Brevet FR2793558A1 — publié le 20001117

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DU COUPLE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure du couple d'un moteur thermique à combustion interne, de type Diesel ou à essence. Le développement de nouveaux moteurs passe par une amélioration de leur fonctionnement et par des mesures d'antipollution plus sévères, ce qui nécessite de nouveaux capteurs de variables ou de grandeurs internes au moteur, caractéristiques du fonctionnement. En particulier, un capteur de couple permet d'estimer le couple produit par le moteur, constituant la grandeur de sortie d'un système dynamique complexe. Le moteur exerce sur le système constitué par le vilebrequin, le volant d'inertie qui lui est solidaire et les masses alternatives, un couple gaz moyen à chaque combustion du mélange gazeux dans chacun des cylindres. Un tel capteur de couple est destiné à une meilleure connaissance du fonctionnement dans le but d'une stratégie de contrôle du moteur d'une part, et à diagnostiquer des défauts de fonctionnement, tels que des ratés de combustion dans le but d'adaptation de stratégie de dépollution. Actuellement, il existe des procédés d'estimation du couple moteur et de diagnostic de raté de combustion utilisant des mesures de vitesse instantanée obtenue à partir d'un capteur placé sur le volant d'inertie du moteur et généralement traitées dans le domaine fréquentiel. Le brevet français, déposé au nom de RENAULT sous le numéro FR 91 11273, propose un procédé d'estimation du couple fourni par un moteur à essence à partir de mesures de la vitesse instantanée de rotation du vilebrequin, donnée sous forme de durées de dent mesurées par un capteur magnétique placé en face d'une couronne dentée solidaire du volant moteur. Par transformée de Fourier, le procédé donne une expression de l'harmonique d'ordre 4 de la vitesse en fonction des durées dent sur un demi-tour de vilebrequin, et la valeur de l'harmonique d'ordre 4 du couple gaz est ensuite déduite de l'inversion du modèle dynamique du système moteur-vilebrequin. Le capteur de couple est basé sur la constance du rapport entre le couple gaz moyen PMIm et la projection de son harmonique 4 rapportée à une position de référence de phase constituée par la première dent, après le point mort haut, PMI4*cos44, pour la boucle positive du cycle, sur la plage de régime moteur comprise entre 2000 et 4000 tours/minute, et avec une correction en fonction de la richesse. Le capteur est limité aux moteurs à essence et ne peut être appliqué aux moteurs Diesel car la constance du rapport entre la valeur moyenne et l'harmonique d'ordre 4 du couple n'est plus assurée avec une combustion au gazole. En effet, lors d'un raté de combustion, la combustion du gazole ne se fait pas dans un ou plusieurs des cylindres du moteur, ce qui entraîne une chute du couple moyen pouvant être détectée par le capteur de couple. Il est alors possible d'envisager une stratégie de dépollution relative à l'échappement des gaz non brûlés, ainsi qu'un procédé de remise en état ou de réglage des injecteurs et soupapes du cylindre défectueux. Le capteur de couple peut être aussi utilisé lors d'essais effectués sur banc moteur, afin de connaître le couple aux différents points de fonctionnement auxquels ont lieu les essais. Il permet de plus de commander chaque injecteur par estimation du couple tous les quarts de cycle moteur, en particulier en régulation du régime de ralenti. Plus généralement, ce capteur de couple peut servir de bouclage sur le débit de gazole injecté dans les cylindres. Le but de l'invention est de délivrer une estimation du couple moyen sur un cycle moteur à partir d'un capteur de vitesse instantanée et d'un algorithme intégrant la dynamique du moteur et un modèle de combustion. L'invention transforme le signal de vitesse du capteur dans l'espace fréquentiel et calcule les harmoniques de couple à partir des harmoniques de vitesse. Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif de mesure du couple gaz moyen Cgaz produit par chaque combustion du mélange air-carburant dans un moteur thermique à quatre temps et p cylindres, relié à un capteur magnétique de vitesse instantanée, monté fixement en face du volant d'inertie du moteur, lui- même solidaire d'une couronne dentée, à N dents, qui délivre un signal alternatif de fréquence proportionnelle à la vitesse de défilement des dents de la couronne, c'est-à-dire proportionnelle à la vitesse instantanée du volant, caractérisé en ce qu'il est composé de: - premiers moyens réalisant une transformée de Fourier FFT de la vitesse angulaire instantanée (t) du volant moteur pour délivrer ses harmoniques (Qnp) de rang np sur un cycle moteur; un modèle dynamique du système moteur-vilebrequin avec torsion; - relié à ces premiers moyens, qui permet de calculer les harmoniques (Cgaz,np) d'ordre np du couple moyen gaz en fonction des harmoniques (Qnp) de la vitesse angulaire instantanée; - des seconds moyens réalisant la corrélation entre la valeur moyenne du couple gaz (Cgaz,o0)et ses harmoniques (Cgaz,np). Un second objet de l'invention est un procédé de mesure du couple gaz moyen mis en oeuvre par le dispositif, dont la première étape consiste à calculer la vitesse angulaire instantanée co(t) du volant moteur à partir d'une mesure de durée dent (dt) de la couronne dentée associée au volant d'inertie, qu'il inverse et multiplie par l'angle correspondant au passage de la dent, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: calcul de la transformée de Fourier FFT de cette vitesse angulaire a(t) pour en obtenir ses N/p harmoniques (Qnp) d'ordre np, sur un cycle moteur, soit deux tours de vilebrequin, l'harmonique fondamentale pour un moteur à p cylindres étant l'harmonique (Qp) d'ordre p; - calcul du couple d'inertie (Cvil) du vilebrequin en fonction de la vitesse du volant moteur à partir du modèle dynamique du système moteur-vilebrequin qui intègre la torsion, de telle sorte que chaque harmonique (Cvil,pn) du couple d'inertie du vilebrequin s'exprime en fonction de l'harmonique (npn) de la vitesse de rotation du vilebrequin: j=p Cvil,np = {p / j j(s)} * Qnp j=l j étant un entier compris entre 1 et p, et les termes xj(s) étant relatifs au volant moteur et aux manetons de la matrice inverse de la matrice inertie-amortissement-raideur; calcul des harmoniques (Cgaz,np) du couple gaz égal à la somme du couple du vilebrequin entraîné et du couple des masses alternatives selon la relation dynamique du vilebrequin dans le domaine fréquentiel: Cgaznp = Cvil,np + Cma,np les harmoniques Cma,np du couple des masses alternatives étant nulles quand n#l, de sorte que: j =p Cgaz,np = Cvil,np = {p / y j(s)}* Qnp; j=l - corrélation entre le couple moyen gaz (Cgaz,o) et les harmoniques importantes du signal: (Vcyl/47c) * PMInp cOSnp-. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation particulier, illustrée par la figure unique qui est un schéma des différents éléments constitutifs d'un dispositif de mesure du couple selon l'invention. Le dispositif 1 de mesure du couple gaz moyen Cgaz produit par chaque combustion du mélange air-carburant dans un moteur thermique à quatre temps, selon l'invention, est représenté schématiquement sur la figure unique. Il est relié à un capteur 2 magnétique fixe monté en face du volant d'inertie 3 du moteur, lui-même solidaire d'une couronne dentée 4, à N dents, qui délivre un top à chaque passage d'un front montant d'une dent 6, afin d'obtenir une durée dent dt avec une horloge. Le signal alternatif délivré par le capteur est de fréquence proportionnelle à la vitesse de défilement des dents de la couronne, c'est-à-dire proportionnelle à la vitesse instantanée du volant. Un moteur à combustion interne, Diesel ou à essence comprenant p cylindres, p étant un entier au moins égal à 4, fonctionne suivant un cycle thermodynamique à 4 temps: l'admission du mélange des gaz, l'air ou les EGR - Exhaust Gas Recirculation - dans certains cas, leur compression, la combustion du carburant injecté et de l'oxygène contenu dans ces gaz et la détente des gaz, et enfin l'échappement. Le moteur comprend aussi un vilebrequin qui relie les points d'application des couples exercés par les pistons des cylindres au volant d'inertie du moteur, dans un mouvement rotatif. Le dispositif 1 de mesure du couple gaz, relié au capteur magnétique 2, est composé tout d'abord de moyens 7 réalisant une transformée de Fourier FFT de la vitesse angulaire instantanée (t) du volant moteur, qui délivre les harmoniques Qn de rang n. Ces moyens 7 sont ensuite reliés à un modèle dynamique 8 du vilebrequin avec torsion, qui permet de calculer l'harmonique pmip d'ordre p de la pression moyenne indiquée à partir de laquelle des moyens 9 vont réaliser la corrélation entre cette harmonique pmip et la valeur moyenne pmi0 de la pression moyenne indiquée du couple. Ainsi, le procédé de mesure du couple, mis en oeuvre par ce dispositif précédemment décrit, réalise les différentes étapes suivantes. Il calcule la vitesse angulaire instantanée (t) du volant moteur à partir d'une mesure de durée dent dt de la couronne dentée associée au volant d'inertie, qu'il inverse et multiplie par l'angle correspondant au passage de la dent. Les moyens 7 effectuent une transformée de Fourier FFT de cette vitesse angulaire (t) pour obtenir les harmoniques nnp de cette vitesse, au nombre de N/p. Sur un cycle moteur, soit deux tours de vilebrequin, l'harmonique fondamentale pour un moteur à p cylindres est l'harmonique d'ordre p. D'après le modèle dynamique du vilebrequin, le couple Cvil du vilebrequin entraîné ajouté à celui Cma des masses alternatives, telles que la bielle et la manivelle, est égal au couple gaz Cgaz auquel on retranche le couple dû aux frottements Cf et le couple résistant Co ramené par l'embrayage, comme l'exprime l'équation E1: Cvil + Cma = Cgaz - Cf - CO (El) = {(Vcyl/4n) * (pmi - pmf)} - CO dans laquelle: Vcyl = cylindrée totale du moteur pmi = pression moyenne indiquée pmf = pression moyenne due aux frottements Cgaz = (Vcyl/4n)*pmi Cf = (Vcyl/4K)*pmf. Le couple dû aux frottements et le couple résistant sont supposés négligeables ou constants. Le couple des masses alternatives Cma n'a de composante que sur l'harmonique p, soit dans le cas d'un moteur à p=4 cylindres: Cma = mR2/ 2o2 * sin2O (E2) O étant l'angle de rotation du vilebrequin et = dO/dt sa vitesse de rotation. Dans le cas d'un moteur à p=6 cylindres: Cma = 3mR2/(4k)*o2 * sin3O o m est la masse alternative, R est la longueur de la manivelle, X est le rapport entre la bielle et la manivelle. Dans une première approximation o la torsion est négligée, le couple d'inertie du vilebrequin est écrit selon l'équation E3: Cvil = J*d(O/dt (E3) o J est l'inertie du vilebrequin, ce qui est justifié pour les harmoniques à des fréquences faibles, en dessous des résonances de torsion. Le modèle dynamique du système moteur- vilebrequin selon l'invention intègre la torsion existant en raison de la masse et de la raideur du vilebrequin, par calcul de structure sous forme d'un modèle à éléments finis à nEF degrés de liberté. Ces degrés de liberté sont les déplacements angulaires des différents éléments du vilebrequin, soit le volant moteur, les paliers, tourillons, bras, poulies et manetons qui sont les points d'application des bielles. Pour cela, le modèle du vilebrequin s'écrit, dans le domaine fréquentiel, après inversion de la matrice intertie-amortissement-raideur, sous la forme de l'équation E4: [dO/dt] = [Js + B + K/s]-1 * [C] (E4) dans laquelle: [dO/dt] et [C] sont des vecteurs à nEF composantes représentant les déplacements et les efforts des différents éléments du vilebrequin; K/s représente la torsion et B est un terme d'amortissement modérant la torsion; s = i2nf (f = fréquence de vibration du vilebrequin et i2 = - 1) En considérant les nEF degrés de liberté du modèle, seuls les couples Cj exercés sur les manetons par chacun des p cylindres sont non nuls: Cj = (1/p)*Cvil, de sorte que l'on obtient la vitesse de rotation du volant: j=p (E5) devol/dt = I cj(s)*Cj j=l les coefficients aj(s) étant ceux de la ligne relative au volant moteur, dans la matrice inverse de la matrice inertie-amortissement-raideur, et correspondant aux manetons o s'appliquent les comptes. D'après le procédé, en première approximation, on considère que les couples Cj, j étant un entier compris entre 1 et p, exercés par les cylindres sont, en fonctionnement normal, tous égaux à un déphasage près, égal à T/p sur un cycle moteur, T étant la durée du cycle moteur, de telle sorte que l'on obtient une relation entre vitesse de rotation w et couple total du vilebrequin Cvi1. Etant donné que pour les harmoniques Cj,np des couples multiples de p, le déphasage est multiple de 2n, donc nul, les harmoniques Qpn, d'ordres multiples de p, de la vitesse de rotation s'expriment en fonction des harmoniques Cvil,pn du couple d'inertie du vilebrequin par l'équation E6: j=p (E6) (dO/dt)np = np = t (j(s) *Cj,np j=l avec Cj,np = 1/p *Cvil,np s = i*o0*np/2 e0: valeur moyenne de la vitesse O j=p Ainsi Cvil,np = {p / y j(s)}* np. (E7) j=l Le procédé calcule ensuite les harmoniques Cgaz,np du couple gaz à partir de la relation dynamique du vilebrequin (E1) dans le domaine fréquentiel en ne gardant que les harmoniques pminp multiples de p, soit: Cgaz,np = Vcyl/47t * pminp = Cvil,np + Cma,np (E'1) sachant de plus que le couple gaz est aussi égal à: Cgaz = Cgaz,0 + E Cgaz,np Cgaz = (Vcyl/4n) * {pmi0 + E pmipn*eionp/2}, pmi0 étant la valeur moyenne de pmi pour n=0 et E pmipn*eionp/2 ses harmoniques, et pour la vitesse angulaire mesurée O est: ( = (o00 + Qpn * eienP/2 la valeur de chaque harmonique 2np étant très inférieure à la valeur moyenne 0o. D'une part, les harmoniques Cvilnp du couple du vilebrequin ont été calculées en (E7) et d'autre part, les harmoniques Cma,pn du couple des masses alternatives, multiples de p, sont nulles quand n est différent de 1, seule Cma,p est non nulle. Dans le cas d'un moteur essence ou Diesel à 4 cylindres par exemple, pour n = 1, l'harmonique Cma,4 d'ordre 4 est égal à: Cma,4 = - iC02 * mR2/4. Ainsi, pour n É 1: j=p Cgaz,np = Cvil,np = {p / Z cj (s)}* Qnp j=l Le procédé a évalué les harmoniques Cgaz,np d'ordres multiples de p du couple gaz Cgaz, à partir desquels il doit faire la corrélation avec le couple moyen gaz: Cgaz,O = (Vcyl/47t) * pmio0. Pour une couronne dentée à N dents, d'indice m compris entre O et N-1, et faisant un angle 8m avec une position de référence, la pression moyenne indiquée pmi(m) correspondant au couple exercé au passage de la dent m s'exprime, à partir de la formule de la transformée de Fourier selon l'équation E8: N-1 pmi(m) = pminp * exp(i2nnpm/N) (E8) n=0 n étant le rang de l'harmonique. En prenant la première dent de la couronne, d'indice m = O et d'angle o00, après le Point Mort Bas, telle que pmi(0) = O, l'expression E8 devient: (N-l)/2 N-1 pmi(0) = pmi0 + Z pminp + Z pminp n = 1 (N-l)/2 (N-l)/2 (E9) pmi0 = pmi(00)- 2 Y PMInp * COSnp n=1 avec pminp = PMIn(cos4np + isin4np) PMInp étant l'amplitude et énp étant la phase de l'harmonique pminp d'ordre np. L'expression (E9) traduit la corrélation importante entre le couple moyen Cgaz,0 = (Vcyl/4n)*pmio et les harmoniques importantes (Vcyl/4n) * PMIn * cosn du signal, c'est-à-dire les premières, soit l'harmonique 4 pour un moteur à essence à quatre cylindres. Pour un moteur Diesel à quatre cylindres, on constate, par l'observation empirique des signaux de pression obtenus, à l'harmonique d'ordre 2p=8, une relation E10 linéaire d'évaluation du couple moyen: (Vcyl/4n) * pmi0 = a(Vcyl/4n) * (-2 PMI8*cos48) + b o a et b sont des coefficients obtenus par cartographie en fonction au premier ordre de l'avance à l'injection et éventuellement du régime moteur, cette cartographie étant le résultat d'une calibration sur un type de moteur. A partir de l'observation des essais, il peut arriver qu'une phase 48 soit voisine de 90 , ce qui entraîne que la composante PMI8*cos48 est voisine de 0. Aussi, le procédé prévoit la projection sur l'axe des sinus permettant d'obtenir une relation analogue d'évaluation du couple moyen à partir de l'expression -2PMI8*sin48, qui est fonction du régime et de l'avance. Pour un moteur Diesel à p cylindres, le procédé établit une corrélation entre le couple gaz moyen Cgaz,0 et son harmonique Cgaz,2p (Vcyl/4n) * pmi0 = a (Vcyl/47t) * (-2 PMI2p*cos42p) + b Pour un moteur à 4 cylindres, on considère l'harmonique 8, et pour un moteur à 6 cylindres on considère l'harmonique 12 par exemple. L'invention permet une estimation du couple moyen sur un cycle moteur, par transformation du signal de vitesse du capteur dans l'espace fréquentiel,et calcul des harmoniques du couple à partir de celles de la vitesse. L'introduction de la torsion dans le modèle dynamique du système moteur-vilebrequin est essentielle car elle influe sur les harmoniques de rang supérieur à l'harmonique 4. R E V E N D I C A T IONS 1. Dispositif de mesure du couple gaz moyen Cgaz produit par chaque combustion du mélange air-carburant dans un moteur thermique à quatre temps et p cylindres, relié à un capteur magnétique de vitesse instantanée, monté fixement en face du volant d'inertie du moteur, lui-même solidaire d'une couronne dentée, à N dents, qui délivre un signal alternatif de fréquence proportionnelle à la vitesse de défilement des dents de la couronne, c'est-à-dire proportionnelle à la vitesse instantanée du volant, caractérisé en ce qu'il est composé de: - premiers moyens (7) réalisant une transformée de Fourier FFT de la vitesse angulaire instantanée (t) du volant moteur pour délivrer ses harmoniques (Qnp) de rang np sur un cycle moteur; - un modèle dynamique (8) du système moteur- vilebrequin avec torsion, relié à ces premiers moyens (7), qui permet de calculer les harmoniques (Cgaz,np) d'ordre np du couple moyen gaz en fonction des harmoniques (nnp) de la vitesse angulaire instantanée; - des seconds moyens (9) réalisant la corrélation entre la valeur moyenne du couple gaz (Cgaz,0) et ses harmoniques (Cgaz,np) 2. Dispositif de mesure du couple gaz moyen selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle dynamique du système moteur-vilebrequin intègre la torsion existant en raison de la masse et de la raideur du vilebrequin, par calcul de structure sous forme d'un modèle à éléments finis à nEF degrés de liberté, correspondant aux déplacements angulaires et aux efforts des différents éléments du vilebrequin, soit le volant moteur, les paliers, tourillons, bras, poulies et manetons qui sont les points d'application des bielles, ledit modèle du vilebrequin s'écrivant, dans le domaine fréquentiel, après inversion de la matrice inertie- amortissement-raideur, sous la forme: [dO/dt] = [Js + B + K/s]-1 * [C] [dO/dt] étant un vecteur à nEF composantes représentant la vitesse de rotation des éléments du vilebrequin; [C] étant un vecteur à nEF composantes représentant les couples appliqués sur le vilebrequin K/s représentant la torsion; J représentant l'inertie du vilebrequin; B étant un terme d'amortissement modérant la torsion; s = i2nf (f = fréquence de vibration du vilebrequin), de telle sorte que chaque harmonique (Cvil,pn) du couple d'inertie du vilebrequin s'exprime en fonction de l'harmonique (fpn) de la vitesse de rotation du vilebrequin: j=p Cvil,np = {p / j j(s)}* Qnp j=1 3.Procédé de mesure du couple gaz moyen mis en oeuvre par le dispositif selon les revendications 1 et 2, dont la première étape consiste à calculer la vitesse angulaire instantanée co(t) du volant moteur à partir d'une mesure de durée dent (dt) de la couronne dentée associée au volant d'inertie, qu'il inverse et multiplie par l'angle correspondant au passage de la dent, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - calcul de la transformée de Fourier FFT de cette vitesse angulaire (t) pour en obtenir ses N/p harmoniques (nnp) d'ordre np, sur un cycle moteur, soit deux tours de vilebrequin, l'harmonique fondamentale pour un moteur à p cylindres étant l'harmonique (Dp) d'ordre p; - calcul du couple d'inertie (Cvil) du vilebrequin en fonction de la vitesse du volant moteur à partir du modèle dynamique du système moteur-vilebrequin qui intègre la torsion, de telle sorte que chaque harmonique (Cvil,pn) du couple d'inertie du vilebrequin s'exprime en fonction de l'harmonique (Qpn) de la vitesse de rotation du vilebrequin: j=p Cvil,np = {p / y uj (s)} * np j=l j étant un entier compris entre 1 et p, aj(s) étant calculés à partir de la matrice inertie- amortissement-raideur; calcul des harmoniques (Cgaz,np) du couple gaz égal à la somme du couple du vilebrequin entraîné et du couple des masses alternatives selon la relation dynamique du vilebrequin dans le domaine fréquentiel: Cgaz,np = Cvil,np + Cma,np les harmoniques Cma,np du couple des masses alternatives étant nulles quand n#l, de sorte que: i=p Cgaz,np = Cvil,np = {p / Z j(s)}* np; j=l - corrélation entre le couple moyen gaz (CgazO) et les harmoniques importantes du signal: (Vcyl/47c) * PMInp COSDnp. 4.Procédé de mesure du couple gaz moyen selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur Diesel à p cylindres, il établit une corrélation entre le couple gaz moyen (Cgaz,0) et son harmonique (Cgaz,2p) selon une relation linéaire: (Vcyl/4n) * pmio = a (Vcyl/4n) * (-2 PMI2p*cos42p) + b o a et b sont des coefficients obtenus par cartographie en fonction au premier ordre de l'avance à l'allumage et éventuellement du régime moteur, cette cartographie étant le résultat d'une calibration sur un type de moteur.