Brevet FR2835281A1 — publié le 20030801

Procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur, et véhicule de mise en oeuvre L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'à un véhicule de mise en oeuvre du procédé. Le fonctionnement d'un moteur à combustion interne (moteur à allumage commandé ou à allumage par compression) est conditionné par la quantité d'air admise dans la ou les chambres de combustion, par cylindre et par cycle moteur. Cette masse d'air conditionne non seulement le couple fourni par le moteur, mais détermine également, dans le cas d'un moteur à allumage commandé, la quantité d'essence à injecter afin d'atteindre la consigne de richesse imposée par le système de contrôle moteur. La masse d'air influence également fortement le bruit de combustion dans le cas d'un moteur Diesel (allumage par compression). Toute la difficulté réside dans la détermination de la masse d'air car celle-ci n'est pas une grandeur mesurable. A ce jour, aucun capteur ne peut fournir de mesure suffisamment précise et rapide du débit d'air entrant dans le cylindre au niveau des soupapes, permettant, par intégration, de reconstruire la masse d'air admise. En effet, dans un moteur à allumage commandé, la précision requise pour l'élaboration de la commande d'injection de carburant est de l'ordre de 1,5% sur la masse d'air pour pouvoir respecter les contraintes de richesse. D'autre part, afin d'assurer un bon suivi de la consigne de couple pendant les phases de fonctionnement transitoires, une connaissance cycle à cycle de la masse d'air admise serait très utile. Cependant, elle n'est techniquement pas réalisable à ce jour. Il est donc nécessaire pour le contrôle-moteur d'estimer et éventuellement de prédire cette masse d'air. Pour pallier ce manque d'instrumentation, il est connu d'estimer le débit aux soupapes à partir d'une mesure du débit au niveau du papillon, ou bien d'une mesure de la richesse des gaz d'échappement, ou encore par l'utilisation d'un modèle d'admission d'air, d'un capteur de pression dans le répartiteur d'admission et une cartographie de remplissage. Ces méthodes de reconstruction ne sont vraiment fiables que pendant les phases de fonctionnement stabilisé du moteur. En effet, ce n'est que dans ce cas que les débits au papillon et aux soupapes peuvent être supposés identiques, cette égalité des débits n'étant plus vérifiée en phase transitoire. Ce n'est également que pendant les phases stabilisées que le fonctionnement du moteur correspond aux points d'identification des modèles d'admission et des cartographies de remplissage, et que la mesure de richesse sur les gaz d'échappement correspond à la richesse du mélange admis. Pour que ces erreurs d'estimation pendant les phases de fonctionnement transitoires n'engendrent pas une instabilité du moteur d'une part et assure un fonctionnement dynamique d'autre part, les commandes des actionneurs du moteur (injection, allumage, papillon motorisé, turbo etc. ) sont réglées à la mise au point de façon à assurer une réserve de couple fournie par le moteur suffisante. Ceci a pour conséquence que, pour assurer le maintien en stabilité du moteur pendant les phases transitoires, les consignes de richesse ne sont plus respectées. Cet écart par rapport aux consignes de richesses optimales a cependant des conséquences négatives en terme de consommation et de pollution D'autre part, pour ce qui est des modèles d'admission et des cartographies de remplissage, ou des cartographies d'injection, ceux-ci sont identifiés sur des points de fonctionnement stabilisé au prix d'un travail important de mise au point à refaire systématiquement à chaque développement d'un nouveau moteur. 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 nombre limité 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 admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon l'invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il consiste à modéliser la masse d'air admise M en fonction d'une variation AP de pression dans la chambre de combustion, à partir d'une loi de transformation polytropique des gaz pendant leur compression, du type P. Vn= c ; dans laquelle P est la pression instantanée des gaz dans la chambre, V le volume instantané des gaz dans la chambre, n et c deux valeurs constantes, et en ce que la masse d'air M estimée est calculée à partir d'une variation de pression AP mesurée et/ou calculée. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le procédé comporte : une étape de mesure de la pression P au sein de la chambre de combustion à un premier moment d'un cycle de combustion, une étape de mesure de la pression au sein de la chambre de combustion à un second moment du même cycle de combustion, une étape de calcul de la variation de pression AP entre les premier et second moments, une étape de détermination du régime du moteur, une étape de calcul de la masse d'air admise M selon la formule M = A. AP + B ; dans laquelle le premier A et le second B coefficients sont des variables déterminées en fonction du régime du moteur et obtenus à partir d'une cartographie connue, - le procédé comporte, préalablement à l'étape de calcul de la masse d'air, une étape de mesure de la température de l'air d'admission Tadm qui alimente la ou les chambres de combustion, et une étape de calcul de la valeur corrigée Ac du premier coefficient en fonction de la température de l'air d'admission, le coefficient corrigé étant utilisé lors de l'étape de calcul de la masse d'air, - la valeur corrigée Ac du premier coefficient A est A calculée selon la formule Ac =-------- : dans aquehe A 1 + k (Tadrn - Ta) est la valeur non corrigée du premier coefficient, k un coefficient variable en fonction du régime moteur obtenu à partir d'une cartographie connue, et To est la température de l'air d'admission mesurée lors de la réalisation du modèle cartographié, - la valeur corrigée Ac du premier coefficient A est n calculée selon la formule Ac =A. (- -) , dans laquelle A est Tadm la valeur non corrigée du premier coefficient, To est la température de l'air d'admission mesurée lors de la réalisation du modèle cartographié, et Tadm la valeur mesurée de la température de l'air d'admission, - l'étape de mesure de la pression au premier moment du cycle de combustion consiste à mesurer une pluralité de valeurs de pressions sur une plage temporelle autour du premier moment, et à calculer la moyenne des valeurs mesurées, la valeur moyenne de la pression calculée est utilisée dans l'étape de calcul de la variation de pression entre les premier et second moments, - les valeurs des coefficients A et B de la cartographie sont obtenues par une étape préliminaire de calcul par identification de la formule M = A. AP + B, avec des essais réalisés sur le moteur dans des conditions déterminées, dont une température d'air d'admission To déterminée. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule de mise en oeuvre du procédé d'estimation conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus. Le véhicule selon l'invention comprend un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur d'air d'admission, de soupapes d'admission pour réguler le débit d'air d'admission vers des chambres de combustion, ainsi que des pistons entraînés selon un mouvement alternatif lors des cycles de combustion, des moyens de mesure de la pression au sein de la ou des chambres de combustion, des moyens de détermination du régime du moteur, et des moyens de stockage et de traitement de données reliés aux moyens de mesure de pression et aux moyens de détermination du régime du moteur, les moyens de stockage et de traitement de données étant conformés pour mettre en oeuvre le procédé d'estimation selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Selon d'autres particularités avantageuses : - les moyens de stockage et de traitement de données contiennent un modèle de calcul de la masse d'air M admise selon la formule M = A. AP + B ; et une cartographie des valeurs des coefficients A et B en fonction du régime du moteur, - le véhicule comprend des moyens de mesure de la température de l'air d'admission qui alimente la ou les chambres de combustion, les moyens de stockage et de traitement de données comprennent un modèle de correction du premier coefficient en fonction de la température de l'air d'admission calculée, le coefficient corrigé étant utilisé par les moyens de stockage et de traitement de données lors de l'estimation de la masse d'air. 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 une vue d'un détail d'un véhicule mettant en oeuvre l'invention, - la figure 2 représente la courbe de variation de la pression P au sein d'un cylindre du moteur en fonction de l'angle 8 du vilebrequin au cours d'un cycle de combustion. L'invention va à présent être décrite en référence à la figure 1. Le moteur à combustion interne 1 schématisé comprend un conduit 121 d'amenée d'air dans lequel est disposé un papillon 4 dont la position angulaire détermine la quantité d'air admise à circuler vers un répartiteur d'air d'admission 3 disposé en aval. Bien entendu, le papillon peut être remplacé par tout autre moyen de contrôle d'air équivalent. En aval du répartiteur 3, des conduits répartissent l'air dans les chambres de combustions 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 6 de pression est disposé au niveau de l'un au moins des cylindres (chambres de combustion 2) et de préférence dans chaque chambre de combustion 2. Les capteurs 6 peuvent être disposés, par exemple, dans un alésage formé dans la culasse à proximité de la bougie d'allumage (non représentée), ou directement sur le corps de la bougie. Bien sûr, tout autre moyen de mesure ou d'estimation de pression cylindre peut également être envisagé (tel qu'un joint de culasse instrumenté par exemple). De préférence également, un capteur 11 de température est disposé au niveau du collecteur 3 d'admission, par exemple en aval du papillon 4, pour mesurer la température de l'air d'admission en amont des chambres 2 de combustion. Les capteurs 6 de pression, le capteur de température 11 et les injecteurs 8 sont reliés à des moyens 10 électronique de traitement de données et de commande, tel qu'un calculateur (la liaison des injecteurs 8 au calculateur 10 n'est pas représentée par soucis de simplification de la figure). Par ailleurs, le calculateur 10 reçoit une information représentative de la position angulaire instantanée du vilebrequin 9, par exemple par l'intermédiaire d'une roue codeuse 13. Ainsi, il peut être déduit une mesure du régime N du moteur. Le système d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur selon l'invention consiste à modéliser la masse d'air admise M en fonction d'une variation de pression AP du gaz entrant dans la chambre de combustion à partir d'une loi de transformation polytropique des gaz du type P. Vn = c, dans laquelle P est la pression instantanée du gaz, V le volume instantané du gaz, n et c étant deux valeurs constantes. Plus précisément, n est le coefficient polytropique du mélange gazeux pendant la compression De cette façon, la masse d'air M estimée peut être obtenue simplement à partir d'une variation de pression AP du gaz mesurée et/ou calculée. En effet, la transformation polytropique du gaz permet d'écrire M étant la masse du gaz, r la constante des gaz parfaits dans l'air, et T la température du gaz. De préférence, la variation de pression AP au sein de la chambre 2 est mesurée au début de la phase de compression. Les deux instants de mesure de la pression P sont choisis de façon suffisamment éloignée l'un de l'autre. De plus, le premier 81 instant est choisi bien après la fermeture de la soupape, tandis que le second 82 instant est choisi avant le début de la combustion au sein de la chambre 2. Les deux instants correspondent respectivement à deux valeurs 0 2 de l'angle 8 du vilebrequin 9. La figure 2 illustre un exemple de mesure de deux valeurs de pression dans la chambre de combustion selon l'invention. P1 est la pression au sein de la chambre de combustion 2 mesurée au premier instant (angle vilebrequin 81 et volume V1), et P2 est la pression mesurée au second instant (angle vilebrequin 82 et volume V2). On a constaté que le choix précis des premier et second moments permet une estimation plus juste de la masse de d'air admise. Dans le cas d'un moteur comportant un vilebrequin, les premiers 81 et second 82 moments correspondent de préférence aux valeurs angulaires suivantes du vilebrequin : 2900 environ et 3400 environ En posant AP = P (61)-P (02), et en utilisant les équations de transformation ci-dessus, on peut écrire : V pn Mt=------AP, avec , r = constante des gaz parfaits de l'air. Mt = masse totale des gaz contenus dans le cylindre pendant la compression. n = coefficient polytropique du mélange pendant la compression. Ti = température des gaz en e 1. V1 et V2 = volumes de la chambre en 81 et 82 P = rapport volumétrique V1/V2 En l'absence d'un système de recirculation des gaz d'échappement (EGR), le bilan des masses dans la chambre de combustion peut s'écrire : M = Mt-Mc-Mi, avec M = masse d'air admis dans la chambre de combustion (cylindre), Mc = masse de carburant admis (c'est-à-dire la masse de carburant injectée, en régime stabilisé), et Mi = masse de carburant recyclée par recyclage interne (c'est-à-dire la masse de carburant restant dans la chambre après la phase d'échappement et/ou réaspirée pendant le croisement de soupapes). En posant les variables ; j. et v comme suit : Mc = jj.. M + dMc, et Mi = v. M + dMi dans lequel dMc et dMi représentent respectivement les composantes non linéaires par rapport à la charge des masses de carburant et de gaz recyclés en interne, on peut écrire : On a constaté que les variations des grandeurs dMc et dMi restent faibles d'un cycle de combustion à l'autre, à régime et à charge constants, au regard de la masse d'air M. D'autre part, on a constaté la faible sensibilité de dMc et dMi au paramètre charge du moteur. Ainsi, on peut faire les hypothèses et approximations suivantes : Il, v, dMc et dMi ne sont sensibles qu'au paramètre régime N du moteur. On peut alors écrire : n avec A (N, T1) = . . 1, et B (N) =-dMc-dMi r 1-p"1++v Les premier A et second B coefficients du modèle d'estimation sont difficilement calculables. En effet, certains paramètres comme n, Il, v, Ti ne peuvent pas être mesurés ni estimés de façon précise. Cependant, il est possible d'identifier directement et facilement les coefficients A et B à partir d'essais sur banc moteur. Pour identifier les coefficients du modèle d'estimation et les cartographier sur le régime, une série d'essais moteur peut être réalisée. Par exemple, on réalise des mesures de 4 à 6 points de charge par cas de régime. Les régimes peuvent être balayés avec des pas assez larges, par exemple 500 tours/minute car les paramètres à identifier varient relativement lentement. Typiquement, un plan d'essais de 60 points de fonctionnement stabilisé est suffisant, de même qu'une centaine de cycles pour chaque point est amplement suffisante. Si la signification physique des coefficients A et B développée ci-dessus ne permet pas un calcul direct, elle permet en revanche une évaluation de leur sensibilité aux différents paramètres, et de faire les corrections appropriées. De cette façon, on obtient une modélisation simple de la masse d'air admise dans la chambre de combustion. Le premier coefficient A du modèle d'estimation est sensible à la température d'admission. C'est pourquoi, de préférence, une correction en température est réalisée pour calculer le coefficient corrigé Ac à partir de A, le coefficient non corrigé identifié à l'aide des essais sur banc. Cette correction en température peut-être effectuée de deux façons : La première méthode consiste à utiliser un modèle de transfert de chaleur et de travail sur les gaz entre l'admission et le début de la compression. Ce modèle fournit une relation entre la température d'admission et la température non mesurable T1. La relation identifiée est : Ti=Tio+ k. (Tadm-To), dans laquelle To est la température d'admission lors des essais de calibration du modèle, T10 la température T1 estimée pour ces mêmes essais, et où le coefficient k est recalé à l'aide d'essais sur banc avec variation de température d'admission et cartographié en fonction du régime. Le premier coefficient A est alors calculé comme suit : A A l+k (Tadm-To) Une deuxième méthode plus simple consiste à estimer la fr température Ti par la relation : T, = (). rd.. Dans ce cas, le Ta premier coefficient corrigé Ac est calculé comme suit : Ac =A. (- -) . Cette dernière méthode a l'avantage de ne Tadm pas nécessiter d'essais supplémentaires pour identifier la cartographie du coefficient k. Le calcul d'estimation selon l'invention décrit ci-dessus peut être intégré au sein du contrôle moteur. Dans sa forme de réalisation préférée, le procédé d'estimation peut se résumer par les étapes suivantes : - détermination d'une valeur de pression P1 dans le cylindre à un premier moment 81 (instant repéré grâce au capteur 13 de position vilebrequin), - détermination d'une valeur de pression P2 dans le cylindre à un second moment 82 (instant repéré grâce au capteur 13 de position vilebrequin), - calcul de la variation de pression AP entre les premier 81 et second 82 moments, - recherche des coefficients A et B dans respectivement deux cartographies d'identification du modèle connues (ces cartographies sont à une seule dimension : le régime N), - correction en température à l'aide d'une mesure de température d'admission Tadm (mesure de température répartiteur ou au niveau du papillon) Ac = f (A, N), et enfin, - calcul de l'estimation selon la formule : M = A. AP + B. On a constaté par ailleurs une amélioration sensible de la performance de l'estimation en remplaçant la mesure de pression en début de compression (premier moment 81) par une moyenne de cette pression P1m sur une plage d'angle autour du premier moment 81. La largeur de cette plage d'angle peut-être déterminée de façon à minimiser l'erreur d'estimation. Par exemple, la valeur de pression au premier moment 81 est remplacée par la moyenne de cette pression entre les instants correspondants aux angles 284 et 2940 du vilebrequin. Bien entendu, ce calcul d'une pression moyenne peut être remplacé par un relevé de la pression à l'angle 2890 environ. Dans ce cas, les performances de l'estimation sont moins bonnes mais suffisamment précises pour permettre leur utilisation pour le contrôle moteur. De plus, il est possible de remplacer le calcul de pression moyenne par un filtrage analogique. Le procédé d'estimation selon l'invention a été décrit dans une application à un moteur à quatre temps, quatre cylindres à allumage commandé ou diesel comportant un vilebrequin Cependant, il s'applique également à d'autres types de moteur tels que des moteurs à soupapes commandées par des actionneurs électromagnétiques. De plus, le procédé d'estimation selon l'invention peut s'appliquer dans de multiples processus tels que : dans le cadre d'un contrôle moteur embarqué, dans le cas d'une instrumentation de la pression cylindre, pour la régulation de la charge en air (moteurs à allumage commandé et diesel) et pour le calcul de la partie boucle ouverte de la commande d'injection (moteurs à allumage commandé). De la même façon, l'invention peut permettre la réalisation des cartographies de remplissage dans le cadre de la mise au point sur banc moteur. Dans le cas où le moteur est équipé d'un seul capteur de pression sur un seul cylindre, une régulation globale du moteur peut être envisagée, mais dans le cas où le moteur est équipé d'un capteur de pression par cylindre, une régulation cylindre à cylindre du moteur peut être envisagée. On conçoit donc aisément que le procédé selon l'invention permet d'estimer de façon simple la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. L'invention permet en particulier une estimation simple mais fiable de la masse d'air admise dans les chambres de combustion, même lors des phases de fonctionnement transitoires du moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de la masse d'air admise dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il consiste à modéliser la masse d'air admise (M) en fonction d'une variation (AP) de pression dans la chambre de combustion, à partir d'une loi de transformation polytropique des gaz pendant leur compression, du type P. Vn = c ; dans laquelle P est la pression instantanée des gaz dans la chambre, V le volume instantané des gaz dans la chambre, n et c deux valeurs constantes, et en ce que la masse d'air (M) estimée est calculée à partir d'une variation de pression (AP) mesurée et/ou calculée. 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de mesure de la pression (P) au sein de la chambre de combustion (2) à un premier moment (81) d'un cycle de combustion, - une étape de mesure de la pression (P) au sein de la chambre de combustion (2) à un second moment (82) du même cycle de combustion, - une étape de calcul de la variation de pression (AP) entre les premier (81) et second (82) moments, - une étape de détermination du régime (N) du moteur, - une étape de calcul de la masse d'air admise (M) selon la formule M = A. AP + B ; dans laquelle le premier A et le second B coefficients sont des variables déterminées en fonction du régime (N) du moteur et obtenus à partir d'une cartographie connue. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'étape de calcul de la masse d'air, une étape de mesure de la température (Tadm) de l'air d'admission qui alimente la ou les chambres (2) de combustion, et une étape de calcul de la valeur corrigée (Ac) du premier coefficient (A) en fonction de la température (Tadm) de l'air d'admission, et en ce que le coefficient corrigé (Ac) est utilisé lors de l'étape de calcul de la masse (M) d'air. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur corrigée (Ac) du premier coefficient (A) est calculée A selon la formule Ac = : dans laquelle A est la 1 + k (Tadm - Ta) valeur non corrigée du premier coefficient, k un coefficient variable en fonction du régime (N) moteur obtenu à partir d'une cartographie connue, et To est la température de l'air d'admission mesurée lors de la réalisation du modèle cartographié. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur corrigée (Ac) du premier coefficient (A) est calculée selon la formule Ac =A. (- -) , dans laquelle A est la valeur Tadm non corrigée du premier coefficient, To est la température de l'air d'admission mesurée lors de la réalisation du modèle cartographié, et Tadm la valeur mesurée de la température de l'air d'admission. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'étape de mesure de la pression (P) au premier moment (81) du cycle de combustion consiste à mesurer une pluralité de valeurs de pressions sur une plage temporelle autour du premier moment (01), et à calculer la moyenne (P1m) des valeurs mesurées, et en ce que la valeur moyenne de la pression (P1m) calculée est utilisée dans l'étape de calcul de la variation de pression (AP) entre les premier (01) et second (02) moments. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les valeurs des coefficients (A) et (B) de la cartographie sont obtenues par une étape préliminaire de calcul par identification de la formule M = A. AP + B, avec des essais réalisés sur le moteur dans des conditions déterminées, dont une température d'air d'admission To déterminée. 8. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur d'air d'admission, 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 (6) de mesure de la pression au sein de la ou des chambres de combustion (2), des moyens de détermination du régime (N) du moteur (1), et des moyens (10) de stockage et de traitement de données reliés aux moyens (6) de mesure de pression et aux moyens de détermination du régime (N) du moteur, et en ce que les moyens (10) de stockage et de traitement de données sont conformés pour mettre en oeuvre le procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens (10) de stockage et de traitement de données contiennent un modèle de calcul de la masse d'air (M) admise selon la formule M = A. AP + B ; et une cartographie des valeurs des coefficients (A) et (B) en fonction du régime (N) du moteur. 10. Véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (11) de mesure de la température (Tadm) de l'air d'admission qui alimente la ou les chambres (2) de combustion, et en ce que les moyens (10) de stockage et de traitement de données comprennent un modèle de correction du premier coefficient (A) en fonction de la température (Tadm) de l'air d'admission calculée, et en ce que le coefficient corrigé (Ac) est utilisé par les moyens (10) de stockage et de traitement de données lors de l'estimation de la masse (M) d'air.