Brevet FR2780754A1 — publié le 20000107

L'invention concerne un dispositif, servant à déterminer une grandeur qui caractérise la masse d'air dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, comprenant un modèle dynamique du trajet d'admission du moteur qui dépend des grandeurs de mesure que sont la vitesse de rotation et le degré d'ouverture du papillon des gaz. La grandeur qui caractérise la masse d'air dans le cylindre du moteur est notamment un débit massique d'air dans le cylindre ou une masse d'air qui passe par temps de travail dans le cylindre. Par WO 96/32579, on connaît un dispositif de détermination de la masse d'air qui entre dans les cylindres d'un moteur à combustion interne. Le dispositif contient un modèle dynamique du trajet d'admission du moteur qui est déduit d'équations correspondant aux bilans de débit massique dans le trajet d'admission et des équations d'écoulement des gaz parfaits en des emplacements d'étranglement. Des grandeurs d'entrée du modèle dynamique du trajet d'admission sont constituées par les grandeurs de mesure que sont la vitesse de rotation et le degré d'ouverture du papillon des gaz. Le dispositif connu détermine d'une manière précise, pour des moteurs à combustion interne qui fonctionnent avec une injection de carburant, le débit massique d'air dans un cylindre du moteur. Des moteurs à combustion interne dont le carburant est un carburant gazeux au lieu d'un carburant liquide présentent des émissions de gaz d'échappement très faibles et un rendement élevé. Le carburant gazeux fait l'objet d'un apport dosé dans le trajet d'admission au moyen d'un dispositif d'insufflation. L'invention a pour but d'améliorer le dispositif connu, servant à déterminer une grandeur qui caractérise la masse d'air dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, de façon que cette grandeur puisse être déterminée d'une manière précise même pour le fonctionnement du moteur avec un carburant gazeux. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif, du type générique défini en introduction, caractérisé en ce que, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne avec un carburant gazeux, le modèle dynamique dépend en outre d'au moins une grandeur qui est déduite du carburant. Le dispositif conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - la grandeur qui est déduite du carburant est le rapport d'air, à savoir le rapport entre la masse d'air dans le cylindre par temps de travail du moteur à combustion interne et la masse d'air nécessaire pour un rapport stoechiométrique entre l'air et le carburant, - la grandeur qui est déduite du carburant est la valeur de consigne du rapport d'air, - la grandeur qui est déduite du carburant est le rapport des densités de l'air dans le trajet d'admission et du carburant gazeux. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est exposé ci-après en détail en regard des dessins schématiques. On voit: à la figure 1, un moteur à combustion interne comportant un dispositif de commande qui contient un dispositif de détermination du débit massique d'air dans les cylindres du moteur et, à la figure 2, un schéma-bloc du dispositif de la figure 1 servant à la détermination du débit massique d'air dans les cylindres. Un moteur à combustion interne (figure 1) comprend un trajet d'admission 1 comportant un collecteur d'admission 10 dans lequel un papillon des gaz 11 est disposé. En outre, un dispositif d'insufflation 12, permettant l'apport dosé de carburant gazeux (par exemple de gaz naturel), est disposé dans le trajet d'admission. Le carburant gazeux fait de préférence l'objet d'un apport dosé à une pression d'environ deux à trois bars. Le moteur comprend en outre un bloc moteur 2 qui comporte un cylindre 20 et un vilebrequin 23. Un piston 21 et une bielle 22 sont associés au cylindre 20. La bielle 22 est accouplée au piston 21 et au vilebrequin 23. Il est prévu une tête de culasse 3 dans laquelle est disposé un mécanisme de soupapes comportant au moins une soupape d'admission 30 et une soupape d'échappement 31. Le mécanisme de soupapes peut également comporter un dispositif servant à faire varier le déroulement dans le temps de la course des soupapes d'admission et d'échappement. Une bougie d'allumage 32 est en outre montée dans la tête de culasse 3. Le moteur est représenté à la figure 1 avec un cylindre. Il peut toutefois comporter également plusieurs cylindres. Il est prévu un trajet de gaz d'échappement 4 dans lequel un catalyseur 40 et une sonde à oxygène 41 sont disposés. Des capteurs sont associés à un dispositif de commande prévu pour le moteur, ces capteurs détectant différentes grandeurs de mesure et relevant chacun la valeur mesurée de la grandeur de mesure respective. Le dispositif de commande 5 détermine, en fonction d'au moins une grandeur de mesure, des signaux de réglage qui commandent un ou plusieurs appareils de réglage. Les capteurs sont un capteur de pédale d'accélérateur 61, qui détecte la position de la pédale d'accélérateur 6, un débitmètre d'air 14, qui relève une valeur mesurée mth du débit massique d'air, et/ou un capteur de pression de collecteur d'admission 15, qui relève une valeur mesurée P. d'une pression de collecteur d'admission, un capteur de position 13, qui détecte le degré d'ouverture aDK du papillon des gaz 11, un capteur de température 16, qui détecte une température d'air d'admission TI, (T, aux dessins), un capteur de vitesse de rotation 24, qui détecte la vitesse de rotation N du vilebrequin 23, la sonde à oxygène 41, qui détecte la proportion résiduelle d'oxygène dans les gaz d'échappement et qui associe à celle- ci la valeur réelle XAV du rapport d'air. Il est possible qu'en fonction de la forme de réalisation du dispositif de commande 5, il soit prévu un nombre moins grand, choisi, des capteurs mentionnés ou qu'il soit également prévu des capteurs supplémentaires. Le dispositif de commande 5 comporte en outre un dispositif 51 servant à déterminer le débit massique d'air dans le cylindre 20. Le dispositif 51 contient un modèle dynamique 52 du trajet d'admission et détermine une valeur estimée m CYL du débit massique d'air dans le cylindre 20. Le dispositif 51 est décrit ci-après en regard de la figure 2. Les appareils de réglage comportent chacun un entraînement de réglage et un organe de réglage. L'entraînement de réglage est un entraînement par moteur électrique, un entraînement électromagnétique ou un autre entraînement connu du spécialiste. Les organes de réglage sont par exemple réalisés sous la forme d'une valve du dispositif d'insufflation 12 ou de la bougie d'allumage 32. On se réfère ci-après à chacun des appareils de réglage en le désignant par l'organe de réglage associé respectif. Le dispositif de commande 5 est de préférence réalisé sous forme d'une commande de moteur de type électronique. Il peut toutefois comporter également plusieurs appareils de commande qui sont reliés entre eux d'une manière conduisant l'électricité, par exemple par un système de bus, au moyen duquel ils peuvent échanger des données. La figure 2 représente la partie du dispositif de commande 5 qui est pertinente en ce qui concerne l'invention, à savoir le dispositif 51 servant à déterminer le débit massique d'air dans le cylindre. Pour la valeur estimée PM de la pression de collecteur d'admission, on peut poser l'équation différentielle suivante sur la base de l'équation d'état des gaz parfaits, donc du bilan de débit massique: P= 35 mDK I) VI RL désigne la constante universelle des gaz, VI le volume du trajet d'admission et mDK une valeur estimée du débit massique d'air à l'endroit du papillon des gaz 11. La valeur estimée mDK du débit massique d'air à l'endroit du papillon des gaz 11 est déduite de l'équation d'écoulement des gaz parfaits par des emplacements d'étranglement. Il est tenu compte des pertes de flux qui se présentent à l'endroit du papillon des gaz 11 au moyen d'une section de flux réduite ARE. Pour la valeur estimée mDK du débit massique d'air à l'endroit du papillon des gaz 11, il vient: -m.a =* *, PAS * op (F2) K-i RLee, avec (p 2 M ( PAA4I)ISPAAa) pour des rapports de pression surcritiques. k désigne l'exposant adiabatique, po la valeur estimée de la pression ambiante, donc de la pression d'air extérieure, v la fonction de passage correspondant au papillon des gaz et YCRIT une valeur constante de la fonction de passage W pour des rapports de pression surcritiques. La fonction de passage y peut être décomposée en segments à l'intérieur desquels elle est représentée d'une manière suffisamment précise par une approximation à tracé polygonal. Il vient ainsi: VP=usa+s S 74(F5) Les valeurs de l'abscisse à l'origine so et de la pente s1 sont déposées dans des tables en fonction du rapport de la valeur estimée P M de la pression de collecteur d'admission à la valeur estimée p de la pression ambiante. Le terme IR =KFI(T,)=8(F6) est de préférence approché par une valeur 3 qui est déterminée à partir d'une première table caractéristique KF1 en fonction de la température d'air d'admission T,. On obtient donc, en portant les relations (F5), (F6) dans la relation (F2), la relation suivante: m,> = ARE5 (s F7) Une valeur estimée m CL du débit massique d'air dans le cylindre 20 ne peut se déterminer analytiquement que difficilement, étant donné qu'elle dépend fortement du changement de charge. Le remplissage du cylindre 20 est déterminé dans une large mesure par la pression de collecteur d'admission, la vitesse de rotation N et un chevauchement des soupapes sélectrices de gaz (soupape d'admission et soupape d'échappement) du moteur, s'il n'est pas tenu compte du débit massique de carburant m K insufflé. Dans le cas d'un chevauchement de soupapes et d'une vitesse de rotation N de valeur constante, le débit massique d'air dans le cylindre 20 est directement proportionnel à la pression de collecteur d'admission. Avec une loi de variation linéaire de la forme m.YL = rY0 + Y1 * PM (F8) la valeur estimée m CYL du débit massique d'air dans le cylindre 20 peut être calculée avec une bonne précision. La pente y1 et l'abscisse à l'origine y0 sont, en tenant compte de tous les facteurs importants ayant une influence, des fonctions de la vitesse de rotation N, de la configuration géométrique du trajet d'admission, du nombre des cylindres , du chevauchement de soupapes et de la température d'air d'admission Ti. La dépendance des valeurs de l'abscisse l'origine y0,, et de la pente y, peut être déterminée au moyen de mesures en régime permanent et être rangée en mémoire dans une deuxième et une troisième tables caractéristiques KF2, KF3. Un carburant faisant l'objet d'un apport dosé à l'état gazeux a une densité beaucoup plus faible qu'un carburant qui fait l'objet d'un apport dosé à l'état liquide. Si les masses du carburant gazeux et de l'air sont dans un rapport stoechiométrique dans des conditions normales (par exemple température = 20 OC), les volumes du carburant gazeux et de la masse d'air sont du même ordre de grandeur. Pour le débit massique de carburant insufflé mK, il vient la relation suivante: mxK = e mL (F9) L.t désignant la quantité d'air stoechiométrique nécessaire pour la combustion du carburant et X soit la valeur de consigne XsP, soit la valeur réelle XAV du rapport d'air. Le rapport d'air est défini par le quotient de la masse d'air qui passe dans le cylindre 20 par temps de travail et de la masse d'air qui est nécessaire pour la combustion complète du carburant faisant l'objet d'un apport dosé (masse d'air stoechiométrique). Toutefois, le rapport d'air peut également être défini d'une autre manière connue du spécialiste, par exemple sous forme du rapport air-carburant. Pour la dérivée VK du volume du carburant par rapport au temps, il vient la relation: eZK= -PK (F10) VK mK Pr PK étant la densité du carburant. La proportion mff du débit massique d'air qui ne parvient pas dans le cylindre 20 en raison du refoulement dû au carburant s'obtient par: POL mL,=Kp =VK ma e Lp (F11) Pic tandis qu'à partir de (F9) et (Fil), il résulte: ! PL Àk = L - _ mzw' (F12) L.'j pKc A partir de la relation (F8), on obtient, en tenant compte de l'effet de volume du carburant gazeux: mc> = Y, PM +rO -mul (F13) (F12) portée dans (F13) donne: = K(A)'(Y Pu +r0) (F14) un facteur de correction K(X) étant donné par K( ) = I (F15) PL PK Le facteur de correction K(X) est avantageusement déterminé à partir d'une table caractéristique en fonction du rapport d'air X et du rapport des densités PL et PK de l'air d'admission et du carburant. Si, dans la plupart des régimes, on fait fonctionner un moteur à combustion interne avec un rapport d'air presque constant, il est possible de faire appel d'une manière simple à la valeur réelle XAV pour déterminer le facteur de correction K(X). Cela constitue toutefois un inconvénient si on fait fonctionner le moteur avec un rapport d'air X qui varie, étant donné que la valeur réelle XAV du rapport d'air X n'est détectée par la sonde à oxygène 41 qu'avec un temps de retard. Il est alors particulièrement avantageux de déterminer le facteur de correction K(X) en fonction de la valeur de consigne X$P du rapport d'air X. A cet effet, aucun capteur supplémentaire n'est nécessaire et le débit massique d'air dans le cylindre peut être déterminé d'une manière précise sans retard. La détermination supplémentaire du facteur de correction K(X) en fonction du rapport des densités PLI PK de l'air d'admission et du carburant permet d'une manière simple de ne pas avoir à faire appel à une détermination de la pression et de la température. En portant les relations (F7) et (F14) dans la relation (F1), on obtient alors: 0 PM = RLI (ARED [PS+ s]+K()(o+l) (F16) P VI P L'équation différentielle de la relation (F16) est de préférence résolue sur un calculateur numérique au moyen d'une méthode de résolution numérique, telle que par exemple la règle du trapèze, en vue de la réalisation du modèle. Dans ce cas, c'est la durée de segment T,, c'est- à-dire l'intervalle de temps séparant deux points morts, qui se suivent, de cylindres différents qui sont voisins dans l'ordre d'allumage, qui est choisie comme durée d'analyse. La référence n désigne à chaque fois l'instant d'analyse actuel et n-1 l'instant d'analyse précédent. Il vient alors, pour la valeur estimée PM de la pression d'admission dans l'intervalle de temps actuel, la relation (F17): PMq[f] +PM[f l]+2(PM [n-1] + PM [n]) (F17) La figure 2 représente la réalisation préférée du dispositif 51 de détermination du débit massique d'air dans le cylindre 20. Dans un bloc 53, la section de flux réduite ARED à l'endroit du papillon des gaz 11 est déterminée, à l'aide d'une première table caractéris-tique, en fonction du degré d'ouverture aDK du papillon des gaz 11 et de la vitesse de rotation N. Dans un bloc 54, en fonction de la vitesse de rotation et éventuellement des autres grandeurs ayant une influence, la pente y, et l'abscisse à l'origine 7o sont déterminées à l'aide d'une deuxième et une troisième tables caractéristiques KF2, KF3 en fonction de la vitesse de rotation N. Dans un bloc 55, c'est le rapport des densités PL, PK de l'air d'admission et du carburant qui est déterminé. D'une manière simple, ce rapport est préfixé en fonction du type de carburant et rangé en mémoire d'une manière fixe. Le bloc 52 contient le modèle du trajet d'admission et contient les relations (F14), (F16) et (F17) à l'aide desquelles sont chaque fois déterminées les valeurs estimées m L et PM du débit massique d'air dans le cylindre 20 et de la pression de collecteur d'admission. Il est encore de préférence prévu un intégrateur 56 qui calcule l'intégrale par rapport au temps de la valeur estimée mcYL du débit massique d'air dans le cylindre 20, laquelle est alors une valeur estimée m cyL de la masse d'air dans le cylindre 20 par temps de travail du moteur. Suivant une autre forme de réalisation, c'est le rapport des masses molaires de l'air et du carburant qui est préfixé à la place du rapport des densités et, dans la relation (F15), le rapport des densités est remplacé par le rapport des masses molaires de l'air et du carburant. Un modèle du trajet d'admission et d'un recyclage de gaz d'échappement est également divulgué dans le document WO 97/35106 dont le contenu est ici incorporé à cet égard. REVENDICATIONS 1. Dispositif, servant à déterminer une grandeur qui caractérise la masse d'air dans un cylindre (20) d'un moteur à combustion interne, comprenant un modèle dynamique (52) du trajet d'admission (1) du moteur qui dépend des grandeurs de mesure que sont la vitesse de rotation (N) et le degré d'ouverture (CaDK) du papillon des gaz (11), caractérisé en ce que, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne avec un carburant gazeux, le modèle dynamique (52) dépend en outre d'au moins une grandeur qui est déduite du carburant. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur qui est déduite du carburant est le rapport d'air (XsP, XAV), à savoir le rapport entre la masse d'air dans le cylindre par temps de travail du moteur à combustion interne et la masse d'air nécessaire pour un rapport stoechiométrique entre l'air et le carburant. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la grandeur qui est déduite du carburant est la valeur de consigne (X1,) du rapport d'air. 4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grandeur qui est déduite du carburant est le rapport des densités (PL, PK) de l'air dans le trajet d'admission et du carburant gazeux.