FR2992359A1 - Detection de defaillances de combustion d'un moteur - Google Patents

Abstract

Un procédé de détection de défaillances de combustion d'un système de moteur. On reçoit (101) des valeurs de durée de défilement issues d'un capteur de défilement de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire d'un volant d'inertie ou d'un vilebrequin, puis on détermine (106) à partir des valeurs de durée de défilement reçues des valeurs d'amplitude d'harmonique correspondant des fréquences d'harmonique respectives. On estime (107) une valeur de couple de combustion à partir des valeurs d'amplitude d'harmonique, et on effectue au moins une comparaison (108, 110) à partir de la valeur de couple de combustion estimée à au moins un seuil pour détecter les éventuelles défaillances moteur.

Description

Détection de défaillances de combustion d'un moteur L'invention concerne la détection de défaillances de combustion d'un moteur, et en particulier d'un moteur Diesel. Dans le cas d'un véhicule avec un moteur à allumage commandé, la richesse est supérieure ou égale à un, de sorte que les types de défaillances moteur envisageables restent relativement limitées. En particulier, une défaillance du système d'injection conduisant à un surplus de carburant peut avoir des conséquences relativement limitées. En revanche, dans le cas d'un moteur Diesel, un surplus de carburant ou une réaspiration d'huile peuvent conduire à un emballement voire à une casse moteur. En outre, dans le cas d'un moteur Diesel, les injections de carburant peuvent être effectuées suivant des motifs relativement élaborés, par exemple avec des injections pilotes, des post-injections, et/ou autre. Ces motifs d'injections sont d'ailleurs susceptibles d'évoluer dans le temps au cours d'une même mission. On cherche à mieux détecter les éventuelles défaillances de combustion d'un moteur Diesel. Il a été envisagé d'installer des capteurs de pression cylindre, de déterminer à partir des mesures issues de ces capteurs des valeurs de couple et de comparer ces valeurs de couple à des valeurs de consigne respectives. Si la différence entre une valeur de couple issue de mesures et une valeur de consigne correspondante est supérieure à un seuil, alors il est estimé que le moteur est défaillant.

Il existe un besoin pour un procédé de détection de défaillances moteur permettant de concilier performances et simplicité de conception. Il est proposé un procédé de détection de défaillances de combustion d'un moteur par exemple Diesel, comprenant recevoir des valeurs de durée de défilement issues d'un capteur de défilement de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire d'un volant d'inertie ou d'un vilebrequin, déterminer à partir des valeurs de durée de défilement reçues des valeurs d'amplitude d'harmonique correspondant à des fréquences d'harmonique respectives, estimer une valeur de couple de combustion à partir des valeurs d'amplitude d'harmonique, effectuer au moins une comparaison à partir de la valeur de couple de combustion estimée pour détecter les éventuelles défaillances moteur. Ainsi, on prend en compte une pluralité de valeurs d'amplitude d'harmonique. Les valeurs supplémentaires, représentatives des courtes variations de la vitesse de rotation du volant d'inertie, peuvent ainsi fournir une information permettant de tenir compte des courts phénomènes liés à la complexité du motif d'injection. Lorsque plusieurs petites injections sont effectuées, les survitesses temporaires liées à ces injections peuvent conduire à des valeurs d'amplitude d'harmonique relativement élevées, de sorte que la valeur d'amplitude de rang N ne constitue qu'une approximation erronée de la vitesse de rotation moyenne du moteur. Le procédé décrit ci-dessus peut ainsi trouver une application particulièrement intéressante aux moteurs Diesel, pour lesquels les motifs d'injection sont susceptibles d'être relativement élaborés et variables dans le temps, et ce d'autant que les défaillances de ces moteurs Diesel peuvent s'avérer très pénalisantes. Néanmoins, l'invention n'est en rien limitée à une application aux moteurs Diesel. On pourra par exemple prévoir une application aux moteurs à allumage commandé. On vient ainsi utiliser un couplemètre logiciel, tel que décrit par exemple dans le document FR2681425, ce qui peut permettre d'éviter d'installer un capteur de pression par cylindre. L'ensemble du système de moteur peut ainsi avoir une conception plus simple et moins onéreuse que dans l'art antérieur. Avantageusement et de façon non limitative, le système de moteur comprenant une pluralité de cylindres, le procédé peut comprendre : départager les valeurs de durée de défilement reçues par cylindre, en fonction des valeurs de plage angulaire associées à ces valeurs de durée de défilement. La détermination des valeurs d'amplitude et l'étape d'estimation de couple de combustion peut être effectuée pour chaque cylindre, à partir des valeurs de durée de défilement correspondant à ce cylindre. Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape de sommation des valeurs d'amplitude d'harmonique.

Avantageusement et de façon non limitative, l'étape d'estimation de la valeur de couple de combustion est effectuée à partir de la somme des valeurs d'amplitude d'harmonique. Cette somme peut être pondérée, ou non. Les coefficients de pondération peuvent être déterminés pour chaque cylindre, par exemple empiriquement ou bien encore par calcul. Avantageusement et de façon non limitative, le nombre de valeurs d'amplitude d'harmoniques est compris entre 1 et 5, avantageusement entre 3 et 4. On évite ainsi de rallonger les temps de calcul en prenant en compte des valeurs d'harmoniques trop faibles car correspondant à des fréquences trop élevées. Avantageusement et de façon non limitative, l'étape d'estimation de la valeur de couple de combustion est effectuée en estimant une valeur de couple total, une valeur de couple inertiel et en soustrayant cette valeur de couple inertiel à la valeur de couple total. Ce calcul, basé sur le principe fondamental de la dynamique, est connu en soi. L'invention n'est pas non plus limitée par la forme des tests de détection qui sont menées, ni par le type des défaillances que l'on cherche à détecter. Avantageusement et de façon non limitative, on pourra prévoir de comparer la valeur de couple de combustion estimée à une valeur de consigne de couple issue de l'interface conducteur. Si la valeur de couple de combustion estimée est trop supérieure à la valeur de consigne de couple, on pourra considérer qu'il y a eu une combustion non souhaitée de combustible, par exemple de carburant ou d'huile. Si la valeur de couple de combustion estimée est trop inférieure à la valeur de consigne de couple, on pourra considérer que la combustion n'a pas été suffisante, par exemple à cause d'une sous-injection de carburant. Si la valeur de couple de combustion estimée est proche de zéro alors que la valeur de consigne est non nulle, on pourra conclure à un raté de combustion. Avantageusement et de façon non limitative, on pourra prévoir d'estimer une pluralité de valeurs de couples de combustion. Pour chaque cylindre, on pourra déterminer X valeurs de couples de combustion au cours du temps. La détection, basée sur cette pluralité de couples, pourra ainsi être plus fiable.

Avantageusement et de façon non limitative, on peut baser la ou les comparaison(s) sur une valeur moyenne établie à partir de cette pluralité de valeurs de couple de combustion. Par exemple, on peut comparer cette valeur moyenne à un seuil, par exemple choisi égal à une valeur de consigne à laquelle on a retranché une valeur seuil. Si la valeur moyenne est inférieure à ce seuil, alors on peut considérer que le débit de carburant de ce cylindre d'injection est trop faible. On peut en outre comparer cette valeur moyenne à un seuil bas proche de zéro et positif. Si la valeur moyenne est inférieure à ce seuil bas alors que la valeur de consigne est largement positive, alors on peut considérer que ce cylindre connait de nombreux ratés de combustions. Par ailleurs, on peut comparer cette valeur moyenne à un seuil, par exemple choisi égal à une valeur de consigne à laquelle on a ajouté une valeur seuil, ou bien encore issu d'une cartographie. Si la valeur moyenne est supérieure à ce seuil, alors on peut considérer que la combustion est anormalement riche. Afin de déterminer la cause de ce surplus de couple, on peut prévoir de déterminer une valeur de dispersion à partir de la pluralité de valeurs de couple de combustion estimées, par exemple un écart type. On peut comparer cette valeur de dispersion à un seuil de dispersion : si la valeur de dispersion estimée est inférieure à ce seuil de dispersion, on pourra considérer qu'il y a un défaut d'injection conduisant à un surplus de carburant. Dans le cas contraire, on pourra considérer qu'il y a une fuite d'huile risquant de conduire à un emballement moteur. Le seuil de dispersion pourra par exemple être issu d'une cartographie et dépendre notamment de la valeur de consigne conducteur.

Il est en outre proposé un produit programme d'ordinateur comprenant les instructions pour exécuter les étapes du procédé décrit ci-dessus.

Ce procédé peut notamment être mis en oeuvre dans des moyens de traitement numérique du signal, par exemple un processeur. Le programme d'ordinateur peut par exemple être stocké dans un support mémoire, par exemple un disque dur, ou bien encore être téléchargé depuis un réseau de communication, ou autre. Il est en outre proposé un dispositif de détection de défaillances de combustion d'un moteur, comprenant : des moyens de réception de valeurs de durée de défilement issues d'un capteur de défilement de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire d'un volant d'inertie ou d'un vilebrequin, des premiers moyens de traitement agencés pour déterminer à partir des valeurs de durée de défilement reçues des valeurs d'amplitude d'harmonique correspondant à des fréquences d'harmonique respectives, des deuxièmes moyens de traitement agencés pour estimer une valeur de couple de combustion à partir des valeurs d'amplitude d'harmonique, et des troisièmes moyens de traitement agencés pour comparer la valeur de couple de combustion estimée à au moins un seuil pour détecter les éventuelles défaillances moteur. Ce dispositif peut par exemple comprendre ou être intégré dans un processeur, par exemple un micro contrôleur ou autre.

Les moyens de réception peuvent par exemple comprendre une pin d'entrée, un port d'entrée ou autre. Les moyens de traitement peuvent par exemple comprendre ou être intégrés dans un ou plusieurs coeur(s) de processeur ou CPU(s) (de l'anglais « Central Processing Unit »).

Le dispositif peut en outre comprendre une ou plusieurs mémoires pour stocker les valeurs ainsi traitées. Il est en outre proposé un véhicule comprenant un système de moteur, par exemple un système de moteur Diesel, et un dispositif de détection de défaillances tel que décrit ci-dessus.

L'invention sera mieux comprise en référence aux figures, lesquelles illustrent des modes de réalisation non limitatifs. La figure 1 est un organigramme d'un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est un graphique représentant des valeurs de couple simulées, pour une consigne de couple donnée, pour un système de moteur Diesel défaillant et pour un système de moteur Diesel non-défaillant, la défaillance consistant à une sur-injection de carburant. La figure 3 est un graphique représentant des valeurs de couple simulées, pour une consigne de couple donnée, pour un système de moteur Diesel défaillant et pour un système de moteur Diesel non- défaillant, la défaillance consistant en une réaspiration d'huile. En référence à la figure 1, des valeurs de durée de défilement Ti sont reçues au cours d'une étape 101. Plus précisément, la mesure de la vitesse instantanée de rotation du vilebrequin utilise un dispositif comprenant une cible en forme de couronne, solidaire du volant d'inertie du moteur ou du vilebrequin, et dotée d'un nombre déterminé de repères sur sa circonférence, sous forme de dents par exemple, défilant devant un capteur fixe. Ce capteur peut être par exemple un capteur de type optique ou magnétique.

On mesure ainsi l'intervalle de temps Ti séparant le passage de deux dents successives, i indiçant l'angle. L'angle correspondant à la valeur Ti+1 est donc égal à l'angle correspondant à la valeur Ti incrémenté d'un pas angulaire prédéterminé. Une des dents est singularisée pour délivrer un signal spécifique (par exemple une dent de largeur double), et permettre de déduire la position angulaire de la cible et les positions associées des pistons du moteur, le passage de la dent singulière devant le capteur coïncidant par exemple au passage d'un des pistons par son point mort haut. Puis, au cours d'une étape 102, les valeurs de durée de défilement Ti reçues sont triées par cylindre. Par exemple, dans le cas d'un moteur à N=4 cylindres et ayant un cycle moteur de deux tours, chaque cylindre correspond à une plage angulaire de 720°/4 = 180°. Lors de cette étape 102, on regroupe ensemble les valeurs Ti correspondant à une même plage angulaire. On obtient ainsi N groupes de valeurs de durée de défilement. Puis une boucle est mise en place afin de parcourir l'ensemble des cylindres, k indiçant les cylindres. Cette boucle comprend les étapes classiques d'initialisation 103, de test de sortie de boucle 104 et d'incrémentation 105. Au cours d'une étape 106, on effectue une transformée angle-fréquence, par exemple une transformée de type Fourrier, afin de déterminer quatre valeurs d'amplitude d'harmonique Ah(ki) A(k) A(k) A (k) 1-1h4 Ah(k4) , Ah(ki) , Ah(k2) Ah(k3) Au cours d'une étape 107, ces valeurs ,et sont combinées linéairement, et c'est la valeur de la somme obtenue qui sert de base au calcul du couple de combustion Cgaz. Ce calcul, basé sur le principe fondamental de la dynamique est connu en soi et en sera pas décrit davantage. Puis on effectue un test 108 de détection de sous-injection. Par exemple, on compare on compare la valeur de couple de combustion Cgaz à un seuil égal à une valeur de consigne conducteur Co à laquelle on a retranché une valeur seuil AC. Si la valeur de couple de combustion Cgaz est considérée comme trop faible, alors le dispositif met à un un drapeau de détection de sous-injection de carburant, au cours d'une étape 109. Le cylindre correspondant est considéré comme défaillant.

Sinon, on effectue un test 110 de détection de sur-combustion. Par exemple, on compare la valeur de couple de combustion Cgaz à un seuil égal à une valeur de consigne conducteur Co à laquelle on a ajouté une valeur seuil AC'. Si la valeur de couple de combustion Cgaz est considérée comme trop faible, alors il est considéré que ce cylindre k reçoit un surplus de combustible. Des tests supplémentaires, non représentés sur la figure 1 et décrits en référence aux figures 2 et 3, sont effectués pour discriminer le cas d'une sur-injection de carburant du cas d'une réaspiration d'huile.

Ce procédé peut ainsi permettre de détecter les défaillances conduisant à des carences de couple ou à des surplus de couple par rapport au souhait conducteur. Un surplus de couple peut être causé par une sur-injection (défaillance du système d'injection) de carburant ou bien par une réaspiration d'huile vers le système d'admission d'air. Dans le cas des moteurs à combustion interne de type Diesel, l'huile moteur peut participer au travail de combustion, conduisant à un emballement puis une casse moteur lors d'une défaillance du turbocompresseur. Une défaillance du système d'injection peut induire une non maîtrise du régime moteur, et une réaspiration d'huile peut dans certains cas extrêmes entraîner un emballement moteur suite à un départ sur l'huile. Ceci justifie donc le besoin de détecter ces défaillances afin d'en avertir le conducteur et le réparateur du véhicule. En utilisant une information de couple estimé fournie par un couplemètre logiciel, on peut diagnostiquer, par cylindre, d'une part une défaillance sur la quantité de carburant injectée à chaque cycle moteur du cylindre considéré, et d'autre part une défaillance de type réaspiration d'huile entrainant une combustion d'huile à chaque cycle moteur du cylindre considéré. Une défaillance du système d'injection se traduit par un débit trop important sur l'injecteur k de ce moteur. S'agissant d'un moteur Diesel stratifié, pour lequel la quantité de carburant injectée est directement reliée au couple produit, cela se traduit au niveau des acyclismes du volant moteur par une accélération du vilebrequin suite au PMH (pour « Point Mort Haut ») du cylindre en défaut, du fait de l'augmentation de la pression de combustion sur le cylindre considéré. L'estimation du couple sur le cylindre k décrite ci-dessus conduit alors à une valeur qui est supérieure à la consigne de couple demandée pour le cylindre k. En effet, le couplemètre logiciel repose sur une analyse harmonique du signal de vitesse sur chaque PMH.

L'excès de couple généré sur le cylindre k, suite à un débit supérieur à la consigne, conduit à une augmentation de l'amplitude des harmoniques du signal vitesse. On relève alors une disparité de couple entre le cylindre k présentant la défaillance et les autres cylindres du moteur. Il sera alors possible de diagnostiquer une défaillance sur le cylindre k. Afin d'améliorer la précision de l'estimation de couple, la combinaison linéaire des différentes amplitudes peut être pondérée par des coefficients déterminés empiriquement. On peut prévoir de déterminer un ensemble de quatre coefficients pour chacun des cylindres.

De plus, seules les quatre premières harmoniques multiples du nombre de cylindres N du moteur sont utilisées pour améliorer le temps de calcul (utilisation des harmoniques de rang N, 2N, 3N et 4N). Dans le cas d'une défaillance sur le cylindre k, les estimations de couple correspondant à ce cylindre seront supérieures au couple demandé par la structure couple du contrôle moteur. Afin de rendre robuste l'estimateur de couple, on utilise un nombre X d'échantillons de couple sur les différents cylindres. Ainsi, par une simple comparaison entre la demande de couple et l'estimation du couple produit par le cylindre k pour ces X échantillons, on en déduit qu'il y a une défaillance sur le cylindre k. La figure 2 est un histogramme représentant, sur X échantillons, une répartition des effectifs selon les valeurs de couple estimées correspondantes. Les barres en noir correspondent à une simulation de référence, tandis que les barres blanches correspondent à une simulation de défaillance injecteur. La gaussienne 1 correspondant au cas de référence est légèrement décalée vers des valeurs de couple plus faible que la gaussienne 2 correspondant au cas d'une sur-injection de carburant.

On observe également un écart de couple entre les moyennes estimées pour le cas de référence 10 et pour le cas d'une sur-injection 20. L'écart entre les deux gaussiennes 1, 2 correspond à la différence entre les deux moyennes 10, 20. Enfin, la structure du couplemètre utilisé permet de réaliser une bonne estimation du couple sur l'ensemble du champ régime moteur/charge. Par conséquent, le couplemètre logiciel est robuste aux défaillances du système d'injection et il couvre l'ensemble des débits réalisables par le système. Pour détecter une défaillance de type sous-injection de carburant, on pourra recourir à la même approche statistique. Si la moyenne de couple estimé est supérieure à un seuil bas proche de zéro tout en étant inférieure à la moyenne de couple calibrée pour cette valeur de consigne de couple (éventuellement retranchée d'une valeur seuil), alors on considère qu'il y a un défaut d'injection conduisant à une carence de carburant. La détection d'un raté de combustion peut également être effectuée en comparant la valeur de couple estimé, ou bien une moyenne de couple estimé sur un certain nombre d'échantillon, à un seuil bas proche de zéro. Si la valeur de couple estimé ou la moyenne est inférieure à ce seuil bas alors que la consigne de couple est supérieure à un seuil haut, alors on peut considérer qu'il y a un raté de combustion. La figure 3 est un histogramme représentant, sur un certain nombre d'échantillons, une répartition des effectifs selon les valeurs de couple estimées correspondantes. Les barres en noir correspondent à une simulation de référence, tandis que les barres blanches correspondent à une simulation de réaspiration d'huile. Une réaspiration d'huile peut se traduire par une accélération du vilebrequin suite au PMH du cylindre en défaut, du fait de l'augmentation de la pression sur le cylindre considéré suite à la combustion de l'huile moteur.

Là encore, l'estimation du couple sur le cylindre k (étape 107 sur la figure 1) conduit alors à une valeur qui est supérieure à la consigne de couple demandée pour le cylindre k. Il est toutefois possible de distinguer les défaillances de type réaspiration d'huile des défaillances liées à une sur-injection de carburant. En effet, lors d'essais de combustion d'huile, on a pu constater que l'huile aspirée par le moteur ne brûle pas systématiquement. Lorsqu'une telle combustion a lieu, le couple produit par le cylindre concerné augmente de façon notable et peut donc être repéré par le couplemètre logiciel. Les barres des histogrammes ont donc tendance à être réparties suivant une double gaussienne 202 plutôt que selon une gaussienne simple 201 comme pour le cas de référence. En comparant la dispersion autour de la moyenne à l'aide d'un critère à trois sigmas (trois fois l'écart-type), comme l'illustre la figure 3, on constate que le cas d'une combustion anormale suite à une réaspiration d'huile vers l'admission d'air du moteur présente des dispersions très importantes (écart-type élevé). Ainsi, en comparant la dispersion autour de la moyenne dans le cas de référence à celle constatée lorsque la défaillance est présente, on peut en déduire qu'il y a une réaspiration d'huile vers l'admission du moteur et qu'il y a un risque d'emballement moteur.

Les essais de référence sont réalisés au banc moteur ou au banc à rouleaux sur véhicule dans les conditions nominales de fonctionnement. Ils permettent de recaler la structure couple. A chaque instant, en fonction du point de régime/charge, la consigne de couple sera donc connue. C'est cette information qui servira de repère (moyenne de la gaussienne 201). Lorsque le régime moteur et la charge moteur seront stabilisés (une plage de variation calibrable peut être utilisée pour chacun de ces deux critères), l'analyse des couples estimés par le couplemètre logiciel peut permettre de détecter la combustion d'huile. En effet, le calcul de trois fois l'écart-type sur un échantillon représentatif de K points morts haut permet de déterminer si l'on est dans les conditions de défaillance. Si la moyenne du couple estimé sur les K points à laquelle on retranche les trois sigmas calculés sur cette même population est supérieure à l'information issue de la structure couple, alors la défaillance est avérée.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détection de défaillances de combustion d'un système de moteur, comprenant recevoir (101) des valeurs de durée de défilement issues d'un capteur de défilement de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire d'un volant d'inertie ou d'un vilebrequin, déterminer (106) à partir des valeurs de durée de défilement reçues une pluralité de valeurs d'amplitude d'harmonique correspondant à une pluralité de fréquences d'harmonique respectives, estimer (107) une valeur de couple de combustion à partir des valeurs d'amplitude d'harmonique, effectuer au moins une comparaison (108, 110) à partir de la valeur de couple de combustion estimée à au moins un seuil pour détecter les éventuelles défaillances moteur.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l'étape d'estimation de couple de combustion, on réalise une combinaison linéaire des valeurs d'amplitude d'harmonique.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les coefficients de 25 pondération de la combinaison linéaire sont déterminés empiriquement.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le nombre de valeurs d'amplitude d'harmoniques est compris entre 3 et 30 4.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on estime une pluralité de valeurs de couple de combustion et ladite au moins une comparaison est menée à partir de la pluralité 35 de valeurs de couple de combustion estimées.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant :calculer une moyenne de couple de combustion à partir de la pluralité de valeurs de couple de combustion estimées.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant : comparer la moyenne de couple de combustion à un premier seuil, et si la moyenne de couple de combustion est supérieure au premier seuil : estimer une valeur de dispersion à partir de la pluralité de valeurs de couple de combustion, comparer ladite valeur de dispersion à un seuil de dispersion afin de déterminer si le surplus de combustion est dû à une réaspiration d'huile ou à une sur-injection.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, comprenant : comparer la moyenne de couple de combustion à un deuxième seuil bas afin de détecter une carence de carburant ou un raté de combustion.
9. 9. Dispositif de détection de défaillances de combustion d'un système de moteur, comprenant : des moyens de réception de valeurs de durée de défilement issues d'un capteur de défilement de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire d'un volant d'inertie ou d'un vilebrequin, des premiers moyens de traitement agencés pour déterminer à partir des valeurs de durée de défilement reçues des valeurs d'amplitude d'harmonique correspondant à. des fréquences d'harmonique respectives, des deuxièmes moyens de traitement agencés pour estimer une valeur de couple de combustion à partir des valeurs d'amplitude d'harmonique, et des troisièmes moyens de traitement agencés pour comparer la valeur de couple de combustion estimée à au moins un seuil pour détecter les éventuelles défaillances moteur.
10. 10. Véhicule automobile comprenant un système de moteur Diesel et un dispositif de détection selon la revendication 9.5