Brevet FR2738299A1 — publié le 19970307

Etat de la technique. L'invention concerne un procédé pour détecter des ratés d'allumage d'un moteur à combustion interne, sur la base d'un premier signal représentant l'irrégularité du mouvement du vilebrequin du moteur à combustion interne, selon lequel on gé- nère un second signal périodique de durée de la période corres- pondant à un cycle de fonctionnement du moteur à combustion interne ou dont la durée est divisée par un nombre entier et qui présente une phase fixe par rapport au mouvement de rota- tion de l'arbre à cames. Les ratés à l'allumage conduisent à une augmenta- tion de l'émission des composants polluants pendant le fonc- tionnement du moteur à combustion interne; ces émissions peuvent en outre endommager le catalyseur de la tubulure des gaz d'échappement du moteur. Pour respecter la réglementation de la surveillance embarquée des fonctions relatives aux gaz d'échappement, il est nécessaire de déceler les ratés de la combustion dans toute la plage des vitesses de rotation et des charges du moteur. Il est connu dans ce contexte que pendant le fonc- tionnement avec des ratés, on a des variations caractéristiques de la courbe de vitesse de rotation du moteur à combustion in- terne par rapport au fonctionnement normal sans raté. La compa- raison de ces courbes de vitesse de rotation permet de distinguer le fonctionnement normal sans raté et le fonctionne- ment avec des ratés. Un système de détection des ratés de combustion se compose de blocs fonctionnels pour la détection, pour le trai- tement des signaux et pour l'extraction des caractéristiques et leur classement. Les moyens de détection concernent par exemple des segments de temps, c'est-à-dire des périodes au cours des- quelles le vilebrequin dépasse une certaine plage de vitesses angulaires. Dans le bloc d'extraction des caractéristiques, on forme des signaux caractéristiques à partir des segments de temps; dans le bloc de classement en aval, à partir de ces si- gnaux caractéristiques, on décèle les ratés, par exemple, par des comparaisons de seuil ou aussi par d'autres applications de réseaux neuronaux ou autres procédés connus. Selon le document DE-OS-41 38 765, on connaît déjà un système à base de comparaisons de seuil. Selon ce procédé connu, on réalise les segments, par exemple, par des marquages sur une roue phonique couplée au vilebrequin. Les segments de temps dans lesquels le vilebrequin dépasse cette plage angulaire, dépendent entre autres de l'énergie transformée dans la phase de combustion. Les ratés conduisent à une augmentation des segments de temps détectée de manière synchrone à l'allumage. Selon le procédé connu, à partir des différences des segments de temps, on calcule une mesure de l'irrégularité de fonctionnement du moteur; on compense en même temps par le calcul, les processus dynamiques lents comme par exemple la montée de la vitesse de rotation du moteur lorsqu'on accélère le véhicule. Une valeur d'irrégularité de fonctionnement calcu- lée de cette manière pour chaque allumage est également compa- rée en synchronisme à l'allumage à un seuil prédéterminé. Le dépassement de ce seuil dépendant, le cas échéant, des paramè- tres de fonctionnement tels que la charge et la vitesse de ro- tation, est interprété comme un raté. Ce procédé repose ainsi uniquement sur l'extraction des caractéristiques dans la plage de temps. Selon les documents US-5 200 899 et US-5 239 473, on connaît d'autres procédés utilisant pour l'extraction des caractéristiques, la transformation des signaux de vitesse de rotation dans la plage des fréquences à l'aide de transforma- tions de Fourier discrètes. La représentation des résultats permet de reconnaître une application par blocs de la transfor- mation aux signaux de vitesse de rotation; un bloc est par exemple formé de m signaux de vitesse de rotation obtenus au cours d'une rotation de l'arbre à cames. Toutefois, les ratés isolés ne sont pas séparés de manière optimale. Par contre, si on effectue la transformation de manière décalée, c'est-à-dire si l'on décale le bloc d'exploitation de m signaux de vitesse de rotation chaque fois de moins d'une rotation de l'arbre à cames, on rencontre des inconvénients pour déceler les ratés permanents. La sécurité avec laquelle les procédés connus per- mettent de déceler les ratés diminue évidemment suivant que les ratés isolés se répercutent moins sur la vitesse de rotation du vilebrequin. Elle diminue ainsi avec l'augmentation des cylin- dres du moteur à combustion interne, de l'augmentation de la vitesse de rotation et de la diminution de la charge. La faible sécurité de détection augmente le risque de détection des erreurs. De plus, les moyens à mettre en oeu- vre pour adapter le procédé aux différents états de fonctionne- ment sont importants. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de développer un procédé améliorant la sécurité de la détection des ratés de moteur à combustion interne ayant un nombre impor- tant de cylindres, aux vitesses de rotation élevées et aux fai- bles charges. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le second signal est modulé et filtré par un signal reposant sur le premier si- gnal et le signal obtenu par modulation et filtrage est utilisé pour détecter les ratés et pour identifier le cylindre concer- né. L'invention concerne un traitement de signal et une extraction de caractéristiques. Le coeur de l'invention con- siste à soumettre le signal fourni par les moyens de détection à la fois à une opération de modulation et à un filtrage. Pour la modulation, on génère tout d'abord un signal périodique syn- chrone en phase avec la rotation de l'arbre à cames puis ces paramètres sont influencés par le signal fourni et, le cas échéant, traités par les moyens de détection. L'ordre dans le- quel se font la modulation et le filtrage selon l'invention, peut être modifié. Il est toutefois particulièrement avantageux de filtrer après la modulation. Comme le signal selon l'invention a une phase syn- chrone à la rotation du vilebrequin, le signal modulé contient également une phase synchrone à l'arbre à cames. Cela permet d'associer les ratés reconnus à leur cylindre. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre de manière générale le domaine de l'invention, - la figure 2 montre un calculateur applicable à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 3 montre le principe connu pour former des segments de temps à la base d'une mesure de l'irrégularité de fonctionnement reposant sur des mesures de vitesse de rota- tion, - la figure 4 montre un premier exemple de réalisa- tion de l'invention sous la forme d'un schéma fonctionnel par blocs, - la figure 5 montre l'effet des ratés sur une re- présentation de la plage des fréquences, - la figure 6 montre des signaux qui se produisent lors de la mise en oeuvre de l'invention, - la figure 7 montre un second exemple de réalisa- tion de l'invention. La figure 1 montre un moteur à combustion interne 1 équipé de moyens de détection (capteurs) comprenant une roue phonique 2 (générateur d'angle) munie de repères 3 et d'un cap- teur d'angle 4 ainsi que d'un bloc 5 schématisant l'extraction des caractéristiques, d'un bloc 6 schématisant le classement et d'un moyen 7 pour afficher l'occurrence des ratés de combustion (appelés ci-après en abrégé ratés). Le mouvement de rotation de la roue phonique couplée au vilebrequin du moteur à combustion interne est converti en un signal électrique par le capteur d'angle 4 en forme de capteur inductif; la périodicité de ce signal est une image du passage périodique des repères 3 dans le capteur d'angle 4. La durée comprise entre une montée et une descente du niveau du signal correspond ainsi au temps néces- saire au vilebrequin pour parcourir une plage angulaire corres- pondant à un marquage. Les segments de temps sont traités dans les étapes suivantes: Le calculateur utilisé à cet effet peut être par exemple conçu comme indiqué à la figure 2. Une unité de calcul 2.1 assure la liaison entre un bloc d'entrée 2.2 et un bloc de sortie 2.3 en utilisant des programmes et des données enregis- trés dans une mémoire 2.4. La figure 3a montre une subdivision de la roue pho- nique en quatre segments; chaque segment comporte un nombre prédéterminé de repères ou marquages. Le marquage OTk corres- pond au point mort haut du piston du cylindre d'ordre k d'un moteur à combustion interne qui, dans le présent exemple, est à huit cylindres (z = 8); ce cylindre est dans sa phase de com- bustion. Autour de ce point on a défini une plage d'angle de rotation wk s'étendant dans cet exemple sur un quart des repè- res de la roue phonique. De façon analogue, aux phases de com- bustion des autres cylindres, on a associé des plages angulaires wl...w8; on suppose que le moteur fonctionne sui- vant un cycle à quatre temps, le vilebrequin tournant deux fois pour un cycle de fonctionnement complet. C'est pourquoi, la plage wl du premier cylindre correspond par exemple à la plage w5 du cinquième cylindre, et ainsi de suite. La position et la longueur des segments peuvent être modifiées suivant chaque ap- plication. On peut également envisager des segments qui se che- vauchent, un nombre supérieur à z segments pour une rotation de l'arbre à cames ou des positions différentes des segments par rapport au point mort haut des cylindres. L'utilisation d'un signal de segment de temps comme signal d'entrée pour l'étage d'extraction des caractéristiques est avantageuse car elle per- met de traiter des signaux existants déjà dans une commande de moteur. Les tolérances mécaniques de la roue phonique peuvent se compenser par le calcul comme cela est par exemple connu se- lon le document US 5 263 365. A la place des segments de temps, on peut également utiliser comme signal d'entrée, la vitesse de rotation moyenne associée aux différentes plages angulaires du vilebrequin. Par exemple, pour les explications suivantes, on utilise la répartition introduite ci-dessus avec z segments par rotation de l'arbre à cames. D'autres signaux d'entrée de l'étage d'extraction de caractéristiques sont la vitesse de rotation n du moteur, la charge tl, la température T et un signal b pour l'identifica- tion du premier cylindre. La figure 3b représente les durées ts au cours des- quelles sont parcourues les plages angulaires par le mouvement de rotation du vilebrequin. On suppose qu'il y a un raté dans le cylindre k. La réduction du couple lié à ce raté conduit à une augmentation de la durée ts. Les durées ts représentent ainsi déjà une mesure de l'irrégularité de fonctionnement qui convient en principe pour détecter les ratés. La figure 3c montre l'influence des variations de vitesse de rotation sur la saisie des durées ts. Cette figure montre le cas d'une diminution de la vitesse de rotation comme elle se produit de manière caractéristique en mode de fonction- nement en poussée (inertie forcée ou frein moteur) d'un véhi- cule automobile. Pour compenser cet effet qui se traduit par un allongement relativement régulier des durées saisies ts, il est par exemple connu de former un terme correctif D pour la com- pensation dynamique et de tenir compte de ce terme pour calcu- ler l'irrégularité de fonctionnement, de manière à compenser l'effet d'allongement. La figure 4 montre le bloc 5 de la figure 1 sous une forme plus détaillée. Le bloc 4.1 correspond à une horloge angulaire tournant en synchronisme avec l'arbre à cames. Ce bloc reçoit un signal d'identification b qui identifie un cy- lindre particulier par exemple le premier cylindre. Le bloc 4.1 génère un signal périodique p(n) synchrone en phase avec la ro- tation de l'arbre à cames. n désigne les allumages. Un exemple d'un tel signal est donné par la fonction angulaire en dents de scie, 2x p(n) = mod2z(n.k. -) z Dans cette fonction, z correspond au nombre des cy- lindres et k à l'ordre, c'est-à-dire au nombre de périodes d'oscillation par rotation de l'arbre à cames. L'ordre choisi définit les composantes du signal utilisées pour l'exploitation. Des ratés permanents dans un cylindre apparais- sent par exemple également avec l'ordre 1 car ils se répètent après chaque rotation de l'arbre à cames. Les explications sui- vantes concernent l'ordre k = 1. Pour un moteur à 4 cylindres (z = 4), on a repré- senté le signal de sortie p(n) du bloc 4.1 pour n = 0 jusqu'à 12 à la figure 4a. A partir du signal fourni par le bloc 4.1, le bloc 4.2 génère comme générateur de phases, l'oscillation périodique synchrone en phase avec la rotation de l'arbre à ca- mes par exemple sous la forme d'une fonction exponentielle com- -j(p(n) plexe e j. Cette oscillation est combinée par multiplica- tion avec les segments de temps ts"(n) par multiplication dans le bloc 4.5. Les segments de temps fournis au bloc 4.5 peuvent être traités tels quels comme cela est indiqué par les blocs 4.3 et 4.4. Le bloc 4.3 représente une adaptation de capteur et le bloc 4.4 une correction dynamique. Les deux blocs peuvent travailler indépendamment de la charge tl et de la vitesse de rotation m du moteur. Ils servent avantageusement dans une ap- plication de l'invention. Toutefois, l'invention peut en prin- cipe ne pas utiliser ces blocs par exemple lorsque les signaux des capteurs sont suffisamment précis sans correction et que le moteur à combustion interne fonctionne à des points de fonc- tionnement stationnaires. Une adaptation de capteurs compense les irrégularités mécaniques de la roue phonique qui se réper-25 cutent sur la détection du temps. En mode d'inertie forcée, on peut saisir des temps pour des segments comparables et les com- parer entre eux. Les différences proviennent des irrégularités mécaniques que l'on peut compenser par des corrections de cal- cul. Pour la compensation dynamique on détecte les variations30 de vitesse de rotation qui s'étalent sur plusieurs segments de temps et on élimine par leur calcul leur influence sur un cer- tain segment de temps. La figure 4b représente les temps de segments ts"(n) et le cas échéant traités pour z = 4 et n = 0 - 12. On suppose un raté permanent dans le quatrième cylindre; cela se traduit par un allongement des segments de temps correspondants pour n = 3, 7 et 11. Par la combinaison des segments de temps avec un signal généré dans le bloc 4.2 (Symbole 4.5) on obtient les valeurs des signaux représentées par des points dans le plan complexe de la figure 4c. Un filtrage par un filtre passe- bas appliqué à ces signaux dans le bloc 4.6 ou selon la for- mule, Z-1 q(n) - ts(n - i) Z i=O donne un signal de caractéristique q(n) tel que celui représen- té qualitativement à la figure 4c sous la forme d'une flèche. Le signal de caractéristique q(n) possède dans ce cas une cer- taine amplitude (longueur de la flèche) indiquant que des ratés se produisent. La direction de la flèche indique que le qua- trième cylindre est concerné par des ratés. Dans le cas de ra- tés dans le premier cylindre, la flèche serait dirigée dans la direction de l'axe positif Re; pour des ratés dans le deuxième cylindre la flèche serait dirigée dans la direction de l'axe négatif Im et dans le cas de ratés dans le troisième cylindre, la flèche serait dirigée dans la direction de l'axe négatif Re. Ainsi, il est possible de reconnaître les ratés et d'identifier les cylindres correspondants, dans le cadre des exemples de réalisation de l'invention, en exploitant l'amplitude et la phase du signal de caractéristique q(n). La figure 5 montre l'effet des ratés dans la repré- sentation de la plage de fréquences. Dans cette figure la courbe en trait plein repré- sente les composantes des fréquences des différents ordres dans le signal du segment de temps. L'ordre 0 correspond à la compo- sante continue du signal. Les petits maxima pour les différents ordres (k>0) s'associent à différents effets. Les composantes d'ordre supérieur à 1 peuvent par exemple être provoquées par les irrégularités mécaniques de la roue phonique. Le premier ordre correspond à la fréquence de l'arbre à cames et ainsi à la fréquence des ratés permanents dans un cylindre. La ligne en trait plein présente une composante relativement petite du pre- mier ordre; cela est caractéristique pour un fonctionnement sans raté. Si par contre, des ratés se produisent dans un cy- lindre, cette composante augmente significativement comme cela est indiqué schématiquement à la figure 5 par une partie de courbe en trait interrompu. Dans le premier exemple de réalisation du procédé selon l'invention, la modulation produit un décalage du spectre du signal d'un ordre vers la gauche; ainsi la composante ca- ractéristique d'un raté se déplace vers l'emplacement de la composante continue. Le filtrage par un filtre passe-bas effec- tué alors sépare la composante du premier ordre des autres com- posantes du signal. Le résultat de ce décalage de fréquence et le fil- trage se retrouvent dans une certaine mesure dans la figure 4c car les composantes continues des signaux se compensent réci- proquement et seule la composante de signal provoquée par un raté subsiste sous la forme de la longueur de la flèche. En même temps, la vue de la figure 4c montre que la direction de la flèche est indépendante de la position des quatre valeurs soumises au filtrage passe-bas. Le procédé va ainsi au-delà d'un simple filtrage de fréquence ou d'ordre et permet grâce à la position de la phase du signal de caractéristique d'assurer une identification du cylindre. La figure 6 montre des courbes de mesure obtenues par la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure 6a représente la trajectoire, c'està-dire le tracé en fonction du temps d'un signal de caractéristique q(n) formé selon l'inven- tion, en utilisant les coordonnées polaires, c'est-à-dire l'amplitude et l'angle de phase. Le point de la caractéristique se déplace ainsi principalement à proximité du centre, c'est-à- dire avec une faible amplitude et des angles de phase à répar- tition aléatoire comme cela est le cas d'un fonctionnement sans raté. Pour un seul raté, le point s'échappe dans une certaine mesure dans une autre plage éloignée du centre d'une certaine amplitude et possède une phase définie d'une manière relative- ment précise. Cette figure montre clairement que même un seul raté peut être détecté par l'invention et être attribué à un cylindre. La figure 6b montre des ratés permanents dans 6 cy- lindres d'un moteur à 12 cylindres. Cette figure indique clai- rement que les points des caractéristiques de ratés dans les différents cylindres se concentrent dans les plages du système de coordonnées qui se distinguent les unes des autres et peu- vent ainsi être décelées. En d'autres termes: le procédé selon l'invention contient dans une cer- taine mesure une correction de phase intégrée de sorte que les composantes du signal pour les différents ratés donnent des trajectoires très étroites. En combinaison avec la position des maxima cela favorise l'identification des cylindres. Même pour des ratés permanents on arrive à des espaces de classe, com- pacts avec des transitions caractéristiques permettant une très bonne séparation. Le signal de caractéristique q(n) formé selon l'invention présente de bonnes propriétés pour l'étape de clas- sement suivante. En variante de l'exemple de réalisation de la fi- gure 4 on peut inverser l'ordre d'une opération de modulation et de filtrage. La figure 7 montre ce cas. Contrairement à la figure 4, le filtrage passe-bas est remplacé par un filtrage passe-bande. Dans les deux exemples de réalisation, on peut utiliser des ordres négatifs: 1 z- 1 J.27k / z tsm(n) - Z ts" (n i. z i=O q(n) = tsM(n. e-i-( Cet exemple de réalisation demande néanmoins plus de calculs. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé pour détecter des ratés d'allumage d'un moteur à combustion interne, sur la base d'un premier signal représen- tant l'irrégularité du mouvement du vilebrequin du moteur à combustion interne, selon lequel on génère un second signal périodique de durée de la période correspondant à un cycle de fonctionnement du moteur à combustion interne ou dont la durée est divisée par un nombre entier et qui présente une phase fixe par rapport au mouvement de rotation de l'arbre à cames, caractérisé en ce que, le second signal est modulé et filtré par un signal reposant sur le premier signal et, le signal obtenu par modulation et filtrage est utilisé pour détecter les ratés et pour identifier le cylindre concerné. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que à partir de l'amplitude du troisième signal, on conclut quant à l'occurrence de ratés et avec la phase on détermine le cylindre concerné. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, on effectue d'abord la modulation puis on filtre le signal mo- dulé par un filtre passe-bas. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, on effectue un filtrage par un filtre passe-bande du premier signal le cas échéant préparé, avant de le moduler.