Brevet FR2927371A1 — publié le 20090814

Procédé de régulation des flux thermiques de combustion d'un moteur de véhicule automobile [000l] La présente invention se rapporte à un procédé de régulation des flux thermiques de combustion d'un moteur de véhicule automobile au moyen d'un capteur de température d'échappement. [0002] Le domaine de l'invention est, d'une façon générale, celui des moteurs 10 thermiques à essence ou Diesel. Plus précisément, l'invention concerne la tenue thermomécanique des composants du moteur étant directement soumis à des flux de combustion, en particulier les composants constituant une chambre de combustion. [0003] La figure 1 montre, de façon schématique, une vue en coupe d'un exemple 15 de chambre de combustion d'un moteur à combustion interne dit essence, c'est-à-dire à allumage commandé. [0004] La chambre 1 de combustion est une cavité dans laquelle se produit la réaction de combustion. Le volume de la chambre 1 varie selon un mouvement de coulissement d'un piston 2 au sein d'un cylindre 3. Une culasse 4 ferme le haut du 20 cylindre 3 pour former ainsi la chambre 1 de combustion. Entre la culasse 4 et le cylindre 3 est placé un joint 5 de culasse 4. Une soupape 6 permet de contrôler l'entrée 7 de gaz d'admission dans la chambre de combustion. En injection dite indirecte, le carburant est introduit dans le conduit d'admission. En injection dite directe, le carburant est directement introduit dans la chambre, par un injecteur 25 débouchant directement dans celle-ci. [0005 L'allumage du mélange air-carburant est initié par une bougie 8 dans le cas d'un moteur à allumage commandé comme ici schématisé. Dans le cas d'un moteur diesel, cet allumage est obtenu par auto-inflammation par compression. [0006] Un paramètre important de la combustion est la richesse du mélange air-30 carburant qui indique si la réaction se produit dans des conditions stoechiométriques (richesse 1), avec un excès d'air, donc d'oxygène, richesse inférieure à 1 comme5 dans la plupart des phases de fonctionnement d'un moteur diesel, ou richesse supérieure à 1 quand la réaction est produite avec un excès de carburant. [0007] Les moteurs diesel opèrent normalement sans régulation de la richesse, la richesse étant alors fonction de la quantité de carburant injecté pour un moteur à injection directe. Pour un moteur à allumage commandé, une consigne de richesse est définie en fonction du régime N du moteur et d'un débit de carburant injecté. D'autre part, une richesse est mesurée par une sonde à oxygène. Dès lors, l'écart entre la consigne de richesse et la richesse mesurée alimente un régulateur de type proportionnel intégral dérivé (PID). Un tel régulateur PID est un organe de contrôle permettant d'effectuer une régulation en boucle fermée d'un système industriel. Par exemple, ce régulateur PID vient piloter, au moyen d'une commande, une vanne de gaz d'échappement recyclés pour annuler cet écart. [0008] Néanmoins, ce type de contrôle reste faillible en cas de dérive du système d'injection en carburant. Cette dérive modifie la consigne de richesse qui est cartographiée en régime et en débit d'injection en carburant. [000s] Concrètement, la dérive du système d'injection se traduit par une variation au cours du temps du débit réellement injecté pour une consigne de débit en carburant constante. En effet, les défauts actuels des systèmes d'injection en carburant dits � Common Rail � sont d'une part une dispersion en sortie d'usine, due aux tolérances et aux pressions extrêmement élevées du système, et d'autre part une dérive dans le temps, au cours de l'utilisation du véhicule, de la caractéristique d'injection, en débit, des injecteurs utilisés. Cette dispersion et cette dérive sont principalement dues aux tolérances de fabrication et aux pressions extrêmement élevées mises en jeu. [ooio] L'information de consigne de débit en carburant, qui est gérée par un calculateur de contrôle du moteur, correspond à une entrée de la plupart des cartographies qui définissent le mode de fonctionnement du moteur. Ce mode de fonctionnement détermine notamment une consigne d'injection et une consigne de la boucle d'air. [0011] Dès lors, lorsque le système d'injection dérive, les consignes en sortie des cartographies ne sont plus cohérentes avec le débit de carburant réellement injecté. En particulier, dans le cas du contrôle des flux thermiques du moteur, lorsque le débit réel de carburant est supérieur à la consigne, on a une augmentation de la température d'échappement et des flux thermiques et donc une dégradation des pièces constituant la chambre soumise à ces flux thermiques. [0012] Un but essentiel de l'invention est de résoudre le problème de l'impact néfaste d'une dérive de la quantité de carburant injectée, sur les flux thermiques et donc sur la tenue thermomécanique des pièces formant la chambre 1 de combustion du moteur. [0013] Pour contrer ce dernier phénomène, la stratégie proposée dans l'état de la technique prévoit d'ajuster le système d'injection. Cet ajustement se réalise en recalant la valeur de la consigne de débit en carburant sur le débit en carburant réellement injecté. [0014] L'étude des flux thermiques des chambres de combustion est une préoccupation dans le domaine technique des moteurs thermiques : • le document technique JP2006112234 propose un calcul des flux thermiques afin de réguler le circuit de refroidissement moteur, • le document technique JP2004353490 propose de déterminer des transferts thermiques des parois de la chambre vers le mélange. [0015] D'autres documents techniques, qui n'insistent pas sur la notion de flux thermiques, proposent de détecter des situations de surchauffe du moteur, en se basant sur la température à l'échappement, comme dans le document technique JP60043144, et d'adapter l'injection en cas de surchauffe, comme dans le document technique KR100306400. [0016] On connaît également l'enseignement du document technique JP3199651 qui semble se baser sur les mêmes considérations que l'invention, mais effectue la démarche inverse, à savoir de réguler l'injection, mais en déterminant la température à l'échappement en fonction des flux thermiques. [0017] Les flux thermiques sont, par exemple, calculés au moyen d'un outil d'analyse de combustion qui détermine des températures Tgaz de gaz de combustion ainsi que des températures Tparoi de parois de la chambre 1 en fonction des paramètres moteurs tels que, notamment, une masse d'air, une masse de carburant. [0018] Dans un exemple, pour calculer les flux thermiques FT du piston 2, exprimés en watts, on utilise l'équation suivante : FT2 = K x S2 (Tgaz ù Tparoi2) [0019] S est la surface du piston 2. Le coefficient K provient de corrélations empiriques généralement utilisées lors d'analyses de combustion pour le calcul de flux thermiques. La corrélation la plus souvent utilisée est la corrélation dite de � Woschni � qui fixe ce coefficient K. [0020] L'invention consiste en une régulation en boucle fermée, i.e. en temps réel, permettant de contrôler directement les flux thermiques appliqués sur ces éléments du moteur, dans le cas d'une dérive dans le temps des injecteurs et donc de la quantité de carburant injectée. [0021] Dans l'invention, on a eu l'idée de paramétrer la régulation d'injection en carburant par des coefficients expérimentaux dépendant de la nature des pièces constituant la chambre de combustion. [0022] Les intérêts techniques et économiques de l'invention, par rapport aux solutions techniques existantes, sont notamment: • une diminution des marges de développement, • une augmentation des performances nominales du moteur, puisque les risques flux sont maîtrisés, • une réduction des casses de moteurs en clientèle, ces casses étant parfois dues à des flux thermiques trop élevés dépassant les limites thermomécaniques acceptables sur des pièces de la chambre de combustion du moteur. [0023] De ce fait, tout fournisseur de stratégies de contrôle moteur est concerné par l'invention. Son application peut être envisagée à moyen terme et long terme sur des projets moteurs équipés de capteurs de température échappement. [0024] L'invention a donc pour objet un procédé de régulation des flux thermiques de combustion d'un moteur de véhicule automobile à l'aide d'un calculateur de contrôle du moteur, dans lequel on mélange de l'air frais et une partie recyclée de gaz d'échappement du moteur, ce moteur comportant une chambre de combustion à volume variable formée par un cylindre, une culasse, et un piston se mouvant dans le cylindre, on fait aspirer le mélange par le moteur à l'aide d'un collecteur d'admission, • on fait sortir les gaz d'échappement du moteur à l'aide d'un collecteur d'échappement, on mesure une température des gaz d'échappement au moyen d'un capteur de température, • on émet une première consigne de débit en carburant injecté dans la chambre de 10 combustion du moteur, ladite consigne étant liée à un enfoncement d'une pédale d'accélération du véhicule, • on régule l'injection en fonction de la première consigne et de la température d'échappement, caractérisé en ce que 15 • on paramètre la régulation par des coefficients expérimentaux dépendant de la nature du piston, du cylindre et de la culasse. [0025] Dans une variante, la première consigne est liée à l'enfoncement de pédale par un rapport de proportionnalité, dépendant desdits coefficients expérimentaux. Dans une autre variante, on écrête la consigne d'injection en cas de variations des coefficients. 20 [0026] L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : • figure 1, déjà décrite : une représentation schématique d'un exemple de chambre de combustion, 25 • figure 2 : une représentation schématique d'une architecture globale de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans un ensemble moteur, • figure 3a : une représentation graphique d'une corrélation entre des flux thermiques et une température d'échappement, • figure 3b : une représentation graphique d'une corrélation entre un écart de flux 30 thermiques et un débit d'injection en carburant, • figure 4 : une représentation synoptique du procédé selon l'invention. [0027] La figure 2 représente, de façon schématique, une architecture globale de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans un ensemble moteur. 5 [0027] Le procédé selon l'invention peut être intégré ou non dans un régulateur de type PID classique utilisé de façon générique dans le contrôle des moteurs thermiques. [0028] L'ensemble moteur comporte une entrée 9 d'air frais dans un circuit 10 d'admission. Un filtre 11 à air est positionné entre cette entrée 9 et un compresseur 12. Un débitmètre 13 d'air frais est situé entre le filtre 11 et le compresseur 12. Le débitmètre 13 mesure un débit Qair d'air frais entrant dans le compresseur 12 [0029] L'ensemble moteur comporte un turbocompresseur 14. Le turbocompresseur 14 allie le compresseur 12 et une turbine 15. La turbine 15, située dans un circuit 16 10 de gaz d'échappement d'un moteur 17, entraîne par un axe 18 le compresseur 12 qui augmente la pression de l'air admis dans le moteur 17. Le turbocompresseur 14 permet d'augmenter la puissance du moteur 17 seulement à partir d'un certain régime de ce moteur 17. [0030] A la sortie du compresseur 12, le circuit 10 conduit l'air dans un échangeur E 15 et, à sa sortie, à travers une vanne 19. La vannel9 est connectée à un bus 20 de données. Le bus 20 est relié à un calculateur 21 de contrôle du moteur 17 et à une mémoire 22. La mémoire 22 comporte notamment deux programmes : un programme 23 d'apprentissage des corrections à apporter à une première consigne de débit Qconsl d'injection en carburant et un programme 24 d'application de ces 20 corrections par émission d'une deuxième consigne Qcons2 qui est régulée. Le circuit 10 d'admission d'air aboutit à un collecteur 25 d'admission du moteur 17 qui aspire l'air. [0031] Un réservoir 26 de carburant est relié au moteur 17 par un circuit 27 de carburant. Des injecteurs 28 sont commandés par le calculateur 21 pour réguler 24 25 le débit d'injection en carburant dans des chambres 1 de combustion du moteur 17. La commande des injecteurs 28 modifie leur durée d'injection. Les chambres 1 sont semblables à celle de la figurel. [0032] Les consignes Qconsl et Qcons2 sont notamment liées à un enfoncement d'une pédale 36 d'accélération du véhicule par un rapport de proportionnalité. La 30 régulation 24 de la deuxième consigne Qcons2 dépend d'une température Téch d'échappement mesurée par un capteur 33 de température. Le principe de cette régulation 24 est plus détaillé dans la description des figures suivantes. Dans un exemple, le capteur 33 est positionné en aval d'un collecteur 29 d'échappement et en amont de la turbine15. [0033] Le collecteur 29 d'échappement conduit les gaz d'échappement issus du moteur 17 dans le circuit 16 d'échappement. Le circuit 16 comporte une vanne 30 qui est placée en amont de la turbine 15. Pour ce type d'architecture, le contrôle de la vanne 30 s'effectue via une consigne de débit d'air pré-établie par le calculateur 21 et cartographiée en fonction du régime, exprimé en tours par minute (tr/mn), du moteur 17 et des consignes Qconsl et Qcons2 de débit en carburant. [0034] La vanne 30 permet de prélever une partie des gaz d'échappement et de les injecter dans un circuit 31 qui aboutit au collecteur 25 d'admission où ils ont mélangés à l'air frais. Le mélange ainsi obtenu est aspiré par le moteur 17. La vanne 30 est commandée par le calculateur 21, et permet de doser le taux de recyclage des gaz d'échappement. Le circuit 31 comporte un échangeur 32 gaz/eau. [0035] Une sonde 34 à oxygène (dans le cas d'un moteur à allumage commandé équipé d'une sonde de richesse) est positionnée dans le circuit 16, en aval de la turbine 15 et en amont d'une sortie 35 des gaz d'échappement. La sonde 34 est un capteur spécifique aux dispositifs d'injection. La sonde 34 dite de type proportionnelle fournit un signal électrique proportionnel à une richesse d'échappement qu'elle mesure. Ce signal électrique peut par exemple être compris entre 0 et 5 volts. Ce positionnement est un compromis entre le besoin de localisation de la sonde 34 au plus près de la sortie du moteur 17 et la tenue de la sonde 34 à la pression des gaz d'échappement. [0036] La figure 3a représente, graphiquement, une corrélation entre des flux thermiques FT et une température Téch d'échappement. [0037] Plus précisément, une courbe 38 représente les flux thermiques FTnom38 subis par la culasse 4, une courbe 39 représente les flux thermiques FTnom39 subis par et le cylindre 3 et une courbe 40 représente les flux thermiques FTnom4O subis par le piston 2. [0038] Selon l'invention, pour réguler 24 l'injection en fonction de la première consigne de débit Qconsl et de la température Téch d'échappement, on paramètre 23 la régulation 24 par des coefficients expérimentaux A, B et C dépendant de la nature de la culasse 4, du cylindre 3 et du piston 2. [0039] Les constantes liant les flux à la Téch d'échappement sont figées dans le calculateur. [0040] Dans un exemple, le procédé selon l'invention est appliqué tous les 500 kilomètres. [0041] Ce qui peut être évalué tous les 500 km par exemple, est le niveau de flux thermique en fonction de Téch mesuré. [0042] Dans un exemple, les coefficients A, B et C correspondent aux angles formés respectivement par les courbes 38, 39 et 40 et l'axe des flux thermiques FT. [0043] Plus précisément, dans l'invention, pour calculer ces coefficients expérimentaux A, B et C, on détermine, dans un premier temps, des flux thermiques nominaux FTnom de la culasse 38, du cylindre 39 et du piston 40, pour un enfoncement nominal de pédale 36, par exemple maximal, et des températures nominales, ou réciproquement, et ce pour différents points de fonctionnement. Chaque point de fonctionnement est défini par un rapport entre un régime et une charge du moteur 17. Le régime est mesuré par un compte-tours. Pour déterminer la charge, on fixe et on contrôle divers paramètres du moteur 17 tels que, par exemple, le débit Qair d'air frais et une température d'admission du mélange gazeux. [0044] Dans une variante, l'enfoncement nominal de pédale 36 est de 50%. [0045] Selon l'invention, les flux thermiques prennent donc la forme suivante, pour différents points de fonctionnement : FTnom38 = A x Téch + Z, FTnom39 = B x Téch + Z, FTnom4O = C x Téch + Z, Z étant une constante. [0046] Dans un exemple, des essais sont réalisés sur un seul point de fonctionnement, ce point de fonctionnement présentant un régime moteur de 4000 tr/mn et une charge pleine. Dans cet exemple, le flux thermique sur le piston d'un moteur Diesel de 1,4 litres de cylindrée se situe aux alentours de 3 kw. [0047] Une dérive de débit en carburant à la hausse aura pour conséquence une augmentation de la température Téch d'échappement et donc une hausse des flux thermiques FTcal sur tous les éléments 2 à 4 constituant la chambre 1 de combustion. [0048] La figure 3b représente graphiquement une corrélation entre un écart de flux thermiques et un débit d'injection en carburant. La figure 4 représente, de façon synoptique, le procédé selon l'invention. [0049] La stratégie proposée par l'invention permet, en fonction d'une cartographie de consignes FTcons de flux thermiques pour chaque point de fonctionnement, de réguler 24 ces flux en boucle fermée en fonction de la température Téch d'échappement. Cette cartographie est déterminée lors d'une mise au point du moteur 17. [0050] Dans un exemple, la quantité de carburant nominale pour le point de fonctionnement de 4000 tr/mn et de pleine charge est de 35 mg/coup. [0051] On calcule, pour le même enfoncement et pour le même point de fonctionnement, des flux thermiques réels FTcal à partir des températures Téch mesurées, [0052] On calcule un premier écart entre les flux thermiques réels et les flux thermiques nominaux et on déduit de ce premier écart une éventuelle variation des coefficients. [0053] Les constantes sont figées. [0054] Dans un exemple, on établit un seuil s pour cet écart, on compare l'écart à ce seuil s. Dans un exemple, pour une dérive de 0.1 mg/coup, le seuil s est de 0,1 kw. [0055] En cas de non-dépassement du seuil s par l'écart , on émet la première consigne Qconsl d'injection. [0056] En cas de dépassement du seuil s par lécart , • on estime un débit Qcal de carburant réellement injecté, • on calcule un deuxième écart entre la première consigne d'injection et le débit estimé, cet écart correspondant à une dérive de l'injection, et • on émet une deuxième consigne Qcons2 d'injection obtenue en soustrayant le deuxième écart calculé à la première consigne Qconsl , [0057] Dans un exemple, on estime le débit de carburant réellement injecté Qcal au moyen d'une table (figure 3b) de correspondance entre l'écart de flux thermiques et le débit de carburant réellement injecté, ladite table étant stockée dans une mémoire 22. [0058] Dans une variante, on estime le débit de carburant réellement injecté en fonction d'un débit d'admission du mélange gazeux et d'une richesse d'échappement. [0059] Dans une variante, on remplace la température Téch des gaz d'échappement par une température d'huile ou d'eau du moteur. [0060] Dans une variante, on remplace le débit en carburant injecté par un couple du moteur. 10 REVENDICATIONS 1 - Procédé de régulation des flux thermiques (FT) de combustion d'un moteur (17) de véhicule automobile à l'aide d'un calculateur (21) de contrôle du moteur, dans lequel on émet une première consigne (Qconsl) de débit en carburant injecté dans la chambre de combustion du moteur, ladite consigne étant liée à un enfoncement d'une pédale (36) d'accélération du véhicule, et on régule (24) l'injection de carburant en fonction de la première consigne et de la température des gaz d'échappement, en fonction d'une fonction dont des paramètres (23) sont des coefficients expérimentaux (A ; B ; C) dépendant de la nature du piston, du cylindre et de la culasse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coefficients sont des constantes. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les coefficients sont figés lors du développement du moteur. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite première consigne est liée à l'enfoncement de pédale par un rapport de proportionnalité, dépendant desdits coefficients expérimentaux. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on écrête la consigne d'injection en cas de variation des coefficients. 6 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 5, caractérisé en ce que • on calcule les coefficients expérimentaux, et dans ce but, • on détermine des flux thermiques nominaux (FTnom) de la culasse (38), du cylindre (39) et du piston (40), pour un enfoncement de pédale nominal, par exemple maximal, et des températures nominales, ou réciproquement, et ce pour différents points de fonctionnement, chaque point de fonctionnement étant défini par un rapport entre un régime et une charge du moteur, • on calcule, pour le même enfoncement et pour un point de fonctionnement, des 30 flux thermiques réels (FTcal) à partir des températures mesurées, • on calcule un premier écart (a) entre les flux thermiques réels et les fluxthermiques nominaux, on déduit de ce premier écart la variation des coefficients. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que on établit un seuil (as) pour cet écart, 5• on compare l'écart à ce seuil, en cas de non-dépassement du seuil par l'écart, on émet la première consigne d'injection, • en cas de dépassement du seuil par l'écart, • on estime un débit (Qcal) de carburant réellement injecté, 10• on calcule un deuxième écart ([3) entre la première consigne d'injection et le débit estimé, cet écart correspondant à une dérive de l'injection, et • on émet une deuxième consigne (Qcons2) d'injection obtenue en soustrayant le deuxième écart calculé à la première consigne, 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on estime 15 le débit de carburant réellement injecté au moyen d'une table de correspondance entre l'écart de flux thermiques et le débit de carburant réellement injecté, ladite table étant stockée dans une mémoire (22). 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on estime le débit de carburant réellement injecté en fonction d'un débit d'admission du 20 mélange gazeux et d'une richesse d'échappement. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on remplace la température des gaz d'échappement par une température d'huile ou d'eau du moteur. 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on mesure la 25 température d'échappement en amont d'une turbine (15) du moteur et en aval du collecteur d'échappement.