Brevet FR2937087A1 — publié le 20100416

PROCEDE D'ESTIMATION DE LA TEMPERATURE D'UN COMPOSANT SOUS CAPOT EN CONTACT AVEC DES GAZ D'ECHAPPEMENT [0001 La présente invention concerne un procédé d'estimation de la température TM d'un composant sous capot d'un véhicule automobile à moteur thermique. [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles à moteur thermique dit � très hautes performances �, c'est-à-dire un moteur capable de développer une puissance spécifique très élevée. On entend ici par puissance spécifique la puissance ramenée à la cylindrée du moteur. [0003] Lorsqu'un véhicule présentant une puissance spécifique très élevée est sollicité au voisinage de ses performances maximales, le moteur thermique du véhicule produit des gaz d'échappement à haute température, de l'ordre de 850°C, et à de forts débits, ce qui correspond à des quantités de chaleur considérables. [0004] Les composants du moteur thermique susceptibles d'être affectés par ce flux thermique important sont ceux qui se trouvent sous le capot directement en contact avec les gaz d'échappement sortant de la culasse du moteur. Ces 1s composants sont essentiellement le collecteur d'échappement et la turbine du ou des turbocompresseurs, si le moteur en est équipé. [0005] Le contact thermique entre les gaz d'échappement et un de ces composants sous capot peut donc produire une très forte augmentation de la température TM du matériau constituant le composant, fonte ou acier par exemple, et, même si ce 20 matériau est choisi de manière à supporter de hautes températures, il existe un risque non négligeable de fissuration et de casse des composants sous capot concernés, voire d'incendie moteur, lorsque la puissance spécifique demandée devient très élevée. Or, la fiabilité à fort kilométrage est un objectif que doit réaliser ce type de véhicules � très hautes performances � en dépit des conditions 25 thermiques extrêmes auxquelles sont soumis les composants sous capot mentionnés plus haut. [0006] Une solution à cette difficulté serait de développer un nouveau moteur � très hautes performances � selon l'approche de développement classique qui conduirait à reconcevoir toute la base moteur afin de garantir une fiabilité acceptable pour l'ensemble des clients et pour l'ensemble des situations de vie du moteur. Cette contrainte peut alors conduire à exploiter des technologies très coûteuses et à engager de lourds investissements, ceci pour satisfaire l'exigence de fiabilité à fort kilométrage d'une proportion très faible de clients. [0007] Une autre solution permettant de limiter les frais de développement par la reconduction maximale d'éléments moteur existants consiste à estimer la io température TM des composants sous capot soumis au flux thermique des gaz d'échappement et à limiter autoritairement les performances du moteur en réduisant ou en coupant l'alimentation en carburant par exemple, dès que la température TM atteint une valeur critique prédéterminée. On assure ainsi la fiabilité à fort kilométrage recherchée, certes au prix d'une réduction temporaire des 15 performances, mais qui reste peu sensible car elle n'affecte que les valeurs crête des performances, et ne concerne par ailleurs qu'un nombre restreint d'utilisateurs. [0008] De manière pratique, la température TM des composants sous capot concernés pourrait être estimée en l'assimilant tout simplement à la température des gaz d'échappement eux-mêmes. Cependant, le pilotage des performances moteur 20 sur cette température serait très pénalisant car il ne prend pas en compte l'inertie thermique des composants. De cette manière en effet, une limitation immédiate des performances serait imposée dès que la température des gaz d'échappement aurait atteint la température critique alors que la température réelle du matériau des composants serait encore inférieure à cette température critique par effet d'inertie 25 thermique. [0009] D'autre part, on pourrait également mesurer directement la température TM des composants sous capot au moyen d'un capteur de température spécifique. Cependant, dans le cadre d'une limitation de l'augmentation du Prix de Revient de Fabrication (PRF), cette solution mettant en oeuvre un capteur supplémentaire 30 coûteux n'est pas envisageable. De plus, son implantation dans l'architecture de face d'échappement poserait de réelles difficultés techniques. [0010] Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé d'estimation de la température TM d'un composant, sous le capot d'un véhicule muni d'un moteur associé à un groupe moto-ventilateur, en contact avec des gaz d'échappement du moteur. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes consistant à mesurer ou estimer le débit Q3 et la température T3 des gaz d'échappement, mesurer la vitesse v du véhicule, estimer la surface interne SG et le coefficient HG(Q3) d'échange thermique du composant avec les gaz d'échappement, estimer la surface externe Sss~ et le coefficient HssG(v,GMV) d'échange thermique du composant (10) avec l'air circulant sous capot, GMV valant 1 ou 0 selon que le groupe moto-ventilateur io est en marche ou à l'arrêt, estimer la température locale Talc de l'air circulant sous capot au niveau du composant, et résoudre l'équation différentielle par rapport à TM . ùMCP(TM)aat +SGHG(Q3)(T3 ùTm)+SsscHssc(v,GMV)(lair ùTM) = 0 où MCP(TM) représente l'inertie thermique du composant (10), M étant la masse 15 du composant et CP(TM) la chaleur spécifique à la température TM du matériau constituant ledit composant. [0011] Ainsi, le procédé, objet de l'invention, permet d'estimer la température du composant sous capot lui-même sans avoir recours à un capteur supplémentaire spécifique, mais en utilisant des données déjà disponibles pour d'autres fonctions. 20 [0012] L'invention consiste donc à implanter dans le calculateur du véhicule une fonction d'estimation de la température TM par résolution de l'équation différentielle du premier ordre précitée en fonction des valeurs mesurées ou estimées des paramètres qui y figurent. La résolution de cette équation ne pose pas de problème particulier puisqu'elle peut être effectuée au moyen d'un filtre passe-bas du premier 25 ordre généralement déjà présent dans les calculateurs utilisés. [0013] Lorsque le moteur thermique est arrêté puis redémarré, il est nécessaire de connaître la température TMstart du composant au redémarrage de manière à pouvoir initialiser l'estimation de la température TM après redémarrage, conformément au procédé selon l'invention. [0014] A cet effet, une première solution consiste en ce que la valeur de la température TMS`Wt du composant au redémarrage du moteur thermique après arrêt est donnée par résolution de l'équation différentielle : ù MCP (TM) am + SsscHssc (0,0)(T Zr ù TM) = 0 , connaissant la température TMS`°p du composant à l'arrêt et la durée At de l'arrêt. [0015] Une deuxième solution consiste en ce que la valeur de la température TMS`Wt du composant au redémarrage du moteur thermique après arrêt est donnée par cartographie en fonction de la température TMS`°p du composant à l'arrêt et la durée At de l'arrêt. io [0016] On comprend ainsi que l'invention s'applique avantageusement non seulement à l'estimation de la température des composants sous capot lorsque le moteur thermique est en fonctionnement, mais également lorsque le moteur est arrêté, notamment dans le cadre de la fonction d'arrêt et redémarrage automatiques du moteur thermique, connue aussi sous le nom de � Stop and Start �, de manière à is éviter les montées de la température sous capot (� coups de chaud �) pouvant se produire à l'arrêt du moteur après que ce dernier ait été fortement sollicité. La connaissance de la température TM du composant après arrêt permet de prolonger le fonctionnement des moyens de refroidissement tant que la température n'a pas diminué jusqu'à une valeur acceptable. 20 [0017] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. • La figure 1 est une vue en coupe d'un collecteur d'échappement. • La figure 2 est un graphe représentant les variations de la température TM en 25 fonction du temps t lors d'un arrêt moteur. [0018] Sur la figure 1 est représenté un composant sous capot, ici un collecteur d'échappement 10 qui reçoit des gaz d'échappement produits dans la culasse 20 d'un moteur thermique d'un véhicule automobile. Bien entendu, l'invention s'applique également à d'autres composants tels que la turbine d'un turbocompresseur si le moteur en est équipé. [0019] Dans l'exemple de la figure 1, le moteur thermique considéré comporte quatre cylindres, de sorte que les gaz d'échappement pénètrent dans le collecteur 10 par quatre conduits d'entrée 101, 102, 103, 104 communiquant respectivement avec les quatre chambres de combustion du moteur (non représentées). [0020] Les gaz d'échappement sortent du collecteur 10 par une tubulure 11 de sortie qui les dirige vers l'échappement du véhicule en traversant éventuellement la io turbine d'un turbocompresseur (non représenté). [0021] De manière à contrôler l'échauffement du collecteur 10 d'échappement, surtout dans le cas des moteurs � très hautes performances � pour lesquels cet échauffement peut être considérable au point de provoquer la casse du collecteur et provoquer un incendie moteur, il y avantage à connaître à tout instant la température 15 TM atteinte par le collecteur 10. Si cette température dépasse une valeur critique prédéterminée, des mesures sont alors prises pour limiter temporairement les performances du véhicule, notamment en agissant sur l'injection du carburant. [0022] Dans ce but, l'invention propose de résoudre l'équation différentielle du premier ordre suivante : 20 ùMCP(TM)aat + SGHG (Q3)(T3 ùTm)+SsscHssc(v,GMV)(Tair ùTm) =0 à partir de la connaissance d'un certain nombre de paramètres qui vont maintenant être présentés. [0023] La quantité MCP(TM) correspond à l'inertie thermique du composant, M étant sa masse et CP(TM) la chaleur spécifique à la température TM du matériau 25 constituant le composant : fonte, acier, etc. [0024] Le premier terme de l'équation ùMCP (TM) am représente donc les variations au cours du temps de la quantité de chaleur stockée dans la masse du collecteur 10. [0025] Les variations de l'inertie thermique MCP(TM) avec la température TM peuvent être prises en compte par la relation MCP (TM) = aTM +b, a et b étant des coefficients caractéristiques connus liés au matériau constituant le composant. [0026] Le deuxième terme de l'équation différentielle (SGHG(Q3)(T3 ùTm)) représente la puissance calorifique apportée par les gaz d'échappement jouant le rôle de source chaude. Cette puissance s'exprime en fonction de la surface interne io SG du collecteur 10 en contact avec les gaz d'échappement et du coefficient HG(Q3) d'échange thermique du composant avec les gaz d'échappement dont le débit est Q3 et la température T3. Le paramètre Q3 est mesuré Le paramètre T3 est mesuré ou estimé à partir d'une cartographie fonction du régime et couple moteur pré-établie au banc moteur. La surface interne SG est estimée à partir de la is géométrie du collecteur, et le coefficient d'échange thermique est connu par la relation : HG (Q3) = HGref où Q3ref est un débit de référence et HGref le coefficient d'échange thermique correspondant. 20 [0027] En pratique, Q3ref et HGref sont les valeurs de débit et de coefficient d'échange maximales, déterminées au banc moteur. [0028] Le troisième terme de l'équation (SssGHssG(v,GMV)(TQir ùTM)) représente la puissance calorifique évacuée par l'air circulant sous le capot jouant le rôle de source froide. l'air est la température locale de l'air circulant sous capot au niveau du 25 collecteur 10. La valeur de cette température est fonction de la température extérieure T,, de l'air et de la température Trad du radiateur du véhicule traversé au moins partiellement par l'air circulant sous le capot. C'est pourquoi on peut modéliser la température Tai, par la relation Tai, =a'T,, +b'Trad dans laquelle a' et b' sont des coefficients de pondération déterminés empiriquement lors d'essais au banc moteur. [0029] SSSc est la surface du collecteur 10 en contact avec l'air sous capot, elle peut également être estimée à partir de la géométrie du collecteur. HSSc(v,GMV) est le coefficient d'échange thermique du collecteur avec l'air circulant sous le capot. Ce coefficient dépend de la vitesse v du véhicule et d'un paramètre GMV valant 1 ou 0 selon que le groupe moto-ventilateur (GMV) du véhicule est en marche ou à l'arrêt. [0030] En pratique, le terme SsscHssc(v,GMV) est déterminé par cartographie lors du développement du moteur. Toutefois, dans une version simplifiée du modèle, il peut être pris égal à une valeur constante donnée. [0031] L'équation différentielle du premier ordre en TM citée plus haut est résolue pas à pas au moyen d'un filtre passe-bas du premier ordre présent dans le is calculateur du véhicule. [0032] Le graphe de la figure 2 illustre une situation où le moteur thermique du véhicule est arrêté à un instant tl où la température TM du collecteur vaut Tm'', puis redémarré à l'instant t2 = tl + At . [0033] Pour que la température TM puisse être à nouveau estimée à partir du 20 redémarrage du moteur au moyen de l'équation différentielle générale indiquée plus haut, la température TMstart du collecteur 10 à l'instant t2 doit être déterminée afin d'initialiser le calcul. [0034] Pour cela, on résout pendant toute la durée At de l'arrêt une nouvelle équation différentielle donnée par : 25 ù MCp (TM )'T + SSScHSS~ 0,0)(Taz ù TM) = 0 en prenant pour condition initiale la température TMst°p au moment de l'arrêt. [0035] Cette dernière équation différentielle correspond à l'équation générale précédente dans laquelle on a pris Q3 = 0 , puisque le moteur étant à l'arrêt aucun gaz d'échappement ne circule, ainsi que v = 0 , le véhicule étant à l'arrêt, et GMV = 0 , ce qui est une hypothèse favorable à la protection du collecteur puisque le groupe moto-ventilateur étant susceptible de continuer à fonctionner même si le moteur est arrêté, la température réelle du collecteur sera au plus égale à la température Tm estimée. [0036] Pour des raisons pratiques de codage dans le calculateur et du fait de la précision demandée pour cette estimation, une cartographie de la température initiale TMstart en fonction de la température TMst" du collecteur au moment de l'arrêt moteur et de la durée At écoulée entre l'arrêt et le redémarrage peut être suffisante.15 REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la température TM d'un composant (10), sous le capot d'un véhicule muni d'un moteur associé à un groupe moto-ventilateur, en contact avec des gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes consistant à mesurer ou estimer le débit Q3 et la température T3 des gaz d'échappement, mesurer la vitesse v du véhicule, estimer la surface interne SG et le coefficient HG(Q3) d'échange thermique du composant avec les gaz d'échappement, estimer la surface externe Sssc et le coefficient Hssc(v,GMV) io d'échange thermique du composant (10) avec l'air circulant sous capot, GMV valant 1 ou 0 selon que le groupe moto-ventilateur est en marche ou à l'arrêt, estimer la température locale Talr de l'air circulant sous capot au niveau du composant, et résoudre l'équation différentielle par rapport à TM : ù MCP (TM) fat + SG HG (Q3)(T3 ù TM ) + SsscHssc (v, GMV)(Tair ûTm ) = 0 is où MCP(TM) représente l'inertie thermique du composant (10), M étant la masse du composant et CP(TM) la chaleur spécifique à la température TM du matériau constituant ledit composant. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'inertie thermique MCP (TM) du 20 composant est donnée par : MCP(TM)=aTM+b, où a et b sont des coefficients caractéristiques du matériau constituant ledit composant. 25 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le coefficient HG(Q3) d'échange thermique du composant avec les gaz d'échappement est donné par : HG (Q3) ù HG ref Q3 2937087 l0 où Q3Nef est un débit de référence et Hjef le coefficient d'échange thermique correspondant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la s température locale Talr de l'air circulant sous capot est donnée par : Tr=aT,+ Tad où T,, est la température extérieure de l'air, Tad la température du radiateur du véhicule, et a' et b' des coefficients de pondération déterminés empiriquement. io 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le terme SsscHssc(v,GMV) d'échange thermique du composant avec l'air circulant sous capot est pris égal à une valeur constante donnée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la 15 valeur de la température Tstart du composant au redémarrage du moteur thermique après arrêt est donnée par résolution de l'équation différentielle : ù MC (TM) aat + SsscHssc (0,0)(T ir ù TM) = 0 , connaissant la température Tm' du composant à l'arrêt et la durée At de l'arrêt. 20 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur de la température Tstart du composant au redémarrage du moteur thermique après arrêt est donnée par cartographie en fonction de la température Tm' du composant à l'arrêt et la durée At de l'arrêt. 25 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit composant est le collecteur (10) d'échappement du véhicule. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit composant est la turbine d'un turbocompresseur du véhicule. 30