Brevet FR2439302A1 — publié le 19800516

La présente invention, due à la eoGlaboration de NM. R. BARRIOL et C. LEICHLE, est relative à un dispositif d'obtention du remplissage volumique en air d'un moteur à combustion interne à partir d'un anémomètre dit à temps de transit. Les anémomètres à temps de transit sont bien connus de l'homme de l'art. Le principe en est le suivant : dans la canalisation où circule le gaz dont on veut connaître la vitesse, on place une électrode dite d'émission à l'extrémité effilée. A une distance D en aval de cette électrode on place une électrode réceptrice qui peut être un simple fil. Une impulsion de haute tension sur l'électrode d'émission provoque l'ionisation du gaz au voisinage de celle-ci et le nuage ainsi formé provoque lorsqu'il passe devant l'électrode réceptrice une impulsion électrique qu'il est aisé de détecter. La nesure du temps de parcours t, de la distance D donne une indication de la vitesse I > t L'application de cet anémomètre à la conduite d'admission d'un moteur rencontre deux difficultées : d'une part, la mesure intéressante n'est pas la vitesse instantanée de l'air mais l'intégrale de cette vitesse pendant la durée de l'admission d'un cylindre (c'est le remplissage volumique).Cette intégrale doit faire intervenir, avec son signe, la quantité d'air susceptible d'etre refoulée par le moteur au cours du cycle ; d'autre part, le débit n'est pas continu mais pulsé et on peut admettre qu'à la valeur continue Qo se superpose une valeur variable sinusoidale d'amplitude Qoi'et de pulsationOj,double de celle correspondant à la vitesse de rotation du moteur. De nombreuses solutions ont été proposées pour éviter ces inconvénients. On peut en citer deux principales : la première consiste à reboucher le capteur sur lui-même, de telle sorte que le passage du nuage devant l'électrode réceptrice provoque une nouvelle émission. De même, la présence d'une deuxième électrode réceptrice, placée en amont, permet de détecter l'inversion du sens de circulation du gaz. De ce fait la mesure se fait de façon pseudo-continue, à condition toutefois que la fréquence de répétition obtenue soit élevée devant la vitesse de rotation moteur. Or, les moteurs actuels qui ont des vitesses de rotation élevées (6500 tr/min) et de bonnes performances, donc une dynamique de débit importante, donnent lieu avec ces anémomètres à des erreurs importantes. En effet, pour augmenter leur fréquence de travail il faut diminuer la distance D, ce qui n'est pas possible en-dessous d'une certaine limite à cause de l'influence capacitive des des électrodes, diminuer la durée de l'impulsion haute tension, ce qui est incompatible avec les dispositifs à bas coût. Un deuxième système proposé, comportant une série d'électrodes réceptrices permettant de mesurer la distance parcourue par le nuage pendant la période de remplissage moteur donne une solution théoriquement satisfaisante. Toutefois, a réalisation en série sur véhicule d'une telle sonde se heurte à un problème d'encombrement, d'une part, la distance entre les électrodes extrêmes étant importante, et de prix"d'autre part, du fait de l'obligation de traiter électroniquement le signal de plusieurs électrodes à bas niveau. La présente invention est relative à une méthode d'utilisation d'un anémomètre à temps de transfert élémentaire (c'est-à-dire une électrode d'émission et une électrode réceptrice), de telle sorte que le résultat soit directement le remplissage volumique, quel que soit le taux d'ondulation du débit pulsé dans la tubulure. On aura ainsi allié les avantages dus à la simplicité de l'anémomètre à temps de transit à deux électrodes avec la précision de dispositifs plus complexes. Le principe du dispositif objet de l'invention est le suivant un système de repérage de l'angle de rotation du moteur permet de synchroniser la mesure avec le parcours du piston, donc avec les pulsations du débit d'air. D'autre part, afin d'éliminer le terme en sin )intervenant dans la moyenne du fait du débit pulsé le système déclenche deux mesures consécutives, de l'angle Ce parcouru pendant le temps de transfert du nuage ionique, dont il fait la moyenne pour obtenir le résultat final. Si les deux mesures sont faites avec une phase judicieusement choisie, il est possible de réaliser ainsi un élément de mesure du remplissage volumique vrai. Ainsi le dispositif objet de l'invention comporte - un anémomètre de type à mesure de temps de transit à deux électrodes, une d'émission et une de réception, - un générateur d'impulsions haute tension permettant l'ionisation et déclenchable extérieurement, - un système de repérage angulaire de la position du vilebrequin compor tant par exemple deux capteurs, l'un au droit d'un repère par tour, l'autre au droit d'une série de dents formant un repère incrémental, - un séquenceur générant à partir des repères précédents les impulsions de commande du générateur haute tension aux moments choisis, A1 et A2 à chaque demi-tour, - un détecteur qui détecte le passage du nuage d'ions face à l'antenne réceptrice en amplifiant le signal, - un élément de mesure qui permet de déterminer l'angle correspondant parcouru, pendant le transit du nuage ionique sur la distance D, par le vilebrequin, - un élément de calcul qui détermine le remplissage suivant une relation de calcul explicitée plus loin. La vitesse du gaz ainsi que les principaux repères utilisés sont représentés figure 1. L'hypothèse de base, vérifiée par la majorité des moteurs est celle d'une pulsation sinusoldale synchrone avec la rotation moteur, de fréquence double. Le remplissage du cylindre correspond donc à une période complète de sinusolde de vitesse (représentée en ordonnée) et une demi-période (% de l'angle de rotation moteur représenté en abscisse. Les deux mesures sont faites aux angles A1 et A2, décalés dee ete respectivement par rapport au passage de la vitesse par sa valeur moyenne. Les deux mesures donnent pour résultats 1 eut 2. La vitesse moyenne peut alors se calculer Vmoy. = 2.D. 1 + 2) D : distance interélectrodes. Le débit moyen volumique est alors : Qmoy = 2.D.S. II S : section de tubulure. Le remplissage devient : R = lr On voit que le remplissage est directement proportionnel à la somme des inverses des deux angles461 et 2. Le terme vitesse moteur n'intervient plus dans cette relation. Le résultat cherché est bien atteint. La détermination de l'angle de décalage initialeest expérimentale et est fonction de la réponse du capteur et de la constance de la position des ondes de pression dans la tubulure. Suivant la précision recherchée,tpeut être constant ou variable en onction de la vitesse moteur. Le dispositif décrivant une réalisation de l'invention est conçu avec un décalage # variable. Mais il n'y a aucune difficulté à réaliser un décalage # constant. Un débitmètre conçu sur le principe énoncé est donc une solution très intéressante à la mesure du débit volumique d'air à l'entrée d'un moteur. En effet, il a, d'une part, les qualités des systèmes à mesure de temps de transit : absence total de dérive, insensibilité à la température et à l'humidité, simplicité de réalisation mécanique. D'autre part, le circuit électronique de traitement, qui fait intervenir des techniques essentiellement numériques, sans aucun traitement de grandeurs analogiques se prête parfaitement à l'intégration à grande échelle, avec ou sans microprocesseur et donc à des réalisations à bas coût. Un tel débitmètre peut être appliqué aux moteurs 4 temps à allumage commandé mais n'est pas limité à ceux-ci : il est également utilisable pour les moteurs deux temps et pour les moteurs diesel. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui suit et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet on se reportera aux dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une courbe illustrant la vitesse d'écoulement d'un gaz dans une tubulure en fonction de l'angle de rotation d'un moteur, - la figure 2 illustre un anémomètre à temps de transit ainsi qu'une coupe de ce dernier par un plan transversal au niveau de l'électrode réceptrice, - la figure 3 illustre sous forme de schéma-bloc un mode de réalisation du dispositif de mesure suivant la présente invention, - la figure 4 illustre un mode de réalisation du retardateur de la figure 3. Les mêmes références désignent les mêmes organes sur les différentes figures. La figure 2 représente un anémomètre à temps de transit utilisable dans le dispositif objet de l'invention. Un corps métallique 1, relié à la masse électrique par la connexion M est parcouru par le gaz à la vitesse V inconnue. Une électrode d'émission 2, dont l'extrémité effilée est placée au centre du tube et qui est maintenue en place dans le tube par le manchon isolant 3 est reliée par la connexion E à un générateur. Une électrode réceptrice 4 est tendue dans l'axe du tube, à une distance D en aval de l'électrode d'émission 2. Elle est maintenue dans le tube par les manchons isolants 5 et 6, sa tension est assurée par le ressort 7 et la rondelle 8 et elle est reliée à un détecteur par la connexion électrique S. Cette description est donnée à titre indicatif, mais tout type d'anémomètre peut être utilisé : il suffit que la distance D soit adaptée à la gamme de mesure. La figure 3 représente un synoptique général du dispositif objet de l'invention. Le capteur 9, dont le corps 1 est relié à la nasse, a son électrode d'émission 2 connectée à un générateur d'impulsions haute tension 12 et son électrode de réception 4 connectée à un détecteur 14. Un volant 15 solidaire de l'arbre moteur 16 comprend deux séries d'encoches lues par deux capteurs de position : le capteur 17 lit le repère 18 comprenant deux tops par tour moteur situés aux points morts des cylindres (cas du 4 cylindres 4 temps, par exemple). Le capteur 19 lit le repère 20 comprenant un certain nombre de dents par degré moteur (d'autant plus que le système doit être précis). Les deux signaux issus des capteurs sont mis en forme par deux circuits 21 et 22 qui génèrent respectivement les signaux SY (2 repères par tour) et SP (référence angulaire). SD est connecté à l'une des entrées d'un retardateur 23, ainsi qu'à l'une des entrées d'une porte "ET" 24. Le signal SY est connecté à une autre entrée du retardateur 23 et à une des entrées, notée 25, d'un microprocesseur 26. Le retardateur 23 reçoit sur son entrée 27 le signal issu de la sortie 28 du microprocesseur 26 et génère à sa sortie 29 un signal connecté aux entrées d'une bascule 30 et du générateur 12. La sortie du détecteur 14 est connectée à l'autre entrée de la bascule 30 ainsi qu'à l'entrée d'interruption 31 du microprocesseur. La sortie de la bascule 30 est connectée à l'autre entrée de la porte "ET" 24 dont la sortie alimente l'entrée horloge 32 du compteur 33. L'entrée de remise à zéro de ce compteur est reliée à une sortie 34 du microprocesseur qui reçoit sur son entrée BUS 35 la sortie du compteur 33. Le microprocesseur génère le résultat en R par sa sortie 36. Le fonctionnement de l'ensemble est conforme à la description générale de l'invention donnée au début. Le retardateur 23, qui reçoit du microprocesseur 26 la valeur du décalage (voir figure 1), génère à partir des signaux SD et SY un signal aux instants A1 et A2 (figure 1). Ce signal active la bascule 90 qui autorise le comptage du compteur 33 par la porte 24 et déclenche l'impulsion de haute tension sur l'antenne d'émission 2 par le générateur 12. Lorsque le nuage ionique passe devant l'antenne 4, le détecteur 14 génère un signal qui remet à zéro la bascule 30 stoppant de ce fait le comptage du'compteur 33 et donne l'ordre au microprocesseur 26 de faire la lecture du résultat du comptage. Le microprocesseur effectue ensuite la remise à zéro du compteur préparant ainsi le système pour la mesure suivante. Le programme contenu dans le microprocesseur comprend deux parties : l'une, initialisée par le signal SY sur une entrée interruption, permet la mesure de la période moteur par comptage dans le tuner interne de la fréquence d'horloge. L'inverse du résultat est calculé, donnant une valeur de la vitesse dont la linéarité est approximative mais qui permet de lire dans une table (conte nue dans la partie R.O.M. de la mémoire du microprocesseur) la valeur de 9 correspondante et de l'afficher sur la sortie 28.La seconde partie du programme, initialisée par une impulsion sur l'entrée d'interruption 31 provoque la lecture du résultat de comptage du compteur 33 (valeur de l'angle i1 ou 2) le remise à zéro du compteur pour une mesure suivante et le calcul suivant l'expression i 1 R = %.S.D. p1 + 2) du remplissage R;Tr, S et D, constantes, étant introduites dans le programme. La mémoire vive du microprocesseur est utilisée pour stocker la valeur des jusqu a la mesure deû(2 pour permettre le calcul. Mais il faut noter que les indices 1 et 2 n'ont pas de rôle privilégié l'un par rapport à l'autre.Ainsi la première mesure donne 1 la deuxièmeQ(2 permettant un premier calcul. Mais2 devient 1 pour la troisième mesure et ainsi de suite. il y a donc un résultat à chaque demi-tour. Le résultat est donc disponible à la sortie 36 du microprocesseur 26, au rythme d'un résultat par demi-tour moteur. Le microprocesseur utilisé, du type monochip ou microcalculateur, n'est pas décrit. De nombreux types disponibles sur le marché sont utilisables. Les autres éléments ne sont pas décrits pour éviter d'alourdir l'exposé. Ainsi le générateur 12 est un amplificateur d'impu]sions haute tension tel qu'il en est décrit dans de nombreux ouvrages. Le détecteur 1g est un amplificateur écrêteur identique à celui qui est décrit dans le brevet français n0 77/20.080 déposé le 30 juin 1977 par la demanderesse pour "débitmètre à ionisation et microcalculateur associé. Les circuits de mise en forme 21 et 22 des capteurs de position sont également très connus de l'homme de l'art. Quant au retardateur 23, une réalisation est donnée pour exemple à la figure 4 : un décompteur 36 reçoit sur son entrée horloge 37 le signal SD,sur son entrée de chargement 38 le signal Si et sur ses entrées de prédétermination 39 la valeur de l'angle(correspondant à l'entrée 27 du retardateur 23). La sortie "retenue" 40 du décompteur 36 est reliée à l'entrée de déclenchement du circuit monostable 41, auquel sont connectés un condensateur 43 et une résistance 42. La sortie du monos table est, en fait, la sortie 29 du retardateur 23. Le fonctionnement est évident : à chaque signal SY, le décompteur 36 est chargé à la valeur 6 et génère une impulsion par le monostable 41 dès que e impulsions de SD ont été prises en compte. SY a donc bien été retardé. il est évident, que d'ici peu de temps, des microprocesseurs "monochip" comme celui utilisé à nombre élevé de bits de traitement vont faire leur apparition. De ce fait, le traitement du signal de sortie débitmètre pourra se faire en mesurant les temps correspondant à( et etC(2 et en recalculant les angles correspondants par division par la vitesse instantanée mesurée grâce à la roue phonique 20 et au capteur 19. Ceci sera rendu possible par l'augmentation de précision des calculs. Cette modification, dès maintenant prévisible, n'ajoutera en rien au caractère de l'invention dont le mode de réalisation décrit correspond à l'état actuel de la technique. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la quantité d'air R nécessaire au remplissage des cylindres d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il utilise en combinaison - un moyen de mesure de la vitesse d'écoulement de l'air (9, 12) à l'intérieur d'une tubulure d'admission, - un moyen de déclenchement lié à la position angulaire de l'arbre moteur (15 à 23), et - un moyen de traitement complexe (14, 26, 30, 33) permettant de provoquer la mesure à des époaues privilégiées en vue de l'obtention de la quantité R. 2 - Dispositif de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mesure de la vitesse d'écoulement de l'air (9, 12) à l'intérieur d'une tubulure d'admission est un anémomètre à temps de transit (9) comportant deux électrodes (2, 4) et associé à un générateur d'impulsions à haute tension (12) et à un détecteur (14). 3 - Dispositif de mesure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de déclenchement lié à la position angulaire de l'arbre moteur (15 à 23) comprend un volant (15) solidaire de l'arbre moteur (16) équipé de deux séries d'encoches lues par deux capteurs de position (17, 19) associés à un retardateur (23). 4 - Dispositif de mesure suivant la revendication 3, dans lequel le moyen de traitement complexe comprend un compteur dont la sortie est reliée à une entrée d'un microprocesseur, caractérisé en ce qu'une sortie dudit microprocesseur (26) est connectée en entrée (27) sur ledit retardateur (23) dont la sortie (29) est connectée en entrée en parallèle sur ledit générateur (12) d'impulsions haute tension et sur une bascule (30) connectée par une seconde entrée à la sortie dudit détecteur (14), la sortie de ladite bascule étant connectée à l'entrée horloge (32) dudit compteur (33). 5 - Dispositif de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit retardateur (23) comporte un décompteur (36) connecté par ses entrées (37, 38, 39) respectivement aux deux capteurs (17, 19) de position et à une sortie du microprocesseur (23) et par sa sortie à un monostable (41, 42, 43) relié audit générateur d'impulsions haute tension (12) et à ladite bascule (30) si bien que l'instant du déclenchement de la mesure peut être adapté aux eonditinns de fonction nement du moteur et que la précision du calcul ;eut êtrt: améliorée. 6 - Procédé de mesura de la quantité d'air R nécessaire au remplissage des cylindres d'un moteur à combustion interne à l'aide d'un dispo sitif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ci-dessus, caractérisé en ce que le microprocesseur effectue le calcul de la quantité R =#.S.D. (## + ##) dans laquelle - S est la section de la tubulure dans laquelle est inséré l'anémo mètre à temps de transit, - D est la distance séparant l'électrode émettrice (2) et l'électrode réceptrice (4) dans ledit anémomètre, 21 etb les calculs. 7 - Procédé de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les deux mesures qui sont faites pendant des temps mesurés par les quantités 1 etL(2 débutent à des angles A1 et A2 décalés de ≈et de + respectivement par rapport au passage de la vitesse d'écou- lement de l'air dans la tubulure par sa valeur moyenne.