FR3098861A1 - Procédé de détection de ratés de combustion d'un moteur thermique - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur un procédé de détection de ratés de combustion d'un moteur thermique comportant: - une étape d'acquisition d'un signal temporel issu d'un capteur de cliquetis, - une étape de transformation du signal temporel en un spectre fréquentiel (Sfreq) comportant notamment une raie fréquentielle (FC) correspondant à une fréquence de combustion du moteur thermique et une pluralité de raies fréquentielles correspondant à des harmoniques (H1) de la fréquence de combustion, - une étape de mesure, à une amplitude prédéterminée (S1), d'une largeur d'une raie fréquentielle (L(S1)), - une étape de comparaison de la largeur de la raie fréquentielle (L(S1)) avec une valeur de référence, et - une étape de déduction de la présence ou non de ratés de combustion en fonction du résultat de cette comparaison. Figure 3
Description
La présente invention porte sur un procédé de détection de ratés de combustion d'un moteur thermique. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les moteurs thermiques à allumage commandé de type essence.
De façon connue en soi, les ratés de combustion (ou "misfire" en anglais) peuvent être détectés à l’aide d’un diagnostic basé sur l’utilisation d’un capteur de régime positionné sur le vilebrequin. Le principe consiste à mesurer de manière précise les variations de vitesse du moteur durant le cycle de chaque cylindre et de déduire toute mauvaise combustion via le principe fondamental de la dynamique liant le couple à la vitesse de rotation du moteur thermique. En effet, en cas de mauvaise combustion, le couple instantané diminue, ce qui provoque une variation de la vitesse du moteur thermique.
Toutefois, cette stratégie de détection présente plusieurs limitations observées notamment sur les projets mettant en œuvre les nouvelles normes anti-pollution, par exemple la norme Euro 6. Ainsi, lors d'un retrait d’avance à l'allumage se produisant par exemple lors d'une phase d'agrément, le couple produit par la combustion chute instantanément et est détecté comme un raté de combustion alors que la combustion peut être bonne. Pour éviter ces fausses détections, le diagnostic est désactivé pendant ces phases, ce qui diminue son taux de couverture. Pour un roulage en ville, le temps passé en avance dégradée peut atteindre 20% de la durée totale du roulage. Cela réduit donc d'autant le taux de couverture du diagnostic.
Par ailleurs, la mesure de la vitesse de rotation instantanée du moteur thermique nécessite une cible extrêmement précise (donc onéreuse) qui implique une phase d'apprentissage géométrique par le calculateur moteur au début de la vie du véhicule. Cet apprentissage essentiel pour le fonctionnement de la stratégie est réalisé en fin de chaîne de montage lors du passage sur un banc polyvalent.
Il est à noter également que lors d'un fonctionnement du moteur thermique, les efforts sur le vilebrequin provoquent de très faibles déformations élastiques créant des artefacts de mesure liés aux variations du jeu entre le capteur et la cible. Ces artefacts de mesure détériorent la qualité de la détection.
L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé de détection de ratés de combustion d'un moteur thermique comportant:
- une étape d'acquisition d'un signal temporel issu d'un capteur de cliquetis,
- une étape de transformation du signal temporel en un spectre fréquentiel comportant notamment une raie fréquentielle correspondant à une fréquence de combustion du moteur thermique et une pluralité de raies fréquentielles correspondant à des harmoniques de la fréquence de combustion,
- une étape de mesure, à une amplitude prédéterminée, d'une largeur d'une raie fréquentielle,
- une étape de comparaison de la largeur de la raie fréquentielle avec une valeur de référence, et
- une étape de déduction de la présence ou non de ratés de combustion en fonction du résultat de cette comparaison.
- une étape d'acquisition d'un signal temporel issu d'un capteur de cliquetis,
- une étape de transformation du signal temporel en un spectre fréquentiel comportant notamment une raie fréquentielle correspondant à une fréquence de combustion du moteur thermique et une pluralité de raies fréquentielles correspondant à des harmoniques de la fréquence de combustion,
- une étape de mesure, à une amplitude prédéterminée, d'une largeur d'une raie fréquentielle,
- une étape de comparaison de la largeur de la raie fréquentielle avec une valeur de référence, et
- une étape de déduction de la présence ou non de ratés de combustion en fonction du résultat de cette comparaison.
L’invention permet ainsi d’assurer la surveillance des ratés de combustion avec un meilleur taux de couverture et une meilleure qualité de détection du fait de la suppression des fausses détections par artefacts de mesure. L’invention permet également d'améliorer la fiabilité de la détection des ratés de combustion par suppression de la phase d’apprentissage du capteur de régime et par utilisation d’un capteur de cliquetis moins sujet au dysfonctionnement que le capteur de régime. L’invention présente également un caractère économique, dans la mesure où elle nécessite uniquement une implémentation logicielle pour sa mise en œuvre, le capteur de cliquetis étant déjà un capteur existant sur le moteur thermique.
Selon une mise en œuvre, dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle est inférieure ou égale à la valeur de référence, alors on en déduit qu’il ne se produit pas de raté de combustion.
Selon une mise en œuvre, dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle est supérieure à la valeur de référence, alors on en déduit qu’il se produit des ratés de combustion.
Selon une mise en œuvre, la valeur de référence est calibrée lors d'une mise au point du moteur thermique.
Selon une mise en œuvre, un signal de défaut est émis à destination d'un gestionnaire de défauts dans le cas où des ratés de combustion sont détectés sur une période calibrable.
Selon une mise en œuvre, le signal temporel est transformé en un spectre fréquentiel via une transformée de Fourier.
Selon une mise en œuvre, le moteur thermique est un moteur à essence.
L'invention concerne en outre un calculateur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que précédemment défini.
L'invention concerne également un moteur thermique comportant un calculateur tel que précédemment défini.
L'invention porte également sur un véhicule comportant un moteur thermique tel que précédemment défini.
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.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 1 montre une vue en coupe schématique partielle d'un moteur thermique 1 à essence comportant une pluralité de cylindres 2 par exemple au nombre de trois ou quatre.
Chaque cylindre 2 comporte un piston 3, une chambre de combustion 5, un injecteur 6 de carburant, une bougie d'allumage 8 associée à un système 9 de réglage d'angle d'avance à l'allumage, au moins une soupape d'admission 11, au moins une soupape d'échappement 12. La chambre de combustion 5 à volume variable est ainsi définie dans le cylindre 2 entre la face inférieure d'une culasse 13 et la face supérieure du piston 3.
La bougie d'allumage 8 est liée à la culasse 13 et dotée d'électrodes qui produisent une étincelle dans la chambre de combustion 5 lorsque le piston 3 est au voisinage de son point mort haut. Les soupapes d'admission 11 et d'échappement 12 sont montées mobiles dans la culasse 13 et sont disposées de part et d'autre d'un plan axial médian P du cylindre 2 de manière à définir un côté admission et un côté échappement.
Les soupapes d'admission 11 sont déplacées par un premier arbre à cames 17.1 de manière à mettre la chambre de combustion 5, à un instant choisi précédant la compression, en communication avec un conduit d'admission 18. Une vanne papillon 20 assure la gestion du débit d'air introduit dans le cylindre 2.
De façon analogue, les soupapes d'échappement 12 sont déplacées par un deuxième arbre à cames 17.2 de manière à mettre la chambre de combustion 5 à un instant choisi postérieur à la combustion, en communication avec un conduit d'échappement 23.
Un capteur de cliquetis 24 permet de détecter les ondes vibratoires transmises par le moteur thermique 1. 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 5 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 5 par le souffle du front de flamme généré normalement au niveau de l'arc électrique (étincelle) de la bougie d'allumage 8. 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. Le capteur de cliquetis 24 est par exemple un capteur à quartz apte à retourner un signal de tension en fonction d'une vibration subie. Le capteur de cliquetis 24 est par exemple disposé sur la culasse 13 du moteur thermique 1.
Un calculateur moteur 25 assure la commande des différents éléments de l'architecture du moteur 1 en fonction notamment de données issues de différents capteurs implantés dans le système. Ce calculateur 25 comporte une mémoire 26 stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention de détection de ratés de combustion du moteur thermique 1 dont les différentes étapes sont décrites ci-après en référence avec la figure 2.
Le calculateur 25 assure, dans une étape 101, l'acquisition d'un signal temporel Stemp issu du capteur de cliquetis 24. En effet, lors du fonctionnement du moteur thermique 1, les combustions génèrent une onde périodique dans le bloc moteur 1 visible via le capteur de cliquetis 24.
Le calculateur 25 échantillonne alors le signal temporel Stemp de façon cohérente avec le régime du moteur thermique 1, notamment par application du théorème de Shannon. Le calculateur 25 effectue également un fenêtrage de façon à sélectionner un nombre d'échantillons correspondant à un nombre de cycles moteur (un cycle moteur englobant les phases d'admission, de compression, de combustion et d'échappement) compris entre 2 et 10 et de préférence compris entre 3 et 6 inclus.
Dans le cas où le nombre de cycles moteur sélectionné est faible, le calculateur 25 nécessite de disposer d'une grande puissance de calcul. Dans le cas où le nombre de cycles moteur sélectionné est élevé, il existe un risque que le régime du moteur puisse varier, ce qui est susceptible d'engendrer des fausses détections de ratés de combustion. Un nombre de cycles moteur compris entre 3 (correspondant à 9 combustions dans le cas d'un moteur à trois cylindres) et 6 (correspondant à 18 combustions dans le cas d'un moteur à trois cylindres) constitue donc un bon compromis.
Dans une étape 102, le calculateur 25 transforme, via une transformée de Fourier, le signal temporel Stemp en un spectre fréquentiel Sfreq permettant d’observer la fréquence de combustion et ses harmoniques.
Comme on le voit sur la figure 3, le spectre fréquentiel Sfreq obtenu pour un nombre donné de cycles moteur comporte notamment une raie fréquentielle FC correspondant à une fréquence de combustion du moteur thermique 1 et une pluralité de raies fréquentielles correspondant à des harmoniques de la fréquence de combustion.
Dans l'exemple représenté pour un moteur quatre temps à trois cylindres pour lequel trois combustions se produisent tous les deux tours de moteur, on observe une raie fréquentielle FC correspondant à une fréquence de combustion de l'ordre de 22Hz pour un régime moteur de l'ordre de 880 tr/min. On observe également une première harmonique H1 aux alentours de 44Hz.
Le procédé selon l'invention est basé sur le principe suivant lequel les raies fréquentielles (à la fréquence de combustion ainsi que les harmoniques) ont tendance à s'élargir en cas de ratés de combustion. En effet, dans le cas idéal où le régime moteur est fixe et que les combustions sont effectuées sans aucun raté sur le nombre de cycles analysés, le spectre fréquentiel Sfreq possède des raies fréquentielles très fines qui sont quasiment uni-fréquence à la fréquence de combustion FC et ses harmoniques, tel que cela est illustré par la figure 3. En revanche, lorsque des ratés de combustion surviennent, les raies s’élargissent et deviennent multi-fréquences en raison des fréquences inférieures à la fréquence de combustion FC qui sont sollicitées à cause des combustions en moins, tel que cela est illustré par la figure 4.
Pour effectuer le diagnostic, le calculateur 25 mesure donc, dans une étape 103, à une amplitude prédéterminée S1, une largeur d'une raie fréquentielle L(S1). Dans l'exemple représenté, l'amplitude prédéterminée S1 est comprise entre 0.15 et 0.20. Toutefois, la valeur de l'amplitude prédéterminée S1 pourra varier en fonction du point de fonctionnement du moteur thermique 1 défini par le régime et le couple du moteur thermique 1.
En l'occurrence, le calculateur 25 mesure la largeur de la raie fréquentielle L(S1) correspondant à la première harmonique H1 car dans l'exemple de mise en œuvre, le capteur de cliquetis 24 est plus sensible dans le domaine fréquentiel situé autour de la première harmonique H1. Toutefois, en variante, il est possible de mesurer la largeur de la raie fréquentielle FC correspondant à la fréquence de combustion ou à une autre harmonique, dans la mesure où l'ensemble des raies du spectre Sfreq sont affectées par les ratés de combustion.
Le calculateur 25 compare, dans une étape 104, la largeur de la raie fréquentielle L(S1) avec une valeur de référence LREF(S1) stockée dans la mémoire 26 (cf. figure 1) et en déduit, dans une étape 105, la présence ou non de ratés de combustion en fonction du résultat de cette comparaison.
Ainsi, dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle L(S1) est inférieure ou égale à la valeur de référence LREF(S1), alors le calculateur 25 en déduit qu’il ne se produit pas de raté de combustion. Dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle L(S1) est supérieure à la valeur de référence LREF(S1), alors le calculateur 25 en déduit qu’il se produit des ratés de combustion.
La valeur de référence LREF(S1) est calibrée lors de la mise au point du moteur thermique 1. La valeur de référence LREF(S1) définit la limite à partir de laquelle on considère que le niveau de ratés de combustion détériore les performances du moteur thermique 1. Dans l'exemple représenté qui n'est pas limitatif, la valeur de référence LREF(S1) est égale au double de la valeur de la largeur de la raie fréquentielle L(S1) de la première harmonique H1 pour un fonctionnement normal du moteur thermique 1 (sans raté de combustion).
La valeur de référence LREF(S1) pourra varier en fonction du point de fonctionnement du moteur 1 ainsi que de la finesse de détection souhaitée pour caractériser le défaut lié aux ratés de combustion.
Un signal de défaut est émis à destination d'un gestionnaire de défauts dans le cas où des ratés de combustion sont détectés sur une période calibrable, par exemple de l'ordre d'une ou plusieurs secondes. A cet effet, il est possible d'incrémenter régulièrement un compteur de défauts qui validera le diagnostic lorsqu'un nombre de défauts prédéterminés aura été atteint.
En variante, il serait possible d'utiliser un calculateur 25 dédié à la fonction de diagnostic des ratés de combustion.
Claims (10)
- Procédé de détection de ratés de combustion d'un moteur thermique (1) caractérisé en ce qu'il comporte:
- une étape (101) d'acquisition d'un signal temporel (Stemp) issu d'un capteur de cliquetis (24),
- une étape (102) de transformation du signal temporel (Stemp) en un spectre fréquentiel (Sfreq) comportant notamment une raie fréquentielle (FC) correspondant à une fréquence de combustion du moteur thermique (1) et une pluralité de raies fréquentielles correspondant à des harmoniques de la fréquence de combustion,
- une étape (103) de mesure, à une amplitude prédéterminée (S1), d'une largeur d'une raie fréquentielle (L(S1)),
- une étape (104) de comparaison de la largeur de la raie fréquentielle (L(S1)) avec une valeur de référence (LREF(S1)), et
- une étape (105) de déduction de la présence ou non de ratés de combustion en fonction du résultat de cette comparaison. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle (L(S1)) est inférieure ou égale à la valeur de référence (LREF(S1)), alors on en déduit qu’il ne se produit pas de raté de combustion.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans le cas où la largeur de la raie fréquentielle (L(S1)) est supérieure à la valeur de référence (LREF(S1)), alors on en déduit qu’il se produit des ratés de combustion.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur de référence (LREF(S1)) est calibrée lors d'une mise au point du moteur thermique (1).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un signal de défaut est émis à destination d'un gestionnaire de défauts dans le cas où des ratés de combustion sont détectés sur une période calibrable.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal temporel (Stemp) est transformé en un spectre fréquentiel (Sfreq) via une transformée de Fourier.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moteur thermique (1) est un moteur à essence.
- Calculateur (25) comportant une mémoire (26) stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que défini selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Moteur thermique (1) comportant un calculateur (25) tel que défini selon la revendication 8.
- Véhicule comportant un moteur thermique (1) tel que défini selon la revendication 9.
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2019
- 2019-07-15 FR FR1907905A patent/FR3098861B1/fr active Active
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