Brevet FR2844302A1 — publié le 20040312

Désignation du domaine technique La présente invention concerne une méthode pour la détection précoce du cliquetis dans un moteur a combustion interne. La méthode permet d'extraire de signaux captés dans un moteur, ceux qui correspondent à un cliquetis, à des fins de contrôle de l'avance à l'allumage des cylindres. Elle s'applique à des données issues par exemple de capteurs de pression (internes à la chambre de combustion), ou d'accéléromètres (placés sur le bloc moteur), de capteurs par courant d'ionisation, etc. Etat de la technique Le cliquetis est un phénomène de combustion anormale, caractérisé en particulier par l'apparition d'ondes de pression de forte amplitude. L'hypothèse la plus commune quant à son origine est une auto-inflammation des gaz propres du cylindre (avant l'arrivée du front de flamme), liée à l'élévation de pression et de température ainsi qu'à la présence éventuelle de points chauds sur les parois des cylindres ou sur les bougies (Fig.5). Les 15 échanges thermiques sur les parois et le piston dus aux variations de pression occasionnées par le cliquetis peuvent détruire le moteur. La méthode la plus commune pour supprimer le cliquetis consiste à faire varier l'avance l'allumage. Le cliquetis apparaît sur les courbes de pression comme une ou plusieurs ondes oscillantes, possédant une gamme de fréquences liée au fréquences de 20 résonance du cylindre (typiquement entre 5 et 20 kHz pour les fréquences fondamentales, plus haut pour les harmoniques). Les méthodes de détection du cliquetis possèdent généralement deux étapes. Dans la première, on détecte le phénomène; dans la deuxième, on le mesure, de façon qualitative ou quantitative. A) Détection du cliquetis Des méthodes connues de détection du cliquetis procèdent par détection des variations d'amplitude soit du signal de pression lui-même, soit de ses dérivées jusqu'à l'ordre 3. Elles sont très dépendantes de la variabilité (de la combustion) cylindre à cylindre et très sensibles au bruit contenu dans le signal. Des méthodes plus récentes que l'on trouve mises en oeuvre sur la plupart des véhicules de série récents, sont basées sur la détermination fréquentielle du signal de cliquetis. Par application de la transformée de Fourier ou par le filtrage passe-bande du signal 5 de pression. on isole les bandes de fréquences (harmoniques comprises) o l'on peut trouver le cliquetis. Le signal est parfois encadré au préalable dans une fenêtre angulaire du vilebrequin autour de son point mort haut (PMII) dans le cylindre considéré, (par exemple de 10 à 70 degrés après) pour s'abstraire des phénomènes parasites (ouvertures et fermetures de soupapes)qui pourraient perturber la détection. La taille de la fenêtre peut 10 varier avec le régime moteur. Cette extraction peut rester dans le domaine temporel (filtrage passe-bande) ou fréquentiel (sélection de bandes de fréquences). Un exemple d'une telle méthode est décrit par exemple par: - Horner, T. G. "Engine Knock Detection using Spectral Analysis techniques with a TMS 320 DSP3. Digital Signal Processor Systems - Semiconductor Group, 1995. B) Déternination de l'intensité du cliquetis Les techniques de mesure de l'intensité du cliquetis mises actuellement en oeuvre sur les moteurs de série, sont largement empiriques et basées souvent sur des résultats d'essais intensifs. Les limites de détection du cliquetis sont fixées en fonction du régime, du type de moteur, etc. La détermination de l'intensité de cliquetis peut se faire à deux 20 niveaux de détails:soit cycle moteur par cycle moteur, soit par analyse sur une série de cycles moteurs. L'intensité pour un cycle moteur est calculée sur des caractéristiques du signal de cliquetis extrait: son maximum, son énergie cumulée ou par bandes, etc. La valeur obtenue est comparée à un seuil constant ou variable (en fonction du régime moteur). Le résultat fourni peut être binaire:cliquetis ou absence de cliquetis. 25 Généralement, la détection de cliquetis n'est pas décidée par une analyse cycle après cycle, mais par une analyse de cycles consécutifs. Le niveau de cliquetis est déterminé par une proportion de cycles avec cliquetis. On considère par exemple qu'il y a cliquetis quand 10 à % des cycles en sont affectés. Les méthodes fréquentielles de mesure de l'intensité achoppent en général sur des difficultés de détection en environnement très bruité, à haut régime notamment et les risques de fausse détection qui en résultent. D'autres travaux plus récents se tournent vers l'utilisation de la transformée de 5 Wigner-Ville, des transformées continues en ondelettes ou des transformées discrètes en ondelettes. On peut se référer à cet égard par exemple aux publications suivantes - Saminy, B. et al (1995) "Improved Knock Detection, by Advanced Signal Processing"; SAE International Congress and Exposition SAE Paper 950845; - Kikuchi, H. et al (1993) "Fast Non-orthogonal Wavelet Transformes and 10 Reconstruction for Detonation Detection", Int. symp. on Circ. and Syst., pages 503506; - Burgdorf, K. (1999) "Charateristics and Mechanisms", PhD thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden; - Zhong, Z. et al " A New Diagnostic method of Knocking in Spark-ignition Engine, 15 using the Wavelet Transform" International Spring Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Paris, SAE Paper 2000-01-1801; ou au brevet EP 1 221 603-A relatif à une méthode de détection d'autoallumage. 3 La méthode selon l'invention La méthode selon l'invention a pour objet la détection précoce du cliquetis dans un 20 moteur à combustion interne. Elle comporte l'acquisition d'un signal à l'intérieur d'au moins un cylindre du moteur dans un intervalle utile des cycles de fonctionnement du moteur (une plage angulaire de l'angle du vilebrequin ou un intervalle de temps du cycle), la mesure du niveau de bruit aléatoire présent dans le signal, et l'analyse par ondelettes d'au moins une partie du signal par application de celui-ci à des moyens de filtrage sélectifs, de 25 façon à récupérer un signal indicatif du cliquetis affranchi sensiblement du bruit aléatoire, et la détermination de paramètres caractérisant l'enveloppe du signal de cliquetis, servant à contrôler l'avance à l'allumage du moteur. L'analyse du signal comporte l'utilisation de paquets d'ondelettes invariantes par translation (POIT) pour sélectionner dans le spectre de fréquence du signal, des bandes de fréquence utiles à la détection du cliquetis, avec détermination de coefficients de corrélation, l'annulation de coefficients de corrélation en dehors de zones utiles du signal à 5 la détection du cliquetis et des coefficients inférieurs en norme au seuil d'énergie du bruit aléatoire, l'inversion des coefficients de corrélation restants par utilisation de paquets d'ondelettes invariantes par translation pour récupérer le signal de cliquetis filtré dans le dit intervalle de temps utile. Suivant un mode préféré de mise en oeuvre, la décomposition du signal sur un 10 ensemble de vecteurs est rendue invariante par translation par des décompositions élémentaires du signal et de sa copie décalée dans un sens d'un échantillon, et la reconstruction d'un signal filtré obtenue par moyenne de deux signaux, le premier issu de la décomposition du signal d'origine, le deuxième de la décomposition de la copie décalée, ce deuxième signal étant au préalable décalé d'un échantillon dans le sens opposé. De préférence, on sélectionne au préalable certaines gammes de fréquence à analyser en fonction de la géométrie des cylindres du moteur. On obtient par exemple l'enveloppe du signal indicatif de cliquetis par transformée de Hilbert, ou encore par redressement et filtrage du signal. Avantages La méthode selon l'invention d'extraction du cliquetis, basée sur les paquets d'ondelettes invariantes par translation, est particulièrement résistante aux bruits aléatoires présents dans les bruits, et permet également de supprimer les bruits transitoires localisés liés au fonctionnement du moteur et ne devant pas être confondus avec le cliquetis (soupapes, piston, etc.). Elle ne fournit pas uniquement une mesure chiffrée ou quantitative, mais une suite de paramètres permettant de "qualifier" le cliquetis. D'après les tests menés, cette méthode permet de détecter des cliquetis naissants, dans une phase précoce o les méthodes usuelles ne détectent pas encore le cliquetis. Elle semble également être capable de détecter l'apparition de deux auto-allumages dans un même cycle. Présentation succincte des figures Les caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après en se référant aux dessins annexés o: - la figure 1 montre un organigramme de la méthode; - la figure 2 montre schématiquement un banc de filtrage classique avec des filtres d'analyse et des filtres de synthèse; - les figures 3a à 3d montrent respectivement dans le cas classique d'une détection de cliquetis par analyse de Fourier, un signal de pression relevé dans un cylindre (3a), le spectre d'amplitude du signal (3b), un zoom dans la bande de fréquence du cliquetis 10 (3c) et un signal de cliquetis extrait par filtrage passe- bande (3d) - les figure 4a à 4f représentent respectivement, dans le cadre de la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention, le même signal de pression (4a), sa décomposition tempséchelle par POIT (4b), un zoom sur la bande de fréquence (4c), le signal reconstruit et son enveloppe (4d), le même zoom après mise à zéro des coefficients inférieurs au 15 seuil de bruit (4e) et le signal reconstitué (4f). 4 Description détaillée La méthode proposée d'extraction et de détection du cliquetis est schématisée à la Fig.1. Elle comporte les étapes suivantes. 1) Dans un premier temps, on commence par sélectionner des bandes de fréquences 20 o le cliquetis est susceptible de se manifester. Ces bandes dépendent des dimensions des cylindres et de leurs modes de résonance, soit par modélisation basique du cylindre, soit par des méthodes à éléments finis. Des exemples de mise en oeuvre de cette première étape sont décrits par exemple dans les publications suivantes: - Douaud A., (1983) Elements d'analyse du cliquetis et de ses effets, Revue de l'Institut 25 Français du Pétrole, 38(5): 665-674, - Burgdorf K., (1999) Engine Knock: Characteristics and Mechanisms. PhD thesis, Chalmers University of Technology, Dept. of Thermo and Fluids Dynamics, Gothenburg, Sweden. 2) On estime classiquement l'énergie du bruit aléatoire présent dans le signal, ceci en mesurant son amplitude moyenne, dans une zone de fréquence marginale de faible activité, extérieure aux bandes sélectionnées que l'on multiplie par une constante (qui peutêtre fixée à 1 par défaut). 3) On décompose ensuite la portion utile du signal (pression, vibration) par des paquets d'ondelettes invariantes par translation (POIT) de façon à encadrer les bandes de fréquences utiles du cliquetis, en procédant comme suit. La décomposition en paquets d'ondelettes invariantes par translation consiste, on le rappelle, à projeter un signal sur un ensemble redondant de vecteurs, formés d'ondelettes à différentes résolutions, résultant du 10 passage du signal à travers une alternance de filtres passe-bas et passe-haut. Les coefficients obtenus peuvent s'interpréter comme des coefficients de corrélation (correspondant à des degrés de ressemblance) avec les diverses ondelettes On suppose que l'on recherche le cliquetis dans une bande de fréquence [fi, f2], le signal s de pression étant acquis à la fréquence d'échantillonnage 2.fmax. Si on applique 15 classiquement le signal s à un banc de filtres élémentaire d'analyse en ondelettes (composés classiquement de filtres de type F.I.R., mais également de filtres de type I.I.R) (Fig.2a), il va le décomposer en deux signaux a, et d, chacun possédant environ deux fois moins d'échantillons que le signal initial s. Le signal a, possède grossièrement le contenu fréquentiel de s sur l'intervalle [0, fm tandis que d, possède celui de s sur l'intervalle frnax, - La décomposition en paquets d'ondelettes consiste à itérer l'application précédente des signaux a ou d à un même banc de filtres élémentaires, ce qui revient à chaque fois à effectuer une dichotomie (autrement appelé " décomposition dyadique ") dans le domaine fréquentiel. On peut ainsi encadrer la bande de fréquence [f, f2] avec la précision souhaitée, et reconstruire le signal s via un banc symétrique de filtres de synthèse 25 (Fig.2b). On remarque que si l'on applique tel quel ce processus de décomposition puis de synthèse, le résultat n'est pas invariant par translation: le signal décalé d'un échantillon s(k -1) ne produit pas les signaux décalés a, (k -1) et d, (k -1). Il en résulte une perturbation de la détection du cliquetis si elle se base uniquement sur les coefficients a et d. Pour y remédier, nous proposons de rendre invariant par translation chaque processus élémentaire de décomposition, en décomposant à la fois les deux signaux s(k) et 5 s(k - 1), et en recombinant les coefficients obtenues. Si l'on désigne par S un opérateur de décalage d'un échantillon tel que S8 = s(k -1), nous proposons, à chaque passage dans le banc de filtre élémentaire, de: - décomposer à la fois le signal s et le signal Ss par dichotomie fréquentielle; - sélectionner les coefficients résultant de la projection précédemment calculé à 10 conserver pour les signaux a8, ds,as, ds par mise à zéro des coefficients POIT hors des zones utiles au repérage du cliquetis, et aussi des coefficients inférieurs en norme au seuil d'énergie du bruit aléatoire précédemment mesuré (de manière à limiter les risques de fausse détection et réduire le niveau de bruit du signal.); construire le signal de cliquetis Sknoek par moyenne des reconstructions par banc de 15 filtres de synthèse: si X est la reconstruction de aS, d,, et X est la reconstruction de as,,d, on prend X; k,,ock = X, + S-I.Xs et on répète ce processus à chaque étape de passage par le banc de filtres de synthèse. 4) Enfin, on extrait l'enveloppe du signal précédent soit par transformée de Hilbert, ou après redressement du signal, passage dans un filtre passebas. De cette enveloppe 20 donnant l'allure du signal, sont extraits les paramètres qui vont servir à contrôler l'avance à l'allumage du moteur ou éventuellement de chacun de ses cylindres. Les paramètres calculés sur l'enveloppe peuvent être par exemple son maximum son aire représentative de son énergie, la durée du cliquetis, etc. La méthode peut être mise en oeuvre en utilisant une carte électronique avec bancs 25 de filtrage ou au moyen d'un ordinateur incluant par exemple un DSP programmé pour réaliser les différentes étapes de méthode, ces moyens électroniques ou de calcul étant connectés à un ou plusieurs capteurs de pression ou de vibration associés au moteur. Exemples comparatifs Dans le cas de signaux faiblement bruités et de cliquetis relativement perceptible, les méthodes de détection utilisant l'analyse de type Fourier et par ondelettes fonctionnent de manière comparable. En revanche, l'usage des ondelettes, et plus particulièrement la méthode d'analyse 5 par paquets d'ondelettes invariantes par translation qui vient d'être décrite, s'impose particulièrement quand: - le cliquetis est faible (précliquetis) dans un niveau de bruit faible, ou - le bruit ambiant est fort (à haut régime par exemple) et dissimule un cliquetis de niveau moyen ou fort. On voit aisément en comparant les Fig.3 et 4 que le signal de cliquetis (ou précliquetis) ressort difficilement du bruit ambiant dans le cas o l'on procède à la détection par analyse de Fourier (Fig.3) alors qu'il est visible et aisément détestable par la méthode proposée (Fig.4). REVENDICATIONS 1) Méthode pour la détection précoce du cliquetis dans un moteur a combustion interne comportant l'acquisition d'un signal à l'intérieur d'au moins un cylindre du moteur dans un intervalle utile des cycles de fonctionnement du moteur, la mesure du niveau de 5 bruit aléatoire présent dans le signal, et l'analyse par ondelettes d'au moins une partie du signal par application de celui-ci à des moyens de filtrage sélectifs, de façon à récupérer un signal indicatif du cliquetis affranchi sensiblement du bruit aléatoire, et la détermination de paramètres caractérisant l'enveloppe du signal de cliquetis, servant à contrôler l'avance à l'allumage du moteur, caractérisée en ce que l'analyse du signal comporte: - l'utilisation de paquets d'ondelettes invariantes par translation (POIT) pour sélectionner dans le spectre de fréquence du signal, des bandes de fréquence utiles à la détection du cliquetis, avec détermination de coefficients de corrélation, l'annulation de coefficients de corrélation en dehors de zones du signal utiles à la détection du cliquetis et des coefficients inférieurs en norme au seuil d'énergie du bruit aléatoire, et l'inversion des 15 coefficients de corrélation restants par utilisation de paquets d'ondelettes invariantes par translation pour récupérer le signal de cliquetis filtré dans le dit intervalle de temps utile. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la décomposition du signal sur un ensemble de vecteurs est rendue invariante par translation par des 20 décompositions élémentaires du signal et de sa copie décalée dans un sens d'un échantillon, et la reconstruction d'un signal filtré obtenue par moyenne de deux signaux, le premier issu de la décomposition du signal d'origine, le deuxième de la décomposition de la copie décalée, ce deuxième signal étant au préalable décalé d'un échantillon dans le sens opposé. 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on sélectionne au préalable certaines gammes de fréquence à analyser en fonction de la géométrie des cylindres du moteur. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on obtient l'enveloppe du signal indicatif de cliquetis par transformée de Hilbert, ou par 30 redressement et filtrage du signal. ) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les zones utiles du signal sont définies par une plage angulaire de l'angle du vilebrequin ou un intervalle de temps et par une plage de fréquence.