FR2943100A1 - Procede de determination de l'avance a l'allumage d'un moteur thermique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique d'un véhicule à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée. Le procédé comporte les étapes suivantes : - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ; - enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et - à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE L'AVANCE A L'ALLUMAGE D'UN MOTEUR THERMIQUE. [0001] La présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à allumage commandé. [0002] Un moteur à combustion interne à allumage commandé est une machine où l'énergie thermique dégagée par la combustion est transformée en énergie motrice mécanique. Dans ce type de moteur, contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible ne s'enflamme pas spontanément, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par une bougie. Pour maximiser le rendement énergétique de la combustion le mélange combustible doit être enflammé de manière à faire coïncider le pic de pression dans la chambre de combustion avec une position idéale du couple piston/vilebrequin. Cependant, il existe un délai entre le moment où l'étincelle est produite et le moment où l'inflammation du mélange se propage, correspondant au début de la phase de combustion vive du mélange et à l'obtention d'un pic de pression maximum dans la chambre de combustion. C'est pour cette raison que l'allumage de la bougie est déclenché avec une avance. [0003] L'avance à allumage pilotée électroniquement par un calculateur, exprimée en degré d'angle de rotation du vilebrequin, correspond à l'angle entre le déclenchement de l'étincelle et le point mort haut du piston. La valeur d'avance permet de synchroniser l'apparition du pic de pression dans la chambre de combustion avec la position optimum et prédéterminée du piston dans la chambre de combustion. [0004] A l'heure actuelle, le réglage et l'obtention des valeurs d'avance optimale de l'allumage sont déterminées lors de la mise au point du moteur pour l'ensemble des conditions de fonctionnement pouvant être rencontrées par le moteur. Ces valeurs d'avances optimales déterminées sur les bancs de calibrations sont ensuite stockées sous forme de plusieurs cartographies et stratégies de contrôle dans le calculateur du moteur. Cette phase de calibration demande à l'heure actuelle un nombre important d'essais moteur. L'adjonction des actionneurs supplémentaires par les constructeurs (déphaseurs des arbres à came), afin de respecter les normes environnementales de plus en plus contraignantes et limiter la consommation, augmente de manière significative le nombre d'essais moteur nécessaires à leur mise au point. [0005] La solution technique proposée par la présente demande de brevet permet de limiter le 30 nombre d'essais et ainsi de diminuer le coût et la durée de la phase de calibration du moteur. [0006] Au lieu de tabuler les avances à l'allumage et par la suite de réaliser des interpolations de type linéaire ou polynomiale entre les points tabulés, l'invention propose d'utiliser un algorithme de calcul basé en partie sur la physique de combustion. Selon l'invention, les avances à allumage sont calculées à partir d'équations qui retranscrivent les évolutions thermodynamiques en termes de 35 différences d'avance par rapport à des avances de référence tabulées. [0007] De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage de moteurs thermiques à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, le procédé comportant les étapes suivantes: • à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituants des points d'appui; • déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ; • enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et • à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur. [0008] Ce procédé est avantageusement valable dans toute la plage et dans tous les modes de fonctionnement de moteurs thermiques à allumage commandé. [0009] Dans une variante, lesdits paramètres de calibration peuvent comprendre les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAOref , le point FMBxref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C,N,ref, une constante de combustion COMBref et une vitesse de flamme laminaire globale estimée SLref. [0010] Dans une variante, lesdits paramètres d'entrée peuvent être choisis parmi les paramètres suivants : • la masse d'air frais admise dans le cylindre (mair ) • la masse de gaz brûlé dans le cylindre (m(Bx = mIGR + mEGR ) • la masse de carburant dans le cylindre (mcarb ) • la charge (Ld ) • T la température moyenne (MEL(Ivc>) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des 25 soupapes d'admission • le rapport (! MEL) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange • la masse molaire (MMEL ) du mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé • l'angle d'ouverture admission (OA) 30 • le régime moteur (N). • la température d'eau du moteur (Tau ) [0011] Dans une variante, ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx [0012] Dans une variante, l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion est déterminée. [0013] Dans une variante, ledit modèle physique peut être représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (DINI) en fonction notamment d'une constante (CINI), 5 l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D CMB) en fonction notamment d'une constante (CCMB). [0014] Dans une variante, afin de calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAOestim) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; 10 b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant : • le calcul du délai d'initialisation DINI à partir de l'avance optimale estimée AAOestim et desdits points d'appui, • la détermination de FMBx à partir des valeurs de DINI et de AAOestim 15 * le calcul du délai de combustion DcMB à partir de FMBx, et • le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO peut être corrigée en prenant en compte la température du moteur [0015] Dans une variante, le délai d'initialisation (DINI) peut être calculé à l'aide d'une équation du 20 type : L ~z z = C.f .(KAer0. \2/3 )l3 HchINiv SL~r. [0016] Dans une variante, le délai de combustion (DCMB) peut être calculé à l'aide d'une équation du type : DCMB,,, CCOMB, f (KAero . art H L ch(MFBy, f) / ~..CmBte / (2/3 )1/3 Hch(MFBx,h,,,) B 25 avec : H0h (FMBy) longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé pour une quantité de mélange brûlé à y%, [0017] Dans une variante, l'étape b précédente peut avantageusement comporter deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération. 30 [0018] Dans une variante, la valeur de FMBx de l'étape b précédente peut être déterminée par FMBx = DINI û AAOestim , la valeur de DINI étant celle obtenue par la première itération. [0019] Dans une variante, l'avance à l'allumage AAO peut être déterminée par : AAO = - FMByref + DINI it1 + DCMB it1 FMByref étant la valeur de FMB obtenue par calibration, DINI it1 et DcMBit1 étant les valeurs obtenue à l'aide de ladite première itération. [0020] Ladite valeur estimée (AAOestim) peut être déterminée à partir d'une équation du type : * ( Lref ù `Lest. AAOestim = CAAO 1+ cJt AAOref
ef / [0021] La vitesse de flamme estimée (SLestim) peut être déterminée à l'aide d'une équation du type : iT \a / D \f MEL(FMBy,f) * MEL(FMBy,f) To Po [0022] De façon avantageuse x=5 et y=50. [0023] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description 10 qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 illustre schématiquement le procédé selon l'invention, et • la figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que le délai d'initialisation DINI et le délai de combustion DcMB. 15 [0024] L'exposé d'un mode de réalisation de l'invention fait appel à de nombreuses abréviations. On donnera donc tout d'abord, sous l'entête Nomenclature, la signification de ces abréviations. Nomenclature AAO : Avance à l'allumage optimale 20 PMH: point mort haut DINI : délai d'initialisation ou délai entre l'allumage (AA) et le point à 5% FMB. DcMB: délai de combustion ou délai entre le point à 5% FMB et le point à 50% FMB. GBR : taux de gaz brûlé résiduel et recirculé (qui est égal à IGR + EGR, IGR signifiant Internai Gas Recirculation et EGR External Gas Recirculation ) GBR = mGBR mGBR + mair + mcarb 25 Hoh : longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé. IVC : Intake Valve Closing qui est l'angle du vilebrequin au moment où la soupape d'admission se ferme KAero : coefficient de correction aérodynamique. L longueur 30 Ld : Load : Charge ou remplissage FMB : fraction de masse brulée aJLestim = SL0 * * GBR ù GBR FMBx et FMBy: point correspondant à une fraction brûlée de respectivement x% et y% de la masse totale du mélange. Ce point peut être exprimé de préférence en degrés d'angle vilebrequin ou en temps. : rapport volumétrique <=> taux de compression Rv°t = V+Vm°rt Vmort : volume de la chambre de combustion lorsque le piston est positionné au point mort haut PMH Vcyl=volume balayé par le piston RFA : Retard Fermeture Admission c=> IVC Intake Valve Closing (Angle de fermeture des soupapes d'admission) SL : Vitesse de flamme laminaire SLo : Vitesse de flamme laminaire mesurée dans des conditions standard de pression et de température. : Coefficient stoechiométrique : c'est le rapport de la masse d'air et du carburant à la stoechiométrie m : Débit massique PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur Cp : Capacité calorifique à pression constante
Indice Air : air frais Air swept : air balayé : c'est l'air qui transite directement de la tubulure d'admission à la tubulure d'échappement à travers la chambre de combustion au moment où les soupapes d'admission s'ouvrent et les soupapes d'échappement se ferment CMB : combustion au point FMB50 comb : avec combustion INI : initiation i.e. entre l'allumage et le point FMB5 it1 : première itération it2 : deuxième itération MAP : mise au point MEL : mélange. Le mélange est constitué d'air, d'EGR, d'IGR et de carburant. ref : point de référence calibré en mise au point wcomb : sans combustion [0025] L'énergie dégagée par la combustion est récupérée de manière optimale sous forme d'énergie mécanique par le piston lorsque le FMB50 est calée à une position spécifique après le Point Mort Haut (PMH) cela correspond pour un point de fonctionnement donné (Régime/charge) à régler l'avance à l'allumage de manière à obtenir le couple optimum en sortie le vilebrequin. En effet, c'est lorsque l'on atteint le couple maximale du point de fonctionnement du moteur que la consommation du moteur est minimale. Pour se faire, la combustion du mélange doit être initialisée plus tôt en prenant Vmort xo = mair stock mcarb stock en compte les délais d'initialisation et de combustion du mélange carburé. Le principe du modèle consiste à estimer ces délais en fonction des conditions thermodynamiques du mélange carburé et du contrôle moteur pour calculer l'avance à allumage optimale (AAO). En calculant le délai de combustion du FMB5 au FMB50 et le délai de l'allumage au FMB5 selon des équations physiques proposées à la référence [1] ci-après (équations appelées par la suite équations de Hires et al.), il est possible de déterminer l'angle vilebrequin à laquelle l'allumage du mélange doit être effectué. [0026] La description qui suit concerne un mode de mise en oeuvre se référant à 5% de la masse de carburant brulé (FMB5) et à 50% (FMB50). Ces pourcentages pourraient être différents et, de façon générale, ces pourcentages sont x% et y%. [0027] Les délais d'initialisation et de combustion peuvent être déterminés à partir de modèles physiques basés sur la connaissance des conditions thermodynamiques dans le cylindre. Les deux articles suivants [1] et [2] donnent des modèles et équations utiles : - [1] Hires S.D., Tabaczynski R.J. and Novak J.M., The Prediction of Ignition Delay and Combustion Intervals for a Homogenous Charge, Spark Ignition Engine. SAE 780232 - [2] Metgalchi M. and J.C. Keck, Burning velocities of mixtures of air with Methanol Isooctane and Indolene at high pressure and temperature, Combustion and Flame, 48, P. 191-210, 1982. [0028] La figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que les délais DINI (délai d'initialisation) et DcMB (délai de combustion). [0029] Le délai d'initialisation et le délai de combustion ne peuvent pas être calculés directement. En effet, pour les calculer il faut connaitre la pression et la température du mélange au moment de l'allumage et notamment au FMB5. L'évolution de la pression et de la température du mélange enfermé dans la chambre de combustion au cours du cycle de combustion peut être estimée via des calculs de compression adiabatique et calculs simples de l'augmentation de température due à la combustion, mais pour alimenter correctement les équations de Hires et al. avec les bons niveaux de pression et de température, il faut estimer au plus juste l'angle d'allumage et l'angle à laquelle 5% du carburant a brulé (FMB5). Ceux-ci seront obtenus par itération. [0030] Dans un premier temps l'angle d'allumage est estimé par une simple relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire au FMB50. (aJLref ù SLestim ) AAOestim ù 1+ * AAOref SLref [0031] En effet, la vitesse de propagation du front de flamme est le paramètre physique qui a une influence d'ordre 1 sur l'avance à l'allumage. La vitesse de flamme évolue avec la pression et la température. Pour ce premier calcul de proportionnalité on utilise les conditions thermodynamiques obtenues au FMB50. eq.1 P R MEL(FMB50-f ) * (1 _ CGBR * GBR) eq.2 Po l V J SLestim = SLo * T \a MEL(FMB50,,f ) * To [0032] L'AAOref et le SLref sont tirées de cartographies, fonctions du régime et de la charge, prédéterminées lors de la calibration du moteur. On prend les valeurs de AAOref et le SLref situées au même niveau de charge et de régime que le point de fonctionnement pour lequel on veut déterminer l'avance. [0033] A partir de cette première estimation de l'AAO, commence le calcul de l'avance à allumage optimale avec les équations de Hires et al.. Le délai d'initialisation est calculé avec la pression et la température moyenne du cylindre entre l'AAO précédemment estimée et l'angle où 5% de la fraction de carburant a brulé. A ce stade, l'angle à laquelle 5% du carburant a brulé (FMB5) n'est pas précisément connu. Pour remédier à cela, une cartographie des FMB5 de combustions optimales a été prédéterminée lors de la phase de calibration du moteur. = /3 DINIä~ ù Cmr f ' KAero'N~INIä~ Y /H -2/3 ch 1N,i. ~ INli,l eq.3 CINI ref est une valeur tirée d'une cartographie à deux dimensions régime et charge prédéterminée lors de la phase de calibration. Kaéro est un coefficient qui retranscrit le niveau d'aérodynamique interne régnant dans la chambre de combustion. II est fonction du régime et du déphasage angulaire de l'arbre à came par rapport au vilebrequin. La vitesse moyenne du piston fonction du régime présent dans l'équation de Hires et al. a été remplacé par le Kaéro. [0034] La détermination de NU et H est donnée dans la description du mode de réalisation détaillée donnée ci-après. [0035] A partir de l'AAO estimé et du délai d'initialisation précédemment calculé, une nouvelle valeur de FMB5 du point de fonctionnement est approximée : FMB5eSttm = DfNZttl ù AAOestim eq.4 [0036] Cette nouvelle valeur de l'angle où 5% de la fraction de carburant à brulé permet de calculer le délai de combustion notamment la hauteur H représentative dans l'équation 5 de l'échelle des 25 turbulences présentes dans la chambre à ce moment de la combustion. / 2/3 1 TT 1/3 Hch(FMB5et,,, .( KAero.NV CMB,a) SL Hch(FMB50, f) / CMBi,i / [0037] Les valeurs de SL cMB It,, NU cMB It, sont calculées aux conditions de pression et de température estimées au FMB50 (voir description détaillée). [0038] Après avoir calculé le délai d'initialisation et le délai de combustion, une nouvelle estimation 30 de l'avance à l'allumage optimale peut être calculée selon l'équation suivante : AAOtt1 = ùFMB50Ye f + DfNf~tl + DcMBttl eq.6 DcMB,,, = CcoMB,t eq. 5 [0039] Ensuite, une seconde itération est effectuée. A cette nouvelle AAOif, sont associées de nouvelles conditions thermodynamiques différentes de celles au moment de la détermination de l'AAOestim. Un nouveau calcul du délai d'initiation est donc effectué (idem eq. 3). Une nouvelle valeur de FMB5 est alors déduite (idem eq. 4). Le calcul d'un délai de combustion est effectué. Par rapport à la première itération il n'y a que la valeur de HCMB qui change. De nouveau par l'équation 6 une nouvelle AAO est déterminée. Ce calcul itératif pourrait ainsi se poursuivre plusieurs fois afin d'obtenir un meilleur niveau de précision sur l'estimation de l'avance optimale mais pour des questions de temps d'utilisation du processeur du calculateur embarqué les itérations sont de préférence limitées à deux. [0040] Pour résumer, le calcul de l'AAO est itératif. La première étape est l'étape d'initialisation du calcul avec l'estimation de l'AAO par une relation simple de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire. La seconde étape est le premier calcul utilisant les équations de Hires et al.. A ce stade, ne connaissant pas encore la valeur du FMB5, on s'appuie sur la valeur de FMB5ref déterminée lors de la phase de calibration. Lors de cette phase, un nombre important (par exemple une centaine) de points de fonctionnement dits de référence ou d'appui répartis dans le plan régime-charge ont été déterminés au banc d'essais avec une avance réglée de façon optimale. Pour cette multitude de points, les valeurs de C,Niref, CCMBref, FMB5ref, FMB50ref, SLref, AAOref ont été calculées et tabulées dans des cartographies à deux dimensions régime et charge. Entre cette centaine de points des interpolations linéaires sont effectuées pour avoir accès à l'ensemble des valeurs dans le plan régime-charge. A l'issue de cette seconde étape une AAO est obtenue. A partir de cette AAO, le même calcul itératif est réalisé mais avec la nouvelle valeur de FMB5 qui a été obtenue. [0041] L'intérêt de ce modèle est de pouvoir prédire les avances à l'allumage optimales à partir de quelques points d'appui déterminés au banc moteur (desquels sont issus les constantes nécessaires au calcul itératif : C,Niref, CCMBref, FMB5ref, FMB50ref, SLref, AAOref). Le modèle recalcule les avances en prenant en compte les évolutions des conditions thermodynamiques et des déphasages des arbres à came par rapport aux points d'appuis. [0042] La pression et la température du mélange dans la chambre de combustion n'étant pas mesurées directement, ces grandeurs sont approximées puis utilisées pour calculer le temps de propagation de la flamme dans le cylindre. [0043] Les étapes principales du procédé sont représentées schématiquement sur la figure 1. [0044] De façon synoptique, la première étape consiste à estimer l'avance à l'allumage optimale AAOestim, de manière grossière en prenant en compte uniquement la vitesse de propagation de la flamme laminaire. Pour cela on utilise les paramètres moteur qui sont indiqués à l'annexe 1 ci-après et les calibrations (ou points d'appui) prédéterminés, indiqués à l'annexe 2, lors de la mise au point du moteur sur banc d'essais. [0045] Ensuite, l'avance à l'allumage optimale AAO est déterminée par deux itérations de calcul. Cette détermination est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chaque phase de combustion (phase d'initialisation et phase de combustion), ainsi que sur le calcul de la viscosité cinématique NU et la vitesse de flamme laminaire SL à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion. La première itération comporte les étapes suivantes : - calcul du délai d'initialisation DIN, in à partir de l'avance optimale estimée AAOestim et des calibrations, notamment FMB5 . - détermination du point FMB5estim à partir de DIN, in et AAOestim, avec FMB5 = DIN, in - AAOestim _ calcul du délai de combustion DcMB in à partir de FMB5, et - calcul de l'avance optimale AAOit1. [0046] La deuxième itération comporte les étapes suivantes calcul du délai d'initialisation de la combustion DIN, it2, et calcul du délai de combustion DcMB it2 ce qui conduit à une valeur de l'avance à l'allumage non corrigée AAOwcorr. [0047] La valeur AAOwcorr est ensuite corrigée en considérant des aspects non pris en compte par le modèle (température du moteur Teau).. Ce correctif d'avance est cartographié et additionné à l'avance optimale pour fournir la valeur de AAOcorr. Description détaillé d'un mode de réalisation : [0048] Afin de ne pas alourdir cette description, certains calculs sont décrits ci-après dans une Annexe de la méthode de calcul , composée d'annexes 1 à 7. 1. Estimation de l'avance à l'allumage optimale (AAO) [0049] La première étape du calcul consiste à réaliser une estimation de l'AAO : (1+ (xSL ù SL ) ref estim SLYef AAOestim ù CAAO * *AAOYef eq. 1' [0050] Pour se faire, les paramètres moteur (cf. annexe 1) et les calibrations prédéterminées lors de la mise au point (cf. annexe 2) sont utilisés. Ces paramètres permettent d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion. /L ,P eq. 2' ,~BC(Feraso y) * MEL(FMB5O,) * (] _ Ccax * GBR)
L0 P° i [0051] La température au point FMB50ref (eq. 3') est estimée à partir de l'augmentation de température due à la compression du mélange (on considère que la compression des gaz enfermés dans le cylindre est adiabatique). Elle est déterminée à partir de la température des gaz enfermés au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVC) d'une part, et d'une augmentation de température liée à la combustion de 50% du mélange (loi de dégagement de chaleur simplifiée, eq. 5'), d'autre part, tel que : TMEL(EMB501ef) TMELwcomb + ATMELcomb (50%) eq.3' avec _ * gammaù1 eq.4' TMEL,N,omb (FMB50, f) TMEL(IVC) Zeff (FMB50, f) SL~am = SLo * et 0.5 * mcarb * PCI AT MELc,(50%) [0052] La pression au point FMB50ref est alors déduite de la relation des gaz parfaits :
TMEL(FMB50, )MEL PMEL(FMB50, ) MMELVch(PFMB50, j)
[0053] On remarquera que la masse molaire du mélange (MMEL) est calculée à partir de la composition des gaz et des capacités calorifiques des espèces (H20, CO2, CO, NO, 02, N2). [0054] La valeur de SLref est tirée d'une cartographie de calibration régime-charge. Les valeurs de SLref auront été calculées de la même manière que ci-dessus pour les points d'appui dit de référence , c'est dire des points de fonctionnement moteur dont on a déterminé l'avance à allumage optimale au préalable sur banc moteur (lors de la mise au point du moteur, la phase de calibration des moteurs). 2. Détermination de l'avance optimale en deux itérations de calcul [0055] La méthode proposée est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chacune des phases de la combustion, i.e. pendant la phase d'initialisation et pendant la phase de combustion. A partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion, la viscosité cinématique et la vitesse de flamme laminaire sont calculées pour pouvoir estimer les délais associées à chacune des phases. a) Première itération - Calcul du délai d'initialisation DINI(lère itération) [0056] A partir de l'avance optimale estimée (AAOestim) et des essais, notamment le FMB5ref, le délai d'initialisation de la première itération (annexe 3) peut être calculé. Le FMB5ref est déterminé sur les points d'appui à partir de l'analyse de la pression cylindre mesurée avec un capteur lors de la phase de mise au point. mMEL CPMEL 10 eq.5' 7H vz/7 ch rN ~ eq.6' [0057] Pour se faire, la viscosité cinématique (cf. Annexe 5), la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées. Les calculs du volume de la chambre et du rapport volumétrique peuvent être réalisés à partir, respectivement, des équations données page 44 et page 43 de l'ouvrage de Heywood J.B. (1988) Internai Combustion Engine Fondamentals, Mc Graw-Hill International Editions. Des conditions moyennes relatives à la phase d'initialisation sont utilisées pour le calcul de NUINIit1, SL INIitl et Hch INIitl : +TMEL mb(FMB5) TMEL(AAO,s 2 TMEL~,a 11 PMEL(AA) +PMEL mb(FMB5) PMELI.11 2 H= H avec = ch(OLVI) BINh~t [0058] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont présentés ci-après : TMEL(AAO~,hm) TMEL(IVC) Zeff (AAOe1hm ) gammaù1 TMEL(AAO h,,,)'R'mMEL MMEL •Vch(AAOO,h,,, ) TMEL(FMB5 ) TMEL,. mb (FMB5, f ) + ATMEL,,,,b (5%) avec T T * z gamma-1 et OT 0.05 * mcarb * PCI MEL,,,~,,,b (FMB5, ) MEL(IVC) eff (FMB5, f) MEL,o,,,b (5%) AAOesttm + FMB5ef 2 PMEL(AAOO,h mMEL CPMEL PMEL(FMB5Yef) TMEL(FMB5, f) •R•mMEL MMELVch(FMB5,,f ) [0059] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance optimale estimée permet alors de déterminer le point FMB5 estimé.
FMBSest•m = DINIttl û AAOesttm - Calcul du délai de combustion (1 ère itération) [0060] A partir du point FMB5estim, le délai de combustion de la première itération peut être calculé : CCOMB, f . 1 Hch(FMB50,f) •(KAera.N ( \2/3 )1/3 Hch(FMB5,h,,,) SL CMB,, eq.7' [0061] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées pour des conditions moyennes relatives à la phase de combustion. La pression et la température correspondant au point FMB50ref sont significatives pour la phase de combustion et on peut supposer que : TMELc,~B TMEL(FMB50,f) 25 PMELC,yB PMEL (FMB50,f) [0062] On remarquera que les calculs de TMEL(FMB5O,t) et PMEL(FMBSO, sont analogues à ceux réalisés pour l'estimation de l'AAO. [0063] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion issus de la première itération : AAOttl = ûFMB50Ye f + DLNL~tl + DcMa~tl b) Deuxième itération [0064] La méthode est à nouveau appliquée pour affiner le calcul en utilisant les paramètres estimés lors de la première itération. - Calcul du délai d'initialisation de la combustion (2ème itération) [0065] A partir de l'AAOit, et du FMB5estim calculés par la première itération, le délai d'initialisation peut être déterminé pour la deuxième itération de calcul : )1/3 DINI~,z = Cmr,f ' KAeroNUINL,z SLINL z eq. 6" Hch 2/3 [0066] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme 15 laminaire doivent être recalculées pour les conditions thermodynamiques moyennes relatives à la phase d'initialisation. _ TMEL(AAOit) + T T MEL(EMB5eSnm) MELLNL.t2 2 _ PMEL(AAO,t~) +PMEL(FMB5ä,h,,,) PMELLnitr2 2 Hch~~tz Hch(o~~.t avec B = AAOtt1 + FMB5eSttm IN 2 2 20 [0067] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont détaillés ci-après : • TMEL(AAO,,I) TMEL(IVC) eff (AAO,,I ) gammaù1 _ TMEL(AAOäi).R.mMEL ^ PMEL(AAOäi) MMEL'Vch(AAOät) • TMEL(FMB5,shm) TMEL,,,o,ab (FMB,,h,,,) + ATMEL,o,ab (5%) gammaù1 25 avec TMEL_b(FMB5,s.) = TMEL(IVC) ~eff (FMB5ä)
0.05 * m.., * PCI et ATMEL,o,,, (5%) b mMEL*CPMEL _ TMEL(FMB5ä,h,,,) .R.mMEL ^ PMEL(FMB5,,hm) MMEL'~ch(FMBS~,hm ) [0068] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance calculée par la première itération permet alors d'affiner la position du point FMB5 : FMB5tt1 = DfNrt2 û AAOit1 - Calcul du délai de combustion (2ème itération) [0069] A partir du point FMB5;t1, le délai de combustion de la deuxième itération peut être calculé : ( \2/3 1 )1/3 Hch(FMB5,,,) H (KAcrO.NUCMB, SL ch(FMB50,f) / CMBit2 [0070] Les conditions au point FMB50ref restent significatives pour la phase de combustion de cette 10 deuxième itération. Ainsi, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire restent inchangées. [0071] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion : Dc Bit2 ù COMB, f eq. 7" 15 AAOit2 = ûFMB50Ye f + DBVZtt2 DcMBtt2 3. Correction applicable à l'avance optimale calculée [0072] Un correctif, sous forme de décalage à appliquer à l'avance optimale calculé, permet de prendre en compte la température moteur (Teau) non pris en compte par le modèle . Ce correctif 20 d'avance est cartographié et est additionné à l'avance optimale. AAOOOr = AAO.t2 + 4AAO [0073] On remarquera que - AAAO est une cartographie fonction de la charge et de la température d'eau 25 Annexes de la méthode de calcul Annexe 1 : Paramètres d'entrée du modèle Ces paramètres ne sont pas constants et doivent être déterminés par calcul [indiqué par (cab)] ou par mesure (mes) ou par modélisation (mod), de préférence à chaque cycle de combustion. main : masse d'air frais admise dans le cylindre (par exemple en kg) (mod) 30 mGBR : masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre (par ex. en kg) (mod) mcarb : masse de carburant dans le cylindre (par exemple en kg) (mes) On rappelle que : mMEL=main+mcarb+mGBR et que : GBR = mGBR mGBR + main + mearb TMEL(IVC) : température moyenne des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVCc=> Intake Valve Closing) (par exemple en °K) (mod) YMEL : rapport de la capacité calorifique à pression constante (Cp) et de la capacité calorifique à volume constant (Cv) du mélange (calc) MMEL : masse molaire du mélange air+carburant+gaz brulé (g/mol) (calc) OA : angle d'ouverture admission pris par rapport au PMH admission (°Vilbrequin) (mes) N : régime moteur (tr/min) (mes) T. : température d'eau du moteur (par exemple en °C) (mes)
Annexe 2 : Calibration MAP Les calibrations sont fonction du régime et de la charge. • AAOref est l'avance à l'allumage optimale et est déterminée lors des calibrations par lecture directe 15 sur le banc d'essais ; • FMB5ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 5% de la masse totale du mélange et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ; • FMB50ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 50% de la masse totale du mélange et 20 est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ; C,Näref est la constante d'initialisation déterminée lors des calibrations . C = INI,f /3 KAeroNUINIof \2/3 Heh INI, f SL DINI,f 25 DINIref = FMB5,ef +AAOef NUI NI f =NU ~T~E4Nr f'ma,, f,maa, f,mca{ f IVC f,FMffi,f) Avec HehLwr = Heh(AAQ f,FMffi, f) SL = SL INl f (TMEIIN, f,PME,N1, fI, fGBR,f) TME NJ =T ME IVÇ. f,AAO, f,FMB5,f, TmEr,4 f PMELWI f = PMET (Tm COMBref est la constante de combustion déterminée lors des calibrations. aa,b,. f, mcar{ fY, f,MMEW f) DCMB ref (KAero Hch(FMB50, f CMB /3 avec DCMBref = FMB50Ye f ùFMB5f NUCMB f = NU(TME,,ä,f,md.f Hch cm, 4.f =Hch(FM io,f) ( cJLCM~ = SL(T M$ f LMEI$ef TMEL(IVG. f,FMB50, f, PME $ f =P MEL(TerElcnzq, f, m,,i, * SLref est la vitesse de flamme laminaire globale estimée. MEL(FMB50,,f * PMEL(FMB50,,f * (1 ù GGBR * GBR To \ Po SL0 = SL =(X (2) II= A2,PM&L) TMEL(FMB50, f) TMEL(IVC, f,FMB50, f,TM, PMEL(FM1350,f) PMEL(T,~ELCMB , mcBR, f,MMEL, f Annexe 3 : Délai d'initialisation et de combustion Le calcul se base sur l'enseignement de la référence [1] Hires et al. \2/3 DINI=C (SP.NUINI)1/3 HchEI INlrf SL INI H 2/3 Le terme SP (vitesse moyenne du piston, cf. annexe 4) dépendant du régime a été retiré des équations 6' et 7' et remplacé par le Kaéro dépendant également du régime et du déphasage de l'arbre à cames admission (en effet, l'aérodynamique interne est modifié par le déphasage de la loi de levée des 20 soupapes d'admission).
On remarquera que les délais peuvent être mesurés sur banc d'essais et correspondent à : DINI = FMB5 e f + AAOref DCMB = FMB50rcf ù FMB5 ef 25 et que pour prendre en compte l'aérodynamique dans la chambre de combustion, les relations proposée par Hires et al. (référence [1]) ont été adaptées (cf. eq. 6' et eq. 7'). Les valeurs du coefficient KAero dépendent du déphasage de l'arbre à came admission et du régime. f,mGBR,f,FMB50, f) f,~rf, GBlj. f) f.mGBR, f SLYe f = SL0 * mn, ) fGBR,f,Yrf DCMB .( P.NV 1/3 ch(FMB5 CMB ) Hch(FM1350 SLCMB b Annexe 4 : vitesse moyenne du piston SP=L~* N 30 Annexe 5 : Viscosité cinématique NU est le rapport entre la viscosité dynamique (MU) et la masse volumique du mélange (RHO): NU = MU RHO
La masse volumique du mélange est déterminée à partir de la masse du mélange dans le cylindre (i.e. la somme des masses d'air, d'IGR, d'EGR et de carburant) et du volume de la chambre : RHO = mMEL Vch La viscosité dynamique est déterminée à partir de la loi de Sutherland : 16 MU = MU,. \3/2 T MEL * (TD + S T 0 / (TMEL + S Annexe 6 : Taux de compression effectif 2eff représente le rapport de volumes de la chambre de combustion entre la position angulaire (0) et 15 l'angle de fermeture des soupapes d'admissionc=>IVC. 2 = Vch(IVC) cff Vch(0) Annexe 7 : définition des différentes positions angulaires. Les différentes positions angulaires du vilebrequin sont illustrées sur la figure 2. 20 [0074] La présente invention permet un gain de temps et une réduction des coûts de calibration grâce à la réduction du nombre d'essais de calibration. De plus, le modèle physique de l'invention s'applique pour tous les modes de fonctionnement du moteur et quelque soit le modèle de moteur, alors que précédemment il était nécessaire de faire une cartographie complète pour chaque nouveau
25 modèle de moteur. [0075] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, les taux de 5% et de 50% de la masse de carburant brûlé peuvent être différents : de façon générale, ils sont respectivement de x% et y%. De même, certaines équations peuvent être modifiées sans sortir du
30 cadre de l'invention.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ; - enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et - à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits paramètres de calibration comprennent les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAOref, le point FMBxref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C,N,ref, une constante de combustion COMBref et une vitesse de flamme laminaire globale estimée SLref.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits paramètres d'entrée sont choisis parmi les paramètres suivants : - la masse d'air frais admise dans le cylindre (main ) - la masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre (mGBR ) - la masse de carburant dans le cylindre (mcarb ) - lacharge(Ld) - - la température moyenne (TMEL(Lvc)) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission - le rapport (yMEL) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange - la masse molaire (MMEL) du mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé - l'angle d'ouverture admission (OA) - le régime moteur (N). - la température d'eau du moteur (Te,. )
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on détermine l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit modèle physique est représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (DIN,) en fonction notamment d'une constante (C,N,), l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D CMB) en fonction notamment d'une constante (CCMB).
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que pour calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAOestim) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation 15 de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant : • le calcul du délai d'initialisation DINI à partir de l'avance optimale estimée AAOestim et desdits points d'appui, 20 * la détermination de FMBx à partir des valeurs de DINI et de l'AAOestim • le calcul du délai de combustion DcMB à partir de FMBx, et • le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO; c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO est corrigée en prenant en compte la température du moteur. 25
  8. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite étape b comporte deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération.
  9. 9. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la valeur de FMBx de l'étape b est déterminée par FMBx = DINI ù AAOestim ; la valeur de DINI étant celle obtenue par la première 30 itération.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que l'avance à l'allumage AAO est déterminée par : AAO = - FMByref + FINI iti + DCMB iti FMBy étant la valeur de FMB obtenue par calibration, FINI iti et DCMB iti étant les valeurs 35 obtenue à l'aide de ladite première itération.
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