FR2991450A1

FR2991450A1 - Procede d'estimation de la pression regnant dans une chambre de combustion

Info

Publication number: FR2991450A1
Application number: FR1254983A
Authority: FR
Inventors: Julien Parodi; Efstratios Kretzas; Rudy Wattignies
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-06

Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de la pression régnant dans une chambre de combustion (6) d'un moteur (2) à combustion interne à allumage commandé fonctionnant selon un cycle moteur comprenant une phase de compression suivi d'une phase de combustion, caractérisé en ce que l'on estime d'abord l'évolution de la pression et de la température dans la chambre de combustion (6) pour la phase de compression, puis on estime une pression et une température pour la fin de la phase de combustion puis on estime l'évolution de la pression de combustion comprise entre la pression estimée à la fin de la phase de compression et la pression estimée à la fin de la phase de combustion. L'invention porte aussi sur un véhicule mettant en oeuvre un tel procédé.

Description

PROCEDE D'ESTIMATION DE LA PRESSION REGNANT DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION Domaine technique de l'invention L'invention se situe dans le domaine technique du contrôle du moteur à allumage commandé. L'invention concerne plus particulièrement l'estimation de la pression régnant à l'intérieur d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, en vue notamment de ne pas dépasser la pression maximale admissible par les composants mécaniques du 10 moteur. Arrière-plan technologique Dans le domaine des moteurs à combustion interne, la pression régnant dans un cylindre encore désignée pression cylindre est un paramètre important pour la détermination des 15 processus de combustion. La pression régnant dans un cylindre peut actuellement être mesurée par des capteurs appropriés, qui mesurent la pression directement dans la chambre de combustion. Cependant, ces capteurs ont un coût important, leurs durée de vie est faible et leur 20 précision dérive dans le temps, ce qui les rend peu compatibles avec le respect des contraintes économiques de fiabilité et requises dans le cas d'une utilisation sur des moteurs produits en série. On connait du document US2005251322 un estimateur de pression dans les cylindres 25 d'un moteur à combustion interne. Cependant la solution proposée dans ce document requiert une phase d'apprentissage et donc des moyens de calculs lourds tels que les réseaux neuronaux. Il existe donc un besoin pour estimer précisément la pression régnant dans la chambre de 30 combustion d'un moteur par des moyens nécessitant peu de puissance de calcul. L'invention porte ainsi sur un procédé d'estimation de la pression régnant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage commandé fonctionnant selon un cycle moteur comprenant une phase de compression suivi d'une 35 phase de combustion, caractérisé en ce que l'on estime d'abord l'évolution de la pression et de la température dans la chambre de combustion pour la phase de compression, puis on estime une pression et une température pour la fin de la phase de combustion puis on estime l'évolution de la pression de combustion comprise entre la pression estimée à la fin de la phase de compression et la pression estimée à la fin de la phase de combustion. Dans une variante, pour l'estimation de l'évolution de la pression et de la température dans la chambre de combustion pour la phase de compression, on estime uniquement la pression et la température en fin de phase de compression à partir de la pression et la température en début de phase de compression. De préférence, l'estimation de la pression et la température pour la fin de la phase de combustion sont donnés par : PFC = PAA TFC , avec TFC = TAA + ATcomb Aa Dans lequel, ATcomb , correspond à une élévation de température due à la combustion PFc, pression pour la fin de la phase de combustion TFc, température pour la fin de la phase de combustion PAA, pression estimée au déclenchement de la combustion, qui correspond à la pression estimée de fin de compression, TAA, température TAA au déclenchement de la combustion, qui correspond à la température estimée de fin de compression.

De préférence encore, l'élévation de température de combustion est donnée par : ATcomb - Xr Xr : Fraction de gaz résiduels, PCI : Pouvoir calorifique du carburant, Cv : chaleur massique à volume constant du mélange, Xstoe : Ratio Air / Carburant à la stoechiométrie, et f(X) une fonction qui limite le dégagement de chaleur dans le cas ratio Air/Carburant X supérieur à 1 : f(X) = 0.95 - min(1 ; 1.2 - X-0.2) Dans une variante, l'estimation de l'évolution de la pression de combustion comprend une loi de Wiebe. De préférence, l'évolution de la pression de combustion est de la forme : Pcomb (0= (1- PR(cp)) - PAA + PR(Y) - PFC Cv'(Xstoe+1) '(c2~>> ~ c ~-~ Avec : PR(y) =1- e~ ` ~ " ( ( In(1-0.1) ( 0~ ~(cz+,) Lnln(1-0.85), ,,CA10'' C2 In(CA10)-In(CA90) Où Pcomb(cp) est la pression de combustion, PR(cp) est la loi de Wiebe, Cl et C2 sont des facteurs de formes, A p est l'angle total de durée de la combustion : Ocp = CA90 + CA10 AA = Angle de début de combustion, autrement dit l'avance à l'allumage. CA10 = Angle vilebrequin pour lequel 10% de l'énergie de combustion est dissipée.

CA90 = Angle vilebrequin pour lequel 90% de l'énergie de combustion est dissipée. Dans une autre variante, dans laquelle le cycle moteur comprend une phase de détente suivant la phase de combustion, le procédé comprend l'estimation de l'évolution de la pression et de la température dans la chambre de combustion pour la phase de détente.

De préférence dans cette variante, la pression et de la température dans la chambre de combustion (6) pour la phase de détente sont données respectivement par : ( \ke / V~ke-1) VF Pdet (Y) - ' FC ' V (~P) ' ' det ((P) = TFC V (y) ke, coefficient de détente polytropique, VFC , volume de la chambre de combustion (6) en fin de phase de combustion, V(y) , volume de la chambre de combustion (6) en fonction de l'angle vilebrequin. De préférence encore, le volume de la chambre de combustion est donné par la relation : VFC = V(CA50 - 8) avec CA50 : angle vilebrequin pour lequel 50% de l'énergie de combustion est dissipée. L'invention porte aussi sur un véhicule comprenant un moteur à combustion interne à allumage commandé et un dispositif de contrôle dudit moteur configuré pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. C, =-In(1-0.1)- 130 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule comprenant un moteur à combustion interne associé à un calculateur configuré pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un cycle moteur avec combustion sur un diagramme pression P-volume V. - La figure 3 est une représentation schématique sous forme de blocs fonctionnels d'un mode de réalisation du procédé de l'invention.

Description détaillée La figure 1 présente un représente un véhicule automobile 1, comprenant un moteur 2 à combustion interne, configuré pour mouvoir le véhicule 1. Le moteur à combustion 2 comprend un piston 3 qui coulisse dans un cylindre 4 et délimite avec une culasse 5 une chambre de combustion 6. L'admission et l'échappement des gaz dans la chambre de combustion est contrôlé classiquement par respectivement au moins une soupape d'admission et une soupape échappement, non représentés en figure 1. Dans un mode de réalisation préféré, le moteur 2 à combustion interne est à allumage commandé opérant selon un cycle moteur connu comprenant une phase d'admission, une phase de compression, une phase de détente et une phase d'échappement, chaque phase correspondant à un déplacement du piston 3 et donc une variation de volume de la chambre de combustion 6 entre un volume mort v et un volume total V+v, comme illustré sur la figure 2. Cependant, dans le cas d'un cycle réel, une phase de combustion prend place entre un début de combustion en fin de compression et une fin de combustion en début de détente. On désignera par Fermeture Soupape Admission, FA, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'admission se ferme, par Ouverture Soupape Echappement, 0E, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'échappement s'ouvre en fin de détente. De plus, on désignera par Avance à l'Allumage, AA, l'instant au cours du cycle moteur où la combustion est déclenchée et par Fin Combustion, FC, l'instant au cours du cycle moteur où la combustion est terminée. Ces instants peuvent classiquement s'exprimer en degré vilebrequin. Au cours de cette phase de combustion, l'évolution de la pression dans la chambre de combustion ne peut plus être estimée par un modèle de compression ou détente pure. Aussi, dans le cadre de ce mémoire, comme le présente encore la figure 2, on entendra donc plus précisément ici par phase de compression la partie du cycle moteur comprise entre la fermeture soupape admission, FA et le début de combustion, AA (partie FA à AA sur le cycle représenté sur la figure 2), phase de détente la partie du cycle moteur comprise entre la fin de combustion, FC et l'ouverture soupape échappement, OE (partie FC à OE sur le cycle représenté sur la figure 2), et l'on définira une phase de combustion comprise entre le début de la combustion, AA et la fin de combustion, FC (partie AA à FC sur le cycle représenté sur la figure 2).

Le véhicule comprend encore un dispositif de contrôle du moteur tel qu'un calculateur électronique 10. Le calculateur 10 est configuré pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention permettant d'estimer la pression régnant dans la chambre de combustion. L'estimation de la pression régnant dans la chambre de combustion 6 est effectuée en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur exploités par le calculateur 10 qui seront explicités au fil du détail de la procédure de l'invention. A cet effet, le calculateur 10 peut comprendre en mémoire les valeurs des paramètres de fonctionnement du moteur requis pour la mise en oeuvre du procédé sous forme d'une cartographie 11 et ou sous forme de signaux 12 en provenance de capteurs appropriés.

La figure 2 présente sous forme de blocs fonctionnels le déroulement d'un mode de réalisation préféré du procédé de l'invention mis en oeuvre par le calculateur 10 au cours duquel: Au bloc 100, le calculateur 10 estime la pression et la température pendant la phase de compression. Cette phase de compression débute à la fermeture des soupapes d'admission FA et finit au déclenchement de la combustion par l'étincelle de la bougie AA. En faisant l'hypothèse représentative d'une compression polytropique, l'évolution au cours de cette compression en fonction de l'angle vilebrequin, cp de la pression, Pcomp((p), et de la température, Tcomp((p), régnant dans la chambre de combustion 6 s'expriment alors de la manière suivante : ( V \kc FA Pcomp (Y) - PFA V((P)/ Tcomp (y) = TFA / VFA V(kc-1) V(Y)/ Avec : PFA : La pression dans la chambre de combustion 6 à la fermeture soupape admission, FA. Cette pression peut être calculée par un modèle de remplissage à partir d'une mesure de pression d'admission TFA : La température dans la chambre de combustion 6 à la fermeture soupape admission, FA. Cette température peut être calculée par un modèle de remplissage à partir d'une mesure de la température d'admission. V(y) : Le volume de la chambre de combustion en fonction de l'angle vilebrequin, VFA : Le volume de la chambre de combustion à la fermeture soupape admission, FA, k, : le coefficient de compression polytropique.

La pression et la température peuvent ainsi être déterminés pour toute position angulaire de vilebrequin comprise entre la fermeture soupape admission, FA, et l'avance à l'allumage AA, toutefois, afin de restreindre l'usage du calculateur 10, seuls l'estimation de la pression P,A et la température TAA au déclenchement de la combustion, suffisent pour la suite de la procédure, soit : PAA - PFA \kc et TAA = TFA / V~kc-1~ VFA VFA ,V(AA)/ ,V(AA) Au bloc 110, connaissant la pression P,A et la température TAA estimées au déclenchement de la combustion, le calculateur 10 estime ensuite une pression, PFc et une température TFc de fin de combustion, la combustion s'achevant lorsqu'un des réactifs est épuisé : PFC = ro TFC TAA Avec TFC = TAA + ATcomb Dans lequel ATcomb , correspond à une élévation de température due à la combustion, avec : 4Tcomb = (1-Xr)- PCI. f(a,) Cv - (xstoe +1) Xr : Fraction de gaz résiduels, PCI : Pouvoir calorifique du carburant, C' : chaleur massique à volume constant du mélange, Àstoe : Ratio Air / Carburant à la stoechiométrie, et f(X) une fonction qui limite le dégagement de chaleur dans le cas ratio Air / Carburant X supérieur à 1 : f(X)=0.95-min(1;1.2-X-0.2) Au bloc 120, connaissant les pressions estimées en début et en fin de combustion, P,A et PFC, le calculateur 10 estime ensuite la pression en cours de combustion entre ces deux bornes en fonction de l'angle vilebrequin. L'évolution de la pression, PC01mb(cp), entre le début et la fin de la combustion est estimée ici à partir d'une loi de Wiebe, plus particulièrement de la forme : Pcom b (YP) = (1- P R ((p)) - Pte, + PR(Y) - Avec une loi de Wiebe telle que : PFC PR(y)=1-e' Et Cl et C2 des facteurs de forme tels que : ' ~ (Cp+1) yaa , Ag, ' , cl ( O~p V (C2+1) C1 = -In01- 0.1) CA10) / Ln( In(1-0.1) \ \ In(1-0.85), In(CA10 )- In(CA90 ) ) Et A p, angle total de durée de la combustion : Ocp = CA90 +CA10 Avec : AA = Angle de début de combustion, autrement dit l'avance à l'allumage. CA10 = Angle vilebrequin pour lequel 10% de l'énergie de combustion est dissipée. 25 CA90 = Angle vilebrequin pour lequel 90% de l'énergie de combustion est dissipée. Il apparait que cette loi de Wiebe ainsi paramétrée permet une très bonne approximation de l'évolution réelle de la pression dans la chambre de combustion au cours de la combustion. 02 1 Afin de compléter l'estimation de la pression dans la chambre de combustion, la procédure peut comprendre un bloc 130 dans lequel le calculateur 10 estime ensuite la pression pendant la phase de détente. Cette phase de détente débute à la fin de la combustion, FC et finit à l'ouverture des soupapes d'échappement, 0E. En faisant l'hypothèse représentative d'une détente polytropique, l'évolution au cours de cette compression en fonction de l'angle vilebrequin, cp de la pression, Pdet(Y), et de la température, Tdet(y), régnant dans la chambre de combustion 6 s'expriment alors de la manière suivante : Pdet (~P) - PFC Tdet (Y) = TFC Avec : ke : Coefficient de détente polytropique, VFC , le volume de chambre de combustion 6 en fin de combustion. Ce volume est estimé par la relation : VFC = V(CA50 -8), représentative d'un bon calage de combustion, avec : CA50 : Angle vilebrequin pour lequel 50% de l'énergie de combustion est dissipée, Par ailleurs, connaissant du bloc 120, l'évolution de la pression entre le début et la fin de la combustion, la procédure peut comprendre au moins un bloc de calcul de grandeurs déduites de la pression de combustion comme par exemple un bloc 140 qui détermine la pression maximum à partir de la connaissance de l'évolution de la pression de combustion. D'autres grandeurs peuvent être déduites de l'évolution de la pression de combustion obtenue au bloc 120 comme par exemple le rendement de cycle.

La majorité des paramètres nécessaire au procédé sont présents dans le calculateur 10 qui les exploite pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Le coefficient de compression polytropique, k, ainsi que le coefficient de détente polytropique, ke, peuvent être mémorisés dans le calculateur 10 sous forme d'une cartographie dépendante du régime et de la charge de moteur. Il peut en être de même pour les paramètres de combustion CA10 , CA90.

Ainsi, grâce à une simplification judicieuse du cycle réel, l'invention permet, une estimation fiable mettant en jeu peu de puissance de calcul d'un calculateur. Le procédé permet ainsi d'économiser l'implantation de couteux capteurs de pression cylindre. Il n'y a donc ni modification de conception du moteur ni de capteurs et électronique de traitement à rajouter au véhicule, ces modifications étant lourdes et couteuses.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la pression régnant dans une chambre de combustion (6) d'un moteur (2) à combustion interne à allumage commandé fonctionnant selon un cycle moteur comprenant une phase de compression suivi d'une phase de combustion, caractérisé en ce que l'on estime d'abord l'évolution de la pression (PC01mp(cp)) et de la température (Toomp((p)) dans la chambre de combustion (6) pour la phase de compression, puis on estime une pression (PFc) et une température (TFc) pour la fin de la phase de combustion puis on estime l'évolution de la pression (Poomb((p)) de combustion comprise entre la pression estimée (Poomp((p)) à la fin de la phase de compression et la pression estimée (PFc) à la fin de la phase de combustion.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour l'estimation de l'évolution de la pression (Poomp((p)) et de la température (Toomp((p)) dans la chambre de combustion (6) pour la phase de compression, on estime uniquement la pression (PAA) et la température (TAA) en fin de phase de compression à partir de la pression (PFA) et la température (TFA) en début de phase de compression.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimation de la pression (PFc) et la température (TFc) pour la fin de la phase de combustion sont donnés par : PFc = PAA TFC , avec TFc = TAA + ATcomb Aa Dans lequel, ATcomb , correspond à une élévation de température due à la combustion.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élévation de température de combustion (ATcomb) est donnée par : ATcomb = (1-Xr)- PCI -f(a,) Cv - (Xstoe +1) Xr : Fraction de gaz résiduels, PCI : Pouvoir calorifique du carburant, C' : chaleur massique à volume constant du mélange, Àstoe : Ratio Air / Carburant à la stoechiométrie, et f(X) une fonction qui limite le dégagement de chaleur dans le cas ratio Air/Carburant X supérieur à 1 : f (X) = 0.95 - min(1 ;1.2 - X - 0.2)
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimation de l'évolution de la pression (Pcomb((p)) de combustion comprend une loi de Wiebe.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'évolution de la pression (Poomb(y)) de combustion est de la forme : Pcomb (YP) _ (1- PR(0) - PAA + PR(Y) - PFc r ,,(c2-0) Cl ~ ~ ,,(c2-0)Avec : PR(y) =1- °T '' ( ( In1-0.1) , ~ ,\ (c2+1) Ln In 1-0.85 ~ ~ ( )i CA10 ) ; 02 = In(CA10)-In(CA90) i Où PR(cp) est la loi de Wiebe, Cl et C2 sont des facteurs de formes, A p est l'angle total de durée de la combustion : Ocp = CA90 + CA10 AA = Angle de début de combustion, autrement dit l'avance à l'allumage. CA10 = Angle vilebrequin pour lequel 10% de l'énergie de combustion est dissipée. CA90 = Angle vilebrequin pour lequel 90% de l'énergie de combustion est dissipée.
7. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cycle moteur comprenant une phase de détente suivant la phase de combustion, le procédé comprend l'estimation de l'évolution de la pression (Pdet(y)) et de la température ( Tdet (y)) dans la chambre de combustion (6) pour la phase de détente.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pression (Pdet(y)) et de la température ( Tdet (y)) dans la chambre de combustion (6) pour la phase de détente sont données respectivement par : \keFC Pdet (Y) = PFC' \ N/ ( (P) ' Tdet (Y) = TFC /VFc V(ke-1) V((P), ke, coefficient de détente polytropique, VFc , volume de la chambre de combustion (6) en fin de phase de combustion, V(y) , volume de la chambre de combustion (6) en fonction de l'angle vilebrequin,
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le volume (VFc) de la chambre de combustion (6) est donné par la relation : C1 =-In(1-0.1)- 1VFC = V(CA50 -8) avec CA50 : angle vilebrequin pour lequel 50% de l'énergie de combustion est dissipée.
10. Véhicule (1) comprenant un moteur (2) à combustion interne à allumage commandé et un dispositif de contrôle dudit moteur (10) configuré pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.