Brevet FR2906367A1 — publié le 20080328

Procédé de modélisation d'un système complexe tel un moteur à combustion d'un véhicule automobile Domaine technique [0001 La présente invention concerne la modélisation d'un système complexe tel un moteur à combustion d'un véhicule automobile à partir d'une base de données comportant un grand nombre de paramètres, correspondant à des points de fonctionnement réalisés par exemple sur des moyens d'essais. Etat de la technique antérieure [0002 Gérer un moteur revient essentiellement à fournir la puissance motrice demandée, en convertissant une consigne de commande en un point de fonctionnement défini par exemple par une valeur de régime moteur et une valeur de couple d'embrayage disponible (régime-couple) ou encore par une valeur de régime moteur et une valeur d'injection de carburant (régime-débit). La consigne de commande est par exemple transmise par le conducteur via le degré d'enfoncement de la pédale d'accélération ou le réglage du système de contrôle de la vitesse de croisière. [0003] La fourniture de cette puissance motrice doit s'accomplir avec une consommation en carburants et des émissions de polluants (notamment de gaz carbonique, monoxyde de carbone, monoxydes d'azote, hydrocarbures imbrûlés) aussi faibles que possibles. [0004] Ces émissions de polluants dépendent d'un grand nombre de facteurs que l'on peut classer essentiellement selon 4 catégories rattachées à l'architecture même du moteur, au contrôle moteur, aux caractéristiques du véhicule équipé du moteur, et aux équipements auxiliaires dissipant de l'énergie. [0005] Parmi les facteurs liés à l'architecture du moteur figurent notamment cylindrée, nombre de cylindres, formes des chambres de combustion. Le contrôle moteur va englober toutes les consignes imposées plus ou moins directement par le 2906367 -2 conducteur (notamment ses demandes d'accélération ou de décélération) et par le calculateur central embarqué (BSI). Ces consignes vont générer des modifications de paramètres tels la quantité d'air frais admise dans les cylindres, la température des gaz, la masse de carburant dans le cylindre, l'instant où la combustion se produit, le pilotage des soupapes d'échappement et d'admission, le recyclage d'une partie des gaz d'échappement, pour ne citer que quelques uns des paramètres gérés sur les moteurs actuels. Les caractéristiques du véhicule sont les données qui influent sur la résistance à l'avancement, notamment la masse du véhicule, son aérodynamisme, ses pneumatiques et les données de transmission (boîtes de vitesse). Enfin, la dernière catégorie à considérer est liée à la variation de la charge moteur, qui toutes choses égales par ailleurs, va résulter par exemple de la mise en route d'un équipement auxiliaire (alternateur, compresseur de climatisation, systèmes de désembuage, etc.) ou du fait que le véhicule est équipé d'une remorque. [0006] A l'évidence, la plupart des facteurs ci-dessus énumérés sont ou figés au niveau de la conception du véhicule ou exclusivement liés aux conditions de roulage du véhicule, donc il faut définir pour chaque situation l'ensemble des consignes qui conduisent aux résultats souhaités, en particulier à un respect des normes applicables notamment en matière d'émissions de polluants et de consommation en carburant tout en assurant les performances premières du moteur (vitesse, reprise, etc.). En pratique, la détermination des paramètres optimaux est obtenue à partir de plans d'expérience mis en oeuvre sur des bancs moteurs qui placent le moteur testé dans des conditions de résistance à l'avancement à l'image de celles présentes lorsque le moteur équipe un véhicule donné. [0007] Comme indiqué plus haut, de très nombreux paramètres de réglage doivent être considérés, comme par exemple les débits d'air, les pressions de suralimentation, les temps d'injection, les avances à l'injection ou encore la pression dans la rampe commune d'injection û et ceci pour chaque mode de fonctionnement du moteur, autrement dit pour chaque couple de données régime moteur û charge moteur. A l'évidence le nombre de modes de fonctionnement est en théorie infini, et en pratique les essais ne sont effectués que sur la base d'un nombre relativement réduit de modes de fonctionnement, typiquement d'environ 15 et qui, dans la suite 2906367 -3 de ce mémoire seront définis comme les points de fonctionnement de référence, reflétant des conditions courantes ou au contraire extrêmes. Une cartographie moteur est définie qui constitue en fait une base de données associant à chaque mode de fonctionnement un jeu de paramètres optimisés. A chaque jeu de paramètres ù ou entrées va correspondre un ensemble de données résultantes, ou sorties caractérisant les émissions de polluants ou la consommation en carburant. Eventuellement, pour tenir compte de facteurs extérieurs comme la température de l'air ambiant ou encore du fait que le véhicule tracte une remorque, il est nécessaire de prévoir différents jeux de cartographies. [0008] La législation européenne prévoit une mesure normalisée des polluants sur la base d'un cycle de conduite normalisé. Selon ce cycle, le véhicule est supposé être au ralenti pendant 4 minutes puis selon une succession de 12 modes, pendant 2 minutes chacun, à bas, moyen ou haut régime et avec des taux de charge à 25%, 50%, 75% et 100%. Les bas, moyen et haut régime sont définis à partir de la puissance maximale nette du moteur. Ces 13 modes de référence sont donc avantageusement utilisés comme points de fonctionnement pour la calibration du moteur et en raison de leur définition même, vont varier d'un véhicule à l'autre. [0009] Les phases de calibration s'avèrent donc absolument critiques afin de s'assurer que le véhicule pourra recevoir les homologations requises pour sa commercialisation et particulièrement longues et onéreuses et il existe un besoin certain de méthodes permettant de minimiser le nombre d'essais ù et donc d'accélérer les temps de développement. [ooio] Comme rappelé plus haut, une calibration n'est pas valable pour un moteur donné mais pour un véhicule donné équipé d'un moteur donné. Si un modèle automobile est commercialisé dans une version berline et une version monospace, avec un choix entre une boite de vitesse manuelle ou une boite automatique, soit 4 configurations types, 4 calibrations seront nécessaires ù et bien entendu beaucoup plus si le moteur est destiné à équiper plus d'un modèle. [oolli Selon l'invention, une forte réduction des phases de calibration est obtenue par une méthode consistant : 2906367 - 4 • à déterminer pour i configurations, l'ensemble des C; caractéristiques spécifiques à chaque configuration et l'ensemble des k points K; de fonctionnement calculés selon une norme se référant à la puissance maximale nette et à la charge maximale du moteur ; • à sélectionner parmi les k*K; point de fonctionnement un sous jeu de k points Ki correspondant à la combinaison des caractéristiques C; les plus contraignantes vis-à-vis des émissions polluantes ; • à calibrer le moteur sur la base de ce sous-jeu de points de fonctionnement K~. [0012] Dans ces conditions, l'optimisation n'est plus effectuée pour chaque configuration mais sur une configuration virtuelle dont les caractéristiques évoluent en fonction du régime et de la charge moteur. [0013] Les auteurs de la présente invention sont partis de l'observation que même si l'influence de nombreux paramètres ne pouvait être évaluée précisément que sur la base d'essais empiriques, pour autant, pour chaque type de sortie , il est possible de définir un indice de sévérité lié aux caractéristiques du véhicule. De même, à chaque point de fonctionnement donné correspond un risque plus ou moins élevé de ne pas satisfaire un critère de pollution donné. [0014] Ainsi, les émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés se produisent essentiellement pour des points de fonctionnement de faibles / moyennes charges et faibles / moyens régimes, reflétant typiquement les conditions lors d'un démarrage d'un véhicule et sont d'autant plus grandes que la masse du véhicule est petite, ce qui retarde l'amorçage du catalyseur. [0015] A l'inverse, pour les points de moyennes / fortes charges et moyens / forts régimes, la préoccupation première est de minimiser les émissions d'oxydes d'azote qui sont d'autant plus grandes que la masse du véhicule est grande. [0016] La configuration virtuelle selon l'invention sera donc choisie comme ayant la masse du véhicule le plus léger à bas régime, et au contraire la masse du véhicule le plus lourd à haut régime. 2906367 -5 [0017] D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux figures annexées dans lesquelles : [0018] La figure 1 est un histogramme des points parcourus sur un cycle normalisé pour 4 applications différentes d'un même moteur [0019] L'histogramme de la figure 1 a été bâti dans l'hypothèse d'une implantation d'un nouveau moteur selon 4 configurations distinctes (par exemple, carrosserie berline ou monospace, boîte de vitesse manuelle ou automatique). [0020] Pour chaque configuration, un certain nombre de points de fonctionnement ont été choisis, en l'occurrence en utilisant les 15 modes imposés selon la combinaison des cycles routiers normalisés de conduite en zone urbaine (cycle ECE) et extra-urbaine (EUDC) tels que définis par la directive européenne 2005/55. Le cycle ECE reflète les conditions de conduite dans une grande ville, avec une vitesse qui n'excède pas 50 km/h et une vitesse moyenne de 18,7km/h. Le cycle EUDC correspond à une vitesse moyenne de 62,6 km/h, avec une vitesse limite de 120 km/h. La combinaison des deux cycles conduit ainsi à sélectionner 15 points par configuration, soit donc un total de 60 points, regroupés selon 15 modes, les points correspondant à un même mode ayant été sur cette figure 1 encerclés. [0021] Ainsi, les points du mode P1 correspondent à un véhicule roulant à 15km/h, ceux du mode P2 à une vitesse de 32 km/h etc. Plus généralement, modes P1 à P6 et P9 à P12 correspondent au cycle urbain ECE et les modes P7, P8, P13, P14 et P15 correspondent au cycle extra-urbain, avec par exemple pour le mode P15, des points de fonctionnement correspondant à une accélération de 100 à 120 km/h et pour le mode P8, une vitesse stabilisée à 120km/h. [0022] Selon l'invention, au lieu d'optimiser au banc moteur les réglages sur les 60 points pour faire une calibration spécifique par application, on optimise les réglages sur un jeu réduit de points qui sont une combinaison des points les plus contraignants vis-à-vis des émissions polluantes. [0023] Ainsi, sur les points de faibles / moyennes charges et faibles / moyens régimes, on prend en considération l'application la plus légère qui sera la plus contraignante vis-à-vis des émissions de CO et de HC en raison de la plus grande 2906367 -6 inertie d'amorçage du catalyseur. L'application 2 qui définit le bas de l'enveloppe sur l'histogramme est alors la plus critique. [0024] Sur les points de moyennes / fortes charges et moyens / forts régimes, on prend en considération l'application la plus lourde et à la moins bonne pénétration dans l'air qui sera la plus contraignante vis-à-vis des émissions de NOx et de particules en raison des richesses supérieures et des températures de combustion plus élevées. C'est donc l'application 4 qui définit le haut de l'enveloppe des 60 points de l'histogramme qui est la plus critique. [0025] Ainsi, selon une première variante de l'invention, il est sélectionné un point par mode, en choisissant pour les modes extra-urbains , les points correspondant aux charges moteurs les plus élevées et pour les modes urbains , les points correspondant aux charges les plus faibles. [0026] Une autre possibilité est de considérer l'enveloppe générale de tous les points, et de sélectionner tous les points les plus périphériques. [0027] Les deux règles ci-dessus sont basées sur la considération des polluants couramment considérés, bien évidemment, d'autres règles de sélection peuvent être définies en cas de besoin, le point commun étant de considérer par exemple mode par mode, quel sera le point le plus problématique parmi l'ensemble des configurations véhicules envisagées. [0028] Sur la figure 2, on a ainsi colorié en noir 15 points sélectionnés. [0029] A noter que l'optimisation des paramètres moteur est effectuée de nos jours sur des bancs à rouleaux munis de moyens pour reproduire les effets de la résistance à l'avancement liée principalement à l'aérodynamisme, la masse, la gestion des rapports (boites de vitesse), et aux pneumatiques et de l'inertie (masse) du véhicule. Il est donc relativement faible de faire varier d'un point de mesure à l'autre. [0030] Les figures 3 et 4 illustrent les performances obtenues avec la méthode de calibration générique selon l'invention. La figure 3 montre les émissions de Nox et de particules mesurées pour les 4 configurations véhicule, avec un moteur mis au point de façon unique selon la calibration générique proposée par la présente 2906367 -7 invention. A noter que dans cet exemple, les émissions mesurées ne tiennent pas compte de la présence d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement, la norme étant donc une norme auto-imposée sachant que les émissions effectives seront de toute façon beaucoup plus basses. Toutes les configurations véhicule testées ont des performances effectives meilleures que celles de la configuration 4 la plus critique (la légende à côté des points indiquant la configuration véhicule considérée). De même, si on considère les émissions de monoxyde de carbone, on constate qu'elles sont systématiquement meilleures avec les configurations autres que la configuration 2 [0031] Dans ce qui précède, il a été essentiellement fait référence aux cycles normalisés utilisés par les administrations européennes pour certifier des véhicules. Pour autant l'invention ne doit nullement être considérée comme limitée à de tels cycles et peut notamment être appliquée par référence au cycle dit à 1015 mode, utilisé notamment par l'administration japonaise qui alterne des séquences de durées imposées à vitesse moyenne (60 km/h), au ralenti et à plus grande vitesse, ou encore aux cycles utilisés par l'administration fédérale étatsuniennes, connu notamment sous la dénomination Urban Dynamoter Driving , qui est essentiellement basé sur un parcours de 12. 07 km (7.5 miles) fréquemment interrompu, avec une vitesse moyenne de 31,5 km/h et une vitesse maximale de 91,2 km/h) ou bien entendu d'autres cycles en vigueur plus ou moins approchants. Tous ces cycles ont en commun de ne pas considérer un moteur indépendamment du véhicule dans lequel il est placé. Revendications 1. Procédé de calibration générique d'un moteur à combustion interne commercialisé selon une pluralité de configurations comportant la détermination pour chaque configuration i de l'ensemble de ses Ci caractéristiques spécifiques et d'un ensemble des k points K; de fonctionnement dépendant des caractéristiques Ci et d'un cycle normalisé de roulage. ii. la sélection parmi les k*K; points de fonctionnement d'un sous jeu de k points Ki correspondant à la combinaison Ck des caractéristiques les plus contraignantes vis-à-vis des émissions polluantes ; iii. la calibration du moteur sur la base de ce sous-jeu de points de fonctionnement Ki. 2. Procédé de calibration selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques sont choisies parmi : la masse, l'aérodynamisme, les pneumatiques et le rendement de la transmission. 3. Procédé de calibration selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cycle de roulage est défini par référence à la puissance maximale nette et à la charge maximale du moteur. 4. Procédé de calibration selon la revendication 2, caractérisé en ce que les points de fonctionnement sont choisis en fonction des cycles ECE et EUDC. 5. Procédé de calibration selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour les émissions CO/HC, les points les plus critiques sont sélectionnés dans le cycle ECE et pour les émissions NOx, particules, dans le cycle EUDC. 6. Procédé de calibration selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour les modes EUDC, les points sélectionnés sont ceux pour lesquelles les charges moteurs sont les plus élevées et pour les modes ECE, les points sélectionnés sont ceux correspondant aux charges moteurs les plus faibles. 2906367 -9 7. Procédé de calibration selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points sélectionnés sont les points les plus proches de l'enveloppe périphérique recouvrant l'ensemble des k*K; points sur un graphe régime moteur, charge moteur.