Brevet FR2910062A1 — publié le 20080620

Procédé et dispositif de contrôle en continu de la fiabilité mécanique d'un moteur à combustion interne en utilisation La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle en continu de la fiabilité mécanique des composants les plus sollicités d'un moteur à combustion interne lors de son utilisation. L'invention trouve notamment une application dans le domaine des moteurs Diesel et des moteurs à allumage commandé de véhicules automobiles. Ces composants peuvent être, notamment et de manière non limitative, la culasse, le carter, les cylindres, les pistons, l'équipage mobile, le collecteur d'échappement, le turbo compresseur. Or, de tels composants subissent des agressions du fait de l'utilisation même normale du véhicule et qui sont dues pour l'essentiel : - à des contraintes thermiques ; - à des efforts mécaniques. Particulièrement, ces contraintes et efforts sont produits par des variations brutales d'utilisation du véhicule par exemple lorsque le conducteur sollicite une accélération importante du véhicule ou un tirage d'une charge. Il en résulte que la durée de vie de l'un ou l'autre des composants du moteur à combustion est entamée par de telles contraintes ou de tels efforts. Or, la défaillance d'un seul composant est le plus souvent la cause d'une panne générale du moteur à combustion qui pénalise l'utilisation normale du véhicule. Dans l'état de la technique, on trouve des publications relatives à des stratégies de contrôle de certains paramètres thermiques ou mécaniques du fonctionnement du moteur, tels que des températures de fluide circulant dans le moteur. Un exemple d'un tel état de la technique se trouve dans le document 2910062 2 US-A-2003/10113213. D'autres publications concernent également le contrôle en temps réel du niveau d'endommagement d'une machine. Un exemple d'un tel état de la technique se trouve dans le document EP-A1-1.085.311. 5 Cependant, ces deux états de la technique n'indiquent pas de solution visant à protéger l'utilisateur d'une défaillance. L'objectif de cette invention est d'assurer la durée de vie optimale des pièces mécaniques les plus sollicitées d'un moteur à combustion interne, quelles que soient ses conditions d'utilisation 10 et d'éviter toute panne immobilisante au client suite à la défaillance de cette pièce. Pour cela, l'invention concerne un procédé de contrôle en continu de la fiabilité mécanique des composants les plus sollicités d'un moteur à combustion interne lors de son utilisation. 15 Le procédé consiste à estimer en temps réel le niveau d'endommagement de la pièce et son taux d'évolution en fonction du temps d'utilisation ou du nombre de kilomètres parcourus ; puis, lorsque cet endommagement ou son taux d'évolution atteignent une ou plusieurs valeurs limites, à appliquer 20 ^ soit une stratégie de réduction de la puissance du moteur afin de limiter la progression de cet endommagement pour assurer une durée de vie de la pièce cohérente avec des objectifs de fiabilité prédéterminés ; • soit une alerte de maintenance prédéterminée est 25 émise. Selon un aspect de l'invention, l'étape d'estimation du degré d'endommagement comporte une étape pour exécuter la simulation du comportement thermique de la pièce ou composant et/ou de l'ensemble du moteur thermique contrôlé sur la base d'un 30 modèle thermique MT() qui dépend de l'estimation de puissance et/ou de son historique. Selon un aspect de l'invention, l'étape d'estimation du niveau d'endommagement comporte ensuite une étape pour 2910062 3 exécuter la simulation du comportement thermo mécanique de la pièce ou composant et/ou de l'ensemble du moteur thermique contrôlé sur la base d'un modèle de comportement thermo mécanique MTM() qui dépend d'un profil de températures issu de 5 la simulation du comportement thermique de ladite pièce ou composant et/ou de l'ensemble du moteur thermique contrôlé. Selon un aspect de l'invention, le procédé comporte ensuite une étape d'identification de zones critiques de chaque composant surveillé ou contrôlé, pour chacune desquelles une 10 grandeur indicatrice des contraintes locales thermo mécaniques est produite. Selon un aspect de l'invention, le procédé comporte ensuite une étape pour produire l'historique de l'ensemble des grandeurs indicatrices des contraintes locales thermo mécaniques 15 de chaque zone critique de chaque composant surveillé ou contrôlé sur la base dudit modèle de comportement thermo mécanique MTM(), puis en ce que, sur la base des contraintes locales thermo mécaniques, une estimation du degré d'endommagement DE relatif au composant est produite. 20 Selon un aspect de l'invention, si l'évolution de l'endommagement ou l'évaluation du niveau final d'endommagement s'améliore, la stratégie de réduction de la puissance du moteur est assouplie, éventuellement jusqu'à revenir au niveau de performances initiale. 25 Selon un aspect de l'invention, la stratégie de protection est déclenchée uniquement pour les moteurs et/ou les composants qui risquent de subir une défaillance. L'invention concerne aussi un dispositif de contrôle en continu de la fiabilité mécanique des composants les plus 30 sollicités d'un moteur à combustion interne lors de son utilisation du genre comprenant : - une mémoire de fichiers déterminant des données d'exploitation, 2910062 4 - une section de mesure de puissance instantanée du moteur - une section de mesures de paramètres d'utilisation - une section pour produire un degré d'endommagement 5 d'au moins un composant du moteur - une section pour exécuter un scénario en réponse à la mesure du degré d'endommagement. Selon un aspect de l'invention, la section de mesure de puissance comporte un module d'entrée alimenté par au moins 10 une mesure du couple et/ou du régime de rotation du moteur, stockées en temps réel dans un premier fichier à une fréquence d'écriture déterminée. Selon un aspect de l'invention, la section de mesures de paramètres d'utilisation comporte des moyens de mesure de 15 données caractéristiques du moteur et de chaque composant contrôlé du moteur, initialement chargées dans un second fichier de la mémoire du calculateur. Selon un aspect de l'invention, la section pour produire un degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur 20 coopère avec un premier module d'exécution d'algorithme pour évaluer les évolutions temporelles de la température de différents points ou zones critiques de chaque composant ou du moteur contrôlé. Selon un aspect de l'invention, la section pour produire un 25 degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur coopère avec un deuxième module d'exécution d'algorithme pour, à partir de ces évolutions ainsi que celles d'autres paramètres de chargement mécanique tels que la pression de combustion, calculer l'évolution de grandeurs mécaniques caractéristiques 30 dans les zones les plus critiques de la pièce puis évaluer un indicateur d'endommagement cumulé de la pièce depuis sa mise en service ainsi que son taux d'évolution en fonction du temps d'utilisation ou du kilométrage parcouru. 2910062 5 Selon un aspect de l'invention, la section pour produire un degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur coopère avec un troisième module d'exécution de test du niveau d'endommagement et de son taux d'évolution afin d'extrapoler le 5 niveau d'endommagement pour le temps ou le kilométrage d'utilisation maximaux compte tenu du cahier des charges de fiabilité du moteur ou du véhicule, enregistré sous forme d'un troisième fichier enregistré dans la mémoire du calculateur du véhicule. 10 Selon un aspect de l'invention, sur la base du niveau limite de résistance de la pièce, déterminé préalablement par essai et stocké dans le troisième fichier dans la mémoire du calculateur, un quatrième fichier enregistré dans la mémoire enregistre une mémoire de scénarios d'au moins une stratégie de protection du 15 client exécutée afin de lui éviter une panne immobilisante. Selon un aspect de l'invention, le dispositif coopère avec un moyen de contrôle du niveau de performance du moteur selon un scénario prédéterminé afin de limiter les sollicitations thermiques et mécaniques appliquées à la ou aux pièces les plus 20 critiques. Selon un aspect de l'invention, le niveau de performance du moteur est défini en terme de niveau de couple maximal disponible en fonction du régime moteur et en ce que le moyen de contrôle agit sur le niveau de couple en fonction de la mesure 25 produit par des capteurs de mesure ou des estimateurs logiciels : - de paramètres de températures comprenant de manière non limitative : air extérieur, liquide de refroidissement, huile ; - de paramètres d'utilisation du groupe motopropulseur comprenant de manière non limitative : régime moteur, position de 30 l'accélérateur, rapport de boîte de vitesse, - de paramètres temporels comprenant de manière non limitative : durée d'utilisation du couple maximal avant passage à un niveau de couple réduit, nombre d'utilisations du couple 2910062 6 maximal sur une période donnée, temps minimal entre deux utilisations du couple maximal. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des 5 dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 représente un organigramme d'un mode de réalisation du procédé de l'invention ; - la figure 2 représente un schéma bloc d'un dispositif de contrôle selon un mode particulier de réalisation de l'invention. 10 Sur les moteurs de puissance spécifique élevée, dont les composants mécaniques sont très sollicités, le procédé de l'invention permet de protéger les utilisations extrêmes d'une panne immobilisante sans avoir à limiter systématiquement les performances pour l'ensemble des utilisations plus modérées. 15 A cet effet, l'invention concerne un procédé de contrôle en continu de la fiabilité mécanique des composants les plus sollicités d'un moteur à combustion interne lors de son utilisation. Le procédé de l'invention consiste à estimer la puissance instantanée délivrée par le moteur à explosion au moins à des 20 instants déterminés. Après chaque estimation de puissance, ou après un échantillonnage de ces estimations, il est exécuté une estimation d'un degré d'endommagement de chaque composant surveillé du moteur. Puis, on exécute une comparaison du degré d'endommagement du composant avec un historique des 25 endommagements. Enfin, une action corrective sur la commande du moteur est exécutée en fonction de contraintes établies en réponse à la comparaison du degré d'endommagement et de l'historique d'endommagement. Selon un mode de réalisation de l'invention, un programme 30 de calcul spécifique est embarqué sur un calculateur du véhicule. Ce programme comporte un module d'entrée alimenté par les deux données suivantes, le couple et le régime de rotation du moteur. Ces données sont stockées en temps réel dans un fichier. 2910062 7 Une fréquence d'écriture de ces données de l'ordre de 1 Hz est suffisante. A partir de ces données temporelles et d'un certain nombre de données caractéristiques du moteur et de la pièce initialement 5 chargées dans un second fichier de la mémoire du calculateur, un premier module d'exécution d'algorithme est en mesure d'évaluer les évolutions temporelles de la température de différents points critiques de la ou des pièces considérées. Un deuxième module d'exécution d'algorithme permet, à 10 partir de ces évolutions ainsi que celles d'autres paramètres de chargement mécanique tels que la pression de combustion, de calculer l'évolution de grandeurs mécaniques caractéristiques dans les zones les plus critiques de la pièce puis d'évaluer un indicateur d'endommagement cumulé de la pièce depuis sa mise 15 en service ainsi que son taux d'évolution en fonction du temps d'utilisation ou du kilométrage parcouru. Régulièrement dans un troisième module d'exécution de test, le niveau d'endommagement et son taux d'évolution sont utilisés afin d'extrapoler le niveau d'endommagement pour le 20 temps ou le kilométrage d'utilisation maximaux compte tenu du cahier des charges de fiabilité du moteur ou du véhicule, enregistré sous forme d'un troisième fichier enregistré dans la mémoire du calculateur du véhicule. Si ce niveau extrapolé dépasse le niveau limite de résistance de la pièce, déterminé 25 préalablement par essai et stocké dans le troisième fichier dans la mémoire du calculateur, une stratégie de protection du client est mise en place afin de lui éviter une panne immobilisante. Cette stratégie est enregistrée sous forme de scénarios dans un quatrième fichier enregistré dans la mémoire du calculateur du 30 véhicule et comporte deux scénarios complémentaires. Le premier scénario consiste à contrôler le niveau de performance du moteur, afin de limiter les sollicitations thermiques et mécaniques appliquées à la ou aux pièces les plus 2910062 8 critiques. La performance du moteur est définie en terme de niveau de couple maximal disponible en fonction du régime moteur. Ce niveau de couple peut être limité en fonction : - de paramètres de températures comprenant de manière 5 non limitative : air extérieur, liquide de refroidissement, huile ; - de paramètres d'utilisation du groupe motopropulseur comprenant de manière non limitative : régime moteur, position de l'accélérateur, rapport de boîte de vitesse, - de paramètres temporels comprenant de manière non 10 limitative : durée d'utilisation du couple maximal avant passage à un niveau de couple réduit, nombre d'utilisations du couple maximal sur une période donnée, temps minimal entre deux utilisations du couple maximal. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, tous 15 ces paramètres sont enregistrés dans une mémoire de cartographie en fonction du régime. Si cette stratégie, ou une modification des conditions d'utilisation du moteur, conduisent à une réduction significative du taux d'évolution de l'endommagement et donc de l'évaluation du 20 niveau final au terme de l'objectif d'utilisation, la stratégie de protection peut être assouplie, éventuellement jusqu'à revenir au niveau de performances initiale. Le second scénario consiste à émettre vers l'utilisateur un message d'alerte l'invitant à contacter le service après-vente du 25 véhicule afin de vérifier l'état de la pièce concernée et de procéder si nécessaire à un remplacement préventif. La stratégie de protection est déclenchée automatique-ment. Dans un mode particulier de réalisation, la stratégie de protection est déclenchée uniquement pour les clients qui risquent 30 de subir une défaillance. Cette stratégie de protection exploite uniquement des informations fournies par des capteurs déjà existant sur le moteur : couple, régime, rapport de boîte, température d'air, d'eau 2910062 9 d'huile. Aucun capteur spécifique et intrusif dans les pièces (températures de matière, jauge de déformation) n'est nécessaire. Dans un mode particulier de réalisation, la stratégie de protection est un scénario réversible. Si le taux d'évolution de 5 l'endommagement en fonction du temps d'utilisation revient à des valeurs acceptables, la stratégie de réduction de performance peut être assouplie, voire supprimée. Sur les moteurs de puissance spécifique élevée, dont les composants mécaniques sont très sollicités, l'invention permet de 10 protéger les clients aux utilisations extrêmes d'une panne immobilisante sans avoir à limiter systématiquement les performances pour l'ensemble des clients. Selon le mode de réalisation préféré, l'invention comprend les éléments suivants 15 - une intégration du programme de calcul de niveau d'endommagement dans le calculateur du moteur ; - un stockage des données caractéristiques du moteur dans la mémoire du calculateur ; - la réalisation du calcul du niveau d'endommagement en 20 temps réel, à partir des paramètres d'utilisation du moteur gérés par le calculateur et comparaison avec les valeurs limites ; - en cas de dépassement des valeurs limites, activation des stratégies de protection de l'utilisateur prédéfinies par réduction des performances ; 25 - un bouclage sur le niveau d'endommagement ; - si les stratégies de protection n'apparaissent pas suffisantes, émission du message d'alerte. A la figure 1, on a représenté un organigramme d'un mode de réalisation du procédé de l'invention. Après une étape de 30 début de contrôle E1 , le procédé consiste à initialiser une boucle B de contrôle qui débute par une étape d'estimation de la puissance moteur E2. 2910062 10 L'étape d'estimation de puissance est préférentiellement exécutée à une fréquence déterminée comme une fréquence de 1 Hz. L'estimation de puissance est alors enregistrée dans un fichier d'estimation des puissances. Dans un mode particulier de 5 réalisation, l'estimation de puissance P_mot est exécutée sur la base de la mesure du couple moteur C_mot appliqué par l'équipage mobile du moteur à combustion interne contrôlé et de la mesure du régime moteur instantané N_mot. La puissance instantanée P_mot est alors estimée par une relation de la forme 10 P mot = C mot * N mot. Lors d'une étape suivante E3, on exécute une estimation du degré d'endommagement DE d'au moins un composant du moteur à combustion interne contrôlé par le dispositif de l'invention selon le procédé de l'invention. 15 Lors d'une étape suivante E4, on exécute ensuite sur la base du degré d'endommagement estimé DE et de l'historique des endommagements subis par l'ensemble des composants et/ou du moteur à combustion interne contrôlé, le calcul d'un critère d'endommagement en fonction d'une liste de contraintes 20 d'endommagement enregistrée dans la mémoire de programmes du contrôleur de l'invention sous la forme d'une fonction prédéfinie CritèreEndom() qui admet deux arguments, respectivement : - le degré d'endommagement estimé DE et 25 -l'historique Hist des endommagements ou contraintes subis par le moteur. Lors d'une étape suivante E5, on exécute le test d'une fonction de fiabilité F0, dépendant du critère d'endommagement calculé précédemment CE à l'étape E4 par rapport à un seuil de 30 fiabilité prédéterminé, Seuil_ Fiabilité, par exemple établi lors de la production du véhicule, et enregistrée dans la mémoire associée au contrôleur de l'invention. Le test est dans un exemple de réalisation définie par une relation de la forme : 2910062 11 F(CE) REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle en continu de la fiabilité des composants les plus sollicités d'un moteur à interne lors de son utilisation, caractérisé en ce qu'il estimer en temps réel le niveau d'endommagement pièce et son taux d'évolution en fonction du temps ou du nombre de kilomètres parcourus ; puis, lorsque cet endommagement ou son taux d'évolution atteignent une ou plusieurs valeurs limites, à appliquer (E6) : 10 • soit une stratégie de réduction de la puissance du moteur afin de limiter la progression de cet endommagement pour assurer une durée de vie de la pièce cohérente avec des objectifs de fiabilité prédéterminés ; • soit une alerte de maintenance prédéterminée est 15 émise. 2 û Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'estimation du niveau d'endommagement (E3) comporte une étape pour exécuter la simulation du comportement thermique de la pièce ou composant et/ou de l'ensemble du 20 moteur thermique contrôlé sur la base d'un modèle thermique MT() qui dépend de l'estimation de puissance et/ou de son historique. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape d'estimation du niveau d'endommagement (E3) comporte 25 ensuite une étape pour exécuter la simulation du comportement thermo mécanique de la pièce ou composant et/ou de l'ensemble du moteur thermique contrôlé sur la base d'un modèle de comportement thermo mécanique MTM() qui dépend d'un profil de températures issu de la simulation du comportement thermique de 30 ladite pièce ou composant et/ou de l'ensemble du moteur thermique contrôlé. 4 û Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que il comporte ensuite une étape d'identification de zones 1 mécanique combustion consiste à (E3) de la d'utilisation 2910062 17 critiques de chaque composant surveillé ou contrôlé, pour chacune desquelles une grandeur indicatrice des contraintes locales thermo mécaniques est produite. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 5 il comporte ensuite une étape pour produire l'historique de l'ensemble des grandeurs indicatrices des contraintes locales thermo mécaniques de chaque zone critique de chaque composant surveillé ou contrôlé sur la base dudit modèle de comportement thermo mécanique MTM(), puis en ce que, sur la base des contraintes locales thermo mécaniques, une estimation du degré d'endommagement DE relatif au composant est produite. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que si l'évolution de l'endommagement ou l'évaluation du niveau final d'endommagement s'améliore, la stratégie de réduction de la puissance du moteur est assouplie, éventuellement jusqu'à revenir au niveau de performances initiale. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la stratégie de protection est déclenchée uniquement pour les moteurs et/ou les composants qui risquent de subir une défaillance. 8 - Dispositif de contrôle en continu de la fiabilité mécanique des composants (11 û 15) les plus sollicités d'un moteur à combustion interne (10) lors de son utilisation, caractérisé en ce qu'il comporte : une mémoire (7) de fichiers déterminant des données d'exploitation, - une section (2) de mesure de puissance instantanée du moteur, une section (3) de mesures de paramètres 30 d'utilisation, - une section (4) pour produire un degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur, 2910062 18 une section (5) pour exécuter un scénario en réponse à la mesure du degré d'endommagement. 9 ù Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la section (2) de mesure de puissance comporte un module 5 d'entrée alimenté par au moins une mesure du couple et/ou du régime de rotation du moteur, stockées en temps réel dans un premier fichier (7ù1) à une fréquence d'écriture déterminée. 10 ù Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la section (3) de mesures de paramètres d'utilisation 10 comporte des moyens de mesure de données caractéristiques du moteur et de chaque composant contrôlé du moteur, initialement chargées dans un second fichier de la mémoire du calculateur. 11ù Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la section (4) pour produire un degré d'endommagement d'au 15 moins un composant du moteur coopère avec un premier module d'exécution d'algorithme pour évaluer les évolutions temporelles de la température de différents points ou zones critiques de chaque composant ou du moteur contrôlé. 12 ù Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce 20 que la section (4) pour produire un degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur coopère avec un deuxième module d'exécution d'algorithme pour, à partir de ces évolutions ainsi que celles d'autres paramètres de chargement mécanique tels que la pression de combustion, calculer l'évolution de 25 grandeurs mécaniques caractéristiques dans les zones les plus critiques de la pièce puis évaluer un indicateur d'endommagement cumulé de la pièce depuis sa mise en service ainsi que son taux d'évolution en fonction du temps d'utilisation ou du kilométrage parcouru. 13 ù Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la section (4) pour produire un degré d'endommagement d'au moins un composant du moteur coopère avec un troisième module d'exécution de test du niveau d'endommagement et de son taux 2910062 19 d'évolution afin d'extrapoler le niveau d'endommagement pour le temps ou le kilométrage d'utilisation maximaux compte tenu du cahier des charges de fiabilité du moteur ou du véhicule, enregistré sous forme d'un troisième fichier (7-3) enregistré dans 5 la mémoire du calculateur du véhicule. 14 û Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que sur la base du niveau limite de résistance de la pièce, déterminé préalablement par essai et stocké dans le troisième fichier dans la mémoire du calculateur, un quatrième fichier 10 enregistré dans la mémoire enregistre une mémoire de scénarios d'au moins une stratégie de protection du client exécutée afin de lui éviter une panne immobilisante. 15 û Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il coopère avec un moyen de contrôle du niveau de 15 performance du moteur selon un scénario prédéterminé afin de limiter les sollicitations thermiques et mécaniques appliquées à la ou aux pièces les plus critiques. 16 û Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le niveau de performance du moteur est défini en terme de 20 niveau de couple maximal disponible en fonction du régime moteur et en ce que le moyen de contrôle agit sur le niveau de couple en fonction de la mesure produit par des capteurs de mesure ou des estimateurs logiciels : - de paramètres de températures comprenant de manière 25 non limitative : air extérieur, liquide de refroidissement, huile ; - de paramètres d'utilisation du groupe motopropulseur comprenant de manière non limitative : régime moteur, position de l'accélérateur, rapport de boîte de vitesse, - de paramètres temporels comprenant de manière non 30 limitative : durée d'utilisation du couple maximal avant passage à un niveau de couple réduit, nombre d'utilisations du couple maximal sur une période donnée, temps minimal entre deux utilisations du couple maximal.