Brevet FR2901576A1 — publié le 20071130

l'influence de leur évolution sur le fonctionnement du moteur. Cependant l'utilisation d'un capteur intégré à la chambre de combustion n'est pas envisageable industriellement à ce jour. US 2003/0745836 utilise un modèle adaptatif pour contrôler la combustion en comparant l'instant réel de l'inflammation à l'instant prédit par une cartographie fonction du régime moteur et de la charge. La cartographie utilisée est indirecte et ne se base pas sur une modélisation de la cinétique chimique de la combustion homogène Le contrôle d'un moteur basé sur une cartographie régime moteur et charge est connu. Il n'existe cependant pas de moyen simple et efficient pour déterminer une telle cartographie. La présente invention remédie à tout ou partie de ces différents inconvénients avec un procédé modélisant la cinétique chimique d'une combustion homogène et permettant de prédire l'instant d'auto inflammation. Un objet de l'invention est ainsi un procédé de détermination d'une cartographie de contrôle moteur pour un processus de combustion homogène, comprenant les étapes suivantes . a) détermination d'un point de fonctionnement, b) modélisation de la combustion homogène pour ce point de fonctionnement par un module de modélisation, c) production d'une courbe de température T en fonction de l'angle vilebrequin, d) détermination de l'angle e d'une première élévation de température T1 ou auto inflammation de flamme froide, et de l'angle e2 d'une seconde élévation de température T~ ou auto inflammation principale, e) stockage des valeurs des angles d'auto inflammation al, e2 dans une matrice en fonction dudit point de fonctionnement, f) itération des étapes a)-e) en variant le point 5 de fonctionnement afin de balayer tout le domaine de fonctionnement, ce procédé se caractérisant en ce que : la modélisation de la combustion homogène de l'étape b) appliquant un premier sous modèle de cinétique chimique 10 lorsque la température T est inférieure à une température critique Tc et un second sous modèle de cinétique chimique lorsque la température T est supérieure à la température critique Tc. Avantageusement selon l'invention, la modélisation 15 de la combustion homogène de l'étape b) utilise un module de simulation de la mécanique des fluides. Selon une autre caractéristique de l'invention un point de fonctionnement comprend des paramètres de fonctionnement parmi : température initiale To, pression 20 initiale Po, taux de gaz brûlés résiduels SEGRr richesse initiale du mélange cDo, régime moteur RPM, masse de carburant injecté mcarb, type de carburant tycarbr stratégie d'injection Si. Selon une autre caractéristique de l'invention le 25 moteur est défini par des paramètres géométriques parmi : diamètre d'alésage, course du piston, taux de compression, rapport bielle manivelle, géométrie de la chambre de combustion, taux de remous. L'invention concerne encore un dispositif de 30 contrôle d'un moteur à combustion homogène comportant une cartographie obtenue par le procédé selon l'un des modes de réalisation urécédents. L'invention concerne encore un système moteur à combustion homogène contrôlé par ledit dispositif. L'invention est applicable à l'optimisation de la conception d'une chambre de combustion. Un avantage de l'invention est de mettre en oeuvre une modélisation prédictive basée sur la réalité du processus chimique. Un autre avantage de l'invention est que cette modélisation reproduit, par deux sous modèles adaptés, les deux phénomènes du mécanisme réactionnel, à savoir une première auto inflammation dite de "flamme froide" et une seconde auto inflammation dite "inflammation principale". La séparation en deux sous modèles, chacun des deux sous modèles étant judicieusement réduit, permet d'obtenir une efficience de calcul compatible avec des moyens industriels. Un autre avantage de l'invention est de permettre, grâce au modèle qui estime la température, de réaliser un contrôle de moteur à combustion homogène sans nécessiter ni capteur de pression ni capteur de température, ces capteurs posant aujourd'hui des problèmes technologiques. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 présente un schéma d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 présente un cycle d'un moteur à combustion homogène, - la figure 3 démontre la qualité du résultat du procédé, la figure 4 présente schématiquement un dispositif de contrôle moteur conforme à l'invention. Sur la figure 1 est schématisé un dispositif permettant une mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Ce dispositif a pour but de déterminer une cartographie 9 de fonctionnement d'un moteur 20. Ce dispositif comprend un module de modélisation 6 comprenant un module de cinétique chimique 7. Un élément caractéristique de l'invention est la présence de deux sous modèles ce cinétique chimique 4 et 5. Le procédé objet de l'invention détermine itérativement une cartographie 9 de fonctionnement du moteur 20 au moyen du module de modélisation 6 selon les étapes suivantes. Pour un point de fonctionnement 1 déterminé dans le domaine de fonctionnement du moteur 20, le module de modélisation 6 modélise la combustion homogène pour déterminer le fonctionnement au cours d'un cycle. En se référant à la figure 2, ce fonctionnement peut être figuré par une courbe 10 indiquant la température moyenne T dans la chambre de combustion mesurée sur l'axe des températures 15 en fonction du temps ou, ce qui est équivalent, en fonction de l'angle vilebrequin mesuré sur l'axe 14. Cette courbe 10 présente typiquement, après un premier tronçon où la température augmente lentement, une première élévation plus rapide de température T1 associée à un angle al, correspondant à l'instant de première auto inflammation dite de flamme froide. Après un autre tronçon, la courbe 10 présente une seconde élévation de température T2 associée à un angle n2r correspondant à l'instant de seconde auto inflammation dite principale. Ces deux angles d'auto inflammation n1, a2 apparaissent typiquement un peu avant le point mort haut du moteur/vilebrequin conventionnellement placé à l'origine 0 de l'axe des angles 14. A partir de la modélisation du fonctionnement au cours du cycle, le module de modélisation 6 détermine les deux angles d'auto inflammation al, a2. Ce couple de valeurs est stocké dans une matrice 9 en fonction du point de fonctionnement 1. Les étapes précédentes sont itérées afin que le point de fonctionnement 1 parcoure l'ensemble du domaine de fonctionnement du moteur 20. Le module de modélisation 6 comprend un module de simulation 7 de la cinétique chimique. Une modélisation détaillée de la cinétique chimique a été développée par le laboratoire Lawrence LIVERMORE et peut être consultée à l'adresse Internet suivante : www-cros.11nl.gov/combustion/combustion2.html#n-C7H16 Un tel modèle met en oeuvre un schéma cinétique d'une taille très importante puisqu'il met en œuvre 544 espèces et 2446 réactions. Son temps de calcul est considérable. Afin de réduire les temps de calcul, il est avantageux de simplifier ce schéma cinétique. Pour cela, l'invention propose de décomposer le schéma complet en deux sous modèles cinétiques 4, 5, utilisés tour à tour en fonction de la température T résultante. Un schéma cinétique est défini par les espèces en présence et les réactions possibles entre ces espèces. Dans certains cas d'autres paramètres précisent encore le déroulement de la réaction. Un tel schéma est classiquement mis en œuvre par un moteur de cinétique chimique. Un tel moteur est par exemple le moteur CHEMKIN, bien connu de l'homme du métier. Voir le site Internet à l'adresse suivante: www.reactiondesign.com/lobby/open/index.html Le module de modélisation 6 calcule la température instantanée moyenne T dans la chambre de combustion. Cette température est comparée à une température critique Tc. En se référant à la figure 2, la température Tc sépare la courbe 10 en deux portions de courbe 11, 12 distinctes. Lorsque T T,, le premier sous modèle cinétique 4 est utilisé pour déterminer la température T et obtenir la portion 12 de la courbe 10. Cette portion 12 correspond à la phase d'auto inflammation de flamme froide. Lorsque T > Tc, le second sous modèle cinétique 5 est utilisé pour déterminer la température T et obtenir la portion 11 de la courbe 10. Cette portion correspond à la phase d'auto inflammation principale. La température critique T, est déterminée de manière empirique en fonction des paramètres 2, 3 du moteur 20 afin de séparer les deux phases de combustion selon les deux portions de courbes 11 et 12. La séparation en deux sous modèles 4 et 5 permet d'une part de réduire les temps de calcul et d'autre part, les deux portions 11, 12 correspondant à des phénomènes chimiques différents, chacun des deux sous modèles 4, 5 associés peut être avantageusement réduit. Le premier sous modèle 4 peut ainsi être réduit aux 10 réactions chimiques, mettant en oeuvre 16 espèces, telles que ci-dessous : C7H16 + 02 --7- C7H15 + HO2 C7H16 + OH t C7H15 + H2O 07H15 + O2 -~- C7H15O2 07H15O2 + 07H14O2H A=4.000E+13 b=0.00 E=50150.10 A=4.800E+09 b=1.30 E=690.50 A=7.540E+12 b=0.00 E=0.00 A=6.000E+11 b=0.00 E=20380.00 C7H14O2H + 02 C7KET + OH A=2.340E+11 b=0.00 E=0.00 C7KET C5H11C0 + CH2O + OH A=1.000E+16 b=0.00 E=42400.00 C5H11C0 C2H5 + C3H6 + CO A=1.000E+11 b=0.00 E=9600.00 HO2 + HO2 + H202 + 02 A=2.000E+14 b=0.00 E=0.00 CH2O + OH HCO + H20 A=3.000E+13 b=0.00 E=-1196.00 HCO + 02 t HO2 + CO A=3.000E+12 b=0.00 E=0.00. Chaque réaction est donc précisée par l'indication des paramètres de réaction : A et b sont des constantes de vitesse de réaction, A étant le facteur pré exponentiel et b étant l'exposant, et E (en calories) est l'énergie d'activation. A noter le symbole KET qui désigne de manière connue un ketohydroperoxyde (H1403). De manière comparable, le second sous modèle 5 peut être réduit aux 8 réactions chimiques, mettant en oeuvre 14 espèces, telles que ci- dessous : b=0.00 E=0.00 C3H6 + 20H 2CH3 + CO + H20 A=1.000E+13 CO + OH t CO2 + H A=4.400E+06 b==1.50 E=-741.70 H + 02 + M -'---; HO2 + M A=7.000E+17 b=-0.80 E=0.00 REV/ A=5.200E+14 b=-0.07 E=50000.00/ 02/0.00/ H20/0.00/ CO/0.75/ 002/1.50/ C2H6/1.50/ N2/0.00/ HO2 + HO2 +Li H202 + 02 A=2.000E+ 14 b=0.00 E=0.00 OH + OH (+ M) t H202 (+ M) A=7.600E+13 b=-0.37 E=0.00 LOW/ A=4.300E+18 b=-0.90 E=-1700.00/ TROE/ 0.7346 94.00 1756.00 5182.00/ H20/6.00/ CO/1.50/ CO2/2.00/ C2H6/3.00/ N2/0.70/ 25 CH4/2.00/ CH2 + OH HCC) + H2O A=3.000E+13 b=0.00 E=-1196.00 HCO + 02 t H02 + CO A=3.000E+12 b=0.00 E=0.00 C2H5 + 02 : 2C-i20 + H A=2.000E+12 b=0.00 E=0.00. Chaque réaction est donc à nouveau précisée par 30 l'indication des mêmes paramètres de réaction que précédemment : A, b et E. Le composé M représente un troisième corps chimique, agissant comme catalyseur. Ce composé est indiqué entre parenthèses lorsque la réaction dépend de la pression. Dans le cas où un tel troisième corps M est présent, la réaction est encore précisée selon le cas par les paramètres REV et LOW, ainsi que par les paramètres de la formule de TROE, connus de l'homme du métier. La dernière ligne débutant par 02/ (respectivement H2O/) indique de manière conventionnelle les espèces qui composent le troisième corps M et leur efficacité respective ( Enhanced third body efficiencies en anglais). La figure 2 illustre encore de manière comparative une courbe 10 obtenue selon l'invention et une courbe 13 obtenue à partir du modèle complet de Livermore. Il apparaît que les deux courbes sont pratiquement superposées. La figure 3 illustre la qualité de l'invention en comparant l'angle d'auto inflammation a en fonction du taux de gaz brûlés recyclés ou résiduels EGR représentée d'une part par une courbe 17 obtenue en utilisant le modèle complet de Livermore et d'autre part par un ensemble de points 18 obtenus par le procédé selon l'invention. Une bonne superposition est observable, la différence entre les deux représentations 17,18 est considérée comme négligeable. On note que les points 18 constituent une partie de la matrice de cartographie 9 projetée selon la variable EGR• La modélisation telle que précédemment décrite suppose que, globalement, la chambre de combustion soit homogène et que les réactions chimiques s'y développent de manière uniforme. La réalité est plus complexe et le module de modélisation 6 comporte avantageusement un module de simulation de la mécanique des fluides 8 (Cf. figure 1). Afin de tenir compte de la géométrie de la chambre de combustion où doit s'effectuer la combustion considérée, un tel module 8 décompose ladite chambre de combustion en cellules maillant son volume total. Dans chaque cellule le module de cinétique chimique 7 est appliqué, le cas échéant en utilisant les deux sous modèles cinétiques 4, 5. Le module de mécanique des fluides 8 assure de manière connue la synthèse au niveau global des résultats obtenus dans toutes les (chaque) cellule(s), ainsi que la modélisation des interactions aux frontières entre les cellules. La séparation en deux sous modèles réduits 4, 5 selon l'invention permet l'utilisation d'un tel module de mécanique des fluides 8 tout en conservant une quantité de calcul acceptable. Un tel module de mécanique des fluides 8 peut utiliser un moteur standard de mécanique des fluides, tel par exemple STAR-CD, bien connu de l'homme du métier. Dans ce qui précède, un point de fonctionnement 1 comprend des paramètres de fonctionnement 2 parmi au moins : la température initiale To, la pression initiale Po, le taux de gaz brûlés résiduels (EGR, la richesse initiale du mélange Q00, le régime moteur RPM, la masse de carburant injecté mcarbr le type de carburant tYcarb, la stratégie d'injection Si. Dans le cas illustratif précédent comprenant huit paramètres de fonctionnement 2, la matrice 9 est une fonction F à deux sorties al et a2 et huit entrées, (al, a2) = F (To, Po, EGR, *0, RPM, mcarbr tYcarb, Si) représentable par une matrice de dimension huit. Cette matrice 9 est remplie de couples (al, a2) au moyen du procédé en faisant varier le point de fonctionnement i_ sur tout le domaine de fonctionnement du moteur 20. Pour ce faire, chacun des paramètres de fonctionnement 2 varie afin de décrire toute sa plage de valeur. La matrice 9 totalement remplie est alors dénommée cartographie 9. Dans ce qui précède, le moteur 20 est défini par des paramètres géométriques 3 parmi : diamètre d'alésage, course du pistcn, taux de compression, rapport bielle manivelle, géométrie de la chambre de combustion, taux de remous (ou swirl en anglais). Ces paramètres géométriques 3 sont des entrées pour le module de modélisation 6. Une fcis déterminée par le procédé selon l'invention, la cartographie 9 peut être utilisée, de manière connue, par un dispositif de contrôle 21 pour contrôler un moteur 20. Ceci est représenté à la figure 4. L'utilisation de paramètres géométriques 3 permet de définir précisément un moteur 20. L'utilisation conjointe d'un module de mécanique des fluides 8 et de deux sous modèles cinétiques 4, 5 réduits, permet de modéliser la combustion homogène avec des temps de calculs acceptables et de déterminer les performances dudit moteur 20. En essayant successivement différentes géométries de moteur 20, en modifiant les paramètres géométriques 3, il est possible d'optimiser une chambre de combustion au stade de sa conception. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination d'une cartographie (9) de contrôle moteur pour un processus de combustion 5 homogène, comprenant les étapes suivantes : a) détermination d'un point de fonctionnement (1), b) modélisation de la combustion homogène pour ce point de fonctionnement (1) par un module de modélisation (6), c) production d'une courbe (10) de température T en 10 fonction de l'angle vilebrequin, d) détermination de l'angle al d'une première élévation de température T1 ou auto inflammation de flamme froide, et de l'angle a2 d'une seconde élévation de température T2 ou auto inflammation principale, 15 e) stockage des valeurs des angles d'auto inflammation a1, a2 dans une matrice (9) en fonction dudit point de fonctionnement (1), f) itération des étapes a)-e) en variant le point de fonctionnement (1) afin de balayer tout le domaine de 20 fonctionnement, ledit procédé étant caractérisé en ce que la modélisation de la combustion homogène de l'étape b) applique un premier sous modèle (4) de cinétique chimique lorsque la température T est inférieure à une température critique 25 Tc et un second sous modèle (5) de cinétique chimique lorsque la température T est supérieure à la température critique Tc. 2. Procédé selon la revendication 1, où le premier sous modèle (4) de cinétique chimique considère les 10 30 réactions chimiques suivantes : C7H16 + 02 C7H15 + HO2 A=4.000E+13 b=0.00 E=50150.10 C7H16 + OH 4-7> C7H15 + H20 A=4.800E+09 b=1.30 E=690.50C7H15 + 02 171 C7H1502 A=7.540E+12 b=0.00 E=0.00 C7H1502 -~- C7H1402H A=6.000E+11 b=0.00 E=20380.00 C7H1402H + 02 C7KET + OH A=2.340E+11 b=0.00 E=0.00 C7KET C5H11C0 + CH2O + OH A=1.000E+16 b=0.00 E=42400.00 C5H11C0 C2H5 + C3H6 + CO A=1.000E+11 b=0.00 E=9600.00 HO2 + HO2 t H202 + 02 A=2.000E+14 b=0.00 E=0.00 CH2O + OH HCO + H20 A=3.000E+13 b=0.00 E=-1196.00 HCO + 02 HO2 + CO A=3.000E+12 b=0.00 E=0.00 où A est un facteur pré exponentiel, b est un exposant respectifs d'une vitesse de réaction et E est une énergie d'activation, et où KET désigne un ketohydroperoxyde H1403. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, où le second sous modèle (5) de cinétique chimique considère 15 les 8 réactions chimiques suivantes : C3H6 + 20H 'Li 2CH3 + CO + H2O A=1.000E+13 b=0.00 E=0.00 CO + OH ti CO2 + H A=4.400E+06 b=1.50 E=-741.70 H + 02 + M ti HO2 + M A=7.000E+17 b=-0. 80 E=0.00 REV/ A=5.200E+14 b=-0.07 E=50000.00/ 20 02/0.00/ H20/0.00/ CO/0. 75/ CO2/1.50/ C2H6/1.50/ N2/0.00/ HO2 + HO2 H2O2 + 02 A=2.000E+14 b=0.00 E=0.00 OH + OH (+ M) ~ H2O2 (+ M) A=7.600E+13 b=-0.37 E=0.00 LOW/ A=4.300E+18 b=-0.90 E=-1700.00/ 25 TROE/ 0.7346 94.00 1756.00 5182.00/ H2O/6.00/ CO/1.50/ CO2/2.00/ C2H6/3.00/ N2/0.70/ CH4/2.00/ CH2 + OH HCO + H2O A=3.000E+13 b=0.00 E=-1196.00 30 HCO + 02 HO2 + CO A=3.000E+12 b=0.00 E=0.00 C2H5 + 02 + 2CH2O + H A=2.000E+12 b=0.00 E=0.00où A est un facteur pré éxp6nentiel, b est un exposant respectifs d'une vitesse de réaction et E est une énergie d'activation, où KET désigne un ketohydroperoxyde H1903, où M représente un troisième corps, agissant comme catalyseur, indiqué entre parenthèses lorsque la réaction dépend de la pression, et où les paramètres REV et LOW ainsi que les paramètres de la formule de TROE, précisent la réaction dans ce cas, la dernière ligne indiquant la composition du troisième corps M et les efficacités respectives de chaque composant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où la modélisation de la combustion homogène de l'étape b) utilise un module de simulation (8) de la mécanique des fluides qui décompose une chambre de combustion de moteur où doit s'effectuer ladite combustion en cellules maillant le volume de cette chambre de combustion. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, où un dit point de fonctionnement (1) comprend des paramètres de fonctionnement (2) parmi : température initiale To, pression initiale Po, taux de gaz brûlés résiduels EGR, richesse initiale du mélange 0o, régime moteur RPM, masse de carburant injecté mcarb, type de carburant tYcarb, stratégie d'injection Si. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où le moteur (20) est défini par des paramètres géométriques (3) parmi diamètre d'alésage, course du piston, taux de compression, rapport bielle manivelle, géométrie de la chambre de combustion, taux de remous. 7. Dispositif de contrôle d'un moteur à combustion homogène comportant une cartographie (9) obtenue par leprocédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Moteur à combustion homogène contrôlé par un dispositif selon la revendication 7.