Brevet FR2678684A1 — publié le 19930108

PROCEDE ET SYSTEME DE CALCUL DE LA MASSE D'AIR FRAIS DANS UN CYLINDRE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne les moteurs à combustion interne et, plus particulièrement dans de tels moteurs, un procédé et un système pour calculer la masse d'air frais contenu dans un cylindre. De nombreux paramètres sont utilisés pour commander un moteur à combustion interne, par exemple les instants d'allumage des bougies (moteur à essence), le taux de recirculation des gaz d'échappement et la quantité de carburant injectée. En ce qui concerne le rapport air/carburant, il est essentiel de connaître avec précision les deux éléments du rapport Le volume ou le poids du carburant peut être connu, avec une relative précision, par la durée d'injection de ce dernier dans le cas d'un moteur à injection Pour la masse d'air, plusieurs procédés sont utilisés tels que la mesure du débit d'air dans le collecteur d'admission aux différents cylindres, la mesure de la pression dans le collecteur d'admission combinée avec la mesure de la vitesse du moteur, la mesure de l'angle d'ouverture du papillon d'admission combinée avec la mesure de la vitesse moteur. Ces procédés ne conduisent pas à obtenir une valeur précise de la masse d'air admise dans chaque cylindre car les mesures sont effectuées dans le collecteur d'admission commun à tous les cylindres et non pas à l'intérieur de chaque cylindre. Un but de l'invention est donc de mettre en oeuvre un procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne à partir de mesures de pression à l'intérieur de chaque cylindre. Un autre but de l'invention est un système de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne un procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne dont chaque cylindre comporte un injecteur, une bougie, un capteur de pression et au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement, les injecteurs et les bougies étant commandés par les signaux fournis par un calculateur, ledit calculateur recevant une information de position angulaire e de l'arbre moteur et les signaux fournis par les capteurs de pression, ledit procédé de calcul de la masse d'air frais maf dans chaque cylindre étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: mesure de la tension de sortie de chaque capteur de pression pour au moins deux valeurs el et e 2 de la position angulaire de l'arbre moteur après la fermeture de la soupape d'admission et avant la combustion de manière à obtenir au moins deux valeurs U 91 et Ue 2 de ladite tension, détermination de la masse de carburant mc injecté dans le cylindre concerné et de la masse de gaz brûlés résiduels mgbr selon un des procédés connus, et calcul de la masse d'air frais maf à partir notamment, d'au moins les deux valeurs Ue 1 et Ue 2, de la masse de carburant mc injectée et de la masse des gaz brûlés lugbr- Selon l'invention, le calcul de la masse d'air frais maf est calculée en appliquant les relations suivantes: maf = a' (UG 2 Uel) b ( 5) avec a' = Vel x k Vx 2 et b = mc + mgbr R Tel Vel Vx 2 relations dans lesquelles: Ve 1 est le volume du cylindre concerné pour la position el, Ve 2 est le volume du cylindre concerné pour la position e 2, Tel la température absolue du mélange contenu dans le cylindre concerné pour la position el, R la constante des gaz parfaits, k la constante de proportionnalité du capteur de pression concerné, x un exposant qui est défini par la formule des gaz parfaits en compression polytropique tel que: Pel x Vxel = Pe 2 x Vxe 2 La masse maf d'air frais qui est calculée par cylindre pour chaque cycle moteur est utilisée de manière classique pour calculer: la masse de carburant à injecter dans ce cylindre en cours du cycle suivant, l'angle d'allumage et plus généralement toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 montre des diagrammes qui permettent de valider le procédé selon l'invention, et la figure 2 est un schéma simplifié d'un moteur à combustion interne et de son système de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le procédé de calcul de la masse d'air dans un cylindre de moteur à combustion interne selon l'invention est basé sur l'application de la loi des gaz parfaits au cylindre, soupape fermée soit: PV = m RT ( 1) dans laquelle: P est la pression dans le cylindre, V le volume du mélange air/carburant dans le cylindre, m la masse du mélange air/carburant, R la constante des gaz parfaits, T la température absolue. Comme P et V dépendent de la position du piston dans le cylindre, c'est-à-dire de l'angle e de rotation de l'arbre moteur, on peut écrire que la formule ( 1) est vraie pour chaque valeur de e, soit: Pe Ve = m R Te ( 2) avec m = maf + mc + mgbr maf étant la masse d'air frais, m C étant la masse de carburant, mgbr étant la masse des gaz brûlés résiduels, On peut alors déterminer maf par la formule: Pe V 8 maf = Po RT 8 mgbr mc = a Pe b ( 3) avec: Ve a = R Te et b = mgbr + mc, coefficients dans lesquels: Ve est déterminé par la position de l'arbre moteur, Te est mesurée, mc est la quantité connue de carburant injecté et mgbr est connue par le taux des gaz brûlés qui restent dans le cylindre après échappement, masse qui peut être mesurée ou calculée pour un moteur donné. Par contre, Pe n'est pas connue et l'invention prévoit sa mesure dans chaque cylindre à l'aide d'un capteur de pression Or, le capteur de pression ne donne qu'une valeur relative et il faut donc faire deux mesures successives pour deux positions el et 82 de l'arbre moteur. En effet, si l'on suppose que la compression est polytropique avant le début de la combustion, on peut écrire: P 8 e Vê 1 = Pe 2 V 82 = constante ( 4) que l'on peut écrire sous la forme: (k Uel + d) Vel = (k U 8 e 2 + d) Vx 2 si Uel et Ue 2 sont les tensions délivrées par le capteur de pression pour les angles e 1 et 82 respectivement: On obtient alors: k (Ve 2 Vx 2 Uel Vxl) d = Ve XI Vex 2 et la pression absolue Pe 1 par exemple est déterminée par: x x k(Ue 2 Ve 2 Uel Vex) Pe 1 = k Uel + d = k Ue 1 + Vel Ve 2 soit: Pel = k Vx 2 (Ue 2 Uel) = K (Ue 2 Uel) Vexl Vex 2 La formule ( 3) peut alors s'écrire: maf = a K (Ue 2 Ue 1) b, soit maf = a' (Ue 2 Ue 1) b ( 5) Ve 1 k Ve 82 avec a'= x ( 6) R Tel Vel Ve 2 Pour valider le procédé de calcul, la demanderesse a effectué des mesures directes sur banc moteur A cet effet, des mesures de la tension capteur en phase polytropique ont été effectuées, par exemple à e 1 = 40 et e 2 = 90 , ainsi que des mesures de maf, mc et mgbr. Selon la relation ( 5), on doit avoir: maf + b Ue 2 Uel = a = Amaf + B a' avec A = 1/a' et B = b/a' c'est-à-dire une droite de pente A et d'ordonnée B à l'origine. Les mesures directes au banc moteur consistent à faire tourner le moteur à une vitesse constante et à mesurer (U 90 o-U 40 o) pour différentes valeurs mesurées de la masse d'air frais injectée. On a relevé les valeurs suivantes: (a) N = 1200 tours/minute maf 0,292 0,386 0,473 0,560 0,662 U 90 o-u 4 o O41 50,5 60 70 81,5 soit une droite définie par l'équation: U 90 o-U 40 o = 110 maf + 8,41 avec un coefficient de corrélation de 0,9997. (b) N = 2 300 tours/minute maf 0,331 0,422 0,518 0,616 0,704 U 90 o-U 40 o44,5 54 64,5 75,5 87,5 soit une droite définie par l'équation: U 90 o-U 40 o = 114 maf + 5,96 avec un coefficient de corrélation de 0,9987. (c) N = 3 600 tours/minute maf 0,301 0,392 0,496 0,591 0,696 U 90 o-U 40 o43 53 65 77 8 soit une droite définie par l'équation: U 90 o-U 40 o = 118 maf + 6,97 avec un coefficient de correlation de 0,9998. (d) N = 4 400 tours/minute maf 0,351 0,456 0,549 0,660 U 90 o-U 40 o49,5 63 77 90 10 soit une droite définie par l'équation: U 90 o-U 40 o = 133 mag + 2,87 avec un coefficient de corrélation de 0,9995. 9,5 0,760 Ces mesures et ces droites ont été reportées sur la figure 1, les abscisses ayant été graduées en valeurs de maf et les ordonnées en valeurs de (U 90 o-U 40 o) Les droites 10, 11, 12 et 13 correspondent respectivement aux vitesses moteur de 1 200 tours/minute, 2 300 tours/ minute, 3 400 tours/minute et 4 400 tours/minute. Le procédé selon l'invention comprend donc les opérations suivantes: mesure de la tension de sortie d'un capteur de pression associé à chaque cylindre pour deux valeurs e 1 et e 2 de l'arbre moteur après la fermeture de la soupape d'admission et avant la combustion du mélange de manière à obtenir deux valeurs Ueî et Ue 2 de ladite tension; détermination de la masse de carburant injecté mc de l'injection correspondant au cycle en cours et de la masse mgbr des gaz brûlés selon les procédés habituels; calcul de la masse d'air frais maf par la relation ( 5) avec le coefficient a' calculé par la formule ( 6) et b = mgbr + mc. Cette masse d'air frais maf, résultant du calcul correspond au cycle en cours, est utilisée pour le calcul du temps d'injection du cycle suivant et ceci pour chaque cylindre, de l'angle d'allumage et plus généralement de toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres. Le système qui permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sera décrit (figure 2) dans son application à un moteur quatre cylindres C 1, C 2, C 3, et C 4 qui sont alimentés en air par un collecteur d'admission 20 commun aux quatre cylindres L'entrée de ce collecteur d'admission est commandée par une vanne-papillon 21 liée à l'accélérateur Au niveau de chaque cylindre, ce conduit 20 se subdivise en quatre tubulures d'admission T 1, T 2, T 3 et T 4 aboutissant chacun à une soupape d'admission SA 1, SA 2, SA 3 et SA 4 A chaque tubulure est associé un injecteur de carburant Il, I 2, I 3, et I 4. Chaque cylindre comporte une bougie B 1, B 2, B 3, ou B 4 pour l'allumage du mélange détonnant et un capteur de pression CP 1, CP 2, CP 3, et CP 4. Après explosion du mélange détonant, les gaz brûlés sont évacués vers une tubulure d'échappement TE 1, TE 2, TE 3, et TE 4 par une soupape d'échappement SE 1, SE 2, SE 3 et SE 4, les quatre tubulures se réunissant pour former un conduit d'échappement 22. La position angulaire de l'arbre moteur est repérée à l'aide d'une roue dentée 25 solidaire de l'arbre moteur et associée à un détecteur 26 dont la borne de sortie est connectée à une entrée d'un calculateur 27. Le calculateur fournit de manière classique les signaux de commande des injecteurs Il à 14 et des bougies Bl à B 4 en fonction de divers paramètres tels que la vitesse moteur, la position de l'accélérateur, celle du papillon 21. Selon l'invention, les signaux fournis par les capteurs de pression C Pl à CP 4 sont appliqués au calculateur 27 qui réalise, pour chaque cylindre, les calculs définis par le procédé décrit ci-dessus Bien entendu, d'un cylindre à l'autre, les valeurs de el et e 2 sont différentes et il n'est tenu compte des signaux des capteurs de pression que pour les valeurs e 1 et e 2 par un échantillonnage approprié. La masse de carburant mc de chaque cylindre pour un cycle donné est déterminée par le calculateur 27 à partir de la valeur de maf calculée pour le cycle précédent, c'est ce qui fixe la durée d'ouverture des injecteurs Il à I 4. La description qui vient d'être faite du procédé et système selon l'invention permet un calcul de la masse d'air frais dans chaque cylindre à chaque cycle et donc de calculer ensuite la masse de carburant à injecter dans le cylindre correspondant au cours du cycle suivant, ainsi que l'angle d'allumage et, plus généralement, toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres. Les capteurs de pression C Pl à CP 4 remplacent le capteur de pression du collecteur d'admission ou le débitmètre dont les informations sont habituellement utilisées pour effectuer la commande du moteur par l'intermédiaire du calculateur 27. REVENDICATIONS 1 Procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne dont chaque cylindre (CI à C 4) comporte un injecteur (Il à I 4), une bougie (B 1 à B 4), un capteur de pression (C Pl à CP 4)et au moins une soupape d'admission (SA 1 à SA 4) et au moins une soupape d'échappement (SEI à SE 4), les injecteurs (Il à I 4) et les bougies (B 1 à B 4) étant commandés par les signaux fournis par un calculateur ( 27), ledit calculateur ( 27) recevant une information de position angulaire e de l'arbre moteur et les signaux fournis par les capteurs de pression (C Pl à CP 4), ledit procédé de calcul de la masse d'air frais maf dans chaque cylindre étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: mesure de la tension de sortie U de chaque capteur de pression pour au moins deux valeurs el et e 2 de la position angulaire de l'arbre moteur avant combustion de manière à obtenir au moins deux valeurs Uel et Ue 2 de ladite tension, détermination de la masse de carburant mc injectée dans le cylindre concerné et de la masse de gaz brûlés mgbr selon un des procédés connus, et calcul de la masse d'air frais maf à partir notamment d'au moins les deux valeurs Uel et Ue 2, de la masse de carburant mc injectée et de la masse des gaz brûlés mgbr. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la masse d'air frais maf est obtenu en appliquant les relations suivantes: maf = a' (Ue 2 Uel) b ( 5) avec a' = Vel x k V 2 et b = mc + mgbr R Te 1 Vl V 82 relations dans lesquelles: Ve 1 est le volume du cylindre concerné pour la position el, Ve 2 est le volume du cylindre concerné pour la position e 2, Tel est la température absolue du mélange contenu dans le cylindre concerné pour la position e 1, R est la constante des gaz parfaits, k est la constante de proportionnalité du capteur de pression concerné, x est un exposant qui est défini par la formule des gaz parfaits en compression polytropique tel que: Pel x V 1 = Pe 2 x Ve 2 3 Système pour calculer la masse d'air frais maf contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion selon le procédé de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur de pression (C Pl à CP 4) par cylindre qui fournit un signal électrique représentatif de la pression à l'intérieur du cylindre auquel il est associé, des moyens pour mesurer le signal électrique (Ue 1, Ue 2) fourni par chaque capteur de pression (C Pl à CP 4) à deux instants déterminés e 1 et e 2 de chaque cycle moteur, un calculateur ( 27) pour calculer, à partir des signaux électriques (Ue 1, Ue 2) fournis par chaque capteur, la masse d'air frais maf selon la relation définie dans la revendication 2.