FR3134851A1 - Procédé perfectionné d’estimation du remplissage en air dans un moteur thermique essence suralimenté - Google Patents

Procédé perfectionné d’estimation du remplissage en air dans un moteur thermique essence suralimenté Download PDF

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Abstract

Le procédé est du type dans lequel le remplissage en air (R_CYL) du moteur thermique (MT) est estimé au moyen d’un coefficient d’acoustique (CA) appliquée à une pression des gaz (PR) dans un répartiteur d’admission d’air du moteur. Conformément à l’invention, le procédé comprend une commande de l’évolution du coefficient d’acoustique dans une zone transitoire entre une zone dite atmosphérique et une zone dite suralimentée selon une loi prenant en compte une position d’ouverture (PP) d’un boitier de papillon des gaz (PD) du moteur thermique. Fig.3

Description

PROCÉDÉ PERFECTIONNÉ D’ESTIMATION DU REMPLISSAGE EN AIR DANS UN MOTEUR THERMIQUE ESSENCE SURALIMENTÉ
L’invention concerne de manière générale la commande des moteurs thermiques de type essence. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé perfectionné d’estimation du remplissage en air des cylindres d’un moteur thermique essence suralimenté.
L’estimation de la charge en air frais des cylindres d’un moteur thermique essence suralimenté est effectuée pour un régime moteur donné et un calage de distribution donné. La variation d’acoustique dans le répartiteur d’admission d’air du moteur est considérée dans deux zones distinctes, à savoir, une zone dite atmosphérique et une zone dite suralimentée. Dans l’état de technique, la transition d’une zone à l’autre intervient progressivement en fonction d’un seuil de pression et d’un niveau de pression dans le répartiteur d’admission d’air.
La illustre un exemple de courbe CBR, selon un modèle de l’état de la technique, donnant un remplissage en air frais normalisé RN en fonction de la pression moyenne PRa (en millibar « mb ») dans le répartiteur d’admission d’air.
Dans ce modèle, dans une zone atmosphérique ZA et une zone suralimentée ZS de la courbe CBR, les relations entre le remplissage RN et la pression moyenne PRa sont représentées par des sections de droite dont les pentes sont des coefficients d’acoustique CAA et CAS appliqués respectivement dans les zones ZA et ZS.
Un facteur de transition FAT, évoluant entre zéro (0) et un (1) à partir d’un seuil de pression PS et en fonction de la pression PRa, détermine la forme de la courbe CBR dans une zone de transition ZT entre la zone atmosphérique ZA et la zone suralimentée ZS. Le seuil de pression PS, PS=f(RPM, CAL, PABP), est fonction du régime moteur RPM, du calage CAL de la distribution et de la pression en amont du boitier de papillon des gaz du moteur thermique. Le seuil de pression PS est donné par l’égalité suivante : PS = Pini*PABP/P0, dans laquelle Pini, Pini=f(RPM, CAL), est une valeur initiale de seuil de pression fonction du régime moteur RPM et du calage CAL, et P0 est la pression atmosphérique. La largeur de la zone de transition DP, DP=f(RPM), est fonction du régime moteur RPM. Le facteur de transition FAT est représenté par l’égalité suivante : FAT = (PRa - (Pini*PABP/P0))/DP.
De manière générale, dans les modèles de l’état de la technique, plusieurs seuils de pression dans le répartiteur d’admission d’air doivent être pris en considération, car ceux-ci dépendent des nombreux réglages du moteur, comme ceux des actionneurs de la distribution à calage variable (dite « VVT » pour « Variable Valve Timing » en anglais), du turbocompresseur, de l’enthalpie de l’échappement et autres. Compte-tenu du nombre important des réglages du moteur, il peut en résulter un manque de robustesse des modèles de l’état de la technique pour une prise en compte fine de l’ensemble de ces réglages, au détriment de la précision de l’estimation de la charge en air frais dans certaines situations de vie du moteur.
Les simulations et essais réalisés par l’entité inventive sur un moteur thermique essence suralimenté ont fait apparaître une représentativité insuffisante du phénomène physique de la variation de l’acoustique d’admission par les modèles de l’état de la technique. Ainsi, dans la zone atmosphérique, l’acoustique dans le répartiteur d’admission d’air est considérée comme invariante par rapport à la position du boitier du papillon des gaz.
A titre illustratif et relativement aux commentaires ci-dessus, il est montré à la des relevés de mesure de l’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA1 en fonction de la pression moyenne PRa (en millibar « mb ») dans le répartiteur d’admission d’air. L’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA1 est donnée par l’égalité suivante : EA1 = 100*(PR(FA) – PRa)/PRa, dans laquelle PR(FA) est la pression instantanée et PRa est la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air à la fermeture de la soupape d’admission.
Les relevés de la ont été effectués dans un moteur turbocompressé à double déphaseur d’arbre à came, avec un régime moteur fixe de 1800 tours/minute. Le nuage de points de mesure, visible à la , regroupe plusieurs relevés de EA1=f(PRa) correspondant à des angles de calage de la soupape d’admission de +35,25 degrés à -42,75 degrés, pour une levée de 1 mm.
Les relevés de la montre l’absence de relation directe entre l’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA1 et la pression moyenne PRa dans le répartiteur d’admission d’air. Par ailleurs, dans la zone atmosphérique ZA, il apparaît une évolution de l’acoustique qui n’est pas prise en compte par les modèles de l’état de la technique.
Il est souhaitable de proposer un procédé perfectionné ne présentant pas les inconvénients susmentionnés de la technique antérieure, pour une estimation plus fine du remplissage en air des cylindres du moteur thermique essence suralimenté et autorisant une simplification des essais de calibration et une réduction de la durée de réalisation de ceux-ci.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé d’estimation du remplissage en air des cylindres d’un moteur thermique essence suralimenté intégrant un boitier de papillon des gaz dans sa boucle d’admission d’air, le procédé étant du type dans lequel le remplissage en air est estimé au moyen d’un coefficient d’acoustique appliquée à une pression des gaz dans un répartiteur d’admission d’air du moteur thermique. Conformément à l’invention, le procédé comprend une commande de l’évolution du coefficient d’acoustique dans une zone transitoire entre une zone dite atmosphérique et une zone dite suralimentée selon une loi prenant en compte une position d’ouverture du boitier de papillon des gaz.
Selon une caractéristique particulière du procédé, la loi de commande de l’évolution du coefficient d’acoustique dans la zone transitoire autorise une prise en compte de la position d’ouverture du boitier de papillon des gaz lorsque celle-ci est comprise entre une position d’ouverture maximale et une position d’ouverture minimale qui sont définies en fonction d’un régime moteur et d’un calage de distribution du moteur thermique.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé, la loi de commande de l’évolution du coefficient d’acoustique dans la zone transitoire comporte un facteur de transition déterminant cette évolution en fonction de la position d’ouverture du boitier de papillon des gaz et d’un calage de distribution du moteur thermique.
Selon encore une autre caractéristique particulière du procédé, le facteur de transition est déterminé à partir de mesures d’acoustique d’admission d’air dans le moteur thermique en fonction de la position d’ouverture du boitier de papillon des gaz pour différents calages de distribution.
Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un calculateur comportant une mémoire stockant des instructions de programme pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit brièvement ci-dessus. Selon une forme de réalisation particulière, le calculateur est un calculateur de contrôle moteur d'un véhicule.
Selon encore un autre aspect, l’invention concerne aussi un ensemble comprenant un moteur thermique essence suralimenté et un calculateur de commande, le moteur thermique intégrant un boitier de papillon des gaz dans sa boucle d’admission d’air, dans lequel le calculateur de commande est un calculateur comme indiqué ci-dessus. Selon encore un autre aspect, l’invention concerne aussi un véhicule comprenant un ensemble comme indiqué ci-dessus.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d’une forme de réalisation particulière de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La montre des courbes, selon l’état de la technique, du remplissage en air frais d’un moteur thermique essence suralimenté en fonction de la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air du moteur et d’un facteur de transition entre la zone dite atmosphérique et la zone dite suralimentée.
La représente un nuage de points de relevés de mesure de l’évolution de l’acoustique d’admission d’air dans un moteur thermique essence suralimenté en fonction de la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air du moteur, conformément à l’état de la technique.
La est un bloc-diagramme de principe relatif à la mise en œuvre du procédé selon l’invention dans un moteur thermique essence suralimenté.
La représente un nuage de points de relevés de mesure de l’évolution de l’acoustique d’admission d’air dans un moteur thermique essence suralimenté en fonction de la position d’ouverture du papillon des gaz du moteur thermique, conformément au procédé de l’invention.
La montre un nuage de points de plusieurs courbes d’un facteur de transition normalisé pour différents angles de calage de la soupape d’admission, en fonction de la position d’ouverture du papillon des gaz du moteur thermique, conformément au procédé de l’invention.
La montre schématiquement une loi de commande conforme au procédé de l’invention utilisée pour la détermination d’un coefficient d’acoustique applicable pour le calcul d’estimation du remplissage en air du moteur thermique.
En référence à la , dans la forme de réalisation particulière décrite ici, le procédé selon l’invention est mis en œuvre dans un calculateur de commande CCM d’un véhicule, tel qu’un calculateur de contrôle moteur, ayant à charge la commande d’un moteur thermique MT d’un véhicule. Dans cet exemple de réalisation, le moteur thermique MT est un moteur essence turbocompressée à injection directe.
Un système logiciel embarqué SLE est contenu dans une mémoire MEM du calculateur CCM et a pour fonction la commande générale du moteur thermique MT. Les communications de données pour la commande du moteur thermique MT, entre le système logiciel embarqué SLE et différents actionneurs et capteurs du moteur thermique MT, sont réalisées typiquement à travers un réseau de communication de données du véhicule, par exemple un bus de type CAN.
Le système logiciel embarqué SLE comprend notamment des modules logiciels MOD1, MOD2 et MOD3. Les modules logiciels MOD1 et MOD2 sont chargés respectivement de la mise en œuvre de la stratégie de pilotage de l’injection de carburant SIJ et de la stratégie de pilotage SAA de la boucle d’admission d’air. Le module logiciel MOD3 est dédié au calcul d’estimation du remplissage en air du moteur thermique MT par la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Comme visible à la , l’information de remplissage en air estimé R_CYL est fournie aux modules logiciels MOD1 et MOD2 pour être exploitée par les stratégies de pilotage SIJ et SAA. Le module logiciel MOD3 met en œuvre le procédé selon l’invention par l’exécution d’instructions de code de programme par un processeur (non représenté) du calculateur CCM.
Comme représenté schématiquement à la , le moteur thermique MT comporte une boucle d’admission d’air ayant essentiellement un filtre à air FA, un débitmètre d’air DEB, un boitier de papillon des gaz PD, un turbocompresseur TC, une sonde Lambda SL, et des circuits de recirculation des gaz d’échappement de type « haute pression » avec une vanne EGR_HP et de type « basse pression » avec une vanne EGR_BP. Des échangeurs thermiques ET1 et ET2 sont prévus pour le refroidissement respectivement du flux d’air compressé en sortie du turbocompresseur TC et du flux de gaz d’échappement en sortie de la vanne EGR_BP.
Le filtre à air FA assure le filtrage d’un flux d’air frais entrant AIR. Le débitmètre d’air DEB fournit la mesure du débit du flux d’air frais entrant AIR. Le turbocompresseur TC assure une montée en pression du flux d’air frais entrant AIR pour la suralimentation en air. Le refroidissement du flux d’air compressé par l’échangeur thermique ET1 autorise un meilleur remplissage en air des cylindres du moteur thermique MT.
Le boitier de papillon des gaz PD permet de doser, selon une position d’ouverture PP du papillon des gaz, la quantité d’air frais admis dans les cylindres du moteur thermique MT.
Conformément au procédé de l’invention, l’information PP de position d’ouverture de papillon des gaz est fournie au module logiciel MOD3 pour être exploitée pour l’estimation du remplissage en air R_CYL, comme cela apparaîtra plus clairement par la suite. Des informations de pression PR et de température TE dans le répartiteur d’admission d’air du moteur thermique MT sont délivrées par des capteurs de mesure et sont également exploitées pour l’estimation du remplissage en air R_CYL.
Dans le procédé de l’invention, l’estimation du remplissage en air R_CYL fait appel aux égalités 1) à 3) suivantes :
1) R_CYL = MA/MO = (Mtot- MB)/MO,
2) MB = MBres + MBrea, et
3) Mtot = ((CA*PRa)*VCFA)/(R*TE),
dans lesquelles, MA est la masse d’air frais dans le cylindre, Mtot est la masse totale de gaz dans le cylindre, MO est la masse de référence aux conditions normales de température et de pression pour une unité de volume, MB est la masse totale de gaz brulée dans le cylindre, MBres est la masse de gaz brulée résiduelle dans le cylindre en l’absence du croisement de soupapes, MBrea est la masse de gaz brulée réaspirée de façon interne dans le cylindre avec le croisement de soupapes, PRa est la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air, CA est un coefficient d’acoustique associé à la pression moyenne PRa, VCFA est le volume du cylindre à la fermeture de la soupape d’admission, TE est la température des gaz dans le répartiteur d’admission d’air et R et une constante spécifique de l’air.
Conformément au procédé de l’invention, une estimation de la masse totale de gaz Mtot dans le cylindre est d’abord réalisée à partir de l’égalité 3) pour obtenir ensuite la masse d’air frais MA dans le cylindre, et consécutivement le remplissage en air R_CYL, à partir des égalités 1) et 2).
Dans la présente invention, à la différence de l’état de la technique dans lequel le facteur de transition appliqué au coefficient d’acoustique (cf. FAT, CAA et CAS à la ) est déterminé en fonction d’un seuil de pression et de la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air, le facteur de transition de l’invention, désigné FT, qui est appliqué au coefficient d’acoustique CA, est déterminé en fonction de la position d’ouverture PP du papillon des gaz.
En référence toujours à la , le module logiciel MOD3 dédié au calcul d’estimation du remplissage en air R_CYL comprend notamment une fonction F30 et une fonction F31.
La fonction F30 est chargée de déterminer la valeur du facteur de transition FT à appliquer au coefficient d’acoustique CA en fonction de la position d’ouverture PP du papillon des gaz. Dans l’invention, le facteur de transition FT est donc une fonction de la position d’ouverture PP, FT=f(PP).
La fonction F31 est chargée de calculer l’estimation du remplissage en air R_CYL et utilise pour cela les égalités 1) à 3) détaillées ci-dessus. Le calcul de l’estimation du remplissage en air R_CYL utilise des informations fournies par des capteurs de mesure, comme la position d’ouverture PP du papillon des gaz, la pression PR et la température TR des gaz dans le répartiteur d’admission d’air et le régime moteur RPM, et des informations fournies par des cartographies en fonction des conditions de fonctionnement et de réglage (calage de la distribution) du moteur MT, comme les masses brulées MBres et MBrea, le volume VCFA, la masse de référence MO et la constante R.
A la , il est montré des relevés de mesure de l’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA2 en fonction de la position d’ouverture PP du papillon des gaz. L’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA2 est donnée par l’égalité suivante : EA2 = 100*(PR(FA) – PRa)/PRa, dans laquelle PR(FA) est la pression instantanée et PRa est la pression moyenne dans le répartiteur d’admission d’air à la fermeture de la soupape d’admission. Les relevés de la ont été effectués avec des conditions similaires à ceux de la relatifs à l’état de la technique, à savoir, dans un moteur turbocompressé à double déphaseur d’arbre à came, avec un régime moteur fixe de 1800 tours/minute. Le nuage de points de mesure, visible à la , regroupe plusieurs relevés de EA2=f(PP) correspondant à des angles de calage de la soupape d’admission de +35,25 degrés à -42,75 degrés, pour une levée de 1 mm.
Les relevés de la montre l’existence d’une relation directe entre l’évolution de l’acoustique d’admission d’air EA2 et la position d’ouverture PP du papillon des gaz et valide donc l’approche de l’invention consistant à utiliser la position PP pour l’estimation du remplissage en air.
En référence aussi à la , le facteur de transition FT applicable dans la présente invention est obtenu ici en normalisant les courbes des relevés de la pour avoir une évolution entre zéro (0) et un (1) en abscisse et en ordonnée. Le facteur de transition FT est donné par l’égalité suivante :
FT = [[100*(PR(FA) – PRa)/PRa] – MIN[100*(PR(FA) – PRa)/PRa]] / [MAX[100*(PR(FA) – PRa)/PRa] – MIN[100*(PR(FA) – PRa)/PRa]]
A la , PPn est la position d’ouverture normalisée du papillon des gaz. Le nuage de points apparaissant à la regroupe plusieurs courbes FT=f(PPn, CAL) correspondant à des angles de calage CAL de la soupape d’admission de +35,25 degrés à -42,75 degrés, pour une levée de 1 mm.
Une loi de commande LC conforme au procédé de l’invention, pour déterminer le coefficient d’acoustique CA, est représentée de manière simplifiée à la . Comme visible à la , la loi de commande LC comprend essentiellement trois cartographies CTmin, CTmax et CTft et deux blocs de calcul B1 et B2.
Le bloc de calcul B1 a pour fonction de fournir la position d’ouverture normalisée PPn du papillon des gaz. Le bloc B1 reçoit en entrée la position d’ouverture PP fournie par le capteur de position du boitier de papillon des gaz PD et délivre en sortie la position d’ouverture normalisée PPn évoluant entre zéro (0) et un (1). La plage d’évolution de la position d’ouverture PP à prendre en compte par le bloc B1 est définie par des positions d’ouverture maximale Pmax et minimale Pmin fournies respectivement par les cartographies CTmax et CTmin en fonction du régime moteur et du calage de distribution CAL.
La cartographie CTft délivre, en fonction de la position d’ouverture normalisée PPn et du calage de distribution CAL, la valeur du facteur de transition FT à appliquer pour le calcul du coefficient d’acoustique CA par le bloc B2. Le facteur de transition FT évolue entre zéro (0) et un (1), comme indiqué précédemment.
Le bloc B2 calcule le coefficient d’acoustique CA pour le calcul du remplissage en air R_CYL à l’aide de l’égalité suivante :
CA = (CAs– CAa)*FT + CAa = (CAa*Ks – CAa)*FT + CAa
dans laquelle CAa est le coefficient d’acoustique dans la zone atmosphérique, CAs est le coefficient d’acoustique dans la zone suralimentée et Ks un coefficient de proportionnalité entre CAa et CAs.
Dans la zone atmosphérique, le facteur de transition FT est égal à zéro, FT=0, et le coefficient d’acoustique CA est égal à CAa. Dans la zone suralimentée, le facteur de transition FT est égal à un, FT=1, et le coefficient d’acoustique CA est égal à CAs. Dans la zone de transition, le coefficient d’acoustique CA est compris entre CAa et CAs en fonction de la valeur du facteur de transition FT=f(PPn, CAL).
L’invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims (8)

  1. Procédé d’estimation du remplissage en air (R_CYL) des cylindres d’un moteur thermique essence suralimenté (MT) intégrant un boitier de papillon des gaz (PD) dans sa boucle d’admission d’air, ledit procédé étant du type dans lequel ledit remplissage en air (R_CYL) est estimé au moyen d’un coefficient d’acoustique (CA) appliquée à une pression des gaz (PRa) dans un répartiteur d’admission d’air dudit moteur thermique (MT), caractérisé en ce qu’il comprend une commande de l’évolution dudit coefficient d’acoustique (CA) dans une zone transitoire (ZT) entre une zone dite atmosphérique (ZA) et une zone dite suralimentée (ZS) selon une loi (LC) prenant en compte une position d’ouverture (PP) dudit boitier de papillon des gaz (PD).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite loi (LC) de commande de l’évolution dudit coefficient d’acoustique (CA) dans ladite zone transitoire (ZT) autorise une prise en compte de ladite position d’ouverture (PP, PPn) dudit boitier de papillon des gaz (PD) lorsque celle-ci est comprise entre une position d’ouverture maximale (Pmax) et une position d’ouverture minimale (Pmin) qui sont définies en fonction d’un régime moteur (RPM) et d’un calage de distribution (CAL) dudit moteur thermique (MT).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite loi (LC) de commande de l’évolution dudit coefficient d’acoustique (CA) dans ladite zone transitoire (ZT) comporte un facteur de transition (FT) déterminant ladite évolution en fonction de ladite position d’ouverture (PP, PPn) dudit boitier de papillon des gaz (PD) et d’un calage de distribution (CAL) dudit moteur thermique (MT).
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit facteur de transition (FT) est déterminé à partir de mesures d’acoustique d’admission d’air (EA2) dans ledit moteur thermique (MT) en fonction de ladite position d’ouverture (PP) dudit boitier de papillon des gaz (PD) pour différents calages de distribution (CAL).
  5. Calculateur (CCM) comportant une mémoire (MEM) stockant des instructions de programme (MOD3) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
  6. Calculateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit calculateur est un calculateur de contrôle moteur (CCM) d'un véhicule.
  7. Ensemble comprenant un moteur thermique essence suralimenté (MT) et un calculateur de commande (CCM), ledit moteur thermique (MT) intégrant un boitier de papillon des gaz (PD) dans sa boucle d’admission d’air, caractérisé en ce que ledit calculateur de commande est un calculateur (CCM) selon la revendication 5 ou 6.
  8. Véhicule comprenant un ensemble (MT, CCM) selon la revendication 7.
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