Brevet FR2794859A1 — publié le 20001215

La présente invention concerne un procédé d'estimation de la valeur instantanée d'une variable caractéristique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne, telle que la pression dans un cylindre du moteur ou le couple sur l'arbre du moteur, du type comportant la mesure d'une grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur à chaque instant, telle que la position angulaire ou la vitesse angulaire, et le calcul de l'estimation de ladite valeur instantanée en fonction de la grandeur représentative mesurée, Actuellement, de telles estimations de la pression et du couple se font à partir des mesures de la vitesse du vilebrequin, c'est-à-dire de la vitesse de l'arbre du moteur. Ces estimations sont calculées en utilisant des modèles dynamiques du moteur. De telles méthodes nécessitent des calculs très importants ainsi que de nombreuses informations sur les caractéristiques géométriques du moteur. Ainsi, elles ne permettent pas des applications de contrôle moteur en temps réel. L'invention a pour but d'estimer la pression dans les cylindres et/ou le couple sur l'arbre d'un moteur par des calculs très limités, afin de permettre des applications en temps réel, le couple étant déduit de la pression à partir de la relation physique connue qui relie ces deux grandeurs. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que ladite valeur instantanée est estimée à partir d'une forme quadratique dépendant de deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée, et d'une valeur représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur à chaque instant et établie à partir de ladite grandeur représentative mesurée, les coefficients de ladite forme quadratique étant déterminés à partir de mesures expérimentales de ladite variable caractéristique et de ladite grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur. En variante, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite valeur représentative de la position du piston dans le cylindre est prise égale au volume du cylindre considéré à l'instant donné élevé à une puissance donnée, le volume du cylindre étant déterminé à partir de ladite grandeur représentative mesurée ; - ladite puissance est comprise entre-3 et -1 ; - ladite puissance donnée est exprimée à chaque instant comme une combinaison linéaire de grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur ; - les deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée sont la fluctuation de la vitesse angulaire de rotation de l'arbre du moteur et l'accélération angulaire de l'arbre du moteur ; - les coefficients de ladite forme quadratique sont exprimés à chaque instant sous la forme d'une combinaison linéaire de grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur; - lesdites grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur comporte l'une au moins des grandeurs parmi le régime du moteur, la charge du moteur, le taux de recirculation des gaz d'échappement dans le moteur, et l'avance à l'allumage ou à l'injection ; - les coefficients de la forme quadratique sont déterminés par corrélation entre la variable caractéristique mesurée expérimentalement et les deux fonctions dépendant respectivement des deux dérivées d'ordres différents et la valeur représentative de la position du piston ; et - l'analyse de corrélation s'effectue par minimisation d'une erreur quadratique entre la valeur instantanée estimée par la forme quadratique cherchée et la valeur instantanée de la variable caractéristique mesurée expérimentalement. L'invention a en outre pour objet un dispositif d'estimation de la valeur instantanée d'une variable caractéristique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne, telle que la pression dans un cylindre du moteur ou le couple sur l'arbre du moteur, comportant un capteur de mesure d'une grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur à chaque instant, telle que la position angulaire ou la vitesse angulaire, et des moyens de calcul de l'estimation de ladite valeur instantanée en fonction de la grandeur représentative mesurée, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont adaptés pour estimer ladite valeur instantanée à partir d'une forme quadratique dépendante de deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée, et d'une valeur représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur à chaque instant et établie à partir de ladite grandeur représentative mesurée, les coefficients de ladite forme quadratique étant déterminés à partir de mesures expérimentales de ladite variable caractéristique et de ladite grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : La figure 1 est une vue synthétique d'un mode de mise en #uvre du dispositif selon l'invention ; La figure 2 est un graphique montrant l'évolution, en fonction des cycles d'un moteur, de la pression mesurée dans chaque cylindre et de la pression estimée dans ces cylindres par le procédé selon l'invention ; et La figure 3 est un graphique montrant l'évolution, en fonction des cycles d'un moteur, du couple du moteur mesuré pour chaque cylindre et du couple du moteur estimé pour ces cylindres par le procédé selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un moteur à combustion interne 10, tel qu'un moteur à explosion. L'invention peut toutefois être mise en #uvre avec un moteur Diesel. Comme connu en soi, le moteur 10 est associé à une unité 12 de contrôle du moteur. L'unité 12 est adaptée pour recueillir les valeurs instantanées de grandeurs représentatives du fonctionnement du moteur. Ces grandeurs sont mesurées directement sur le moteur par l'intermédiaire de capteurs. En outre, l'unité de contrôle du moteur 12 est adaptée pour assurer la commande du moteur, par pilotage des actionneurs de commande de celuici. En particulier, et comme connu en soi, l'unité de contrôle du moteur 12 est adaptée pour assurer une régulation de certains paramètres de fonctionnement du moteur en fonction de consignes imposées par l'utilisateur. Plus précisément, l'unité de contrôle du moteur 12 assure la régulation du régime du moteur noté N, de sa charge notée C, du taux de recirculation des gaz d'échappement couramment désigné par taux d'EGR et de l'avance à l'alumage ou à l'injection noté AA. La valeur du taux d'EGR est désignée par EGR dans la suite. Ces différentes quantités rendues accessibles par l'unité 12 sont désignées dans la suite par l'expression générale "grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur". Le moteur représenté sur la figure 1 est associé à un dispositif d'estimation de la valeur instantanée de la pression P dans un cylindre du moteur et du couple sur l'arbre du moteur. Ce dispositif d'estimation comporte des moyens de calcul 14 auxquels sont reliés un capteur 16 de mesure d'une grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur à chaque instant. Ce capteur est par exemple un capteur optique ou électromagnétique monté à l'extrémité du vilebrequin du moteur. Suivant sa nature, le capteur 16 adresse aux moyens de calcul 14 la position angulaire # du vilebrequin, et/ou la vitesse angulaire de rotation de celui-ci. Dans l'exemple considéré, la grandeur représentative mesurée par le capteur 16 est supposée être la vitesse angulaire de rotation du vilebrequin notée #. Toutefois, avantageusement, le capteur 16 mesure à la fois la position angulaire # et la vitesse angulaire # et transmet ces deux valeurs aux moyens de calcul 14. Les moyens de calcul 14 sont en outre reliés à l'unité de contrôle du moteur 12 afin de recevoir des grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur, et notamment le régime N, la charge C, le taux d'EGR et l'avance à l'allumage AA. Les moyens de calcul 14 comportent un module de conditionnement et de différenciation du signal 18 recevant en entrée la valeur instantanée de la vitesse de rotation du moteur*? issue du capteur 16. Le module 18 de conditionnement et de différenciation produit en sortie trois variables intermédiaires notées fe, B et #. fe est une grandeur représentative de la position du piston considéré du moteur à un instant donné. 0 est la fluctuation de la vitesse angulaire du vilebrequin et 9 est l'accélération angulaire du vilebrequin. Le calcul des variables intermédiaires sera détaillé dans la suite de la description. Le module de conditionnement et de différenciation 18 est relié à un module 20 d'évaluation de la pression et du couple instantané. Ce module d'évaluation 20 reçoit en entrée les trois variables intermédiaires f#, # et # issues du module de conditionnement et de différenciation 18. Il reçoit en outre de l'unité de contrôle moteur 12 le régime N, la charge C, le taux d'EGR et l'avance à l'allumage AA. En outre, les moyens de calcul 14 comportent des moyens de mémorisation 22 reliés au module d'évaluation 20. Ces moyens de mémorisation sont adaptés notamment pour mémoriser les fonctions d'estimation de la pression instantanée P et du couple instantané à partir des variables intermédiaires et des grandeurs disponibles reçues par le module d'évaluation 20. La sortie des moyens de calcul 14 est reliée à un contrôleur de moteur 24 qui reçoit en entrée la pression estimée P et le couple estimé # établis par les moyens de calcul 14. Le contrôleur 24 est relié à l'unité de contrôle du moteur 12, afin de transmettre à celle-ci des ordres individuels de commande pour chaque cylindre. Les ordres de commande sont établis sur la base de la pression et/ou du couple estimé, afin d'obtenir un fonctionnement et un rendement optimaux du moteur dans les conditions d'utilisation considéré. Les moyens de calcul 14 sont formés par exemple par des moyens de calcul à microprocesseur fonctionnant sous la commande d'un programme adapté. Le module de conditionnement et de différenciation 18 est adapté pour assurer la dérivation par rapport au temps de la vitesse angulaire # de rotation du vilebrequin, afin de déduire l'accélération angulaire # du vilebrequin. En outre, ce même module de conditionnement et de différenciation est adapté pour le calcul de la vitesse angulaire moyenne du vilebrequin sur un cycle. La vitesse angulaire moyenne ainsi calculée est déduite de la vitesse instantanée # afin d'obtenir, en sortie du module de conditionnement et de différenciation, la fluctuation de vitesse 0 . Celle-ci est donnée par la relation 0 = 0 - . Enfin, le module de conditionnement et de différenciation 18 est adapté pour le calcul de la valeur de la variable intermédiaire fe qui est représentative à chaque instant de la position du piston dans le cylindre du moteur. A un instant donné, la valeur de fe est donnée en fonction de la position angulaire de l'arbre du moteur, notée #, par la relation : où V est le volume à l'instant donné dans un cylindre considéré du moteur, et # est la position angulaire du vilebrequin pour chaque cylindre. Par convention, # = 0 correspond au point mort haut sans combustion. # est un coefficient "polytropique" pour la phase de compression-combustion dont le calcul est détaillé dans la suite. D'après la loi bielle-manivelle, le volume V est donné par la relation où D est le diamètre du piston , et # est le rapport entre le diamètre du maneton et la longueur de la bielle associés au piston en cause. Le coefficient K utilisé dans la fonction de calcul de la valeur f# représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur est le coefficient polytropique de la transformation de pression-combustion opérée dans le cylindre lors d'un cycle d'un moteur. En effet, d'un point de vue physique, la phase de compression-combustion peut être considérée comme une transformation polytropique pour laquelle la pression P et le volume V dans chaque cylindre suivent la relation P.V-# = Constante . La forme V-# pour le calcul de fe est choisie afin de rendre compte du pic de pression au moment de la combustion lorsque les soupapes sont fer- mées. Une telle fonction a un niveau de corrélation très élevé avec la pression. Le coefficient K, lorsqu'il est pris constant, est avantageusement compris entre 1 et 3 et est de préférence sensiblement égal à 5/3 pour un moteur à allumage commandé. Le module d'évaluation 20 est adapté pour déterminer la valeur estimée de la pression dans un cylindre du moteur à partir d'une forme quadratique Pest dépendant des deux dérivées d'ordres différents par rapport au temps 0 et # de la grandeur représentative de la position de l'arbre du moteur, ainsi que de la valeur fe représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur. L'expression de la forme quadratique Pest est stockée dans la mémoire 22. Le coupleest estimé à partir de la pression estimée P par la relation physique connue les unissant. Dans la suite de la description, seule l'estimation de la pression P dans un cylindre est décrite en détail. Le couple du moteur peut être déduit de manière analogue, notamment du fait de la relation existant entre le couple instantané du moteur et la pression dans un cylindre. Plusieurs formes quadratiques différentes reliant l'accélération #, les fluctuations de vitesses #, et valeur représentative de la position du piston fe permettent d'estimer la pression. Des exemples de telles formes quadratiques sont donnés ci-dessous en étant classés par ordre de complexité croissante du point de vue du nombre de termes les constituant : Pest = a10. f# + a10.# + a30.# Pesr =aoo + alO.JO +0+0peu =aoo +aofe +azoB +a3o.8+a2feB Sl a., +0-+2--+3--+23P1.1t =aoo+ao.fe+azo8+a3o.B+a.fe2 +a22.Bz +a33.82 =00+0-+0++2-+3-+3Pest - a00 + a10 J B + al l'l B2 + a 2 l B B + al3.Jo.B + a22 .v 2 i- a23.B.B + a33.B2 La forme plus complète est : =0+0-+0+0+.- +2.+3-+2- +3-+3- Les coefficients aij des différentes formes quadratiques sont des constantes ou des combinaisons linéaires des grandeurs disponibles N, C, EGR, AA. Leur calcul sera détaillé dans la suite de la description. Pour des applications au contrôle moteur en temps réel, il est préférable de limiter les calculs tout en maintenant une bonne précision des résultats. La description sera poursuivie en prenant pour exemple la forme quadratique suivante qui est satisfaisante tant du point de vue de la complexité des calculs que de la précision de l'estimation obtenue : Pest = aoo + a,o. f B + a,2. fB.B + al3.f(J.8+ aZ3.B.8 Le mode de calcul des coefficients aij de la forme quadratique Pest va maintenant être décrit. Dans une phase initiale réalisée en laboratoire, la pression dans un cylindre d'un moteur à combustion interne du type considéré est mesurée expérimentalement à partir d'un capteur adapté monté sur le moteur. Plusieurs mesures de la pression sont effectuées en modifiant les grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur, à savoir le régime N, charge C, la recirculation des gaz EGR, l'avance à l'allumage ou à l'injection AA. Les coefficients aoo, a,o , a,1, au, a2i sont obtenus par minimisation de l'erreur quadratique #2 entre la pression mesurée P et la pression esti- mée Peu . L'erreur quadratique est définie par eze - Pest (a,, 2 En particulier, pour tous les indices i et j prenant les valeurs discrètes {0,1,2,3} correspondantes au coefficient considéré, on cherche à annuler la dérivée de l'erreur par rapport au coefficient aij, c'est-à-dire : ##2/@ = 0. Ceci conduit à résoudre, pour chaque cylindre et pour chaque #aij condition de fonctionnement étudiée expérimentalement, le système suivant: où désigne l'opérateur mathématique donnant la valeur moyenne. Les valeurs des coefficients aij sont ainsi calculées à partir des mesures expérimentales obtenues en modifiant les grandeurs disponibles N ; EGR, AA, représentatives du fonctionnement du moteur. A partir des valeurs calculées pour les coefficients aij, une loi linéaire est établie pour estimer les coefficients a,, sous la forme d'une combinaison linéaire des grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur : al} est =6, !/0 +6 V! .A+6 '72 .C+6,, 3 .FG+A V4 ./L4. En variante, une loi d'ordre supérieur est utilisée. Les coefficients b,, sont obtenus également par minimisation de l'erreur quadratique entre les coefficients aij calculés, et les coefficients aij est estimés d'après la combinaison linéaire. La valeur de chacun des coefficients aij de la forme quadratique Pest s'exprime ainsi directement comme une combinaison linéaire des grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur. L'expression de la pression Pest est donnée ci-après pour l'exemple choisi en remplaçant chacun des coefficients aij de la forme quadratique par la forme linéaire qui le représente en fonction des grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur, et en réordonnant l'expression en fonction des grandeurs disponibles représentatives de fonctionnement du moteur. Pest s'exprime ainsi sous la forme : Cette expression permet d'obtenir la pression P dans les cylindres en tout point de la plage de validité des grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur, tout en s'affranchissant du besoin de capteur de pression. Ces coefficients bij @ sont déterminés pour le moteur étudié à partir d'une mesure expérimentale de la pression dans les cylindres, et ils sont mis en mémoire dans les moyens 22. Les moyens de calcul 14 peuvent alors être mis en #uvre sur des moteurs de production du même type pour estimer la valeur de la pression. L'estimation de la pression P se fait alors directement à partir l'évaluation de la forme quadratique en fonction des mesures de la vitesse angulaire # du vilebrequin et des grandeurs disponibles représentatives de fonctionnement du moteur. En outre, et avantageusement, la valeur du coefficient "polytropique" # intervenant dans la valeur représentative de la position fe, est calculée de façon à minimiser l'erreur entre la pression mesurée expérimentalement et la pression estimée d'après la forme quadratique pour différentes conditions expérimentales. La valeur de #est est alors estimée directement d'après les grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur par un polynome sous la forme : xes, =co +c,N+c2N2 +c3.C+c4.EGR+cSAA Les coefficients co,c,,c2,c3,c,c5 sont obtenus par minimisation de l'erreur entre le coefficient calculée et le coefficient estimé #est. En variante, une loi d'ordre supérieure est utilisée pour exprimer #est. Sur les figures 2 et 3 sont représentées, pour chaque cylindre et sur quatre cycles d'un même moteur, l'évolution de la pression mesurée notée P1m, P2m, P3m, P4m, et de la pression estimée notée P1, P2, P3, P4, (figure 2), ainsi que l'évolution du couple mesuré noté #am, #2m, #3m, #4m, et du couple estimé noté #1, #2, #3, #4, (figure 3). Sur ces figures, les courbes en trait continu concernent les valeurs mesurées et les courbes en pointillés concernent les valeurs estimées. Ces mesures et estimations ont été effectuées sur un moteur à essence à quatre cylindres ayant une cylindrée de 1,6 litre. Ces mesures ont été effectuées à un régime de 1000 tours/minute, la pression moyenne indiquée étant de 7 bars. On constate sur le graphique des figures 2 et 3 que la courbe correspondant aux variables mesurées Pm, Tm et estimées P, t sont pratiquement confondues, l'erreur quadratique sur un cycle étant inférieure à 2 %. Dans le dispositif selon l'invention, tous les calculs importants sont réalisés en amont dans une phase de cartographie, et, une fois les coefficients appropriés mis en mémoire du calculateur 14, l'évaluation de la pression et du couple se fait avec très peu de calculs et en temps réel. Le dispositif selon l'invention est particulièrement utile pour les applications de contrôle moteur en temps réel, où la pression instantanée ou le couple sont nécessaires. Il s'agit par exemple du calcul du travail effectué au cours d'un cycle pour la détection des ratées de combustion, de la détermination de la chaleur dégagée au cours de la combustion, ou de l'ajustement de la quantité de carburant introduite dans le cylindre en fonction de la qualité de la combustion du cycle précédent afin de réduire les émissions de polluants. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'estimation de la valeur instantanée d'une variable caractéristique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne (10), telle que la pression (P) dans un cylindre du moteur ou le couple (#) sur l'arbre du moteur, comportant la mesure d'une grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur à chaque instant, telle que la position angulaire (#) ou la vitesse angulaire (il), et le calcul de l'estimation de ladite valeur instantanée (P) en fonction de la grandeur représentative mesurée (il), caractérisé en ce que ladite valeur instantanée (P) est estimée à partir d'une forme quadratique (Pest) dépendant de deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées (#,#) par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée (il), et d'une valeur (fe) représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur à chaque instant et établie à partir de ladite grandeur représentative mesurée (il), les coefficients de ladite forme quadratique (Pest) étant déterminés à partir de mesures expérimentales de ladite variable caractéristique (P) et de ladite grandeur (il) représentative du mouvement de l'arbre du moteur. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur (fe) représentative de la position du piston dans le cylindre est prise égale au volume (V) du cylindre considéré à l'instant donné élevé à une puissance donnée (-#), le volume (V) du cylindre étant déterminé à partir de ladite grandeur représentative mesurée (il). 3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite puissance (-#) est comprise entre-3 et -1. 4. - Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite puissance donnée (-#) est exprimée à chaque instant comme une combinaison linéaire de grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur (N, C, EGR, AA). 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée (il) sont la fluctuation de la vitesse angulaire (#) de ro- tation de l'arbre du moteur et l'accélération angulaire (#) de l'arbre du moteur. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients de ladite forme quadratique (Pest) sont exprimés à chaque instant sous la forme d'une combinaison linéaire de grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur (N, C, EGE, AA). 7. - Procédé selon la revendication 4 ou 6, caractérisé en ce que lesdites grandeurs disponibles représentatives du fonctionnement du moteur comporte l'une au moins des grandeurs parmi le régime (N) du moteur, la charge (C) du moteur, le taux de recirculation des gaz d'échappement dans le moteur (EGR), et l'avance à l'allumage ou à l'injection (AA). 8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients de la forme quadratique (Pest) sont déterminés par corrélation entre la variable caractéristique mesurée expérimentalement et les deux fonctions dépendant respectivement des deux dérivées d'ordres différents (#,#) et la valeur (fe) représentative de la position du piston. 9. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyse de corrélation s'effectue par minimisation d'une erreur quadratique entre la valeur instantanée estimée par la forme quadratique cherchée (Pest) et la valeur instantanée de la variable caractéristique mesurée expérimentalement (P). 10. - Dispositif (14,16) d'estimation de la valeur instantanée d'une variable caractéristique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne (10), telle que la pression (P) dans un cylindre du moteur ou le couple (or) sur l'arbre du moteur, comportant un capteur (16) de mesure d'une grandeur représentative du mouvement de l'arbre du moteur à chaque instant, telle que la position angulaire (#) ou la vitesse angulaire (#), et des moyens (14) de calcul de l'estimation de ladite valeur instantanée (P) en fonction de la grandeur représentative mesurée (#), caractérisé en ce que les moyens de calcul (14) sont adaptés pour estimer ladite valeur instantanée (P) à partir d'une forme quadratique (Pest) dépendante de deux fonctions dépendant respectivement de deux dérivées (# ,#) par rapport au temps d'ordres différents de ladite grandeur représentative mesurée (#), et d'une valeur (fe) représentative de la position du piston dans le cylindre du moteur à chaque instant et établie à partir de ladite grandeur représentative mesurée (#), les coefficients de ladite forme quadratique (Pest) étant déterminés à partir de mesures expérimentales de ladite variable caractéristique (P) et de ladite grandeur (#) représentative du mouvement de l'arbre du moteur.