Brevet FR2923536A3 — publié le 20090515

FR 2923536 A3 20090515 FR 0707906 A 20071112 REN048FR PJ8053 dépôt DA 1 La présente invention est relative à un procédé d'estimation d'une grandeur physique d'une unité de contrôle électronique de gestion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Elle est particulièrement adaptée à l'estimation du débit d'air entrant dans un moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur. Elle concerne aussi une unité de contrôle électronique de gestion d'un moteur à combustion interne, un groupe moteur et un véhicule automobile en tant que tels mettant en oeuvre ce procédé. La gestion d'un moteur à combustion interne est mise en oeuvre dans l'état de la technique à l'aide d'un calculateur, généralement appelé UCE pour unité de contrôle électronique, qui compile les informations transmises par les capteurs et actionneurs du groupe moteur, met en oeuvre des logiciels sur la base de lois de contrôle prédéfinies et sur la base de paramètres de calibration du moteur. Dans ces opérations, le calculateur UCE met en oeuvre des calculs selon des modèles d'estimation de certaines grandeurs physiques. La fonction de ces modèles peut être de remplacer une mesure de capteur pour estimer une grandeur physique dans un endroit où il est soit impossible d'implanter un capteur soit peu fiable ou peu économique d'utiliser un capteur. En variante, un modèle de calcul d'une grandeur physique peut être cumulé à la mesure de cette grandeur physique par un capteur pour valider le bon fonctionnement du capteur ou simplement obtenir une information redondante pour diminuer la dispersion de l'information. A un instant donné et pour une grandeur donnée dont l'estimation a été choisie par modélisation, l'UCE met en oeuvre un calcul selon un modèle de calcul. Le document FR 2789731 décrit par exemple un modèle de calcul pour estimer le débit d'air total entrant dans un moteur muni d'une recirculation REN048FR PJ8053 dépôt DA 2 des gaz d'échappement, selon une méthode de réduction des émissions d'oxydes d'azote connue sous sa dénomination anglo-saxonne EGR (Exhaust Gas Recirculation), en fonction de la pression et de la température d'air dans son collecteur d'admission ainsi que de son régime. Le procédé détermine aussi une estimation du débit des gaz d'échappement en recirculation à l'aide de la position de la vanne de recirculation en appliquant la formule connue de Barré de Saint Venant. Cependant, le procédé d'estimation décrit dans ce document antérieur n'est pas applicable de façon satisfaisante dans le cas de l'utilisation d'un turbocompresseur réglable ou d'un filtre à particules prévus dans le trajet d'échappement du moteur, en raison de la contre-pression variable pouvant se produire à l'échappement. Le document FR2824596 décrit un perfectionnement du procédé précédent, tenant compte de la différence de pression régnant de part et d'autre de la vanne de recirculation des gaz d'échappement (vanne EGR) lors de l'application de la formule de Barré de Saint Venant. Dans ce cas, il subsiste cependant un inconvénient dû à la forte sensibilité du modèle à la faible différence entre les pressions présentes de part et d'autre de la vanne EGR, cette faible différence de pression se retrouvant pour la majorité des points de fonctionnement du moteur. Le document FR2894616 vise à fournir un autre procédé d'estimation du débit d'air entrant dans un moteur à combustion interne d'un groupe moteur, comportant un trajet d'admission, un trajet d'échappement et un turbocompresseur de suralimentation dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement et des moyens pour recirculer les gaz d'échappement à partir dudit trajet d'échappement vers une zone de mélange dudit trajet d'admission. Ce procédé exploite notamment un bilan d'enthalpie entre les REN048FR PJ8053 dépôt DA 3 gaz présents en amont de ladite zone de mélange et ceux présents dans ledit trajet d'échappement en amont de ladite turbine. Les documents cités précédemment illustrent le fait qu'il existe plusieurs approches pour modéliser une même grandeur physique d'un groupe moteur. Chacune de ces approches a des avantages et des inconvénients intrinsèques. L'objet de l'invention est d'améliorer la performance des modèles d'estimation des grandeurs physique de fonctionnement d'un moteur à combustion d'un véhicule automobile, notamment le débit d'air d'un moteur à combustion. A cet effet, l'invention repose sur un procédé d'estimation d'une grandeur physique de fonctionnement d'un moteur à combustion, comprenant un premier modèle de calcul permettant de calculer une première estimation de la grandeur physique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un second modèle de calcul permettant de calculer une seconde estimation de la grandeur physique, et en ce qu'il comprend une étape de pondération et/ou recalage des au moins deux modèles afin de calculer une estimation finale de la grandeur physique à partir des estimations calculées par les au moins deux modèles. L'étape de pondération et/ou recalage des au moins deux modèles peut 25 utiliser des coefficients de pondération et/ou recalage pour chaque modèle dépendant des conditions de fonctionnement du moteur. L'invention concerne aussi un procédé d'estimation du débit d'air d'un moteur à combustion comprenant la mise en oeuvre du procédé décrit ci-30 dessus. REN048FR PJ8053 dépôt DA 4 Le procédé d'estimation du débit d'air peut comprendre la mise en oeuvre dans un calculateur d'un premier modèle permettant de déterminer le débit d'air par l'équation suivante : où h+ représente le gain enthalpique du moteur, h_ la perte enthalpique, Tech la température au niveau de l'échangeur de recirculation et Tao, la température dans le collecteur d'admission. Le procédé d'estimation du débit d'air peut consister en la résolution du 10 système d'équation suivant : air + QeQr = Qmot Qair Cp air Tape + QegrCp egrTegr = Q.otcp mot Tc,/ QmotCp mot (Tech ù Tco1 ) ke Cp • Tech ù Tco1 Qair P N N 77[, rTcol 4 30 rTcol Qmot P col Vcyl où Qmot est le débit de remplissage du moteur, Qegr le débit EGR, Qgo le débit de carburant, Tape la température de l'air, Tegr La température des gaz recirculant sur la voie de recirculation, Pcol la pression dans le 15 collecteur d'admission. Le procédé d'estimation du débit d'air peut comprendre en outre la mise en oeuvre dans un calculateur d'un second modèle permettant de déterminer le débit d'air par l'équation suivante : /1 ù/2 ' 3 1+ f3 air Q 20 où REN048FR PJ8053 dépôt DA 5 P Vcyl N r7 N, air 4 30 rTair i { ke•PCI•Qgo f2 Cp mot •Tair s2 f Seff egr • Pcol 3 Seff turb + Seff wg )2 Papt col _ - rT 10 { 2 J 4 ù Seff egr • Pcol • Pcol _ Patm J (fl+f2) ( C pair fl + f2 • T C air p ech 20 25 Le procédé d'estimation du débit d'air peut comprendre la mise en oeuvre 15 dans un calculateur d'un troisième modèle permettant de déterminer le débit d'air (Qair) par l'équation suivante : où Ri est la richesse à l'échappement et Ks le coefficient stoechiométrique. Le procédé d'estimation du débit d'air peut comprendre en outre une étape de consolidation du calcul de l'estimation du débit d'air par la pondération des trois modèles précédents, le premier et/ou le troisième modèle(s) étant de plus recalé(s) par le second. Dans ce cas, le procédé d'estimation du débit d'air peut distinguer une première zone de fonctionnement du moteur pour laquelle l'EGR ne fonctionne pas, pour laquelle le procédé mettant en oeuvre un calcul du débit d'air basé sur une pondération des second et troisième modèles, et = KS Qgo R. Qair REN048FR PJ8053 dépôt DA 6 du premier modèle recalé à partir du second modèle, une seconde zone dans laquelle l'EGR fonctionne et pour laquelle le procédé met en oeuvre un calcul du débit d'air basé principalement sur le premier modèle, et une troisième zone dans laquelle la différence de pression entre l'admission et l'échappement du moteur est faible, inférieure à 100 mbars, pour laquelle le procédé met en oeuvre un calcul du débit d'air basé principalement sur le second modèle, et une pondération avec le premier modèle recalé avec le second modèle L'invention porte aussi sur une unité de contrôle électronique de gestion d'un moteur à combustion interne comprenant un calculateur mettant en oeuvre un procédé d'estimation d'une grandeur physique tel que décrit précédemment. Elle porte aussi sur un groupe moteur à combustion comprenant une entrée d'air frais provenant de l'extérieur, conduit vers une chambre à combustion du moteur, une voie de recirculation pour recirculer vers l'admission une partie des gaz d'échappement selon le principe d'exhaust gas recirculation (EGR), alors qu'une autre partie des gaz d'échappement est rejetée vers l'atmosphère par l'échappement après traversée d'une turbine, caractérisée en ce qu'il comprend une unité de contrôle électronique telle que mentionnée précédemment. Enfin, l'invention porte aussi sur un véhicule automobile caractérisé en ce 25 qu'il comprend un groupe moteur tel que décrit ci-dessus. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi 30 lesquelles : REN048FR PJ8053 dépôt DA 7 La figure 1 représente de manière simplifiée la structure d'un groupe moteur ; la figure 2 représente schématiquement les différents composants d'un groupe moteur et des grandeurs physiques gérées par l'UCE ; la figure 3 représente schématiquement un procédé de combinaison de plusieurs modèles ; la figure 4 représente schématiquement un procédé de combinaison de plusieurs modèles pour le calcul du débit d'air d'un groupe moteur selon 10 un mode d'exécution de l'invention ; la figure 5 représente schématiquement le procédé de combinaison de plusieurs modèles pour le calcul du débit d'air d'un groupe moteur selon le mode d'exécution de l'invention. 15 Un groupe moteur tel que représenté sur la figure 1 comprend une entrée 1 d'air frais provenant de l'extérieur, puis conduit vers la chambre à combustion 2 du moteur. A l'échappement, une partie des gaz sont recirculés par un conduit de recirculation 3 selon le principe EGR, alors qu'une autre partie se retrouve à l'échappement 5 vers l'atmosphère après 20 traversée d'une turbine 4. La figure 2 détaille schématiquement les différents composants de ce groupe moteur. L'air frais en entrée 1 traverse un filtre 6, un turbocompresseur 7, un RAS 8, un volet 9, un collecteur d'admission 10 25 avant l'entrée dans la chambre à combustion 2. En sortie de la chambre à combustion, les gaz traversent un collecteur d'échappement 11, puis une partie est recirculée dans une voie de recirculation EGR 3, équipée d'un échangeur de chaleur 12 et d'un actionneur EGR 13. Une autre partie des gaz d'échappement est orientée vers l'extérieur, au travers soit de la 30 turbine 4 soit d'un waste-gate 14, pour traverser enfin un catalyseur 15 REN048FR PJ8053 dépôt DA 8 puis un filtre à particules 16 pour atteindre l'échappement 17 vers l'atmosphère par un conduit d'échappement 5. Le contrôle du fonctionnement d'un tel groupe moteur par un calculateur 5 de l'unité de contrôle électronique 20 nécessite par exemple la connaissance des grandeurs physiques suivantes : - Qair Débit d'air frais à l'entrée, - Qmot Débit de remplissage du moteur - Qegr Débit EGR 10 -Qqo Débit de carburant - T, P21 Température et pression en amont du volet d'admission, - T, P22 Température et pression aval volet admission, - T, P3 Température et pression à l'échappement avant la turbine, - T,P4 : Température et pression à l'échappement après la turbine, 15 - RP_EGR : Recopie de la position de la vanne EGR, - Ta), : Température dans le collecteur d'admission - Tape Température d'air extérieur (aussi parfois dénommée Tair) -Te.: Température de l'eau de refroidissement 20 L'invention va être illustrée dans le cas d'un calcul par modélisation du débit d'air Qair d'un moteur diesel suralimenté, en utilisant les grandeurs définies ci-dessus. L'unité de contrôle électronique 20 met en oeuvre dans un calculateur un 25 premier modèle de calcul, qui utilise notamment l'hypothèse que la température T3 à l'échappement avant la turbine est connue. Ce modèle utilise une première équation correspondant à la conservation du débit massique, qui s'écrit : 30 Qair + Qegr = Qmo, (1) REN048FR PJ8053 dépôt DA 9 Le modèle utilise ensuite une seconde équation correspondant à la conservation de l'énergie à l'admission : l'enthalpie du débit de remplissage est la somme des enthalpies du débit d'air frais et du débit d'EGR. Cette équation s'écrit : QairCp air Tape + QegrCp echTech = QmotCp motTcol (2) où Tech représente la température du fluide mis en oeuvre dans l'échangeur de recirculation 12. Ensuite, entre l'admission et l'échappement, il existe principalement une source d'énergie et un puit d'énergie. La source est la production d'énergie lors de la combustion. Cette énergie est transmise à l'air lors de son écoulement dans les cylindres 2. Le puit d'énergie est situé dans l'échangeur EGR 12. En effet l'énergie prélevée à l'échappement et passant par le circuit EGR est restituée à l'admission, à l'exception du transfert entre l'écoulement EGR et l'eau de refroidissement au sein de l'échangeur EGR. Ces conclusions énergétiques nous permettent donc de déduire les deux sous-équations suivantes : h+ = Omo, C p mot • (Tech - Tco, ) = ke PCI • Qgo (3a), h+ étant le gain d'enthalpie, h_ = Qegr Cp ech . ( T S EGR ùTE EGR ) = ùke Qegr • Cp ech . ( T S EGR ù I ) (3b), h_ étant la perte d'enthalpie. Enfin, pour compléter la caractérisation de l'écoulement à l'admission, le premier modèle utilise la formule bien connue du remplissage d'un moteur 25 à combustion interne : Pcot Vcyl N N, Qmo 'col t (mg /op) = rTco, 4 30 rToot i (4) REN048FR PJ8053 dépôt DA 10 Le système constitué par les équations 1, 2, 3a et 4 représente un système de quatre équations à quatre inconnues Qair, Qmot, Qegr et Tc,/ si la température à l'échappement est connue. Cela permet d'en déduire la valeur du débit d'air selon l'équation suivante : (EQ1) Ce modèle présente ainsi l'avantage de permettre de déterminer le débit d'air frais Qair, et par conséquent le débit d'EGR Qegr, sans avoir d'information sur l'état du circuit EGR. Le résultat est très pertinent lors d'une phase stabilisée car le débit injecté, la température à l'admission, la température à l'échappement et le débit d'air sont étroitement liés. Toutefois, la précision du capteur de température Tech de l'échangeur 12 n'est pas constante sur toute la plage de fonctionnement. Ses caractéristiques en dispersions et en dérives rendent son utilisation difficile dans un modèle L'unité de contrôle électronique 20 met en oeuvre dans son calculateur un second modèle de calcul, qui utilise notamment l'hypothèse que la température T3 à l'échappement avant la turbine est inconnue. Ce second modèle comprend une modélisation de l'écoulement au travers de la vanne EGR, sur la base de la formule de Saint Venant. Cette formulation provient de l'équation de quantité de mouvement. Des hypothèses de calcul telles que la présence d'un débit nul en amont de la singularité sont appliquées. _ h+ + h_ Cp * (Tech ù Tcol ) Qair REN048FR PJ8053 dépôt DA 11 L'équation de Saint Venant dans sa formulation détaillée est la suivante : 10 +l) L (y + 1) _ •685 si QEca = Seff (EGRroa) Pech tjrechTech r ( P col \ Pech (r 2 2(rù1) 2 (H) =528 . \Pech/ (Y+1) BSV 2y (Yù1) rP BSV `'°' Pech / rp col \ Pech / BSV (r+1) ù r col \ Pech / ( Pcol ] / 2 \Pech (Y+1 Si rp col Une autre combinaison possible entre les modèles consiste à mettre en oeuvre un ou plusieurs recalages. Considérons un modèle A de performance moyenne mais utilisable sur tout le domaine de fonctionnement. Considérons un second modèle B, très performant mais exclusivement dans une zone très restreinte du domaine précédent. Il est possible de recaler le modèle A par le modèle B par un coefficient correctif a lorsque l'on se trouve dans la zone ou le modèle B est performant. Ce correctif peut alors être appliqué totalement ou en partie sur tout le champ de fonctionnement de A. De cette manière, A reste le modèle utilisé mais sa performance est augmentée, grâce à son recalage à l'aide du modèle B. Il y a encore ici une étape de consolidation du calcul consistant en la combinaison des deux modèles distincts A et B permettant chacun de manière indépendante de déterminer une estimation de la même grandeur physique. L'implémentation à titre d'exemple de cette étape de consolidation pour le procédé de calcul du débit d'air peut consiste à combiner les résultats obtenus par les équations EQ1, EQ2 et EQ3 obtenus par les trois modèles détaillés ci-dessus et mis en oeuvre au sein de l'UCE 20. Pour cela, le procédé selon l'invention comprend donc d'abord les étapes consistant à calculer de manière indépendante le débit d'air par chacun des trois modèles à disposition, puis à combiner dans une ultime étape ces résultats. La figure 4 illustre la combinaison retenue dans REN048FR PJ8053 dépôt DA 16 l'implémentation illustrée. Le modèle 2 est proche du modèle 1, peut être considéré comme une variante : il est proposé de l'utiliser pour recaler les deux modèles 1 et 3. Ensuite, ces trois modèles, éventuellement recalés, sont pondérés afin d'obtenir une valeur finale du débit d'air. La figure 5 illustre les différentes configurations de fonctionnement du moteur retenues pour l'application de la combinaison de la figure 4. Ces configurations sont déterminées par deux caractéristiques de fonctionnement du moteur, la pression moyenne effective PME positionnée en ordonnée et le régime du moteur positionné en abscisse. On distingue ainsi trois zones : -une zone 31 dans laquelle l'EGR ne fonctionne pas. On utilise particulièrement une pondération des modèles 2 et 3, et du modèle 1 recalé à partir du modèle 2 ; -une zone 32 dans laquelle l'EGR fonctionne. On utilise principalement le modèle 1, le modèle 2 est peu performant dans cette zone ; -une zone 33 dans laquelle la différence de pression entre l'admission P 1 et l'échappement P3 du moteur est faible, inférieure à 100 mbars : on favorise le modèle 2 plus performant, le modèle 1 est recalé avec le modèle 2. La transition entre ces différentes zones sera avantageusement continue. Bien entendu, l'exemple précédent a été mis en oeuvre sur la base de la combinaison entre trois modèles mais le nombre de modèles utilisés pourrait être différent, quelconque supérieur ou égal à deux. De plus, l'invention a été illustrée pour l'estimation du débit d'air, mais elle pourrait aussi bien être implémentée pour l'estimation d'autres grandeurs physiques caractéristiques du fonctionnement du moteur, notamment REN048FR PJ8053 dépôt DA 17 parmi celles listées précédemment, inconnues dans les différents systèmes d'équation établis. Revendications 1. Procédé d'estimation d'une grandeur physique de fonctionnement d'un moteur à combustion, comprenant un premier modèle de calcul permettant de calculer une première estimation de la grandeur physique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un second modèle de calcul permettant de calculer une seconde estimation de la grandeur physique, et en ce qu'il comprend une étape de pondération et/ou recalage des au moins deux modèles afin de calculer une estimation finale de la grandeur physique à partir des estimations calculées par les au moins deux modèles. 2. Procédé d'estimation d'une grandeur physique de fonctionnement d'un moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de pondération et/ou recalage des au moins deux modèles utilise des coefficients de pondération et/ou recalage pour chaque modèle dépendant des conditions de fonctionnement du moteur. 3. Procédé d'estimation du débit d'air (Qair) d'un moteur à combustion 20 comprenant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2. 4. Procédé d'estimation du débit d'air selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre dans un calculateur d'un premier modèle permettant de déterminer le débit d'air (Qair) par 25 l'équation (EQ1) suivante : où h+ représente le gain enthalpique du moteur, h_ la perte enthalpique, Tech la température au niveau de l'échangeur de recirculation (12) et Tco1 la température dans le collecteur d'admission (10). Cp . (Tech -T 01) QairREN048FR PJ8053 dépôt DA 19 5. Procédé d'estimation du débit d'air selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'équation (EQ1) provient de la résolution du système d'équation suivant : Qair + Qegr = Qmot QairCp airTape + QegrCp egrTegr = QmotÇp motTcol Qmot Çp mot (Tech ù Tcol) = ke PCI • Qgo Qmot = Pcol Y cYl ri N 19'1 rTco1 4 30 rTcol où mot est le débit de remplissage du moteur, Qegr le débit EGR, Qgo le débit de carburant, Tape la témpérature de l'air, Tegr La température des gaz recirculant sur la voie de recirculation (3), Pal la pression dans le collecteur d'admission (10) 6. Procédé d'estimation du débit d'air selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre dans un calculateur d'un second modèle permettant de déterminer le débit d'air (Qair) par l'équation (EQ2) suivante : où col VcYI N N Pcol rT . 4 30 ' rTalr P air ke •PCI • Qgo Cp mot •Tair 2 sef egr • Pcol 3 (Seif turb + sefj wg )2 Papt (fl+f2) fi + p air f2 Cp ech _f-f2. .3 1+ f3 Qair f f2 .T airREN048FR PJ8053 dépôt DA 20 7. Procédé d'estimation du débit d'air selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre dans un calculateur d'un troisième modèle permettant de déterminer le débit d'air Pair) par 5 l'équation (EQ3) suivante : où Ri est la richesse à l'échappement et Ks le coefficient stoechiométrique. 10 8. Procédé d'estimation du débit d'air selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de consolidation du calcul de l'estimation du débit d'air par la pondération des trois modèles selon les revendications 4, 6 et 7, le premier et/ou le troisième modèle(s) étant de plus recalé(s) par le second. 15 9. Procédé d'estimation du débit d'air selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il distingue une première zone (31) de fonctionnement du moteur pour laquelle I'EGR ne fonctionne pas, pour laquelle le procédé met en oeuvre un calcul du débit d'air basé sur une 20 pondération des second et troisième modèles, et du premier modèle recalé à partir du second modèle, une seconde zone (32) dans laquelle l'EGR fonctionne et pour laquelle le procédé met en oeuvre un calcul du débit d'air basé principalement sur le premier modèle, et une troisième zone (33) dans laquelle la différence de pression entre l'admission (Pcor) et 25 l'échappement (P3) du moteur est faible, inférieure à 100 mbars, pour laquelle le procédé met en oeuvre un calcul du débit d'air basé principalement sur le second modèle, et une pondération avec le premier modèle recalé avec le second modèle air = Ks Qgo R.REN048FR PJ8053 dépôt DA 21 10. Unité de contrôle électronique de gestion d'un moteur à combustion interne comprenant un calculateur mettant en oeuvre un procédé d'estimation d'une grandeur physique selon l'une des revendications 1 ou 2. 11. Groupe moteur à combustion comprenant une entrée d'air frais (1) provenant de l'extérieur, conduit vers une chambre à combustion (2) du moteur, une voie de recirculation (3) pour recirculer vers l'admission une partie des gaz d'échappement selon le principe d'exhaust gas recirculation (EGR), alors qu'une autre partie des gaz d'échappement est rejetée vers l'atmosphère par l'échappement (5) après traversée d'une turbine (4), caractérisée en ce qu'il comprend une unité de contrôle électronique (20) selon la revendication précédente. 12. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un groupe moteur selon la revendication précédente.