WO2007034057A1 - Methode d’estimation du regime instantane produit par chacun des cylindres d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Methode d’estimation du regime instantane produit par chacun des cylindres d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Pierre Rouchon
Jonathan Chauvin
Gilles Corde
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    • F02D41/1402—Adaptive control

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating in real time the instantaneous speed produced by each cylinder of an internal combustion engine from the instantaneous speed sensor located at the end of the transmission.
  • an instantaneous speed sensor is placed at the end of the transmission. This measurement is very distorted by the transmission and is noisy.
  • a reconstruction of the cylinder to cylinder torque is indispensable.
  • the implementation of a digital couplometer under each cylinder is unthinkable on vehicle given their cost.
  • the method according to the invention proposes to define an estimator operating from the measurement at the end of the transmission chain to estimate the instantaneous speed under each of the cylinders.
  • the method of the invention relates to a method for estimating in real time the instantaneous speed produced by each of the cylinders of an internal combustion engine comprising at least one transmission system connected to the cylinders and a sensor that realizes in real time. a measurement (x ⁇ ) of the instantaneous speed at the end of said transmission system.
  • the method comprises the following steps: a) constructing a physical model representing in real time the dynamics of said transmission system as a function of: said measurement (xj), coefficients of a Fourier series decomposition of said instantaneous regime produced by each cylinders, and as a function of damping and a natural frequency characterizing said transmission system; b) the coefficients of said Fourier series decomposition are determined in real time by coupling said model with an adaptive type nonlinear estimator; c) real time estimation of the instantaneous regime produced by each of the rolls, from said Fourier coefficients.
  • the method according to the invention can be applied to an engine control to adapt the fuel masses injected into each of the cylinders, in order to adjust the average torque produced by each of the cylinders.
  • FIG. 1 illustrates the estimation of the instantaneous speed under the cylinders by the method according to the invention, on an operating point of 1250tr / min average load.
  • FIG. 2 illustrates the estimation of the average cylinder to cylinder torque by the method according to the invention, on an operating point of 1500tr / min.
  • the method according to the invention makes it possible to estimate the instantaneous speed produced by each of the cylinders of an internal combustion engine comprising at least one transmission system connected to the cylinders.
  • a sensor realizes a measurement of the instantaneous speed in real time.
  • This signal is noted Xu
  • a measurement of the instantaneous speed under the cylinders deformed by the transmission shaft is therefore achieved.
  • the first step of the invention is therefore to "reverse" the effects of the transmission to obtain the relevant information, that is to say the instantaneous regime produced by each of the cylinders.
  • This relevant information is a periodic signal that we note Xo-
  • the method consists mainly of the following four steps:
  • This equation (2) constitutes the physical model representing in real time the dynamics of the transmission system.
  • An estimation of the signal W 0 makes it possible to determine an estimate of the signal XQ from equation (1).
  • the dj represent the 2n + l Fourier coefficients of the decomposition of the signal XQ.
  • a signal is thus defined translating the instantaneous regime Xo, as a function of the invariant parameters jt over time.
  • variable change W 0 is also mechanically periodic, and its decomposition in Fourier coefficients, developed in complex for the clarity of the exposition, is written as follows:
  • the C j represent the 2n + ⁇ Fourier coefficients.
  • a non-linear adaptive-type estimator is defined, on the one hand, a term related to the dynamic and, on the other hand, a correction term:
  • the system of equations (5) represents an adaptive-type non-linear estimator for estimating the coefficients c / of the Fourier coefficient decomposition of the signal W 0 .
  • This estimator (5) was constructed from the variable change w 0 , but it is obvious that in the same way it is possible to construct an adaptive-type nonlinear estimator directly from XQ.
  • the estimator (5) makes it possible to reconstruct W 0 through its Fourier coefficients Cj.
  • the objective is to reconstruct XQ.
  • w 0 given by Equation (1), expresses the coefficients d j basis of the coefficients c, -:
  • the knowledge of the average torque produced by each cylinder is a fundamental and relevant information for the estimation of the combustion; it is the image of the combustion that the engine sees.
  • the previous estimator (5) allows us to estimate the signal of the regime under the cylinders but also its Fourier decomposition. However, the more torque is important the greater the excitement on the tree. In this sense it is possible to correlate the torque produced by the cylinder and the Fourier coefficients of the decomposition of the instantaneous regime signal (XQ).
  • This function ⁇ can be a polynomial function. It can be determined empirically from test. For example we can choose the following function ⁇ :
  • ⁇ 0 a constant to be calibrated according to the engine speed used using correlations with the engine bench measurements.
  • This calibration can be done at from a tabulation, resulting from a linear optimization consisting of adjusting the value of ⁇ 0 so that the estimates are as close as possible to the engine parameters (parameters allowing the calibration of the engine and supplied by the manufacturer).
  • FIG. 1 illustrates the estimation (R es t) of the instantaneous speed Xo under the rolls from the estimator according to the invention (5) previously described on an operating point at 1250rpm average load.
  • Figure 1 also illustrates the reference instantaneous engine speed R ref (calculated from the cylinder pressure measurements on the test bench). We observe a very good estimate of the signal.
  • FIG. 2 illustrates the estimation (PMI est ) of the cylinder-to-cylinder torque on an operating point at 1500 rpm, from the estimator according to the invention (5) and from a function ⁇ defined by the equation ( 7).
  • Figure 2 also illustrates the average reference torque (PMI re f) (calculated from cylinder pressure measurements on the engine test bench). We observe a very good estimate of the signal.
  • the adaptive filter thus produced is efficient, and above all does not require any additional adjustment in the case of change of the operating point. No identification phase is necessary, only a measurement and model noise adjustment must be carried out, once and for all A motor control can thus, from the reconstructed pairs, adapt the fuel masses injected into each of the cylinders so that the pairs are balanced in all the cylinders.

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Abstract

Méthode d'estimation en temps réel du régime instantané produit par chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne, à partir d'une mesure du régime instantané en bout du système de transmission du moteur. On construit un modèle physique représentant en temps réel la dynamique du système de transmission en fonction de l'angle vilebrequin et de coefficients d'une décomposition en série de Fourier du régime instantané produit par chacun des cylindres. On détermine en temps réel ces coefficients à partir d'un couplage entre le modèle et un estimateur non linéaire de type adaptatif. On déduit alors de ces coefficients le régime instantané produit par chacun des cylindres. On peut également en déduire le couple moyen produit par chaque cylindre. Application à des contrôles moteur.

Description

MÉTHODE D'ESTIMATION DU RÉGIME INSTANTANÉ PRODUIT PAR CHACUN DES CYLINDRES D'UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne une méthode pour estimer en temps réel le régime instantané produit par chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne à partir du capteur de régime instantanée située au bout de la transmission.
La connaissance du régime instantanée pour chaque cylindre permet d'estimer le couple moyen produit par chaque cylindre.
État de la technique L'estimation du couple moyen produit par chaque cylindre est importante pour tous les véhicules, qu'ils soient à motorisation essence ou à motorisation diesel. Dans le premier cas, elle conditionne une bonne combustion du mélange lorsque la richesse est proche de un, et donc sensible à des problèmes de différence cylindre à cylindre. Dans le second cas, l'intérêt de la connaissance du couple permet un rééquilibrage pour obtenir un fonctionnement optimum. En particulier, les catalyseurs utilisant un piège à NOx perdent de leur efficacité avec le temps. Afin de revenir à une efficacité optimale, le couple de chacun des cylindres doit être maintenue identique pendant quelques secondes, pour revenir ensuite en fonctionnement normal à un mélange pauvre. La dépollution par catalyse DeNOx nécessite donc un pilotage précis du couple cylindre par cylindre.
Pour ce faire, un capteur de régime instantané est placé au bout de la transmission. Cette mesure est très déformée par la transmission et est bruitée. Afin de contrôler d'une manière plus précise, et surtout individuelle, l'injection des masses de carburant dans les cylindres, une reconstruction du couple cylindre à cylindre est indispensable. L'implantation d'un couplomètre numérique sous chaque cylindre est impensable sur véhicule étant donné leur prix de revient. La méthode selon l'invention propose de définir un estimateur fonctionnant à partir de la mesure en bout de la chaîne de transmission pour estimer le régime instantané sous chacun des cylindres.
La méthode selon l'invention L'invention concerne une méthode pour estimer en temps réel le régime instantané produit par chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un système de transmission relié aux cylindres et un capteur qui réalise en temps réel une mesure (x}) du régime instantané en bout dudit système de transmission. La méthode comporte les étapes suivantes : a) on construit un modèle physique représentant en temps réel la dynamique dudit système de transmission en fonction : de ladite mesure (xj), de coefficients d'une décomposition en série de Fourier dudit régime instantané produit par chacun des cylindres, et en fonction d'un amortissement et d'une fréquence propre caractérisant ledit système de transmission ; b) on détermine en temps réel les coefficients de ladite décomposition en série de Fourier en couplant ledit modèle avec un estimateur non linéaire de type adaptatif ; c) on réalise une estimation en temps réel du régime instantané produit par chacun des cylindres, à partir desdits coefficients de Fourier.
On peut également estimer en temps réel le couple moyen de chacun des cylindres à partir de l'estimation de ces coefficients.
La méthode selon l'invention peut être appliquée à un contrôle moteur pour adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres, afin de régler le couple moyen produit par chacun des cylindres. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Présentation succincte des figures
- la figure 1 illustre l'estimation du régime instantané sous les cylindres par la méthode selon l'invention, sur un point de fonctionnement de 1250tr/min moyenne charge.
- la figure 2 illustre l'estimation du couple moyen cylindre à cylindre par la méthode selon l'invention, sur un point de fonctionnement de 1500tr/min.
Description détaillée de la méthode
La méthode selon l'invention permet d'estimer le régime instantané produit par chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un système de transmission relié aux cylindres. En bout de ce système de transmission, un capteur réalise en temps réel une mesure du régime instantané. Ce signal est noté Xu Un mesure du régime instantané sous les cylindres déformée par l'arbre de transmission est donc réalisée. La première étape de l'invention consiste donc à « inverser » les effets de la transmission pour obtenir l'information pertinente, c'est- à-dire le régime instantané produit par chacun des cylindres. Cette information pertinente est un signal périodique que l'on note Xo-
La méthode comporte principalement les quatre étapes suivantes :
1- on établit, dans une échelle angulaire (c'est-à-dire en fonction de l'angle vilebrequin et non du temps), un modèle physique représentant en temps réel la dynamique du système de transmission ;
2- on caractérise le régime instantané produit par chacun des cylindres, par des paramètres quasi invariants au cours du temps, tels que les coefficients de sa décomposition de Fourier ;
3- on couple le modèle physique avec un estimateur non linéaire de type adaptatif ; 4- on réalise une estimation en temps réel du régime instantané produit par chacun des cylindres à partir de l'estimateur non linéaire de type adaptatif.
1- Modèle physique de la dynamique du système de transmission
Pour estimer le signal Xo, c'est-à-dire le régime instantané sous les cylindres, on définit dans un premier temps un modèle physique de la dynamique du système de transmission. Pour ce faire, l'on considère que ce système se comporte comme un système du deuxième ordre qui se compose de deux paramètres : ω : la fréquence propre de la transmission dans le référentiel tournant
ζ : l'amortissement de la transmission
Ainsi, et en se plaçant dans l'échelle angulaire, la dynamique de l'arbre de transmission s'écrit :
d2 (X1 - x0) Έ— d(xx -x0) _2
- ξω da2 da y
avec : xi : le régime instantané au bout de la chaîne de transmission : la mesure (y)
XQ : le régime instantané sous les cylindres : l'inconnu ω : la fréquence propre du système de transmission dans le référentiel tournant
ζ : l'amortissement du système de transmission
a : l'angle vilebrequin du système de transmission On peut effectuer un changement de variable en posant :
Figure imgf000006_0001
Le régime instantané sous les cylindres xo est périodique donc wQ aussi. La dynamique peut donc se réécrire sous la forme suivante :
Figure imgf000007_0001
avec :
dxx
X = \ X, da
Figure imgf000007_0002
C = [I 0]
Cette équation (2) constitue le modèle physique représentant en temps réel la dynamique du système de transmission. Une estimation du signal W0 permet de déterminer une estimation du signal XQ à partir de l'équation (1).
2- Caractérisation du signal xn par des paramètres quasi invariants au cours du temps On recherche à estimer, à partir de ce modèle physique et de la mesure y (égale à xj), le signal XQ, c'est-à-dire le régime instantané produit par chacun des cylindres. Pour réaliser cette estimation en temps réel, la méthode selon l'invention caractérise ce signal XQ par des paramètres quasi invariants au cours du temps. En d'autres tenues, on définit le signal xo à l'aide de paramètres qui, à un instant donné, sont des constantes. Pour ce faire, on exploite le fait que le signal Xo est mécaniquement périodique. Ainsi, au lieu de réaliser une estimation du signal fortement variable XQ, on peut estimer les coefficients de Fourier de ce signal. On peut également utiliser tous paramètres permettant de décrire le signal Xo en relation avec son caractère périodique. La décomposition en coefficients de Fourier du signal XQ, développée en complexe pour la clarté de l'exposé, s'écrit ainsi :
Figure imgf000008_0001
Les dj représentent les 2n+l coefficients de Fourier de la décomposition du signal XQ. On définit ainsi un signal traduisant le régime instantané Xo, en fonction des paramètres djt invariants au cours du temps.
Pour estimer les paramètres dj on peut à nouveau utiliser le changement de variable W0 et utiliser le modèle physique décrit par le système (2). Le signal W0 est également mécaniquement périodique, et sa décomposition en coefficients de Fourier, développée en complexe pour la clarté de l'exposé, s'écrit ainsi :
Figure imgf000008_0002
Les Cj représentent les 2n+\ coefficients de Fourier.
L'estimation de ces coefficients c,- permet ainsi d'estimer la décomposition en coefficients de Fourier du signal XQ et donc également du signal xo lui-même. En n'utilisant qu'un nombre fini d'harmoniques ( [- n;+«]), le modèle physique représentant en temps réel la dynamique du système de transmission s'écrit alors :
Figure imgf000008_0003
3- Couplage avec un estimateur non linéaire de type adaptatif
A partir du modèle physique décrit par le système (4), on définit un estimateur non linéaire de type adaptatif comportant d'une part, un terme lié à la dynamique et d'autre part, un terme de correction :
Figure imgf000009_0001
avec : x : estimateur de x
: estimateur de cj
L : une matrice à calibrer
Lj : des matrices à calibrer Un choix de matrices L et Lj assurant la convergence de l'estimateur est
Figure imgf000009_0002
Le système d'équations (5) représente un estimateur non linéaire de type adaptatif permettant d'estimer les coefficients c/ de la décomposition en coefficients de Fourier du signal W0 .
On a construit cet estimateur (5) à partir du changement de variable w0 , mais il est évident que de la même façon, il est possible de construire un estimateur non linéaire de type adaptatif directement à partir de XQ.
4- Estimation en temps réel du régime instantané produit par chacun des cylindres On estime ensuite à partir de l'estimation cy. des coefficients Cj le régime instantané produit par chacun des cylindres XQ.
L'estimateur (5) permet de reconstruire W0 à travers ses coefficients de Fourier Cj, L'objectif est de reconstruire XQ. Grâce à l'expression de w0 donnée par l'équation (1), on exprime les coefficients dj en fonction des coefficients c,- :
j _ ω2 - (j.ω)2 - i.j.ω.ξ.ω
Y/ e [-«,«] (6) J ~ (W-(J. ωff + (j.ω4 Zôf 'Ci On obtient donc ainsi l'expression du régime instantané produit par chaque cylindres, à l'aide des équations (3) et (6), et les coefficients de sa décomposition de Fourier par l'équation (6).
Estimation du couple moyen produit par chaque cylindre
Selon l'invention, il est possible de fournir une estimation du couple moyen produit par chaque cylindre à partir de l'estimation du régime instantané produit par chaque cylindres (xo) et plus précisément à partir de l'estimation de sa décomposition de Fourier en coefficients dj.
La connaissance du couple moyen produit par chaque cylindre est une information fondamentale et pertinente pour l'estimation de la combustion ; elle est l'image de la combustion que voit le moteur.
L'estimateur précédent (5) nous permet d'estimer le signal du régime sous les cylindres mais aussi sa décomposition de Fourier. Or, plus le couple est important plus l'excitation sur l'arbre est grande. Dans ce sens il est possible de corréler le couple produit par le cylindre et les coefficients de Fourier de la décomposition du signal du régime instantané (XQ).
De façon générale, il est donc possible d'identifier une fonction φ , qui permet de déterminer le PMI (Pression Moyenne Indiquée) ou, de façon équivalente, le couple moyen à partir des coefficients dj :
φ : R2n+ι → R {dj } → PMI
Cette fonction φ peut être une fonction polynomiale. Elle peut être déterminée empiriquement à partir d'essai. Par exemple on peut choisir la fonction φ suivante :
Figure imgf000010_0001
avec φ0 une constante à calibrer en fonction du régime moteur utilisé à l'aide de corrélations avec les mesures de banc moteur. Ce calibrage peut être réalisé à partir d'une tabulation, issue d'une optimisation linéaire consistant à ajuster la valeur de φ0 pour que les estimations soient le plus proche possible des paramètres du moteur (paramètres permettant le calibrage du moteur et fournis par le constructeur).
Résultats
La figure 1 illustre l'estimation (Rest) du régime instantané Xo sous les cylindres à partir de l'estimateur selon l'invention (5) décrit précédemment sur un point de fonctionnement à 1250tr/min moyenne charge. La figure 1 illustre également le régime instantané de référence Rref (calculé à partir des mesures de pression cylindre au banc moteur). On observe une très bonne estimation du signal.
La figure2 illustre l'estimation (PMIest) du couple cylindre à cylindre sur un point de fonctionnement à 1500tr/min, à partir de l'estimateur selon l'invention (5) et d'une fonction φ définie par l'équation (7). La figure 2 illustre également le couple moyen de référence (PMIref) (calculé à partir des mesures de pression cylindre au banc moteur). On observe une très bonne estimation du signal.
Le filtre adaptatif ainsi réalisé est performant, et surtout ne nécessite aucun réglage supplémentaire dans le cas de changement du point de fonctionnement. Aucune phase d'identification n'est nécessaire, seul un réglage des bruits de mesure et de modèle doit être effectué, une seule et unique fois Un contrôle moteur pourra ainsi, à partir des couples reconstruits, adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres afin que les couples soient équilibrées dans tous les cylindres.
Les intérêts d'une estimation du régime instantané produit par chaque cylindre et l'estimation du couple moyen cylindre à cylindre sont nombreux : - réduction des émissions polluantes ; amélioration de l'agrément de conduite (régularisation du couple délivré) ;
- réduction de la consommation de carburant ;
- diagnostic du système d'injection (détection de la dérive d'un injecteur ou de la défaillance du système d'injection).

Claims

REVENDICATIONS
1) Méthode pour estimer en temps réel le régime instantané produit par chacun des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un système 4e transmission relié aux cylindres et un capteur qui réalise en temps réel une mesure (xj) du régime instantané en bout dudit système de transmission, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes : a) on construit un modèle physique représentant en temps réel la dynamique dudit système de transmission en fonction : de l'angle vilebrequin, de ladite mesure {xi}, de coefficients d'une décomposition en série de Fourier dudit régime instantané produit par chacun des cylindres, et en fonction d'un amortissement et d'une fréquence propre caractérisant ledit système de transmission ; b) on détermine en temps réel les coefficients de ladite décomposition en série de Fourier en couplant ledit modèle avec un estimateur non linéaire de type adaptatif ; c) on réalise une estimation en temps réel du régime instantané produit par chacun des cylindres, à partir desdits coefficients de Fourier.
2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on estime en temps réel le couple moyen de chacun des cylindres à partir de l'estimation desdits coefficients.
3) Application de la méthode selon les revendications précédentes à un contrôle moteur pour adapter les masses de carburant injectées dans chacun des cylindres afin de régler le couple moyen produit par chacun des cylindres.
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