FR2929649A1 - Systeme et procede de controle de la stabilite des combustions survenant dans un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Système de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans au moins un cylindre (3) d'un moteur à combustion interne (1), le système comportant un capteur de pression (13) disposé dans la chambre de combustion (2) dudit cylindre (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination (16) d'une valeur du bruit (Br) généré par chacune desdites combustions à partir de valeurs de pression (Pi) régnant dans la chambre de combustion (2) fournies par le capteur de pression (13) et des moyens (17) pour modifier un paramètre de fonctionnement (Val_Con_Inj) du moteur (1) en fonction de la valeur de bruit estimée (Br) afin de stabiliser les combustions survenant dans ce cylindre (3).

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE CONTROLE DE LA STABILITE DES COMBUSTIONS SURVENANT DANS UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.

L'invention concerne un système et un procédé de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans un moteur à combustion interne. L'invention trouve une application particulière dans le cadre des moteurs à injection par compression d'un mélange homogène comprenant une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement.

Dans ce type de moteur, un mélange d'air et de carburant est introduit dans un cylindre bien avant qu'un piston coulissant dans le cylindre n'atteigne le point mort haut. L'inflammation est obtenue par la compression du mélange et par l'augmentation de température qui en résulte. Ces moteurs se caractérisent par une faible émission de particules et d'oxydes d'azote. Ils sont connus sous le sigle anglais HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition).

La maîtrise de la combustion dans un moteur HCCI est difficile car on ne contrôle pas les instants de combustion comme on peut le faire pour les moteurs à allumage commandé.

Pour les moteurs classiques, il existe des points de fonctionnement pour lesquels la quantité de polluants émis est minimale. On souhaite donc également pouvoir faire fonctionner les moteurs de type HCCI sur ces points de fonctionnement. Or, cela s'avère délicat car les combustions survenant dans les cylindres des moteurs de type HCCI sur ces points de fonctionnement sont instables. -2 En outre, les normes limitant la quantité de polluants produits à l'échappement d'un véhicule automobile, dont les oxydes d'azote (dit NOx, où x varie selon l'oxyde considéré), sont de plus en plus sévères. Afin de respecter ces normes, on sait prévoir une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement (dit EGR pour, en anglais,"Exhaust Gaz Recirculation") qui réintroduit une partie des gaz d'échappement à l'admission du moteur à combustion interne. On insère généralement dans cette boucle de recirculation une vanne commandée (dite "vanne EGR") pour réguler les gaz d'échappement recyclés. Les gaz EGR inertes vis-à-vis de la combustion ont pour effet de diminuer la température maximale de la combustion et de réduire ainsi la quantité d'oxygène aspiré par le moteur. Or, la formation des oxydes d'azote est favorisée lors d'une combustion dont la température et le taux d'oxygène sont élevés. La recirculation partielle des gaz d'échappement a donc pour effet de diminuer la quantité des oxydes d'azote produits par un moteur à combustion interne.

Pour limiter les émissions polluantes, on cherche donc à introduire une grande quantité de gaz EGR à l'admission du moteur, en particulier sur des points de fonctionnement pour lesquels le moteur émet le plus de polluants à l'échappement, ces points de fonctionnement étant déterminés lors de la mise au point du moteur. Les gaz EGR étant inertes vis-à-vis de la combustion ont pour effet de diminuer la température maximale de combustion et de réduire l'excès d'oxygène en comparaison avec un moteur dépourvu de boucle de recirculation.

Toutefois, dans le cas d'un moteur HCCI, cette recirculation a aussi pour effet de rendre instable la combustion survenant dans les cylindres. En effet, le fort taux de gaz EGR provoque une atténuation aléatoire de la combustion, voire une disparition de la combustion dans certains cylindres, sur certains cycles de fonctionnement du moteur HCCI. En effet, les gaz EGR abaissent la -3 température régnant dans les cylindres. Or la température dans la chambre de combustion est un des paramètres importants qu'il faut maîtriser pour contrôler la combustion HCCI.

Il existe donc un besoin d'une solution permettant à la fois de recirculer une grande quantité de gaz d'EGR vers l'admission du moteur, en particulier sur les points de fonctionnement identifiés comme polluants lors de la mise au point, tout en assurant la stabilité des combustions survenant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne de type HCCI, pour utiliser le moteur sur toute sa plage de fonctionnement.

Le document EP 1 744 043 décrit un procédé de détection de l'instabilité des combustions survenant dans un moteur HCCI basé sur une comparaison d'une différence de pression régnant dans un cylindre du moteur à un seuil prédéterminé. Le procédé divulgué par ce document ne propose pas de solution pour conserver la stabilité des combustions. En outre, il ne propose pas de solution aux problèmes d'instabilité provoqués par un fort taux de recirculation des gaz EGR.

Un but de l'invention est de résoudre les problèmes de l'art antérieur en fournissant un procédé et un système de régulation des combustions survenant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne à même d'assurer la stabilité de ces combustions sur une grande plage de fonctionnement et ceci même en présence d'une importante quantité de gaz EGR.

Ici on entend par quantité importante de gaz EGR un taux de recirculation supérieur à cinquante pour cent. - 4 Selon un premier aspect, l'invention propose un système de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne, le système comportant un capteur de pression disposé dans la chambre de combustion dudit cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination d'une valeur du bruit généré par chacune desdites combustions à partir de valeurs de pression régnant dans la chambre de combustion fournies par le capteur de pression, et des moyens pour modifier un paramètre de fonctionnement du moteur en fonction de la valeur de bruit estimée afin de stabiliser les combustions survenant dans ce cylindre.

Selon d'autres caractéristiques prises séparément ou en combinaison : - le système comporte des moyens pour comparer une grandeur fonction de la valeur du bruit régnant le cylindre à une valeur de seuil, et des moyens de détermination d'une erreur (c) sur le bruit, - le système comporte des moyens de détermination, en temps réel et manière continue d'une valeur de correction de l'avance à l'injection en fonction de l'erreur sur le bruit pour stabiliser les combustions survenant dans le cylindre, - le système comporte des moyens pour limiter la valeur de correction de l'avance à l'injection entre plus ou moins deux degrés vilebrequin, - le système comporte des moyens pour ajouter ou soustraire la valeur de correction à une valeur d'avance à l'injection pour piloter l'injecteur.

Selon un autres aspect, l'invention propose un procédé de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que l'on estime une valeur du bruit généré par chacune desdites combustions à partir de valeurs de pression régnant dans le cylindre et on modifie un paramètre de fonctionnement du - 5 moteur en fonction de la valeur de bruit estimée pour stabiliser les combustions survenant dans ce cylindre.

Selon d'autres caractéristiques prises séparément ou en combinaison : - on compare la valeur d'une grandeur fonction du bruit régnant le cylindre à une valeur de seuil, et on détermine une erreur sur le bruit, - on détermine, en temps réel et manière continue une valeur de correction de l'avance à injection en fonction de l'erreur sur le bruit pour stabiliser les combustions survenant dans le cylindre, - on limite la valeur de correction de l'avance à l'injection entre plus ou moins deux degrés vilebrequin, - on ajoute ou on soustrait la valeur de correction à une valeur d'avance à l'injection pour piloter l'injecteur.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation détaillé, non limitatif, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en coupe un cylindre d'un moteur à combustion interne du type HCCI, comportant un système et mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 illustre un mode de réalisation du système selon l'invention, - la figure 3 est un organigramme des différentes étapes du procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue d'un ensemble de courbes représentatives de différents paramètres de fonctionnement du moteur.

Dans la suite de la description, l'invention est décrite pour un cylindre du moteur, mais elle peut bien entendu s'appliquer à un nombre quelconque de cylindres du moteur pour lesquels on désire réguler la combustion, et en -6 particulier pour l'ensemble des cylindres du moteur, munis respectivement d'un capteur de pression disposé dans la chambre de combustion du cylindre.

Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le moteur 1 à combustion interne comprend au moins une chambre de combustion 2 illustrée sur la figure 1 dans la partie haute d'un cylindre 3, à l'intérieur duquel se déplace un piston 4 connecté à une bielle 5 dont l'extrémité inférieure est reliée à un vilebrequin 6. Une soupape d'admission 7 permet de commander l'admission en ouvrant ou obturant le conduit d'admission 8, en communication avec la chambre de combustion 2. Une soupape d'échappement 9 permet, quant à elle, d'obturer ou d'ouvrir le passage des gaz d'échappement en provenance de la chambre de combustion 2 vers le conduit d'échappement 10. Le moteur 1 est muni d'un injecteur 12 destiné à autoriser ou à interdire le passage du carburant dans la chambre de combustion 2.

Une unité de commande électronique 11, capable de gérer le fonctionnement de nombreux éléments du véhicule, reçoit un certain nombre d'informations. Ces informations proviennent de différents capteurs placés notamment dans le moteur 1 et dans différentes conduites, leurs signaux étant amenés à l'unité de commande électronique 11 pour que celle-ci puisse déterminer les valeurs de divers paramètres de fonctionnement d'éléments du véhicule, et notamment le bruit de combustion dans le cylindre 3 lors d'une phase de combustion. Grâce à ces informations, l'unité électronique de commande est capable de commander la stabilité de la combustion en agissant notamment sur l'avance à l'injection de l'injecteur 12 via la connexion 19.

Un capteur 13 de la pression de combustion dans la chambre de combustion 2 transmet, par une connexion 14, la valeur de la pression mesurée à l'unité de commande électronique 11. L'unité de commande électronique 11 comprend un module de sélection 15 d'une suite de valeurs de la pression (Pi) dans la chambre de combustion 2 du cylindre 3 correspondant à une phase de combustion dans le cylindre 3, et un module de détermination 16, en temps réel et de manière continue, du bruit de combustion dans le cylindre 3 à partir desdites valeurs sélectionnées par le module de sélection 15. Un procédé et un système d'estimation du bruit de combustion à partir d'une pression mesurée dans un cylindre d'un moteur à combustion interne sont divulgués dans la publication FR06-55419. L'unité de commande électronique comporte également un module 17 capable de déterminer à partir du bruit de combustion fournit par le module 16, une valeur de commande d'avance injection permettant de maintenir la stabilité de la combustion dans la chambre de combustion 2. Cette valeur d'avance à l'injection est amenée à l'injecteur 12 par la connexion 19.

Sur la figure 2, le bloc 17 de l'unité de commande électronique 11 reçoit des valeurs du bruit Br produit par les combustions dans le cylindre 3 déterminées par le bloc 16 à partir des mesures de pression données par le capteur 13. Ces mesures sont amenées à un bloc 21 de calcul d'une valeur. Moy_Br correspondant à la moyenne glissante sur N cycles thermodynamiques de la valeur du bruit Br produit par les combustions dans chacun des cylindres du moteur. N peut être égal à 1. La valeur de sortie du bloc 21 est amenée par la connexion 22 sur l'entré négative d'un sommateur 23 qui reçoit sur son entrée positive une valeur de consigne Cons_Br du bruit que devrait normalement produire les combustions dans la chambre de combustion 2 pour le point de fonctionnement courant du moteur. La valeur de consigne Cons_Br peut-être la moyenne des bruits mesurés dans les P cylindres du moteur, la valeur instantanée du bruit dans l'un des cylindres, la moyenne sur M cycles thermodynamiques du bruit dans l'un des cylindres, une consigne fixe ou variable contenue dans une cartographie ou, peut-être -8 issue d'un modèle. Cette valeur de consigne Cons_Br peut aussi être déterminée à l'aide d'une combinaison des grandeurs précédentes.

L'erreurs issue du sommateur 23 résultant de la différence entre la valeur de consigne de bruit Cons_Br et la valeur moyenne du bruit Moy_Br mesurée est amenée en entrée d'un régulateur 25. Le régulateur 25 peut être du type à action proportionnelle et intégrale, à logique floue ou d'un autre type.

La valeur de la grandeur de correction de l'avance à l'injection Cor issue du régulateur 25 est amenée par la connexion 26 à l'entrée d'un bloc de saturation 29 qui limite cette valeur Cor entre plus ou moins deux degrés vilebrequin si elle est hors de cette plage de valeurs. Le choix de cette plage de limitation permet de d'assurer que la correction apportée ne modifie pas le point de fonctionnement courant du moteur. En effet pour une correction supérieure à plus ou moins deux degrés vilebrequin du phasage de l'injection, on observe une modification du couple fournit par le moteur, de sa consommation en carburant et une augmentation des émissions polluantes.

La valeur de correction saturée Cor_Sat issue du bloc de saturation 27 est exprimée en degrés vilebrequin à ajouter ou à soustraire à la valeur d'avance à l'injection cartographiée dans la mémoire de l'unité de commande électronique pour le point de fonctionnement courant du moteur. A cet effet, la sortie du bloc de saturation 27 est amenée à l'entrée d'un second sommateur 29. Le sommateur 29 reçoit sur une autre de ses entrées une valeur d'avance à l'injection Val_Carto en degrés vilebrequin issue d'une cartographie 28. Cette cartographie 28 enregistrée dans la mémoire de l'unité de commande électronique 11 fournit une valeur d'avance à l'injection Val_Carto fonction du point de fonctionnement courant du moteur (régime et charge). La sortie du sommateur 29 Val_Cons_Inj est ensuite amenée via la connexion 19 à l'injecteur 12 afin de corriger l'avance à l'injection dans le cylindre considéré au cycle thermodynamique suivant.

On obtient ainsi une régulation de la stabilité des combustions survenant 5 dans chaque cylindre du moteur à combustion interne du type HCCI.

Il faut noter que la valeur de correction de l'avance à l'injection est identique pour chaque injection réalisée par l'injecteur 12, quelque soit le motif d'injection. Ainsi, la valeur de correction appliquée est identique pour une 10 injection pilote, pour une injection principale et pour une post-injection. En outre, la quantité injectée n'est pas modifiée par le système selon l'invention.

La figure 3 illustre la mise en oeuvre du procédé selon un autre aspect de l'invention. Lors de l'étape El on détermine la valeur Br du bruit de 15 combustion dans la chambre de combustion à partir de la pression Pi délivrée par le capteur de pression 13. Un procédé de détermination du bruit de combustion à partir de la pression régnant dans un cylindre est décrit dans le document FR0655419. A l'étape E2, on compare la valeur Br du bruit mesurée à une valeur de bruit de consigne Cons_Br et on détermine une 20 valeur d'erreur sur le bruit E. La valeur de consigne Cons_Br peut-être la moyenne des bruits mesurés dans les P cylindres du moteur, la valeur instantanée du bruit dans l'un des cylindres, la moyenne sur M cycles thermodynamiques du bruit dans l'un des cylindres, une consigne fixe ou variable contenue dans une cartographie ou, peut-être issue d'un modèle. 25 A l'étape E3 on détermine une valeur de correction Cor de la valeur d'avance à l'injection en fonction de la valeur de l'erreur c et on limite cette valeur de correction Cor à plus ou moins deux degrés de vilebrequin si elle se trouve en dehors de cette plage de valeurs. A l'étape E4, on additionne ou on - 10 - soustrait la valeur de correction Cor à une valeur issue d'une cartographie Val_carto donnant la valeur courante de l'avance à l'injection du cylindre 3, afin d'obtenir une valeur Val_Cons_Inj de consigne de l'injecteur 12. A l'étape E5 on applique cette valeur de consigne d'avance à l'injection Val_Cons_Inj à l'injecteur 13 afin de corriger l'avance à l'injection dans le cylindre considéré au cycle thermodynamique suivant.

Les étapes El à E5 sont réalisées de manière continue tant que le moteur est en fonctionnement. Ainsi, la stabilité des combustions survenant dans la moteur est régulée de manière continue.

On a représenté à la figure 4 une pluralité de courbes donnant l'évolution de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion interne lorsque le système et le procédé selon l'invention sont mis en oeuvre et lorsqu'ils ne le sont pas. Afin de faciliter la comparaison du comportement de chaque cylindre, les courbes de la figure 4 ont été superposées en prenant comme point de référence angulaire le point mort haut de chacun des cylindres. Autrement dit, pour chaque courbe de la figure 4 le point 0° de vilebrequin correspond au point mort haut de chacun des cylindres 1.

Plus précisément, à la figure 4a, on a représenté les courbes 11, 12, 13, 14 donnant la valeur du courant I;nj de commande de chaque injecteur 12 en fonction de la position du vilebrequin 6. Ces valeurs de courant sont déterminées par l'unité de commande électronique en fonction de la consigne d'avance à l'allumage. Ces courbes permettent de déterminer les instants d'ouverture de chacun des injecteurs 12. On constate que les courbes 11 à 14 sont quasiment confondues et qu'il n'existe alors aucune correction de l'avance à l'allumage. -11- On a représenté à la figure 4b les courbes P1, P2, P3, P4 donnant la pression régnant dans chacune des chambres de combustion 2 du moteur 1 consécutivement aux injections réalisées selon la courbe 4a. On constate que pour un angle de vilebrequin d'environ 20°, la courbe P4 a une valeur inférieure à celle des autres courbes P1, P2 et P3. Ceci traduit une instabilité de combustion dans le quatrième cylindre lorsque l'avance à l'injection n'est pas corrigée. En effet, lorsqu'une combustion est intable, l'énergie qu'elle dégage est diminuée par rapport à l'énergie dégagée par une combustion stable. Cette diminution se traduit en autre chose par une chute de la pression régnant dans le cylindre.

A la figure 4c, on a représenté les courbes I1', 12', 13', 14' donnant la valeur du courant linj servant à commander chaque injecteur 12 du moteur à combustion interne 1 en fonction de la position du vilebrequin 6 lorsque le moteur 1 est équipé du système et du procédé selon l'invention. Ces valeurs de courant sont déterminées par l'unité de commande électronique en fonction de la consigne d'avance à l'allumage Val_Cons_Inj. Ces courbes permettent de déterminer les instants d'ouverture de chacun des injecteurs 12. On constate que grâce au système et au procédé de commande selon l'invention, les avances à l'injection des cylindres dans lesquels les combustions sont instables sont corrigées. Ainsi, les courbes de la figure 4c ne sont plus confondues.

On a représenté à la figure 4d les courbes P1', P2', P3', P4' donnant la pression régnant dans chacune des chambres de combustion 2 du moteur 1 consécutivement aux injections réalisées selon les courbes I1' à 14'. On constate que contrairement à ce qui se produit sans l'invention (figure 4a), la chute de pression régnant dans le quatrième cylindre (courbe P4') n'est plus aussi significative ce qui traduit le fait que la combustion dans le cylindre correspondant est redevenu stable. Le système et le procédé selon - 12 - l'invention permettent donc bien d'assurer la stabilité de la combustion dans les cylindres du moteur 1.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1- Système de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans au moins un cylindre (3) d'un moteur à combustion interne (1), le système comportant un capteur de pression (13) disposé dans la chambre de combustion (2) dudit cylindre (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination (16) d'une valeur du bruit (Br) généré par chacune desdites combustions à partir de valeurs de pression (Pi) régnant dans la chambre de combustion (2) fournies par le capteur de pression (13), et des moyens (17) pour modifier un paramètre de fonctionnement (Val_Con_Inj) du moteur (1) en fonction de la valeur de bruit estimée (Br) afin de stabiliser les combustions survenant dans ce cylindre (3).
2. 2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (23) pour comparer une grandeur (Moy_Br) fonction de la valeur du bruit (Br) régnant le cylindre à une valeur de seuil (Cons_Br), et des moyens (23) de détermination d'une erreur (c) sur le bruit.
3. 3- Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination (25), en temps réel et manière continue d'une valeur de correction (Cor) de l'avance à l'injection (Val_Carto) en fonction de l'erreur (c) sur le bruit (Br) pour stabiliser les combustions survenant dans le cylindre (3).
4. 4- Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour limiter la valeur de correction (Cor) de l'avance à l'injection entre plus ou moins deux degrés vilebrequin.- 14 -
5. 5- Système selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour ajouter ou soustraire la valeur de correction (Cor) à une valeur d'avance à l'injection pour piloter l'injecteur (12).
6. 6- Procédé de contrôle de la stabilité des combustions survenant dans au moins un cylindre (3) d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que l'on estime une valeur du bruit (Br) généré par chacune desdites combustions à partir de valeurs de pression (Pi) régnant dans le cylindre (3) et on modifie un paramètre de fonctionnement (Val_Cons_Inj) du moteur en fonction de la valeur de bruit (Br) estimée pour stabiliser les combustions survenant dans ce cylindre.
7. 7- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on compare la valeur d'une grandeur (Moy_Br) fonction du bruit (Br) régnant le cylindre à une valeur de seuil (Con_Br), et on détermine une erreur (c) sur le bruit.
8. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce l'on détermine, en temps réel et manière continue une valeur de correction (Cor) de l'avance à injection en fonction de l'erreur (c) sur le bruit pour stabiliser les combustions survenant dans le cylindre.
9. 9- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on limite la 25 valeur de correction (Cor) de l'avance à l'injection entre plus ou moins deux degrés vilebrequin.
10. 10- Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que l'on ajoute ou on soustrait la valeur de correction (Cor) à une 30 valeur d'avance à l'injection (Val_Carto) pour piloter l'injecteur (12).