Brevet FR2883602A1 — publié le 20060929

L'invention concerne un procédé d'optimisation du fonctionnement d'un moteur thermique dont les paramètres de combustion sont pilotés par un système de gestion électronique du moteur comprenant au moins un boîtier électronique et une cartographie moteur. Le boîtier électronique est un puissant micro-ordinateur qui coordonne la gestion globale du moteur. Le boîtier électronique contrôle, analyse et régule toutes les fonctions principales du moteur. Le boîtier électronique est couplé à une série de capteurs et de détecteurs qui le renseigne en permanence sur l'état de marche du moment, en fonction d'un ensemble de paramètres comme par exemple la température du moteur, de l'huile, du liquide de refroidissement, du régime moteur et des paramètres extérieurs comme la pression atmosphérique et la température de l'air ambiant. Le boîtier électronique compare ces valeurs instantanées avec les valeurs de consignes archivées dans la ou les cartographie(s) et calcule au moyen des modèles de réglages et des courbes caractéristiques prédéfinies les nouveaux points de consigne pour le cycle suivant. Il peut notamment faire varier la quantité de carburant injecté dans le moteur, le réglage de l'allumage, la pression d'admission, le recyclage des gaz d'échappement ou bien encore le temps d'injection. La cartographie est en fait constituée d'une base de données tridimensionnelle mémorisée et archivée dans une mémoire spécifique. Les boîtiers électroniques connus jusqu'à présent ne prennent cependant pas en compte un paramètre fondamental permettant d'améliorer le fonctionnement du moteur, à savoir la composition du carburant utilisé avec ce moteur. Or il est connu que la qualité des carburants influe directement sur les performances, la consommation et les émissions polluantes et gaz à effet de serre des gaz d'échappement. A.DOUAUD met en évidence dès 1983 pour les moteurs à allumage commandé, les liens entre la qualité de l'essence, les réglages du moteur et l'apparition du phénomène de cliquetis. JC GUIBET en 1987, dans l'ouvrage de référence Carburants et Moteurs met en évidence les interactions entre la qualité du carburant et le moteur et leur influence dans les modèles de paramétrages et de réglage de la combustion du moteur. Plus récemment, en 1997, dans une publication, A. GERINI analyse la sensibilité aux paramètres gazoles d'un moteur diesel d'automobile à injection directe. Enfin en 2003, N.HOCHART propose une modélisation des émissions de polluants des moteurs actuels essence, diesel pour véhicules légers ou poids lourds, en faisant varier la qualité des carburants en modifiant les bases de raffinage utilisées dans les mélanges. En effet, à la pompe des stations services, la composition et la qualité des carburants, bien qu'elle soit définie par des normes, notamment les normes EN 590 et EN 228 pour l'Europe, varient dans le temps. La qualité fluctue en fonction des livraisons, des distributeurs, des saisons et des réglementations en vigueur. On estime ainsi que les propriétés physicochimiques des carburants peuvent varier de 15 à 40% ou plus autour des valeurs moyennes définies par les normes. Pour prendre en compte cette variation afin de ne pas endommager le véhicule et d'avoir la plus faible consommation possible tout en étant conforme aux législations sur les gaz d'échappement, les constructeurs sont obligés de faire de nombreuses concessions lors du développement des boîtiers électroniques. C'est pourquoi les constructeurs prévoient une marge de sécurité pour pallier la plus ou moins bonne qualité des carburants et que le boîtier électronique de série proposé à l'achat du véhicule ne constitue qu'un compromis. Les modèles et cartographies préenregistrés sont généralement établies pour assurer une efficacité assez bonne sur toute la plage de fonctionnement du moteur et sont basés sur la composition et la qualité moyennes des carburants dans les pays regroupés en zones géographiques où sont vendus les véhicules. Cependant, les normes anti-pollution sont de plus en plus sévères et les constructeurs automobile cherchent constamment à réduire les émissions réglementées dans les gaz d'échappement, comme le dioxyde de carbone, pour chaque véhicule vendu, sur l'ensemble de son cycle de vie, sans que cela se fasse au détriment de la performance du moteur. Il existe donc un besoin de calculer au mieux la quantité de carburant à injecter dans le moteur, quelle que soit la qualité de celui-ci. Le document FR-2 542 092, qui traite d'un procédé de détermination de la composition d'un mélange carburant-alcool pour la régulation d'un moteur, se limite à l'analyse des carburants de type essence, de surcroît additivés en alcool et ne propose qu'une mesure quantitative et non qualitative restreinte en ce qu'elle détermine le pourcentage d'alcool dans le carburant. Il en est de même pour les documents US-5 126 570, US5 262 645 et US-5 239 860 dont les champs d'applications sont limités dans la description du procédé à une mesure quantitative d'une concentration en alcool dans un mélange essence-alcool par proche infrarouge. L'invention vise à répondre au besoin de détermination d'une mesure qualitative de la composition du carburant en proposant un procédé d'optimisation du fonctionnement du moteur comprenant une étape d'analyse de la composition du carburant permettant de déterminer sa qualité propre. Une telle analyse permet au boîtier électronique de régler au mieux et en temps réel, les paramètres de l'injection et la quantité de carburant à injecter dans le moteur, en fonction des résultats mesurés. A cet effet, l'invention concerne un procédé d'optimisation d'un moteur thermique dont les paramètres de combustion sont pilotés par un boîtier électronique et au moins une cartographie moteur, le procédé comportant une étape d'analyse de la composition du carburant à partir d'au moins un capteur implanté dans le circuit carburant du moteur comprenant le système de remplissage, le réservoir, les pompes, les filtres à carburant, le circuit d'alimentation du moteur et le circuit retour vers le réservoir, et une étape de sélection d'une cartographie ou de modification de ladite cartographie en fonction du résultat de ladite analyse. Selon une réalisation, l'étape d'analyse de la composition du carburant comprend une étape d'analyse spectroscopique de la structure moléculaire des hydrocarbures composant le carburant. Selon une réalisation particulière, l'analyse spectroscopique consiste en une analyse proche infrarouge du carburant. En effet, le proche infrarouge est particulièrement bien adapté à la mesure des propriétés des hydrocarbures liquides et à leur identification, notamment pour les carburants vendus dans les stations services. Depuis la fin des années 1970, de nombreux ouvrages de chimiométrie et de publications fournissent en effet la théorie de la spectroscopie proche infrarouge, des instruments et les méthodologies à mettre en oeuvre pour développer des modèles de corrélation et prédiction des propriétés des liquides à partir de leur spectres proche infrarouge, à partir de modèles mathématiques et statistiques. Il est possible de citer les ouvrages de référence pour le proche infrarouge comme celui de L. G. WEYER publié en 1985 ou le Handbook of near infrared analysis publié en 1992 ou des publications plus spécifiques comme les applications spectroscopiques en pétrochimie et raffinage comme présenté dans les articles de Jérôme WORKMAN Jr en 1996 ou de M. VALLEUR en 1999. Plus récemment on peut citer une publication en 2001 portant sur une modélisation de l'indice d'octane RON des essence par proche infrarouge et en 2004 un article concernant le réglage des unités de raffinage en fonction de la qualité mesurée des distillats moyens par proche infrarouge. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur thermique dans lequel le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec un 25 premier mode de réalisation du capteur. La figure 2 est une représentation schématique similaire à la figure 1 avec un deuxième mode de réalisation du capteur. La figure 3 est un diagramme représentant les étapes du procédé et notamment les étapes d'analyse et de réglage du moteur. En référence à la figure 1, on décrit un procédé d'optimisation du fonctionnement d'un moteur thermique dont les paramètres de combustion sont pilotés par une cartographie moteur. Le moteur à combustion est alimentée en carburant par le circuit d'alimentation 1, comprenant un réservoir 2, un système de remplissage du réservoir 3 et un circuit d'alimentation en carburant 4. Le circuit comprend par exemple une ou plusieurs pompes à carburant 5, un ou plusieurs filtres à carburant 6 et le circuit retour vers le réservoir 11. Le procédé selon l'invention est adapté pour tout type de carburants liquides (gaz, essence, kérosène, gazole, fiouls) répondant aux normes sur les carburants et biocarburants, additivés ou pas, dont les constituants majeurs sont le Carbone, l'Hydrogène et l'Oxygène. Le procédé selon l'invention consiste à sélectionner une cartographie moteur ou à modifier la cartographie utilisée en fonction de la composition chimique du carburant. A cet effet, on procède à une analyse de la composition du carburant alimentant le moteur par exemple au moyen d'une analyse spectroscopique de la structure moléculaire des hydrocarbures composant le carburant. L'analyse spectroscopique consiste en une analyse proche infrarouge de la composition du carburant. Elle pourrait également consister en une analyse par spectroscopie de masse, une analyse chromatographique, une analyse RMN ou une analyse par ultraviolet ou en plusieurs de ces analyses conduites simultanément selon le même principe. L'analyse proche infrarouge est décrite ci-dessous. Un capteur spectroscopique 7 est implanté dans le circuit d'alimentation 1 et est relié au boîtier électronique du moteur. Dans le cas d'une analyse proche infrarouge, le capteur 7 est constitué d'une source lumineuse 8, d'un système de séparation de lumière, d'une cellule d'échantillonnage du carburant 9, d'un système de détection photosensible 10 et d'un calculateur dédié 20. Le calculateur dédié 20 permet de piloter les séquences de mesure, de régler et de contrôler le bon fonctionnement du capteur 7. Le calculateur 20 contient les modèles permettant d'effectuer la totalité des calculs associés au traitement du spectre proche infrarouge. Dans le cas du proche infrarouge, le capteur 7 peut comporter indifféremment une seule source et un seul détecteur ou plusieurs sources lumineuses et un seul détecteur. Il peut utiliser dans le cas du proche infrarouge non dispersif des filtres interférentiels ou à cristal ou un système à transformée de fourier. Le capteur 7 est peut être à accès séquentiels ou multiplexés. Selon une autre réalisation représentée sur la figure 2, l'utilisation de fibres optiques 13 et d'une sonde plongeante 14 adaptés est possible pour délocaliser le système d'échantillonnage des autres composants du spectromètre. Le capteur 7 peut être un spectromètre proche infrarouge à barrette composées de plusieurs centaines de photodiodes qui enregistre chacune l'intensité lumineuse à une longueur d'onde donnée. Le détecteur qui compose le capteur 7 est un semi-conducteur à base de Silicium (Si) ou d'un alliage de type Indium Gallium Arsenic (InGaAs) à haute sensibilité. Le détecteur peut être refroidi ou non. Le capteur 7 peut être placé dans le réservoir 2 (position 15 sur les figures 1 et 2), au niveau du système de remplissage du réservoir 3 (position 16 sur les figure 1 et 2), dans le circuit d'alimentation en carburant du moteur 4. Dans ce dernier cas, le capteur 7 peut être placé entre la pompe 5 et le filtre 6 (position 17) ou après le filtre 6 (position 18). Le capteur peut être également implanté dans le circuit retour 11 du carburant (position 19). Le capteur 7 est agencé pour effectuer des mesures dans les régions spectrales comprises entre 780 et 2500 nanomètres (12820 cm -1 à 4000 cm). On peut par exemple prévoir des plages de mesure successives comprises entre 780 nanomètres et 1100 nanomètres (12820 cm -1 à 9090 cm") , 1100 nanomètres et 2000 nanomètres (9090 cm 1 à 5000 cm 1) et 2000 nanomètres et 2500 nanomètres (5000 cm-1 à 4000 cm"). A cet effet, le système d'échantillonnage est agencé pour présenter un trajet optique, c'est-àdire une épaisseur de la cellule de mesure au travers de laquelle se fait la mesure, comprise entre 0,5 millimètres et 70 millimètres, c'est-à-dire des trajets optiques correspondant au plage de longueurs d'ondes de 50 millimètres à 70 millimètres dans le premier cas, de 10 millimètres à 20 millimètres dans le second cas et de 0.5 millimètres à 5 millimètres dans le dernier cas. Le capteur 7 est agencé pour effectuer le spectre proche infrarouge du carburant circulant dans le circuit carburant d'alimentation 1 du moteur en reflectance, transmittance ou absorbante. Le capteur 7 possède une résolution spectacle (précision) réglable de 1 cm -1 à 20 cm-1 préférentiellement à 4 cm-1. Le système optique et d'échantillonnage du capteur 7 peut être également autonettoyant ce qui permet d'éviter d'avoir à le démonter afin de le nettoyer. La table adressée par le calculateur moteur au boîtier électronique est une matrice à deux entrées mettant en relation un marqueur indiciel de la qualité du carburant lié l'impact de la présence des familles d'hydrocarbures pures qui compose le dit carburant. Les familles d'hydrocarbures pures peuvent être regroupées par exemple en: hydrocarbures saturés (alcanes à chaînes carbonées ouvertes linéaires, ramifiés ou à chaînes carbonées fermées sur elles-mêmes) ; - hydrocarbures insaturés (oléfines à chaîne ouvertes ou fermées contenant une ou plusieurs doubles liaisons) ; 20- hydrocarbures aromatiques (un ou plusieurs cycles insaturés à noyau benzénique) ; produits organiques oxygénés: molécules contenant au moins un atome d'oxygène (alcools, aldéhydes, cétone, esters, éthers, acides...) Les mesures des spectres en proche infrarouge du carburant sont faîtes par exemple en absorbance dans les zones de longueurs d'onde considérées. Les valeurs des absorbances mesurées à chaque longueur d'onde sélectionnée sont introduites dans des modèles mathématiques et statistiques préalablement calibrés sur une banque de données de référence, selon les règles connues de la chimiométrie pour renseigner la matrice à double entrée. Un exemple de table adressée par le calculateur est représenté dans le tableau ci-dessous. La table est celle obtenue pour un carburant essence correspondant à la norme EN 228. Carburant Colonne (n) A B C D EN 228 Lignes (i) Marqueurs indiciels/ pondération gaz légers moyens lourds 1 Marqueurs linéaires 2.4 0.4 0 1.0 2 Marqueurs branchés 0 2.7 0 32.5 3 Marqueurs insaturés 0 5.3 0 0 4 Marqueurs Aromatiques 0 25.6 6.9 Marqueurs cycliques 0.3 0 5.5 6 Marqueurs oxygénés 0 0 17.4 Le marqueur linéaire correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille 5 d'hydrocarbures saturés à chaînes carbonées linéaires ouvertes. Le marqueur branché correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille d'hydrocarbures saturés. Le marqueur insaturé correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille d'hydrocarbures insaturés à chaînes carbonées ouvertes comportant des branchements. Le marqueur cyclique correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille d'hydrocarbures saturés à chaînes carbonées fermées sur ellesmêmes. Le marqueur aromatique correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille d'hydrocarbures aromatiques. Le marqueur oxygéné correspond à l'impact relatif de la présence d'une famille de 20 produits organiques oxygénés. Les quatre critères de pondérations Gaz, Légers, Moyens et Lourds sont calculés sur la base du nombre de carbones pondérés par une ou plusieurs des propriétés physiques comme par exemple la masse moléculaire, le pouvoir calorifique inférieur (PCI), les enthalpies de combustion ou vaporisation des produits purs composant le carburant. Dans le cas du carburant essence EN 228 cité en exemple, la colonne GAZ regroupe les hydrocarbures dont le nombre de carbone ne dépasse pas 4 atomes. La colonne LEGERS regroupe les hydrocarbures dont le nombre de carbone est compris 10 entre 5 et 6 atomes. La colonne MOYENS regroupe les hydrocarbures dont le nombre de carbone est compris entre 7 et 8 atomes. La colonne LOURDS regroupe les hydrocarbures dont le nombre de carbone est supérieur ou égal à 9. Grâce aux indices présents aux croisements des colonnes n et des lignes i, la composition du carburant est donc connue d'une manière précise. Ces informations sont intégrées préalablement dans les cartographies lors de mise au point du moteur et le boîtier électronique est adapté pour pouvoir utiliser ces informations afin d'optimiser les paramètres de combustion du moteur. Sur le véhicule, lors de l'analyse embarquée de la qualité du carburant par le capteur 7, le boîtier électronique reçoit l'information mise à jour de la qualité du carburant présent dans le réservoir ce qui lui permet de sélectionner la cartographie la plus adaptée ou de modifier dynamiquement les paramètres de la cartographie utilisée, afin de la caler sur les valeurs réelles du carburant. Les meilleurs paramétrages de combustion du moteur sont choisis par le boîtier électronique en fonction des informations usuelles relevées par les différents capteurs et détecteurs mais également par le capteur 7 qui le renseigne désormais sur la qualité du carburant. Les paramétrages moteur peuvent être choisis pour optimiser la consommation de carburant et limiter les émissions dans les gaz d'échappement à iso performance du moteur ou pour augmenter les performances du moteur à iso consommation et émissions. Une étape de stockage des informations de l'analyse de la composition des carburant est utilisée de façon à former un historique de cette composition Un modèle de cartographie ou de paramétrage de combustion par défaut est établi à partir de l'historique de la composition du carburant. Ainsi, en l'absence d'informations prélevées par le capteur 7, des paramètres de fonctionnement du moteur sont choisis par défaut en fonction de l'historique de la composition du carburant. Cet historique permet d'établir une moyenne mobile sur une ou plusieurs périodes de temps écoulé, de la qualité du carburant et les paramètres par défaut sont choisis en fonction de la moyenne mobile la plus pertinente. Les mesures peuvent être effectuées par le capteur 7 régulièrement dans le temps. Un détecteur du volume de carburant présent dans le réservoir 2 peut être également prévu. Le lancement de la prise de mesure peut être alors commandé pour se produire à chaque fois que le réservoir est rempli par l'automobiliste. La figure 3 représente les différentes étapes du procédé : - étape A: déclenchement de la prise de mesure; - étape B: étape d'analyse en fonction de la prise de mesure; 25- étape C: comparaison de la table obtenue avec la table de référence; - étape D: sélection d'une cartographie adaptée ou modification de la cartographie utilisée; - étape E: réglage du moteur en fonction de la cartographie. REVENDICATIONS 1. Procédé d'optimisation du fonctionnement d'un moteur thermique dont les paramètres de combustion sont pilotés par un boîtier électronique (12) et au moins une cartographie moteur, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'analyse de la composition du carburant à partir d'au moins un capteur (7) implanté dans le circuit carburant du moteur (1) comprenant le système de remplissage (3), le réservoir (2), les pompes (5), les filtres à carburant (6), et les circuits d'alimentation du moteur (4) et un circuit retour (11) vers le réservoir, et une étape de sélection ou de modification de ladite cartographie en fonction du résultat de ladite analyse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'analyse comprend une étape d'adressage d'au moins une table comprenant des valeurs de critères représentant la qualité du carburant selon la nature des familles d'hydrocarbures qui composent ledit carburant, à destination boîtier électronique (12) qui contrôle le moteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la table est une matrice à deux entrées mettant en relation un marqueur indiciel particulier de la qualité du carburant lié à la présence d'une famille d'hydrocarbures pure dans ledit carburant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape d'analyse de la composition du carburant comprend une étape d'analyse spectroscopique de la structure moléculaires des hydrocarbures composant le carburant. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'analyse spectroscopique consiste en une analyse proche infrarouge et/ou une analyse chromatographique et/ou une analyse RMN et/ou une analyse par ultraviolet et/ou une analyse par spectroscopie de masse. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur spectroscopique (7). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur spectroscopique (7) est un capteur proche infrarouge. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur proche infrarouge (7) est agencé pour effectuer des mesures dans les régions spectrales comprises entre 780 nm et 2500 nm. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le capteur (7) est agencé pour présenter un trajet optique, c'est-à-dire une épaisseur de la cellule de mesure, comprise entre 0.5 mm et 70 mm. 10. Procédé selon l'une quelconques des revendications 7 à 9, caractérisé en ce le capteur (7) est agencé pour présenter une résolution spectrale, c'est-à-dire une précision de mesure allant de 1 cm -1 à 20 cm-1 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé à partir d'une source lumineuse (8), d'une cellule d'échantillonnage (9), d'un système de séparation de lumière, d'un détecteur (10) et d'un calculateur (20). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce 20 qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé à partir d'une sonde plongeante (14) et de fibres optiques (13). 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé au moyen d'un instrument comportant une 25 pluralité de diodes infrarouge de bandes. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé à partir d'au moins un instrument à Transformée de Fourier. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé au moyen d'un instrument comportant une série de diodes photosensibles et un filtre interférentiel. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il prévoit d'utiliser un capteur (7) réalisé au moyen d'un instrument comportant un détecteur composé de diodes photosensibles à haute sensibilité. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 16, caractérisé en ce que le capteur (7) est autonettoyant. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisé en ce que le capteur (7) est placé après le filtre à carburant (6). 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisé en ce que le capteur (7) est placé dans le système de remplissage du réservoir (3). 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisé en ce 15 que le capteur (7) est placé dans le réservoir à carburant (2). 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisé en ce que le capteur (7) est placé dans le circuit retour (11) . 22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de stockage des informations de l'analyse de la composition du carburant de façon à former un historique de cette composition. 23. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'un modèle de 25 cartographie moteur et de réglage des paramètres de combustion du moteur par défaut sont établies à partir de l'historique de la composition du carburant. 24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que le réglage des paramètres de combustion du moteur sont choisis en fonction de la cartographie pour optimiser la consommation de carburant et limiter les émissions dans les gaz d'échappement à iso performance du moteur ou pour augmenter les performances du moteur à iso consommation et émissions.