Brevet FR2747467A1 — publié le 19971017

La présente invention est relative à un procédé d'estimation du couple délivré par un moteur à combustion interne et, plus particulièrement, à un tel procédé mis en oeuvre à partir de l'observation des variations de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur. Le couple délivré par un moteur à combustion interne est un paramètre important pour caractériser l'état de fonctionnement et les performances d'un tel moteur, notamment lorsque celui-ci propulse un véhicule automobile. Des appareils dits "couplemètres" permettent de mesurer le couple délivré par un moteur, lors d'essais au banc. Il n'est pratiquement pas possible d'embarquer un tel appareil dans un véhicule automobile, notamment pour des raisons de coût. Aussi a-t-on proposé divers procédés d'estimation du couple, à partir de mesures de la vitesse instantanée du moteur délivrées par un capteur couramment installé aujourd'hui dans les véhicules automobiles dont le moteur est commandé par un calculateur alimenté par divers signaux, dont celui fourni par le capteur de vitesse. On peut consulter à cet égard la publication de 1989 de W.B. RIBBENS et G. RIZZONI, intitulée "Applications of precise crankschaft position measurements for Engine testing, control and diagnosis" référencée SAE 890885 dans les publications de la "Society of Automotive Engineers" des USA. Cette publication décrit un procédé consistant à effectuer des calculs matriciels sur des mesures de vitesses instantanées réalisées au cours de chaque cycle moteur, en vue d'en déduire la valeur absolue du couple pour chaque cylindre et de détecter ainsi les variations anormales dudit couple. Ces calculs sont complexes et exigent des moyens de calcul puissants qu'il n'est actuellement pas concevable d'embarquer sur un véhicule automobile. De plus, selon cette publication, il semble que ce procédé ne soit utilisable qu'à bas régime (inférieur à 3500 tours/mn). D'autres procédés d'estimation du couple font appel à une observation des variations de la vitesse du moteur sur un "horizon" temporel couvrant plusieurs phases de combustion successives du mélange air/carburant dans plusieurs cylindres du moteur. Une anomalie de combustion, tel qu'un raté d'allumage par exemple, dans l'un des cylindres observés, perturbe alors sensiblement l'observation globale réalisée et donc l'estimation qu'on en tire. On connaît encore de la demande de brevet européen 532 419 déposée au nom de Régie Nationale des Usines Renault SA, un procédé et un dispositif pour produire une valeur représentative du couple "gaz" moyen engendré par chaque combustion d'un mélange dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, le procédé consistant à élaborer une valeur "primaire" représentative de la durée de défilement devant un capteur de chacun d'une pluralité de repères de mesure disposés sur une couronne solidaire du volant d'inertie ou du vilebrequin du moteur, à traiter la valeur primaire pour produire deux valeurs secondaires respectivement représentatives de la vitesse angulaire moyenne sur les repères au cours d'une période de combustion dans le moteur et de la projection, sur une ligne de référence de phase des repères afférents aux périodes angulaires de combustion, de la composante alternative de la vitesse angulaire instantanée des repères, et à combiner ces deux valeurs secondaires pour en tirer une valeur représentative du couple recherché. Ce procédé est susceptible de donner un résultat satisfaisant dans la mesure où 1) le "centre de combustion", ou maximum de pression dans un cylindre lors d'une combustion, reste sensiblement calé sur une position angulaire fixe du vilebrequin et 2) la vitesse moyenne du moteur ne varie pas sensiblement dans l'intervalle entre deux points morts haut (PMH). On a représenté à la figure unique du dessin annexé les graphes des variations de la pression P dans un cylindre où se produit une combustion et les variations de vitesse angulaire Q correspondantes, entre deux points morts haut PMH atteints consécutivement par deux pistons circulant dans deux cylindres d'un moteur, à quatre cylindres par exemple. On constate expérimentalement qu'à des régimes élevés, avec un mélange air/carburant de richesse normale, le centre de pression P m.a.e reste centré sur une position fixe par rapport au point mort haut PMH, située dans le premier quart de l'intervalle angulaire séparant deux PMH consécutifs. Les fluctuations correspondantes de la vitesse angulaire du moteur sont représentées en QO et présentent un maximum Qo max situé sensiblement à la fin du deuxième quart de l'intervalle entre PMH. Par contre, dans d'autres modes de fonctionnement du moteur, par exemple à bas régime ou à régime moyen avec un mélange air/carburant de faible richesse, le pic de pression peut se décaler jusqu'à 45 d'angle de rotation du vilebrequin (position Pr.ax) ) par rapport au centre de pression PDmax. On observe un déphasage correspondant de la vitesse angulaire #90 correspondante, qui est alors déphasée de #/2 par rapport aux fluctuations sensiblement sinusoïdales de la vitesse QO, à la fréquence des points morts haut PMH. En dehors de ces modes de fonctionnement, on observe un déphasage AO de Q par rapport à Q-, intermédiaire entre 0 et w/2. On conçoit qu'un algorithme de calcul d'une estimation du couple d'un moteur à combustion interne qui ne tiendrait pas compte de ce déplacement du pic ou maximum de vitesse angulaire du vilebrequin, ne saurait procurer une estimation satisfaisante de ce couple, dans tous les modes de fonctionnement possibles du moteur. La présente invention a précisément pour but de fournir un procédé d'estimation de ce couple qui soit fiable quel que soit le mode de fonctionnement du moteur, et quelle que soit la rapidité des variations de la vitesse moyenne de ce moteur. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé d'estimation du couple délivré par un moteur à combustion interne, à partir des variations de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur, ce procédé étant remarquable en ce que a) on définit, pour chaque phase de combustion d'un mélange air/carburant dans chacun des cylindres du moteur, une fenêtre d'observation délimitée par des positions angulaires prédéterminées du vilebrequin, b) on mesure dans chaque fenêtre une série d'écarts temporels AT séparant les passages du vilebrequin dans des positions angulaires prédéterminées, c) on calcule deux combinaisons linéaires La-ATX et CblT- des écarts temporels ATi, chacun des coefficients a et bi de ces combinaisons étant choisi pour amplifier les variations, dans ladite fenêtre d'observation, de la composante alternative de la vitesse angulaire du vilebrequin lors de la mesure de l'écart temporel AT correspondant, dans des premier et deuxième modes de fonctionnement du moteur respectivement pour lesquels les composantes alternatives observées sont déphasées l'une par rapport à l'autre d'un angle prédéterminé, et d) on tire une estimation du couple de la valeur d'une norme appliquée aux deux combinaisons linéaires et rapportée à la puissance cubique AT3 de l'écart temporel moyen mesuré dans une fenêtre prédéterminée. Comme on le verra plus loin, ce procédé permet d'estimer précisément le couple délivré par le moteur dans tous les modes de fonctionnement de celui-ci, qu'ils soient aussi différents qu'un fonctionnement à régime normal ou élevé et un fonctionnement à bas régime ou à régime moyen et richesse faible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique réunit des graphes utiles à la compréhension du procédé suivant l'invention. Comme illustré sur cette figure, ce procédé est essentiellement basé sur l'observation des effets d'une combustion d'un mélange air/carburant dans un cylindre du moteur à combustion interne, sur la vitesse angulaire Q du vilebrequin de ce moteur. Après allumage du mélange, la pression dans le cylindre atteint un maximum Ps trax peu après le point mort haut PMH, en régime normal ou élevé, ou un maximum plus ou moins retardé par rapport à P .aXs à bas régime par exemple, comme on l'a vu en préambule de la présente description. Il y a ensuite détente des gaz dans le cylindre, détente qui se développe jusqu'à ce qu'un autre piston atteigne à son tour son point mort haut, au cours d'un cycle de fonctionnement à quatre temps classique. Pour la clarté de la description qui va suivre, celle-ci concernera, à titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, un moteur à combustion interne à quatre cylindres. Sur la figure, il apparaît que les maxima de vitesse angulaire Qo maX et r.a correspondant aux maxima de pression PWmax et PZ,3-. respectivement, sont sensiblement centrés à la fin du premier quart et à la moitié, respectivement, de l'intervalle de temps qui sépare deux passages consécutifs au PMH de pistons du moteur. On observe aussi sur cette figure que les variations de la vitesse angulaire du vilebrequin du moteur sont sensiblement sinusoïdales, de fréquence égale à la fréquence des passages successifs des cylindres du moteur à leur point mort haut. On comprendra que ces variations sont celles de la composante alternative de la vitesse angulaire du moteur, qui comprend aussi une composante continue. Les variations de celle-ci correspondent à des variations AN du régime N du moteur, que l'on a illustré à la figure par une variation de la pente de l'axe de la courbe représentant Q. Suivant l'invention, on définit, pour chaque phase de combustion du mélange air/carburant dans chaque cylindre du moteur, une fenêtre d'observation de largeur supérieure à l'espace angulaire séparant deux passages consécutifs de deux pistons au PMH, de manière à autoriser une observation complète des phases d'accélération et de décélération du vilebrequin dues à la combustion du mélange air/carburant dans ledit cylindre du moteur. Toutefois cette fenêtre d'observation sera cependant avantageusement inférieure ou égale à 1,5 fois ledit espace angulaire. On définit alors 7 positions angulaires du vilebrequin atteintes successivement aux instants t à t;, ces instants étant séparés par des écarts temporels AT; = t - ti (i = 0 à 5). Les sept positions angulaires sont écartées angulairement les unes des autres d'un angle constant. Entre deux PMH, on compte ainsi quatre écarts temporels dont les limites coïncident sensiblement avec des points caractéristiques de la forme d'onde de la vitesse angulaire, soit donc avec un maximum, un minimum, ou un passage à zéro. On remarquera que le premier écart AT et le dernier AT se situent chacun dans un intervalle entre points morts haut adjacent à celui sur lequel porte principalement l'observation des variations de la vitesse angulaire. Avant de poursuivre, on fait observer que si l'on mesure les écarts temporels AT--L et ATn délimités par trois positions angulaires également écartées atteintes aux instants tn-1, tr, tn-1, on démontre que le couple instantané à l'instant tn+1 est tel que J étant le moment d'inertie de la partie tournante du moteur et a l'écart angulaire constant de deux positions angulaires successives. J et a étant des constantes, il apparaît ainsi qutil existe une relation de proportionnalité entre le couple et le rapport # où # = #T@ - #T@ est une combinaison #AT linéaire des écarts temporels mesurés, et AT3 la puissance cubique de l'écart temporel moyen mesuré, AT étant très voisin de ATn- lors d'une observation d'écarts temporels dans une même fenêtre de mesure. Suivant la présente invention, on procède à une estimation du couple en se basant sur l'existence d'une proportionnalité du même type entre un tel rapport et le couple, l'expression S intervenant dans le rapport étant modifiée pour assurer une estimation précise du couple, quel que soit le mode de fonctionnement du moteur. Pour ce but, cette expression doit prendre en compte une éventuelle dérive spatiale de la forme d'onde de la variation de la vitesse angulaire, qui peut occuper une position quelconque entre l'une ou l'autre des positions illustrées au dessin en QU et Q3L. Pour ce faire, suivant l'invention, on calcule deux combinaisons linéaires La .AT et Lbi.ATl des écarts temporels ATi. Les coefficients a1 et b1 sont corrélés aux variations des vitesses angulaires R:, n respectivement, de manière à amplifier les variations, dans la fenêtre d'observation, de la composante alternative de la vitesse angulaire du vilebrequin observée d'une part, dans un premier mode de réalisation du fonctionnement à régime constant pour lequel le pic de combustion occupe sa position la plus probable et, d'autre part, dans un deuxième mode de fonctionnement où la vitesse angulaire est déphasée de celle du premier mode d'un angle (t > prédéterminé. La première combinaison linéaire permet d'obtenir, en quelque sorte, une "projection" des variations de la vitesse Q selon "l'axe" de phase de la courbe n,. La deuxième combinaison linéaire réalise une projection similaire sur l'axe de phase de la courbe représentative de la vitesse déphasée. Avantageusement, on choisit ce déphasage Q1 tel que T = 2 En effet, ayant calculé les valeurs des deux combinaisons linéaires La AT et Cb,T~, on peut appliquer à ces valeurs la norme euclidienne ou quadratique simple et on introduit la norme ainsi calculée dans une expression du type de l'expression (1) ci-dessus où elle se substitue à la combinaison linéaire (AT - AT), pour en tirer une estimation du couple instantané délivré par le moteur. Cependant, le déphasage : peut être choisi différent de s/2, notamment quand les repères formés sur la couronne ou "cible" solidaire du volant d'inertie du moteur, ne permettent pas de régler ce déphasage à z/2. Dans ce cas, la norme à calculer prend la forme, un peu plus complexe, suivante A titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, on décrit maintenant un procédé de calcul des coefficients a et b intervenant dans les normes données ci-dessus. On observe préalablement que, si on néglige les variations AN du régime du moteur correspondant aux variations de la vitesse angulaire moyenne de ce moteur, il suffit d'observer les variations de la vitesse angulaire instantanée entre deux points morts haut PMH, c'est-à-dire autour d'une unique combustion, pour estimer le couple moteur délivré par cette combustion. Dans 1'exemple illustré à la figure, il est alors possible de se limiter à une combinaison linéaire à quatre coefficients, agissant sur les écarts temporels AT mesurés entre les instants tl et ts, pour amplifier la variation de vitesse crête-à-crête dans la fenêtre d'observation réduite [t1, t1] correspondant à un seul intervalle entre points morts haut PMH et à une seule combustion, tout en rejetant la composante continue (le régime moyen N du moteur). On choisit alors des coefficients ai (ou b1) alternativement positifs (+ 1 par exemple) ou négatif (- 1 par exemple) selon que la vitesse instantanée Q se situe au-dessus ou au-dessous de la vitesse moyenne. Suivant l'invention, on choisit a (ou b ) de manière que Lal (ou Lb-) soit nulle pour éliminer l'influence de la composante continue. Avantageusement, suivant la présente invention, pour éliminer l'influence d'une variation AN de la vitesse moyenne (ou régime N), telle que celle figurée au dessin pour Q, on choisit une fenêtre d'observation [t , t6] élargie à 1,5 fois la période du passage des PMH, cette fenêtre étant centrée sur le milieu (t3) de l'intervalle entre deux PMH consécutifs. En outre, on définit chacun des coefficients ai, bi comme étant la somme de deux coefficients tels que a1 = a' + a" et b1 = b' +b"1. Les coefficients a'l et b' sont définis sur quatre écarts temporels #Ti dans l'intervalle [t:, t4] alors que les coefficients a"i et b" sont définis sur les écarts temporels de l'intervalle [t@, t@] ces intervalles étant ainsi chacun de durée sensiblement égale à celle d'un intervalle entre deux PMH consécutifs. Les sommes #a'@, #a" Eb'i et S"bi sont toutes nulles conformément à ce qui a été indiqué ci-dessus pour éliminer l'influence de la composante continue. On constate alors que l'influence d'une variation AN sur la première combinaison Sa' AT se retrouve à l'identique dans la seconde Sa" AT , mais avec un signe opposé puisque dans la fenêtre [t2, t6) la variation de Qc est en opposition de phase avec celle observée dans la fenêtre [tv, t4]. Ces influences s'éliminent donc dans les sommes ai = a' + a" réalisées terme à terme pour les écarts temporels AT1 correspondants. Il en est de même pour les coefficients bi de la combinaison linéaire #bi#Ti, choisis en outre de manière à assurer la même amplification que SaiATi. Il apparaît ainsi qu'on élimine l'influence d'une variation AN du régime N du moteur en décomposant chaque coefficient ai, bi en une somme de deux coefficients a' + a";, b'1 + b"i, les suites des coefficients a'i, a" , b'i, b"i, respectivement, étant chacune de somme nulle, les suites de chaque paire de suites (a'1, a" ; b'1, b" ) se déduisant l'une de l'autre par annulation, dans chaque suite, des coefficients associés à des écarts temporels symétriques d'écarts temporels de l'autre suite par rapport à l'instant médian t3 de la fenêtre d'observation [t0, t6]. On a illustré à la figure un mode de calcul des coefficients ai, bi, donné à titre illustratif et non limitatif seulement, de nombreux autres modes de calcul pouvant être envisagés et mis en oeuvre par l'homme de métier. Ainsi, pour les coefficients a , on part de deux formes d'onde rectangulaires a', a" qui suivent la vitesse angulaire Q sur les intervalles [t-, t4] et [t2, tol respectivement, ces formes d'onde variant entre les niveaux - 1 et + 1 respectivement. Chaque forme d'onde suit la vitesse angulaire sur quatre écarts temporels. En additionnant, pour chaque écart AT , les niveaux atteints par les deux formes d'onde, on obtient la série de coefficients ai figurant sur la ligne a du graphe de la figure 1, soit as = - 1, a- = - 1, a = + 2, as = + 2, a4 = - 1, aç = - 1. En opérant de même pour les coefficients bi = b'i + b"i, on trouve bo = + 1, b- = - 1, b = = - 2, b; = + 2, b4 = + i, b5 = - 1. On comprend que, grâce à la présente invention, l'influence des écarts temporels AT significatifs est introduite dans le calcul du couple, quelle que soit la position de la forme d'onde de la vitesse angulaire dans la fenêtre d'observation. Si celle-ci est proche de la courbe Qc, c'est la somme La ATi qui introduit cette influence, l'autre somme LbiAT étant alors minimisée par les coefficients bi. Si la forme d'onde se décale vers la courbe Q9-, on observe un phénomène inverse. Quel que soit le mode de fonctionnement du moteur, la combinaison linéaire significative est donc ainsi introduite dans le calcul du couple. La mise en oeuvre du procédé suivant l'invention dans un véhicule automobile n'exige aucun matériel de calcul autre que celui qui est normalement embarqué pour la commande électronique de paramètres de commande du moteur tels que le temps d'injection ou l'angle d'avance à l'allumage. Le calculateur électronique classiquement utilisé à cet effet reçoit des signaux des divers capteurs et notamment d'un capteur sensible au défilement de dents formées à la périphérie d'une roue solidaire de l'arbre de sortie du moteur, le calculateur analysant les signaux fournis par ce capteur pour déterminer à tout instant la position angulaire du vilebrequin du moteur et donc le phasage des divers cylindres de ce moteur. Ces signaux, et une programmation convenable, permettent ainsi au calculateur d'exécuter le procédé d'estimation du couple suivant l'invention, qui ne fait appel qu'à du logiciel, solution particulièrement économique bien adaptée au grands volumes de production caractéristiques de l'industrie automobile. Outre l'avantage essentiel de la présente invention, qui est de fournir une estimation fiable du couple délivré par le moteur quel que soit son mode de fonctionnement, y compris en présence de variations rapides de la vitesse moyenne angulaire du vilebrequin dans l'intervalle entre deux PMH, on remarquera que l'estimation faite ne fait intervenir, à chaque instant, que les accélérations et décélérations dues à une combustion du mélange air/carburant dans un seul des cylindres du moteur. Dans la technique antérieure, la fenêtre de mesure utilisée couvrait couramment plusieurs combustions successives dont les effets se masquent mutuellement au détriment de la précision de l'estimation du couple délivré par le moteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que l'invention n'est pas limitée à sa mise en oeuvre dans un moteur à quatre cylindres et pourrait être transposée sans difficulté par l'homme de métier dans un moteur à cinq ou six cylindres par exemple. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation du couple délivré par un moteur à combustion interne, à partir des variations de la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur, caractérisé en ce que a) on définit, pour chaque phase de combustion d'un mélange air/carburant dans chacun des cylindres du moteur, une fenêtre d'observation délimitée par des positions angulaires prédéterminées du vilebrequin, b) on mesure dans chaque fenêtre une série d'écarts temporels (ATi) séparant les passages du vilebrequin dans des positions angulaires prédéterminées, c) on calcule deux combinaisons linéaires (Ea ATl) et (CbiTi) des écarts temporels (AT-), chacun des coefficients (ai) et (bi) de ces combinaisons étant choisi pour amplifier les variations, dans ladite fenêtre d'observation, de la composante alternative de la vitesse angulaire du vilebrequin lors de la mesure de l'écart temporel (AT-) correspondant, dans des premier et deuxième modes de fonctionnement du moteur respectivement pour lesquels les composantes alternatives observées (Q-, Q3;) sont déphasées l'une par rapport à l'autre d'un angle (-) prédéterminé, et d) on tire une estimation du couple de la valeur d'une norme appliquée aux deux combinaisons linéaires et rapportée à la puissance cubique (AT3) de l'écart temporel moyen mesuré dans une fenêtre prédéterminée. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le premier mode de fonctionnement est à régime sensiblement constant, avec un pic de combustion situé à sa position la plus probable. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième mode de fonctionnement présente un pic de combustion déphasé d'environ = = 90par rapport à celui du premier mode. 4. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on définit une fenêtre d'observation couvrant l'espace angulaire séparant deux passages consécutifs au point mort haut (PMH) de deux cylindres du moteur, cette fenêtre débordant de part et d'autre de cet espace angulaire de manière à présenter une largeur inférieure ou égale à 1,5 fois celle dudit espace angulaire. 5. Procédé conforme à la revendication 4, appliqué à un moteur à quatre cylindres, caractérisé en ce que les écarts temporels (ATi) correspondent à un écart angulaire (a) constant égal au quart de l'espace angulaire séparant deux points morts haut consécutifs, la fenêtre d'observation couvrant six écarts angulaires. 6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les limites des divers écarts angulaires successifs coïncident avec des points caractéristiques de la forme d'onde de la composante alternative (Qç, Q) de la vitesse angulaire du moteur entre deux points morts haut consécutifs. 7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits points caractéristiques sont choisis parmi : les maxima, les minima, les passages à zéro. 8. Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu'on élimine l'influence de la composante continue de la vitesse angulaire (Q) du moteur en choisissant les coefficients (a ) et (b, ) de telle manière que les sommes (rai) et Ebi) soient nulles. 9. Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'on élimine l'influence d'une variation (AN) du régime (N) du moteur en décomposant chaque coefficient (ai, bi) en une somme de deux coefficients (a' + a" ; b'i + b"l), les suites des coefficients (a'@, a" ; b'l, b"i), respectivement, étant chacune de somme nulle, les suites de chaque paire de suites (a'@, a" ; b'@, b"@) se déduisant l'une de l'autre par l'annulation, dans chaque suite, des coefficients associés à des écarts temporels symétriques d'écarts temporels de l'autre suite, par rapport à l'instant médian (t3) de la fenêtre d'observation [t-, t]. 10. Procédé conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que les coefficients (a@) sont tels que : a = - 1, a1 = - 1, a2 = + 2, a3 = + 2, a4 = - 1, a = - 1 et en ce que les coefficients (bl) sont tels que : b: = + 1, b1 = - 1, b2 = - 2, b3 = + 2, b4 = + 1, b = -1. 11. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on applique une norme euclidienne aux combinaisons linéaires (#ai#Ti) et (#bi#Ti).