Brevet FR2785332A1 — publié le 20000505

Etat de la technique L'invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer le couple d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence. Selon le document DE 196 31 986 Ai, on connaît un système de commande d'un moteur à combustion interne à injec- tion directe d'essence. Dans ce système, on utilise une va- leur de consigne du couple du moteur à combustion interne pour fixer la masse de carburant à injecter. Ce document dé- crit un procédé pour commuter entre les différents modes de fonctionnement du moteur à combustion interne. Les principaux modes de fonctionnement d'un tel moteur à combustion interne sont celui d'un fonctionnement du moteur avec stratification de la charge et mise en oeuvre pratiquement non étranglée et un fonctionnement étranglé avec injection homogène. Même dans un moteur à combustion interne à injection directe d'essence, il est important de déterminer le couple effectif du moteur. On utilise cette valeur par exemple au niveau d'autres unités de commande (comme par exemple la régulation du patinage à entraînement) pour une exploitation plus poussée ou encore dans le système de commande, par exemple pour initialiser les filtres, le cas échéant pour surveiller. La présente invention a pour but de développer des moyens permettant de déterminer le couple effectif du mo- teur à combustion interne à injection directe d'essence. A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que: - on calcule le couple du moteur à combustion interne selon les paramètres de fonctionnement à l'aide d'un modèle, - sur la base des grandeurs de fonctionnement qui caractéri- sent un point de fonctionnement du moteur à combustion in- terne provenant d'un champ de caractéristiques prédéterminé, on définit une valeur du couple maximum obte- nue dans des conditions normalisées, - pour au moins une grandeur de réglage influençant le couple du moteur à combustion interne, on prédétermine un rende- ment qui est formé en fonction de la valeur actuelle de cette grandeur et de sa valeur normalisée et, - pour déterminer le couple réel, on corrige le couple maxi- mum avec au moins ce rendement. L'invention concerne également un dispositif pour déterminer le couple d'un moteur à combustion interne à in- jection directe d'essence avec un modèle qui en fonction des grandeurs de fonctionnement calcule le couple du moteur à combustion interne, un champ de caractéristiques à partir du- quel, selon les grandeurs de fonctionnement qui définissent le point de fonctionnement du moteur à combustion interne, on détermine le couple maximum dans les conditions normalisées, et des moyens qui forment au moins une grandeur dépendant du rendement d'au moins une grandeur influençant le couple en fonction de la déviation entre la grandeur actuelle et la grandeur normalisée respective, et des moyens de correction, qui corrigent le couple maximum pour définir le couple réel avec au moins une grandeur de rendement. Selon la demande DE 1 97 29 100.7 non publiée an- térieurement, on a un modèle pour déterminer le couple d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence se- lon lequel, à partir de la masse d'air aspirée, de la masse des gaz d'échappement réinjectée, de la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement et d'un coefficient de conversion, on détermine la masse de carburant effectivement brûlée; à partir de cette masse de carburant brûlée, calcu- lée, on déduit le couple réel fourni par le moteur à combus- tion interne. On a constaté que l'application de ce modèle conduisait à des résultats non satisfaisants dans certains cas, ce modèle ne tenant pas compte d'autres grandeurs agis- sant sur le couple. De plus, ce modèle n'est pas consistant ce qui signifie qu'il permet certes de déterminer le couple réel, mais l'inversion du modèle, c'est-à-dire le calcul des grandeurs de réglage du moteur à combustion interne en fonc- tion du couple de consigne n'est pas possible. De plus, pour déterminer le couple réel et convertir le couple de consigne, il faut utiliser différents modèles ce qui augmente les moyens à mettre en oeuvre pour commander le moteur à combus- tion interne. Selon le document EP-B 749 524 (US-A-5 69 2471), on connaît un modèle de couple consistant pour un moteur à combustion interne à injection par tubulure d'aspiration. Se- lon ce modèle connu, on calcule le couple du moteur à combus- tion interne à partir d'un couple optimum obtenu en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de la charge du moteur (remplissage), ce couple représentant le couple maximum du moteur à combustion interne dans les conditions normalisées ainsi qu'à partir des rendements pour la composition du mé- lange, du réglage de l'angle d'allumage et de la suppression d'injections de carburant. Avec les rendements, on tient compte des influences des déviations entre les valeurs effec- tives et les conditions normalisées à la base de la formation du couple optimum. Par inversion appropriée du modèle, on dé- termine non seulement le couple réel du moteur à partir des grandeurs de réglage, mais on détermine également les gran- deurs de réglage en fonction d'une valeur du couple de consi- gne. Ce modèle ne peut pas se transposer directement à un moteur à combustion interne à injection directe d'essence car, dans ce dernier cas, à cause des modes de fonctionnement différents, il faut tenir compte d'autres exigences ou exi- gences différentes. Avantages de l'invention Pour le modèle défini pour un fonctionnement pra- tiquement non étranglé d'un moteur à combustion interne à in- jection directe, pour déterminer le couple fourni par le moteur, on sépare les différentes influences agissant sur le couple moteur. Cela permet de tenir compte de manière simple de toutes les grandeurs influençant le couple du moteur tout en réduisant les étapes de calcul nécessaires au calcul du couple. Il est en outre avantageux de supprimer les liaisons transversales des grandeurs de réglage dans leur action sur le couple moteur. De plus, il faut tenir compte de manière simple de l'équipement respectif du moteur à combustion in- terne, par exemple s'il s'agit d'un moteur avec ou sans volet d'étranglement, d'un réglage d'arbre à cames, ou autres pour le calcul du modèle. Il est particulièrement avantageux que le modèle soit consistant, c'està-dire qu'il permette à la fois le calcul du couple réel en partant des valeurs mesurées des grandeurs influençant le couple que de calculer des grandeurs de réglage correspondant à ces grandeurs pour obtenir le cou- ple voulu en utilisant un seul modèle. Il est particulièrement avantageux que le modèle de couple qui convient pour déterminer le couple réel d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence pour le fonctionnement pratiquement non étranglé du moteur, possède une structure correspondant à celle du modèle de cou- ple pour calculer le couple réel d'un moteur à combustion in- terne à injection par tubulure d'aspiration et formation d'un mélange de carburant homogène. Cela permet d'utiliser un uni- que modèle de couple, pour déterminer le couple réel ou pour déterminer les grandeurs de réglage d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence dans tous les modes de fonctionnement, indépendamment de ce qu'il y a ou non étran- glement et entre le fonctionnement non étranglé et le fonc- tionnement étranglé du moteur à combustion interne, on commute uniquement certains paramètres du modèle. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: * on prévoit le rendement pour au moins l'une des grandeurs suivantes: rapport air/carburant, coefficient de réinjec- tion des gaz d'échappement, position d'un arbre à cames, instant du début d'injection, angle d'allumage, position d'un volet de déplacement de charge, * le champ de caractéristiques du couple maximum dépend de la vitesse de rotation du moteur (régime) et de la charge du moteur ou du remplissage relatif, * le couple est le couple à haute pression indexé, * en tenant compte des pertes par changement de charge et des pertes par l'entraînement des équipements accessoires, on calcule le couple effectif, * en cas de changement de mode de fonctionnement du moteur à combustion interne, on commute au moins d'un mode de fonc- tionnement non étranglé vers un mode de fonctionnement étranglé ou inversement, entre des modèles adaptés à ce mode de fonctionnement ou au moins une partie d'un modèle. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre une installation de commande d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence, - la figure 2 montre un exemple de réalisation préférentiel du modèle pour déterminer le couple d'un moteur à combus- tion interne à injection directe d'essence pour le fonc- tionnement non étranglé, en s'appuyant sur l'exemple d'un diagramme de déroulement. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre une installation de commande d'un moteur à combustion interne à injection directe d'essence. Cette installation comprend au moins un micro- ordinateur 12, un circuit d'entrée 14, un circuit de sortie 16 et un système de communication reliant les composants. Le circuit d'entrée 14 reçoit des signaux par les lignes d'entrée qui, dans un exemple de réalisation préférentiel, sont combinés en un système de bus, alors que pour des rai- sons de clarté, ces lignes sont représentées séparées à la figure 1. A partir de ces signaux, on déduit les grandeurs de fonctionnement utilisées pour commander le moteur à combus- tion interne. De manière explicite, les grandeurs de fonc- tionnement nécessaires dans l'exemple de réalisation préférentiel pour le modèle de couple et le calcul du couple réel, sont: Un signal représentant la vitesse de rotation du moteur NMOT fourni par une installation de mesure appropriée et appliqué à une ligne d'entrée 22 du circuit d'entrée 14; une installation de mesure 24 fournit, par une ligne 26, une grandeur HFM décrivant la masse d'air fournie au moteur à combustion interne; au moins une installation de mesure 28 fournit un signal représentant la composition des gaz d'échappement x par une ligne 30 au circuit d'entrée 14; dans l'exemple de réalisation préférentiel, pour des systèmes à réglage de l'arbre à cames, c'est-à-dire avec commande des soupapes d'entrée/d'échappement de chaque cylindre à partir d'une installation de mesure 32, on transmet à une installa- tion de mesure 32 un signal représentant la position de l'arbre à cames cnw par la ligne 34 à l'unité de commande ; de façon correspondante, une installation de mesure 36 dans le cas d'un volet de déplacement de charge ou volet d'étranglement dans le système d'aspiration, fournit un si- gnal représentant la position alb de ce volet par la ligne 38. De plus, la figure 1 montre d'autres lignes d'entrée 40-44 reliant l'unité de commande 10 à différentes installations de mesure 46-50 pour fournir d'autres grandeurs de fonctionnement nécessaires à la commande du moteur à com- bustion interne, comme par exemple la position d'un volet d'étranglement, la température du moteur, ou autres. Par le circuit de sortie, l'unité de commande 10 fournit les gran- deurs de réglage à la commande du moteur à combustion interne ainsi que d'autres grandeurs de fonctionnement pour d'autres unités de commande. Cela est représenté à la figure 1 par les lignes de sortie. Dans l'exemple de réalisation préférentiel, l'unité de commande 10 influence l'angle d'allumage dans les cylindres du moteur à combustion interne (ligne de sortie 52), la masse de carburant à injecter et l'instant d'injection (ligne de sortie 54), la position d'un volet d'étranglement à commande électrique pour régler l'alimentation en air (ligne de sortie 56), une soupape de réinjection de gaz d'échappement qui définit le taux de la quantité de gaz d'échappement réinjectée dans la tubulure d'aspiration à partir de la tubulure d'échappement (ligne de sortie 58) à un volet de déplacement de charge (ligne de sor- tie 60), qui règle la turbulence de l'agent de fonctionnement aspiré ainsi que les temps de commande des soupapes d'admission et d'échappement des cylindres du moteur à com- bustion interne (ligne de sortie 62); dans l'exemple de réa- lisation préférentiel, ces temps se règlent par une commande appropriée de la position de l'arbre à cames du moteur à com- bustion interne. De plus, on fournit le couple réel (mi) du moteur à combustion interne par la ligne de sortie 64 (en gé- néral par un système de bus) vers d'autres unités de commande telles qu'une unité de régulation antipatinage, une unité de commande de boîte de vitesses, ou autres.5 A côté de l'envoi des grandeurs de fonctionne- ment, mesurées, on détermine les autres grandeurs de fonc- tionnement exploitées pour obtenir le couple réel (par exemple le taux de réinjection de gaz d'échappement, l'instant de l'injection) de manière interne à partir des grandeurs de réglage ou à partir de grandeurs mesurées. Cela constitue également une possibilité alternative pour détermi- ner les grandeurs de fonctionnement représentées comme mesuré à la figure 1. Par exemple, on peut déduire la position du volet de déplacement de charge et le réglage de l'arbre à cames à partir des signaux de commande correspondants. Le micro-ordinateur 12 implémente des programmes qui, à partir des grandeurs de fonctionnement fournies don- nent des grandeurs de réglage pour commander le moteur à com- bustion interne selon le souhait du conducteur et le cas échéant à partir d'autres systèmes de commande. Notamment, on détermine un couple de consigne qui, tenant compte de la si- tuation actuelle du moteur à combustion interne, est trans- formé en signaux de commande pour commander les grandeurs influençant la puissance. En fonction de la plage de charge du moteur à combustion interne, on travaille selon différents modes de fonctionnement, par exemple dans la plage inférieure de la charge d'une manière pratiquement non étranglée avec une répartition stratifiée du mélange, de manière étranglée dans la plage supérieure de la charge avec formation homogène de mélange de façon comparable au fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection dans la tubulure d'aspiration. Il est particulièrement avantageux pour les opérations de calcul internes et/ou pour l'envoi d'autres unités de commande, de connaître le couple effectif du moteur à combustion interne. En utilisant le modèle décrit ci-après, on déter- mine pour tous les modes de fonctionnement du moteur à com- bustion interné, le couple de haute pression indexé du moteur qui donne par calcul en d'autres couples du moteur par exem- ple en tenant compte des pertes de changement de charge et de la demande de couple des consommateurs entraînés, est le cou- ple effectif du moteur à combustion interne. Si le moteur à combustion interne fonctionne de manière non étranglée, on utilise le modèle de couple repré- senté à la figure 2; sur la base de celui-ci, on fait à la fois un calcul du couple réel et une conversion du couple de consigne en des grandeurs de réglage. Dans le cas du modèle de couple représenté à la figure 2 pour déterminer le couple réel d'un moteur à combus- tion interne à injection directe, on définit les valeurs nor- malisées des grandeurs de réglage influençant le couple. Il est prévu en outre un champ de caractéristiques qui contient pour les points de fonctionnement du moteur à combustion in- terne dans les conditions normales, le couple haute pression avec ses maximums. Dans ces conditions, un point de fonction- nement est défini par la vitesse de rotation du moteur et sa charge (par exemple son remplissage d'air relatif) qui se dé- termine à partir du signal mesuré de la masse d'air. De plus, pour chaque grandeur de réglage influençant le couple, on dé- finit un rendement qui représente l'effet de la déviation de la grandeur de réglage par rapport à sa grandeur normalisée définie pour le couple. Si l'on fait fonctionner un moteur à combustion interne à injection directe d'essence en mode pratiquement non étranglé, les grandeurs de réglage suivantes influencent le couple: le rapport air/carburant k, le taux de réinjec- tion des gaz d'échappement agr, l'instant d'injection it, l'angle d'allumage xzw et suivant l'équipement, en cas de possibilité de commande de l'arbre à cames et ainsi de com- mande des soupapes d'admission et d'échappement, on règle la position de l'arbre à cames xnw et/ou en présence d'un volet de déplacement de charge, on règle la position clb de ce vo- let de déplacement de charge. Les grandeurs normalisées sont formées soit d'un nombre prédéterminé de manière fixe (par exemple k=l) ou le cas échéant selon le point de fonctionnement (vitesse de ro- tation du moteur et charge) comme cela est par exemple le cas pour l'angle d'allumage dont la grandeur normalisée repré- sente un angle d'allumage qui conduit pour tout point de fonctionnement respectif à un couple maximum (angle d'allumage optimum). Si le moteur à combustion interne ne comporte pas de volet de déplacement de charge et pas de possibilité de réglage de l'arbre à cames, on ne tient pas compte des degrés d'action correspondants. Le modèle se décrit par l'équation suivante: mi = KF * eta(stelll) * eta(stell2) *... * eta(stelln) dans laquelle: mi couple haute pression indexé KF Couple maximum dans les conditions normalisées eta Rendement stelll..n grandeur de réglage à prendre en compte20 Dans l'exemple préférentiel, on obtient de ma- nière pratique: mi= miopt(rl,nmot, norm)*étak*etaagr*etait*etaxnw*etaxzw*etaxlb miopt (couple maximum) rl remplissage d'air relatif nmot Vitesse de rotation du moteur norm Valeurs normalisées des différents paramètres de réglage etaX Rendement du mélange air/carburant etaagr Rendement du taux de réinjection des gaz d'échappement etait Rendement de l'instant d'injection etaanw Rendement de la position de l'arbre à cames etaazw Rendement de l'angle d'allumage etaclb Rendement de la position du volet d'étranglement Le calcul de ce modèle est représenté à l'aide du diagramme fonctionnel de la figure 2. Le champ de caractéris- tiques 100 pour le couple haute pression indexé maximum donne le couple haute pression maximum indexé miopt en fonction de la vitesse de rotation (régime) du moteur nmot et du remplis- sage d'air relatif rl. Le remplissage d'air relatif s'obtient à partir de la masse d'air d'alimentation, mesurée en tenant compte de la dynamique de la tubulure d'aspiration. Un pre- mier point de combinaison 102 corrige cette valeur de couple haute pression maximale indexée avec le rendement actuel du mélange air/carburant réglé actuellement. Pour cela, on forme la déviation de la concentration d'oxygène actuelle par rap- port à sa valeur normalisée, au point de comparaison 104 et à l'aide d'une courbe caractéristique 106, on définit le rende- ment etak par lequel on corrige le couple haute pression maximum indexé de préférence par multiplication. La valeur maximale corrigée de cette manière est formée aux points de correction 108, 110, 112, 114, 116 avec les rendements correspondants respectivement au taux actuel de réinjection des gaz d'échappement, à la position actuelle de l'arbre à cames, à l'instant actuel d'injection, au ré- glage actuel de l'angle d'allumage et à la position actuelle d'un volet de déplacement de charge, et on forme de cette ma- nière la valeur (mi) du couple réel. Pour définir les différents rendements, on a les courbes caractéristiques 118, 120, 122, 124, 126 dans les- quelles on enregistre le rendement en fonction de la dévia- tion de la valeur réglée effective de la valeur normalisée respective. Pour chaque grandeur, on forme les déviations aux points de comparaison 128, 130, 132, 134, 136. Les rendements représentent les effets relatifs de ces déviations sur le couple fourni par le moteur à combustion interne. Pour leur valeur normalisée (déviation nulle), les rendements sont égaux à 1. Ce modèle est alors utilisé pour calculer les différentes grandeurs de réglage à partir d'une valeur prédé- terminée Misoll du couple de consigne. Cela se fait par une Il transformation- adéquate de l'équation rappelée ci-dessus en substituant la valeur du couple de consigne à la valeur du couple réel. Cela permet de déterminer un degré de rendement de consigne (etasoll(stelll)) pour une grandeur de réglage5 déterminée à partir de laquelle, en tenant compte des valeurs normalisées prévues, on calcule la grandeur de réglage elle- même. Cela se fait de manière successive pour toutes gran- deurs de réglage selon un ordre prédéterminé en tenant compte des grandeurs de réglage ou des rendements actuels:10 etasoll(stelll) = Misoll/(KF*eta(stell2)*... *eta(stelln) Le modèle de couple calcule le couple de haute pression indexé. Pour en déduire par calcul le couple effec- tif du moteur à combustion interne, on retranche les pertes provenant du changement de charge et de l'entraînement des équipements accessoires. Les caractéristiques de rendement, décrites, c'est-à-dire le champ de caractéristiques du couple de haute pression maximum sont définies pour chaque type de moteur à combustion interne avec des algorithmes d'opti- misation. Le modèle de couple décrit à la figure 2 est pré- vu pour le fonctionnement non étranglé d'un moteur à combus- tion interne à injection directe d'essence. En commutant sur le mode de fonctionnement avec l'étranglement, on a constaté qu'à cause du changement des conditions aux limites, ce mo- dèle ne fournit plus de résultat satisfaisant. C'est pour- quoi, il faut commuter entre les modèles ou des parties d'un modèle pour le fonctionnement en mode non étranglé et celui en mode étranglé. Pour cela, on commute les courbes caracté- ristiques de rendement sur les courbes caractéristiques opti- misées pour un autre mode de fonctionnement. Dans un exemple de réalisation préférentiel, on conserve le champ de caracté- ristiques du couple indexé maximum mais, on peut avoir des applications dans lesquelles, il faut également commuter ce champ de caractéristiques sur un champ de caractéristiques optimisées pour le fonctionnement homogène. A 'la commutation d'un modèle vers l'autre, ou dans la commutation entre les parties d'un modèle, on initia- lise le couple réel mi avec la valeur antérieure pour éviter un passage brutal à cause des tolérances de calcul.5 Une commutation au moins de parties de modèle se produit lorsqu'on passe d'un mode de fonctionnement à un au- tre. Les modes de fonctionnement peuvent être un mode de fonctionnement avec stratification de charge, un mode homo- gène avec mélange stoechiométrique ou mélange pauvre ou des10 modes de fonctionnement mixtes avec double injection (couche homogène). R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé pour déterminer le couple d'un moteur à combus- tion interne à injection directe d'essence, caractérisé en ce qu' - on calcule le couple du moteur à combustion interne selon les paramètres de fonctionnement à l'aide d'un modèle, - sur la base des grandeurs de fonctionnement qui caractéri- sent un point de fonctionnement du moteur à combustion in- terne provenant d'un champ de caractéristiques prédéterminé, on définit une valeur du couple maximum obte- nue dans des conditions normalisées, - pour au moins une grandeur de réglage influençant le couple du moteur à combustion interne, on prédétermine un rende- ment qui est formé en fonction de la valeur actuelle de cette grandeur et de sa valeur normalisée et, - pour déterminer le couple réel, on corrige le couple maxi- mum avec au moins ce rendement. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on prévoit le rendement pour au moins l'une des grandeurs suivantes: rapport air/carburant, coefficient de réinjection des gaz d'échappement, position d'un arbre à cames, instant du début d'injection, angle d'allumage, position d'un volet de déplacement de charge. 3 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ de caractéristiques du couple maximum dépend de la vitesse de rotation du moteur (régime) et de la charge du mo- teur ou du remplissage relatif. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le couple est le couple à haute pression indexé. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu' en tenant compte des pertes par changement de charge et des pertes par l'entraînement des équipements accessoires, on calcule le couple effectif. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu' en cas de changement de mode de fonctionnement du moteur à combustion interne, on commute au moins d'un mode de fonc- tionnement non étranglé vers un mode de fonctionnement étran- glé ou inversement, entre des modèles adaptés à ce mode de fonctionnement ou au moins une partie d'un modèle. 7 ) Dispositif pour déterminer le couple d'un moteur à com- bustion interne à injection directe d'essence avec un modèle qui en fonction des grandeurs de fonctionnement calcule le couple du moteur à combustion interne, un champ de caracté- ristiques (100) à partir duquel, selon les grandeurs de fonc- tionnement qui définissent le point de fonctionnement du moteur à combustion interne, on détermine le couple maximum dans les conditions normalisées, et des moyens (106, 118, 120, 122, 124, 126) qui forment au moins une grandeur dépen- dant du rendement d'au moins une grandeur influençant le cou- ple en fonction de la déviation entre la grandeur actuelle et la grandeur normalisée respective, et des moyens de correc- tion (102, 108, 110, 112, 114, 116), qui corrigent le couple maximum pour définir le couple réel avec au moins une gran- deur de rendement.