WO2012013881A1 - Procede de diagnostic d'un dysfonctionnement de la suralimentation d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de diagnostic d'un dysfonctionnement de la suralimentation d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Laurent Jacquot
Mathieu Mefflet
Clément Petit
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Renault S.A.S.
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Definitions

  • the present invention generally relates to the control of supercharged internal combustion engines.
  • It relates more particularly to a method of diagnosing a malfunction of a control member of the fresh air supercharging of an internal combustion engine, this control member having a real position generally different from the set position according to which it is piloted.
  • It also relates to an internal combustion engine comprising cylinders, a fresh air intake line in the cylinders which is equipped with a compressor, and a gas exhaust line burned out of the cylinders which is equipped with a cylinder. turbine.
  • This compression thus makes it possible to inject a greater quantity of fresh air and fuel into the cylinders of the engine, so as to increase the power and the torque developed by the engine.
  • the second solution consists of placing a short-circuiting line in parallel with the turbine and equipping this line with a short-circuiting valve, which makes it possible to control the flow rate of burnt gases passing through the turbine and thus to control the speed rotation of the compressor.
  • the present invention provides a diagnostic solution that is accurate, inexpensive, reliable and fast.
  • step b) a calculation step of calculating a difference between the actual position and the setpoint position of said control member, as a function of the variable measured in step a),
  • step d) a failure of said control member is deduced if, in step c), said deviation exceeds said threshold value during a determined period; the setpoint position of said control member being able to vary between two extreme positions, said threshold value corresponds to half of the maximum difference separating said two extreme positions;
  • step a) there is provided a step of measuring the value of at least one input variable and estimating the value of at least one output variable characteristic of the operation of the internal combustion engine, and in step b ), estimating said deviation using a state observer which is based on the value of each input variable and is corrected by a correction parameter deduced from the value of each output variable;
  • said state observer is based on a linearized Kalman model around an operating point of the internal combustion engine
  • said state observer uses a state vector comprising six state variables, including said difference, the pressure of the flue gases circulating in the exhaust line between the cylinders and the turbine, the pressure of the fresh air flowing in the line of admission between the compressor and the cylinders, and the speed of rotation of said turbine, the fresh air flow circulating in the intake line and the fresh air pressure flowing in the intake line;
  • the failure signal makes it possible to emulate a warning light visible to a user and / or to memorize an identifier of the fault in a memory accessible to a repairer and / or to activate a degraded mode of control of the internal combustion engine.
  • This engine is here compression ignition (Diesel). It could also be spark ignition (gasoline).
  • the internal combustion engine 1 Upstream of the cylinders 11, the internal combustion engine 1 comprises an intake line 20 which takes fresh air into the atmosphere and which opens into an air distributor 25 arranged to distribute the fresh air to each of the four cylinders 1 1 of the engine block 1 0.
  • This intake line 20 comprises, in the direction of flow of fresh air, an air filter 21 which filters the fresh air taken from the atmosphere, a compressor 22 which compresses the fresh air filtered by the air filter 21, a main air cooler 23 which cools this fresh compressed air, and an intake valve 24 which regulates the flow of fresh air Q S0Tl leading into the air distributor 25.
  • the turbine 32 is in turn coupled to compressor 22 by means of mechanical coupling such as a transmission shaft, s (i although the compressor 22 and does turbi 32 together form a turbocharger.
  • This actuator 38 thus forms a control member of the supercharging of the internal combustion engine 1, that is to say a control member of the engine elements (typically the turbocharger) which make it possible to vary the pressure of the air fresh entering cylinders 1 1.
  • This line EG R-HP 40 comprises a secondary cooler 42 to cool the gas EGR-H P, followed by an EGR-HP valve 41 to regulate the flow of EGR-HP gas opening into the air distributor 25.
  • L The opening angle of this EG R valve is here denoted ⁇ .
  • Line EG HR P 40 further comprises u bypass line 43 connected in parallel with the re refroi disseur seconda 42. This bypass line 43 is equipped with u bypass valve 44 bistable for, cold engine start, bypass the secondary cooler 42 to promote the temperature rise of the engine.
  • the internal combustion engine 1 also comprises a fuel injection line 60 in the cylinders 11.
  • This injection line 60 comprises a fuel tank 61, an injection pump 62 arranged to withdraw the fuel in the reservoir 61 in order to compress it, and a distribution rail 63 for distributing this fuel to four injectors 64 opening respectively into the four cylinders 11.
  • a computer 100 comprising a processor (CPU), a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM), analog-digital converters (A / D), and different input and output interfaces.
  • CPU central processing unit
  • RAM random access memory
  • ROM read-only memory
  • a / D analog-digital converters
  • the computer 100 is adapted to continuously receive input signals relating to the operation of the motor.
  • the amount of fuel injected at each cycle of the engine for example measured by a sensor 103 or calculated as a function of the opening time of the injectors 64,
  • the burnt gases are expanded in the turbine 32, treated and filtered in the catalytic converter 33, then relaxed again in the exhaust silencer 37 before being released into the atmosphere.
  • the computer 100 also calculates the setpoint position CO ns of the control member 38 in order to better adjust the pitch of the blades of the turbine 32.
  • This setpoint position is calculated in a conventional manner, either with the aid of FIG. a map stored by the computer 100, or using a mathematical model based on the values of the measured parameters.
  • this difference ⁇ is calculated using a system of equations partly derived from the fluid dynamics, constituted by a linearized state observer.
  • the state variables whose values are to be determined, are thus calculated at each time step not only with the input variables measured, but also with a correction parameter deduced from the output variables. They are also calculated according to intermediate variables.
  • the flow rate C rb_e of burnt gas passing through the turbine 32 forms an intermediate variable that can be calculated as a function of an input variable and of an estimated state variable at the previous time step.
  • This flow rate can indeed be calculated using a map stored in the computer 1 00, as a function of the position set a_ CO , s of the blades of the turbine 32 and the pressure P e ch_est estimated in the collector exhaust 31.
  • control member 38 is faulty if the difference ⁇ exceeds the threshold value Sa for a predetermined time ⁇ , between 2 and 20 seconds, here equal to 1 0 seconds (or 100 time step) .
  • the diagnostic process will then apply to this valve and may be performed following a method identical to that previously discussed. According to another variant embodiment of the method according to the invention, it will be possible to use a different state observer, either more detailed to reduce the calculation errors, or less detailed to reduce the calculation time, with the risk, however, of amplifying calculation errors.
  • the Y and Y output vectors can then be expressed as:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de diagnostic d'un dysfonctionnement organe de commande (38) de la suralimentation en air frais d'un moteur à combustion interne (1), cet organe de commande étant piloté selon une position de consigne et présentant une position réelle non mesurée. Selon l'invention, le procédé comporte; a) une étape de mesure de la valeur d'au moins une variable qui est caractéristique du fonctionnement du moteur à combustion interne et qui est distincte de ladite position de consigne et de ladite position réelle, b) une étape d'estimation par calcul d'un écart entre la position réelle et la position de consigne dudit organe de commande, en fonction de la valeur de chaque variable mesurée à l'étape a), c) une étape de comparaison dudit écart avec une valeur seuil déterminée, et d) une étape de déduction du diagnostic dudit organe de commande en fonction du résultat de ladite comparaison.

Description

PROCEDE DE DIAGNOSTIC D'UN DYSFONCTIONNEMENT DE LA SURALIMENTATION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION
La présente invention concerne de manière générale le contrôle des moteurs à combustion interne suralimentés.
Elle concerne plus particulièreiment un procédé de diagnostic d'un dysfonctionnement d'un organe de commande de la suralimentation en air frais d'un moteur à combustion interne, cet organe de commande présentant une position réelle généralement différente de la position de consigne suivant laquelle il est piloté.
Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant des cylindres, une ligne d'admission d'air frais dans les cylindres qui est équipée d'un compresseur, et une ligne d'échappement de gaz brûlés hors des cylindres qui est équipée d'une turbine.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Dans les moteurs à combustion interne du type précité, l'énergie cinétique des gaz brûlés est utilisée pour faire tourner la turbine. Cette turbine, qui est reliée mécaniquement au compresseur, entraîne alors à son tour ce compresseur afin de comprimer l'air frais admis dans le moteur.
Cette compression permet ainsi d'injecter une plus grande quantité d'air frais et de carburant dans les cylindres du moteur, de manière à accroître la puissance et le couple développés par le moteur.
On comprend donc que la pression d'air frais circulant dans la ligne d'admission, et notamment dans le refroidisseur d'air implanté dans cette ligne d'admission, varie en fonction du débit de gaz brûlés traversant la turbine.
Dans les moteurs actuels, cette variation de pression d'air frais est pilotée, d'une part, pour optimiser les performances du moteur, et, d'autre part, pour éviter que cette pression ne dépasse un seuil de surpression au-delà duquel le refroidisseur d'air pourrait exploser.
Deux solutions sont généralement utilisées pour piloter la pression de l'air frais qui circule dans la ligne d'admission. La première solution consiste à utiliser une turbine à géométrie variable, c'est-à-dire dont le pas des aubes est piloté à ('aide d 'un actionneur, ce qui permet de contrôler la vitesse de rotation du compresseur.
La seconde solution consiste à placer une conduite de court-circuitage en parallèle de la turbine et à équiper cette conduite d'une vanne de court- circuitage, ce qui permet de piloter le débit de gaz brûlés traversant la turbine et de contrôler ainsi la vitesse de rotation du compresseur.
Quelle que soit la solution utilisée, il demeure essentiel de contrôler le parfait fonctionnement de la surali mentation du moteur pour s'assurer que la press ion de l'a ir frais circulant dans la ligne d'admission reste optimale et ne dépasse jamais le seuil de suppression précité. Un diagnostic d'un dysfonctionnement de la suralimentation doit donc être établi en continu.
Actu el l ement, la méthod e d e diag nostic la pl us répand ue consiste à mesurer la pression de l'air frais dans la ligne d'admission, à calculer l'écart entre la pression d'air frais mesurée et la pression d'air frais souhaitée, et à contrôler que cet écart ne dépasse jamais une valeur seuil prédéterminée durant un intervalle de temps prédéterminé.
Cette méthode ne s'avère toutefois pas complètement satisfaisante. En effet, l'intervalle de temps doit être choisi suffisamment long pour éviter toute erreur de diagnostic, ce qui ne permet pas de détecter des défaillances entraînant des sauts de pressions d'air frais momentanés. Le diagnostic effectué ne permet par ailleurs pas de connaître exactement l 'origine du problème, puisqu'une d éfai l la nce de la van ne d e cou rt-circuitage ou de l'actionneur des aubes de la turbine a le même effet qu'une simple fuite de gaz brûlés, en amont de la turbine. Enfi n , le diagnostic n'est possible que lorsque la suralimentation est utilisée.
Il est également connu d'i mplanter un capteur de position directement da ns la vann e de cou rt-circu itage ou sur l'actionneur des aubes de la turbine, de manière à contrôler que cet organe fonctionne parfaitement. Cette sol ution pose toutefois des problèmes de fiabilité et de coût. L'utilisation d'un capteur supplémentaire dans le moteur accroît en effet non seulement le prix, mais aussi les risques de panne du moteur. OBJET DE L' INVENTION
Afi n de remédier aux i nconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une solution de diagnostic qui est précise, peu onéreuse, fiable et rapide.
Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu :
a) une étape de mesure de la valeur d'au moins une variable caractéristique du fonctionnement du moteur à combustion interne, qui est distincte de ladite position de consigne et de ladite position réelle,
b) une étape d'estimation par calcul d'un écart entre la position réelle et la position de consigne dudit organe de commande, en fonction de la variable mesurée à l'étape a),
c) une étape de comparaison dudit écart avec une valeur seuil déterminée, et
d) une étape de déduction du diagnostic en fonction du résultat de ladite comparaison .
Le procédé selon l'invention s'intéresse ainsi à la position de l'organe de commande lui-même et non à la valeur d'un paramètre thermodynamique dépendant de la position de cet organe de commande. Ce procédé présente ainsi une grande fiabilité et permet de distinguer les défaillances de cet organe de commande des défaillances des autres organes de la suralimentation du moteur.
Le procédé est par ailleurs peu onéreux à mettre en œuvre puisqu'il ne nécessite pas l'utilisation d'un capteur de position pour mesurer la position réelle de l'organe de commande. Cette position réelle étant inconnue, le procédé selon l 'invention propose en effet plutôt de calculer la valeur de l'écart entre cette position réelle et la position de consigne de l'organe de commande, à l'aide d'une méthode mathématique d'estimation se basant sur au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. La valeur estimée de cet écart permet alors de détecter ra pidement toute défaillance de l 'organe de commande, quelle que soit la position de l'organe de commande.
D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses d u procédé de diagnostic selon l'invention sont l es suivantes :
- à l'étape d), on déduit une défaillance dudit organe de commande si , à l 'étape c), ledit écart dépasse ladite valeur seuil au cours d'une durée déterminée ; - la, position de consigne d udit organe de commande pouvant varier entre deux positions extrêmes, ladite valeur seuil correspond à la moitié de l 'écart maximal séparant lesdites deux positions extrêmes ;
- à l'étape a), i! est prévu une étape de mesure de la valeur d'au moins une variable d'entrée et d'esti mation de la valeur d'au moins une variable de sortie caractéristiques du fonctionnement du moteur à combustion interne, et, à l'étape b), on estime ledit écart à l'aide cj'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée et qui est corrigé par un paramètre de correction déduit de la valeur de chaque variable de sortie ;
- ledit observateur d'état est basé sur un modèle de Kalman linéarisé autour d'un point de fonctionnement du moteur à combustion i nterne ;
- ledit observateur d'état utilise un vecteur d'état comportant six variables d'état, dont ledit écart, la pression des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement entre les cylindres et la turbine, la pression de l'air frais circulant dans la ligne d'admission entre le compresseur et les cylindres, et la vitesse de rotation de ladite turbine, le débit d'air frais circulant dans la ligne d'admission et la pression d'air frais circulant dans la ligne d'admission ;
- ledit observateur d'état utilise un vecteur de sortie comportant au moins deux variables de sortie, dont le débit et la pression d'air frais circulant dans la ligne d'admission, entre le compresseur et les cylindres ;
- ledit observateur d'état utilise un vecteur d'entrée comportant quatre variables d'entrée, dont le régime du moteur à combustion interne, le débit de carburant injecté dans les cylindres du moteur à combustion interne, la géométrie de ladite turbine, et la position de la vanne EGR ;
- si le diagnostic déduit à l'étape d) établit une défaillance de l'organe de commande, il est prévu une étape e) d'élaboration d'un signal de défaillance ;
- à l'étape e), le signal de défaillance permet d'all umer un voyant d'alerte visible par un usager et/ou de mémoriser un identifiant de la défaillance dans une mémoire accessible à un réparateur et/ou d'activer un mode dégradé de pilotage du moteur à combustion interne.
D ESCRI PTION D ÉTAI LLÉE D 'UN EXE MPLE DE RÉAL ISATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment ell e peut être réalisée. Sur les dessins annexés :
- la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'i nvention ;
- la figure 2 est un graphique illustrant, en trait continu, les variations de la position de consigne de l 'organe de commande de la turbine du moteur à combustion interne de la figure 1 , et, en traits discontinus, les variations de l'écart entre la position réelle et la position de consigne de l'organe de commande, en fonction du temps ; et
- la figure 3 est un graphique homologue de celui de la figure 2, dans lequel une défaillance de l'organe de commande modifie les variations de l'écart entre la position réelle et la position de consigne de l'organe de commande.
Dans la description , les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés dans l'atmosphère .
Sur la figure 1 , on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1 de véhicule automobile, qui comprend un bloc-moteur 1 0 pourvu d'un vilebrequin et de quatre pistons (non représentés) logés dans quatre cylindres 1 1 .
Ce moteur est ici à allumage par compression (Diesel ). Il pourrait également être à allumage commandé (Essence).
En amont des cylindres 1 1 , le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui débouche dans un répartiteur d'air 25 agencé pour répartir l'air frais vers chacun des quatre cylindres 1 1 du bloc-moteur 1 0. Cette ligne d'admission 20 comporte, dans le sens d'écoulement de l'air frais, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l 'atmosphère, un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21 , un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé, et une vanne d'admission 24 qui permet de réguler le débit d'air frais QS0Tl débouchant dans le répartiteur d'air 25.
En sortie des cylindres 1 1 , le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 qui s'étend depuis un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz q ui ont été préalablement brûlés dans les cyli nd res 1 1 , j u sq u' à u n si lencieux d'écha ppement 37 permettant d'évacuer les gaz brûlés dans l 'atmosphère. Elle comporte par ailleurs, dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une turbine 32 qui est entraînée en rotation par le fiux de gaz brûlés sortant du coll ecteur d'échappement 31 , et un pot catalytique 33 de traitement des gaz brûlés.
Le pot catalytique 33 est ici un catalyseur trois voies qui renferme un catalyseur d'oxydation 34, un filtre à particules 35 et un piège à oxydes d'azote 36.
La turbine 32 est quant à elle couplée au compresseur 22 par des moyens de couplage mécanique tels qu'un arbre de transmission , s(i bien que le compresseur 22 et la turbi ne 32 forment ensemble un turbocompresseur.
Cette turbine 32 présente ici une géométrie variable en ce sens qu'elle comporte des aubes montées mobiles en pivotement autour de leurs axes afin de présenter un pas a variable. Le pas de ces aubes est ici réglé en continu par un actionneur 38, tel qu'un moteur électrique, ce qui permet d'entraîner le compresseur 22 à une vitesse de rotation plus ou moins importante.
Cet actionneur 38 forme ainsi un organe de commande de la suralimentation du moteur à combustion interne 1 , c'est-à-dire un organe de commande des éléments du moteur (typiquement du turbocompresseur) qui permettent de faire varier la pression de l'air frais débouchant dans les cylindres 1 1 .
Ici , le moteur à combustion interne 1 comporte en outre une ligne de recirculation des gaz brûlés à haute pression depuis la ligne d'échappement 30 vers la ligne d'admission 20. Cette ligne de reci rculation est communément appelée ligne EGR-H P 40, conformément à l'acronyme anglo-saxon « Exhaust Gaz Recirculation - High Pressure » . Elle prend naissance dans la ligne d'échappement 30, entre ie collecteur d'échappement 31 et la turbine 32, et elle débouche dans la ligne d'admission 20, entre la vanne d'admission 24 et le répartiteur d'air 25. Cette ligne EGR-H P 40 permet de prélever une partie des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 30, appelés gaz EGR-HP, pour la réinjecter dans les cyli ndres 1 1 afin de réduire les émissions poll uantes du moteur, en particulier les émissions d'oxydes d'azote. Cette ligne EG R-HP 40 comporte u n refroidisseur secondaire 42 pou r refroidir les gaz EGR-H P, suivi d'une vanne EGR-HP 41 pour réguler le débit de gaz EGR-HP débouchant dans le répartiteur d 'air 25. L'angle d'ouverture d e cette vanne EG R est ici noté β. La ligne EG R-H P 40 comporte en outre u ne conduite de dérivation 43 branchée en parallèle d u refroi disseur secondai re 42. Cette conduite de dérivation 43 est équipée d'u ne vanne de dérivation 44 bistable pour, au démarrage à froid du moteur, court- circuiter le refroidisseur secondaire 42 afin de favoriser la montée en température du moteur.
Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 60 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 60 comporte un réservoir 61 de carburant, une pompe d'injection 62 agencée pour prélever le carburant dans le réservoir 61 afin de le comprimer, et un rail de distribution 63 permettant de répartir ce carburant vers quatre injecteurs 64 débouchant respectivement dans les quatre cylindres 11.
Pour piloter les différents organes du moteur à combustion interne 1, il est prévu un calculateur 100 comportant un processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (A/D), et différentes interfaces d'entrée et de sortie.
Grâce à ces interfaces d'entrée et à différents capteurs intégrés au moteur, le calculateur 100 est adapté à recevoir en continu des signaux d'entrée relatifs au fonctionnement du moteur.
Dans sa mémoire vive, le calculateur 100 mémorise ainsi à chaque pas de temps :
- le régime N_mes instantané du moteur à combustion interne 1, par exemple mesuré au moyen d'une roue cible fixée au vilebrequin du moteur et d'un capteur à effet Hall 101 fixé à une partie fixe du moteur,
- la quantité de carburant
Figure imgf000009_0001
injecté à chaque cycle du moteur, par exemple mesurée par un capteur 103 ou calculée en fonction du temps d'ouverture des injecteurs 64,
- l'angle d'ouverture fi_nes de la vanne EGR, par exemple mesuré par une roue codeuse 104,
- la pression Padn_nes des gaz frais dans le répartiteur d'air 25, par exemple mesurée par un capteur de pression 102, et
- le débit Qc=np_mes d'air frais traversant le compresseur 22, par exemple mesuré par un débitmètre 106.
Grâce à des cartographies prédéterminées sur banc d'essais et mémorisées dans sa mémoire morte, le calculateur 100 est adapté à générer, pour chaque condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie. Enfin , g râce à ses interfaces de sortie , le calculateur 1 00 est adapté à transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment à l'actionneur 38 des aubes de la turbine 32, pour régler leur pas avec précision .
Classiquement, lorsque le conducteur du véhicule automobile met le contact, le calculateur 1 00 s'initie puis comma nde le démarreur, les vannes 24, 41 , 44 et les injecteurs de carburant 64 pour que ceux-ci démarrent le moteur.
Lqrsque le moteur est démarré, l'ai r frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21 , comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air principal 23, puis brûlé dans les cylindres 1 1 .
A leur sortie des cylindres 1 1 , les gaz brûlés sont détendus dans la turbine 32, traités et filtrés dans le pot catalytique 33, puis détendus à nouveau dans le silencieux d'échappement 37 avant d'être rejetés dans l'atmosphère.
Une fois initié, le calculateur 1 00 fonctionne par pas de temps. Plus précisément, à intervalles de temps réguliers, par exemple tous les dixièmes de seconde, il réitère l'ensemble des calculs qui lui permettent de piloter les différents organes du moteur.
La présente invention s'intéresse alors à la réalisation d'un diagnostic d'un éventuel dysfonctionnement de l'actionneur 38 des aubes de la turbine 32, permettant de s'assurer que la pression de l'air frais comprimé par le compresseur 22 reste optimale, et qu'elle ne dépasse jamais un seuil de surpression au-delà duquel apparaîtrait un risque d'explosion du refroidisseur d'air principal 23.
Ce diagnostic est plus précisément établi en surveillant l'écart Δσ. entre la position réelle a_r e si et la position de consigne _C Cns de l'organe de commande 38.
Le procédé de diagnostic est alors mis en œuvre à chaque pas de temps en quatre étapes principales, dont :
- une étape a) de mesure de la valeur d'au moins un paramètre caractéristique du fonctionnement du moteur à combustion interne 1 , qui est distincte de ladite position de consigne a_C Sr,s et de ladite position réelle a_reei ,
- u ne étape b) d 'esti matio n par cal cu l d' un écart Δ entre la position réelle a_r Sei et la position de con sig ne a_c o r,s dud it orga ne de com ma nde 38, en fonction de la valeur de ladite vari able,
- u ne étape c) de compara ison dudit écart Δα avec une vale ur seu il Sa déterminée, et - une étape d) de déduction du diagnostic en fonction du résultat de ladite comparaison.
Etape a)
A rétape a), comme cela a été exposé précédemment, le calculateur 100 mémorise le régime N_mes du moteur, la quantité de carburant Qcarb_irlSs injecté dans les cylindres, l'angle d'ouverture _ ies de la vanne EGR, la pression Pad.m_nes des gaz frais dans le répartiteur d'air 25, et le débit QcorT , P_irT1ss d'air frais traversant le compresseur 22.
Le calculateur 100 calcule par ailleurs la position de consigne _COns de l'organe de commande 38 afin de régler au mieux le pas des aubes de la turbine 32. Cette position de consigne est calculée de manière classique, soit à l'aide d'une cartographie mémorisée par le calculateur 100, soit à l'aide d'un modèle mathématique s'appuyant sur les valeurs des paramètres mesurés.
Etape b)
A l'étape b), le calculateur 100 estime par calcul l'écart Δα entre la position réelle a_reei et la position de consigne _COns de l'organe de commande 38, à l'aide des paramètres mesurés ou calculés à l'étape a).
En effet, si la position de consigne a_cons est connue, il n'en est pas de même de la position réelle _reei qui n'est pas mesurée en vue de réduire le coût de fabrication du moteur et optimiser la fiabilité de ce moteur. L'écart Δ doit donc être calculé autrement que par une simple soustraction.
Avantageusement selon l'invention, cet écart Δα est calculé à l'aide d'un système d'équations en partie issues de la dynamique des fluides, constitué par un observateur d'état linéarisé.
Ici, pour déterminer cet écart Δα, cet observateur d'état se base sur les débits d'air et de gaz circulant dans le moteur à combustion interne 1. Il se base- plus précisément sur les deux équations thermodynamiques (i) et (ii), ainsi que sur les deux équations dynamiques (iii) et (iv) suivantes.
Dans le répartiteur d'air 25, on peut estimer la dérivée temporelle de la pression de l'air frais Pactes: à l'aide de l'équation suivante :
dP . ■ ;r
(i) — Sr~SîL = T .-r— .(<2..t,;„ 0∑G -Q„-), avec Qcomp le débit d'air frais cil ï' .,...„,
traversant le compresseur 22, Q≡GR le débit de gaz EGR-HP, Q0yn le débit de gaz frais entrant dans les cylindres 11, Ta3~ la température moyenne des gaz frais présents dans le répartiteur d'air 25, et V3t~, le volume du répartiteur d'air 25.
Dans le collecteur d'échappement 31, on peut estimer la dérivée temporelle de la pression des gaz brûlés PScn_gs'. à l'aide de l'équation suivante :
Figure imgf000012_0001
(jj) -Qr - Q.u,,,), avec Qcyi2 le débit de gaz brûlés sortant des cylindres 11 , Qtjrc le débit de gaz brûlés entrant dans la turbine 32, Te^ la température moyenne des gaz brûlés présents dans le collecteur d'échappement 31 , et Vec le volume du collecteur d'échappement 31.
On peut estimer' la dérivée temporelle de la vitesse de rotation c¾c_e_: de l'arbre de transmission du turbocompresseur à l'aide de l'équation suivante :
Figure imgf000012_0002
(iii) avec Pturb la puissance fournie à la turbine, PConp la puissance développée par le compresseur, et J;c l'inertie des éléments tournants du turbocompresseur.
On peut enfin estimer la dérivée temporelle de l'écart Δσ. entre la position réelle _ree] et la position de consigne a_Cons de l'organe de commande 38 à l'aide de l'équation suivante :
(iv) ~~ = o en considérant que cet écart doit rester sensiblement constant lorsque l'organe de commande 38 fonctionne normalement.
Dans l'observateur d'état choisi, on dispose alors :
- de variables d'entrée, choisies parmi les variables mesurées et calculées à l'étape a), qui permettent de mettre à jour les calculs à chaque pas de temps,
- de variables d'état à estimer, parmi lesquelles l'écart Δα, qui permettent de décrire l'évolution du système d'équations, et
- de variables de sortie estimées qui, confrontées à des variables mesurées à l'étape a), permettent de corriger l'observateur de manière à le faire tendre au plus près de la réalité.
Dans cet observateur d'état, les variables d'état, dont on cherche à déterminer les valeurs, sont donc calculées à chaque pas de temps non seulement à l'aide des variables d'entrée mesurées, mais également en fonction d'un paramètre de correction déduit des variables de sortie. Elles sont aussi calculées en fonction de variables intermédiaires.
Ces variables intermédiaires correspondent typiq uement à des paramètres physiques non mesurés mais qui, selon les quatre équations précitées, influent sur les valeurs des variables d'état. Ces variables intermédiaires sont calculées à chaque pas de temps à l'aide des variables d'entrée mesurées et. des variables d'état estimées au pas de- temps précédent.
A titre d'exemple, le débit C rb_est de gaz brû lés traversant la turbine 32 forme une variable intermédiaire pouvant être calculée en fonction d'une variable d'entrée et d'une variable d'état estimée au pas de temps précédent. Ce débit peut en effet être calculé à l'aide d'une cartographie mémorisée dans le calculateur 1 00, en fonction de la consigne de position a_CO ,s des aubes de la turbine 32 et de la pression Pech_est estimée dans le collecteur d'échappement 31 .
Ici, selon un mode préférentiel de réalisation du système suivant l'invention, l'observateur d'état est de type Kalman (ou, alternativement, de type Luenberger). Cet observateur d'état est déduit des quatre équations dynamiques précitées, linéarisées autour d'un point de fonctionnement du moteur. On appelle « point de fonctionnement du moteur » un point de fonctionnement dans lequel les valeurs des variables d'état choisies sont figées.
Les équations de cet observateur d 'état s'écrivent alors sous la forme suivante : δΧ = Α{ΐ)δΧ÷ Β.δϋ + Κ(ή.(δΥ- δΥ
5Y = C(t).5X
Da n s ce systèm e , X est l e vecteu r d ' éta t esti m é , U est l e vecte u r d'entrée mesuré, Y est le vecteu r de sortie mesu ré et Y est le vecteur de sortie estimé.
Le vecteur d 'état estim é X compren d ici les quatre va ria b l es d'état recherchées. Il s'exprime sous la forme suivante :
„: .;
, I p
; 1
Aa j Le vecteur d'entrée mesuré U comprend quant à lui six variables d'entrée mémorisées dans le calcul ateur 1 00. Il s'exprime sous la forme suivante :
; N
j
U i
p , I ·
Les vecteurs de sortie Y et Y comprennent pour leur part deux variables de sortie dont les valeurs sont non seulement mesu rées et mémorisées dans le calculateur 1 00, mais également susceptibles d'être calculées. La différence entre ces deux vecteurs de sortie fournit ainsi un paramètre d'erreur entre les calculs et la réalité, qui permet de corriger l'observateur d'état à chaque pas de temps. Ces deux vecteurs de sortie s'expriment sous la forme suivante :
Y et
L. p .
Figure imgf000014_0001
Par conséq uent, le vecteur δΧ correspond à la variation des variables d 'état estimées autour du point de fonctionnement, le vecteur 5U correspond à la variation des variables d'entrée mesurées autour du point de fonctionnement, le vecteur δΥ . correspond à la variation des variables de sortie estimées autour du point de fonctionnement, et le vecteur δΥ correspond à la variation des variables de sortie mesurées autour du point de fonctionnement.
La matrice K(t) correspond au gain de l'observateur. Chacun de ses termes peut être choisi égal à une constante prédéterminée. Toutefois, selon une variante préférée de l'invention permettant une meilleure correction de l'observateur d'état, les termes de cette matrice K(t) sont tous recalculés à chaque pas d e temps . Le calcu l de ces term es est préférentiellement réalisé à l'aide de l'éq uation de Riccati , que nous ne rappellerons pas ici puisqu'elle est bien conn ue de l 'homme du métier.
Les matrices A(t), B et C(t) sont des matrices d'état décrivant le système linéarisé. Leu rs valeurs sont déduites des quatre équations dynamiq ues précitées. Les ternes de la matrice B sont ici tous constants. Ils sont prédéterminés par expérience puisqu'ils dépendent directement de l'architecture du moteur à combustion interne 1 .
Les termes des matrices A(t) et C(t) sont quant à eux calculés à chaque pas de, temps, à l'aide des valeurs des variables intermédiaires linéarisées autour du point de fonctionnement du moteur.
Dans ce système, les variables intermédiaires, linéarisées autour du point de fonctionnement du moteur, q ui sont nécessaires au calcul des termes des matrices A(t) et C(t) sont les suivantes :
rO
~p ~ J ' ci dm _ ' tc _ es! )
C* aà<n es:
cons' P ecn . est - )'
Figure imgf000015_0001
e >: us,
cP,
Figure imgf000015_0002
, et
Tcc, Les différentes fonctions f - - sont mémorisées dans le calculateur 100 sous la forme de calculs à partir de cartographies ou de polynômes d'interpolation. Elles permettent un calcul rapide, à chaque pas de temps, des variables intermédiaires.
Les termes des matrices A(t) et C(t), déduits des équations de la dynamique précités, sont calculés à l'aide de l'ensemble de ces variables intermédiaires. alors les termes de cette matrice
Figure imgf000016_0001
s'expriment de la manière suivante :
Figure imgf000016_0002
, T r 1 [ÔQEGR «/ cOEGR_ss!
V P ' rP eim es: rP est r1P αά .
Figure imgf000016_0003
1 ôQEGR „.,
V P BP _m
Α,, = T, ...
' δω
Figure imgf000016_0004
21 r L"PL ech ,_es; ' V e:r ..P ' V .P ems .iaw 1 c ^P e:;■<_tit c «·P* ttb , J f ôTec<: tsr Q n t ÷ Qeirb „„ - Qmrl) ,„ - QsGR
=— ^-2— !-rb , avec kech le coefficient des gaz parfaits,
P ■ dX
, 1 (cQcomp„, . „ . ' avec rico le rendement constant du compresseur,
Figure imgf000017_0001
avec le rendement constant de la turbine, et
Figure imgf000017_0002
Soit ÎC, 0 C. 0!, alors les termes de cette matrice s'expriment C(/)= ]- !
L 1 0 0 oj
de la manière suivante :
11 £P Q[
Figure imgf000017_0003
L'ensemble des termes des équations de l'observateur d'état étant calculés, le calculateur 100 procède alors au calcul du vecteur d'état estimé X, qui consiste en un simple calcul d'intégration. L'observateur d'état permet ainsi d'obtenir une estimation des valeurs des quatre variables d'état Padm_est, Peoh_est, <¾c_est, et Δ .
On notera d'ailleurs que les grandeurs intervenant dans ce calcul ayant des valeurs très différentes, il est préférable de les normaliser (c'est-à-dire de leur donner une valeur comprise entre 0 et 1) avant de réaliser le calcul d'intégration.
Sur les figures 2 et 3, on a représenté en traits forts un exemple des variations dans le temps de la consigne de position _CCns de l'organe de commande 38, lorsque ce dernier est en parfait état de fonctionnement (figure 2) ou lorsqu'il présente une défaillance (figure 3). Comme cela apparaît sur ces figures, cette consigne de position a_cc,-s est normalisée pour varier entre 0-et 1.
On a également représenté en traits discontinus un exemple des variations dans le temps de l'écart Δα, lorsque l'organe de commande 38 est en parfait état de fonctionnement (figure 2) ou. lorsqu'il présente une défaillance (figure 3). Comme on le constate sur ces figures, cet écart Δα est sensiblement plus important lorsque l'Organe de commande 38 présente une défaillance.
Etape c)
A l'étape c), pour diagnostiquer une défaillance de l'organe de commande 38, le calculateur 1 00 compare alors l'écart Δα calculé avec une valeur seuil Sa détermi née.
Ici, telle que représentée en traits fins sur les figures 2 et 3, cette valeur se u i l Sa est une constante prédéterminée égale à 0,5, c'est-à-dire égale à la moitié de l'amplitude de déplacement de l'organe de commande 38.
En variante, on pourrait prévoi r que cette valeur seuil soit déterminée autrement. Elle pourrait typiquement être calculée arithmétiquement ou statistiquement. Elle pourrait par exemple être choisie égale à la moyenne des valeurs des consignes de position a_COns précédemment calculées.
Etape d)
A l'étape d), le calculateur 1 00 établit le diagnostic pour détecter un éventuel dysfonctionnement de l'organe de commande 38.
I l est ici estimé que l'organe de commande 38 est défaillant si l'écart Δα dépasse la valeur seuil Sa pendant une durée prédéterminée ΔΤ, comprise entre 2 et 20 secondes, ici égale à 1 0 secondes (soit 100 pas de temps).
Pour établir ce diagnostic, le calculateur 1 00 incrémente un compteur lorsque, à l'étape c), l'écart Δα dépasse la valeur seuil Sa. Il remet en revanche à zéro ce compteur lorsque l'écart Δα est inférieur à la valeur seuil Sa.
Puis, tant que la valeur mémorisée dans le compteur reste strictement inférieure à la valeur 1 00, le calculateur 1 00 estime que l'organe de commande 38 est en bon état de fonctionnement.
En revanche, si la valeur mémorisée ' dans le compteur atteint la valeur 100, le calculateur 1 00 déduit que l'organe de commande 38 est défaillant.
Etape e)
Si le diagnostic établi à l'étape d) détecte une défaillance de l'organe de commande 38 , le cal cu lateu r 1 00 met en œuvre une étape e) d'élaboration d'un signal de défaillance.
Ce signal de défaillance comporte ici trois composantes. La première composante permet de commander l'allumage d'un voyant d 'alerte situé sur le tableau de bord du véhicule automobile, de manière à avertir le cond ucteur du véhicule qu'un composant du moteur nécessite une réparation rapide.
La seconde composante permet de mémoriser dans la mémoire ROM du calculateur 1 00 un identifiant de la défaillance, de manière à permettre au réparateur d'identifier directement, ['origine de la défaillance ayant provoquée l'allumage du x/o snt d'alerte.
La troisième composante permet d'activer un mode dégradé de pilotage du moteur à combustion' interne. Une fois ce mode dégradé activé, le calculateur 1 00 pilote les organes du moteur à combustion interne de telle manière que ce dernier continue de fonctionner pour permettre au conducteur d'amener son véhicule chez un réparateur, mais qu'il fonctionne avec des performances réduites pour éviter toute dégradation du moteur et en particulier toute surpression d'air frais dans la ligne d'admission 20.
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
En particulier, on pourra prévoir d'appliquer ce procédé de diagnostic sur un moteur dont la turbine ne présente pas une géométrie variable.
Pour piloter ia vitesse de rotation du compresseur, on pourra alors prévoir que la ligne d'échappement du moteur soit équipée d'une conduite de court-circuitage branchée en parallèle de la turbine, c'est-à-dire prenant naissance entre le collecteur d'échappement 31 et la turbine 32 et débouchant entre la turbine 32 et le pot catalytique 33. Cette conduite de court-circuitage sera alors munie d'une vanne de régulation du débit de gaz brûlés, permettant de réguler le débit de gaz brûlés traversant la turbine.
Dans cette variante, la vanne implantée dans la conduite de court- circuitage formera alors l'organe de commande de la suralimentation en air frais d u moteur, puisq ue c'est elle qui permettra de contrôler la pression d'air frais dans le répartiteur d'air 25.
Le procédé de diagnostic s'appliquera alors à cette vanne et pourra être réalisé en suivant une méthode identique à celle précédemment exposée. Selon une autre variante de réalisation d u procédé conforme à l 'invention , on pourra utiliser un observateur d'état différent, soit plus détaillé pour réduire les erreurs de calcul, soit moins détaillé pour réduire le temps de calcul , au risque toutefois d'amplifier les erreurs de calcul .
A titre d'exemple, on pourra prévoir d'i mplanter un capteur de pression dans la ligne d'échappement 30, entre le collecteur d'échappement 31 et la turbine 32, pour mesurer ia pression des gaz brûlés débouchant dans la turbine et affiner ainsi la fiabilité de l'observateur d'état en disposant d'une variable de sortie supplémentaire.
Les vecteu rs de sortie Y et Y pou rront alors s'exprimer sous la forme suivante :
Y P
P. I P..

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de diagnostic d'un dysfonctionnement d'un organe de commande (38) de la suralimentation en air frais d'un moteur à combustion interne (1 ), cet organe de commande (38) étant piloté selon une position de consigne (a_c=ns) et présentant une position réelle (a._reei) non mesurée, caractérisé en qu'il comporte :
a) une étape de mesure de la valeur d'au moins une variable caractéristique du fonctionnement du moteur à combustion interne (1), qui est distincte de ladite position de consigne (a_∞r,s) et de ladite position réelle ( _reei), b) une étape d'estimation par calcul d'un écart (Δα) entre la position réelle (a_ree!) et la position de consigne (a_COns) dudit organe de commande (38), en fonction de la valeur de chaque variable mesurée à l'étape a),
c) une étape de comparaison dudit écart (Δ ) avec une valeur seuil (Sa) déterminée, et
d) une étape de déduction du diagnostic en fonction du résultat de ladite comparaison.
2. Procédé de diagnostic selon la revendication précédente, dans lequel, à l'étape d), on déduit une défaillance dudit organe de commande (38) si, à l'étape c), ledit écart (Δα) dépasse ladite valeur seuil (Sa) au cours d'une durée déterminée (ΔΤ).
3. Procédé de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la position de consigne (a_cCns) dudit organe de commande (38) pouvant varier entre deux positions extrêmes, ladite valeur seuil (Sa) correspond à la moitié de l'écart maximal séparant lesdites deux positions extrêmes.
4. Procédé de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, dans lequel :
- à l'étape a), il est prévu une étape de mesure de la valeur d'au moins une variable d'entrée (N_~es,
Figure imgf000021_0001
adm_mes, _Co,-,s) et d'estimation de la valeur d'au moins une variable de sortie (QCc,r,p_est, Pactes:) caractéristiques du fonctionnement du moteur à combustion interne (1 ), et - à l'étape b), on estime ledit écart (Δα) à l'aide d'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée (Ν_ ι65, Qoar _mes, P_~,es,
QCOTIC es. Padm r,es> Ci cons ) et qui est corrigé par un paramètre de correction déduit de la valeur de chaque variable de sortie (QCSTlp_es;, Padm_est)- 5. Procédé de diagnostic selon la revendication 4. dans lequel ledit observateur d'état est basé sur un modèle de Kalman linéarisé autour d'un point de fonctionnement du moteur à combustion interne (1).
6. Procédé d'acquisition selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel, ledit moteur à combustion interne (1) comportant des cylindres (11), une ligne d'admission (20) d'air frais dans les cylindres (11 ) équipée d'un compresseur (22) et une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés hors des cylindres (1"1) équipée d'une turbine (32), ledit observateur d'état utilise un vecteur d'état (X) comportant quatre variables d'état, dont ledit écart (Δα), la pression (Pe0 _est) des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement (30) entre les cylindres (11) et la turbine (32), la pression (Padm_est) de l'air frais circulant dans la ligne d'admission (20) entre le compresseur (22) et les cylindres (11 ), et la vitesse de rotation (coto_est) de ladite turbine (32).
7. Procédé d'acquisition selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel, ledit moteur à combustion interne (1) comportant des cylindres (11) et une ligne d'admission (20) d'air frais dans les cylindres (11) équipée d'un compresseur
(22), ledit observateur d'état utilise un vecteur de sortie (Y) comportant au moins deux variables de sortie, dont le débit (Q0onp_est) et la pression (Padm_es:) d'air frais circulant dans la ligne d'admission (20), entre le compresseur (22) et les cylindres (11).
8. Procédé d'acquisition selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel, le moteur à combustion interne (1) comportant une ligne d'admission d'air frais (20, une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés équipée d'une turbine (32) à géométrie variable et une ligne de recirculation (40) des gaz brûlés équipée d'une vanne EGR (41), ledit observateur d'état utilise un vecteur d'entrée (U) comportant six variables d'entrée, dont le régime (N_r.es) du moteur à combustion interne (1), le débit de carburant (QcE-b_nes) injecté dans les cylindres (11 ) du moteur à combustion interne (1), la géométrie (a_c3ns) de ladite turbine (32), la position (P_nes) de ladite vanne EGR (41 ), le débit d'air frais (QCorp_nss) circulant dans la ligne d'admission (20) et la pression d'air frais (PadH_tres) circulant dans la ligne d'admission (20).
9. Procédé de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, si le diagnostic déduit à l'étape d) établit une défaillance de l'organe de commande (38), il est prévu une étape e) d'élaboration d'un signal de défaillance.
10. P,rocédé de diagnostic selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), le signal de défaillance permet d'allumer un voyant d'alerte visible par un usager et/ou de mémoriser un identifiant de la défaillance dans une mémoire accessible à un réparateur et/ou d'activer un mode dégradé de pilotage du moteur à combustion interne (1).
11. Moteur à combustion interne (1) comportant des cylindres (11), une ligne d'admission (20) d'air frais dans les cylindres (11) qui est équipée d'un compresseur (22), et une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés hors des cylindres (11) qui est équipée d'une turbine (32), caractérisé en ce qu'il comporte une unité de pilotage (100) adaptée à mettre en œuvre un procédé de diagnostic selon l'une des revendications précédentes.
12. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 11, dans lequel ladite turbine (32) comporte des aubes à pas variable et dans lequel ledit organe de commande (38) est formé par un actionneur commandant le pas des aubes de la turbine (32).
13. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 11, dans lequel il est prévu une conduite de court-circuitage de ladite turbine et dans lequel ledit organe de commande est formé par une vanne de régulation du débit de gaz brûlés empruntant la conduite de court-circuitage.
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