WO2021156237A1 - Procédé de découpage d'une injection de carburant - Google Patents

Procédé de découpage d'une injection de carburant Download PDF

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WO2021156237A1
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sub
injection
injections
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Philippe SERRECCHIA
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Vitesco Technologies GmbH
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to the field of engine control, and more particularly in the case of a gasoline engine with direct injection.
  • the invention proposes to cut an injection generally carried out in a single spraying / opening of the continuous injector, into a plurality of sub-injections of shorter individual durations.
  • the invention relates to a method, for a direct injection engine, for cutting a fuel injection corresponding to an engine cycle under- minimal injections, comprising the following steps:
  • N Min (N, Nmax), with Min the minimum function, N the desired maximum number of sub-injections and Nmax the maximum authorized number of sub-injections,
  • d M / (N * Q)
  • M mass of fuel to be injected during the engine cycle
  • N maximum desired number of sub-injections
  • Q dynamic flow rate of the injector
  • the determined sequence of sub-injections is applied by starting the first sub-injection at an optimum injection start time
  • the method is more particularly applied when the engine is cold.
  • FIG. 1 shows a first injection timing diagram according to the prior art
  • FIG. 2 shows a second injection timing diagram according to the invention.
  • fuel injection is carried out in a cylinder of an internal combustion engine, at each cycle, that is to say once every two crankshaft revolutions, between two top dead centers TDC or TDC (of the English “Top Dead Center”: top dead center) and injects a mass M of fuel.
  • Such an injection is carried out in a possible injection window starting at an instant of the start of SOI injection (standing for “Start of Injection”) and ending, at the latest, at an instant of. end of injection EOI (from the English “End of Injection”: end of injection).
  • the duration Dmax of this injection window is therefore equal to EOI - SOI.
  • Two top dead centers are separated at an angle of 720 ° CRK.
  • a positioning, respectively an extent can be identified, in the combustion cycle, by an angle, respectively by an angular extent.
  • a position, respectively an extent can be identified, in the combustion cycle, by a time, respectively by a temporal extent or duration.
  • the equivalence here is one-to-one and requires knowledge of the RM engine speed, which gives an angle / time conversion factor.
  • All the injection parameters SOI, EOI, Dmax and M are determined, at each cycle, by the engine control, by any method, outside the scope of the invention.
  • the object of the invention is to reduce the continuous injection time, that is, the time during which an injector is open.
  • the method of the invention proposes to cut a long injection into several sub-injections, as illustrated in Figure 2.
  • a constraint linked to the control of an injector, and to the power consumption and / or to the heating of the control means and that the desired maximum number of sub-injections per cycle is limited by a maximum authorized number Nmax.
  • This maximum authorized number Nmax is considered constant or is determined by the control command as a function of the engine speed and the battery voltage.
  • an injector has a mass resolution or minimum injectable mass Mmin, below which it is not possible to descend. This minimum mass Mmin is a function of the fuel pressure in the rail and is known to the engine control which is able to determine it at any time.
  • a final constraint, linked to the engine cycle, is that all injection, or all sub-injections, should be carried out during the injection window, or between SOI and EOI.
  • the invention proposes to replace a long injection with a plurality of sub-injections, while respecting the constraints set out above.
  • the method begins by determining a desired maximum number N of sub-injections. It has been seen that the problem of parietal deposition can be improved by means of the shortest possible sub-injections. In order for a sub-injection to be as short as possible, the desired maximum number N of sub-injections should be as large as possible.
  • This desired maximum number N is then compared and if necessary reduced to the maximum authorized number Nmax of sub-injections. It is thus achieved a lower bounding. This is for example carried out by assigning to N the value corresponding to the minimum between the desired maximum number N previously determined and the maximum authorized number Nmax. This makes it possible to integrate the constraint linked to the maximum authorized number Nmax of sub-injections.
  • the injection duration D is calculated based on the desired maximum number N of sub-injections previously determined and compared with the duration Dmax of the injection window.
  • the desired maximum number N of previously determined sub-injections is validated.
  • An injection based on N sub-injections can be performed.
  • the desired maximum number of sub-injections N is reduced by decrementing, for example by a decrement of one unit.
  • the injection duration D is recalculated on the basis of the new desired maximum number N of sub-injections. N having been decremented, the injection duration D must also be reduced.
  • a new check that the injection duration D is less than the duration Dmax of the injection window is carried out. If this verification is positive, D being less than Dmax, the desired maximum number N of sub-injections, last obtained, is retained. Otherwise, the iteration is continued: decrement and new check, until a positive check is reached.
  • N Min (N, Nmax)
  • N the maximum desired number of sub-injections
  • Nmax the maximum authorized number of sub-injections.
  • an injection is divided into N sub-injections.
  • Each sub-injection requires a duration d.
  • S minimum duration or minimum hydraulic separation duration
  • this formula is temporal, with d, D, S and Dmax expressed in seconds (or ms).
  • this formula can be angular, d, D, S and Dmax expressed in ° CRK.
  • the dynamic flow rate Q of the injector depends on the diameter of the injector, which is constant, and on the fuel pressure in the rail which is known to the engine control.
  • the dynamic flow Q is assumed to be known or determinable by the engine control. It is assumed that the dynamic flow rate Q of an injector is constant during a cycle or at least during an injection.
  • the duration d of a sub-injection is proportional to the mass M / N to be injected during said sub-injection, the proportionality factor being the inverse of the dynamic flow rate 1 / Q.
  • the sequence of sub-injections thus determined is applied.
  • Said sequence begins the first sub-injection at an optimum SOI injection start time.
  • This optimum injection start time is that determined by the control command, including in the case where a single injection is applied.
  • the sequence is then carried out by performing N sub-injections following, only separated by a minimum hydraulic separation time S between two sub-injections.
  • the method / strategy according to the invention is not applied as a priority. So if another injection strategy is applicable with some degree, however small, of urgency, this other strategy will prevail, since the two strategies are not compatible.
  • N desired maximum number of sub-injections
  • Nmax maximum authorized number of sub-injections

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Procédé, pour un moteur à injection directe, de découpage d'une injection de carburant correspondant à un cycle moteur en sous-injections minimales, comprenant les étapes suivantes : - détermination d'un nombre maximal souhaité (N) de sous-injections en divisant une masse (M) de carburant à injecter au cours du cycle moteur par une masse minimale (Mmin) injectable et en arrondissant à l'entier inférieur, - bornage inférieure dudit nombre maximal souhaité (N) par un nombre maximal autorisé (Nmax) de sous-injections, - vérification qu'une durée d'injection (D), pour un tel nombre maximal souhaité (N) de sous-injections, est inférieure à une durée (Dmax) d'une fenêtre d'injection possible et décrémentation du nombre maximal souhaité (N) sinon, itération jusqu'à une vérification positive.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de découpage d’une injection de carburant
Domaine technique
L’invention concerne le domaine du contrôle moteur, et plus particulièrement dans le cas d’un moteur à essence à injection directe.
Technique antérieure
Il est connu d’injecter le carburant, dans un moteur à combustion interne, directement dans le cylindre. Ceci peut par exemple être réalisé au moyen d’une chambre (ou « rail » en anglais) contenant du carburant sous pression et d’un injecteur obturant sélectivement une conduite reliant ladite chambre au cylindre. Lorsque l’injecteur est ouvert, le carburant est pulvérisé dans le cylindre afin de créer un aérosol apte à se mélanger, le plus uniformément possible, avec l’air présent dans le cylindre.
Le problème qui se pose, est que le carburant pulvérisé puisse atteindre la paroi opposée du cylindre. Ceci est préjudiciable en ce que le carburant se dépose alors sur la paroi et a alors tendance à rester liquide, principalement lorsque le moteur est froid. Le carburant présente alors une difficulté accrue à s’évaporer, impactant négativement sa combustion ultérieure. Aussi un tel dépôt perturbe le bon déroulement d’un mélange uniforme avec l’air et entraîne des conséquences préjudiciables en termes de performance et/ou de pollution.
Résumé de l'invention
Le risque de dépôt pariétal que l’on souhaite éviter, augmente avec la durée d’une injection continue. Aussi, afin de résoudre ce problème, l’invention propose de découper une injection généralement réalisée en une seule pulvérisation/ouverture de l’injecteur continue, en une pluralité de sous-injections de durées individuelles plus réduites.
Pour cela, l’invention a pour objet un procédé, pour un moteur à injection directe, de découpage d’une injection de carburant correspondant à un cycle moteur en sous- injections minimales, comprenant les étapes suivantes :
- détermination d’un nombre maximal souhaité de sous-injections en divisant une masse de carburant à injecter au cours du cycle moteur par une masse minimale injectable et en arrondissant à l’entier inférieur,
- bornage inférieur dudit nombre maximal souhaité par un nombre maximal autorisé de sous-injections,
- vérification qu’une durée d’injection, pour un tel nombre maximal souhaité de sous- injections, est inférieure à une durée d’une fenêtre d’injection possible et décrémentation du nombre maximal souhaité sinon, itération jusqu’à une vérification positive.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- le bornage inférieur est réalisé selon la formule N := Min(N, Nmax), avec Min la fonction minimum, N le nombre maximal souhaité de sous-injections et Nmax le nombre maximal autorisé de sous-injections,
- la durée d’injection est calculée selon la formule D = N * d + (N - 1) * S, avec D la durée d’injection, N le nombre maximal souhaité de sous-injections, d une durée d’une sous-injection et S une durée de séparation hydraulique minimale à respecter entre deux sous-injections,
- la durée d’une sous-injection est calculée selon la formule d = M / (N * Q), avec d la durée d’une sous-injection, M la masse de carburant à injecter au cours du cycle moteur, N le nombre maximal souhaité de sous-injections et Q un débit dynamique de l’injecteur,
- la séquence de sous-injections déterminée est appliquée en débutant la première sous-injection à un instant de début d’injection optimum,
- le procédé est plus particulièrement appliqué lorsque le moteur est froid.
Brève description des dessins
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :
[Fig. 1] montre un premier chronogramme d’injection selon l’art antérieur, [Fig. 2] montre un deuxième chronogramme d’injection selon l’invention.
Description des modes de réalisation
En référence à la figure 1 , une injection de carburant est réalisée dans un cylindre d’un moteur à combustion interne, à chaque cycle, soit une fois tous les deux tours de vilebrequin, entre deux point morts hauts PMH ou TDC (de l’anglais « Top Dead Center » : point mort haut) et injecte une masse M de carburant.
Une telle injection est réalisée dans une fenêtre possible d’injection débutant à un instant de début d’injection SOI (de l’anglais « Start of Injection » : début d’injection) et se terminant, au plus tard, à un instant de fin d’injection EOI (de l’anglais « End of Injection » : fin d’injection). La durée Dmax de cette fenêtre d’injection est donc égale à EOI - SOI.
De manière connue, un positionnement où une étendue, est classiquement repéré, dans le cycle de combustion, relativement à un point mort haut TDC. Deux points morts hauts sont séparés d’un angle de 720°CRK. Un positionnement, respectivement une étendue, peut être repéré, dans le cycle de combustion, par un angle, respectivement par une étendue angulaire. Alternativement et de manière équivalente, un positionnement, respectivement une étendue, peut être repéré, dans le cycle de combustion, par un temps, respectivement par une étendue temporelle ou durée. L’équivalence est ici bijective et nécessite la connaissance du régime moteur RM, qui donne un facteur de conversion angle/temps.
Tous les paramètres de l’injection SOI, EOI, Dmax et M sont déterminés, à chaque cycle, par le contrôle moteur, selon une méthode quelconque, hors du cadre de l’invention.
Le but de l’invention est de réduire le temps d’injection en continu, soit le temps pendant lequel un injecteur est ouvert. Pour cela le procédé de l’invention propose de découper une injection longue en plusieurs sous-injections, tel qu’illustré à la figure 2.
Ce découpage doit respecter certaines hypothèses et se conformer à certaines contraintes. Une hypothèse obligatoire est que la quantité / masse de carburant injectée M durant un cycle reste identique. Ainsi la somme des masses élémentaires de toutes les sous-injections réalisées au cours d’un cycle doit être égale à M.
Une contrainte liée à la commande d’un injecteur, et à la consommation électrique et/ou à réchauffement des moyens de commande et que le nombre maximal souhaité de sous-injections par cycle est limité par un nombre maximal autorisé Nmax. Ce nombre maximal autorisé Nmax est considéré constant ou est déterminé par le contrôle commande en fonction du régime moteur et de la tension batterie.
Une contrainte, liée au principe de fonctionnement d’un injecteur, est qu’il existe une durée de « repos » minimum ou durée de séparation hydraulique minimale S, à respecter entre deux sous-injections, pendant laquelle l’injecteur doit rester fermé. De plus, du fait de sa commande Tout ou Rien, un injecteur présente une résolution massique ou masse minimale injectable Mmin, en dessous de laquelle il n’est pas possible de descendre. Cette masse minimale Mmin est fonction de la pression de carburant dans le rail et est connue du contrôle moteur qui est en mesure de la déterminer à chaque instant.
Une dernière contrainte, liée au cycle moteur, est qu’il convient que toute l’injection, soit toutes les sous-injections, soit réalisée au cours de la fenêtre d’injection, soit entre SOI et EOI.
Aussi, l’invention propose de remplacer une injection longue en une pluralité de sous-injections, en respectant les contraintes énoncées plus haut.
Pour cela le procédé commence par déterminer un nombre maximal souhaité N de sous-injections. Il a été vu que le problème du dépôt pariétal peut être amélioré au moyen de sous-injections les plus courtes possible. Pour qu’une sous-injection soit la plus courte possible, il convient que le nombre maximal souhaité N de sous- injections soit le plus grand possible.
Afin de simplifier les calculs, il est fait une hypothèse simplificatrice, optimale mais non obligatoire, d’iso répartition massique entre les sous-injections. Aussi toutes les sous-injections d’un cycle injectent une même masse/quantité M/N de carburant. Soit, en supposant un débit dynamique Q constant compte tenu des durées faibles sur un cycle, toutes les sous-injections d’un cycle sont effectuées selon une durée d identique.
Aussi, selon une caractéristique, le nombre maximal souhaité N de sous-injections est déterminé, dans un premier temps, en divisant la masse M de carburant à injecter au cours du cycle moteur par la masse minimale Mmin injectable. Le nombre maximal souhaité N de sous-injections étant nécessairement un entier, le rapport M / Mmin est arrondi à l’entier inférieur. Ainsi N = arrondi (M / Mmin). Cette approche permet d’intégrer la contrainte liée à la masse minimale injectable.
Ce nombre maximal souhaité N est ensuite comparé et le cas échéant réduit au nombre maximal autorisé Nmax de sous-injections. Il est ainsi réalisé un bornage inférieur. Ceci est par exemple réalisé en affectant à N la valeur correspondant au minimum entre le nombre maximal souhaité N précédemment déterminé et le nombre maximal autorisé Nmax. Ceci permet d’intégrer la contrainte liée au nombre maximal autorisé Nmax de sous-injections.
Il convient encore de vérifier que la contrainte de la durée d’injection maximale est respectée. Pour cela la durée d’injection D est calculée en fonction du nombre maximal souhaité N de sous-injections précédemment déterminé et comparée avec la durée Dmax de la fenêtre d’injection.
Si, et dès qu’une vérification que la durée d’injection D est inférieure à la durée Dmax de la fenêtre d’injection est obtenue, le nombre maximal souhaité N de sous- injections précédemment déterminé est validé.
Une injection basée sur N sous-injections peut être réalisée.
A contrario, si la durée d’injection D calculée est supérieure à la durée Dmax de la fenêtre d’injection, le nombre maximal souhaité de sous-injections N est réduit par décrémentation, par exemple par un décrément d’une unité. La durée d’injection D est recalculée sur la base du nouveau nombre maximal souhaité N de sous- injections. N ayant été décrémenté, la durée d’injection D doit être réduite aussi. Une nouvelle vérification que la durée d’injection D est inférieure à la durée Dmax de la fenêtre d’injection est réalisée. Si cette vérification est positive, D étant inférieure à Dmax, le nombre maximal souhaité N de sous-injections, dernier obtenu, est retenu. Sinon, l’itération est poursuivie : décrémentation et nouvelle vérification, jusqu’à aboutir à une vérification positive.
Il peut être noté que ce processus itératif est nécessairement convergent vers une solution acceptable et fonctionnelle. En effet, le cas où N =1 , correspondant aux paramètres d’injection déterminés par le contrôle moteur, est possible, à minima.
Il est possible de vérifier la première contrainte N < Nmax, puis la deuxième contrainte, liée à l’étendue Dmax de la fenêtre d’injection. Alternativement, il est possible de vérifier la deuxième contrainte, en réduisant N jusqu’à présenter une étendue D de la séquence de sous-injections contenue dans l’étendue Dmax de la fenêtre d’injection, puis d’appliquer le cas échéant la deuxième contrainte en bornant N par Nmax.
Afin de détailler un mode de réalisation possible, le bornage inférieur est réalisé selon la formule N := Min(N, Nmax), avec N le nombre maximal souhaité de sous- injections et Nmax le nombre maximal autorisé de sous-injections. Ainsi le nombre maximal souhaité N retenu est le nombre de sous-injections obtenu précédemment ou est remplacé par le nombre maximal autorisé d’injections Nmax si ce dernier est plus petit.
Tel qu’illustré à la figure 2, une injection est divisée en N sous-injections. Chaque sous-injection nécessite une durée d. Entre chaque deux sous-injections successives, il est nécessaire de respecter une durée minimale ou durée de séparation hydraulique minimale S, caractéristique de l’injecteur, fonction de la pression de carburant dans le rail et donc connue. Aussi, selon une caractéristique, la durée D d’une séquence d’injection fractionnée comprenant N sous-injections successivement séquencées, selon une durée minimale, peut être calculée selon la formule D = N * d + (N - 1) * S, avec D la durée d’injection, N le nombre maximal souhaité de sous-injections, d une durée d’une sous-injection et S une durée de séparation hydraulique minimale à respecter entre deux sous-injections.
Selon une caractéristique, cette formule est temporelle, avec d, D, S et Dmax exprimés en secondes (ou ms). Alternativement, de manière équivalente, cette formule peut être angulaire, d, D, S et Dmax exprimés en ° CRK. Dans l’absolu le débit dynamique Q de l’injecteur dépend du diamètre de l’injecteur, qui est constant, et de la pression de carburant dans le rail qui est connue du contrôle moteur. Le débit dynamique Q est supposé connu ou déterminable par le contrôle moteur. Il est supposé que le débit dynamique Q d’un injecteur soit constant au cours d’un cycle ou au moins au cours d’une injection. Aussi la durée d d’une sous-injection est proportionnelle à la masse M/N à injecter pendant ladite sous- injection, le facteur de proportionnalité étant l’inverse du débit dynamique 1/Q. La durée d peut être calculée selon la formule d = M / (N * Q), avec d la durée d’une sous-injection, M la masse de carburant à injecter au cours du cycle moteur, N le nombre maximal souhaité de sous-injections et Q le débit dynamique de l’injecteur.
Il est possible, en éliminant d, de simplifier la formule précédente : D = M / Q + (N-1 ) * S.
Une fois le nombre maximal souhaité N de sous-injections déterminé et validé selon les étapes précédemment décrites, la séquence de sous-injections ainsi déterminée est appliquée. Ladite séquence débute la première sous-injection à un instant de début d’injection optimum SOI. Cet instant de début d’injection optimum est celui déterminé par le contrôle commande, y compris dans le cas où une unique injection est appliquée. La séquence est ensuite déroulée en réalisant N sous-injections en suivant, uniquement séparées d’une durée de séparation hydraulique minimale S entre deux sous-injections.
Le ou les procédés précédemment décrits sont particulièrement intéressants lorsque le moteur est encore froid. Aussi l’application d’un tel procédé est particulièrement décidée dans ce cas.
Selon une autre caractéristique, le procédé/stratégie selon l’invention n’est pas appliqué de manière prioritaire. Ainsi si une autre stratégie d’injection est applicable avec un certain degré, même faible, d’urgence, cette autre stratégie s’imposera, dans la mesure où les deux stratégies ne sont pas compatibles.
Afin d’illustrer le procédé, il va être donné un exemple d’application numérique, en référence à la figure 2. Il est supposé que le régime moteur est de 2000 tr/mn, que le contrôle moteur a déterminé une masse à injecter M de 20 mg pour le cycle à venir, un SOI à 270° CRK avant le point mort haut, PMH ou TDC, et une largeur maximale de la fenêtre d’injection de 120°CRK. Il est encore supposé que les injecteurs permettent un débit dynamique Q de 5mg/ms, une masse minimale injectable de Mmin = 2,5mg en observant une durée de séparation hydraulique minimale S de 1ms et que le nombre maximum autorisé d’injection Nmax est de 5.
Un premier nombre maximal souhaité d’injection N est déterminé en divisant M/Mmin, soit 20/2,5, soit 8. Ce résultat est minoré par Nmax et l’on obtient N = 5. Il s’en déduit, une masse M/N = 4mg par sous-injection et une durée d de M/(N*Q), soit d = 0,8. Le calcul de la durée D de la séquence d’injection est donné par D = N * d + (N-1 ) * S, soit D = 5 * 0,8 + 4 * 1 = 8 ms. A 2000 tr/mn, ces 8 ms correspondent à 96° CRK. Il est bien vérifié que cette étendue est inférieure à l’étendue de la fenêtre d’injection de 120° CRK. Aussi il est possible de réaliser une injection découpée en 5 sous-injections, selon le chronogramme de la figure 2.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
Liste des signes de référence d : durée d’une sous-injection,
D : durée d’injection,
Dmax : durée maximale de la fenêtre d’injection,
N : nombre maximal souhaité de sous-injections,
Nmax : nombre maximum autorisé de sous-injections,
M : masse à injecter sur le cycle courant,
Mmin : masse minimale injectable,
Q : débit dynamique de l’injecteur,
S : durée de séparation hydraulique minimale à respecter entre deux sous-injections, SOI : début d’injection.

Claims

Revendications
[Revendication 1] procédé, pour un moteur à injection directe, de découpage d’une injection de carburant correspondant à un cycle moteur en sous-injections minimales, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
- détermination d’un nombre maximal souhaité (N) de sous-injections en divisant une masse (M) de carburant à injecter au cours du cycle moteur par une masse minimale
(Mm in) injectable et en arrondissant à l’entier inférieur,
- bornage inférieure dudit nombre maximal souhaité (N) par un nombre maximal autorisé (Nmax) de sous-injections,
- vérification qu’une durée d’injection (D), pour un tel nombre maximal souhaité (N) de sous-injections, est inférieure à une durée (Dmax) d’une fenêtre d’injection possible et décrémentation du nombre maximal souhaité (N) sinon, itération jusqu’à une vérification positive.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , où le bornage inférieur est réalisé selon la formule N := Min(N, Nmax), avec Min la fonction minimum, N le nombre maximal souhaité de sous-injections et Nmax le nombre maximal autorisé de sous-injections.
[Revendication 3] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où la durée d’injection (D) est calculée selon la formule D = N * d + (N - 1) * S, avec D la durée d’injection, N le nombre maximal souhaité de sous-injections, d une durée d’une sous-injection et S une durée de séparation hydraulique minimale à respecter entre deux sous-injections.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 3, où la durée (d) d’une sous- injection est calculée selon la formule d = M / (N * Q), avec d la durée d’une sous- injection, M la masse de carburant à injecter au cours du cycle moteur, N le nombre maximal souhaité de sous-injections et Q un débit dynamique de l’injecteur.
[Revendication 5] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où la séquence de sous-injections déterminée est appliquée en débutant la première sous-injection à un instant de début d’injection optimum (SOI).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, plus particulièrement appliqué lorsque le moteur est froid
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