Brevet FR2942270A1 — publié le 20100820

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA TEMPERATURE D'UN PISTON [000l] La présente invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la température d'un piston d'un moteur. [0002 Pour le développement d'un nouveau moteur à très haute performance, les objectifs à atteindre sont généralement une forte augmentation des performances et une bonne fiabilité à fort kilométrage. Il s'agit notamment de garantir une fiabilité acceptable pour l'ensemble des utilisateurs et des situations possibles de vie du moteur. [0003 Une approche de développement peut conduire à adopter une nouvelle conception de l'ensemble de l'architecture du moteur. La mise au point d'une telle conception qui soit fiable à fort kilométrage peut amener à de lourds investissements et à l'exploitation de technologies très coûteuses pour une proportion d'utilisateurs qui peut être réduite. [0004 Une autre approche de développement peut consister à limiter l'augmentation du prix de revient de fabrication du moteur par optimisation de la définition des besoins et utilisation de solutions techniques à coût réduit. Les dépenses dites ponctuelles, soit les investissements et ressources utilisés, peuvent en outre être restreintes par reconduction des composants existants. Conformément à une telle approche, il est également possible d'adapter les performances du moteur aux températures maximales que les organes du moteur peuvent supporter sans être endommagés. L'adaptation des performances du moteur suppose une bonne connaissance de la température de l'organe. Parmi les organes du moteur concernés, le ou les pistons du moteur sont des organes exposés à de fortes températures. Aussi est-il en particulier souhaitable de pouvoir estimer en temps réel la température de la matière du piston du moteur. [0005] Il est connu du brevet JP-A-2003148121 un dispositif de lubrification pour un moteur à combustion interne. [0006] Le brevet JP-A-2006077668 décrit un dispositif de contrôle du temps d'injection dans un cylindre de moteur à injection. [0007] Le brevet FR-A-2 905 733 décrit un procédé de pilotage d'un moteur thermique tel qu'un moteur de véhicule automobile, consistant à évaluer continûment une température du ou des pistons de ce moteur à partir de données actualisées en temps réel qui sont représentatives de flux thermiques entrants et sortants du moteur thermique. Le procédé consiste également à modifier au moins un paramètre d'alimentation de ce moteur, tel que le débit de carburant injecté, lorsque cette température atteint une première valeur seuil correspondant à un risque de grignotage et/ou de fusion du piston, et après dépassement par la température d'une seconde valeur seuil pendant un intervalle de temps prédéterminé, le dépassement de cette seconde valeur seuil au-delà de l'intervalle de temps prédéterminé correspondant à un risque de fissuration du ou des pistons. [0008] Mais, aucun des documents précités n'est suffisamment précis. [0009] Il existe donc un besoin pour un procédé permettant de déterminer la température d'un piston avec une précision accrue. [ooio] Pour cela, l'invention propose un procédé de détermination en temps réel de la température d'un piston d'un moteur comprenant une étape de détermination de la température du piston par calcul d'un modèle caractérisé en ce que le modèle prend en compte l'inertie thermique du piston. [0011] Dans une variante, le modèle est une équation de bilan thermique du premier ordre. [0012] Dans une variante, le modèle prend en compte le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston. [0013] Avantageusement, les coefficients d'échange thermique sont déterminés à partir du régime du moteur. [0014] Dans uen variante, le modèle prend en compte la température du piston au démarrage du moteur. [0015] Avantageusement, la température du piston au démarrage du moteur prise en compte par le modèle est la température de l'huile au démarrage du moteur. [0016] La température du piston au démarrage du moteur prise en compte par le modèle peut aussi être estimée à partir de la température déterminée à l'arrêt précédant le démarrage du moteur. Dans ce cas, l'estimation de la température du piston au démarrage du moteur prend avantageusement en compte : le temps écoulé entre le démarrage du moteur et l'arrêt précédant le démarrage du moteur ; le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt. [ooi7] L'estimation de la température du piston au démarrage du moteur est réalisée à l'aide d'un filtre du premier ordre. [0018] L'invention a également pour objet un procédé de contrôle d'un moteur comprenant les étapes de détermination de la température du piston comme défini précédemment, de comparaison de la température du piston à une température seuil, et de modulation des performances du moteur si la température du piston ne dépasse pas la température seuil. [0019] Dans une variante, la la modulation est réalisée par modification du temps d'injection du carburant dans le moteur. [0020] L'invention a également pour objet un véhicule comportant un moteur comprenant au moins un piston, et un calculateur adapté à mettre en oeuvre le procédé de détermination de la température du piston du moteur défini précédemment. [0021] Dans une variante, le calculateur contrôle les performances du moteur, le calculateur étant adapté à mettre en oeuvre le procédé de contrôle défini 25 précédemment. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement. [0023] L'invention se rapporte à un procédé de détermination de la température d'un 30 piston d'un moteur comprenant une étape de détermination de la température du piston par calcul d'un modèle. Le modèle prend en compte l'inertie thermique du piston. [0024] Le procédé de détermination permet d'obtenir en temps réel la température de la matière du piston. Le procédé permet d'éviter l'utilisation d'un capteur de température dans le piston dont le positionnement est délicat. De plus, la précision de la température obtenue est meilleure que la précision obtenue dans l'état de la technique parce que l'inertie thermique est prise en compte dans le procédé. Obtenir la température du piston avec une bonne précision permet d'adapter le piston aux températures que le piston subit. L'adaptation peut se faire de différentes manières dont notamment un choix de matériau différent pour le piston, des changements apportés aux organes coopérant avec le piston (modification du système de refroidissement par exemple), une augmentation ou une diminution des performances du moteur. [0025] Le procédé de détermination de la température peut être mis en oeuvre dans un véhicule. Le véhicule comprend un moteur ayant au moins un piston du moteur. Le piston est mobile dans un cylindre du moteur. Le piston sert à la compression des gaz frais et à la transformation au temps détente de la pression des gaz enflammés en une force, la force permettant au moteur d'accomplir un travail. Le véhicule comprend en outre un calculateur adapté à mettre en oeuvre un procédé de détermination de la température du piston du moteur. [0026] Le procédé de détermination comprend une étape de détermination de la température du piston par le calcul d'un modèle. Le modèle prend en compte l'inertie thermique du piston. L'inertie thermique du piston définit la vitesse à laquelle le piston se réchauffe ou se refroidit. L'inertie thermique du piston peut s'exprimer sous la forme du produit de la masse du piston Mp par la capacité thermique massique Cp du piston. La capacité thermique massique Cp s'exprime en joule par kilogramme-kelvin (J. kg-1. K-1). [0027] Le procédé de détermination permet ainsi d'estimer en temps réel la température de la matière du piston. La mise en oeuvre du procédé est réalisée sans utilisation d'un capteur de température dans le piston, capteur qui est difficile à implanter dans l'architecture du moteur. De plus, en supprimant un capteur de température coûteux, le prix de revient de fabrication du véhicule est diminué. [0028] Le procédé de détermination permet aussi une détermination plus précise de la température du piston puisque l'inertie thermique du piston est prise en compte. En outre, l'inertie thermique MPCP du piston dépend de la température du piston. A titre d'illustration, la dépendance entre l'inertie thermique et la température du piston peut être linéaire : MpCp(Tp) = aTp + b (1) où a et b sont des coefficients dépendant notamment du matériau utilisé pour le piston. [0029] Le modèle utilisé par le procédé de détermination peut en particulier être une équation de bilan thermique. Une équation de bilan thermique est une équation exprimant la conservation de l'énergie thermique au niveau du piston. Une telle équation peut être plus ou moins complexe selon la nature des phénomènes physiques influant sur l'énergie thermique qui sont pris en compte. [0030] Ainsi, le modèle du procédé de détermination peut avantageusement être une équation de bilan thermique du premier ordre. Au premier ordre, l'équation est d'un calcul relativement aisé par rapport à une équation d'ordre supérieur tout en permettant une assez bonne précision sur la température du piston déterminée. Un exemple d'équation de bilan thermique du premier ordre est l'équation (4) décrite ci-dessous. [0031] Le modèle peut en outre prendre en compte le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston. Le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston peut s'exprimer sous la forme du produit du coefficient de transfert thermique de l'eau heau par la surface d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston Seau. Le coefficient heau intervient dans la détermination du flux thermique au travers de la surface d'échange Seau. Le coefficient heau s'exprime en watt par mètre carré-kelvin (W.m-2.K-1). Le flux thermique correspondant à l'échange de chaleur entre l'eau de refroidissement et le piston peut alors s'exprimer comme le produit du coefficient d'échange Seau.heau par la différence de température entre l'eau du moteur notée Teau et la température du piston Tp. La prise en compte du coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur dans le modèle permet ainsi d'améliorer la prise en compte des échanges du piston avec l'extérieur dans le modèle et donc la précision de la température du piston déterminée par le procédé. [0032] Le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston Seau.heau peut en particulier être déterminé à partir du régime du moteur. En effet, le coefficient Seau.heau dépend du débit d'eau et donc du régime moteur par exemple selon l'équation suivante : ref Seau heau = seau heau N Tref (2) eau 0.8 où Seauhe û et Ne û sont des constantes. [0033] Une telle détermination du coefficient Seau.heau est relativement aisée à mettre en oeuvre, dans la mesure où dans les véhicules classiques, le régime moteur est déjà mesuré par un capteur. Le procédé de détermination utilise ainsi avantageusement des données disponibles dans le calculateur. [0034] Le modèle utilisé dans le procédé de détermination de la température peut en outre prendre en compte le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston. Le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston peut s'exprimer sous la forme du produit du coefficient de transfert thermique de l'huile hhuiie par la surface d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston Shuiie. Le coefficient hhuiie intervient dans la détermination du flux thermique au travers de la surface d'échange Shuile. Le coefficient hhuiie s'exprime en watt par mètre carré-kelvin (W.m-2.K-1). Le flux thermique correspondant à l'échange de chaleur entre l'huile de lubrification et le piston peut alors s'exprimer comme le produit du coefficient d'échange Shuiie.hhuiie par la différence de température entre l'huile du moteur notée Thuiie et la température du piston Tp. La prise en compte du coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur dans le modèle permet ainsi d'améliorer la prise en compte des échanges du piston avec l'extérieur dans le modèle et donc la précision de la température du piston déterminée par le procédé. [0035] Le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston Shuile.hhuile peut en particulier être déterminé à partir du régime du moteur. En effet, le coefficient Shuile.hhuile dépend du débit d'huile et donc du régime moteur par exemple selon l'équation suivante : _ ref Shuilehhuile s huile huile ref huile (3) où Shuilehh e et Nh le sont des constantes. [0036] Une telle détermination du coefficient Shuile.hhuile est relativement aisée à mettre en oeuvre, dans la mesure où dans les véhicules classiques, le régime moteur est déjà mesuré par un capteur. Le procédé de détermination utilise ainsi avantageusement des données disponibles dans le calculateur. [0037] Pour augmenter encore plus la précision de la température du piston déterminée par le procédé, le modèle utilisé dans le procédé de détermination de la température peut prendre en compte à la fois le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston. [0038] Un exemple de modèle pouvant être utilisé dans le procédé de détermination de la température du piston est l'équation (4) suivante : aT ùMpC ( p) at +Shuilehhuile (ThuileùTP)+Seau heau(7~eauùTP)+(Dp=0 (4) Où I'p est le flux thermique du piston c'est-à-dire l'énergie mécanique que le piston transforme en chaleur. Le flux peut être obtenu par des essais au banc moteur. Le flux dépend 25 au premier ordre du régime et du couple moteur qui sont accessibles dans le calculateur moteur. [0039] L'équation (4) est une équation du premier ordre décrivant le bilan thermique pour la partie supérieure du piston qui correspond à la zone de bord de bol du piston. Les termes de signe positif dans l'équation correspondent à un apport de chaleur au 30 piston tandis que les termes de signe négatif correspondent à une perte de chaleur. L'équation (4) prend en compte l'effet de l'inertie thermique du piston via le terme en MpCp. L'équation prend aussi en compte le coefficient d'échange thermique entre20 l'eau de refroidissement du moteur et le piston via le terme Seauheau (Tau -T )et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston via le terme Shuilehhuile(Thuile -T). L'équation prend enfin en compte l'échauffement lié au déplacement du piston. La résolution d'une telle équation permet d'obtenir une bonne précision sur la température du piston. [0040] En outre, le modèle peut prendre en compte la température du piston au démarrage du moteur. Cela permet d'initialiser le calcul du modèle d'une manière plus réaliste. Les arrêts et redémarrage du moteur sont en particulier pris en compte. De cette manière, la température obtenue par le procédé de détermination est plus précise. [0041] A titre d'exemple, la température du piston au démarrage du moteur prise en compte par le modèle peut être la température de l'huile au démarrage du moteur. Dans un tel cas, nous avons la relation Tp (t=0) = Thune (t=0). Une telle initialisation de la température du piston est relativement aisée à mettre en oeuvre puisque la température de l'huile est mesurée par un capteur déjà présent dans les véhicules classiques. [0042] D'autres moyens sont envisageables pour prendre en compte la température du piston au démarrage. Notamment, la température du piston au démarrage du moteur peut être estimée à partir de la température du piston calculée à l'arrêt précédant le démarrage du moteur. La température du piston mesurée à l'arrêt précédant le démarrage du moteur est alors mémorisée afin de pouvoir être récupérée au démarrage suivant. La température du piston au démarrage ainsi déterminée peut être relativement proche de la température réelle du piston. [0043] L'estimation de la température du piston au démarrage du moteur peut prendre en compte plusieurs paramètres. Il est ainsi avantageux que l'estimation prenne en compte un ou plusieurs de ces paramètres. Le temps écoulé entre le démarrage du moteur et l'arrêt précédant le démarrage du moteur est un des paramètres. Elle dépend aussi du coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt ainsi que du coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt. L'estimation de la température est ainsi réalisée à partir de données qui sont disponibles sur le calculateur, ce qui facilite sa mise en oeuvre. [0044] L'estimation de la température du piston au démarrage du moteur peut être réalisée à l'aide d'un filtre du premier ordre. Le calcul de la température du piston ainsi peut se faire par un filtre du premier ordre dont le gain et le temps caractéristique varient avec le point de fonctionnement. Une fonction de filtre du premier est un calcul simple requérant peu de ressources du calculateur tout en permettant d'obtenir une température initiale du piston qui améliore la précision de la détermination de la température du piston à tout instant ultérieur. [0045] L'estimation de la température du piston au démarrage peut également être réalisée par le calcul d'une équation similaire à l'équation (4) mais pour le moteur à l'arrêt : arrêt ùMpcp( p p +Shuilehhuile ~puile ùTP)+ Où: - ShuilehLie est le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt, h é désignant le coefficient de transfert thermique de l'huile lorsque le moteur est à l'arrêt. 20 - Seauh auet est le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt, h auë` désignant le coefficient de transfert thermique de l'eau lorsque le moteur est à l'arrêt. [0046] La température initiale obtenue par le calcul de l'équation (5) prend donc en compte l'inertie du piston et les échanges thermiques entre le piston et l'eau de 25 refroidissement ainsi que l'huile de lubrification. La température initiale obtenue est ainsi proche de la température initiale réelle. Il en résulte une précision accrue pour la température du piston. [0047] Pour simplifier la mise en oeuvre du procédé et compte tenu de la précision requise pour l'estimation, une cartographie de la température initiale fonction de la 30 température du piston au moment de l'arrêt précédent moteur et du temps écoulé entre l'arrêt et le démarrage peut s'avérer suffisante. eaue�1 eau ù TP (5)15 [0048] A l'issue du procédé de détermination de la température, une température précise du piston est obtenue. La donnée de la température du piston peut être utilisée dans différents contextes. [0049] La détermination de la température du piston peut permettre de choisir les matériaux ainsi que le système de refroidissement les mieux adaptés pour le piston. [0050] Lorsque le matériau peut résister à des températures supérieures aux températures mesurées, plusieurs possibilités d'améliorations sont envisageables. Ainsi, le matériau du piston peut être choisi pour supporter la température la plus chaude mesurée. Le matériau utilisé peut alors être d'une qualité moindre du point de vue de sa résistance à la haute température ce qui peut amener à des diminutions de coût. Une autre idée peut être de diminuer la qualité du refroidissement du piston afin de parvenir à élever la température du piston jusqu'à la température maximale que peut tolérer le matériau. Cela peut être mis en oeuvre par exemple par diminution du débit de fluide dans le circuit de refroidissement du moteur. Un gain en masse sur le véhicule peut alors être obtenu. [0051] Il est également possible avec le même piston d'augmenter la température par amélioration des performances du moteur jusqu'à la température maximale supportée par le matériau utilisé pour le piston. [0052] Ainsi, la détermination de la température du piston par le procédé de détermination peut être utilisée dans un procédé de contrôle d'un moteur. Un tel procédé de contrôle peut être mise en oeuvre dans le calculateur du véhicule. [0053] Le procédé de contrôle du moteur comprend la détermination de la température selon le procédé de détermination de la température précédemment décrit. Le procédé comporte également la comparaison de la température du piston déterminée à une température seuil. Si la température du piston dépasse la température seuil, le procédé comporte en outre une étape de modulation des performances du moteur. [0054] Cela permet d'améliorer les performances du moteur en jouant physiquement sur l'inertie thermique du piston. Le véhicule dispose ainsi d'un surcroît de puissance par rapport à un véhicule dans lequel le procédé de contrôle n'est pas mis en oeuvre. De plus, du point de vue de la qualité, un tel procédé de contrôle du moteur permet une réduction des cas de pannes pour des véhicules à fort kilométrage. En effet, certaines pertes de performances sont détectées sur les véhicules classiques comme des pannes. Ce n'est plus le cas sur un véhicule mettant en oeuvre le procédé de contrôle. Cela améliore la satisfaction de l'utilisateur. [0055] La modulation des performances du moteur peut en particulier être réalisée par modification du temps d'injection de carburant dans le moteur. Une telle modification est relativement facile à mettre en oeuvre. Un tel contrôle de l'injection de carburant permet d'obtenir de meilleures performances du moteur qu'un temps d'injection prédéfini. [0056] De manière plus générale, la détermination de la température du piston est une manière d'avoir accès à la température de la chambre de combustion. Il devient ainsi possible de contrôler le moteur en calibrant la mise en action du moteur plutôt que la température de l'eau. Cela permet de disposer de plus de paramètres pour contrôler le moteur et donc d'améliorer la qualité du contrôle du moteur.20 REVENDICATIONS1. Un procédé de détermination en temps réel de la température d'un piston d'un moteur comprenant une étape de détermination de la température du piston par calcul d'un modèle, caractérisé en ce que le modèle prend en compte l'inertie thermique du piston. 2. Le procédé selon la revendication 1, dans lequel le modèle est une équation de bilan thermique du premier ordre. 3. Le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le modèle prend en compte le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston. 4. Le procédé selon la revendication 3, dans lequel les coefficients d'échange thermique sont déterminés à partir du régime du moteur. 5. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le modèle prend en compte la température du piston au démarrage du moteur. 6. Le procédé selon la revendication 5, dans lequel la température du piston au démarrage du moteur prise en compte par le modèle est la température de l'huile au démarrage du moteur. 7. Le procédé selon la revendication 5, dans lequel la température du piston au démarrage du moteur prise en compte par le modèle est estimée à partir de la température déterminée à l'arrêt précédant le démarrage du moteur. 8. Le procédé selon la revendication 7, dans lequel l'estimation de la température du piston au démarrage du moteur prend en compte le temps écoulé entre le démarrage du moteur et l'arrêt précédant le démarrage du moteur, le coefficient d'échange thermique entre l'eau de refroidissement du moteur et le piston lorsque lemoteur est à l'arrêt et le coefficient d'échange thermique entre l'huile de lubrification du moteur et le piston lorsque le moteur est à l'arrêt. 9. Le procédé selon la revendication 7, dans lequel l'estimation de la température du piston au démarrage du moteur est réalisée à l'aide d'un filtre du premier ordre. 10. Un procédé de contrôle d'un moteur comprenant les étapes de détermination de la température du piston selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comparaison de la température du piston à une température seuil, modulation des performances du moteur si la température du piston ne dépasse pas la température seuil. 11. Le procédé de contrôle selon la revendication 10, dans lequel la modulation est réalisée par modification du temps d'injection du carburant dans le moteur. 12. Véhicule comprenant un moteur mini d'au moins un piston et un calculateur adapté à mettre en oeuvre le procédé de détermination de la température du piston du moteur selon l'une des revendications 1 à 9. 13. Véhicule selon la revendication précédente, dans lequel le calculateur contrôle les performances du moteur, le calculateur étant adapté à mettre en oeuvre le procédé de contrôle selon l'une des revendications 10 à 11.