustion comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre 12.

Dans un premier temps, on compare à l'aide d'un comparateur 18 la valeur de cette consigne de paramètres à la valeur des mêmes paramètres de combustion mesurée en ligne sur le moteur par l'intermédiaire d'un ou plusieurs moyens de mesure comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre, ou bien un capteur de pression de cylindre additionné à un accéléromètre, ou bien un capteur de pression de cylindre additionné à un modèle de couple basé sur la vitesse instantanée du vilebrequin du moteur, et estimée à l'aide d'un modèle 20cartographique ou analytique. On introduit, via une connexion 19a, la valeur de l'erreur c sur les paramètres de combustion, correspondant à la différence issue du comparateur 18, dans un modèle de correction 19 qui peut être un modèle physique inversé, un correcteur proportionnel intégral, ou tout autre régulateur. Ce modèle de correction transforme les erreurs c sur les paramètres de combustion calculées précédemment en commandes à appliquer sur les actionneurs de commande du moteur tels qu'une quantité de gaz et/ou de carburant à injecter, l'ouverture ou la fermeture d'une vanne EGR, le fonctionnement d'un turbocompresseur. Le modèle de correction décrit ci-dessus est appliqué sur un système dont les caractéristiques des principaux actionneurs tels que des injecteurs et des débitmètres d'air sont recalées par rapport à une valeur nominale à l'aide de stratégies annexes qui pourront être elles aussi basées sur le signal d'un moyen de mesure des paramètres de la combustion tel un capteur de pression de cylindre ou autre, afin de pallier à la dispersion entre chaque injecteur ou débitmètre. Ces caractéristiques recalées sont fournies au système via une connexion 19b. Lesdites corrections sont appliquées au moteur 1 via les connexions 14a et 15a, au cycle thermodynamique N+l, et ceci à chaque cycle thermodynamique ou tous les deux cycles thermodynamiques. On envoie, via une connexion 12a, les données recueillies par un moyen 12 pour mesurer la pression dans la chambre de combustion du cylindre à un nouveau modèle 20 cartographique ou analytique qui estime la valeur des différents paramètres de combustion sur lesquels porte la stratégie. Cette valeur peut être estimée tous les cycles thermodynamiques ou moyennée tous les trois cycles thermodynamiques.

A l'aide du comparateur 18, on compare alors la valeur estimées de ces paramètres, acheminée via la connexion 20a, aux valeurs de consigne de paramètres de combustion comme décrit précédemment pour la régulation du système qui se fait tous les cycles thermodynamique, ou tous les deux cycles thermodynamiques.

La figure 3 présente une variante de l'architecture de commande de la combustion d'un moteur à combustion interne précédente avec une boucle de régulation fermée selon l'invention. Selon cette architecture, Une valeur de consigne d'entrée prenant en compte au moins une valeur de paramètres de sortie caractéristiques du moteur telle qu'une quantité de polluants, un niveau de bruit, un taux de consommation de carburant, et/ou une valeur de couple moteur, est fournie au procédé par des cartographies préparées sur un banc moteur lors de la phase de mise au point du moteur, par des modèles physiques ou par un superviseur dont les sorties peuvent s'adapter au type de roulage de la voiture ou au type de conducteur. On introduit, via une connexion 18b, la valeur de consigne d'entrée dans un algorithme basé sur une boucle fermée sur le signal d'un moyen de mesure des caractéristiques de la combustion comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre. A l'aide d'un comparateur 18, on compare la valeur de cette consigne d'entrée à la valeur des caractéristiques de combustion mesurée en ligne sur le moteur par l'intermédiaire d'un ou plusieurs moyens de mesure comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre, ou bien un capteur de pression de cylindre additionné à un accéléromètre, ou bien un capteur de pression de cylindre additionné à un modèle de couple basé sur la vitesse instantanée du vilebrequin du moteur, et estimée à l'aide d'un modèle cartographique 21. Via une connexion 17c, on introduit la valeur de l'erreur c, correspondant à la différence issue du comparateur 18, dans un modèle cartographique 17 qui traduit cette valeur de l'erreur c en consigne de paramètres de combustion tels que l'instant de début de combustion, la durée de combustion, la pression maximale dans le cylindre, la température des gaz à l'échappement, et la pression des gaz à l'échappement, ou d'autres paramètres en relation directe ou indirecte avec la phase de combustion dans le cylindre. L'information sur la nature du carburant est fournie au modèle cartographique de traduction 17 via une connexion 17b. L'information peut lui être fournie par une stratégie de commande à part, tel un modèle ou une cartographie, qui pourra être basée elle aussi sur l'information donnée par un des moyens de mesure des caractéristiques de la combustion comme, par exemple, un capteur de pression de cylindre. On introduit, via une connexion 19c, la consigne de paramètres de combustion dans un modèle de correction 19 qui peut être un modèle physique inversé, un correcteur proportionnel intégral, ou tout autre régulateur. Ce modèle de correction transforme la consigne de paramètres de combustion en commandes à appliquer sur les actionneurs de commande du moteur tels qu'une quantité de gaz et/ou de carburant à injecter, l'ouverture ou la fermeture d'une vanne EGR, le fonctionnement d'un turbocompresseur.

Le modèle de correction décrit ci-dessus est appliqué sur un système dont les caractéristiques des principaux actionneurs tels que des injecteurs et des débitmètres d'air sont recalées par rapport à une valeur nominale à l'aide de stratégies annexes qui pourront être elles aussi basées sur le signal d'un moyen de mesure des paramètres de la combustion tel un capteur de pression de cylindre ou autre, afin de pallier à la dispersion entre chaque injecteur ou débitmètre. Ces caractéristiques recalées sont fournies au système via une connexion 19b.

Lesdites corrections sont appliquées au moteur 1 via les connexions 14a et 15a, au cycle thermodynamique N+l, et ceci à chaque cycle thermodynamique ou tous les deux cycles thermodynamiques. On envoie, via une connexion 12a, les données recueillies par un moyen 12 pour mesurer la pression dans la chambre de combustion du cylindre à un nouveau modèle cartographique 21 qui estime la valeur des différentes caractéristiques de combustion sur lesquels porte la stratégie. Cette valeur peut être estimée tous les cycles thermodynamiques ou moyennée tous les trois cycles thermodynamiques. A l'aide du comparateur 18, on compare alors la valeur estimées de ces caractéristiques, acheminée via la connexion 21a, aux valeurs de consigne d'entrée comme décrit précédemment pour la régulation du système qui se fait tous les cycles thermodynamique, ou tous les deux cycles thermodynamiques. Ces deux architectures de logiciels de commande de moteur permettent de réguler la combustion d'un moteur à combustion interne de manière fine grâce à la mesure de paramètres de sortie caractéristiques du moteur qui fournissent des informations précises su l'état et le fonctionnement de celui-ci. Des moyens de mesures tels que des capteurs de pression cylindre dont la structure et le procédé de fabrication permettent de répondre à une production en grande série. Ces moyens de mesures offrent ainsi la possibilité d'imaginer une commande en boucle fermée de la combustion interne basée sur l'information fournie par ce type de moyens de mesures.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de commande de la combustion dans un moteur à combustion interne (1) comprenant au moins un cylindre (2) définissant une chambre de combustion (6), un piston (3) mobile dans le cylindre sous l'action d'un vilebrequin (5), des moyens pour mesurer au moins un paramètre de combustion de référence tel que la pression dans le cylindre et/ou les caractéristiques de déplacement du vilebrequin, et une unité de contrôle électronique (13) capable d'envoyer des signaux de commande à divers actionneurs, caractérisé par le fait que l'unité de contrôle électronique comprend une boucle de régulation fermée utilisant comme valeur de consigne d'entrée au moins une valeur représentative d'un paramètre de sortie caractéristique du moteur.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité de contrôle électronique (13) comprend un modèle de traduction de valeurs de consignes de paramètres de sortie caractéristiques du moteur, en paramètres de combustion.

3. Système selon la revendication 2, dans lequel le modèle de traduction tient compte de la nature du carburant alimentant le moteur.

4. Système selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel la boucle de régulation fermée comprend une boucle de retour avec un modèle d'estimation capable de déterminer des paramètres de sortie estimés, à partir de valeurs mesurées d'au moins un paramètre de combustion de référence, le retour de la boucle de régulation se faisant en aval du modèle de traduction.

5. Système selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel la boucle de régulation fermée comprend une boucle de retour avec un modèle d'estimation capable de déterminer des paramètres de sortie estimés caractéristiques du moteur à partir de valeurs mesurées d'au 13 moins un paramètre de combustion de référence, le retour de la boucle de régulation se faisant en amont du modèle de traduction.

6. Système selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel les modèles précités comprennent des cartographies mémorisées et/ou des modèles physiques sous forme de cartographie mémoire.

7. Système selon les revendications 2 à 6, dans lequel les paramètres de sortie caractéristiques du moteur sont choisis parmi les polluants, le bruit, la consommation de carburant, le couple moteur.

8. Système selon les revendications 2 à 6, dans lequel les paramètres de combustion sont choisis parmi l'instant de début de combustion, la durée de la combustion, la pression maximale atteinte dans le cylindre, l'angle du vilebrequin pour lequel la pression est maximale dans le cylindre, l'angle du vilebrequin pour lequel une fraction donnée du combustible a été brûlée, la température des gaz à l'échappement, la pression des gaz à l'échappement.

9. Procédé de commande de la phase de combustion dans un moteur à combustion interne dans lequel on mesure au moins un paramètre de combustion de référence tel que la pression dans le cylindre, et/ou la vitesse de rotation du vilebrequin, et on commande la combustion à partir des valeurs mesurées, caractérisé en ce qu'on régule en boucle fermée des paramètres de combustion en utilisant comme valeur de consigne d'entrée au moins une valeur représentative d'un paramètre de sortie caractéristique du moteur.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on estime la valeur d'au moins un paramètre de combustion à partir de la mesure du paramètre de référence et on utilise pour la régulation l'écart entre cette valeur estimée et une valeur de consigne.