Brevet FR2875268A1 — publié le 20060317

Procédé d'estimation de la masse de qaz dans le cylindre d'un moteur à combustion interne L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de la masse de gaz dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'à un véhicule mettant en oeuvre le procédé. La qualité de la combustion dans les moteurs à combustion interne (moteur à allumage commandé ou allumage par compression) ainsi que les performances délivrées par les moteurs dépend de la quantité et de la température des gaz présents dans la chambre de combustion. La prédiction des différentes quantités de gaz permet de calculer la quantité de carburant nécessaire au moteur pour fonctionner dans les conditions voulues, ainsi que le couple qui sera délivré et les conditions dans lesquelles il sera délivré (émissions, consommation, dynamique). De plus en plus de moteurs fonctionnent avec des mélanges pauvres en carburant afin d'augmenter le rendement global. Comme la recirculation de gaz brûlés réintroduit des gaz brûlés dans la chambre de combustion, elle peut, dans le cas des mélanges pauvres, modifier la richesse du mélange à enflammer et donc les caractéristiques de la combustion. Il est donc crucial dans ce cas de connaître la quantité de gaz frais et de gaz brûlés dans la chambre de combustion. Les phénomènes transitoires seront alors mieux maîtrisés car la composition des gaz est connue à l'avance. Par ailleurs, la complexité des moteurs et des objectifs de plus en plus sévères en terme de consommation et d'émissions polluantes nécessitent une détermination de la quantité de gaz présents dans la chambre de combustion dans le but de réaliser une meilleure estimation de la composition chimique du mélange dans le cylindre, pour une meilleure maîtrise de la combustion. La mesure de la quantité des gaz présents dans le cylindre étant impossible, il faut donc développer des modèles permettant de reconstruire la quantité et la composition du mélange dans le moteur. A ce jour, la composition des gaz est déterminée dans des conditions d'équilibre sans prendre en compte l'aspect dynamique des gaz recirculés Par ailleurs, il existe des modèles permettant de prédire la pression et la température dans le collecteur, utilisés pour l'estimation en transitoire de la charge en air frais du moteur. Ces modèles ne prennent pas en compte les gaz résiduels provenant de la recirculation interne, ni la composition chimique, ni la géométrie du circuit des gaz recirculés de manière externe. Ils ne permettent donc pas de déterminer la composition chimique du mélange dans la chambre de combustion et d'adapter en conséquence la quantité de carburant injectée de manière satisfaisante en régime transitoire. 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 de gaz dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon l'invention, est essentiellement caractérisé en ce que qu'il comprend pour un premier instant (a) une étape d'estimation de la température î 1(a) dans le cylindre (1), une étape de mesure de la pression Pn,,(a) dans le cylindre (1), une étape d'estimation de la pression P,,(a) dans le cylindre (1), et une étape de comparaison des pressions estimée PPy,(a) et mesurée P,, (a) pour au moins deux instants (a) différents. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'étape de comparaison consiste à déterminer l'erreur E entre la pression estimée 13,1(a) et la pression mesurée P1(a) et en ce que les étapes d'estimation, de mesure et de comparaison sont répétées tant que la valeur de l'erreur E est supérieure à une valeur prédéterminée, l'estimation de la pression 13,),i (a) est basée sur une loi de transformation polytropique du type P(a)V(a)k = c, dans laquelle P est la pression des gaz dans la chambre de combustion (1), V le volume des gaz dans la chambre de combustion (1), k le coefficient polytropique des gaz dans la chambre de combustion (1), et c une valeur constante, l'estimation de la température f (a) est réalisé à partir de la loi des gaz parfaits (PV=mrT) dans laquelle P est la pression des gaz dans la chambre de combustion (1), V le volume des gaz dans la chambre de combustion (1), m la masse de gaz dans la chambre de combustion (1), r la constante des gaz parfait et T la température dans la chambre de combustion (1), si la valeur de l'erreur E est supérieure à la valeur prédéterminée la masse de gaz dans la chambre de combustion (1) est recalculée en ajoutant kp fois l'erreur E avant de procéder à la répétition des étapes d'estimation, de mesure et de comparaison. 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 de manière schématique et partielle les éléments d'un moteur à combustion interne concernés par l'invention, la figure 2 représente les principales étapes du procédé d'estimation selon l'invention. En se référant à la figure 1, le moteur à combustion interne schématisé comprend au moins un cylindre 1, des moyens 2 d'injection de carburant, des soupapes d'admission 3 et d'échappement 4, un collecteur d'admission 5 insufflant dans le cylindre un flux de gaz d'admission pour chaque injection, un collecteur d'échappement 6 des gaz d'échappement résultant de la combustion du carburant dans le cylindre 1, des moyens de recyclage 7 amenant au collecteur d'admission 5 un flux de gaz d'échappement recyclés pour chaque injection, et des moyens d'admission 8 dans le collecteur d'admission 5 d'un flux d'air frais pour chaque injection. Les moyens d'admission 8 comprennent une vanne de contrôle, de préférence de type papillon, contrôlant le débit d'air frais dans le collecteur d'admission. La tige d'un piston 9 du moteur est également représenté à la figure 1. Pour la mise en oeuvre de l'invention, un capteur de pression 10 est disposé au niveau de l'un au moins des cylindres 1 et de préférence dans chaque cylindre 1. Bien entendu, tout autre moyen de mesure de la pression cylindre peut également être envisagé, tel qu'un joint de culasse instrumenté par exemple. De préférence également, un capteur de température 11 est disposé au niveau du collecteur 5 d'admission, par exemple en aval du papillon 8. Le ou les capteurs de pression, le capteur de température et les moyens d'injection sont reliés à des moyens électroniques de traitement de données et de commande (non représentés), tel qu'un calculateur. Par ailleurs, les moyens électroniques de traitement de données et de commande reçoivent des informations représentatives de la position instantanée du vilebrequin. L'estimation de la masse des gaz présents dans le cylindre 1 est basée sur un processus d'analyse de la pression dans la chambre de combustion 1 (cylindre). Pour cela, la pression dans la chambre 1 est estimée à au moins deux points de mesure (deux instant distincts). Les points de mesures peuvent être choisis à n'importe quel instant du cycle lorsque les soupapes 3, 4 sont fermées. En prenant en compte plusieurs points de mesure, le procédé d'estimation selon l'invention est moins sensible aux bruits (variations dues aux mesures) sur la pression cylindre. Le procédé d'estimation de la masse de gaz présents dans le cylindre 1 d'un moteur selon l'invention consiste à comparer la pression mesurée dans le cylindre 1 par le capteur de pression à un instant a d'un cycle de combustion c à une pression estimée pour une masse de gaz donnée à une température donnée et à modéliser ainsi la masse de gaz présents dans le cylindre 1. Avantageusement, la comparaison des pressions consiste à déterminer l'erreur entre la pression estimée et la pression mesurée. De préférence, l'erreur commise entre la pression estimée et la pression mesurée est utilisée pour effectuer une nouvelle estimation de la pression dans le cylindre 1. Cette procédure est répétée de façon itérative, tant que la valeur de l'erreur déterminée est supérieure à une valeur prédéterminée. Comme le montre la figure 2, le procédé d'estimation selon l'invention comprend les étapes suivantes à chaque itération i: - estimation de la température instantanée T,,(a) dans le cylindre 1 à un point de mesure a, mesure de la pression instantanée Pcy,(a) dans le cylindre 1 à un point de mesure a, - estimation de la pression instantanée P,,(a) dans le cylindre 1 à un point de mesure a à partir de la température estimée T,y,(a), comparaison des pressions estimée Pcy,(a) et mesurée P,,(a) pour au moins deux points de mesure ci différentes. Avantageusement, le résultat de la comparaison des pressions estimée P,y, (a) et mesurée Pcy,(a) est utilisé pour calculer la masse de gaz dans le cylindre m,,,. De plus, le procédé d'estimation selon l'invention est avantageusement basé sur l'utilisation de la loi des gaz parfaits (PV = mrT) ainsi que sur l'équation d'une transformation polytropique du type PVk = cp, dans laquelle P est la pression instantanée des gaz dans la chambre de combustion 1, V le volume instantané des gaz dans la chambre 1, cp une valeur constante, et k étant appelé coefficient polytropique. Une estimation de la température instantanée 2cy,(a) dans le cylindre 1 à un point de mesure a est obtenue en utilisant la loi des gaz parfaits (cf. équation (1)). ty,(i,a)=Pc''' V(a) (1) ma cy7 (i) Pour initialiser le procédé pour un cycle lors de la première itération i=0, une estimation de la température Tyl(i,a) est obtenue en supposant la masse de gaz mcy,(i) dans le cylindre 1 connue. La masse initiale choisie peut être la masse de gaz entrée dans le moteur. Pour les itérations suivantes, la masse de gaz Tîccy,(i) dans le cylindre 1 est estimée à partir du résultat de l'itération précédente. En supposant que la pression suit une transformation polytropique, le calcul du coefficient polytropique k est déterminé à l'aide de la relation (2). Le calcul est effectué à l'aide de la pression mesurée Pcy, (a) dans la chambre de combustion 1 à deux points de mesure différents al et a2. V (a) (2) \1/cyr(a,) Ensuite, la pression estimée Peyl(a) dans la chambre de combustion 1 est déterminée en utilisant la relation (3). 1y Peyr (i, a) = Peyr (a) i, a) ref () 2 La température de référence T.ef(i), qui correspond à la température au premier point de mesure de la pression cylindre, est déterminée par exemple à partir de la loi des mélanges telle que représentée à l'équation (4), tenant compte de la température au niveau du collecteur TTO, et au niveau de l'échappement Tech. Tref (l) = (1 X res (i)J cor + X res (i)Tech (4) La fraction massique des gaz résiduels îreS est définie selon l'équation (5), dans laquelle mair est la masse d'air admise dans le cylindre 1. L'homme du métier connaît des méthodes pour déterminer la masse d'air ma;r. _ mcyr (Z) air X res mc I. ) Dans un mode de réalisation préféré, l'estimation de la température de référence te ) tient également en compte l'élévation de la température dans la chambre de combustion 1 durant la compression et les pertes aux parois pour tenir compte des apports de chaleur entre le collecteur d'admission et le cylindre. (3) (5) Après l'estimation de pression, les pressions estimée Pci,r(a) et mesurée Pey(a) au même point a sont comparées. Cela est réalisé pour plusieurs points de mesure. Avantageusement, la comparaison consiste à déterminer l'erreur E entre la pression estimée ky1(a) et la pression mesurée Pcy1(a) lors de l'itération i selon l'équation (7). (i) _ P cyt (i, a) - P,yr (i, a) (7) a =a, n L'erreur E peut être positive ou négative. Une surestimation de la pression dans le cylindre mène à une valeur E positive et une sous-estimation à une valeur E négative. Si l'erreur E est égale ou inférieure à une valeur prédéterminée, la masse de gaz mcyl(i) estimée, qui a été utilisée pour cette itération, est considérée suffisamment juste et utilisée pour adapter la quantité de carburant à injecter dans le moteur. Ensuite, il suit un changement de cycle de calcul au cycle suivant (c+1). Si l'erreur E pour l'itération i est supérieure à la valeur prédéterminée, les itérations sont répétées tant que la valeur de l'erreur E n'est pas inférieure à la valeur prédéterminée. Pour cela, la nouvelle masse de gaz mcyl(i+1)dans le cylindre 1 pour l'itération i+1 est déterminée à l'aide de l'équation (8) à partir de la masse de gaz mey1(i) estimée de l'itération i et de l'erreur commise lors de cette itération. L'erreur e est ajoutée kp fois à la masse de gaz de l'itération précédente. Le facteur kp est un facteur arbitraire. La qualité de l'estimation de la nouvelle masse de gaz mcy,(i+l) dépend beaucoup du choix de ce facteur. myl(i+1) = inc,1(i)+kpe(i) (8) La nouvelle masse de gaz dans le cylindre 1 ainsi obtenue est utilisée pour une nouvelle itération, dans laquelle les étapes d'estimation, de mesure et de comparaison sont exécutées à nouveau. Lorsque l'erreurs est inférieure à la valeur prédéterminée, la masse de gaz mcy, dans le cylindre 1, utilisée lors de la dernière itération, est utilisée pour adapter la quantité de carburant à injecter dans le moteur. Le procédé d'estimation de la masse de gaz dans le cylindre 1 d'un moteur à combustion interne selon l'invention peut être mis en oeuvre par un dispositif de contrôle de moteur. Le procédé d'estimation selon l'invention ne nécessite pas 10 d'instrumentation supplémentaire sur un véhicule et permet de mieux gérer les régimes transitoires. Identification des acronymes utilisés dans les équations c: numéro de cycle c : capacité thermique massique à volume constant i: numéro de l'itération k: coefficient polytropique kp: facteur proportionnel m: masse n: nombre de points de mesure P: pression r: constante des gaz parfaits de l'air. S: surface T: température V: volume a: point de mesure X: fraction massique 30: erreur Identification des abréviations utilisés dans les équations air: air admis col: collecteur cyl: cylindre ech: échappement ref: référence res: résiduels i0 REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de la masse de gaz dans le cylindre (1) d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend pour un premier instant (a) une étape d'estimation de la température ty,(a) dans le cylindre (1), une étape de mesure de la pression PPy,(a) dans le cylindre (1), une étape d'estimation de la pression ky,(a) dans le cylindre (1), et une étape de comparaison des pressions estimée Pcj,,(a) et mesurée PP}, (a) pour au moins deux instants (a) différents. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de comparaison consiste à déterminer l'erreur c entre la pression estimée ky, (a) et la pression mesurée Pcy,(a) et en ce que les étapes d'estimation, de mesure et de comparaison sont répétées tant que la valeur de l'erreur c est supérieure à une valeur prédéterminée. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'estimation de la pression j',y, (a') est basée sur une loi de transformation polytropique du type P(a)V(a)k = c, dans laquelle P est la pression des gaz dans le cylindre (1), V le volume des gaz dans le cylindre (1), k le coefficient polytropique des gaz dans le cylindre (1), et c une valeur constante. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'estimation de la température ty,(a) est réalisé à partir de la loi des gaz parfaits (PV=mrT) dans laquelle P est la pression des gaz dans le cylindre (1), V le volume des gaz dans le cylindre (1), m la masse de gaz dans le cylindre (1), r la constante des gaz parfait et T la température dans le cylindre (1). 5. Procédé selon les revendications 2 et 4 caractérisé en ce que, lorsque la valeur de l'erreur (E) est supérieure à la valeur prédéterminée la masse de gaz dans le cylindre (1) est recalculée en ajoutant kp fois l'erreur (E) à la masse de gaz dans le cylindre (1) utilisée pour l'estimation précédente de la température Te),,(a) avant la répétition des étapes d'estimation, de mesure et de comparaison.