Brevet FR2772836A1 — publié le 19990625

i L'invention concerne un dispositif de détermination du début d'injection dans un moteur à combustion interne (ci-après appelé aussi plus brièvement "moteur") à injection directe. Dans un tel moteur à injection directe, il est important de connaître le début d'injection précis, afin de pouvoir régler d'une manière optimale le déroulement de l'injection dans le temps et donc aussi le comportement de la combustion. Cela est notamment valable dans les systèmes d'injection, connus sous l'appellation de systèmes à rampe commune dans le cas des moteurs Diesel et sous l'appellation de systèmes d'injection directe à haute pression dans le cas des moteurs à allumage commandé, dans lesquels, au moyen d'une pompe à haute pression, du carburant est refoulé d'un réservoir de carburant vers un accumulateur à autre pression au moyen duquel le carburant se présente alors sur des injecteurs qui sont disposés dans les chambres de combustion du moteur. Les opérations d'injection dans ces chambres de combustion du moteur sont déclenchées par une alimentation en courant des injecteurs, le début d'injection dans les chambres dépendant du retard de réponse des injecteurs et de la pression régnant sur ces injecteurs. Divers procédés sont déjà connus dans l'état de la technique pour pouvoir déterminer le début d'injection précis dans les chambres de combustion du moteur à la suite de l'application de courant sur ceux-ci et donc pouvoir régler d'une manière optimale le déroulement de l'injection, plus précisément de la combustion, dans la chambre de combustion. C'est ainsi qu'il a été proposé de déterminer le début d'injection précis, en fonction des conditions respectives de fonctionnement du moteur, au moyen d'une table caractéristique rangée en mémoire dans l'unité de commande du moteur. Toutefois, les données de la table caractéristique doivent être au préalable soit déterminées au moyen d'un calcul de simulation, soit établies par voie d'essai, ce qui est très complexe, étant donné que cela doit s'effectuer séparément pour chaque type de système d'injection. Même après une adaptation des données de table caractéristique au type considéré de système d'injection, il apparaît encore souvent des écarts importants entre le début d'injection déterminé à partir des données de table caractéristique et le début d'injection réel dans la chambre de combustion. Afin d'éviter ces inconvénients d'une analyse basée sur des données de table caractéristique, on connaît également déjà, dans l'état de la technique, des transducteurs qui relèvent, d'une manière échantillonnée (aussi appelée ci- après "lecture") et directement, le déplacement dans un sens et dans l'autre (également appelé ci-après "course") de l'aiguille d'injecteur dans l'injecteur. Ces transducteurs sont toutefois relativement complexes et chers, étant donné qu'ils doivent être réalisés directement dans les injecteurs. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un dispositif, de détermination du début d'injection dans un moteur à combustion interne à injection directe, qui se caractérise par une structure simple et une fiabilité et une précision de mesure élevées. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de détermination du début d'injection dans un moteur à combustion interne à injection directe, comprenant un capteur de pression magnéto-élastique qui est disposé sur une conduite d'injection menant à un injecteur, afin de détecter l'effet magnéto-élastique qui est dû à une variation de pression dans la conduite d'injection en raison d'une opération d'injection de l'injecteur et afin de délivrer un signal de mesure au moyen duquel le début d'injection peut être déterminé. Ainsi, le dispositif conforme à l'invention comprend essentiellement un capteur de pression qui est disposé directement sur une conduite d'injection menant à un injecteur et qui détecte, au moyen de l'effet magnéto- élastique, une variation de pression déclenchée par l'opération d'injection dans la conduite d'injection. D'une manière particulièrement avantageuse, il comprend un dispositif ou unité d'analyse qui réalise une corrélation dans le temps du signal de mesure du capteur de pression indiquant une telle variation de pression avec un signal de commande, détecté, destiné à l'injecteur pour déclencher l'opération d'injection, afin de déterminer un temps mort entre le déclenchement de l'opération d'injection et le début d'injection. Le dispositif conforme à l'invention se caractérise par une structure simple et économique qui peut en outre s'intégrer facilement dans chaque type de système d'injection. Par ailleurs, seule une détection et une analyse très simples de valeurs de mesure sont nécessaires pour la détermination du début d'injection. Le dispositif conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - le capteur de pression magnéto-élastique est en une matière ferromagnétique, de préférence un alliage nickel- fer, la proportion de nickel étant de préférence de 80%, - le capteur de pression magnéto-élastique comporte une bobine qui est enroulée autour de la conduite d'injection et détecte une tension induite par la variation de pression dans la conduite d'injection, - le capteur de pression comprend un transformateur qui comporte deux bobines et qui détecte une tension induite par la variation de pression dans la conduite d'injection, - le dispositif d'analyse corrige une composante parasite présente dans le signal de mesure du capteur de pression magnéto-élastique et produite par le signal de commande destiné à l'injecteur, - le dispositif d'analyse traite le signal de mesure du capteur de pression magnéto-élastique par formation de la différence du signal de mesure avec un signal qui a été reçu par le capteur de pression magnéto-élastique dans l'intervalle de temps entre le signal de commande, détecté, de l'injecteur et un instant du début d'injection se présentant le plus tôt possible, lequel début d'injection résulte d'un retard de réponse de l'injecteur, - le dispositif ou unité d'analyse compare la valeur absolue du signal de mesure corrigé à une valeur de seuil, afin, lors d'un franchissement vers le haut de la valeur de seuil, d'établir la présence du début d'injection de l'injecteur, - le dispositif ou unité d'analyse n'indique le début d'injection de l'injecteur que lorsqu'un nombre successif préfixé de points de détection du signal de mesure, en valeur absolue, ont franchi vers le haut la valeur de seuil. Il est notamment avantageux de réaliser le capteur de pression magnéto-élastique sous forme d'une bobine en matière ferromagnétique qui est enroulée autour de la conduite d'injection. Cette réalisation du capteur de pression est particulièrement simple, robuste et économique. L'invention est exposée en détail en regard des figures. On voit: à la figure 1, une représentation schématique d'un système d'injection, pour moteur à combustion interne, qui comporte un dispositif conforme à l'invention, à la figure 2, des variations de signaux dans le temps pendant l'opération d'injection, à la figure 3, une compensation de signal parasite conforme à l'invention et, à la figure 4, des temps morts, déterminés, entre le début de commande et le début d'injection dans un moteur à combustion interne. La figure 1 représente schématiquement la structure d'un système d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne à injection directe, tel qu'il est surtout utilisé dans le cas de moteurs Diesel sous l'appellation de système à rampe commune. Dans ce système d'injection, du carburant est aspiré par une pompe de mise en circulation préalable 12 à partir d'un réservoir de carburant 10 et par l'intermédiaire d'une conduite de carburant 11. La pompe 12 refoule le carburant par l'intermédiaire d'un filtre de carburant 13 vers une pompe à haute pression 15 qui met le carburant sous pression et l'introduit sous une pression élevée dans un accumulateur à haute pression 17. Afin de pouvoir régler, en fonction du besoin, le débit de la pompe à haute pression 15 envoyé à l'accumulateur à haute pression 17 d'une manière correspondant aux conditions de fonctionnement du moment, il est prévu, disposée dans la conduite de carburant 11 et entre la pompe de mise en circulation préalable 12 et la pompe 15, une valve d'étranglement d'aspiration 14 supplémentaire au moyen de laquelle le débit de refoulement de la pompe 15 peut faire l'objet d'une régulation. Cette valve d'étranglement d'aspiration 14 est appelée à réagir par une unité de commande 19 par l'intermédiaire d'une ligne de commande 22. Pour pouvoir régler la pression dans l'accumulateur à haute pression 17 d'une manière correspondant aux conditions de fonctionnement voulues du moteur, une valve de régulation de pression 16 est par ailleurs montée dans la conduite de carburant 11 en aval de la pompe à haute pression 15. Cette valve 16 refuse, en le renvoyant dans le réservoir de carburant 10 par une conduite de carburant 25, l'excès de carburant qui n'est pas nécessaire au maintien d'une pression voulue dans l'accumulateur 17, la pression de maintien de la valve 16 étant réglée par l'unité de commande 19 par l'intermédiaire d'une ligne de commande 24. Un capteur de pression 23 est en outre prévu pour la régulation de pression dans l'accumulateur 17. Ce capteur de pression 23 sert à détecter la pression instantanée qui règne dans l'accumulateur 17 et sur la base de laquelle l'unité de commande 19 exécute la régulation de pression au moyen de la valve 16 d'une manière correspondant aux conditions de fonctionnement voulues du moteur. Au moyen des dispositifs de régulation de pression représentés, il est possible de produire des pression de carburant de 0 à 150 MPa dans l'accumulateur 17 à haute pression. Ces pressions de carburant se présentent, par l'intermédiaire de conduites d'injection de carburant 27, sur des injecteurs 18 (un seul est représenté) qui sont disposés dans les chambres de combustion du moteur (non représenté). Ces injecteurs 18 comprennent en général une buse d'injecteur qui est fermée par une aiguille soumise à la force d'un ressort. Cette aiguille peut être soulevée, à l'encontre de la force du ressort, au moyen d'un générateur de course d'aiguille, qui est par exemple actionné d'une manière piézoélectrique, afin d'ouvrir ainsi l'injecteur et donc de permettre une injection du carburant se présentant à celui-ci, dans la chambre de combustion du moteur. L'opération d'injection est déclenchée au moyen de l'unité de commande 19 qui est reliée aux injecteurs par des lignes de commande 26. Le débit de fuite se présentant par ailleurs dans les injecteurs 18 est renvoyé au réservoir de carburant 10 par des conduites de carburant 21. Pour pouvoir régler d'une manière optimale le déroulement dans le temps de l'injection et donc de la combustion dans la chambre du moteur, il est important de connaître le début d'injection précis du carburant dans la chambre. Ce début d'injection dépend en premier lieu du retard de réponse du générateur de course d'aiguille dans l'injecteur, plus précisément de l'aiguille dans la buse d'injection. Par ailleurs, la durée du retard entre la commande de l'injecteur et le début d'injection croît avec la pression du carburant dans l'accumulateur à haute pression 17 et la conduite d'injection de carburant 27. Le générateur de course d'aiguille doit alors ouvrir l'aiguille dans la buse d'injection à l'encontre d'une pression assez élevée, ce qui allonge l'opération d'injection et donc le temps mort entre la commande et le début d'injection. Pour pouvoir déterminer d'une manière précise le temps mort entre le déclenchement de l'injecteur 18 et le début d'injection et permettre ainsi de rendre optimale la commande du moteur, un transducteur 30 est disposé, conformément à l'invention, sur la conduite d'injection de carburant 27 en amont de l'injecteur 18. Comme le montre la figure 1, ce transducteur 30 comprend une bobine 29 enroulée autour de la conduite d'injection 27 et comportant de préférence environ 1000 spires. La bobine 29 est en une matière qui manifeste un effet magnéto-élastique. De telles matières sont surtout des matières ferromagnétiques dans le cas desquelles une contrainte mécanique, par exemple une variation de pression, a une influence sur la perméabilité, une relation approximativement linéaire existant entre la variation de la perméabilité et la contrainte mécanique. Des alliages nickel-fer sont particulièrement appropriés, la proportion de nickel étant de préférence de 80%. Dans le cas de tels alliages nickel-fer, on obtient des variations de perméabilité d'environ 40% pour des contraintes mécaniques de 100 N/mm2. Cette variation de perméabilité se présentant dans le cas de matières ferromagnétiques peut par exemple être mesurée au moyen d'une structure de transformateur dans le cas de laquelle l'inductance mutuelle des deux enroulements subit une influence. Il existe toutefois aussi la possibilité, en raison de la préaimantation naturelle des matières ferromagnétiques, de ne détecter la tension induite qu'avec une seule bobine, ainsi que cela est réalisé dans le cas du transducteur 30 de la figure 1. L'utilisation d'une seule bobine permet une structure de transducteur, simple, robuste et également économique, qu'il est également possible d'adapter facilement aux particularités d'encombrement se présentant dans chaque cas dans le moteur à combustion interne à injection directe. La tension induite dans la bobine 29 du transducteur peut s'exprimer au moyen de l'équation suivante: 3/8XpJ2H uind =-A l Uind(2ku + 3/8Xpp)2 iA (1) Xp et ku sont des constantes qui dépendent de la matière utilisée dans la bobine et qui représentent la variation de longueur relative entre respectivement l'état totalement non aimanté et l'état saturé, et la constante d'anisotropie. J correspond à la polarisation magnétique de la matière utilisée, n et A représentent le nombre de spires et l'aire de la bobine en section transversale. H représente l'intensité du champ magnétique de la préaimantation, qui résulte de la préaimantation naturelle de la matière utilisée pour la bobine. Toutefois, en variante, le capteur de pression peut aussi être agencé d'une manière analogue à un transformateur comportant deux enroulements, le deuxième enroulement servant à la préaimantation. Une telle structure accroîtrait la sensibilité du transducteur. L'équation (1) montre en outre que la tension uind induite dans la bobine dépend d'une manière linéaire de la variation de la pression dans le temps si l'on suppose un point fixe de travail de pression, c'est-à-dire p z constante. Si, par la ligne de commande 26, l'unité de commande 19 appelle l'injecteur 18 à réagir pour déclencher une opération d'injection, le générateur de course d'aiguille ouvre la buse d'injecteur par soulèvement de l'aiguille à l'encontre de la précontrainte du ressort et le carburant se présentant par la conduite d'injection 27 est injecté dans la chambre de combustion du moteur. Le début d'injection du carburant dans la chambre entraîne toutefois une chute de pression dans la conduite d'injection 27. Conformément à l'équation (1), cette chute de pression induit une tension dans la bobine 29 du transducteur 30. Cette tension induite est amplifiée au moyen d'un amplificateur 31 intégré dans le transducteur 30 et est appliquée sur une ligne de mesure 32 en tant que signal à destination de l'unité de commande 19. L'unité de commande 19 réalise une corrélation du signal de mesure du transducteur 30 avec le signal de commande destiné à l'injecteur 18 et peut, à partir de là, déterminer alors le temps mort existant entre le début de commande et le début d'injection. Toutefois, en variante, il est également possible, au lieu d'exécuter l'analyse dans l'unité de commande 19 du moteur, de prévoir un dispositif ou unité d'analyse indépendant qui détecte le signal de mesure du transducteur 30 et le signal de commande destiné à l'injecteur 18 et calcule alors le temps mort à partir de ceux-ci. La figure 2 représente la variation dans le temps de signaux d'une opération d'injection au moyen d'un injecteur à commande piézoélectrique. La figure 2A représente la tension de commande u(t) et la figure 2B le courant de commande i(t) de l'injecteur piézoélectrique. La figure 2D représente la tension ui(t) induite dans la bobine 29. Par ailleurs, la figure 2C représente la variation de signal d'un capteur de pression de référence qui a été disposé en supplément, dans une structure d'essai, sur la conduite d'injection 27 et au voisinage du traducteur 30. Ce capteur de pression de référence a été monté à l'extrémité d'un piquage de conduite d'une longueur d'environ 5 mm qui s'écarte de la conduite d'injection 27 à une distance d'environ 2 cm de la bobine 29. Les variations de signal représentées à la figure 2 ont été lues à une fréquence de 2,5 MHz. La pression dans l'accumulateur à haute pression 17 pendant l'opération de mesure était égale à 100 MPa. Les figures 2A et 2B permettent de constater l'établissement de la charge dans le cristal piézoélectrique de l'injecteur au début de la commande, au moyen de l'unité de commande 19 et à l'endroit du pic positif de courant, et la disparition de la charge à la fin de la commande, au moyen du pic négatif de courant. Le capteur de pression de référence indique, à la figure 2C, le début de la chute de tension dans la conduite d'injection 27 et donc le début de l'injection dans la chambre de combustion au moyen de l'injecteur, environ 150 gs après le début de la commande indiqué aux figures 2A et 2B. Cette chute de tension dans le signal du capteur de pression de référence est suivie à la figure 2C d'oscillations de pression qui vont en s'amortissant et qui sont provoquées sur la conduite d'injection à l'ouverture de l'aiguille dans la buse de l'injecteur après l'opération d'injection. Le signal de mesure de la tension induite dans la bobine 29, représenté à la figure 2D, présente, outre la tension induite due à la variation de pression dans la conduite d'injection 27, une composante parasite qui est produite par des interférences ou perturbations du courant de commande destiné à l'injecteur. La tension ui(t) induite dans la bobine 29 du transducteur 30 peut donc être représentée par l'équation suivante: ui(t) = uil(t) + ui2(t) (2) dans laquelle uil(t) représente la variation de pression dans la conduite d'injection et ui2(t) la composante parasite du signal de commande. C'est pourquoi, pour pouvoir exécuter une détermination fiable du début d'injection au moyen du transducteur 30, il est avantageux de séparer du signal représenté à la figure 2D la composante parasite. Suivant une forme préférée de mise en oeuvre de l'invention, une telle compensation de parasite s'effectue comme suit: en supposant que les interférences ou perturbations du courant de commande destiné à l'injecteur peuvent se représenter sous forme d'un système parasite S présentant une fonction de transfert Gst(s), la composante parasite ui2(t) peut être représentée sous forme d'une convolution d'une réponse d'impulsion gSt(t) du système parasite S par un courant de commande i(t), conformément à l'équation ui2(t) = gst(t) * i(t) (3) Avec une fonction de transfert GSt(t) connue, on obtient ainsi pour la tension due à la variation de pression dans la conduite d'injection: Uil(t) = ui(t) - gst(t) * i(t) (4) Etant donné qu'en général, la fonction de transfert Gst(s) n'est pas connue, le système parasite S doit faire l'objet d'une estimation. On dispose à cet effet de la manière de procéder suivante: la fonction de transfert peut se déterminer au moyen d'un algorithme d'identification pour un intervalle de temps dans lequel la tension induite mesurée ui(t) présente dans la bobine 29 n'est déterminée qu'au moyen de la composante parasite ui2(t) du courant de commande et il ne se présente donc dans la conduite d'injection 27 aucune variation de pression qui provoque une induction de tension dans la bobine 29. Tel est le cas pendant le temps mort minimal tTmin de l'injecteur piézoélectrique qui se présente sous l'effet d'un retard de réponse propre à l'injecteur, entre le début de commande to de l'injecteur et l'ouverture de celui-ci. L'équation suivante est valable à cet égard: tl,min = to + tT,min (5) Pendant ce temps mort minimal propre à l'injecteur, le système parasite S peut être identifié, et la fonction de transfert discontinue dans le temps être modulée au moyen d'une mise en équation autorécursive et identifiée à partir du courant de commande i(t) de l'injecteur et de la tension induite ui(t) dans la bobine 29 dans l'intervalle de temps to, tî,min. La figure 3 représente le résultat de ce procédé de traitement, la figure 3A représentant la tension induite ui(t) sous forme d'un signal bruité et la composante parasite reconstruite ui2(t) sous forme d'une courbe régulière. La figure 3B représente la différence entre ces deux signaux et constitue ainsi la tension induite uil(t) sous l'effet de la variation de pression dans la bobine 29, donc l'information utile proprement dite. La compensation de signal parasite s'effectue de préférence directement dans l'unité de commande 19. A partir du signal de tension compensé en signal parasite, l'unité de commande 19 détermine alors le début d'injection t1 dans la chambre de combustion. Comme le montre la figure 3B, ce début d'injection, qui coincide avec une chute de pression dans la conduite d'injection 27, provoque une tension négative dans la variation de tension, compensée en signal parasite, de la bobine 29. Pour déterminer le début d'injection, l'unité de commande 19 compare la variation dans le temps de la tension compensée en signal parasite à une valeur de seuil inférieur ui,s et indique le début d'injection dès que la tension franchit vers le bas cette valeur de seuil. Etant donné que, ainsi que cela est représenté à la figure 3, un bruit se superpose aussi à la variation de tension compensée en signal parasite, il existe le risque que la valeur de seuil soit déjà franchie vers le bas avant le début d'injection réel. Pour empêcher que, dans ce cas, un faux début d'injection soit indiqué, l'unité de commande 19 n'analyse un franchissement de la valeur de seuil vers le bas à un instant de lecture déterminé que lorsqu'il se présente aussi un franchissement de la valeur de seuil vers le bas pour un nombre déterminé d'instants de lecture successifs. En variante, il est possible aussi de prévoir, dans le transducteur 30 ou dans l'unité de commande 19, un filtre passe-bas au moyen duquel des parties de bruit brèves et à fréquence élevée peuvent être séparées du signal par filtrage. Après détermination du début d'injection t1, l'unité de commande 19 détermine le temps mort précis de l'injecteur au moyen d'une corrélation dans le temps avec le début de la commande to de l'injecteur. La figure 4 représente ce temps morts tT pour différentes pressions de carburant dans l'accumulateur à haute pression 17. Il s'avère ainsi que le temps tT croît pour des pressions plus élevées, étant donné que, dans l'injecteur piézoélectrique, l'aiguille doit être ouverte à l'encontre de pressions plus élevées. Ainsi, conformément à l'invention, l'instant d'injection précis dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne peut se déterminer d'une manière simple et fiable par détection d'un effet magnéto-élastique qui est dû à une variation de pression dans la conduite d'injection sous l'effet d'une opération d'injection de l'injecteur. Le capteur de pression magnéto-élastique consiste de préférence en une bobine enroulée autour de la conduite d'injection et permet ainsi un agencement de mesure qui est simple, robuste et économique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détermination du début d'injection dans un moteur à combustion interne à injection directe, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de pression magnéto-élastique (30) qui est disposé sur une conduite d'injection (27) menant à un injecteur (18), afin de détecter l'effet magnéto-élastique qui est dû à une variation de pression dans la conduite d'injection en raison d'une opération d'injection de l'injecteur et afin de délivrer un signal de mesure au moyen duquel le début d'injection peut être déterminé. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de pression magnéto-élastique (30) est en une matière ferromagnétique, de préférence un alliage nickel-fer, la proportion de nickel étant de préférence de %. 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur de pression magnéto-élastique (30) comporte une bobine (29) qui est enroulée autour de la conduite d'injection (27) et détecte une tension induite par la variation de pression dans la conduite d'injection. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur de pression comprend un transformateur qui comporte deux bobines et qui détecte une tension induite par la variation de pression dans la conduite d'injection (27). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif ou unité d'analyse (19) qui réalise une corrélation dans le temps du signal de mesure du capteur de pression magnéto-élastique avec un signal de commande, détecté, destiné à l'injecteur pour déclencher l'opération d'injection, afin de déterminer un temps mort entre le déclenchement de l'opération d'injection et le début d'injection. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse (19) corrige une composante parasite présente dans le signal de mesure du capteur de pression magnéto-élastique (30) et produite par le signal de commande destiné à l'injecteur (18). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse (19) traite le signal de mesure du capteur de pression magnéto-élastique (30) par formation de la différence du signal de mesure avec un signal qui a été reçu par le capteur de pression magnéto- élastique (30) dans l'intervalle de temps entre le signal de commande, détecté, de l'injecteur (18) et un instant du début d'injection se présentant le plus tôt possible, lequel début d'injection résulte d'un retard de réponse de l'injecteur. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le dispositif ou unité d'analyse (19) compare la valeur absolue du signal de mesure corrigé à une valeur de seuil, afin, lors d'un franchissement vers le haut de la valeur de seuil, d'établir la présence du début d'injection de l'injecteur (18). 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif ou unité d'analyse (19) n'indique le début d'injection de l'injecteur (18) que lorsqu'un nombre successif préfixé de points de détection du signal de mesure, en valeur absolue, ont franchi vers le haut la valeur de seuil.