WO2010106259A1 - Procede de determination de l'avance a l'allumage d'un moteur thermique - Google Patents

Procede de determination de l'avance a l'allumage d'un moteur thermique Download PDF

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WO2010106259A1
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combustion
iteration
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Ludovic Nowak
Smaïl MOKHTARI
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Peugeot Citroën Automobiles SA
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Definitions

  • the present invention claims the priority of the French application 0951644 filed March 16, 2009 whose content (text, drawings and claims) is here incorporated by reference.
  • the present invention relates to a method for determining the ignition advance of a spark ignition engine.
  • a spark ignition internal combustion engine is a machine in which the thermal energy released by combustion is converted into mechanical motive power.
  • the fuel mixture does not ignite spontaneously, but under the action of a spark caused by a candle.
  • the fuel mixture must be ignited so as to match the peak pressure in the combustion chamber with an ideal position of the piston / crankshaft torque.
  • the electronically controlled ignition advance by a computer corresponds to the angle between the triggering of the spark and the top dead center of the piston.
  • the advance value makes it possible to synchronize the appearance of the pressure peak in the combustion chamber with the optimum and predetermined position of the piston in the combustion chamber.
  • the invention proposes to use a calculation algorithm based in part on the physics of combustion.
  • the ignition advances are calculated from equations which retranscribe the thermodynamic evolutions in terms of differences in advance with respect to tabulated reference advances. More specifically, the present invention relates to a method for determining the ignition advance of thermal engines using a physical model using input parameters, the method comprising the steps following:
  • said calibration parameters may comprise the following parameters: the optimum ignition advance of reference AAO ref , the point FMBx ref corresponding to a burned fraction of x% of the total mass of the mixture; a reference initialization constant C
  • said input parameters may be chosen from the following parameters:
  • said ignition advance AAO is determined by calculating the combustion time of the point FMBx at the point FMBy respectively corresponding to x% and y% of the fuel burned and the ignition delay for FMBx
  • the evolution of the pressure and the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the engine during the combustion cycle is determined.
  • said physical model can be represented by two equations, one giving the initialization delay to the combustion (D
  • a- an estimated value (AAO e st ⁇ m ) of the ignition advance is calculated using a relationship of proportionality with the speed laminar flame;
  • b- the optimum ignition advance (AAO) is determined by iteration, the first iteration comprising: * the calculation of the initialization delay D
  • ) can be calculated using an equation of the type:
  • the combustion time (DCMB) can be calculated using an equation of the type:
  • the preceding step b may advantageously comprise two steps of iteration, the second iteration being performed using the value of FMBx obtained with the first iteration.
  • the ignition advance AAO can be determined by:
  • AAO - FMBy ref + D
  • FMBy ref being the value of FMB obtained by calibration
  • N , lt1 and D C MB M being the values obtained using said first iteration.
  • Said estimated value (AAOestim) can be determined from an equation of the type:
  • AAO ⁇ C AAO * l + ⁇ "SL - ] * AAO ref
  • the estimated flame speed (SL est ⁇ m ) can be determined using an equation of the type:
  • FIG. 1 schematically illustrates the method according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the various angular positions taken by the crankshaft, as well as the initialization delay D
  • Initialization delay or delay between ignition (AA) and the 5% FMB point.
  • D C MB Burning time or delay between 5% FMB point and 50% FMB point.
  • GBR residual and recirculated burn rate (which is equal to IGR + EGR, IGR means "Internai Gas
  • GBR ⁇ ⁇ m GBR + m mr + m carb
  • H ch length characterizing the distance to be traveled by the flame front of the lit mixture.
  • IVC Intake Valve Closing" which is the angle of the crankshaft at the moment when the intake valve closes
  • K Aero aerodynamic correction coefficient.
  • L length
  • Ld “Load”: Load or fill
  • FMBx and FMBy point corresponding to a burned fraction of respectively x% and y% of the total mass of the mixture. This point can be expressed preferably in degrees of crank angle or time. v + v
  • Vmort volume of the combustion chamber when the piston is in the top dead center
  • PMH volume swept by the piston
  • SL 0 Laminar flame velocity measured under standard conditions of pressure and temperature.
  • Air swept air that passes directly from the intake manifold to the exhaust manifold through the combustion chamber when the intake valves open and the exhaust valves close
  • CMB combustion in point FMB50 comb: with combustion
  • INI initiation i.e. between ignition and point FMB5 it1: first iteration it2: second iteration MAP: debugging
  • MEL mixture.
  • the mixture consists of air, EGR, IGR and fuel.
  • ref reference point calibrated in focus wcomb: without combustion
  • the energy released by the combustion is optimally recovered in the form of mechanical energy by the piston when the FMB50 is wedged to a specific position after the Top Dead Center (TDC) this corresponds to a given operating point ( Speed / load) to adjust the ignition timing to obtain the optimum torque output crankshaft. Indeed, it is when the maximum torque of the engine operating point is reached, the engine consumption is minimal. To do this, the combustion of the mixture must be initiated earlier by taking into account the initialization and combustion time of the fuel mixture. The principle of the model consists of estimating these delays according to the thermodynamic conditions of the fuel mixture and the engine control to calculate the optimum ignition advance (AAO).
  • AAO optimum ignition advance
  • the following description relates to a mode of implementation referring to 5% of the burned fuel mass (FM B5) and 50% (FM B50). These percentages could be different and, in general, these percentages are x% and y%.
  • FIG. 2 illustrates the various angular positions taken by the crankshaft, as well as the delays D
  • the initialization delay and the burning time can not be calculated directly. In order to calculate them, it is necessary to know the pressure and the temperature of the mixture at the moment of ignition and in particular at the FMB5.
  • the evolution of the pressure and temperature of the mixture enclosed in the combustion chamber during the combustion cycle can be estimated via adiabatic compression calculations and simple calculations of the temperature increase due to combustion, but to feed correctly the equations of Hires et al. With the correct pressure and temperature levels, the ignition angle and the angle at which 5% of the fuel has burned (FMB5) must be estimated as accurately as possible. These will be obtained by iteration.
  • the ignition angle is estimated by a simple relationship of proportionality with the laminar flame speed FMB50.
  • the speed of propagation of the flame front is the physical parameter which has an influence of order 1 on the ignition advance.
  • the flame speed changes with pressure and temperature.
  • the thermodynamic conditions obtained at FMB50 are used. SL estimated * (1 - C GBR * GBR) eq.2
  • the AAO ref and SL ref are taken from maps, functions of the speed and the load, predetermined during the calibration of the engine. We take the values of AAO ref and SL ref located at the same level of load and speed as the operating point for which we want to determine the advance.
  • Ci N i ref is a value derived from a two-dimensional cartography regime and predetermined load during the calibration phase.
  • K aero is a coefficient which transcribes the internal aerodynamic level prevailing in the combustion chamber. It is a function of the speed and the angular phase shift of the cam shaft relative to the crankshaft. The average speed of the piston function of the regime present in the equation of Hires et al. was replaced by K umber -
  • FMB5 estimate D INIU1 - AAO estimate eq.4
  • the calculation of the AAO is iterative.
  • the first step is the initialization stage of the calculation with the estimation of the AAO by a simple relation of proportionality with the laminar flame speed.
  • the second step is the first calculation using the equations of Hires et al.
  • the FMB5 ref determined during the calibration phase.
  • a significant number for example a hundred so-called "reference” or "support” operating points distributed in the plan-load plan were determined at the test bench with a feedrate adjusted optimal.
  • the advantage of this model is to be able to predict the optimum ignition advances from a few determined support points to the engine bench (which are derived constants necessary for iterative calculation: C
  • the model recalculates the advances taking into account the evolutions of the thermodynamic conditions and the phase displacements of the camshafts with respect to the points of support.
  • the pressure and the temperature of the mixture in the combustion chamber are not measured directly, these quantities are approximated and then used to calculate the propagation time of the flame in the cylinder.
  • the main steps of the method are shown schematically in FIG. 1.
  • the first step is to estimate the advance ignition optimum AAO es u m , "coarse” taking into account only the speed of propagation of the laminar flame.
  • AAO es u m the advance ignition optimum AAO es u m , "coarse” taking into account only the speed of propagation of the laminar flame.
  • the optimum ignition advance AAO is determined by two calculation iterations. This determination is based on the calculation of the pressure and the temperature for each combustion phase (initialization phase and combustion phase), as well as on the calculation of the viscosity NU kinematics and laminar flame velocity SL from the thermodynamic conditions in the combustion chamber.
  • the first iteration consists of the following steps:
  • the second iteration comprises the following steps: calculation of the initialization delay of the combustion D
  • AAOwcorr is then corrected by considering aspects not taken into account by the model (engine water temperature). This advance correction is mapped and added to the optimal advance to provide the value of AAOcorr.
  • Optimal ignition advance (AAO) estimation [0050] The first step in the calculation is to make an estimate of the AAO:
  • ⁇ AO ism C AA A l + K - f sL ⁇ J ⁇ * AAO ref eq. 1 '
  • the temperature at the point FMB50 ref (eq.3 ') is estimated from the increase in temperature due to the compression of the mixture (it is considered that the compression of the gases enclosed in the cylinder is adiabatic). It is determined from the temperature of the gases locked at the time of the closing of the intake valves (IVC) on the one hand, and of a temperature increase related to the combustion of 50% of the mixture (law of release of simplified heat, eq 5 '), on the other hand, such as:
  • T M EL (FMB5Q mf ) ⁇ MEL wcomb + ⁇ MEL comh (50 %) ⁇ q.3 '
  • M MEL molar mass of the mixture
  • the value of SL ref is taken from a calibration mapping regime-load.
  • the values of SL ref will have been calculated in the same way as above for the points of support referred to as "reference”, that is to say engine operating points whose advance has been determined with optimum ignition in advance. on the engine bench (when tuning the engine, the engine calibration phase).
  • the proposed method is based on the calculation of the pressure and the temperature for each of the phases of the combustion, i.e. during the initialization phase and during the combustion phase. From the thermodynamic conditions in the combustion chamber, the kinematic viscosity and the laminar flame velocity are calculated in order to estimate the delays associated with each of the phases.
  • the initialization time of the first iteration (Appendix 3) can be calculated.
  • the FMB5ref is determined on the points of support from the analysis of the cylinder pressure measured with a sensor during the debug phase.
  • the combination of the initialization delay and the estimated optimum advance then makes it possible to determine the estimated FMB5 point.
  • FMB5 estimated D ! Mn -AAO estimated
  • the kinematic viscosity, the chamber height and the laminar flame speed must be calculated for average conditions relating to the combustion phase.
  • the pressure and temperature corresponding to the point FMB50 ref are significant for the combustion phase and it can be assumed that:
  • the optimum advance can be calculated from the point FMB50 ref and the combination with the initialization and combustion delays from the first iteration:
  • AAO i ⁇ -FMB50 ref + D INIi ⁇ + D t CMBUl
  • the initialization delay can be determined for the second iteration of calculation:
  • the kinematic viscosity, the chamber height and the laminar flame speed must be recalculated for the average thermodynamic conditions relating to the initialization phase.
  • T MEL (FMBi ⁇ 111n ) ⁇ T MEL WCnnb (FMBi ⁇ 111n ) + ⁇ A 1 ⁇ 1 T MEL Cnnb (5%)
  • SVP ⁇ T T * T gamma - 1 0 ⁇ 1 MEL m , oml , ( FMBi eaim ) 1 MEL (LVC) ⁇ eff (FMBi eaim ) and Ar 0.05 * m carb * PCI ⁇ t AT MEL mb (i % ) -
  • the optimum advance can be calculated from the point FMB50 ref and the combination with the initialization and combustion delays:
  • AAO 112 -FMB50 ref + D INhtl + D CMBitl
  • a correction in the form of an offset to be applied to the calculated optimal advance, makes it possible to take into account the engine temperature (water) not taken into account by the model. This fix in advance is mapped and is added to the optimal advance.
  • AAO cor AAO 111 + AAAO
  • m ⁇ r mass of fresh air admitted into the cylinder (for example in kg) (mod)
  • m GBR mass of residual burned gas and recirculated in the cylinder (eg in kg) (mod) m carb ' - mass of fuel in the cylinder (eg in kg) (mes)
  • m MEL m air + m carb + m GBR
  • GBR ⁇ ⁇ m GBR + m a ⁇ r + m carb
  • T MEL IVC
  • IVC average temperature of the gases in the cylinder at the time of closing of the intake valves (IVCo Intake Valve Closing) (for example in 0 K) (mod)
  • ⁇ MEL ratio of the heat capacity at constant pressure (Cp) and the constant volume (Cv) heat capacity of the mixture (shim)
  • M MEL molar mass of the air + fuel + burnt gas (g / mol) mixture (shim)
  • Calibrations are based on the speed and load.
  • AAO ref is the optimum ignition advance and is determined during calibrations by direct reading on the test bench;
  • FMB5 ref is the point corresponding to a burned fraction of 5% of the total mass of the mixture and is determined during calibrations by direct reading on the bench (determined from the analysis of the derivative of the cylinder pressure);
  • FMB50 ref is the point corresponding to a burned fraction of 50% of the total mass of the mixture and is determined during calibrations by direct reading on the bench (determined from the analysis of the derivative of the cylinder pressure);
  • Ci N i ref is the initialization constant determined during calibrations.
  • T MEh NIrcf T ⁇ MEL (IVQ 4 AAO rcf FMB5 rcf T MElRF ⁇ f m a ⁇ m ⁇ ef M 0 ⁇ 4 y rcf M MEIref )
  • MEL INI P ref P MEL (T MEI INIyef m is fc / "W ⁇ " ⁇ 1 G 1 / M MEI r4)
  • NU CMB ref NU (T MEICMBr4 , m ⁇ ef , m ⁇ ef , m ⁇ B ⁇ f , FMBSO ref )
  • T MEL CM ⁇ cf T ME ⁇ ⁇ - ⁇ FMB50 rcf , T MEI ⁇ p4 ⁇ , m a , wf , m car ⁇ f , mg B ⁇ f , ⁇ r M M MEIrtf )
  • P MEIatfy P MEL (T UEIa ⁇ v m aWref , m ca ⁇ bref , m GBBref , M UEI ⁇ ef )
  • FMBSO 3 1 MEL (IVC ref , FMB50 ref , T MELRFAref , m a , rref , m ⁇ ef , m GBRref , ⁇ ref , M M EL ref )
  • NU is the ratio of the dynamic viscosity (MU) and the density of the mixture (RHO):
  • the density of the mixture is determined from the mass of the mixture in the cylinder (ie the sum of the air masses, IGR, EGR and fuel) and the volume of the chamber: m, r
  • Effective compression ratio ⁇ eff represents the ratio of the volumes of the combustion chamber between the angular position ( ⁇ ) and the closing angle of the inlet valvesiv.
  • Annex 7 definition of the different angular positions.
  • crankshaft The different angular positions of the crankshaft are illustrated in FIG.
  • the present invention saves time and reduces calibration costs by reducing the number of calibration tests.
  • the physical model of the invention applies to all modes of operation of the engine and whatever the engine model, while previously it was necessary to make a complete map for each new engine model.

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique d'un véhicule à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée. Le procédé comporte les étapes suivantes : - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur; - enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et - à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avancé e l'allumage dudit moteur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE L'AVANCE A L'ALLUMAGE D'UN MOTEUR THERMIQUE.
[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française 0951644 déposée le 16 mars 2009 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence. [0002] La présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à allumage commandé.
[0003] Un moteur à combustion interne à allumage commandé est une machine où l'énergie thermique dégagée par la combustion est transformée en énergie motrice mécanique. Dans ce type de moteur, contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible ne s'enflamme pas spontanément, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par une bougie. Pour maximiser le rendement énergétique de la combustion le mélange combustible doit être enflammé de manière à faire coïncider le pic de pression dans la chambre de combustion avec une position idéale du couple piston/vilebrequin. Cependant, il existe un délai entre le moment où l'étincelle est produite et le moment où l'inflammation du mélange se propage, correspondant au début de la phase de combustion vive du mélange et à l'obtention d'un pic de pression maximum dans la chambre de combustion. C'est pour cette raison que l'allumage de la bougie est déclenché avec une avance.
[0004] L'avance à allumage pilotée électroniquement par un calculateur, exprimée en degré d'angle de rotation du vilebrequin, correspond à l'angle entre le déclenchement de l'étincelle et le point mort haut du piston. La valeur d'avance permet de synchroniser l'apparition du pic de pression dans la chambre de combustion avec la position optimum et prédéterminée du piston dans la chambre de combustion.
[0005] A l'heure actuelle, le réglage et l'obtention des valeurs d'avance optimale de l'allumage sont déterminées lors de la mise au point du moteur pour l'ensemble des conditions de fonctionnement pouvant être rencontrées par le moteur. Ces valeurs d'avances optimales déterminées sur les bancs de calibrations sont ensuite stockées sous forme de plusieurs cartographies et stratégies de contrôle dans le calculateur du moteur. Cette phase de calibration demande à l'heure actuelle un nombre important d'essais moteur. L'adjonction des actionneurs supplémentaires par les constructeurs (déphaseurs des arbres à came), afin de respecter les normes environnementales de plus en plus contraignantes et limiter la consommation, augmente de manière significative le nombre d'essais moteur nécessaires à leur mise au point.
[0006] La solution technique proposée par la présente demande de brevet permet de limiter le nombre d'essais et ainsi de diminuer le coût et la durée de la phase de calibration du moteur.
[0007] Au lieu de tabuler les avances à l'allumage et par la suite de réaliser des interpolations de type linéaire ou polynomiale entre les points tabulés, l'invention propose d'utiliser un algorithme de calcul basé en partie sur la physique de combustion. Selon l'invention, les avances à allumage sont calculées à partir d'équations qui retranscrivent les évolutions thermodynamiques en termes de différences d'avance par rapport à des avances de référence tabulées. [0008] De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé de détermination de l'avance à l'allumage de moteurs thermiques à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, le procédé comportant les étapes suivantes:
• à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituants des points d'appui;
• déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ;
• enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et
• à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur. [0009] Ce procédé est avantageusement valable dans toute la plage et dans tous les modes de fonctionnement de moteurs thermiques à allumage commandé.
[0010] Dans une variante, lesdits paramètres de calibration peuvent comprendre les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAOref , le point FMBxref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C|Nιref, une constante de combustion CcMBref βt une vitesse de flamme laminaire globale estimée SLref.
[0011] Dans une variante, lesdits paramètres d'entrée peuvent être choisis parmi les paramètres suivants :
• la masse d'air frais admise dans le cylindre ( mr )
• la masse de gaz brûlé dans le cylindre ( mGBR = MlGR + mEGR ) • la masse de carburant dans le cylindre ( m≈»* )
• la charge ( ^" )
T
• la température moyenne ( MEL('rc) ) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission
• le rapport ( ' MEL ) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange
• la masse molaire ( MMEL ) du mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé
• l'angle d'ouverture admission (OA)
• le régime moteur (N).
T
• la température d'eau du moteur ( eau ). [0012] Dans une variante, ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx
[0013] Dans une variante, l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion est déterminée.
[0014] Dans une variante, ledit modèle physique peut être représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (D|N0 en fonction notamment d'une constante (C|N|), l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D CMB) en fonction notamment d'une constante
[0015] Dans une variante, afin de calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAOestιm) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant : * le calcul du délai d'initialisation D|N, à partir de l'avance optimale estimée AAOestιm et desdits points d'appui,
* la détermination de FMBx à partir des valeurs de D|N, et de AAOestιm
* le calcul du délai de combustion DCMB à partir de FMBx, et
* le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO peut être corrigée en prenant en compte la température du moteur
[0016] Dans une variante, le délai d'initialisation (D,N|) peut être calculé à l'aide d'une équation du type :
Figure imgf000005_0001
[0017] Dans une variante, le délai de combustion (DCMB) peut être calculé à l'aide d'une équation du type :
Figure imgf000005_0002
avec : Hch (FMBy) longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé pour une quantité de mélange brûlé à y%, [0018] Dans une variante, l'étape b précédente peut avantageusement comporter deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération.
[0019] Dans une variante, la valeur de FMBx de l'étape b précédente peut être déterminée par FMBx = D|N| - AAOest.m , la valeur de D|N, étant celle obtenue par la première itération. [0020] Dans une variante, l'avance à l'allumage AAO peut être déterminée par :
AAO = - FMByref + D|Nht1 + DCMB m
FMByref étant la valeur de FMB obtenue par calibration, D|N, lt1 et DCMBM étant les valeurs obtenue à l'aide de ladite première itération. [0021] Ladite valeur estimée (AAOestim) peut être déterminée à partir d'une équation du type :
AAO ^ = CAAO * l + ^" SL- ] * AAO ref
[0022] La vitesse de flamme estimée (SLestιm) peut être déterminée à l'aide d'une équation du type :
or _ or χ
Figure imgf000006_0001
[0023] De façon avantageuse x=5 et y=50.
[0024] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels :
• la figure 1 illustre schématiquement le procédé selon l'invention, et • la figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que le délai d'initialisation D|N| et le délai de combustion DCMB-
[0025] L'exposé d'un mode de réalisation de l'invention fait appel à de nombreuses abréviations. On donnera donc tout d'abord, sous l'entête Nomenclature, la signification de ces abréviations.
Nomenclature
AAO : Avance à l'allumage optimale PMH: point mort haut
D|N| : délai d'initialisation ou délai entre l'allumage (AA) et le point à 5% FMB. DCMB: délai de combustion ou délai entre le point à 5% FMB et le point à 50% FMB. GBR : taux de gaz brûlé résiduel et recirculé (qui est égal à IGR + EGR, IGR signifiant « Internai Gas
Recirculation » et EGR « External Gas Recirculation ») GBR = ^^≤ mGBR + mmr + mcarb
Hch : longueur caractérisant la distance à parcourir par le front de flamme du mélange allumé. IVC : « Intake Valve Closing » qui est l'angle du vilebrequin au moment où la soupape d'admission se ferme KAero : coefficient de correction aérodynamique. L : longueur Ld : « Load » : Charge ou remplissage
FMB : fraction de masse brûlée
FMBx et FMBy: point correspondant à une fraction brûlée de respectivement x% et y% de la masse totale du mélange. Ce point peut être exprimé de préférence en degrés d'angle vilebrequin ou en temps. v + v
Rvoi : rapport volumétrique o taux de compression Rvg[ = cyl mort
Vmort : volume de la chambre de combustion lorsque le piston est positionné au point mort haut PMH Vcyl=volume balayé par le piston
RFA : Retard Fermeture Admission o IVC « Intake Valve Closing » (Angle de fermeture des soupapes d'admission)
SL : Vitesse de flamme laminaire
SL0 : Vitesse de flamme laminaire mesurée dans des conditions standard de pression et de température. χ0 = — air-stoch : Coefficient stœchiométrique : c'est le rapport de la masse d'air et du carburant à la
"Icarb stock stœchiométrie m : Débit massique
PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur
Cp : Capacité calorifique à pression constante
Indice
Air : air frais
Air swept : air balayé : c'est l'air qui transite directement de la tubulure d'admission à la tubulure d'échappement à travers la chambre de combustion au moment où les soupapes d'admission s'ouvrent et les soupapes d'échappement se ferment CMB : combustion au point FMB50 comb : avec combustion
INI : initiation i.e. entre l'allumage et le point FMB5 it1 : première itération it2 : deuxième itération MAP : mise au point
MEL : mélange. Le mélange est constitué d'air, d'EGR, d'IGR et de carburant. ref : point de référence calibré en mise au point wcomb : sans combustion
[0026] L'énergie dégagée par la combustion est récupérée de manière optimale sous forme d'énergie mécanique par le piston lorsque le FMB50 est calée à une position spécifique après le Point Mort Haut (PMH) cela correspond pour un point de fonctionnement donné (Régime/charge) à régler l'avance à l'allumage de manière à obtenir le couple optimum en sortie le vilebrequin. En effet, c'est lorsque l'on atteint le couple maximale du point de fonctionnement du moteur que la consommation du moteur est minimale. Pour se faire, la combustion du mélange doit être initialisée plus tôt en prenant en compte les délais d'initialisation et de combustion du mélange carburé. Le principe du modèle consiste à estimer ces délais en fonction des conditions thermodynamiques du mélange carburé et du contrôle moteur pour calculer l'avance à allumage optimale (AAO). En calculant le délai de combustion du FMB5 au FMB50 et le délai de l'allumage au FMB5 selon des équations physiques proposées à la référence [1 ] ci-après (équations appelées par la suite équations de Hires et al.), il est possible de déterminer l'angle vilebrequin à laquelle l'allumage du mélange doit être effectué.
[0027] La description qui suit concerne un mode de mise en œuvre se référant à 5% de la masse de carburant brûlé (FM B5) et à 50% (FM B50). Ces pourcentages pourraient être différents et, de façon générale, ces pourcentages sont x% et y%.
[0028] Les délais d'initialisation et de combustion peuvent être déterminés à partir de modèles physiques basés sur la connaissance des conditions thermodynamiques dans le cylindre. Les deux articles suivants [1 ] et [2] donnent des modèles et équations utiles : >- [1 ] Hires S. D., Tabaczynski RJ. and Novak J. M., The Prédiction of Ignition Delay and Combustion Intervais for a Homogenous Charge, Spark Ignition Engine. SAE 780232
>- [2] Metgalchi M. and J. C. Keck, Burning velocities of mixtures of air with Methanol Isooctane and Indolene at high pressure and température, Combustion and Flame, 48, P. 191 -210, 1982.
[0029] La figure 2 illustre les différentes positions angulaires prises par le vilebrequin, ainsi que les délais D|N, (délai d'initialisation) et DCMB (délai de combustion).
[0030] Le délai d'initialisation et le délai de combustion ne peuvent pas être calculés directement. En effet, pour les calculer il faut connaître la pression et la température du mélange au moment de l'allumage et notamment au FMB5. L'évolution de la pression et de la température du mélange enfermé dans la chambre de combustion au cours du cycle de combustion peut être estimée via des calculs de compression adiabatique et calculs simples de l'augmentation de température due à la combustion, mais pour alimenter correctement les équations de Hires et al. avec les bons niveaux de pression et de température, il faut estimer au plus juste l'angle d'allumage et l'angle à laquelle 5% du carburant a brûlé (FMB5). Ceux-ci seront obtenus par itération.
[0031] Dans un premier temps l'angle d'allumage est estimé par une simple relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire au FMB50.
ΛAO^m = [l+ {SL-ςL S^J AAOref eq.1
[0032] En effet, la vitesse de propagation du front de flamme est le paramètre physique qui a une influence d'ordre 1 sur l'avance à l'allumage. La vitesse de flamme évolue avec la pression et la température. Pour ce premier calcul de proportionnalité on utilise les conditions thermodynamiques obtenues au FMB50. SLestim * (1 - CGBR * GBR) eq.2
Figure imgf000009_0001
[0033] L'AAOref et le SLref sont tirées de cartographies, fonctions du régime et de la charge, prédéterminées lors de la calibration du moteur. On prend les valeurs de AAOref et le SLref situées au même niveau de charge et de régime que le point de fonctionnement pour lequel on veut déterminer l'avance.
[0034] A partir de cette première estimation de l'AAO, commence le calcul de l'avance à allumage optimale avec les équations de Hires et al.. Le délai d'initialisation est calculé avec la pression et la température moyenne du cylindre entre l'AAO précédemment estimée et l'angle où 5% de la fraction de carburant a brûlé. A ce stade, l'angle à laquelle 5% du carburant a brûlé (FMB5) n'est pas précisément connu. Pour remédier à cela, une cartographie des FMB5 de combustions optimales a été prédéterminée lors de la phase de calibration du moteur.
Figure imgf000009_0002
CiNi ref est une valeur tirée d'une cartographie à deux dimensions régime et charge prédéterminée lors de la phase de calibration. Kaéro est un coefficient qui retranscrit le niveau d'aérodynamique interne régnant dans la chambre de combustion. Il est fonction du régime et du déphasage angulaire de l'arbre à came par rapport au vilebrequin. La vitesse moyenne du piston fonction du régime présent dans l'équation de Hires et al. a été remplacé par le Kaéro-
[0035] La détermination de NU et H est donnée dans la description du mode de réalisation détaillée donnée ci-après.
[0036] A partir de l'AAO estimé et du délai d'initialisation précédemment calculé, une nouvelle valeur de FMB5 du point de fonctionnement est approximée :
FMB5estim = DINIU1 - AAOestim eq.4
[0037] Cette nouvelle valeur de l'angle où 5% de la fraction de carburant à brûlé permet de calculer le délai de combustion notamment la hauteur H représentative dans l'équation 5 de l'échelle des turbulences présentes dans la chambre à ce moment de la combustion.
D CMB111 = CCOMBr4 °
Figure imgf000009_0003
[0038] Les valeurs de SL CMBJH , NU CMB m sont calculées aux conditions de pression et de température estimées au FMB50 (voir description détaillée). [0039] Après avoir calculé le délai d'initialisation et le délai de combustion, une nouvelle estimation de l'avance à l'allumage optimale peut être calculée selon l'équation suivante : AAOιΛ = -FMB50ref + DINhΛ + DCMBA eq.6
[0040] Ensuite, une seconde itération est effectuée. A cette nouvelle AAOlt1 sont associées de nouvelles conditions thermodynamiques différentes de celles au moment de la détermination de l'AAOesum- Un nouveau calcul du délai d'initiation est donc effectué (idem eq. 3). Une nouvelle valeur de FMB5 est alors déduite (idem eq. 4). Le calcul d'un délai de combustion est effectué. Par rapport à la première itération il n'y a que la valeur de HCMB qui change. De nouveau par l'équation 6 une nouvelle AAO est déterminée. Ce calcul itératif pourrait ainsi se poursuivre plusieurs fois afin d'obtenir un meilleur niveau de précision sur l'estimation de l'avance optimale mais pour des questions de temps d'utilisation du processeur du calculateur embarqué les itérations sont de préférence limitées à deux. [0041] Pour résumer, le calcul de l'AAO est itératif. La première étape est l'étape d'initialisation du calcul avec l'estimation de l'AAO par une relation simple de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire. La seconde étape est le premier calcul utilisant les équations de Hires et al.. A ce stade, ne connaissant pas encore la valeur du FMB5, on s'appuie sur la valeur de FMB5ref déterminée lors de la phase de calibration. Lors de cette phase, un nombre important (par exemple une centaine) de points de fonctionnement dits de « référence » ou « d'appui » répartis dans le plan régime-charge ont été déterminés au banc d'essais avec une avance réglée de façon optimale. Pour cette multitude de points, les valeurs de C|Nιref, CCMBref, FMB5ref, FMB50ref, SLref, AAOref ont été calculées et tabulées dans des cartographies à deux dimensions régime et charge. Entre cette centaine de points des interpolations linéaires sont effectuées pour avoir accès à l'ensemble des valeurs dans le plan régime- charge. A l'issue de cette seconde étape une AAO est obtenue. A partir de cette AAO, le même calcul itératif est réalisé mais avec la nouvelle valeur de FMB5 qui a été obtenue.
[0042] L'intérêt de ce modèle est de pouvoir prédire les avances à l'allumage optimales à partir de quelques points d'appui déterminés au banc moteur (desquels sont issus les constantes nécessaires au calcul itératif : C|Nιref, CCMBref, FMB5ref, FMB50ref, SLref, AAOref). Le modèle recalcule les avances en prenant en compte les évolutions des conditions thermodynamiques et des déphasages des arbres à came par rapport aux points d'appuis.
[0043] La pression et la température du mélange dans la chambre de combustion n'étant pas mesurées directement, ces grandeurs sont approximées puis utilisées pour calculer le temps de propagation de la flamme dans le cylindre. [0044] Les étapes principales du procédé sont représentées schématiquement sur la figure 1 .
[0045] De façon synoptique, la première étape consiste à estimer l'avance à l'allumage optimale AAOesum, de manière « grossière » en prenant en compte uniquement la vitesse de propagation de la flamme laminaire. Pour cela on utilise les paramètres moteur qui sont indiqués à l'annexe 1 ci-après et les calibrations (ou points d'appui) prédéterminés, indiqués à l'annexe 2, lors de la mise au point du moteur sur banc d'essais.
[0046] Ensuite, l'avance à l'allumage optimale AAO est déterminée par deux itérations de calcul. Cette détermination est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chaque phase de combustion (phase d'initialisation et phase de combustion), ainsi que sur le calcul de la viscosité cinématique NU et la vitesse de flamme laminaire SL à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion. La première itération comporte les étapes suivantes :
- calcul du délai d'initialisation D|Nht1 à partir de l'avance optimale estimée AAOestιm et des calibrations, notamment FMB5 . - détermination du point FMB5estιm à partir de D|N, lt1 et AAOestιm, avec FMB5 = D|N, lt1 - AAOestιm . calcul du délai de combustion DCMB M à partir de FMB5, et
- calcul de l'avance optimale AAOlt1
[0047] La deuxième itération comporte les étapes suivantes calcul du délai d'initialisation de la combustion D|N, lt2, et calcul du délai de combustion DCMB ιe ce qui conduit à une valeur de l'avance à l'allumage non corrigée AAOw∞rr
[0048] La valeur AAOwcorr est ensuite corrigée en considérant des aspects non pris en compte par le modèle (température du moteur Teau).. Ce correctif d'avance est cartographie et additionné à l'avance optimale pour fournir la valeur de AAOcorr.
Description détaillé d'un mode de réalisation :
[0049] Afin de ne pas alourdir cette description, certains calculs sont décrits ci-après dans une « Annexe de la méthode de calcul », composée d'annexés 1 à 7.
1 . Estimation de l'avance à l'allumage optimale (AAO) [0050] La première étape du calcul consiste à réaliser une estimation de l'AAO :
ΛAOestm = CAAA l + K -f sL ^ J \ * AAOref eq. 1 '
[0051] Pour se faire, les paramètres moteur (cf. annexe 1 ) et les calibrations prédéterminées lors de la mise au point (cf. annexe 2) sont utilisés. Ces paramètres permettent d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion.
(T Y ( P Ϋ eq. 2'
SL^ = SL, * (l -CβBR *GBR) τn Pn
[0052] La température au point FMB50ref (eq. 3') est estimée à partir de l'augmentation de température due à la compression du mélange (on considère que la compression des gaz enfermés dans le cylindre est adiabatique). Elle est déterminée à partir de la température des gaz enfermés au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVC) d'une part, et d'une augmentation de température liée à la combustion de 50% du mélange (loi de dégagement de chaleur simplifiée, eq. 5'), d'autre part, tel que :
TMEL(FMB5Qmf ) = ^MELwcomb + ^MELcomh (50o/o) βq.3' avec
J1 — T * r mmma-l
MEL^o^ (FMB50 ref) 1 MEL(IVC) ^ eff(FMB50ref) eq.4' et
0.5 * mcarb * PCI
AT Mλ ELcomb (50%) eq.5' m, " CpM [0053] La pression au point FMB50ref est alors déduite de la relation des gaz parfaits
T M1 EL(FMBSOn, ) -^-mMEL
' MEL(FMBSOn,)
Figure imgf000012_0001
[0054] On remarquera que la masse molaire du mélange (MMEL) est calculée à partir de la composition des gaz et des capacités calorifiques des espèces (H2O, CO2, CO, NO, 02, N2).
[0055] La valeur de SLref est tirée d'une cartographie de calibration régime-charge. Les valeurs de SLref auront été calculées de la même manière que ci-dessus pour les points d'appui dit de « «référence », c'est dire des points de fonctionnement moteur dont on a déterminé l'avance à allumage optimale au préalable sur banc moteur (lors de la mise au point du moteur, la phase de calibration des moteurs).
2. Détermination de l'avance optimale en deux itérations de calcul
[0056] La méthode proposée est basée sur le calcul de la pression et de la température pour chacune des phases de la combustion, i.e. pendant la phase d'initialisation et pendant la phase de combustion. A partir des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion, la viscosité cinématique et la vitesse de flamme laminaire sont calculées pour pouvoir estimer les délais associées à chacune des phases.
a) Première itération
>- Calcul du délai d'initialisation DINI(I ère itération)
[0057] A partir de l'avance optimale estimée (AAOestim) et des essais, notamment le FMB5ref, le délai d'initialisation de la première itération (annexe 3) peut être calculé. Le FMB5ref est déterminé sur les points d'appui à partir de l'analyse de la pression cylindre mesurée avec un capteur lors de la phase de mise au point.
H^ eq.6'
D1N, = C , NUIN, )n-
SLm,
[0058] Pour se faire, la viscosité cinématique (cf. Annexe 5), la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées. Les calculs du volume de la chambre et du rapport volumétrique peuvent être réalisés à partir, respectivement, des équations données page 44 et page
43 de l'ouvrage de Heywood J. B. (1988) Internai Combustion Engine Fondamentals, Mc Graw-Hill International Editions. Des conditions moyennes relatives à la phase d'initialisation sont utilisées pour le calcul de NUINNtI , SL INIiti et Hch INIiti : MELmb(FMB5ref)
Figure imgf000013_0001
1 1 P MMEELL((AAAAOOeeΛstlJJ + ~ ' 1 L PM MELmb(FMB5ref)
HΛ m Hm/ , avec βm =AΛO- +FUB^'
[0059] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont présentés ci- après : ψ — ψ * τ gamma-l
1MEL(AAO^1J ~ 1MEL(WC) ' 'eff(AAOeΛm) ^ P — MEL(-AAO'ΛJ • -171MEL rMEL(AAO^) ~— -
1 MEL-' ch(AAOeΛm) 1MEL(FMBS^) ~ -* MELmlnb(FMB5ref) ~*~ ^1 MELcomb(5%) ovpr ψ _ψ *.τ gamma-l f . _ 0.05 * m∞rb * PCI a CU 1MELwcomb(FMB5ref) 1MEL(LVC) ' efj (FMBi „,) MELcσmb(β%) mMEL * Cp h
1 MEL(FMBS Λ -"-M MEL
*P M>EL(FMB5^f)
M MMEmLy-'r C.h(FMBS Λ
[0060] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance optimale estimée permet alors de déterminer le point FMB5 estimé.
FMB5estim=D!mn-AAOestim
>- Calcul du délai de combustion (1ère itération) [0061] A partir du point FMB5estιm, le délai de combustion de la première itération peut être calculé :
Figure imgf000013_0002
[0062] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être calculées pour des conditions moyennes relatives à la phase de combustion. La pression et la température correspondant au point FMB50ref sont significatives pour la phase de combustion et on peut supposer que :
1 TMELCMB =
Figure imgf000013_0003
P MELCMB = 1 PMEL(FMBSOn/) [0063] On remarquera que les calculs de TMEL(FMB50 ) et PMEL(FMB50 ) sont analogues à ceux réalisés pour l'estimation de l'AAO.
[0064] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion issus de la première itération :
AAOiΛ = -FMB50ref + DINIiΛ + Dt CMBUl
b) Deuxième itération
[0065] La méthode est à nouveau appliquée pour affiner le calcul en utilisant les paramètres estimés lors de la première itération. >- Calcul du délai d'initialisation de la combustion (2ème itération)
[0066] A partir de l'AAOm et du FMB5estιm calculés par la première itération, le délai d'initialisation peut être déterminé pour la deuxième itération de calcul :
Figure imgf000014_0001
[0067] Pour se faire, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire doivent être recalculées pour les conditions thermodynamiques moyennes relatives à la phase d'initialisation.
rp _ 1 TMELjAAO111 ) + τ L T MEL(FMB5 βstιm )
1MEL011112 ~ ^
P + P rMELMIιi2 ~ "
HΛ = Hch(θ avec θINI = ^O^ FMB5estim
[0068] Les calculs des pressions et températures à l'allumage et au point FMB5 sont détaillés ci- après :
# rp _ rp φ gamma -1 1 MEL(AAO111 ) 1 MEL(LVC) Leff (AAO111 )
^ -^-mMEL
Figure imgf000014_0002
• 1 T MEL(FMBi^111n ) = λT MELWCŒnb (FMBi^111n ) +~ A 1^1T MELCŒnb (5%) SVPΓ T = T * T gamma-1 0 ^ 1 MELm,oml, (FMBieaim ) 1 MEL(LVC) ^ eff(FMBieaim ) et Ar 0.05 * mcarb * PCI θt ATMELmb (i%) -
"1MEL
1 MEL(FMBi^111n ) •1^-mMEL
PMEL(FMBicsllm ) M v
MEL -r ch{FMB 5 E3tιm ) [0069] La combinaison du délai d'initialisation et de l'avance calculée par la première itération permet alors d'affiner la position du point FMB5 :
FMB5ιtl = DINIιtl - AAO111
*- Calcul du délai de combustion (2ème itération)
[0070] A partir du point FMB5lti , le délai de combustion de la deuxième itération peut être calculé :
7"
Figure imgf000015_0001
[0071] Les conditions au point FMB50ref restent significatives pour la phase de combustion de cette deuxième itération. Ainsi, la viscosité cinématique, la hauteur de chambre et la vitesse de flamme laminaire restent inchangées.
[0072] L'avance optimale peut être calculée à partir du point FMB50ref et de la combinaison avec les délais d'initialisation et de combustion :
AAO112 = -FMB50ref + DINhtl + DCMBitl
3. Correction applicable à l'avance optimale calculée
[0073] Un correctif, sous forme de décalage à appliquer à l'avance optimale calculé, permet de prendre en compte la température moteur (Teau) non pris en compte par le modèle . Ce correctif d'avance est cartographie et est additionné à l'avance optimale.
AAOcor = AAO111 + AAAO
[0074] On remarquera que - AAAO est une cartographie fonction de la charge et de la température d'eau
Annexes de la méthode de calcul
Annexe 1 : Paramètres d'entrée du modèle
Ces paramètres ne sont pas constants et doivent être déterminés par calcul [indiqué par (cale)] ou par mesure (mes) ou par modélisation (mod), de préférence à chaque cycle de combustion. mαιr : masse d'air frais admise dans le cylindre (par exemple en kg) (mod) mGBR : masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre (par ex. en kg) (mod) m carb '- masse de carburant dans le cylindre (par exemple en kg) (mes) On rappelle que : mMEL=mair+mcarb+mGBR et que : GBR = ^≤ mGBR + maιr + mcarb
TMEL(IVC) : température moyenne des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission (IVCo Intake Valve Closing) (par exemple en 0K) (mod) γMEL : rapport de la capacité calorifique à pression constante (Cp) et de la capacité calorifique à volume constant (Cv) du mélange (cale) MMEL : masse molaire du mélange air+carburant+gaz brûlé (g/mol) (cale)
OA : angle d'ouverture admission pris par rapport au PMH admission (°Vιlbrequιn) (mes) N : régime moteur (tr/min) (mes) Teau '- température d'eau du moteur (par exemple en 0C) (mes)
Annexe 2 : Calibration MAP
Les calibrations sont fonction du régime et de la charge.
* AAOref est l'avance à l'allumage optimale et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc d'essais ;
* FMB5ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 5% de la masse totale du mélange et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ;
* FMB50ref est le point correspondant à une fraction brûlée de 50% de la masse totale du mélange et est déterminée lors des calibrations par lecture directe sur le banc (déterminé à partir de l'analyse de la dérivé de la pression cylindre) ;
* CiNiref est la constante d'initialisation déterminée lors des calibrations .
Figure imgf000016_0001
DIMref = FMB5ref +AA0ref
NU∞ref = NU(TMaiNW ^a rrcf >«→ef "OBR^ ^/ ™BS^ ) AVeC M'-f = ch(AAO Yef FMBi Yef )
SL'NIref = SL(TMEIlMr4 PUEkMγef K4 GBIi4)
T MEhNIrcf = T Λ MEL(IVQ4 AAOrcf FMB5rcf TMElRF^f ma ^ m→ef M0^4 yrcf MMEIref)
P MELINIref = P MEL(TMEIINIyef ma fc/ "W^ "1G^1/ MMEIr4)
* CcMBref est la constante de combustion déterminée lors des calibrations. Cn CMBref
Figure imgf000017_0001
avec
NUCMBref = NU(TMEICMBr4,m^ef,m→ef,mβB^f, FMBSOref)
H^f = H-
SLCMBref ~ SL(TMl ΛφGBHef)
T MEL CM^cf = T ME^^Ç-φFMB50rcf,TMEIχp4^,ma,wf,mcar^f,mgB^f,γrφMMEIrtf)
P MEIatfy =P MEL(TUEIaιvmaWref,mcaγbref,mGBBref,MUEIτef)
* SLref est la vitesse de flamme laminaire globale estimée.
SLref
Figure imgf000017_0002
SL0 = SL(À) a = a{λ)
Figure imgf000017_0003
T = T
1 MEL(FMBSO^ ) 1 MEL(IVCref,FMB50ref ,TMELRFAref ,ma,rref,m→ef,mGBRref,γref,MMELref )
1 P MEL(FMBSO,,, ) = 1 P ,m∞γτ4 ,mcaΛτermGBRτef MMELτef )
Annexe 3 : Délai d'initialisation et de combustion
Le calcul se base sur l'enseignement de la référence [1 ] Hires et al.
2/3
.1/3 Hch mλ DINI = CmJSP.NUINI)l!
Figure imgf000017_0004
Le terme SP (vitesse moyenne du piston, cf. annexe 4) dépendant du régime a été retiré des équations 6' et 7' et remplacé par le Kaéro dépendant également du régime et du déphasage de l'arbre à cames admission (en effet, l'aérodynamique interne est modifié par le déphasage de la loi de levée des soupapes d'admission).
On remarquera que les délais peuvent être mesurés sur banc d'essais et correspondent à : Dm = FMB5ref + AAOref DCMB = FMB50ref - FMB5ref et que pour prendre en compte l'aérodynamique dans la chambre de combustion, les relations proposée par Hires et al. (référence [1 ]) ont été adaptées (cf. eq. 6' et eq. 7'). Les valeurs du coefficient KAero dépendent du déphasage de l'arbre à came admission et du régime. Annexe 4 : vitesse moyenne du piston
SP = L *- c 30
Annexe 5 : Viscosité cinématique
NU est le rapport entre la viscosité dynamique (MU) et la masse volumique du mélange (RHO):
NU = ≡- RHO
La masse volumique du mélange est déterminée à partir de la masse du mélange dans le cylindre (i.e. la somme des masses d'air, d'IGR, d'EGR et de carburant) et du volume de la chambre : m, ^r
RHO = -
K1 La viscosité dynamique est déterminée à partir de la loi de Sutherland
Figure imgf000018_0001
S)
Annexe 6 : Taux de compression effectif τeff représente le rapport de volumes de la chambre de combustion entre la position angulaire (θ) et l'angle de fermeture des soupapes d'admissionoivc.
Figure imgf000018_0002
Annexe 7 : définition des différentes positions angulaires.
Les différentes positions angulaires du vilebrequin sont illustrées sur la figure 2.
[0075] La présente invention permet un gain de temps et une réduction des coûts de calibration grâce à la réduction du nombre d'essais de calibration. De plus, le modèle physique de l'invention s'applique pour tous les modes de fonctionnement du moteur et quelque soit le modèle de moteur, alors que précédemment il était nécessaire de faire une cartographie complète pour chaque nouveau modèle de moteur.
[0076] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, les taux de 5% et de 50% de la masse de carburant brûlé peuvent être différents : de façon générale, ils sont respectivement de x% et y%. De même, certaines équations peuvent être modifiées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de l'avance à l'allumage d'un moteur thermique à l'aide d'un modèle physique faisant appel à des paramètres d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - à l'aide d'un banc d'essais, déterminer différentes valeurs de paramètres de calibration associés à plusieurs couples régime moteur- charge du moteur, lesdits paramètres permettant d'estimer la vitesse de flamme moyenne à partir des conditions thermodynamiques dans une chambre de combustion du moteur, lesdites valeurs du couple charge - régime et les valeurs desdits paramètres de calibration constituant des points d'appui; - déterminer les valeurs desdits paramètres d'entrée pour chaque cycle de fonctionnement du moteur ;
- enregistrer dans un calculateur embarqué à bord dudit véhicule lesdits points d'appui, lesdits paramètres d'entrée et ledit modèle physique représenté par au moins deux équations; et
- à partir desdits points d'appui, desdits paramètres d'entrée et dudit modèle physique, calculer ladite avance à l'allumage dudit moteur.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits paramètres de calibration comprennent les paramètres suivants : l'avance à l'allumage optimale de référence AAOref, le point FMBxref correspondant à une fraction brûlée de x% de la masse totale du mélange ; une constante d'initialisation de référence C|Nιref, une constante de combustion CcMBref βt une vitesse de flamme laminaire globale estimée SLref.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits paramètres d'entrée sont choisis parmi les paramètres suivants :
- la masse d'air frais admise dans le cylindre ( mmr )
- la masse de gaz brûlé résiduel et recirculé dans le cylindre ( mGBR ) - la masse de carburant dans le cylindre ( mcarb )
- la charge ( Ld ) -
- la température moyenne { TMEL{IVC) ) des gaz dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'admission
- le rapport ( γMEL ) de la capacité calorifique à pression constante et de la capacité calorifique à volume constant du mélange
- la masse molaire ( MMEL ) du mélange air+carburant+gaz brûlé résiduel et recirculé
- l'angle d'ouverture admission (OA)
- le régime moteur (N).
- la température d'eau du moteur ( T eau ).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite avance à l'allumage AAO est déterminée en calculant le délai de combustion du point FMBx au point
FMBy correspondant respectivement à x% et y% du carburant brûlé et le délai de l'allumage pour FMBx.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on détermine l'évolution de la pression et de la température du mélange air-carburant dans la chambre de combustion du moteur au cours du cycle de combustion.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit modèle physique est représenté par deux équations, l'une donnant le délai d'initialisation à la combustion (D,N|) en fonction notamment d'une constante (C|N|), l'autre donnant le délai de la durée de combustion (D CMB) en fonction notamment d'une constante (CCMB)
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que pour calculer ladite avance à l'allumage (AAO): a- une valeur estimée (AAOestιm) de l'avance à l'allumage est calculée en utilisant une relation de proportionnalité avec la vitesse de flamme laminaire ; b- l'avance à l'allumage optimale (AAO) est déterminée par itération, la première itération comprenant :
* le calcul du délai d'initialisation D|N| à partir de l'avance optimale estimée AAOestιm et desdits points d'appui, * la détermination de FMBx à partir des valeurs de D|N| et de rAAOestιm
* le calcul du délai de combustion DCMβ à partir de FMBx, et
* le calcul de l'avance à l'allumage optimale AAO; c- la valeur de ladite avance à l'allumage optimale AAO est corrigée en prenant en compte la température du moteur.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite étape b comporte deux étapes d'itération, la deuxième itération étant effectuée en utilisant la valeur de FMBx obtenue avec la première itération.
9. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la valeur de FMBx de l'étape b est déterminée par FMBx = D|N, - AAOestιm ; la valeur de D|N, étant celle obtenue par la première itération.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que l'avance à l'allumage AAO est déterminée par :
AAO = - FMByrθf + D,Nι ,ti + DCMB iti
FMBy étant la valeur de FMB obtenue par calibration, DINI iti et DCMB iti étant les valeurs obtenue à l'aide de ladite première itération.
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