Brevet FR2864155A1 — publié le 20050624

Procédé et système d'estimation de la température de gaz d'échappement et moteur à combustion interne équipé d'un tel système. L'invention concerne le domaine de la gestion de moteur à combustion interne, et plus particulièrement des dispositifs d'échappement, montés en aval du collecteur d'échappement du moteur. Pour répondre aux émissions des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote et des particules, on place dans la ligne d'échappement des systèmes de traitement continus, tels que des catalyseurs d'oxydation pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone, ou périodiques, comme les filtres à particules ou les pièges catalytiques à oxydes d'azote. Ces systèmes périodiques alternent les phases de stockage des polluants et des phases de régénération des pièges, c'est-à-dire de conversion des polluants stockés en substances non polluantes. Le piège catalytique à oxydes d'azote, ou plus simplement catalyseur, peut être un monolithe percé de canaux ouverts à leurs deux extrémités afin de permettre le passage des gaz d'échappement. Pour la commande de la régénération du piège, et pour la commande du moteur proprement dit, il est important de connaître avec une certaine précision la température des gaz d'échappement du moteur. Le document US 5 722 236 décrit l'utilisation d'un capteur de température dans un filtre à particules pour corriger un modèle de température. Toutefois, un tel capteur risque d'être endommagé lors de la mise en combustion des particules lors de la régénération du filtre. Un but de la présente invention est de permettre une connaissance fiable, précise et économique de la température des gaz en amont d'un dispositif de traitement physique et/ou chimique des gaz d'échappement. Le procédé, selon un aspect de l'invention, est destiné à l'estimation de la température de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. On met en oeuvre un estimateur à réseaux de neurones auquel on fournit des données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans le circuit d'admission, ledit estimateur étant pourvu d'un module de pré-traitement et de réseaux de neurones de façon que l'estimateur fournisse en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur. Une telle estimation peut être précise à environ 10 C près. On peut ainsi se passer de capteur de température affecté à cette tâche. Dans un mode de réalisation de l'invention, on fournit, en outre, à l'estimateur des données relatives à la pression de suralimentation. Dans un mode de réalisation de l'invention, on fournit, en outre, à l'estimateur des données relatives à la commande de la vanne de recyclage de gaz d'échappement. Dans un mode de réalisation de l'invention, on fournit, en outre, à l'estimateur des données relatives à la température de l'air en amont d'une turbine de suralimentation. Avantageusement, l'estimateur effectue un apprentissage à partir d'une base de données représentative de zones de fonctionnement intéressantes. Dans un mode de réalisation de l'invention, ladite base de données est générée à partir d'essais d'estimateurs. Dans un mode de réalisation de l'invention, ladite base de données est découpée entre une base de test et une base d'apprentissage. L'invention propose également un système d'estimation de la température de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant un estimateur à réseaux de neurones pourvu d'entrées de réception de données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans un circuit d'admission du moteur, d'un module de pré-traitement et de réseaux de neurones, pour fournir en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'estimateur 10 comprend un module de post traitement disposé en aval des réseaux de neurones. Dans un mode de réalisation de l'invention, le module de pré-traitement est apte à effectuer des calculs basés sur des relations physiques connues pour diminuer le nombre d'entrées des réseaux de neurones. On peut ainsi mettre en oeuvre un réseau de neurones de structure simplifiée et de coût raisonnable. L'invention propose également un moteur à combustion interne comprenant un circuit d'admission de carburant, une unité de pilotage, et un système d'estimation de la température de gaz d'échappement comprenant un estimateur à réseaux de neurones pourvu d'entrées de réception de données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans un circuit d'admission du moteur, d'un module de pré-traitement et de réseaux de neurones, pour fournir en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur. II est alors possible de se passer de la présence d'un capteur de température des gaz en entrée d'un élément de traitement des gaz d'échappement, par exemple d'un catalyseur d'oxydation, ce qui simplifie la structure mécanique et logique du moteur, réduit l'encombrement et supprime le risque de panne du capteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système d'estimation fait partie de l'unité de pilotage du moteur. Le système d'estimation peut alors bénéficier de moyens de calcul et de mémorisation de l'unité de pilotage, ce qui est intéressant en termes de coût et d'encombrement. La présente invention s'applique à différents types de moteurs à combustion interne, à essence, à gaz ou diesel, suralimentés ou non, à recyclage des gaz d'échappement ou non, et dont le nombre de cylindres n'est pas limité. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon un aspect de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique d'un système d'estimation de la température de gaz d'échappement selon un aspect de l'invention; et - la figure 3 est un diagramme montrant les étapes du procédé d'estimation de la température de gaz d'échappement selon un aspect de l'invention. Sur la figure 1, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Un moteur à combustion interne 1 est destiné à équiper un véhicule tel qu'une automobile. Le moteur 1 peut être un moteur Diesel suralimenté par turbocompresseur à quatre cylindres en ligne et injection directe de carburant. Le moteur 1 comprend un circuit d'admission 2 assurant son alimentation en air, un calculateur de contrôle moteur 3, un circuit de carburant sous pression 4, de type haute pression à rampe commune, et une ligne d'échappement 5. L'injection du carburant dans les cylindres est assurée par des injecteurs électromagnétiques, non représentés, débouchant dans les chambres de combustion et pilotés par le calculateur 3 à partir du circuit de carburant sous pression 4. En sortie du moteur 1, les gaz d'échappement évacués dans la ligne d'échappement 5 traversent un dispositif de post-traitement 6, par exemple un filtre à particules. Un turbocompresseur 7 comprend un compresseur disposé sur le circuit d'admission 2 et une turbine disposée sur la ligne d'échappement 5. Entre le compresseur et le moteur 1, le circuit d'admission 2 comprend un échangeur thermique 8 permettant de refroidir l'air comprimé à la sortie du compresseur et d'accroître ainsi sa masse volumique, un volet d'admission d'air 9 commandé par le calculateur 3, et un capteur de pression 10 relié au calculateur 3. Le moteur 1 comprend également un circuit de recyclage de gaz d'échappement 11 équipé d'une vanne 12 dont l'ouverture est pilotée par le calculateur 3. On peut ainsi réintroduire des gaz d'échappement dans le circuit d'admission 2. Un débitmètre d'air 13 est monté dans le circuit d'admission 2 en amont du compresseur pour fournir au calculateur 3 des informations de débit de l'air d'admission alimentant le moteur. Des capteurs de pression et de température 14 peuvent également être prévus. Le calculateur 3 comprend, de façon classique, un microprocesseur ou unité centrale, des mémoires vives, des mémoires mortes, des convertisseurs analogiques/numériques et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Le microprocesseur du calculateur 3 comprend des circuits électroniques et les logiciels appropriés pour traiter les signaux en provenance des différents capteurs, en déduire les états du moteur et générer les signaux de commande appropriés à destination notamment des différents actionneurs pilotés tels que les injecteurs. Le calculateur 3 commande donc la pression du carburant dans la rampe 4 et l'ouverture des injecteurs, et ce, à partir des informations délivrées par les différents capteurs et en particulier de la masse d'air admise, du régime moteur ainsi que d'étalonnages mémorisés permettant d'atteindre les niveaux de consommation et de performance souhaités. L'ouverture des injecteurs est plus particulièrement définie par l'instant de début d'injection et la durée d'ouverture des injecteurs, durée qui correspond pour une pression d'alimentation donnée à une quantité de carburant injectée et donc à une richesse du mélange remplissant les chambres de combustion. Le calculateur 3 comprend en outre un estimateur 15 à réseaux de neurones prévu pour effectuer une estimation de la température des gaz d'échappement en amont du dispositif post-traitement 6. Dans le cas où le moteur est dépourvu de turbocompresseur, la température des gaz d'échappement se trouvant dans la ligne d'échappement 5 entre le collecteur d'échappement du moteur 1 et le dispositif de post-traitement 6 est estimée. Dans le cas, représenté sur la figure 1, où le moteur 1 est pourvu d'un turbocompresseur, la température des gaz d'échappement entre le compresseur du turbocompresseur 7 et le dispositif de post-traitement 6 est estimée. La pression de suralimentation peut être fournie à l'estimateur 15. Pour des raisons de simplicité et de partage d'un certain nombre de ressources, notamment de calcul et de mémoire, il est particulièrement avantageux de disposer l'estimateur 15 au sein du calculateur 3. Comme illustré sur la figure 2, l'estimateur 15 comprend un module de prétraitement 16, un réseau de neurones 17 et un module de post-traitement 18. L'estimateur 15 comprend une entrée de régime du moteur, une entrée de débit de carburant et une entrée de débit d'air ainsi qu'une ou plusieurs autres entrées, par exemple pour fournir la température de l'air dans le circuit d'admission, la position de la vanne 12 de recyclage des gaz d'échappement ou encore la pression de suralimentation mesurée par le capteur de pression 10 disposé en aval du compresseur, de l'échangeur thermique 8 et du volet d'admission d'air 9. Le module de pré- traitement 16 permet de réduire le nombre d'entrées du réseau de neurones 17 en calculant à partir des variables d'entrée une variable a représentative d'une ou plusieurs grandeurs physiques, mesurable ou non, absente en entrée du calculateur 3. À titre d'exemple, la variable a peut être le coefficient de convection de la turbine. Le réseau de neurones 17 reçoit en entrée la variable a de sortie du module de pré-traitement 16, le régime du moteur, le débit du carburant, le débit d'air et, si nécessaire, une ou plusieurs autres variables d'entrée Le réseau de neurones 17 est pourvu de connexions spécifiques avec une ou plusieurs fonctions d'activation différentes et peut faire l'objet d'un apprentissage par une méthode d'algorithme d'apprentissage, notamment à l'aide de la base de données 19. La base de données 19 peut être alimentée à partir de résultats d'essais réels sur piste d'un véhicule avec des essais à différents rapports de boîte de vitesses, avec différentes accélérations et décélérations, le tout étant choisi pour être représentatif des conditions de fonctionnement normales du véhicule. En outre, on pourra prévoir de scinder la base de données alimentée à partir des essais sur piste en une base d'apprentissage et en une base de tests, de façon à réduire la taille de la base de données 19 qui forme la base d'apprentissage. La base de données 19 peut faire partie du calculateur 3 ou, alternativement, être une base distincte du véhicule et mise en oeuvre lors d'opérations d'initialisation du véhicule ou encore lors d'opérations de maintenance. Le module de post-traitement 18 permet de mettre en forme la variable de sortie du réseau de neurones 17 pour émettre un signal de température prédite en sortie de l'estimateur 15 et à la disposition du calculateur 3. Sur la figure 3, sont illustrées les étapes de mise en oeuvre de la base de données 19. À l'étape 20, on effectue des essais permettant de générer les données pour renseigner la base de données 19, les données étant représentatives de zones de fonctionnement intéressantes. À l'étape 21, on découpe les données en deux parties pour former une base de tests et une base d'apprentissage. À l'étape 22, on détermine les pré-traitements devant être exécutés par le module de pré-traitement 16 et le réseau de neurones 17 effectue les apprentissages à partir de la base de données d'apprentissage. À l'étape 23, on teste la performance avec un ou plusieurs critères de validation, sur la base de test et sur la base d'apprentissage. À l'étape 24, on effectue le choix du réseau de neurones 17 et à l'étape 25, on effectue les caractérisations des performances et de tests sur le véhicule. Entre les étapes 23 et 24, il peut être prévu un rebouclage 26 permettant de remonter à l'amont de l'étape 22 pour effectuer un certain nombre d'itérations avec des modifications éventuelles sur le nombre de neurones, les entrées, les sorties, le découpage en nombre de réseaux, l'architecture du ou des réseaux de neurones 17, le type d'apprentissage, les critères d'optimisation, etc. Entre les étapes 24 et 25, il peut être prévu un rebouclage 27 lorsqu'il s'avère que les données générées à l'étape 20 sont insuffisantes. On repasse alors à l'étape 20 pour générer les nouvelles données remplaçant les données précédemment acquises ou les complétant afin d'établir un nombre de points de mesure suffisant. À titre d'exemple, on peut prévoir 5000 points de mesure dans la base d'apprentissage. Lors de l'étape 23 de test, on peut prévoir d'effectuer un nettoyage des données en enlevant les points aberrants par traitement du signal. On peut également mettre en oeuvre des critères de choix en supprimant des points dont l'erreur est supérieure à 50 C et en recherchant une moyenne d'erreur proche de 10 C. Le système d'estimation de température présente un coût réduit par rapport à celui d'un capteur, une précision suffisante, utilise un nombre de paramètres relativement faible et permet de prendre en compte des aspects dynamiques et non linéaires du fonctionnement du moteur. À titre de variante, on peut prévoir que des données issues du module de pré-traitement 16 soient directement envoyées au module de posttraitement 18, voir flèche en pointillés dans la figure 2. Par ailleurs, il est avantageux de relancer les apprentissages du réseau de neurones 17 au cours du temps en prenant en compte les données disponibles en provenance des entrées de l'estimateur 15 pour en déduire, par exemple, une dérive de paramètres de fonctionnement par rapport aux paramètres qui avaient fait l'objet de l'apprentissage initial. La relance de l'apprentissage permet de prendre en compte le vieillissement du moteur et la dispersion de vieillissement. La présente invention permet une réduction du coût du système de surveillance et de commande d'un moteur à combustion interne et du groupe motopropulseur dans son ensemble. En outre, on diminue les câblages. La suppression du capteur sur la ligne d'échappement permet également une simplification mécanique par suppression du siège du capteur et de l'orifice qu'il est habituellement nécessaire de prévoir, d'où une réduction du coût de la ligne d'échappement. Enfin, l'estimation de la température peut être d'une précision relativement bonne, par exemple inférieure ou égale à 10 C. REVENDICATIONS 1-Procédé d'estimation de la température de gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, dans lequel on met en oeuvre un estimateur (15) à réseaux de neurones auquel on fournit des données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans le circuit d'admission (2), ledit estimateur étant pourvu d'un module de prétraitement (16) et de réseaux de neurones (17) de façon que l'estimateur fournisse en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur (1). 2-Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fournit, en outre, à l'estimateur (15) des données relatives à la pression de suralimentation. 3-Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on fournit, en outre, à l'estimateur (15) des données relatives à la commande de la vanne (12) de recyclage de gaz d'échappement. 4-Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on fournit, en outre, à l'estimateur (15) des données relatives à la température de l'air en amont d'une turbine de suralimentation. 5-Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'estimateur (15) effectue un apprentissage à partir d'une base de données (19) représentative de zones de fonctionnement intéressantes. 6-Procédé' selon la revendication 5, dans lequel ladite base de données (19) est générée à partir d'essais d'estimateurs. 7-Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel ladite base de données (19) est découpée entre une base de test et une base d'apprentissage. 8-Système d'estimation de la température de gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, caractérisé par le fait qu'il comprend un estimateur (15) à réseaux de neurones pourvu d'entrées de réception de données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans un circuit d'admission (2) du moteur (1), d'un module de prétraitement (16) et de réseaux de neurones (17), pour fournir en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur (1). 9-Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'estimateur (15) comprend un module de post-traitement (18) disposé en aval des réseaux de neurones. 10-Système selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que le module de pré-traitement (16) est apte à effectuer des calculs basés sur des relations physiques connues pour diminuer le nombre d'entrées des réseaux de neurones (17). 11-Moteur à combustion interne (1) comprenant un circuit d'admission de carburant (2), et une unité de pilotage (3), caractérisé par le fait qu'il comprend un système d'estimation de la température de gaz d'échappement comprenant un estimateur (15) à réseaux de neurones pourvu d'entrées de réception de données relatives au régime du moteur, au débit de carburant et au débit d'air dans un circuit d'admission (2) du moteur (1), d'un module de pré-traitement (16) et de réseaux de neurones (17), pour fournir en sortie une estimation de la température des gaz d'échappement du moteur (1). 12-Moteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le système d'estimation (15) fait partie de l'unité de pilotage (3).