Brevet FR2821388A1 — publié le 20020830

"Procédé de calcul de la masse d'air admise dans le cylindre d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile et calculateur d'injection mettant en couvre le procédé" La présente invention concerne un procédé de calcul de la masse d'air admise dans le cylindre d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile et un calculateur d'injection mettant en oeuvre le procédé. Dans l'état de la technique, on a déjà décrit un tel procédé de calcul qui s'applique principalement à un calculateur d'injection pour un moteur thermique destiné à entraîner un véhicule automobile. En particulier, on se reportera au brevet FR-A-2.709. 151 déposé au nom du même demandeur. Dans cet état de la technique, on a indiqué comment prévoir la masse d'air nécessaire à la combustion la meilleure dans un cylindre. A cet effet, il a été défini que la masse d'air d'admission devait être prédite à partir de la mesure de la pression au collecteur Pcol à la date t, pendant une durée de prédiction de At, selon la relation : dP dt Dans le procédé défini dans le brevet FR-A-2. 709. 151, on utilise pour calculer dPcol au pas i la valeur modélisée de Pcol à l'étape dt de calcul précédent (i-1). Il en résulte que, si à forte charge (Pcol est proche de la valeur de la pression en amont), la pression au collecteur modélisée au pas de calcul i-1 est différente de celle que va calculer le modèle, pour le pas i, alors le modèle va osciller voire diverger. En d'autres termes, le procédé défini dans le brevet FR-A-2. 709. 151 est correct quand le moteur thermique fonctionne en régime à faible charge, et qu'il exige des mesures de correction en temps réel de plus en plus délicates lorsque le moteur thermique fonctionne à proximité de la pleine charge. C'est pour remédier à cet inconvénient de l'état de la technique que la présente invention concerne un procédé de calcul de la masse d'air admise dans un cylindre de moteur à combustion interne afin de déterminer la quantité de carburant devant être injectée dans ledit cylindre, ledit moteur étant du type comportant un calculateur d'injection pilotant le fonctionnement des injecteurs de carburant à partir des valeurs fournies par un capteur de pression disposé dans le collecteur d'admission amenant l'air aux différents cylindres, la masse d'air admise étant calculée à partir de la pression au collecteur Pcoll mesurée, caractérisé en ce qu'il consiste à chaque itération : - à mesurer ou estimer des paramètres (alpha~pap, N, Tcoll, Pamont, PresMes) descriptifs du fonctionnement réel du moteur à l'instant de calcul, certains paramètres intégrant un retard de mesure par rapport à la grandeur mesurée) ; puis - à calculer un modèle de comportement du collecteur de sorte que soit trouvé le débit d'air au papillon d'admission et le débit d'air à l'aspiration du moteur, au moment du calcul considéré ; puis - à en déduire une prédiction de la pression au collecteur pour l'instant de fermeture de la soupape d'admission, de sorte que soit possible le calcul prédictif de la masse d'air entrée dans le cylindre à l'instant de fermeture de la soupape d'admission associée au cylindre. Selon un autre aspect, le procédé de l'invention consiste à réaliser, lors du cycle i, la prédiction de valeurs de débits d'air au moteur et au papillon sur la base d'une variable d'état, représentative du rapport de la pression au collecteur rapportée à la pression en amont du collecteur déduite d'un modèle de fonctionnement du collecteur de la forme : dans lequel : T, est une fonction du régime moteur N, de la géométrie du collecteur et des cylindres, du rendement volumétrique remp du moteur et de la récurrence du calcul de l'injection ; Ki est une fonction du régime moteur N, du rendement volumétrique remp et de la géométrie du moteur, de la température du collecteur et de la section du papillon, et fbsv est une fonction prédéfinie par un générateur de fonction pour définir le coefficient de débit au papillon. Selon un autre aspect, le procédé de l'invention consiste à utiliser la fonction fbsv pour définir le coefficient de débit au papillon, représentée graphiquement en fonction de la variable d'état Xi : par une première section horizontale pour les faibles valeurs de Xi, par une troisième section sensiblement verticale aux plus fortes valeurs de Xi, et par une seconde section monotone décroissante aux valeurs intermédiaires de Xi. Selon un autre aspect, le procédé de l'invention consiste à utiliser la valeur de la variable d'état déterminée au cycle précédent pour générer une fonction redressée fred définissant le coefficient de débit au papillon de manière approchée, en déterminant la pente (pente) et l'ordonnée à l'origine (YO) d'un segment de droite approchant la courbe représentative de la fonction réelle fbsv de sorte qu'on puisse déterminer la valeur de la variable d'état Xi à l'aide de la relation : Selon un autre aspect, le procédé de l'invention consiste à rechercher, pour la fonction réelle fbsv la valeur vraie de la variable d'état (Xi vrai) qui correspond à la valeur Xi calculée par la fonction redressée fred selon la relation reliant le point (,/ (,)) avec le point (, . (,, J). Selon un autre aspect, par le procédé de l'invention, le collecteur est modélisé par les paramètres descriptifs du fonctionnement du moteur, respectivement : - l'angle d'ouverture du papillon d'admission alpha~pap mesuré au moyen d'un capteur d'angle papillon ; - le régime du moteur N, ou vitesse de rotation du moteur, mesurée par un capteur de vitesse ou du régime moteur ; - la température de l'air au collecteur Tcoll, mesurée au moyen d'un capteur de température disposé sur le collecteur d'air ; - la pression d'air en amont du papillon Pamont, mesurée par un capteur de pression, ou estimée ; - la pression mesurée au collecteur (Pres Mes) par un capteur de pression. Selon un autre aspect, le procédé de l'invention comporte aussi une étape de prédiction de la masse d'air déduite de la prédiction de la pression au collecteur. L'invention concerne aussi un calculateur d'injection, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'invention. Selon un autre aspect, le calculateur d'injection de l'invention comporte : un module implémentant un modèle de collecteur produisant une variable d'état (Xi) représentative du rapport de la pression au collecteur modélisée à la pression amont mesurée au moment du calcul, un module de correction de la dite variable d'état (Xi), correction déduite d'une relation entre la fonction redressée (fred) et la fonction réelle (fbsv) du coefficient de débit au papillon d'admission ; un module de calcul des débits d'air à l'admission (Dpap) et au moteur (Dmot) ; un module de prédiction de la valeur (Pres pred) de la pression au collecteur au moment de la fermeture de la soupape d'admission du cylindre considéré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un graphe expliquant le principe sur lequel se fonde l'invention ; - la figure 2 est un schéma bloc d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention ; - ! a figure 3 est un graphe expliquant une amélioration apportée par le procédé de l'invention. A la figure 1, on a représenté un graphe expliquant le principe sur lequel se fonde l'invention. On se reportera à la description du brevet FR 2.709. 151 délivré au nom du même déposant pour toute explication complémentaire sur cet état de la technique. Dans la technique d'injection de carburant utilisée pour contrôler les moteurs à explosion, on considère le fonctionnement d'un cylindre et de ses soupapes. L'estimation de la pression d'air au moment de la fermeture de la ou des soupapes d'admission du cylindre sous contrôle permet de connaître la valeur de la masse d'air apportée au cylindre et d'en déduire la quantité d'essence à injecter pour une combustion optimisée. Cependant, en injection indirecte, à cause de la physique de la vaporisation, cette quantité d'essence doit être introduite avant l'ouverture de la soupape d'admission, et dans tout type d'injection, on ne connaît la dernière mesure de la pression au collecteur qu'avec un délai important ne permettant pas de se contenter de la mesure. A la figure 1, on a représenté l'évolution entre deux dates t1 et t3 de la pression au collecteur Pro//. A la date t1, on a effectué, à l'aide d'un moyen convenable comme un capteur de pression disposé sur le collecteur d'admission, la mesure de la pression au collecteur Pool/ (t1). A la date t2, qui est la date de calcul de l'injection, on réalise une estimation de la variation instantanée de la pression au collecteur grâce à un modèle physique de collecteur qui permet de prédire à la date t3 de fermeture de l'admission la pression au collecteur avec un écart de temps At = t3-t1 par la relation : Pl+) =l) +x P lot dt (1) Pcol (tl Pcol (t3) = P,,, (tl) + APCOII Pcollpred = Pcol (t3) = PCo, (t1) + APcoll qui correspond à une prédiction de Pco//à partir d'une mesure préalable de Peol/. En se reportant au graphique de la figure 1, on constate que la pression Pcoll pred qui correspond à la somme de la valeur mesurée à la date t1 Peoll de la pression au collecteur avec un incrément ou un décrément APcol, peut ne pas correspondre avec un point de la courbe réelle de l'évolution instantanée de la pression au collecteur. A la figure 2, on a représenté un schéma bloc représentant les divers composants d'un calculateur d'injection mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Dans le procédé de l'invention, la prédiction de la valeur de la pression au collecteur Pres pred à la date de fermeture de la soupape d'admission est réalisée pour préparer l'injection suivante à partir des données mesurées disponible au moment du calcul. Ces paramètres (alpha~pap, N, Tcoll, Pamont, PresMes) sont descriptifs du fonctionnement réel du moteur au moment du calcul et ils sont : - l'angle d'ouverture du papillon d'admission alpha pap mesuré au moyen d'un capteur 1 d'angle papillon ; @ le régime du moteur N, ou vitesse de rotation du moteur, mesurée par un capteur 2 de vitesse ou du régime moteur ; - ! a température de l'air au collecteur Tcoll, mesurée au moyen d'un capteur 3 de température disposé sur le collecteur d'air ; - la pression d'air en amont du papillon Pamont, mesurée par un capteur 5 de pression, ou estimée sur la base d'un autre modèle de la pression d'air en amont ; - la pression mesurée au collecteur, notée ici PresMes, par un capteur de pression 6. Cette mesure ayant une constante de temps d'acquisition non négligeable est représentative du fonctionnement moteur, un certain temps auparavant. Les quatre premières données sont fournies à un module 7 qui est constitué par un calculateur dans lequel est programmé le modèle physique de collecteur défini selon la présente invention et qui est adapté au moteur contrôlé. Le modèle de collecteur utilisé dans l'invention est basé sur le principe d'un volume représentatif du collecteur qui est rempli par un débit d'air entrant par l'amont avec un débit au papillon Dpap et qui est vidé par un débit d'air sortant par l'aval avec un débit aux cylindres Dmot. Dans un mode de réalisation, le module 7 comporte un moyen pour générer une fonction représentative du débit d'air au papillon Dpap définie par : /-)p crf ? P 7"P f " ? \ P-P anionl5 anioni) Xfbsv j (2) amont fonction dépendant essentiellement pour le modèle considéré de Peou et dans laquelle g est une fonction représentant le comportement aéraulique du papillon et fbsv est une fonction définie dans le module 7 par un générateur de fonction qui est défini selon la courbe représentée à la figure 3 qui sera décrite ultérieurement. La fonction g dépend des paramètres Spap. qui indique la section du papillon, Pamont et Tamont représentent respectivement la pression et la température en amont du papillon. Ces données sont respectivement enregistrées dans le module 7 ou reçues d'un des modules de détection des paramètres d'entrée 1 à 5. D'une manière générale, ainsi qu'on le voit à la figure 3, la fonction fbsv pour définir le coefficient de débit du papillon d'admission dépend de la variable d'état X, représentative du rapport Pcol/Pamont de la pression au collecteur rapportée à la pression amont. La représentation graphique de la fonction de redressement fbsv comporte une première section horizontale pour les faibles valeurs de X,, une troisième section sensiblement verticale aux plus fortes valeurs de XII et une seconde section monotone décroissante aux valeurs intermédiaires de X,. Dans un mode de réalisation, le module 7 comporte un moyen pour générer une fonction représentative du débit d'air au cylindre du moteur Dmot définie par : D,,,. = h (N, 7, remp) x (Pcol - P0) (3) fonction dépendant essentiellement, pour le modèle considéré, de Pco//et dans laquelle h est une fonction représentant le comportement aéraulique du cylindre en admission qui est produite par un générateur de fonction h (non représenté) et qui reçoit en entrée les paramètres N, Teol/des modules de saisie de paramètres d'entrée 2 et 3 et où PO est la pression minimale au collecteur qui assure un débit d'air au cylindre considéré du moteur. La fonction h dépend aussi du coefficient remp caractéristique du rendement volumétrique du moteur thermique sur lequel le calculateur d'injection travaille. Le modèle du collecteur est implémenté dans le module 7 par une équation différentielle tirée du modèle et des fonctions f, g et h précitées et qui est définie pour le cylindre considéré, lors du cycle numéro i en cours de prédiction, par : relation dans laquelle : Xi est le rapport de la pression au collecteur modélisé, au cycle numéro i, à la pression amont mesurée ou estimée ; T, est une fonction du régime moteur N, de la géométrie du collecteur et des cylindres, de la perméabilité remp du moteur et de la récurrence du calcul de l'injection ; Ki est une fonction du régime moteur N, de la perméabilité remp et de la géométrie du moteur, de la température du collecteur et de la section du papillon. A cause de la forme particulière de la fonction fbsv, cette relation ne permet pas de tirer Xi en fonction de Xi-1 de manière analytique en temps réel, car on ne sait pas inverser cette fonction. Pour résoudre ce problème, selon le procédé de l'invention, on remplace la fonction fbsv par une fonction fred approchant la fonction fbsv par une succession de segments de droite prédéfinis. Dans cette étape du procédé, on réalise donc une linéarisation par morceaux de la fonction fbsv Chaque segment de la fonction fred représentée à la figure 3, a pour équation : fred (X,) = pente x XI +Yo (5) dans laquelle pente est la pente du segment de fred identifié grâce au point d'abscisse (Xi-1) acquis lors de la prédiction précédente et Y0 est l'ordonnée à l'origine de la droite portant ce segment. Ces valeurs peuvent être tabulées dans un moyen générateur (non représenté) de la fonction redressée fred. Il est alors possible de résoudre le modèle en Xi sous la forme. dans laquelle pente et Y0 sont les caractéristiques de la fonction redressée fred qui remplace, dans l'approximation de l'invention, la fonction fbsv De ce fait, dans un mode de réalisation, le module 7 de modélisation du collecteur produit une variable d'état Xi lors de l'instant de prédiction t2 de la figure 1 qui est transmise au module 8 du moyen de calcul de la pression prédite au collecteur à la date t3. Le module 8 comporte un moyen de correction qui permet de corriger la variable d'état Xi quand le point d'abscisse X, se trouve très proche de la valeur maximale de X = 1.0 (voir figure 3). En effet, la fonction redressée fred s'éloigne sensiblement de la fonction réelle fbsv a proximité de l'abscisse maximum théorique (X = 1) de façon à éviter de faire boucler le modèle sur un ou plusieurs segments quasiment verticaux. Le dernier segment de fred a donc une pente non infinie. Le bouclage du modèle sur ce dernier segment conduit donc à des valeurs de Xi et fred (Xi) inexactes qu'il faut corriger. Dans le procédé de l'invention, lors de l'étape (E1) on choisit le segment concerné de la fonction redressée fred (et donc les valeurs pente et Y0 de la fonction redressée fred) à partir de la valeur de la variable Xl 1. Puis, lors d'une étape (E2), le module 7 exécutant le modèle de collecteur décrit ci-dessus produit une valeur X, à partir de la valeur X,-i acquise précédemment et qui correspond au point M, sur la droite représentative fred de la fonction redressée. Ensuite, hors de la boucle du modèle de collecteur (module 7), on obtient le point Mi'correspondant sur la courbe représentative fbsv de la fonction réelle que la droite précédente approche Pour cela le module 8 de correction (figure 2) permet de produire, lors d'une étape (E3) (figure 3), les valeurs vraies de la variable d'état X, et de la valeur de la fonction fbsv (XI) réelle en utilisant une fonction tabulée reliant le point [X,, fremd (Xi sur la courbe avec le point correspondant [X@ vrah fbsv (X, vral)] sur la vraie courbefbsv. Ces valeurs Xl, vrai vraie et fbsv (XI vral) vraie sont alors transmises à un module 9 de calcul des débits d'air au moteur Dmot et au papillon Dpap qui comporte respectivement un générateur de fonction Dmot et un générateur de fonction Dpap exécutant les fonctions pré enregistrées g et h décrites ci-dessus. Les deux générateurs reçoivent en entrée les valeurs calculées X, vraie et fbsv (X,. vra vrai ainsi que la valeur Pamont de la pression en amont du papillon, mesurée par le capteur 5 ou estimée, cette valeur étant celle qui est disponible au moment t2 de la prédiction de la pression au collecteur. Les valeurs de prédiction Dmot et Dpap de débit d'air au moteur et de débit d'air au papillon produites par le module de calcul 9 sont alors transmises en entrée d'un dernier module de calcul 10 de la valeur prédite de la pression au collecteur qui exécutera une fonction GP (Dmot, Dpap, PresMes) par un générateur de fonction. La valeur PresMes correspond à la dernière valeur mesurée disponible de la pression au collecteur, mesure faite à l'instant t2 du graphe de la figure 1 et correspondant à une valeur à l'instant t1. Dans un mode de réalisation, la fonction GP est écrite sous la forme GP = PresMes + gp (Dmot, Dpap), où la fonction gp () est une fonction prédéterminée des valeurs de prédiction Dmot et Dpap de débit d'air au moteur et de débit d'air au papillon produites par le module de calcul 9. Dans un mode de réalisation, la fonction gp () est exprimée par : dP I T =x=AxLx (D-D, J dt Vt) l dans laquelle r est un coefficient multiplicateur Tcoi et Vco ! sont les conditions de températures et de volume au collecteur et At est le temps d'intégration ou de modélisation. La valeur de sortie du module de calcul 10 représente la prédiction de la valeur de la pression au collecteur à la date t3 (figure 1), de sorte que cette valeur, transmise au reste (non représenté) du calculateur d'injection permette le calcul amélioré de la masse d'air d'injection pour chaque cylindre du moteur. L'invention permet d'assurer une meilleure dynamique sur les modèles de l'art antérieur, notamment parce qu'il n'y a pas de compromis à faire avec la stabilité du modèle qui est acquise par la nature linéaire de la fonction redressée fred. L'invention permet de réaliser une mise au point du calculateur d'injection facilitée grâce à la stabilité du modèle quelle que soit la charge (pression au collecteur). L'invention permet de réduire, sur les solutions de l'art antérieur, le déphasage du modèle de collecteur à la réalité physique mesurée qui assure une meilleure pertinence de la prédiction de la pression au collecteur à la date t3. Enfin, la précision de la prédiction de pression et donc de l'injection est améliorée aux fortes charges. L'invention permet l'utilisation de paramètres de réglage correspondant à des grandeurs physiques du moteur thermique qui sont mesurables ou calculables et communs avec d'autres calculs effectués par le calculateur d'injection alors que dans les calculateurs d'injection de l'état de la technique des paramètres spécifiques et non physiques issus d'un outil d'optimisation prenaient en compte les contraintes de stabilité des solutions anciennes. REVENDICATIONS 1. Procédé de calcul de la masse d'air admise dans un cylindre de moteur à combustion interne afin de déterminer la quantité de carburant devant être injectée dans ledit cylindre, ledit moteur étant du type comportant un calculateur d'injection pilotant le fonctionnement des injecteurs de carburant à partir des valeurs fournies par un capteur de pression disposé dans le collecteur d'admission amenant l'air aux différents cylindres, la masse d'air admise étant calculée à partir de la pression au collecteur Pcoll, caractérisé en ce qu'il consiste à chaque itération : - à mesurer ou estimer des paramètres (alpha pap, N, Tcoll, Pamont, PresMes) descriptifs du fonctionnement réel du moteur à l'instant de calcul ; puis - à calculer un modèle de comportement du collecteur de sorte que soit trouvé le débit d'air au papillon d'admission (Dpap) et le débit d'air à l'aspiration du moteur (Dmot), au moment du calcul ; puis - à en déduire une prédiction (Pres Pred) de la pression au collecteur, pour l'instant de fermeture de la soupape d'admission, de sorte que soit possible le calcul prédictif de la masse d'air entrée dans le cylindre à l'instant de fermeture (t3) de la soupape d'admission associée au cylindre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser, lors du cycle i, la prédiction de valeurs de débits d'air au moteur (Dmot) et au papillon (Dpap) sur la base d'une variable d'état (X,), représentative du rapport de la pression au collecteur (coli) rapportée à la pression en amont du collecteur (Pamont) déduite d'un modèle de fonctionnement du collecteur de la forme : dans lequel : 1 : 1 est une fonction du régime moteur N, de la géométrie du collecteur et des cylindres, du rendement volumétrique remp du moteur et de la récurrence du calcul de l'injection ; Ki est une fonction du régime moteur N, du rendement volumétrique remp et de la géométrie du moteur, de la température du collecteur et de la section du papillon, et fbsv est une fonction prédéfinie par un générateur de fonction pour définir le coefficient de débit au papillon. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser la fonction fbsv pour définir le coefficient de débit au papillon représentée graphiquement en fonction de la variable d'état X, : par une première section horizontale pour les faibles valeurs de X@, par une troisième section sensiblement verticale aux plus fortes valeurs de X@, et par une seconde section monotone décroissante aux valeurs intermédiaires de X,. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser la valeur de la variable d'état (X,-1) déterminée au cycle précédent pour générer une fonction redressée fred définissant le coefficient de débit au papillon d'admission de manière approchée, en déterminant la pente (pente) et l'ordonnée à l'origine (Y0) d'un segment de droite approchant la courbe représentative de la fonction réelle fbsv de sorte qu'on puisse déterminer la valeur de la variable d'état (X@) à l'aide de la relation : 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à rechercher pour la fonction réelle fbsv la valeur vraie de la variable d'état (Xi, vrai) qui correspond à la valeur Xi calculée par la fonction redressée fred, selon la relation reliant le point (, / (X,)) avec le point (,/.. (,)). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modèle de collecteur est chargé par les paramètres descriptifs du fonctionnement du moteur, respectivement : - l'angle d'ouverture du papillon d'admission alpha~pap mesuré au moyen d'un capteur (1) d'angle papillon ; - le régime du moteur N, ou vitesse de rotation du moteur, mesurée par un capteur (2) de vitesse ou du régime moteur ; - la température de l'air au collecteur Tcoll, mesurée au moyen d'un capteur (3) de température disposé sur le collecteur d'air ; - la pression d'air en amont du papillon Pamont, mesurée par un capteur (5) de pression ou estimée ; - la pression mesurée au collecteur (Pres Mes) par un capteur de pression (6). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte aussi une étape de prédiction de la masse d'air déduite de la prédiction de la pression au collecteur. 8. Calculateur d'injection, mettant en oeuvre) le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 pour piloter le fonctionnement d'un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre et un injecteur de carburant, caractérisé en ce qu'il comporte : un module (7) implémentant un modèle de collecteur au cylindre considéré produisant une variable d'état (Xi) représentative du rapport de la pression collecteur Pcol modélisé à la pression amont au moment du calcul, un module (8) de correction de la dite variable d'état (Xi), correction déduite d'une relation entre la fonction redressée (fred) et la fonction réelle (fbsv) du coefficient de débit au papillon d'admission ; un module (9) de calcul des débits d'air à l'admission (Dpap) et au collecteur (Dmot) pour le cylindre considéré ; un module (10) de prédiction de la valeur (Pres pred) de la pression au collecteur au moment de la fermeture de la soupape d'admission du cylindre considéré.