FR2996605A1

FR2996605A1 - Procede d'adaptation d'un angle d'avance a l'allumage dans un moteur thermique a multi-injections

Info

Publication number: FR2996605A1
Application number: FR1259490A
Authority: FR
Inventors: Rudy Wattignies; Christophe Pacilly; Julien Parodi
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-11
Anticipated expiration: 2032-10-05
Also published as: FR2996605B1

Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé d'adaptation de l'angle d'avance à l'allumage dans un moteur thermique à multi-injections. Conformément à l'invention, un angle d'avance à l'allumage, dit angle d'avance à l'allumage de base (αb), étant défini pour une injection d'un mélange gazeux air-carburant en phase d'admission, le procédé comporte les étapes suivantes: - déterminer (102) des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle (αb) d'avance à l'allumage de base, - déterminer (103) un angle moyen d'injection (α1, α2) pour au moins une injection de carburant effectuée en phase de compression, - déterminer (104) des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection (α1, α2) de carburant en phase de compression, - déterminer (105) un angle (αc) d'apparition d'une limite de cliquetis lors de l'injection en phase de compression, et - calculer (106) un angle d'avance à l'allumage (αb') adapté à l'injection en phase de compression.

Description

PROCEDE D'ADAPTATION D'UN ANGLE D'AVANCE A L'ALLUMAGE DANS UN MOTEUR THERMIQUE A MULTI-INJECTIONS [0001] L'invention porte sur un procédé d'adaptation d'un angle d'avance à l'allumage dans un moteur thermique à multi-injections. [0002] L'invention vise à réduire le cliquetis dans des moteurs thermiques à multi- injections pour lesquels du carburant est injecté en phase d'admission mais aussi en phase de compression du moteur thermique. [0003] On rappelle que le cliquetis est un phénomène associé à une combustion anormale dans les moteurs à allumage commandé, lié à l'apparition d'ondes de choc dans la chambre de combustion du moteur. Ce phénomène est typiquement attribué à l'auto- inflammation de particules de carburant imbrûlées qui sont repoussées vers les parois de la chambre de combustion par le souffle du front de flamme généré normalement au niveau de l'arc électrique (étincelle) de la bougie d'allumage. Suite à l'élévation de la température et de la pression, ces particules peuvent s'auto-enflammer et provoquer des ondes de choc susceptibles d'endommager les pistons, les segments ou même les cylindres, et donc provoquer une casse moteur. [0004] Pour une architecture de moteur et un taux de compression donnés, le cliquetis va essentiellement dépendre de l'avance à l'allumage, c'est-à-dire de l'angle de rotation du vilebrequin qui sépare l'instant d'étincelle du point mort haut et d'une limite d'auto- inflammation du carburant. Cette limite est le plus souvent qualifiée en fonction de l'indice d'octane du carburant sur une échelle de 0 à 100 si le carburant utilisé se comporte du point de vue de ses propriétés d'auto-inflammation comme un heptane (indice de 0) ou un isooctane (indice de 100). [0005] L'avance à l'allumage est adaptée de façon permanente aux conditions de fonctionnement du moteur que l'on peut essentiellement ramenée à la vitesse de rotation de l'arbre moteur (régime moteur) et au couple appliqué sur celui-ci, l'ensemble de ces deux paramètres définissant un point de fonctionnement du moteur. Cette adaptation est effectuée sur tous les véhicules modernes à l'aide du contrôle moteur. En fonction de cartographies définies lors d'essais sur banc moteur, le contrôle moteur va ainsi proposer une avance à l'allumage donnée selon le point de fonctionnement donné. L'avance à l'allumage est choisie de préférence à la limite du cliquetis, c'est-à-dire telle que le point de fonctionnement considéré présente un taux faible non nul de cycles moteur, par exemple entre 10 et 20%, avec du cliquetis. [0006] Sur les moteurs thermiques à multi-injections, la quantité de carburant injectée en phase de compression participe au refroidissement du mélange gazeux contenu dans la chambre de combustion et donc à la modification des conditions thermodynamiques du mélange, ce qui influe sur l'angle d'apparition de la limite du cliquetis. [0007] La stratégie de détermination de l'avance à l'allumage par cartographies est donc difficile à adapter à un fonctionnement multi-injections, dans la mesure où cela impliquerait plusieurs cartographies par mode d'injection. Il faudrait donc augmenter la taille de la mémoire du calculateur moteur ainsi que la durée de mise au point des calibrations, ce qui n'est pas envisageable industriellement. [0008] L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé permettant d'adapter l'angle d'avance à l'allumage de façon physique pour prendre en compte le refroidissement du mélange gazeux dû à une ou plusieurs injections en phase de compression. [0009] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'adaptation de l'angle d'avance à l'allumage dans un moteur thermique à multi-injections, caractérisé en ce que, un angle d'avance à l'allumage, dit angle d'avance à l'allumage de base, étant défini pour une injection d'un mélange gazeux air-carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion en phase d'admission, le procédé comporte les étapes suivantes: - déterminer des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base, - déterminer un angle moyen d'injection pour au moins une injection de carburant effectuée en phase de compression, - déterminer des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection de carburant en phase de compression, - déterminer un angle d'apparition d'une limite de cliquetis lors de l'injection en phase de compression pour lequel on aura les mêmes conditions de température et de pression dans la chambre de combustion qu'à l'angle d'avance à l'allumage de base tout en considérant les conditions de température et de pression du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection de carburant en phase de compression, - calculer un angle d'avance à l'allumage adapté à l'injection de carburant en phase de compression à partir de l'angle d'avance à l'allumage de base et de l'angle d'apparition de la limite du cliquetis préalablement déterminé. [0010] Ainsi, les nombreuses calibrations nécessaires à l'estimation de l'angle d'avance à l'allumage sont remplacées par un modèle physique basé sur une succession de calculs simples à implémenter. On réduit ainsi le coût de développement moteur. En outre, ce modèle physique occupe une taille mémoire réduite, ce qui évite les problèmes de saturation des calculateurs moteur. [0011] Selon une mise en oeuvre, les conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base sont déterminées à partir du calcul d'une compression adiabatique entre un angle de fermeture d'une soupape d'admission et l'angle d'avance à l'allumage de base. [0012] Selon une mise en oeuvre, l'angle moyen d'injection de carburant en phase de compression correspond à l'angle moyen entre un angle de début d'injection et un angle de fin d'injection du carburant lors de la phase de compression. [0013] Selon une mise en oeuvre, pour déterminer des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection de carburant en phase de compression, le procédé comporte l'étape d'effectuer un bilan enthalpique à l'intérieur de la chambre de combustion. [0014] Selon une mise en oeuvre, pour calculer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis lors de la phase d'injection en compression, il comporte les étapes suivantes: - calculer le volume du mélange gazeux à l'angle d'apparition de la limite du cliquetis à partir des conditions de température et/ou de pression du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base et à l'angle d'injection de carburant en phase de compression, et - déterminer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis à partir du volume du mélange gazeux à l'angle d'apparition de la limite du cliquetis suivant une relation entre un volume de la chambre de combustion et un angle de vilebrequin. [0015] Selon une mise en oeuvre, pour calculer l'angle d'avance à l'allumage adapté à l'injection de carburant en phase de compression, le procédé comporte les étapes suivantes: - calculer un angle de décalage en soustrayant l'angle d'apparition de la limite de cliquetis lors de l'injection en phase de compression à l'angle d'avance à l'allumage de base, et - soustraire l'angle de décalage ainsi calculé à l'angle d'avance à l'allumage de base. [0016] Selon une mise en oeuvre, l'angle d'avance à l'allumage de base est adapté pour plusieurs injections de carburant réalisées à différents angles moyens d'injection en phase de compression. [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0018] La figure 1 montre un diagramme des étapes du procédé selon l'invention d'adaptation de l'angle d'avance à l'allumage dans un moteur thermique à multi-injections; [0019] La figure 2 montre une représentation schématique du décalage entre l'angle d'avance à l'allumage de base et l'ange d'avance à l'allumage adapté à une injection de carburant en phase de compression. [0020] La figure 1 montre un diagramme des étapes 101-105 du procédé selon l'invention permettant d'adapter, à un fonctionnement en mode multi-injections, un angle d'avance à l'allumage déterminé pour une injection en phase d'admission d'un mélange gazeux air-carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, dit angle d'avance à l'allumage de base ab. On rappelle que dans un mode de fonctionnement multi-injections au moins une injection de carburant est effectuée au cours d'une phase de compression du moteur en plus de l'injection en phase d'admission, ce qui a pour effet de modifier les conditions thermodynamiques du mélange gazeux et donc l'angle d'apparition de la limite du cliquetis. [0021] On note que tous les angles dont il est question dans le présent document sont des angles de rotation du vilebrequin, exprimés en degrés vilebrequin (dv), mesurés par rapport au point mort haut (PMH) d'un piston du cylindre. [0022] L'angle d'avance à l'allumage de base ab pourra être déterminé de manière connue dans une étape 101 à l'aide d'une cartographie fournissant la valeur de cet angle en fonction notamment du point de fonctionnement du moteur défini par le régime et le couple du moteur. Le niveau de richesse du mélange gazeux, ainsi que la température de l'air et, le cas échant, des paramètres de fonctionnement d'un système de recirculation des gaz d'échappement (EGR) pourront être également pris en compte pour déterminer l'angle d'avance à l'allumage de base ab. [0023] Pour adapter l'angle d'allumage de base ab à un fonctionnement multi-injections, le procédé selon l'invention mis en oeuvre par un calculateur moteur consiste, dans une étape 102, à déterminer des conditions de pression et de température du mélange gazeux dans la chambre de combustion à l'angle d'avance à l'allumage de base ab. [0024] A cette fin, connaissant les conditions de pression et de température du mélange à l'angle de fermeture de la soupape d'admission (angle fer soup adm), les conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab sont déterminées par le calcul d'une compression adiabatique entre l'angle de fermeture de la soupape d'admission (angle fer soup adm) et l'angle d'avance à l'allumage de base ab suivant la relation suivante: Tab = Tangle_fer_soup_adm X Gamma mél r Volangle fer soup adm Vole, - Tab et Volab étant respectivement la température et le volume du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab, - Tangle_fer_soup_adm et Volanglefer_soup_adm étant respectivement la température et le volume du mélange gazeux à l'angle de fermeture de la soupape d'admission, -Gamma mél étant l'indice adiabatique du mélange gazeux. [0025] La pression Pab du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab est déterminée à partir de la formule suivante Pab massemél ab X ab X -rab VOlab - MaSSemélab correspondant à la masse du mélange gazeux dans le cylindre à l'angle d'avance à l'allumage de base ab, - rmél ab étant une constante des gaz parfaits connue, - Pab, Tab et Volab étant respectivement la pression, la température, et le volume du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab. [0026] Par ailleurs, le calculateur moteur détermine dans une étape 103 au moins un angle moyen d'injection a1, a2 du mélange gazeux pour au moins une injection de carburant effectuée en phase de compression. Cet angle a1, a2 correspond à l'angle moyen entre un angle de début d'injection et un angle de fin d'injection de carburant lors de la phase de compression. [0027] Ainsi, dans le cas d'une seule injection en phase de compression qui a lieu après la fermeture de la soupape admission et s'effectuant par exemple entre 150 degrés et 120 degrés vilebrequin (dv) avant le PMH (Point Mort Haut), l'angle moyen de cette injection al est de (150+120)/2=135 dv avant le PMH. [0028] Dans le cas de deux injections en phase de compression, si la première injection s'effectue entre 150 et 120 dv et la deuxième injection s'effectue entre 100 et 80 dv avant le PMH, l'angle moyen de la première injection al vaut 135 dv et l'angle moyen de la deuxième injection a2 vaut 90 dv. [0029] Dans une étape 104, le calculateur moteur détermine des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle ou aux angles moyens d'injection a1, a2 en phase de compression préalablement déterminés. A cet effet, un bilan enthalpique est réalisé à chaque angle moyen en utilisant la relation suivante: Tmélange cd = Pim& ini X corné, ini X Inné' ini Mc a1X cpc x Tc - Lvc x Mc evap Mmél ini X Cprnél ini MCno X cpc - Tmélange_ai étant la température du mélange gazeux à l'angle a1; - Mimé' jni étant la masse du mélange gazeux dans le cylindre avant l'injection de carburant à l'angle a1; -Tméuni étant la température du mélange gazeux dans le cylindre avant l'injection de carburant à l'angle a1. Cette valeur Tméuni est obtenue par la résolution de l'équation suivante relative à la compression adiabatique du mélange entre l'angle de fermeture de la soupape d'admission T angle_fer_soup_adm et l'angle a1: T = T Gamma mél mel ini angle fer soup adm X r Volangle fer soup adm VOlai - Tangle jer_soup_adm et VOlanglefer_soup_adm étant respectivement la température et le volume du mélange gazeux à l'angle de fermeture de la soupape d'admission, - Volai étant le volume du mélange gazeux à l'angle a1, - Gamma mél étant l'indice adiabatique du mélange gazeux, - Cpmél ini étant la capacité calorifique massique à pression constante du mélange dans la chambre de combustion du cylindre avant l'injection à l'angle a1. Cette valeur est une donnée issue d'un autre modèle du contrôle moteur. - Mcai étant la masse de carburant dans le cylindre à l'angle a1. Cette valeur est une donnée issue de la consigne de masse de carburant à injecter par injection. - Tc étant la température du carburant dans le rail d'injection du moteur. Cette valeur est une donnée issue d'un modèle du contrôle moteur. - cpc étant la capacité calorifique massique à pression constante du carburant. Cette valeur est une donnée issue d'un autre modèle du contrôle moteur. - Lvc étant la chaleur latente du carburant, - Mc evap étant la masse de carburant évaporée pendant la phase d'admission. Cette valeur est issue d'une calibration : Mc evap= Mcal x Cal. La valeur par défaut de cette calibration Cal vaut 1, ce qui revient à faire l'hypothèse que toute la masse injectée est évaporée dans le cylindre. [0030] La pression Pal s'obtient par l'application de la loi des gaz parfait : massemél x rmél x Tai Volai - massemél al étant la masse du mélange gazeux dans le cylindre à l'angle a1, - rmél al étant une constante des gaz parfaits connue, - Pa1, Tai et Volai étant respectivement la pression, la température et le volume du mélange gazeux à l'angle a1. 25 [0031] Dans le cas d'une double injection en phase de compression, ces calculs sont réalisés une deuxième fois à l'angle a2 après avoir calculé les changements de conditions de pression et de température dus à la compression adiabatique entre les angles moyens d'injection al et a2. [0032] Le calculateur moteur détermine, dans une étape 105, un angle ac d'apparition 30 d'une limite du cliquetis lors de l'injection du mélange gazeux en phase de compression à Pal - partir des conditions de pression et/ou de température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab et à ou aux angles a1, a2 moyens d'injection de carburant en phase de compression. L'étape 105 a pour but de calculer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis ac en prenant en compte les modifications des conditions thermodynamique à l'intérieur du cylindre dues à l'injection de carburant pendant la phase de compression du moteur. [0033] A cet effet, le calculateur moteur détermine l'angle d'apparition de la limite du cliquetis ac pour lequel les conditions de pression et de température à l'angle d'avance à l'allumage de base ab déterminées lors de l'étape 102 seront obtenues en considérant les modifications de pression et de température obtenues à l'angle al ou éventuellement à l'angle a2 dans le cas de deux injections en phase de compression. [0034] Dans le cas d'une injection en phase de compression, on résout donc l'équation suivante: VOlac = Volai X / Gamma mélange-1 Tai Tab - Volai étant le volume du mélange gazeux à l'angle ac d'apparition de la limite du cliquetis lors de l'injection de carburant en phase de compression à l'angle moyen a1, - Tai et Volai étant respectivement la température et le volume du mélange gazeux à l'angle moyen al d'injection de carburant en phase de compression, - Tab étant la température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab, - Gamma mélange étant l'indice adiabatique du mélange gazeux. [0035] De manière analogue, il serait possible d'utiliser un rapport de pressions pour déterminer le volume à l'angle d'apparition de la limite du cliquetis lors de l'injection de carburant en phase de compression à l'angle a1. [0036] Dans le cas de deux injections en phase de compression, on résout également l'équation suivante: Volac, = VOla2 X / Gamma mélange-1 Ta2 T- ab - Volac. étant le volume du mélange gazeux à l'angle ac' d'apparition de la limite du cliquetis lors de l'injection de carburant en phase de compression à l'angle moyen a2, - Ta2 et Vola2 étant respectivement la température et le volume du mélange gazeux à l'angle moyen a2 d'injection de carburant en phase de compression, - Tab étant la température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base ab, - Gamma mélange étant l'indice adiabatique du mélange gazeux. La relation suivante entre le volume de la chambre de combustion Vch et l'angle du vilebrequin 0 est ensuite utilisée afin de déterminer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis ac pour la première injection de carburant en phase de compression à l'angle a1: ((2.RBC +1)2 (2.RDC )2 r COS:(0 en ). 1;0 (2.RBC 2.RD, +sin 2 °5 eD).180' - Cette équation est résolue pour Vch égal à Vol' - LA étant le diamètre du cylindre, - LB étant la longueur de la bielle, - Lc étant la longueur de course de la bielle, - LD étant la longueur de désaxage, - RBC étant le rapport entre la longueur de la bielle (LB) et la longueur de course (LC), - RDC étant le rapport entre la longueur de désaxage (LD) et la longueur de course (LC), - Rvoi étant le rapport volumique, - eD étant un angle de désaxage valant ( = arcsin LD ( LB +1,c, 180 2 [0037] Dans une étape 106, un angle d'avance à l'allumage adapté à l'injection du carburant en phase de compression ab' est ensuite calculé à partir de l'angle d'avance à l'allumage de base ab et de l'angle d'apparition de la limite du cliquetis ac. A cet effet, on calcule l'angle de décalage D montré sur la figure 2 entre l'angle d'apparition de la limite du cliquetis ac et l'angle d'avance à l'allumage de base ab. [0038] Le nouvel angle ab' d'avance à l'allumage adapté à l'injection de carburant en phase de compression à l'angle al est obtenu en soustrayant l'ange de décalage D précédemment calculé à l'angle d'avance à l'allumage de base ab. [0039] De manière analogue, il serait possible de calculer le nouvel angle d'avance à l'allumage ab" adapté à l'injection en phase de compression à l'angle a2, en calculant l'angle d'apparition de la limite du cliquetis pour un volume dans la chambre de combustion Vch égal à Vola2, puis en calculant le décalage angulaire correspondant par rapport à l'angle d'avance à l'allumage de base ab pour en déduire le nouvel angle d'avance à l'allumage ab". [0040] Le fonctionnement du moteur en mode multi-injections a été présenté dans ce document pour une ou deux injections effectuées en phase de compression. Toutefois, il est clair que l'homme du métier pourra adapter le procédé selon l'invention pour un fonctionnement en mode multi-injections dans lequel plus de deux injections de carburant sont effectuées en phase de compression.

Claims

REVENDICATIONS: 1. Procédé d'adaptation de l'angle d'avance à l'allumage dans un moteur thermique à multi-injections, caractérisé en ce que, un angle d'avance à l'allumage, dit angle d'avance à l'allumage de base (ab), étant défini pour une injection d'un mélange gazeux air-carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion en phase d'admission, le procédé comporte les étapes suivantes: - déterminer (102) des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle (ab) d'avance à l'allumage de base, - déterminer (103) un angle moyen d'injection (a1, a2) pour au moins une injection de carburant effectuée en phase de compression, - déterminer (104) des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection (a1, a2) de carburant en phase de compression, - déterminer (105) un angle (ac) d'apparition d'une limite de cliquetis lors de l'injection en phase de compression pour lequel on aura les mêmes conditions de température et de pression dans la chambre de combustion qu'à l'angle d'avance à l'allumage de base (ab) tout en considérant les conditions de température et de pression du mélange gazeux à l'angle moyen d'injection de carburant (a1, a2) en phase de compression, - calculer (106) un angle d'avance à l'allumage (ab') adapté à l'injection de carburant en phase de compression à partir de l'angle d'avance à l'allumage de base (ab) et de l'angle d'apparition de la limite du cliquetis (ac) préalablement déterminé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base (ab) sont déterminées à partir du calcul d'une compression adiabatique entre un angle de fermeture d'une soupape d'admission (angl fer soup adm) et l'angle d'avance à l'allumage de base (ab).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle moyen d'injection (a1, a2) de carburant en phase de compression correspond à l'angle moyen entre un angle de début d'injection et un angle de fin d'injection du carburant lors de la phase de compression.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour déterminer des conditions de pression et de température du mélange gazeux à l'anglemoyen d'injection (a1, a2) en phase de compression, il comporte l'étape d'effectuer un bilan enthalpique à l'intérieur de la chambre de combustion.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour calculer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis lors de la phase d'injection en compression (ac), il comporte les étapes suivantes: - calculer le volume du mélange gazeux à l'angle d'apparition de la limite du cliquetis (Volai) à partir des conditions de température et/ou de pression du mélange gazeux à l'angle d'avance à l'allumage de base (ab) et à l'angle d'injection de carburant en phase de compression (a1, a2), et - déterminer l'angle d'apparition de la limite du cliquetis (ac) à partir du volume du mélange gazeux (Volai) à l'angle d'apparition de la limite du cliquetis suivant une relation entre un volume (Vch) de la chambre de combustion et un angle (0) de vilebrequin.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour calculer l'angle d'avance à l'allumage adapté à l'injection de carburant en phase de compression (ab'), il comporte les étapes suivantes: - calculer un angle de décalage (D) en soustrayant l'angle d'apparition de la limite du cliquetis lors de l'injection en phase de compression (ac) à l'angle d'avance à l'allumage de base (ab), et - soustraire l'angle de décalage (D) ainsi calculé à l'angle d'avance à l'allumage de base (ab).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'angle d'avance à l'allumage de base (ab) est adapté pour plusieurs injections de carburant réalisées à différents angles moyens d'injection en phase de compression.25