Brevet FR2813920A1 — publié le 20020315

Procédé de mesure de l'angle de pression maximale de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne L'invention concerne les moteurs à combustion interne, et en particulier le contrôle de la combustion. Dans l'optique de satisfaire à des contraintes de performances et de respect de l'environnement, la précision du contrôle du fonctionnement d'un moteur à combustion interne est une nécessité toujours plus importante pour les constructeurs automobiles. Certaines valeurs remarquables peuvent être utilisées pour le contrôle du fonctionnement du moteur. Une de ces valeurs correspond à l'angle du vilebrequin pour lequel la pression de la chambre de combustion est maximale, noté aPmax. Cette valeur est pertinente dans la mesure où l'on constate qu'un rendement optimal de la combustion, réalisée par un moteur à combustion interne, est obtenu quand l'angle de pression maximale de chambre coïncide avec l'angle pour lequel le couple frein est lui aussi maximal. Un contrôle en boucle ouverte de ce paramètre s'avère délicat dans la mesure où de nombreux facteurs peuvent influer sur celui-ci, comme par exemple l'avance à allumage, la température, la charge, le régime. Pour réaliser un contrôle efficace de aPmax, il apparaît nécessaire d'effectuer un bouclage et donc de réaliser un système de mesure performant de ce paramètre angulaire. Une mesure peut être obtenue, par exemple, par un capteur du type piezoélectrique. Toutefois, le prix et la fragilité d'un tel capteur rendent difficile leur utilisation généralisée sur l'ensemble des moteurs d'une gamme de véhicules. C'est pourquoi, on recherche à obtenir la valeur de aPmax de façon indirecte, à partir de signaux disponibles sur le moteur à combustion interne. Il est connu que le signal d'ionisation puisse permettre l'estimation de la valeur de aP",aX. Les capteurs d'ionisation sont d'ailleurs connus en soi et ont fait l'objet déjà de nombreux développements par plusieurs constructeurs automobiles, et notamment le demandeur, l'avantage principal étant que les capteurs à courant ionique sont notablement moins coûteux et posent peu de problèmes en ce qui concerne-la sécurité de fonctionnement et l'installation. On peut citer, à cet égard, la publication US 4 417 556 qui décrit un procédé de contrôle en boucle fermée de l'instant d'allumage d'un moteur à combustion interne, basé sur la détection du maximum de pression de chambre à partir du courant d'ionisation mesuré au cours de la combustion. Le maximum de pression correspond au dernier maximum du signal représentatif du courant ionique, intervenant après le point mort haut à l'intérieur d'une zone de mesure définie par une position angulaire du vilebrequin comprise entre 0 et 90 après le point mort haut. Ce maximum est recherché par la détection du changement de signe de la dérivée première du signal représentatif du courant d'ionisation (et éventuellement de la dérivée seconde). Le principal inconvénient du procédé proposé vient du fait qu'il présuppose que le signal représentatif du courant d'ionisation présente deux maxima (le second maximum pouvant éventuellement n'être qu'un aplatissement), le premier maximum se produisant avant le point mort haut, et second après le point mort haut. Cependant, cela peut s'avérer inexact pour certains points de fonctionnement du moteur. En effet, le premier maximum peut, éventuellement, se produire après le point mort haut, tandis que le second maximum peut éventuellement se produire avant le point mort haut. Finalement, il peut y avoir un nombre de maxima supérieur à deux se produisant après le point mort haut. Le procédé décrit dans la publication US 4 417 556 n'est pas alors applicable. La présente invention vise à obtenir un procédé de mesure de la pression maximale de la chambre de combustion par le signal représentatif du courant d'ionisation qui soit utilisable sur une large étendue de points de fonctionnements du moteur à combustion. Dans ce but, elle propose un procédé de détection, dans un moteur à combustion interne comportant au moins une chambre de combustion, de l'angle de vilebrequin, apmax, dudit moteur, pour lequel la pression de la chambre de combustion est maximale. Le procédé comporte les étapes suivantes - la mesure d'un signal I(a) représentatif du courant ionique dans la chambre de combustion, - le calcul d'une valeur intermédiaire d'angle de vilebrequin de pression de chambre maximale, apn,aX,, à partir du signal 1(a), - le fenêtrage du signal I(a) autour de la valeur intermédiaire, apmax" de l'angle vilebrequin de pression de chambre maximale, - le calcul d'une valeur finale d'angle de vilebrequin de pression de chambre maximale, apmax, à partir du signal I(a) limité au fenêtrage. Selon une autre caractéristique du procédé, la valeur intermédiaire d'angle de vilebrequin, apmaxl, est égale à une première combinaison, de premières valeurs optimales de paramètres (3.p,,, (3op,2,..., Pope" et de premières grandeurs scalaires, x,,x2,...,xn, au moins une desdites premières grandeurs scalaires, x,,x2,...,xn, étant déterminée à partir du signal I(#). Selon une autre caractéristique du procédé, au moins une desdites premières grandeurs scalaires, x"x2,...,xn, est incluse dans le groupe intégrale du signal I(a), premier moment du signal I(#), second moment du signal I(a), angle de vilebrequin correspondant au premier point du signal I(a) d'amplitude supérieure à un seuil déterminé en remontant dans le sens des angles de vilebrequin décroissants, angle de vilebrequin correspondant à la première saturation du signal I(a). Selon une autre caractéristique du procédé, la valeur finale d'angle de vilebrequin, cc..,,,, est égale à une seconde combinaison, I'2(y,,y2,.... yn), de secondes valeurs optimales de paramètres Y.Pt,, yoPL,-., Y,,P@ et de secondes grandeurs scalaires y"y2,...,yn, au moins une desdites secondes grandeurs scalaires, y,,y2,...,yn, étant déterminée à partir du signal I(a) limité au fenêtrage. Selon une autre caractéristique du procédé, au moins une desdites secondes grandeurs scalaires, y,,y2,...,yn, est incluse dans le groupe intégrale du signal I(a) limité au fenêtrage, premier moment du signal I(a) limité au fenêtrage, second moment du signal I(a) limité au fenêtrage, angle de vilebrequin correspondant au premier point du signal I(#), limité au fenêtrage, d'amplitude supérieure à un seuil déterminé en remontant dans le sens des angles de vilebrequin décroissants, angle de vilebrequin correspondant au maximum du signal I(a) limité au fenêtrage, barycentre du signal I(a) limité au fen$trage. Selon une autre caractéristique du procédé, au moins une desdites premières et/ou secondes grandeurs scalaires, x,,x2,...,xn et y"y2,...,yn, correspond à une donnée représentative de l'état du moteur, notamment le régime moteur, la richesse, l'avance à l'allumage, ou la charge. Selon une autre caractéristique du procédé, la première combinaison, I',(x,,x2,-,xn), (respectivement la seconde combinaison, I'2(y,,y2,...,y. est une combinaison affine des premières grandéûrs scalaires, x"x2,-,xn, (respectivement des secondes grandeurs scalaires, y,,y2,...,yj ou une combinaison polynomiale des premières grandeurs scalaires, x"x2,-,xn, (respectivement des secondes grandeurs scalaires, y"y2,...,yn), paramètrée par les premières valeurs optimales de paramètres PoP,,, (30P,2,..., Poptn (respectivement les secondes valeurs optimales de paramètres yoP", yop,2,..., Yopi Selon une autre caractéristique du procédé, les premières valeurs optimales, (3.P", (3oPQ,..., (3opt,, (respectivement les secondes valeurs optimales de paramètres yoP,,,Yoptz;..., yoPO, ) sont obtenues lors d'une phase d'étalonnage réalisée sur un moteur à combustion interne de référence équipé d'un capteur de pression de la chambre à combustion. Selon une autre caractéristique du procédé, les premières valeurs optimales, PoP". (3oP@,..., (3opon, et les secondes valeurs optimales de paramètres Yop ,yopt2D**,, yoPtr, sont obtenues par l'optimisation d'un critère vis-à-vis de la valeur issue du capteur de pression de la chambre de combustion. Selon une autre caractéristique du procédé, le critère d'optimisation est du type moindre carrés ou corrélation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre en référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement les différents éléments intervenant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente, sous forme d'organigramme, les différentes étapes du procédé selon l'invention lors d'un fonctionnement courant, - la figure 3 représente sous forme d'organigramme, les différentes étapes du procédé selon l'invention, lors de la phase d'étalonnage. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un moteur à combustion interne, pour lequel seuls une partie de la culasse 11 et un cylindre 12 sont représentés. Un piston 13 coulisse dans le cylindre 12 et définit, avec celui- ci et la culasse 11, une chambre de combustion 14 dans laquelle débouche une bougie d'allumage 15. La chambre de combustion 14 peut disposer également d'une sonde à courant ionique ou bien la bougie d'allumage 15 peut être modifiée pour émettre un signal représentatif du courant ionique. Le piston 13 entraîne en rotation, par l'intermédiaire d'une bielle 17, un vilebrequin (non représenté). La référence 19 désigne un capteur, de type connu, permettant de détecter la valeur instantanée de l'angle vilebrequin, noté a. Un calculateur 18, comprenant, de façon traditionnelle, un microprocesseur relié à une zone de mémoire, reçoit de la bougie 15, ou du capteur spécifique de courant d'induction, un signal représentatif du courant d'induction de la chambre de combustion 14 en fonction du temps. II reçoit, en outre, du capteur 19 d'angle de vilebrequin un signal représentatif de la valeur instantanée de l'angle du vilebrequin en fonction du temps. A partir de ces deux signaux, le calculateur 18 élabore un signal I(a), représentatif du courant d'ionisation en fonction de l'angle vilebrequin. De plus, le calculateur 18 a accès à un ensemble de données représentatives de l'état du moteur, soit en étant directement relié à des capteurs dédiés, soit en étant relié à un bus de données sur lequel ces données sont disponibles. Le calculateur est, en outre, adapté pour réaliser diverses opérations mathématiques sur les données précédentes afin, par exemple, d'obtenir des valeurs directement utilisables ou interprétables. Le procédé de détermination de l'angle de pression maximale de chambre aP",aX, représenté sur la figure 2, est réalisé en deux temps. Une estimation grossière est tout d'abord réalisée, celle-ci sert ensuite de base à l'obtention d'une estimation plus fine. L'étape 20 consiste en l'acquisition et l'échantillonnage du signal représentatif du courant d'ionisation issu de la bougie 15, ou d'un capteur dédié, et l'élaboration du signal I(a). A l'étape 21, le calculateur 18 détermine différentes grandeurs scalaires sur les échantillons du signal I(a). De telles grandeurs scalaires sont, par exemple, l'intégrale du signal, les deux premiers moments du signal, la position du premier point du signal d'amplitude supérieure à un seuil en en remontant l'axe des abscisses, et la position moyenne des saturations. A l'étape 22, le calculateur 18 acquiert les valeurs de différentes données représentatives de l'état du moteur, en les mettant éventuellement en forme. Ces données sont, par exemple, le régime moteur, la richesse, l'avance à l'allumage, et la charge. A l'étape 23,à partir des données représentatives de l'état du moteur, des scalaires déterminés à l'étape 21, et de premières valeurs optimales de paramètres notés Pop",aopt2,...,Popti" calculées dans une phase d'étalonnage détaillée ultérieurement, le calculateur 18 détermine une première estimation de apmax, notée a@max" au moyen d'une fonction scalaire paramètrée T',. La fonction r, peut être du type combinaison affine, soit où x"x2,...,x, regroupent les données représentatives de l'état du moteur et les grandeurs scalaires déterminées à l'étape 21. La fonction f, peut également être, par exemple, du type combinaison polynomiale et s'écrire sous la forme A l'étape 25, le calculateur 18 réalise un fenêtrage de I(a) autour de la valeur aIn,aX,. Par exemple, le fenêtrage peut consister en une fenêtre rectangulaire de 20 degrés .de large, centrée sur la valeur #p,,,,,,. Le calculateur 18 détermine alors différentes grandeurs scalaires sur les échantillons de I(a) limité au fenêtrage. Ces grandeurs scalaires peuvent être identiques à celles de l'étape 21. Il est possible d'en inclure d'autres telles que les positions du maximum et du barycentre du signal I(oc) limité au fenêtrage. A l'étape 26, à partir des données représentatives de l'état du moteur, des scalaires déterminés à l'étape 25, et de secondes valeurs optimales de paramètres notées Yoptl,Yopt2,...,Yoptn, calculées dans une phase d'étalonnage détaillée ultérieurement, le calculateur 18 détermine une estimation plus fine de aPn,ax au moyen d'une fonction scalaire paramètrée r,. La fonction I', peut, comme pour la fonction f" être du type combinaison affine, polynomiale ou autre, les secondes valeurs optimales de paramètres Yoptl5Yopt2 "**IYoptn venant remplacer les premières valeurs optimales de paramètres ... POP,. La figure 3 représente la phase d'étalonnage permettant de déterminer les premières et secondes valeurs optimales de paramètres, Noptl>Nopt2>***>Poptn et Yopt1@Yopt2@*>*>Yoptn' Les étapes 30,31,32,35 et 36 correspondent respectivement aux étapes 20,21,22,25 et 26 de la figure 2 La phase d'étalonnage est réalisée sur un moteur de référence ou éventuellement, de façon régulière pour chaque moteur. Elle nécessite la présence d'un capteur de pression de la chambre de combustion 14, adapté pour émettre un signal représentatif de la pression dans la chambre de combustion 14 et relié au calculateur 18. Elle peut, par exemple, être obtenue de la façon suivante: le moteur de référence fonctionnement selon des paramètres d'état (régime, etc.) déterminés. Le signal représentatif du courant d'ionisation est enregistré. A partir de valeurs initiales des paramètres Poptl5Nopt2>***ipoptn@ il est calculé, à l'étape 33, une première estimation de ocPmaxl, puis, à partir de valeurs initiales des paramètres Yoptl@Yopt2@Yoptn@ il est calculé, à l'étape 35, une estimation plus fine de aCPn,ax. A l'étape 34, on détermine, à partir du signal représentatif de la pression dans la chambre de combustion 14, la valeur de référence apn,axréf de l'angle de vilebrequin pour laquelle la pression de la chambre de combustion 14 est maximale. A l'étape 37, on calcule des nouvelles valeurs de paramètres, PoptJopt2@-9popn, et yopt YoptD-@Yop, qui optimisent un critère de validité de la valeur estimée oc,,,. par rapport à la valeur de référence aPmaxréf@ Le critère d'optimisation peut être du type corrélation, ou moindre carrés ou toute autre méthode connue. Les étapes 33 à 37 sont répétées avec les nouvelles valeurs de paramètres, jusqu'à la convergence de l'ensemble et l'obtention de valeurs finales de paramètres, PoptI,f opt2,...'Poptn et YoptDYoptD-@Yoptn, On obtient ainsi une base de valeurs optimales de paramètres, Poptl,Popt2,..#,@optn et YoptI5Yopt25,,*5Yoptn pour un point de fonctionnement du moteur déterminé. Les dimensions de cette base peuvent être éventuellement réduites en utilisant à nouveau des critères d'optimisation, de façon à obtenir des premières et secondes uniques valeurs optimales de paramètres. On peut obtenir ainsi des uniques valeurs optimales de paramètres, PoptI@Popt2@" >Poptn et Yoptl@Yopt2e...@Yopnv pour tous les points de fonctionnement du moteur, ou plusieurs -possibilités de valeurs optimales de paramètres, PoptI1Nopt2,...,Poptn et YoptI@Yoptz5...Yopti,, selon certaines plages de points de fonctionnement du moteur. La phase d'étalonnage du système proposé fournit les premières et secondes valeurs optimales de paramètres, PoptIepoptD-@Poptn et YoptI>Yopt2>***>Yoptn@ qui seront utilisés aux étapes 23 et 26 lors de l'application du procédé selon l'invention décrite précédemment. La présente invention présente plusieurs avantages. L'estimation de cc,., n'est pas obtenue à partir d'opérations.. effectuées sur le signal représentatif du courant d'ionisation s'appuyant sur une forme a priori de ce signal, si bien que l'estimation obtenue par le présent procédé reste correcte même si la forme du signal représentatif du courant d'ionisation varie sensiblement selon les points de fonctionnement du moteur. En outre, les calculs intervenant dans la détermination de apmaX, par exemple le calcul des différentes fonctions scalaires, étant de faible complexité, il est envisageable d'utiliser le présent procédé en temps réel, et, par exemple, de l'intégrer directement sur le. calculateur d'injection du moteur. De plus, le procédé selon l'invention peut fournir l'angle vilebrequin de pression maximale, apR,a", pour chaque chambre de combustion du moteur à combustion interne, et ce, pour chaque cycle. Il est possible alors d'établir un ap@,ax moyen pour chaque cylindre pour un point de fonctionnement déterminé. L'estimation de cc,.,,,, issue du présent procédé, peut être utilisée dans une stratégie de contrôle de l'avance et de tout autre paramètre moteur visant à positionner apmax autour d'une valeur prédéterminée correspondant à une meilleure performance du moteur. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1.Procédé de détection, dans un moteur à combustion interne (10) comportant au moins une chambre de combustion (14), de l'angle de vilebrequin, aprnax, dudit moteur, pour lequel là pression de la chambre de combustion (14) est maximale, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - la détection d'un signal I(a) représentatif du courant ionique dans la chambre de combustion, - le calcul d'une valeur intermédiaire d'angle de vilebrequin de pression de chambre maximale, aptnaxl, à partir du signal I(a), - le fenêtrage du signal I(a) autour de la valeur intermédiaire, ap.ax" de l'angle vilebrequin de pression de chambre maximale, - le calcul d'une valeur finale d'angle de vilebrequin de pression de chambre maximale, apn,ax, à partir du signal I(a) limité au fenêtrage. 2.Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur intermédiaire d'angle de vilebrequin, aprnaxl, est égale à une première combinaison,,I',(x,,x2,...,xn), de premières valeurs optimales de paramètres P.Pt,, (3.P,2,..., (3.Pt" et de premières grandeurs scalaires, x"x2,...,xn, au moins une desdites premières grandeurs scalaires, x"x2,...,xn, étant déterminée à partir du signal I(a). 3.Procédé de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une desdites premières grandeurs scalaires, x,,x2,...,xn, est incluse dans le groupe : intégrale du signal I(a), premier moment du signal I(a), second moment du signal I(a), angle de vilebrequin correspondant au premier point du signal I(a) d'amplitude supérieure à un seuil déterminé en remontant dans le sens des angles de vilebrequin décroissants. 4.Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur finale d'angle de vilebrequin, aPrnax, est égale à une seconde combinaison, r2(y,,y2,...,yn), de secondes valeurs optimales de paramètres Yopt,,Yop,...5 Yop,n, et de secondes grandeurs scalaires y"y2,-,y,, au moins une desdites secondes grandeurs scalaires, y,,y2,...,y", étant déterminée à partir du signal I(a) limité au fenêtrage. 5.Procédé de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une desdites secondes grandeurs scalaires, y"y2,...,yn, est incluse dans le groupe : intégrale du signal I(a) limité au fenêtrage, premier moment du signal I(a) limité au fenêtrage, second moment du signal I(a) limité au fenêtrage, angle de vilebrequin correspondant au premier point du signal 1(a), limité au fenêtrage, d'amplitude supérieure à un seuil déterminé en remontant dans le sens des angles de vilebrequin décroissants, angle de vilebrequin correspondant au maximum du signal I(a) limité au fenêtrage, barycentre du signal I(a) limité au fenêtrage. 6.Procédé de détection selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce qu'au moins une desdites premières et/ou secondes grandeurs scalaires, x"x2,-.,xn et y,,y2,...,yn, correspond à une donnée représentative de l'état du moteur, notamment le régime moteur, la richesse, l'avance à l'allumage, ou la charge. 7.Procédé de détection selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première combinaison, FI (x,,x2,...,xD, (respectivement la seconde combinaison, F2(y"y2,...,yj) est une combinaison affine des premières grandeurs scalaires, x,,x2,...,xn, (respectivement des secondes grandeurs scalaires, y"y2,...,yn) ou une combinaison polynomiale des premières grandeurs scalaires, x"x2,...,xn, (respectivement des secondes grandeurs scalaires, y"y2,...,yj, paramètrée par les premières valeurs optimales de paramètres /3opt,, Popt2,..., PopM (respectivement 1-es secondes valeurs optimales de paramètres yop,,,Yop,."1 Yoptn)- & Procédé de détection selon les revendications 2 et 4, ou les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les premières valeurs optimales, Pop,z,..., Pop., (respectivement les secondes valeurs optimales de paramètres yoP", yoP,2,..., yoPti, ) sont obtenues lors d'une phase d'étalonnage réalisée sur un moteur à combustion interne de référence équipé d'un capteur de pression de la chambre à combustion. 9.Procédé de détection selon la revendication 8, caractérisé en ce que en ce que les premières valeurs optimales, P.P", P.Pt2,.", Popm, et les secondes valeurs optimales de paramètres yoP", yopt2,..., yoP, sont obtenues par l'optimisation d'un critère vis-à-vis de la valeur issue du capteur de pression de la chambre de combustion. l0.Procédé de détection selon la revendication 9, caractérisé en ce que le critère d'optimisation est du type moindre carrés ou corrélation.