Brevet FR2862089A1 — publié le 20050513

La présente invention concerne un dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne. La connaissance de la pression régnant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne est importante en vue d'en améliorer ses performances. En effet, une telle information peut- être utilisée pour: o Détecter le cylindre qui est en phase de compression lors du démarrage et permettre ainsi l'optimisation et la synchronisation de l'injection, o Suivre et analyser la combustion qui a lieu dans les cylindres afin de détecter les phénomènes de cliquetis ou de ratés de combustion, o Evaluer le couple moteur, o Optimiser l'avance à l'allumage. Il est alors possible de se passer de capteurs dédiés à la détection des phénomènes ainsi suivis (capteurs de cliquetis ou capteurs de position d'arbre à cames) et d'accroître l'efficacité de la détection des ratés de combustion et de l'optimisation de l'équilibrage des cylindres. Des capteurs de mesure de la pression dans les cylindres sont utilisés de longue date dans les centres de recherche et de développement afin de permettre la mise au point et la calibration des moteurs, mais n'ont pas été montés sur les moteurs fabriqués en grande série à ce jour, essentiellement en raison de leur coût unitaire et des conditions sévères régnant dans la chambre de combustion et son voisinage immédiat. En outre, les capteurs de mesure de la pression dans les cylindres connus nécessitent d'être affectés à un seul cylindre, ce qui accroît le coût du dispositif global. Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne avec un nombre restreint de capteurs et pour un coût compatible avec les exigences économiques de la production en grande série. Suivant l'invention, le dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne est remarquable en ce qu'il comprend au moins un capteur de force disposé dans l'un au moins des paliers principaux du vilebrequin du moteur et apte à détecter les forces engendrées sur ce palier sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur. Ainsi, le capteur de force est placé dans un environnement moins agressif, ce qui est favorable à sa longévité et est compatible avec la production en grande série. En outre, il est ainsi possible de mesurer la pression dans plusieurs cylindres au 35 moyen d'un seul capteur, ce qui permet de réduire les coûts. De plus, la sensibilité d'un tel dispositif aux bruits mécaniques tels que celui des soupapes est très faible au regard d'un capteur de cliquetis, par exemple, qui fonctionne sur la base des vibrations détectées. Ceci permet une meilleure détection du cliquetis et moins d'efforts de calibration à mettre en oeuvre lors de la mise au point du dispositif. Enfin, par rapport aux dispositifs connus de détermination des ratés de combustion et d'estimation du couple moteur basés sur des fluctuations de la vitesse d'un capteur de position d'arbre à cames, le dispositif conforme à l'invention permet une mesure plus précise. Selon un premier mode de réalisation du dispositif, ledit capteur est une bande en 10 matériau résistif insérée dans le palier du vilebrequin de telle sorte que la valeur ohmique de cette bande puisse varier en fonction de la force exercée sur le palier. Selon un second mode de réalisation du dispositif, ledit capteur est un anneau en matériau piézo électrique inséré dans le palier, de telle sorte que la tension électrique mesurée aux bornes de cet anneau puisse varier en fonction de la force exercée sur ledit palier. Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres dont le vilebrequin est monté sur cinq paliers, de préférence, un capteur de force est inséré dans le deuxième et le quatrième palier. L'invention se rapporte également au procédé associé au dispositif précédemment 20 décrit. Avantageusement, la détermination de la pression dans les cylindres est effectuée à partir de la différence entre les mesures effectuées sur au moins deux paliers du vilebrequin. Ainsi, il est possible de s'affranchir de paramètres tels que la force centrifuge générée sur les paliers principaux par l'ensemble mobile (constitué des pistons, des bielles et du vilebrequin) pour ne retenir que la force liée à la pression s'exerçant dans le cylindre sur le piston associé. Dans un autre mode de réalisation, la détermination de la pression dans les cylindres du moteur est réalisée à partir de la différence des mesures effectuées sur le même palier, à au moins deux instants distincts du cycle du moteur. Ceci permet de mettre en oeuvre le procédé au moyen d'un seul capteur. Il est également prévu de corriger la mesure déterminée au moyen du(des) capteur(s) grâce à un apprentissage adaptatif s'exerçant sur plusieurs cycles du moteur. Ainsi, des paramètres inhérents à chaque moteur, tels que les défauts d'équilibrage des éléments de l'équipage mobile (pistons, bielles et vilebrequin) peuvent être pris en compte et intégrés au procédé afin d'en accroître les performances. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront plus nettement au long de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et où: - la figure 1 est une vue en coupe d'un palier principal du vilebrequin d'un moteur équipé d'un dispositif conforme à l'invention et présentant un capteur de force constitué d'une bande résistive et inséré dans ledit palier, - la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un palier principal dans lequel est inséré un capteur de force constitué d'un anneau en matériau piézo électrique, - la figure 3 est un graphique donnant le relevé de la force exercée sur un capteur conforme à l'invention en fonction de la position du vilebrequin. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur thermique comprend un capteur de force 1 disposé dans un palier principal 2 du vilebrequin 3 du moteur. Ce capteur 1 est apte à détecter les forces engendrées sur le palier 2 sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur et qui se répercutent sur le palier par l'intermédiaire du piston et de sa bielle (non représentés). Le capteur 1 est ici constitué d'une bande en matériau résistif insérée dans le palier 2 de telle sorte que la valeur ohmique de cette bande puisse varier en fonction de la force F exercée sur ledit palier 2. Le capteur 1 est encastré à l'intérieur du métal de la partie inférieure 2a du palier qui est fixée de façon amovible au bloc moteur 4. Le capteur 1 subit ainsi les mêmes contraintes que celles s'appliquant à la partie inférieure 2a du palier sous l'effet de la force F engendrée par la pression générée dans le cylindre. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, le capteur 1 a est de forme annulaire et son élément sensible est constitué d'un matériau piézo électrique. Ledit capteur 1 a est monté dans le plan d'assemblage de la partie inférieure 2a du palier et du bloc moteur 4, de telle sorte que le capteur la subit les cycles successifs de compression et de détente liés aux variations de pression dans les cylindres. L'élément piézo électrique du capteur délivre alors une tension électrique, mesurée à ses bornes, qui varie en fonction de la force exercée sur le palier 2. La nature des capteurs 1,1a importe peu et ne saurait se limiter à ceux décrits ci dessus. Ils doivent néanmoins présenter une sensibilité suffisante sur une large plage de fréquences afin de pouvoir détecter les différents phénomènes attendus: détermination du cylindre en phase de compression au démarrage (signaux de basse fréquence et de faible amplitude), identification des ratés de combustion à grande vitesse et sous faible charge (signaux de fréquence moyenne et de faible amplitude), identification de l'apparition du cliquetis (signaux de haute fréquence et de grande amplitude). Le dispositif conforme à l'invention fonctionne comme décrit ci-après, en référence à la figure 1. Un circuit électrique de conformation du signal 5, relié au capteur 1 et à la masse, détecte une variation de la valeur ohmique du capteur 1 et génère en conséquence un signal électrique en direction d'un circuit de traitement du signal 6 qui traite ce signal et envoi les informations vers un calculateur (non représenté) qui gère le fonctionnement du moteur à combustion interne. Les signaux sont échantillonnés une ou plusieurs fois pour chaque cylindre au voisinage du point mort haut (PMH). La stratégie d'échantillonnage, le nombre de mesures et le filtrage du signal peuvent être ajustés en fonction des conditions de fonctionnement du moteur (régime, charge, avance à l'allumage) et du phénomène à identifier et / ou à suivre. Il est à noter qu'il n'est pas nécessaire de placer un capteur 1,l a dans chaque palier principal 2. Un ou deux capteurs suffisent. En effet, comme rappelé précédemment, il est important de connaître la pression dans le cylindre au voisinage du point mort haut (PMH). Un capteur conforme à l'invention et placé sur un palier principal peut donc mesurer la pression des cylindres adjacents au dit palier principal, pour autant que ces deux pistons ne parviennent pas au point mort haut (PMH) au même instant. Ainsi, pour un moteur à combustion interne comportant quatre cylindres en ligne et équipé d'un vilebrequin mobile en rotation dans cinq paliers principaux, deux capteurs placés sur le deuxième et le quatrième palier principal suffisent à déterminer la pression de tous les cylindres. L'ordre habituel d'allumage, et donc de compression, des cylindres ("1-34-2") induit bien que les deux cylindres voisins de chaque capteur intégré aux paliers n 2 et n 4, respectivement les cylindres n 1 et n 2 et n 3 et n 4, ne parviennent pas aux points morts hauts (PMH) de compression et d'allumage de manière concomitante. Il est à noter que dans le cas particulier d'un moteur en "V", les deux séries de cylindres présentent un angle (l'angle d'ouverture du "V") entre elles. Avantageusement, les forces sont mesurées dans la direction comprise dans le plan de symétrie dudit'/". Une illustration du signal généré par un dispositif conforme à l'invention est donnée à la figure 3. II y est représenté, pour un moteur à quatre temps équipé de quatre cylindres disposés en ligne, la force exercée sur un palier principal du vilebrequin. En abscisse, l'axe X représente la position angulaire du vilebrequin sur 720 de rotation, c'est à dire sur un cycle complet du moteur à combustion interne. En ordonnée, l'axe Y donne la force relevée par le capteur en Newtons. La courbe 10 issue du capteur intégré au palier principal 2 met ici en évidence l'identification claire et aisée des points morts hauts du vilebrequin présentant une compression (points P et Q respectivement situés à 360 et 540 ) par rapport aux points morts hauts sans compression (points M et N respectivement situés à 0 et 180 ). Afin d'obtenir une valeur de la pression régnant dans le cylindre souhaité (cf. figure 3), il est nécessaire de soustraire à la valeur mesurée celle résultant de la somme des forces centrifuges s'exerçant sur l'équipage mobile. Ceci peut être réalisé en soustrayant les signaux issus de deux capteurs placés dans des paliers distincts. Dans l'exemple précédent du moteur à quatre cylindres en ligne et comportant un vilebrequin reposant sur cinq paliers principaux dont les paliers n 2 et n 4 intègrent des capteurs, la différence des signaux mesurés donnera une valeur affranchie des forces centrifuges. En effet, les deux paliers principaux, ainsi que les capteurs intégrés à ceux-ci, reçoivent les mêmes efforts liés aux forces centrifuges, mais seul l'un des deux voit s'y ajouter les forces liées à la pression issue d'une compression ou d'une combustion. Puisque un seul piston est en position de combustion au point mort haut à la fois sur ce moteur, il est possible de déterminer la pression exacte et de l'attribuer ensuite au dit piston et à son cylindre. Pour un type de moteur donné (géométrie de l'implantation des cylindres, alésage, course, compression...), le signal reçu est caractéristique d'un cylindre précis à chaque point mort haut. Il est alors possible, par comparaison entre des tables de valeurs entrées en mémoire (comportant les valeurs nominales attendues) et les valeurs mesurées, de déterminer l'évolution de la pression observée en rapport avec sa valeur attendue. Cette comparaison peut être réalisée par comparaison analogique des signaux ou bien numériquement au moyen d'un calculateur embarqué par exemple. Une variante de la présente invention consiste à réaliser la détermination de la pression dans le cylindre en question au moyen d'un seul capteur. Pour un même cylindre et un même capteur, les valeurs mesurées lors de deux points morts hauts sont comparées, l'un correspondant au point mort haut de la phase d'échappement et l'autre à celui de la combustion du cycle moteur dudit cylindre. Les valeurs servant de comparaison peuvent avantageusement être des valeurs filtrées ou moyennées sur plusieurs révolutions du vilebrequin, afin de s'affranchir au maximum des incertitudes de mesurage. Une fois que le signal représentatif de la pression cylindre est obtenu et attribué à un cylindre spécifique, que les erreurs systématiques sont corrigées, les écarts entre les valeurs nominales attendues et celles mesurées peuvent être corrigés par un procédé d'apprentissage adaptatif. Ces écarts peuvent en effet résulter de défauts d'équilibrage de l'équipage mobile par exemple et il est bon de les intégrer afin de pouvoir différencier ultérieurement plus aisément une variation liée à un phénomène à surveiller (cliquetis, ratés de combustion...). Cet apprentissage est de préférence réalisé dans des phases précises de fonctionnement du moteur, afin de garantir de bonnes conditions d'apprentissage. Il est par exemple suggéré de les réaliser durant les phases de coupure d'alimentation de l'injection de carburant (phases de décélération du véhicule). La pression corrigée est ensuite exploitable pour la détection du cliquetis, l'estimation du couple ou bien encore pour la détection des ratés de combustion, de la même manière que si un capteur de pression avait été placé dans chaque cylindre. Lors du démarrage, la pression mesurée permet avantageusement de déterminer quel cylindre est correctement positionné pour accepter une injection de carburant et il est alors possible de synchroniser rapidement ladite injection, source de diminution de la pollution générée par le moteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur de force (1,1a) disposé dans l'un (2) au moins des paliers principaux du vilebrequin (3) du moteur et apte à détecter les forces (F) engendrées sur ce palier (2) sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur (1) est une bande en matériau résistif insérée dans le palier (2) de telle sorte que la valeur ohmique de cette bande puisse varier en fonction de la force (F) exercée sur le palier (2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur est un anneau (1 a) en matériau piézo électrique inséré dans le palier (2), de telle sorte que la tension électrique mesurée aux bornes de cet anneau puisse varier en fonction de la force exercée sur le palier (2). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans le cas d'un moteur à quatre cylindres dans lequel le vilebrequin est monté en rotation dans cinq paliers, un capteur de force est inséré dans le deuxième et le quatrième palier. 5. Procédé de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, caractérisé en en ce qu'il consiste à: o disposer au moins un capteur de force (1,1a) dans l'un (2) au moins des paliers principaux du vilebrequin (3) du moteur, o mesurer au moyen du(des) capteur(s) les forces (F) engendrées sur le(s) palier(s) (2) sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur, o déterminer la pression dans les cylindres du moteur à l'aide des valeurs mesurées. 9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la détermination de la pression dans les cylindres du moteur est déterminée à partir de la différence de mesures effectuées en au moins deux paliers du vilebrequin. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la détermination de la pression dans les cylindres du moteur est déterminée à partir de la différence de mesures effectuées sur le même palier (2) du vilebrequin, à au moins deux instants distincts du cycle du moteur. 11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la mesure déterminée est corrigée au moyen d'un apprentissage adaptatif s'exerçant sur 35 plusieurs cycles du moteur. 25 9. Application du procédé conforme à l'une des revendications 5 à 8 au contrôle moteur d'un véhicule. 10. Utilisation du procédé conforme à l'une des revendications 5 à 8 dans un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne.