Brevet FR2790314A1 — publié le 20000901

Etat de la technique. L'invention concerne un procédé et un dispositif pour définir un modèle servant à déterminer les grandeurs ca- ractéristiques de commande d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur à combustion interne à injection di- recte ou à injection dans la tubulure d'aspiration. Le document DE 197 45 682, non publié antérieure- ment, décrit un procédé et un dispositif pour déterminer les grandeurs caractéristiques faisant partie d'un modèle de com- mande d'une unité motrice et qui peuvent être différentes se- lon le type d'unité d'entraînement. Dans ce document on décrit tout d'abord, par un traitement automatique d'un pro- gramme de mesure prédéterminé, les données de mesure d'au moins une grandeur de fonctionnement de l'unité motrice pour différents points de fonctionnement de celle-ci. Puis, dans une seconde étape, on mesure les grandeurs caractéristiques en optimisant la déviation entre les grandeurs mesurées et celles calculées sur la base des grandeurs caractéristiques. La présente invention a pour but de développer un procédé du type défini ci-dessus pour permettre de définir d'une manière aussi précise que possible un modèle de moteur à combustion interne en mettant en oeuvre des moyens de mesure aussi réduits que possible, pour en déduire les grandeurs ca- ractéristiques optimales de commande d'un moteur à combustion interne. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que, pour chaque point de fonctionnement prédéfini du moteur à combustion in- terne, on définit au moins un modèle local, notamment d'ordre inférieur. Avantages de l'invention. L'avantage particulièrement important de l'inven- tion est de permettre de définir un modèle local d'un moteur à combustion interne avec des mesures réduites au minimum. Cela s'oppose à des mesures de tramage compliquées. La définition d'un modèle signifie dans ce con- texte la définition des coefficients du modèle ou des paramè- tres du modèle pour que la différence entre le moteur à combustion interne réel et le modèle de ce moteur, soit ré- duite au minimum. Un modèle local est un modèle qui n'est défini que pour un point de fonctionnement prédéterminé du moteur à combustion interne et qui n'est valable que pour ce point de fonctionnement prédéfini du moteur. Par exemple, pour définir un modèle de moteur à combustion interne selon le procédé de tramage, tenant compte seulement d'une grandeur de fonctionnement et de trois gran- deurs d'influence du moteur à combustion interne, en ne fai- sant varier les grandeurs d'influence que selon trois pas, il faut exécuter 3 = 27 mesures. Avec un modèle local du second ordre, il faut, au contraire, seulement 10 mesures pour défi- nir complètement le modèle. En fonction croissante des grandeurs d'influence et des grandeurs de fonctionnement, les avantages d'un modèle local deviennent encore plus significatifs. Si l'on tient par exemple compte, dans le modèle, de cinq grandeurs d'influence et d'une grandeur de fonctionnement du moteur à combustion interne, et si alors on modifie les cinq grandeurs d'influence selon cinq étapes pour définir le modèle, il faut exécuter 5 = 3125 mesures. Au contraire, par exemple avec un modèle local du second ordre avec des alternances du premier ordre, il suffit de 26 mesures pour définir le modèle. Pour évaluer l'erreur du modèle et mieux compenser les erreurs de mesure, on effectue toutefois en pratique plus de 26 mesures. Un autre avantage de la présente invention est que l'utilisation de modèles locaux d'ordre inférieur permet de créer un modèle mathématique simple et clair du moteur à combustion interne. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - on forme le modèle local notamment à partir d'un polynôme du second ordre avec interaction du premier ordre. - le modèle est un modèle pour les grandeurs de fonctionne- ment sélectionnées du moteur à combustion interne, avec lequel, sur la base de grandeurs représentant les points de fonctionnement et de grandeurs d'influence du moteur à combustion interne, on définit les grandeurs de fonction- nement du moteur à combustion interne. - pour un moteur à combustion interne à injection directe: - les grandeurs représentant un point de fonctionnement sont la vitesse de rotation et un signal, de masse de carburant ou une vitesse de rotation et un remplissage de cylindre en gaz frais, - les grandeurs d'influence sont au moins deux des gran- deurs suivantes: X, angle d'allumage, angle du début de l'injection, pression dans la tubulure d'aspiration ou rapport de la pression d'aspiration à la pression am- biante, taux de réinjection des gaz d'échappement, pres- sion de carburant, chevauchement des soupapes, position du volet mobile de remplissage (papillon), - les grandeurs de fonctionnement sont au moins l'une des grandeurs suivantes: consommation de carburant, cou- ple, pression moyenne de combustion, émission d'hydrocarbures, émission d'oxydes d'azote, signal de cliquetis, irrégularité de fonctionnement, température des gaz d'échappement, teneur en suie dans les gaz d'échappement. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - les grandeurs d'influence sont au moins l'une des gran- deurs suivantes: X, angle d'allumage, angle de début d'injection, pression dans la tubulure d'aspiration ou rapport entre la pression dans la tubulure d'aspiration et la pression ambiante, taux de réinjection des gaz d'échappement, pression de carburant, chevauchement des soupapes, position du volet mobile de remplissage (pa- pillon). - on détermine un nombre optimum de points de mesure pour définir le modèle local par des informations statistiques relatives à la dispersion des valeurs de mesure, dans le but de définir le modèle et de minimiser l'erreur de mo- dèle. - on détermine les coefficients du modèle par des régres- sions multiples en minimisant une erreur de modèle. - le modèle sert également à commander une boîte de vitesses et/ou une installation de freins et/ou n'importe quel au- tre système électromécanique. L'invention concernant également un dispositif de commande pour la mise en oeuvre d'un moteur à combustion in- terne avec une mémoire, notamment une mémoire morte ROM et un appareil de calcul, notamment un microprocesseur, la mémoire contenant un programme qui se déroule dans l'appareil de cal- cul et pouvant exécuter un procédé selon au moins l'une des revendications précédentes. Dessins. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés dans les dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. Ainsi: - la figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne avec un appareil de commande, - la figure 2a montre schématiquement un moteur à combustion interne avec les grandeurs d'influence et les grandeurs de fonctionnement pour le fonctionnement en mode stratifié, - la figure 2b montre le début du modèle choisi, avec un po- lynôme du second ordre et un effet d'alternance du premier ordre, et - la figure 3 montre schématiquement le déroulement du pro- cédé selon l'invention. Description des exemples de réalisation. Bien que la présente invention soit décrite ci- après de manière plus détaillée dans le cas de l'exemple d'un moteur à combustion interne à injection directe, elle peut également s'appliquer à la commande de n'importe quel système électromécanique, en particulier à un véhicule automobile équipé d'un dispositif de commande. Selon la figure 1, dans le cas d'un moteur à com- bustion interne à injection directe 10, de l'air frais est fourni à une chambre de combustion 21 par une tubulure d'aspiration 19 à travers une soupape d'admission 20. Un vo- let d'étranglement 22 permet de commander la quantité d'air frais fournie à la chambre de combustion 21. Un débitmètre d'air 23 détecte l'air frais arrivant dans le moteur à com- bustion interne. Un injecteur 24 et une bougie d'allumage 45 équi- pent la culasse 25. A l'aide d'une pompe à haute pression 26 on met le carburant à une pression de travail et on l'injecte dans la chambre de combustion 21 par une conduite de carbu- rant 27 et des injecteurs 24. On allume le carburant injecté à l'aide de la bougie d'allumage 45. Un piston 44 est entrainé par l'expansion du carburant allumé. De plus, la chambre de com- bustion 21 comporte une soupape d'échappement 28 pour expul- ser les gaz d'échappement produits par la combustion. Une sonde X, 29, équipe une tubulure d'échappe- ment 30. La sonde X, 29, installée dans la tubulure d'échappement 30 permet de mesurer la teneur en oxygène des gaz d'échappement, ce qui permet de déterminer le rapport air/carburant du mélange. La tubulure d'échappement 30 com- porte en outre un catalyseur 46. Le catalyseur a pour fonc- tion de convertir les composants gazeux nocifs CO, HC, NOx en C02, H20, N2. Une conduite AGR 31 relie la tubulure d'échappement 30 à la tubulure d'aspiration 19 si bien que, du fait de la pression plus élevée régnant dans la tubulure d'échappement 30, les gaz d'échappement peuvent passer de la tubulure d'échappement 30 dans la tubulure d'aspiration 19. La soupape AGR 32 permet de commander le flux de gaz d'échappement dans la conduite AGR 31. Une conduite de ventilation de réservoir 34 relie le réservoir de carburant ou un conteneur à charbon actif 33 à la tubulure d'aspiration 19 si bien que du carburant sup- plémentaire est fourni à la tubulure d'aspiration 19 et peut ainsi arriver également dans la chambre de combustion 21. A l'aide d'une soupape de ventilation de réservoir 35 on peut commander le débit de carburant dans la conduite de ventila- tion de réservoir 34. La commande de l'ensemble du moteur à combustion interne 10 se fait à l'aide d'un appareil de commande 11. L'appareil de commande 11 peut également commander une boite de vitesses, un système de freinage 17 et n'importe quel au- tre système électromécanique 18. Des lignes de transmission de signaux et de commande 36 relient les différents capteurs et actionneurs à l'appareil de commande 11. Le moteur à combustion interne 10 peut fonction- ner selon différents modes de fonctionnement qui se distin- guent principalement par l'instant d'injection, l'instant d'allumage et le remplissage des cylindres. L'appareil de commande 11 peut commuter entre les différents modes de fonc- tionnement du moteur à combustion interne 10. Les modes de fonctionnement les plus importants du moteur à combustion in- terne sont le mode de fonctionnement homogène " hom " et le mode stratifié " sch ". En mode homogène " hom " le carburant est injecté par l'injecteur 24 dans la chambre de combustion 21 pendant la phase d'aspiration produite par le mouvement du piston. L'air est en même temps aspiré par-dessus le volet d'étranglement 22. L'air aspiré crée des turbulences dans le carburant qui se répartit ainsi de manière sensiblement régu- lière et homogène dans la chambre de combustion. Le mélange carburant/air est ensuite comprimé pour être allumé par une bougie d'allumage 45. Le mélange carburant/air s'expanse et entraîne le piston 44. Le couple engendré dépend, principale- ment en mode homogène, de la position du volet d'étranglement 22, et il est ainsi essentiellement proportionnel au remplis- sage en gaz frais rl des cylindres. Pour avoir un couple éle- vé et une faible émission de produit polluant lors de la combustion, on règle le mélange air/carburant autant que pos- sible à la valeur X = 1 ou X en charge maximale du moteur à combustion interne. En mode stratifié " sch " le volet d'étranglement 22 est largement ouvert si bien que le moteur à combustion interne fonctionne pratiquement sans être étranglé. Le carbu- rant est ainsi injecté pendant la phase de compression pour qu'à l'instant de l'allumage, un nuage air/carburant inflam- mable se trouve à proximité immédiate de la bougie d'allumage. Puis le nuage air/carburant est allumé par la bougie d'allumage 45 et l'expansion du nuage air/carburant ainsi allumé entraîne le piston 44. En mode stratifié, le couple dégagé dépend principalement de la masse de carburant injectée rk. Le mode stratifié se règle dans la plage des charges partielles du moteur à combustion interne. Pour que la combustion donne un couple optimum et une émission réduite de matière polluante, il faut tenir compte de quelques grandeurs d'influence supplémentaires en mode stratifié, par rapport au mode homogène. En mode homo- gène on n'utilise en général que l'angle d'allumage zw et le rapport air/carburant X normalisé, comme grandeurs d'influence décisives. Au contraire, dans le mode stratifié il faut utiliser en général l'angle d'allumage zw, le rapport air/carburant X normalisé, l'angle du début d'injection wesb, le rapport entre la pression dans la tubulure d'aspiration et la pression ambiante ps/pu, le taux de réin- jection des gaz d'échappement agr, la pression du carburant prail, la position du volet mobile de charge (papillon) lb et le chevauchement des soupapes vvs, comme grandeurs d'influence décisives. Pour le choix des grandeurs de fonctionnement dé- cisives du moteur à combustion interne à injection directe, les conditions sont analogues. En mode homogène, on utilise seulement en général la consommation spécifique de carburant be, le cliquetis K1 et la température des gaz d'échappement tab, comme grandeurs de fonctionnement. En mode stratifié il faut en général jusqu'à 7 grandeurs de fonctionnement. Il s'agit de la consommation spécifique de carburant be, du cli- quetis Kl, de la température des gaz d'échappement tab, de l'irrégularité de fonctionnement LU, de l'émission d'hydro- carbures EHC, de l'émission d'oxydes d'azote ENOX, de la te- neur en suie dans les gaz d'échappement SZB et de la pression de combustion moyenne pmi. A partir du grand nombre de grandeurs d'influence ou de grandeurs de fonctionnement décisives, il faut effec- tuer environ 10 fois plus de mesures en mode stratifié qu'en mode homogène de fonctionnement du moteur à combustion in- terne, pour définir un modèle du mode stratifié à l'aide du procédé de tramage. La figure 2a montre schématiquement un moteur à combustion interne à injection directe avec en particulier les grandeurs déterminantes pour le fonctionnement en mode stratifié. Le bloc 201 indique les grandeurs caractérisant un point de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 en mode stratifié. Grandeur du point de fonctionnement: nmot: vitesse de rotation rk: masse relative de carburant Le bloc 202 indique les grandeurs d'influence du moteur à combustion interne fonctionnant en mode stratifié. Grandeurs d'influence: zw: angle d'allumage wesb: angle du début de l'injection S15 ps/pu: rapport de pression tubulure d'aspiration/pression ambiante agr: taux de réinjection des gaz d'échappement prail: pression du carburant lb: position du volet mobile de charge (papillon) vvs: chevauchement des soupapes X: rapport air/carburant normalisé. Le bloc 203 montre schématiquement le moteur à combustion interne. Le bloc 204 montre les grandeurs de fonc- tionnement du moteur à combustion interne travaillant en mode stratifié. Grandeurs de fonctionnement: be: consommation en carburant (en mode stratifié elle est proportionnelle au couple fourni Md) EHC: émission d'hydrocarbures ENOx émission d'oxydes d'azote SZB: teneur en suie des gaz d'échappement (coefficient de suie) pmi: pression de combustion moyenne LU: irrégularité de fonctionnement Tab: température des gaz d'échappement. Le bloc 205 donne les conditions limites néces- saires pour définir le modèle. Il s'agit par exemple d'un fonctionnement stationnaire du moteur à combustion interne, d'un mode stratifié comme type de fonctionnement réglé, et de l'exploitation des émissions de gaz d'échappement bruts. La figure 2a correspond à un exemple de jeu de définition de modèle pour déterminer la relation entre les grandeurs de fonctionnement du moteur à combustion interne et les grandeurs d'influence en mode stratifié. Ce modèle est établi pour chaque point de fonctionnement du moteur à com- bustion interne en mode stratifié. Un point de fonctionnement en mode stratifié est défini par une vitesse de rotation nmot et une masse relative de carburant rk, cette masse étant pro- portionnelle au couple à fournir. Les grandeurs représentant un point de fonction- nement du moteur à combustion interne dépendent principale- ment également du mode de fonctionnement réglé. Par exemple en mode homogène, un point de fonctionnement est défini par une vitesse de rotation nmot et le remplissage de cylindre rl, ce remplissage étant ici essentiellement proportionnel au couple à fournir. Pour définir ce modèle, c'est-à-dire pour déter- miner les relations entre les grandeurs d'influence et les grandeurs de fonctionnement, il faut déterminer pour chaque terme les coefficients axx, bxx et cxx. La première équation représente la relation entre la consommation de carburant be et les grandeurs d'influence du moteur à combustion interne; pour des raisons de place tous les termes ne sont pas représentés. La seconde équation représente la relation entre l'émission d'hydrocarbure EHC et les grandeurs d'influence du moteur à combustion interne. La troisième équation représente la relation en- tre l'émission d'oxydes d'azote ENOx et les grandeurs d'influence du moteur à combustion interne. Pour des raisons de place, les autres équations du modèle ne sont pas repré- sentées. Le jeu choisi pour définir le modèle n'est donné ici qu'à titre d'exemple et peut être étendu à un nombre quelconque de grandeurs de fonctionnement et de grandeurs d'influence. La figure 3 montre un ordinogramme des différen- tes étapes du procédé de l'invention. Après le démarrage du procédé, tout d'abord dans l'étape 310, on détermine les points de fonctionnement du moteur à combustion interne pour lesquels on veut définir chaque fois un modèle local. En mode stratifié ces points de fonctionnement sont définis par la vitesse de rotation (régime) nmot et par la masse de carbu- rant injectée rk. On détermine des points de fonctionnement à l'intérieur de la vitesse de rotation maximale autorisée et de la masse de carburant maximale qu'il est possible d'injecter pour le mode de fonctionnement stratifié du moteur à combustion interne. Dans l'étape 320 on détermine une zone de varia- tion des grandeurs d'influence dans laquelle le fonctionne- ment du moteur à combustion interne est garanti de manière fiable en mode stratifié. Pour cela, on fait par exemple va- rier deux grandeurs d'influence du moteur à combustion in- terne en maintenant les autres constantes. En même temps on mesure l'irrégularité de fonctionnement LU et/ou la pression moyenne de combustion pmi. En exploitant les grandeurs ainsi mesurées, par exemple par comparaison avec un seuil, on peut déterminer la plage de variation autorisée des grandeurs d'influence. Dans l'étape 330 on sélectionne l'ordre du modèle local pour décrire le fonctionnement en mode stratifié du mo- teur à combustion interne. On peut prédéfinir l'ordre du mo- dèle ou le choisir de manière quelconque. Les mesures ont montré qu'un modèle du second ordre avec interaction du pre- mier ordre permettait de décrire de manière suffisamment pré- cise le fonctionnement stratifié d'un moteur à combustion interne à injection directe, et ainsi les mesures à effectuer pour définir le modèle restant dans des limites acceptables. Dans une étape 340 on détermine les points de me- sure optimum nécessaires pour définir le modèle et qui défi- nissent complètement ce modèle. Le nombre des mesures est défini en fonction de l'ordre du modèle, de la plage autori- sée de variations des grandeurs d'influence du moteur à com- bustion interne, et de la précision recherchée pour le 1l modèle. On peut utiliser par exemple à cet effet un procédé de planification d'essais, par exemple " une conception expé- rimentale ". Dans l'étape 350 on règle automatiquement chacun des points de fonctionnement du moteur à combustion interne et on effectue les mesures nécessaires à la définition du mo- dèle local. Dans l'étape 360 on optimise le modèle du fonc- tionnement stratifié du moteur à combustion interne pour cha- que point de fonctionnement. Pour cela, on modifie les coefficients établis pour le modèle local pour chaque point de fonctionnement, afin que l'intervalle des grandeurs de fonctionnement calculé par le modèle et celui des grandeurs de fonctionnement obtenu par une mesure, soient minimum. Comme mesure de l'intervalle on peut choisir par exemple une distance quadratique moyenne ou une valeur de la distance moyenne. Dans l'étape 370, à partir du modèle ainsi défi- ni, on détermine les grandeurs caractéristiques optimales pour le fonctionnement du moteur à combustion interne. Dans l'étape 380 on mémorise les grandeurs caractéristiques opti- males ainsi définies dans l'appareil de commande. Pour être complet, il convient de remarquer que, suivant le modèle, le moteur, le véhicule, etc... toutes les grandeurs d'influence, auxquelles il a été fait référence ou toutes les grandeurs de fonctionnement, ne sont pas nécessai- rement utilisées. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé pour définir un modèle (détermination des gran- deurs décisives ou des paramètres du modèle) pour déterminer les grandeurs caractéristiques de commande d'un moteur à com- bustion interne, notamment d'un moteur à combustion interne à injection directe ou à injection dans la tubulure d'aspiration, caractérisé en ce que pour chaque point de fonctionnement prédéfini du moteur à combustion interne, on définit au moins un modèle local, no- tamment d'ordre inférieur. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on forme le modèle local notamment à partir d'un polynôme du second ordre avec interaction du premier ordre. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le modèle est un modèle pour les grandeurs de fonctionnement sélectionnées du moteur à combustion interne, avec lequel, sur la base de grandeurs représentant les points de fonction- nement et de grandeurs d'influence du moteur à combustion in- terne, on définit les grandeurs de fonctionnement du moteur à combustion interne. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour un moteur à combustion interne à injection directe - les grandeurs représentant un point de fonctionnement sont la vitesse de rotation (nmot) et un signal de masse de car- burant (rk) ou une vitesse de rotation (nmot) et un rem- plissage de cylindre en gaz frais (rl), - les grandeurs d'influence sont au moins deux des grandeurs suivantes: X (lam), angle d'allumage (zw), angle du début de l'injec- tion (wesb), pression dans la tubulure d'aspiration (ps) ou rapport de la pression d'aspiration à la pression ambiante (ps/pu), taux de réinjection des gaz d'échappement (AGR), pression de carburant (prail), chevauchement des soupapes (vvs), position du volet mobile de remplissage (papillon) (lb), - les grandeurs de fonctionnement sont au moins l'une des grandeurs suivantes: consommation de carburant (be), couple (M), pression moyenne de combustion (pmi), émission d'hydrocarbures (EHC), émission d'oxydes d'azote (ENOx), signal de clique- tis (K1) irrégularité de fonctionnement (LU), température des gaz d'échappement (tab), teneur en suie dans les gaz d'échappement (SZB). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les grandeurs d'influence sont les grandeurs suivantes: x (lam), angle d'allumage (zw), angle de début d'injection (wesb), pression dans la tubulure d'aspiration (ps) ou rap- port entre la pression dans la tubulure d'aspiration et la pression ambiante (ps/pu), taux de réinjection des gaz d'échappement (AGR), pression de carburant (prail), chevau- chement des soupapes (vvs), position du volet mobile de rem- plissage (papillon) (lb). 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine un nombre optimum de points de mesure pour défi- nir le modèle local par des informations statistiques relati- ves à la dispersion des valeurs de mesure, dans le but de définir le modèle et de minimiser l'erreur de modèle (E). 7 ) Procédé selon au moins la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine les coefficients du modèle par des régressions multiples en minimisant une erreur de modèle (E). 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle sert également à commander une boîte de vitesses et/ou une installation de freins et/ou n'importe quel autre système électromécanique. 9 ) Dispositif de commande pour la mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne avec une mémoire, notamment une mémoire morte (ROM) et un appareil de calcul, notamment un micropro- cesseur, la mémoire contenant un programme qui se déroule dans l'appareil de calcul et adapté pour exécuter un procédé selon au moins l'une des revendications précédentes.