Brevet FR2833649A1 — publié le 20030620

Procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. procédé de prédiction de mise en oeuvre, et véhicule de mise en oeuvre L'invention se rapporte à des procédés d'estimation et de prédiction de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement des procédés d'estimation et de prédiction de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'air d'admission, un papillon et des soupapes d'admission pour réguler le débit d'air d'admission vers les chambres de combustion et des pistons entraînés selon un mouvement alternatif lors des cycles de combustion. Le fonctionnement d'un moteur à allumage commandé est conditionné par la quantité d'air admise dans la chambre de combustion, par cylindre et par cycle moteur. Cette masse d'air conditionne non seulement le couple fourni par le moteur, mais détermine également la quantité d'essence à injecter afin d'atteindre la consigne de richesse imposée par le système de contrôle moteur. Toute la difficulté réside dans sa détermination. La masse d'air n'est pas une grandeur mesurable. Elle peut s'obtenir en intégrant le débit de gaz entrant dans la chambre de combustion entre les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission. Aucun capteur ne permet actuellement de mesurer le débit aux soupapes d'admission. Il est donc nécessaire de l'estimer. Que la masse d'air soit mesurée ou estimée, l'information n'est disponible qu'à la fin du processus d'admission. Dans le cas d'une injection soupapes fermées en injection indirecte, cette information arrive trop tardivement pour pouvoir calculer la masse de carburant. Dans ces conditions, une prédiction de la masse d'air admise est indispensable. L'horizon de prédiction dépend de la stratégie choisie pour l'injection et de la puissance des moyens de calcul mis en jeu. De plus, pour assurer un agrément de conduite de qualité, il est nécessaire de soigner les transitoires de charge du moteur (accélérations et décélérations) et donc de maîtriser de façon fiable l'admission d'air durant ces phases. Différentes solutions sont actuellement utilisées pour estimer le débit soupape soit à partir d'une mesure du débit au niveau du papillon, soit par une mesure de la richesse des gaz d'échappement, soit par l'utilisation d'un modèle d'admission d'air reposant sur un capteur de pression et une cartographie de remplissage. Ces méthodes de reconstruction ne peuvent s'utiliser que pendant les phases de fonctionnement stabilisées du moteur, où les débits au papillon et aux soupapes sont supposés identiques. Cette égalité des débits n'est plus vérifiée en régime transitoire. D'autre part, la réponse des capteurs de débit est trop lente pour mesurer des transitoires de débit. L'estimation de la masse d'air admise, avec une erreur satisfaisante, est donc impossible sans des efforts de mise au point importants durant les phases de fonctionnement transitoire du moteur avec des stratégies de ce type. Une autre difficulté des systèmes de contrôle moteur actuels réside dans l'utilisation de cartographies de remplissage ou de temps d'injection, ce qui est équivalent. Le remplissage en air du moteur est un processus très complexe, qui dépend d'un grand nombre de paramètres notamment de l'architecture, de la vitesse de rotation du moteur et des conditions atmosphériques. Les cartographies ne permettent de prendre en compte qu'un certain nombre de paramètres, généralement les plus influents. Elles ne permettent pas de tenir compte par exemple du vieillissement du moteur ou de variations d'humidité de l'air ambiant. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé d'estimation de la masse d'air selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes réalisées de façon récursive à une fréquence dite "élevée", c'est à dire dont la période est inférieure ou égale à la durée d'un quart d'un cycle de combustion : - une étape de mesure de la pression au sein du collecteur d'admission, - une étape de calcul d'un gain de Kalman de mesure en fonction de la pression collecteur d'air d'admission mesurée et d'une covariance du bruit de mesure calculée, - une étape de détermination du débit d'air instantané au papillon, - une étape de calcul de la pression collecteur d'air d'admission estimée, en fonction de la pression collecteur d'admission mesurée, du gain de Kalman et de l'espérance mathématique du bruit de mesure, - une étape de calcul de la pression collecteur d'admission prédite à partir d'une linéarisation de l'équation de la dynamique de l'air dans le collecteur d'air d'admission, et - une étape de calcul du débit instantané estimé aux soupapes en fonction du débit d'air instantané au papillon et de la pression collecteur d'admission prédite. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape de détermination du débit d'air instantané au papillon consiste à calculer ledit débit d'air par une linéarisation de l'équation de l'écoulement de l'air au niveau du papillon (relation de Barré Saint-Venant), - e proceae aesumauon comporte une elape supplémentaire consistant à calculer à une fréquence dite "basse" dont la période est supérieure ou égale à la durée d'un quart de cycle de combustion : i) la valeur moyenne de la pression collecteur d'admission prédite, ii) la valeur moyenne du débit instantané aux soupapes estimé, et iii) la valeur moyenne du débit d'air instantané (Din1) au papillon. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de prédiction mettant en oeuvre le procédé d'estimation ci-dessus. Ce but est atteint par le fait que le procédé de prédiction de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne met en oeuvre le procédé de d'estimation ci dessus, et comporte : - une étape de calcul de la pression collecteur d'admission prédite sur une période de l'ordre d'un demi-cycle de combustion à partir de la linéarisation de l'équation de la dynamique de l'air dans le collecteur d'air d'admission, et des valeurs moyennes de la pression collecteur d'admission prédite, de la valeur moyenne du débit instantané aux soupapes estimé, et de la valeur moyenne du débit d'air instantané au papillon, et - une étape de calcul du débit moyen aux soupapes prédit sur une période correspondant à un demi-cycle de combustion environ. Selon une autre particularité, le procédé de prédiction comporte une étape de calcul du débit moyen prédit aux soupapes sur une période de l'ordre d'un demi-cycle de combustion en fonction du débit d'air moyen au papillon, de la variation de la pression collecteur prédite, de la température mesurée au sein du collecteur d'admission et du volume du collecteur d'admission. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule de mettant en oeuvre le ou les procédés. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique et partielle les éléments d'un moteur à combustion interne concernés par l'invention, - la figure 2 représente de façon simplifiée un cycle de combustion d'une chambre de combustion du moteur de la figure 1, - la figure 3 représente les principales étapes des procédés d'estimation et de prédiction dans un exemple de réalisation préféré de l'invention. En se référant à la figure 1, le moteur à combustion interne schématisé comprend un conduit d'amenée d'air dans lequel est disposé un papillon 4 dont la position angulaire a détermine la quantité admise à circuler vers un collecteur d'air d'admission 3 disposé en aval. En aval du collecteur 3 des conduits répartissent l'air dans les chambres de combustion 2 via des soupapes d'admission 12. Les injecteurs 8 et pistons 5 correspondants aux chambres de combustion 2 sont également représentés. Le vilebrequin 9 du moteur 1 est également représenté à la figure 1. De façon connue, les gaz brûlés sont ensuite évacués par des conduits 7 appropriés. Pour la mise en oeuvre de l'invention, un capteur 10 de pression au sein du collecteur 3 d'admission est disposé en aval du papillon 4. Classiquement, le papillon 4, le capteur 10 de pression du collecteur 3 d'admission et les injecteurs 8 sont reliés à des moyens 11 électronique de traitement de données et de commande, tel qu'un calculateur par exemple. D'autres capteurs Cn peuvent le cas échéant être reliés au moyens 11 de traitement et de commande, par exemple, des capteurs déterminant : la pression atmosphérique Po, la température au sein du collecteur Tcol, et le débit d'air instantané au niveau du papillon Din. Le système d'estimation/prédiction d'une masse d'air selon l'invention va être décrit dans un exemple d'application à un moteur quatre temps et quatre cylindres à allumage commandé. La figure 2 représente de façon schématique un cycle de combustion d'une chambre de combustion 2 du moteur 1. Classiquement, le cycle est une succession des phases (de gauche à droite à la figure 2) : - d'échappement E (de la combustion précédente), - d'admission d'air frais A, - de compression C, et de - détente D. La durée Tc du cycle correspond à deux tours de vilebrequin 9, c'est à dire de l'ordre de 20 à 150ms environ en fonction du régime moteur Ne. Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit. Dans cette première configuration, sont prévus des moyens Cn de détection de la pression collecteur Pcol, de la pression atmosphérique Po, de la température Tcol dans le collecteur d'admission 3 et de la position angulaire a du papillon 4. Le système d'estimation selon l'invention est dit"haute fréquence", c'est à dire que l'acquisition des capteurs Cn et les calculs sont réalisés à une période inférieure à la durée- 4 d'un quart de cycle de combustion (c'est-à-dire un demi-tour vilebrequin). Plus précisément, l'acquisition des capteurs Cn et les calculs correspondants sont réalisés sur une période temporelle correspondant à une variation d'un ou quelques degrés de l'angle vilebrequin. Ce système utilise un modèle physique du collecteur 3 pour la dynamique de l'air et d'un modèle physique du papillon 4 pour l'estimation du débit d'air Din au papillon 4. Modélisation du collecteur d'admission : Le modèle du collecteur d'admission 3 utilisé est basé sur le principe de conservation de la masse. Il consiste à modéliser le collecteur d'admission 3 par un réservoir de gaz qui se vide et se remplit. L'évolution de la pression collecteur est donnée par l'équation continue (dérivation de l'équation des gaz parfaits) : Modélisation du débit d'air passant par le papillon La modélisation de l'écoulement au niveau du papillon 4 est une modélisation classique de type Barré Saint-Venant. Le débit Din passant par le papillon 4 est donné par les relations : Le coefficient de débit Cd est obtenu par une identification statique à partir d'essais moteur. Pour simplifier cette relation et diminuer le temps de calcul, la fonction de Barré SaintVenant peut être remplacée par un polynôme d'ordre 2 : représentatif de la section efficace, qui est le produit de la section de passage S par le coefficient de débit Cd. 12 est la représentation polynomiale de la fonction de Barré SaintVenant normalisée. Les coefficients correspondants sont obtenus par des essais moteur. L'information concernant la masse de gaz mair admis dans la chambre 2 de combustion s'obtient en intégrant le débit Dout passant par les soupapes 12 entre leurs instants d'ouverture t-ouv et de fermeture t-ferm : Le calcul de la masse d'air, en temps réel, nécessite de discrétiser l'intégrale. En haute fréquence, le débit soupape Dout est estimé à chaque pas angulaire Dout (k), dans lequel k est représentatif de l'échantillonnage haute fréquence des mesures multiples du degré vilebrequin. La masse d'air partielle mair (k) est donc calculée à chaque pas angulaire (Te étant la durée du pas échantillonnage angulaire : La masse d'air totale admise dans le cylindre est égale à la somme de toutes les masses d'air partielles calculées depuis l'instant d'ouverture de la soupape d'admission 12, jusqu'à sa fermeture, ce qui donne un résultat exact. L'estimation du débit au niveau de la soupape 12 Dout s'obtient à partir de l'estimation (prédiction) du débit papillon Din et de la pression collecteur col (avec période d'échantillonnage T de l'estimateur-prédicteur) : Estimateur/Prédicteur de Pression Collecteur, Modélisation automatique (représentation d'état) : La dynamique de l'air dans le collecteur d'admission 3 est un phénomène complexe et ne peut être modélisée que par un modèle physique comportemental qui n'est qu'une approximation du processus réel. En utilisant l'information du capteur Cn de pression collecteur Pcol, l'équation de la dynamique de l'air est de façon connue : Cette équation étant non-linéaire, un estimateur/prédicteur stochastique de type Kalman étendu est réalisé selon l'invention, pour linéariser la représentation d'état autour d'un point de fonctionnement. Si Pcol est l'état x et a (angle papillon) la commande u, la représentation d'état s'écrit : dans laquelle y est la variable mesurée (Pression collecteur Pcol, ou le débit d'air Din au niveau du papillon 4). La représentation d'état linéarisée du processus autour d'un point de fonctionnement (XN, UN, YN) devient : avec les matrices : En posant X= (X-XY), U= (U-UN) et y = (Y-YN), la représentation d'état stochastique discrétisée s'énonce : Dans tout ce qui suit, les calculs sont réalisés à une fréquence élevée dont la période correspond à un pas angulaire (une fraction de tour de vilebrequin, par exemple 1/360ème de tour) dans la rotation du vilebrequin. dans laquelle X correspond à la valeur estimée de la pression collecteur Pcol, k représente la période angulaire, V le bruit d'état, W le bruit de mesure, et avec : et Ck étant la matrice unitaire. L'algorithme d'estimation/prédiction de la pression collecteur Pcol à 1 pas angulaire est le suivant : Etape n 1 : Correction de la prédiction à 1 pas Calcul du gain de Kalman : Kk = Pk/k-1#(Rk+Pk/k-1)-1 dans laquelle Rk est la covariance du bruit de mesure et Pk est matrice de covariance. Calcul de l'estimée : =-i± (--i-) dans laquelle Pmes est la pression mesurée. Calcul de la matrice de covariance : Pk/k = (1- Kk). Pk/k-l Etape n 2 : Calcul du maximum de probabilité de l'espérance mathématique du bruit d'état 0 Calcul de l'espérance à l'instant k : Vk =xklk-xkolk-l Espérance mathématique du bruit d'état (moyenne) : k Vk, n étant la fenêtre de calcul k-n Etape n 3 : Calcul de la prédiction à 1 pas Calcul des matrices Ak, Bk Calcul de la prédiction non corrigée : Calcul de la prédiction corrigée : Calcul de la matrice de covariance : Pk+1/k=Ak#Pk/k#A'k+Qk dans laquelle Qk est la covariance du bruit d'état. Les covariances du bruit de mesure et du bruit d'état sont identifiées en statique à partir d'essais moteur. La prédiction à 2 pas de la pression collecteur peut se calculer de deux façons : Calcul minimal de la prédiction à 2 pas (méthode 1) : Etape n 4 : Calcul de la prédiction à 2 pas Calcul ou pas, selon la qualité de la linéarisation, des matrices Ak+11 Bk+1 en fonction de Xk+1/k. Si la linéarisation est convenable, Ak+I = Ak et Bk+l = Bk Calcul de la prédiction à 2 pas On suppose que l'évolution de l'espérance mathématique du bruit d'état V entre deux pas de calcul successifs est négligeable, ce qui conduit à un nombre de calculs plus faible. - Calcul de la prédiction à 2 pas (méthode 2) L'algorithme d'estimation/prédiction de la pression collecteur à 2 pas est le suivant : Etape n 1 : Correction de la prédiction à 2 pas Calcul du gain de Kalman : =-2-±2 Calcul de l'estimée : =-2 + ---2-) Calcul de la matrice de covariance : Pk/k = (1-Kk). Pk/k-2 Etape n 2 : Calcul de l'espérance mathématique du bruit d'état Ipas Calcul de l'espérance à l'instant k : =-/-, et k-7klk-klk-1 Etape n 3 : Calcul de la prédiction à 1 pas Calcul des matrices Ak, Bk Calcul de la prédiction à 1 pas non corrigée : Calcul de la prédiction à 1 pas corrigée : Calcul de la matrice de covariance Etape n 4 : Calcul de la prédiction à 2 pas Calcul ou pas, selon la qualité de la linéarisation, des matrices Ak+1, Bk+1 en fonction de #k+1/k. Si la linéarisation est convenable, Ak+l = Ak et Bk+l =Bk Calcul de la prédiction à 2 pas non corrigée : Î' Xk+2/k+l = Ak+l'Xk+1/k + Bk+l'Uk+l Calcul de la prédiction à 2 pas corrigée Calcul de la matrice de covariance En pratique, la robustesse de l'estimateur/prédicteur de pression collecteur Pcol est suffisante pour supprimer la cartographie de remplissage. Le choix le plus judicieux est de choisir un coefficient de remplissage 71constant, représentatif du coefficient de remplissage moyen calculé sur toute la plage de fonctionnement moteur. La figure 3 illustre schématiquement les principales étapes du système d'estimation/prédiction selon l'invention décrit ci-dessus. Dans cette figure, la pression du collecteur Pcol est appelée Pcol1, Pcol2, Pcol3 ou Pcol4 suivant qu'il s'agit respectivement de sa valeur mesurée, de sa valeur estimée à une fréquence élevée, de sa valeur prédite à une fréquence élevée, ou de sa valeur prédite sur une période de l'ordre d'un demi-cycle de combustion. De même, le débit instantané aux soupapes d'admission Dout est noté Dout1 ou Dout2 suivant qu'il s'agit respectivement de sa valeur estimée à une fréquence élevée ou de sa valeur moyenne prédite sur une période de l'ordre d'un demi-cycle de combustion-. 2 La notation t= Te indique que la période d'échantillonnage 4N t est égale à une fraction d'un quart de la durée Tc d'un cycle de combustion. Ainsi, les étapes 13 et 14 de mesure et de calcul sont réalisés à haute fréquence de manière récursive. Lorsque 7c l'échantillonnage est terminé (t > -), les valeurs moyennes 4 estimées sont calculées à l'étape suivante 15, sur période d'un Te quart de cycle de combustion-. La dernière étape 16 consiste à calculer la valeur prédite du débit aux soupapes 7c Dout2 sur une période d'un demi-cycle de combustion-. 2 Le système d'estimation/prédiction de masse d'air selon l'invention décrit ci-dessus s'adapte aussi bien pour les régimes moteur transitoires que stabilisés. Le principe de la méthode est d'estimer et de prédire la masse d'air admise, sans utiliser de cartographie de remplissage. L'invention a été décrite dans une application à un moteur à vilebrequin à quatre temps, quatre cylindres et à allumage commandé. Bien entendu l'invention peut concerner tout autre type d'utilisation équivalente. Liste des variables a : angle d'ouverture du papillon &gamma; : coefficient isentropique des gaz parfaits Cd : coefficient de débit au papillon entrant dans le collecteur Dm : débit instantané au papillon D, : débit moyen sur un demi-tour moteur au papillon Dout : débit instantané aux soupapes d'admission sortant du collecteur Dout : débit moyen sur un demi-tour moteur aux D, ut soupapes d'admission mair : masse de gaz admise dans la chambre de combustion Ne : régime moteur Pcol : : pression dans le collecteur d'admission Po pression atmosphérique Qk : covariance du bruit d'état r : constante massique des gaz parfaits Rk : covariance du bruit de mesure S section de passage du papillon Tcol température dans le collecteur d'admission t ~ferm : instant de fermeture des soupapes d'admission To : température atmosphérique t~ouv : instant d'ouverture des soupapes d'admission Touv : temps d'ouverture des soupapes d'admission (Touv=t~ferm-t~ouv) V : espérance mathématique du bruit d'état Vcol : volume du collecteur d'admission Acyl cylindré unitaire du moteur Vk : bruit d'état W : espérance mathématique du bruit de mesure Wk : bruit de mesure Il v efficacité volumétrique du moteur REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, le moteur (1) comprenant un collecteur d'air d'admission (3), un papillon (4) et des soupapes d'admission (12) pour réguler le débit d'air d'admission vers des chambres de combustion (2), ainsi que des pistons (5) entraînés selon un mouvement alternatif lors des cycles de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes réalisées de façon récursive à une fréquence dite "élevée", c'est à dire dont la période est 7c inférieure ou égale à la durée-d'un quart d'un cycle de 4 combustion : - une étape de mesure de la pression (poll) au sein du collecteur d'admission (3), - une étape de calcul d'un gain de Kalman de mesure (K) en fonction de la pression (poll) collecteur d'air d'admission mesurée et d'une covariance du bruit de mesure (R) calculée, - une étape de détermination du débit d'air instantané (Din1) au papillon (4), - une étape de calcul de la pression collecteur d'air d'admission (Pcol2) estimée, en fonction de la pression collecteur d'admission mesurée (poll), du gain de Kalman (K) et de l'espérance mathématique du bruit de mesure (W), - une étape de calcul de la pression collecteur d'admission (Pcol3) prédite à partir d'une linéarisation de l'équation de la dynamique de l'air dans le collecteur (3) d'air d'admission, et - une étape de calcul du débit instantané estimé aux soupapes (Dout1) en fonction du débit d'air instantané au papillon (Din1) et de la pression collecteur d'admission prédite (Pcol3). 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination du débit d'air instantané au papillon (Din1) consiste à calculer ledit débit d'air par une linéarisation de l'équation de l'écoulement de l'air au niveau du papillon (4) (relation de Barré Saint-Venant). 3. Procédé d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire consistant à calculer à une fréquence dite "basse" dont la 1 iln période est supérieure ou égale à la durée (-) d'un quart de 4 cycle de combustion : - la valeur moyenne de la pression collecteur d'admission (Pcol3) prédite, ta la valeur moyenne du débit instantané aux soupapes (Dout1) estimé, et - la valeur moyenne du débit d'air instantané (Din1) au papillon (4) 4. Procédé de prédiction de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé de d'estimation conforme à la revendications 3, et en ce qu'il comporte : - une étape de calcul de la pression collecteur d'admission prédite (Pcol4) sur une période de l'ordre d'un demi-cycle de combustion à partir de la linéarisation de l'équation de la dynamique de l'air dans le collecteur (3) d'air d'admission, et des valeurs moyennes de la pression collecteur d'admission (Pcol3) prédite, de la valeur moyenne du débit instantané aux soupapes (Dout1) estimé, et de la valeur moyenne du débit d'air instantané (Din1) au papillon (4), - une étape de calcul du débit moyen aux soupapes (Dout2) prédit sur une période correspondant à un demi-cycle de combustion environ. 5. Procédé de prédiction selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calcul du débit moyen prédit Te aux soupapes (Dout2) sur une période (Tc) de l'ordre d'un 2 demi-cycle de combustion en fonction du débit d'air (Din) moyen au papillon (4), de la variation de la pression collecteur (Pcol3, Pcol4) prédite, de la température mesurée au sein du collecteur d'admission (Tcol) et du volume (Vcol) du collecteur d'admission (3). 6. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur d'air d'admission (3), un papillon (4) et des soupapes d'admission (12) pour réguler le débit d'air d'admission vers des chambres de combustion (2), ainsi que des pistons (5) entraînés selon un mouvement alternatif lors des cycles de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure et de traitement de données conformés pour mettre en oeuvre) le ou les procédés selon l'une quelconque des revendications précédentes.