Brevet FR2840646A1 — publié le 20031212

d'admission des gaz (10, 11). Etat de la technique L'invention a pour objet un procede et un dispositif pour commander le groupe propulseur d'un vehicule fonctionnant avec un car burant gazeux. Par le document RD-344 121 A public le 10 decembre 1992, on connat une commande electronique d'un moteur fonctionnant avec un carburant gazeux. Il est prevu un capteur de temperature et un capteur de pression pour surveiller les variations de la densite du carburant. La me 0 sure du carburant est effectuee en fonction de la densite. Avantage de ['invention Le procede et le dispositif selon ['invention, pour comman der le groupe propulseur d'un vehicule fonctionnant avec un carburant gazeux, ont par contre l'avantage qu'une masse d'air aspiree par au moins un cylindre, est dosee en partant d'une pression dans une tubulure d'admission du groupe propulseur, en prenant en compte la pression par tielle du carburant et du gaz residue! provenant d'une ligne d'echappement du groupe propulseur. De cette facOon on peut determiner avec une grande exacti tude, meme dans des phases de fonctionnement a un regime eleve ou tres eleve du moteur c'est-a-dire du groupe propulseur, la masse d'air c'est-a dire la masse d'air frais se trouvant effectivement a cet instant dans la tu bulure d'admission, et sur cette base on peut effectuer un dosage a peu pres exact du carburant pour de tels etats de fonctionnement dynamiques ou tres dynamiques du groupe propulseur. On peut determiner de maniere particulierement simple la pression partielle du carburant en integrant la difference entre le remplis sage relatif en carburant entrant dans la tubulure d'admission et le rem plissage relatif en carburant sortant de cette tubulure. Dans ce cas, de facon avantageuse le remplissage relatif de carburant entrant est calcule en fonction de la densite du carburant, de la vitesse du moteur et du debit massique de carburant, et le debit massique de carburant est calcule en fonction d'une pression de carburant et d'une temperature de carburant. Avec la meme simplicite, on peut determiner la pression partielle du gaz residue! en integrant la difference entre le remplissage re latif en gaz residue! entrant dans la tubulure d'admission et le remplis- sage relatif en gaz residue! sortant de cette tubulure. De preference, la pression partielle d'une fraction interne de gaz residue! est determinee a partir d'un champ de caracteristiques etabli s en fonction de la vitesse du moteur et d'un temps de croisement des sou- papes ou d'un angle de croisement d'arbres a cames. Le dispositif prevoit des moyens pour determiner une masse d'air aspiree par au moins un cylindre du groupe propulseur, a partir d'une pression d'aspiration dans un tube d'admission du groupe propul o seur, en prenant en compte les pressions partielles du carburant et du gaz residue! provenant de la ligne d'echappement du groupe propulseur. Dessins Un exemple de realisation decrit en detail ci-apres est re- presente par les dessins annexes dans lesquels: s - la figure 1 est une representation schematique d'une partie d'un groupe propulseur, - la figure 2 est un schema fonctionnel exp osant le d eroulement du pro - cede selon ['invention pour determiner la masse d'air aspiree par au moins un cylindre du groupe propulseur, o - la figure 3 est un schema fonctionnel exposant la determination d'un remplissage relatif en carburant entrant, - la figure 4 est un schema fonctionnel exposant la determination d'un remplissage relatif en gaz residue! entrant, - la figure 5 est un schema fonctionnel d'un dispositif selon ['invention. 2s Description de ltexemple de realisation A la figure 1, la reference 1 designe un groupe propulseur qui peut par exemple etre le moteur a combustion interne d'un vehicule. La figure 1 ne montre qu'une partie du groupe propulseur 1 qui comprend un cylindre 55, dans lequel se deplace en va-et-vient un so piston 60 entranant un vilebrequin non figure. Le cylindre 55 comporte une chambre de combustion 65, a laquelle peut etre amene un melange air-carburant a travers une tubulure d'admission 5 et une soupape d'admission 75. Le melange air-carburant est enflamme au moyen d'une bougie d'allumage 70 dans la chambre de combustion 65. Cela produit le ss deplacement du piston 60 dans le cylindre 55 et done l'entranement du vilebrequin. Les gaz d'echappement produits par la combustion du me- lange air-carburant vent envoyes a travers une soupape d'echappement dans une ligne d'echappement 10. D ans la tubulure d'admission 5 est monte un clap et d'etranglement servant a dimensionner l'amenee d'air frais dans la cham- bre de combustion 65. Le volume compris dans la tubulure d'admission 5 entre le clap et d'etranglement 50 et la soupap e d' admission 7 5 est app ele s volume de la tubulure d'admission 45. Le sens d'ecoulement allant du clapet d'etranglement 50 a la chambre de combustion 60 est indique a la figure 1 par une fleche. Dans la tubulure d'admission 5 un injecteur 30 permet d'introduire un carburant sous forme gazeuse en aval du clapet 50 d'etranglement par rapport au sens d'ecoulement. Comme le montre la o figure 1, sur l'injecteur 30 vent montes un capteur de pression 35 et un capteur de temperature 40. Le capteur de pression 35 donne la pression du carburant et le capteur de temperature 40 la temperature du carbu- rant. En option et comme represente a la figure 1 par des tirets, il peut etre prevu une conduite de recyclage de gaz d'echappement 85 debou s chant dans la tubulure d'admission 5 en aval du clapet d'etranglement 50. Cette conduite 85 amene a la tubulure d'admission 5 du gaz residue! pro- venant de la ligne d'echappement 10. A cause du croisement eventuel du temps d'ouverture de la soupape d'admission 75 et de la soupape d'echappement 80, il peut venir stajouter dans la tubulure d'admission 5 o un courant de recyclage de gaz residue! venant de la ligne d'echappement. Quand par la suite il sera question de gaz residue!, ce terme englobe d'un part une fraction de gaz residue! qui, du fait du croisement des mouve- ments, des soupapes d'admission et d'echappement 75 et 80 est parvenu dans le tube d'admission 5, et d'autre part la fraction de gaz residue! s amenee en option, par l'intermediaire de la conduite de recyclage de gaz d'echappement 85, a la tubule d'admission 5. A la figure 1 le cylindre 55 est represente comme figurant a lui seul le groupe propulseur 1 qui peut comprendre d'autres cylindres, alimentes de la maniere decrite en air, en carburant et en gaz residue!. Le so carburant sous forme gazeuse peut etre par exemple du gaz nature!. Le pro cede et le disp o sitif selon ['invention vent de maniere generale utilis a- bles avec tous les carburants gazeux, auxquels appartiennent par exemple egalement l'hydrogene ou le gaz oxyacetylenique. Pour closer au mieux et avec precision le carburant, par exemple dans un moteur a allumage ss commande, une commande de moteur est necessaire afin de determiner d'abord le plus exactement possible la quantite d'air aspiree par le cylin- dre 55, ctest-a-dire le remplissage rl. Cette determination de remplissage peut avoir lieu de diverges manieres. Dans les systemes bases sur la pres sion ps dans la tubulure d'admission, qui est mesuree dans cette tubulure par un capteur, on calcule la masse d'air aspiree c'est-a-dire le remplis- sage. La base pour cela est ['equation d'etat pour des gaz parfaits. En al- ternative, on pourrait saisir la masse d'air aspiree ctest-a-dire le s remplissage directement au moyen d'un app areil de mesure de masse d' air monte dans la tubulure d'admission 5 en aval d'un filtre a air, non repre- sente a la figure 1, et en amont du clapet d'etranglement 50, cet appareil ayant par exemple la forme d'un clapet de retenue, d'une sonde a fil chaud ou d'un appareil de mesure a film chaud. o Dans la saisie du remplissage par des commandes usuelles de moteurs utilisant de ['essence comme carburant, ['injection du carbu rant liquide ne comprime qu'en falble part le volume de l'air frais aspire, car la densite de ['essence est un grand nombre de fois superieure a celle de ['air. Le volume de carburant peut dans ce cas etre neglige, dans la sai s sie du remplissage, par rapport au volume d'air frais. Avec les carburants gazeux, la realite est toute autre. Quand on insuffle le carburant gazeux, on peut mesurer une compression marquee de l'air frais. Dans une commande de moteur concue pour un fonctionnement a ['essence, qui deduit de la pression ps dans le tube o d'admission la masse d'air aspiree, cela n'est pas pris en consideration. Le fonctionnement d'un moteur se caracterise par un grand nombre de processus dynamiques. On ne connait pas la masse d'air frais se trouvant effectivement a un instant precis dans la tubulure d'admission 5. La commande de moteur mesure seulement la pression ps dans le tube s d'admission en tent que somme des pressions des composants du me- lange que vent l'air frais, le carburant insuffle a l'etat de gaz, les gaz d'echappement ctest-a-dire le gaz residue!. Le rapport de la quantite d'air frais a la quantite de carburant gazeux est d'abord non defini. On ne salt pas queue fraction du melange carburant-air-gaz residue! est comprimee par le carburant gazeux. Cela est particulierement valable pour un fonc- tionnement dynamique du moteur, et dont la valeur lambda varie. Selon ['invention, il est prevu un dispositif 25, represente a la figure 5 et qui sera appele par la suite egalement commande de moteur, dispositif dans lequel est installe un modele de tubulure d'admission 5 qui ss simule la dynamique des gaz dans cette tubulure 5 et determine exacte- ment dans le temps la masse d'air c'est-a-dire le remplissage en air frais de la chambre de combustion 65. s La pression ps dans la tubulure d'admission est etablie par un capteur de pression 95 monte dans cette tubulure. Selon la figure 5, la commande de moteur 25 comprend des moyens 20 pour etablir la masse d'air rl aspiree par le cylindre 55, qui est egalement appelee masse d'air s frais. Aux moyens 20 est transmise la pression ps donnee par le detecteur de pression de tubulure d'admission 95. Egalement a ces moyens 20 vent transmises une pression partielle psng de carburant gazeux et une pres sion partielle psrg du gaz residue! venant de la ligne d'echappement 10. Les pressions partielles psng et psrg vent determinees par des moyens 90 o de la commande de moteur 25 d'une maniere qui va etre decrite. A la figure 2, a gauche d'une ligne de tirets, est indique comment la pression ps dans la tubulure d'admission resulte, selon la loi de Dalton concernant la pression totale d'un melange de gaz, de la somme des pressions partielles de ses composants, a savoir: s ps = psfg + psrg + psng, etant precise que psfg est la pression partielle de l'air frais dans la tubulure d'admission 5. A droite de la ligne de tirets de la figure 2, apparat le mode de fonctionnement des moyens 20 de la commande de moteur 25. La pression ps dans la tubulure d'admission est multipliee par un facteur de o conversion fupsrl dependent de la vitesse de rotation nmot du groupe pro pulseur 1 ctest-a-dire du moteur du vehicule, ainsi que de la temperature dans la chambre de combustion 65. Le resultat de la multiplication est une valeur du remplissage aspire par le cylindre 55 pendant une phase d'admission, d'un melange gazeux constitue d'air frais, de gaz residue! et s de carburant gazeux. Cette valeur de remplissage est ensuite multipliee par le facteur 1 - psrg/ps - psng/ps pour obtenir le remplissage relatif en air frais rl, aspire par le cylindre 55 pendant une phase d'admission. Ce remplissage relatif rl est envoye a des moyens 15 de la commande de moteur 25 qui, d'une maniere connue par le professionnel, selon la valeur precisement exigee, calcule a partir du remplissage relatif rl un dosage exact du carburant gazeux. Comme resultat, les moyens 15 allouent un temps dtinjection ti a l'injecteur 30. Le temps dtinjection alloue s ti permet de closer exactement la quantite de carburant necessaire pour une phase d'aspiration du cylindre 55. Les moyens 90 de la commande de moteur 25 servent a determiner la pression partielle psng du carburant gazeux et la pression partielle psrg du gaz residue!. Aux moyens 90, le capteur de pression 35 et le capteur de temperature montes sur l'injecteur 30 envolent respective- ment la pression png et la temperature tng du carburant gazeux. Aux moyens 90 est adressee de plus, par un tachymetre non represente a la s figure 1, la vitesse de rotation nmot du groupe propulseur 1, appelee ega- lement vitesse du moteur. La condition prealable au calcul de la pression partielle psng du carburant gazeux est la connaissance du debit massique de car- burant. Par le temps d'injection ti, appele egalement temps d'ouverture de o l'injecteur 30, est defini par exemple un debit massique de carburant normalise. Il s'agit la du debit massique de carburant dans des conditions normales, c'est-a-dire une pression de 1013 mbar et une temperature de 0 C. A partir de la pression et de la temperature du carburant donnees respectivement par le capteur de pression et le capteur de temperature s montes sur l'injecteur 30, vent etablis la densite png du carburant gazeux ainsi qu'un facteur correctif fkorr, png pour la pression de carburant et un facteur correctif fkorr, tng pour la temperature de carburant. De plus, dans les moyens 90 est enregistree une caracteristique de debit specifique a l'injecteur 30, qui prend en compte la geometric de l'injecteur 30 ainsi que o la vitesse du son dans le combustible gazeux en fonction de la tempera- ture et de la pression du carburant, cette caracteristique etant designee par KLAF. Le debit massique de carburant msng stecrit done comme suit: msng = mSngO * fkorr, png * fkorr, tng * KLAF Le facteur correctif fkOrr, png stecrit alors: f _ I png 1013mbar s png etant comme decrit, la pression de carburant. Le facteur correctif fkOrr, tng s'ecrit: f =, V tng / C + 27 3 tng etant comme decrit, la temperature du carburant. Les moyens 90 determinant alors un remplissage brut rfngroh = C * msng/nmot o avec C = ZylZa/(VH * peg), ZylZa etant le nombre de cylin dres et VH la cylindree de ['ensemble des cylindres. La densite png du carburant gazeux est celle de ce carbu- rant a ltentree de l'injecteur 30, done pas encore influencee par la tubu lure d'admission 5 c'est-a-dire par la dynamique d'aspiration dans cette tubulure. Le remplissage brut rfngroh du carburant gazeux ntest pas encore influence par la tubulure d'admission 5 ctest-a-dire par la dynami s que d'aspiration dans cette tubulure. La dynami qu e d' asp irati o n qu e cree le carburant gazeux introduit par l'injecteur 30 est figuree par un integrateur dans les moyens 90. Le remplissage brut rfngroh du carburant gazeux est le remplissage relatif de carburant entrant dans la tubulure d'admission 5, qui est com o pare a un remplissage relatif rfng sortant de la tubulure 5, a ['entree d'un regulateur integral 100 represente a la figure 3, dans les moyens 90 avec formation de la difference. Cette difference rfngroh - rfng est envoyee a un integrateur 105 ayant une constante dtintegrateur KISRM qui depend du volume 45 de la tubulure d'admission 5 et de la vitesse nmot du moteur. s Quand cette vitesse augmente, le mouvement du melange de gaz dans la tubulure d'admission 5 augmente et done la constante d'integrateur KISRM augmente. Inversement, quand le volume 45 diminue, le mouve ment du melange de gaz augmente et done aussi la constante dtintegrateur KISRM. La sortie de l'integrateur 105 est multipliee par la o temperature Ts de la tubulure d'admission, qui peut etre donnee par exemple par un capteur de temperature 110 monte dans la tubulure d'admission. Ensuite a lieu une multiplication par la pression normalisee 1013 mbar rapportee a 100 %. La grandeur ainsi obtenue est la pression partielle psng du carburant gazeux qui est ici derivee et transmise aux moyens 20. Dans le regulateur integral 100 des moyens 90 lui-meme, la pression partielle psng du carburant gazeux est encore multipliee par le facteur de conversion fupsrl pour determiner le remplissage relatif de car burant rfng s'ecoulant du tube d'admission 5 et qui est ramene a nouveau de la maniere decrite a un point de connexion correspondent 115 situe en amont de l'integrateur 105, pour former la difference decrite rfngroh rfng. Le temps d'integration de l'integrateur 105 peut par exem ple etre choisi egal au temps de la combustion dans le cylindre 55 et ainsi correspondre a une rotation de 180 du vilebrequin dans un moteur a 3s quatre temps. Le gaz residue! comprend, comme indique, une fraction de gaz residue! resultant du croisement des soupapes c'est-a-dire plus preci sement du temp s de croisement des soup ap es d'admission 7 5 et d'echappement 80, et eventuellement une fraction de gaz residue! prove- nant d'un recyclage externe ramenant du gaz de la ligne d'echappement a la tubulure d'admission 5 a travers la conduite de recyclage de gaz d'echappement 85. La fraction residuelle resultant du croisement des soupapes sera appelee par la suite fraction interne de gaz residue! et la fraction provenant de la conduite de recyclage sera appelee fraction ex- terne de gaz residue!. La pression partielle psrg du gaz residue! est obtenue en faisant la somme de la pression partielle psrgex de la fraction externe et de o la pression partielle psrgn de la fraction interne de gaz residue!. La pres- sion partielle psrgex de la fraction externe peut etre determinee de la ma- niere analogue a celle utilisee pour determiner la pression partielle peng du carburant gazeux. L'amenee de la fraction externe de gaz residue! par la conduite de recyclage 85 s'effectue a travers une soupape de recyclage s de gaz d'echappement qui ntest pas representee a la figure 1. La condition prealable au calcul de la pression partielle psrgex de la fraction externe de gaz residue! est la connaissance du debit massique externe de gaz residue! correspondent. Le temps d'ouverture tUAGR de la soupape de recyclage de- finit par exemple un debit massique externe normalise de gaz residue! o msrgO. Dans la conduite de recyclage 85 peut etre monte un capteur de pression non represente a la figure 1 pour determiner la pression de gaz constituent la fraction externe de gaz d'echappement, ainsi qutun capteur de temperature egalement non figure pour determiner la temperature de cette fraction externe. En variante, il est possible egalement de modeliser cette pression et cette temperature, de maniere connue par le profession- nel. De cette pression et de cette temperature, on deduit la densite prg de la fraction externe de gaz residue! qui ntest pas encore influencee par la tubulure d'admission 5 c'est-a-dire par la dynamique qui y regne. La pres- sion de la fraction externe est designee a la figure 5 par prg et transmise, so en meme temps que la temperature de cette fraction, designee par trg a la figure 5, aux moyens 90. Dans ces moyens 90 est de plus enregistree une caracteristique de sortie KLAFRG de la soupape de recyclage de gaz d'echappement qui, comme pour la caracteristique KLAG de l'injecteur 30 prend en compte la geometric de la soupape de recyclage ainsi que la vi s tesse du son dans la fraction externe de gaz d'echappement, qui depend de la temperature et de la pression de cette fraction. Dans les moyens 90 s'effectue alors le calcul du debit massique msrg de la fraction externe de gaz residue!, comme suit msrg = mSrgO * fkorr, prg * fkorr, trg * KLAFRG avec l f =| prg qui est le facteur correctif de la pression prg de la fraction externe de gaz residue! et f 1 273 V trg / C + 273 qui est le facteur correctif de la temperature trg de la fraction externe de gaz residue!. Dans les moyens 90 de la commande de moteur 25, le rem- plissage brut rfngroh de la fraction externe de gaz residue!, qui n'a pas encore pris en compte ['influence du tube d'admission 5 c'est-a-dire de la dynamique regnant dans ce tube 5, est calcule comme suit: frgroh = CGR * msrg/nmot, avec CRG = ZylZA/(VH * pry). La dynamique qui s'etablit dans la tubulure d'admission 5 par l'effet de la fraction externe de gaz residue! amenee par la conduite de recyclage 85 a travers la soupape correspondante a son image formee lS dans les moyens 90 par un integrateur 120 d'un autre regulateur integral 125. Celui-ci est represente a la figure 4 et sa construction correspond a celle du regulateur integral 100 de la figure 3. Le remplissage brut rfrgroh de la fraction externe de gaz residue! represente une valeur entrant dans la tubulure d'admission 5 a laquelle une valeur rfrg de la fraction externe o de gaz residue! sortant de la tubulure d'admission 5 est asservie par l'intermediaire du regulateur integral 130. La difference rfrgroh - rfrg est formee a un point de connexion 130 du regulateur integral 125, et envoyee a l'integrateur 120 dont le fonctionnement correspond a celui de l'integrateur 105 du regulateur integral 100. Il presente done la meme :5 constante d'integrateur KISRM que l'integrateur 105. La sortie de l'integrateur 120 est done multipliee par la temperature Ts de la tubulure d'admission et par le facteur 1013 mbar/100 % pour donner la pression partielle psrgex de la fraction externe de gaz residue!. Cette pression est multipliee par le facteur de conversion fupsrl pour donner la valeur rfrg du remplissage de la fraction residuelle qui a nouveau, comme decrit, est ra- menee au point de connexion 130. La pression partielle psrgin de la fraction interne de gaz re- siduel peut etre mesuree sur un bane d'essai et enregistree, sous la forme d'un champ de caracteristiques etabli en fonction de la vitesse nmot du moteur et du temps de croisement des soupapes, dans les moyens 90, pour des conditions de pression normales. Les temps de croisement des soupapes peuvent egalement etre exprimes par les angles correspondents s de croisement des arbres a cames. Aussi on obtient a partir du champ de caracteristiques, pour un angle donne de croisement des arbres a cames et pour une vitesse donnee du moteur, une pression partielle normalisee psrginO de la fraction interne de gaz residue!, qui est encore multipliee dans les moyens 90 par un facteur de hauteur, afin d'obtenir la pression o partielle effective prsrgin de la fraction interne de gaz residue!. Le facteur de hauteur est defini par le rapport pression environnante/1013 mbar. Les moyens 90 forment la somme de la pression partielle psrgex de la fraction externe et de la pression partielle prsgin de la frac- tion interne de gaz residue!, pour obtenir la pression partielle psrg du gaz residue! qui est envoyee aux moyens 20. Dans le cas ou il nty a aucun re- cyclage externe de gaz d'echappement, la pression partielle psrgex de la fraction externe est naturellement egale a zero. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procede pour commander le groupe propulseur (1) d'un vehicule fonc- tionnant avec un carburant gazeux, ce carburant etant dose en fonction de sa densite, s caracterise en ce qu' une masse d'air (rl) aspiree par au moins un cylindre (55) du groupe pro- pulseur (1) est determinee a partir d'une pression d'aspiration (ps) dans un tube d'admission (5) du groupe propulseur (1), en prenant en compte les pressions partielles du carburant (psng) et du gaz residue! (psrg) pro o venant de la ligne d'echappement (1O), du groupe propulseur (1). 2 ) Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la pression partielle (psng) du carburant est etablie en integrant la diffe s rence entre le remplissage relatif de carburant (rfngroh) entrant dans la tubulure d'admission (5) et le remplissage relatif de carburant (rfng) sor- tant de la tubulure d'admission (5). 3 ) Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que le remplissage relatif de carburant entrant (rfngroh) est calcule en fonction de la densite (peg) du carburant, de la vitesse (nmot) du moteur et du de- bit massique de carburant (msng). 2s 4 ) Procede selon la revendication 3, caracterise en ce que le debit massique de carburant (msng) est calcule en fonction d'une pres- sion de carburant (peg) et d'une temperature de carburant (tng). 5 ) Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la pression partielle (psrgex) d'une fraction externe de gaz residue! est de- terminee en integrant la difference entre une valeur (rfrgroh) entrant dans la tubulure d'admission (5) pour le remplissage relatif de gaz residue! et s une valeur (rfrg) de remplissage relatif sortant de la tubulure (5). 6 ) Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la pression partielle (psrgin) d'une fraction interne de gaz residue! est de- terminee a partir d'un champ de caracteristiques etabli en fonction de la vitesse (nmot) du moteur et d'un temps de croisement des soupapes ou d'un angle de croisement d'arbres a cames. s 7 ) Dispositif pour commander le groupe propulseur (1), fonctionnant avec du carburant gazeux, d'un vehicule, dans lequel des moyens (15) vent prevus pour closer le carburant en fonction de sa densite (png), caracterise par o des moyens (20) pour determiner une masse d'air (rl) aspiree par au moins un cylindre (55) du groupe propulseur (1), a partir d'une pression d'aspiration (ps) dans un tube d'admission (5) du groupe propulseur (1), en prenant en compte les pressions partielles du carburant (psng) et du gaz residue! (psrg) provenant de la ligne d'echappement (10) du groupe