Brevet FR2950388A1 — publié le 20110325

Procédé de prédiction du régime de rotation d'un vilebrequin de moteur en phase de fin de rotation et application du procédé à la prédiction du cylindre d'arrêt Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement à la détermination anticipée du régime de rotation en phase d'arrêt du moteur. Arrière-plan technologique Afin de connaitre et de suivre la position de chacun des cylindres dans un cycle, les calculateurs électroniques disposent principalement d'informations fournies par deux capteurs, qui caractérisent respectivement la rotation du vilebrequin du moteur (on parle alors de capteur de régime), et potentiellement la rotation d'au moins un arbre à cames (on parle alors de capteur de position AAC ou arbre à cames). Au cours d'un cycle d'un moteur à 4 temps, le vilebrequin effectue 2 tours, soit une rotation de 720°. Pour des raisons de clarté, conformément à l'usage, nous posons qu'un cycle commence à 0° d'angle vilebrequin au début d'une phase de compression d'un cylindre donné et se termine à 720° à la fin de la phase d'admission de ce même cylindre. Le volant moteur, solidaire du vilebrequin du moteur, est pourvu sur sa périphérie d'un ensemble de dents, appelé cible, en regard de laquelle est positionné le capteur de régime. Il délivre une tension alternative en créneaux, présentant des fronts électriques montants et des fronts électriques descendants, et dont la fréquence varie avec le régime du moteur. Typiquement, le volant moteur peut présenter, par exemple, 58 dents et deux lacunes (c'est-à-dire une denture de 60 dents dont 2 manquantes). Le capteur va détecter ces lacunes apportant ainsi une information sur la position du vilebrequin et la vitesse de rotation ou régime du moteur. Il est connu de déterminer le régime moteur instantané à partir de la mesure d'une durée inter-dent, autrement dit, le temps séparant deux fronts montants ou deux fronts descendants. La connaissance du régime moteur peut s'utiliser avantageusement dans divers contrôles ou commandes moteur tel que l'amélioration du redémarrage du moteur à combustion interne par exemple pour contrôler le cylindre d'arrêt, en particulier dans les véhicules automobiles équipés d'un automatisme marche/arrêt. Cependant, la commande ou le contrôle en question ne peut évidemment pas être mis en oeuvre sans avoir connaissance du régime moteur, ce qui peut être gênant pour répondre à des problématiques de véhicules automobiles équipés d'un automatisme marche/arrêt utilisant un démarreur. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé de prédiction du régime de rotation d'un vilebrequin de moteur à combustion interne en phase de fin de rotation, caractérisé en ce que : 10 - On détermine et on enregistre le régime de rotation réel du vilebrequin à des positions angulaires dudit vilebrequin pour une plage de positions angulaires du vilebrequin délimitée par une première position angulaire et une seconde position angulaire correspondant à des oscillations périodiques angulairement de diminution de la vitesse de rotation du vilebrequin. 15 - On détermine une constante en fonction de l'écart des carrés des régimes réels déterminé pour les première et seconde positions angulaires, - On détermine un régime prédit de rotation du vilebrequin pour une troisième position angulaire du vilebrequin, non comprise dans la plage de positions angulaires du vilebrequin, en fonction de la constante et du régime réel déterminé à 20 une quatrième position angulaire comprise dans ladite plage et telle que l'écart entre les troisième et quatrième positions angulaires est égal à ladite plage ou est un multiple de celle-ci. On utilise ainsi la mesure de régime réel mesuré sur une plage donné de position 25 angulaire pour prédire à une position angulaire à venir du vilebrequin. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - De préférence, la seconde position angulaire correspond à la position à l'instant présent 30 du vilebrequin qui est la dernière position angulaire pour laquelle on puisse déterminer un régime réel. - Dans une variante où le moteur comprend quatre cylindres, la plage de positions angulaires du vilebrequin est avantageusement de 180°, 360°ou 720° ce qui correspond 35 respectivement à une phase moteur, un tour moteur, un cycle moteur. La plage est représentative de la périodicité des couples de perte des phases d'admission, compression, détente et échappement du moteur et du déphasage des cylindres. De5 préférence la plage de positions angulaires du vilebrequin est de 360° pour avoir une meilleure précision de prédiction du régime. - Dans une variante où le moteur comprend trois cylindres, la plage est de 240° ou de 5 720°, en raison du déphasage des cylindres - Dans une variante où le moteur comprend six cylindres, la plage est de 120°, 240°ou de 720°, en raison du déphasage des cylindres. 10 - le vilebrequin étant solidaire en rotation d'une roue dentée comprenant des dents servant à déterminer la position angulaire dudit vilebrequin, la largeur angulaire entre chaque dent étant de 6°, le régime prédit de rotation du vilebrequin pour la troisième position angulaire du vilebrequin est déterminé en fonction du régime réel en appliquant la relation suivante : Nn+d =/N2 T ù(A+1).co V n--+B 6 dans laquelle : A et B sont des variables telles que : A=INT/6d\ etB=dùT.A T 6 n est l'indice de la dent repérant la seconde position angulaire du vilebrequin, 20 n+d est l'indice de la dent repérant la troisième position angulaire du vilebrequin, nû 6 +B est l'indice de la dent repérant la quatrième position angulaire du vilebrequin, et INT est la fonction fraction entière. On a ainsi une formulation générale dans le cas d'une roue dentée classique de 58 dents 25 et deux lacunes, c'est-à-dire une denture de 60 dents dont 2 manquantes, soit une dent pour repérer 6°de rotation du vilebrequin. - Le procédé comprend en outre les étapes suivantes : 30 - on détermine le régime prédit à la dent d'indice n+1, - on calcule, à partir du régime prédit à la dent d'indice n+1, un temps inter-dents, - on incrémente un compteur de temps du temps inter-dents calculé, - on réitère les précédentes étapes sur les dents d'indices suivants tant que la valeur du compteur de temps est inférieure à un temps fixé, 15 - on détermine un régime prédit pour le temps fixé, par interpolation entre les régimes prédits pour les deux derniers indices. Ce qui permet de connaitre à l'avance le régime à venir après un temps déterminé et peut permettre d'anticiper des actions de contrôle moteur. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet une application du procédé de l'invention à la prédiction du cylindre d'arrêt d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la troisième position angulaire du vilebrequin correspond à un point mort haut combustion. L'estimation du régime pour des positions angulaire du vilebrequin correspondant un point mort haut combustion, encore nommé PMH combustion, permet en effet de déterminer le dernier PMH pour lequel le régime estimé sera non nul et d'en déduire le cylindre en compression correspondant que l'on désigne comme le cylindre d'arrêt. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique un moteur à combustion interne 1. - La figure 2 est un diagramme montrant la phase de fin de rotation du vilebrequin. - La figure 3 illustre la procédure de prédiction du régime moteur sur un angle fixé. - La figure 4 illustre la procédure de prédiction du régime moteur sur un temps fixé. - La figure 5 illustre la procédure de prédiction du cylindre d'arrêt. Description détaillée La figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne 1 comportant un vilebrequin 2. Le moteur à combustion interne est équipé d'un dispositif 3 pour déterminer la position de rotation du vilebrequin 2. Ce dispositif comprend une roue dentée 4, un capteur 5 de régime relié à une unité de commande électronique 6 encore dénommée ECU. La roue dentée 4 en est reliée solidairement en rotation au vilebrequin 2 pour que lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne, la roue dentée 4 tourne par rapport au moteur 1. La périphérie de la roue dentée 4 comporte des dents 7 correspondant à une largeur angulaire de 3° et deux dents sont séparées par un creux 8 d'une largeur angulaire de 3°. Dans une partie de la périphérie, on a supprimé deux dents voisines 7 pour avoir un intervalle de dents agrandi appelé espacement 9. A chaque passage entre une dent 7 et un creux 8 ou à l'espacement 9, on a un flanc de dent 10. L'ECU 6 comprend les moyens de calculs et de mémorisation nécessaires à la détermination du régime moteur réel et du régime moteur prédit selon l'invention. On définit comme la durée inter-dent, tid, le temps séparant deux fronts identiques successifs. Les fronts peuvent être montants 12 ou descendants 13. Un régime dit instantané ou réel N exprimé en degré/seconde peut alors être estimé par la relation suivante : N_ 6 ù t t id Le capteur 5 est un capteur à effet Hall monté de manière fixe par rapport au moteur à combustion interne 1. Le capteur 5 saisit la succession de dents 7 et d'intervalles de 15 dents 8 ou de l'espacement 9 qui passe devant lui et génère un signal électrique créneau 11, présentant des fronts électriques montants 12 et des fronts électriques descendants 13, dont la fréquence varie avec le régime N de rotation du moteur. Selon l'invention, nous pouvons prédire, au cours d'une phase de fin de rotation du 20 vilebrequin d'un moteur à combustion interne, le régime moteur en utilisant une information basée sur la différence entre un régime instantané actuel au carré et les régimes instantané antérieurs au carré. On entend par l'expression « phase de fin de rotation » la période qui suit un arrêt du fonctionnement du moteur à combustion interne 1 dû à une coupure par l'ECU 6 de l'injection et de l'allumage. 25 La figure 2 montre la phase de fin de rotation du vilebrequin 2 du moteur à combustion interne 1 sous la forme d'un diagramme donnant la variation du régime N en fonction de l'angle 0 du vilebrequin 2. La figure 2 montre que lors de la phase de fin rotation la vitesse de rotation N du vilebrequin 2 diminue. En effet, le moteur à combustion interne 1 ne 30 fournit pas d'énergie et des couples de pertes, dus aux forces de frottement, mais pas seulement, s'opposent à la rotation du vilebrequin 2 du moteur 1 et ralentissent la vitesse de rotation N du vilebrequin 2. La figure 2 montre de plus que la diminution de la vitesse de rotation N du vilebrequin n'est pas monotone mais présente des oscillations périodiques angulairement, autrement dit sur une plage T de positions angulaires. En 35 effet, ces oscillations sont dues au fait que certains couples de perte tels que ceux 10 (1) générés par des efforts d'admission, de compression, de détente et d'échappement qui sont périodiques du déphasage entre les cycles moteur de chaque cylindre du moteur. L'invention sera mieux comprise suite à la démonstration suivante : Le principe fondamental de la dynamique appliquée aux rotations nous donne : dde( 2 t) = C(e(t)) 10 Avec : J : le moment d'inertie des éléments du moteur reliés à la roue dentée 4, 0(t) l'angle du vilebrequin 2 en fonction du temps, l C(e(t)) : en phase de fin de rotation moteur, la somme des couples de perte responsables de l'arrêt en rotation du moteur. 15 En multipliant chaque terme de la relation (2) par le régime N aussi déterminé par la relation suivante : N _ de(t) dt , il vient : de(t) d2e(t) _ de(t) C(e(t)) (4) dt dt2 ù dt 25 En procédant à une intégration de la relation (4) entre un premier instant t, et un second instant t2, avec 01 l'angle vilebrequin relevé à l'instant t,, tel que : 0(t,) = 0, (5) 30 Et 02, l'angle vilebrequin relevé à un second instant t2, tel que : e(t2) = 02 (6) (2) (3) 20 7 Il vient alors : /de(t) 2 dt ) _ [f C(e(t))]t? (7) tZ J 2 t, Ou encore : J 2 (8) Soit, à l'aide de la relation (3) : Néz ù Ne = 2j . (f C(e2) ù f C(01» (9) On remarque alors judicieusement que la relation (9) est particulièrement avantageuse lorsque l'écart entre 01 et 02 correspond à une plage T de positions angulaires. Ainsi, de préférence, pour un moteur comprenant quatre cylindres, la plage T de positions angulaires du vilebrequin 2 est de 180°, 360° ou 720°. De préférence encore, la plage T est de 360°, pour avoir une meilleure précision de 20 prédiction du régime. Ainsi, en raison de la périodicité angulaire des couples de pertes, le second terme de la relation (9) est avantageusement une constante Co et peut donc s'écrire: I2 Ne +T ù Ne = Nez2_T ù N2 C 2Z = o Si on considère que la largeur angulaire entre chaque dent 7 de la roue 4 dentée est de 6°, on peut donc indicer la relation (10) en fonction d'un nombre j de dents : 15 25 (10) 30 où j est l'indice d'une dent quelconque. On a alors la possibilité de prédire selon une première manière le régime moteur à un angle déterminé du vilebrequin 2 ou selon une seconde manière à un temps fixé. La procédure pour prédire un régime moteur à un angle déterminé du vilebrequin 2, autrement dit pour un nombre de dent d déterminé de la roue dentée 4 est la suivante : - On détermine et on enregistre le régime de rotation réel du vilebrequin à des positions angulaires dudit vilebrequin pour une plage T de positions angulaires du vilebrequin 2 délimitée par une première position angulaire et une seconde position angulaire. Pour ce faire, on effectue un enregistrement des durées inter-dent, t;d, pour la période T considérée, le nombre d'enregistrement est donc dans notre exemple, des trente dernières durées inter-dent, t;d, soit un enregistrement sur une plage de 180°. De préférence, ici la seconde position angulaire correspond donc à la position à l'instant présent du vilebrequin 2. La figure 3 présente en trait plein la période angulaire T enregistrée et indique en trait discontinu la variation du régime de rotation à venir. On détermine pour chaque durée inter-dent, t;d, le régime de rotation réel par la relation (1). Les valeurs des régimes réels sont mémorisées dans l'ECU 6 pour leur usage à venir dans la suite de la procédure. - On détermine la constante Co en fonction de l'écart des carrés des régimes réels déterminé pour les première et seconde positions angulaires, autrement dit par la différence entre le régime instantané au carré du premier enregistrement et le régime instantané au carré du dernier enregistrement. - On détermine un régime prédit N de rotation du vilebrequin 2 pour une troisième position angulaire du vilebrequin 2, non comprise dans la plage T de positions angulaires du vilebrequin 2, en fonction de la constante Co et du régime réel N déterminé à une quatrième position angulaire comprise dans ladite plage T et telle que l'écart entre les troisième et quatrième positions angulaires est un multiple supérieur ou égal à ladite plage (T). En effet, le régime prédit N est déterminé sur la base d'une formule générale dont l'expression est maintenant démontrée : Pour les besoins de la démonstration et comme illustré sur la figure 3 on attribue au dernier enregistrement l'indice n. Le premier enregistrement a donc l'indice (n-T/6). Cherchant à prédire le régime d dent après le dernier enregistrement, on peut écrire : 2 2 N T ù Nn+d ù Co n--+d 6 Dans la suite de la démonstration, afin de distinguer les valeurs de régime déterminées à partir des temps inter-dents de celle non connues et donc à prédire, on notera N les premières et N les secondes. Ainsi pour 0 Nn+SO = 2 T ù Co = Nn+2o ù Co = N2 T ù Co J ù Co = N2 T ù 2Co nù6+50 \ nù6+20 nù6+20 Pour 2T/6 Il vient, pour un moteur à combustion interne comprenant quatre cylindres, équipé d'une roue dentée de 58 dents (c'est-à-dire une denture de 60 dents dont 2 manquantes), la formule générale suivante : 2 ( Nn+d = , Nn T+e ù A + 1). Co 6 Nous décrivons maintenant la procédure complémentaire pour prédire un régime moteur à un temps fixé tp, lors de la phase de fin de rotation. On reprend les étapes décrites précédemment, c'est-à-dire : - l'étape d'enregistrement des durées inter-dent, tic', pour la période T considérée, - l'étape de détermination des régimes instantanés, à partir des durées inter-dent, t;d 15 enregistrées. - l'étape de détermination de la constante Co. On procède ensuite de proche en proche, comme illustré sur la figure 4 : Les régimes étant connus jusqu'à la dent d'indice n, on initialise la valeur d'un compteur 20 de temps S à 0 pour la dent d'indice n. - on détermine le régime prédit à la dent suivante, d'indice n+1, référencé Nn+1 sur la figure 4, à l'aide de la relation générale (19), 25 - on calcule à partir du régime prédit à la dent d'indice n+1, un temps inter-dents, tic', correspondant à partir de la relation (1), référencé tn+1, sur la figure 4, - on incrémente le compteur de temps S du temps inter-dents calculé. 30 - on réitère les précédentes étapes sur les dents d'indices suivants tant que la valeur du compteur de temps S est inférieure au temps fixé tp. Ainsi, comme le montre la figure 4, à l'indice n+2, le cumul des temps inter-dents cumulés à partir de l'indice n est inférieur au temps fixé tp tandis qu'à l'itération suivant, à l'indice n+3, le cumul des temps inter-dents, tid, est supérieur au temps fixé tp. On poursuit alors la procédure ainsi : 10 (19) 35 11 - on détermine un régime prédit pour le temps fixé tp, par interpolation entre les régimes prédits pour les deux derniers indices, référencés respectivement Nn+2. Nn+3 sur la figure 4. On obtient ainsi un régime prédit Np au temps fixé tp. 5 Avantageusement, cette procédure peut permettre de déterminer le cylindre d'arrêt. On entend par cylindre d'arrêt le cylindre qui est dans la phase de compression du cycle moteur. Pour ce faire, on procède ainsi : On reprend les étapes décrites précédemment, c'est-à-dire : - l'étape d'enregistrement des durées inter-dent, tic', pour la période T considérée, - l'étape de détermination des régimes réels, à partir des durées inter-dent, t;d 15 enregistrées, à l'aide de la relation (1). - l'étape de détermination de la constante Co. - on calcule le régime réel au point mort haut (ou PMH) combustion, nommé NPMH à partir de l'enregistrement du temps inter-dents correspondant. CO 2950388 20 On procède ensuite, comme suit, avec une plage T de position angulaire : -On prédit de proche en proche le régime pour des positions angulaires correspondant aux prochains PMH combustion, comme l'illustre la figure 5 l'estimation du régime dans k PMH combustion étant donnée par la relation suivante : NPMH k ùNPMH ù kC0 (21) Cela jusqu'au moment où l'on ne pourra plus franchir le PMH combustion, ce qui correspond à la valeur minimum de k tel que : NPMH ùkC0 25 30 35 k = I NT / N2 PMH (23) Avec INT(x) la fonction partie entière. Dans ce cas on en conclut que le moteur passera k PMH combustion avant l'arrêt, ce qui permet de déduire le cylindre d'arrêt. L'invention ne se limite pas à un type particulier de moteur à combustion. Dans le cas d'un moteur à combustion interne comprenant trois cylindres, la plage T de positions angulaires du vilebrequin 2 est de préférence de 240° ou de 720°, en raison du déphasage des cycles moteur des différents cylindres. Dans le cas d'un moteur à combustion interne comprenant six cylindres, la plage T de positions angulaires du vilebrequin 2 est de préférence de 120°, 240° ou de 720°, en raison du déphasage des cycles moteur des différents cylindres. L'invention a pour avantage d'être simple à mettre en place sous forme d'une routine informatique programmée dans l'ECU et ne nécessite aucune calibration particulière. 1215 Revendications1. Procédé de prédiction du régime de rotation d'un vilebrequin (2) de moteur (1) à combustion interne en phase de fin de rotation, caractérisé en ce que : - On détermine et on enregistre le régime de rotation réel (N) du vilebrequin (2) à des positions angulaires dudit vilebrequin pour une plage (T) de positions angulaires du vilebrequin (2) délimitée par une première position angulaire et une seconde position angulaire correspondant à des oscillations périodiques angulairement de diminution de la vitesse de rotation (N) du vilebrequin (2). - On détermine une constante (Co) en fonction de l'écart des carrés des régimes réels 10 déterminé pour les premières et secondes positions angulaires, - On détermine un régime prédit (N) de rotation du vilebrequin (2) pour une troisième position angulaire du vilebrequin (2), non comprise dans la plage (T) de positions angulaires du vilebrequin (2), en fonction de la constante (Co) et du régime réel (N) déterminé à une quatrième position angulaire comprise dans ladite plage (T) et telle 15 que l'écart entre les troisième et quatrième positions angulaires est égal à ladite plage (T) ou est un multiple de celle-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde position angulaire correspond à la position à l'instant présent du vilebrequin (2) qui est la dernière position angulaire pour laquelle on puisse déterminer un régime réel. 20 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, le moteur comprenant quatre cylindres, la plage (T) de positions angulaires du vilebrequin (2) est de 180°, 360°ou 720°. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plage (T) est de 360°. 5. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, le 25 moteur comprenant trois cylindres, la plage (T) est de 240°ou de 720°. 6. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, moteur comprenant six cylindres, la plage (T) est de 120°, 240°ou de 720°. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le vilebrequin (2) étant solidaire en rotation d'une roue dentée (4) comprenant des dents (7) servant à 30 déterminer la position angulaire dudit vilebrequin (2), la largeur angulaire entre chaque dent (7) étant de 6°, caractérisé en ce que, , le régime prédit (N) de rotation du vilebrequin(2) pour la troisième position angulaire du vilebrequin (2) est déterminé en fonction du régime réel (N) en appliquant la relation suivante : Nn+d = INZ T ù(A+1) . co V n-6-+B dans laquelle : A et B sont des variables telles que : A=INT/6d\ et B=dûT -A T1 6 n est l'indice de la dent (7) repérant la seconde position angulaire du vilebrequin (2), n+d est l'indice de la dent (7) repérant la troisième position angulaire du vilebrequin (2), nû 6 +B est l'indice de la dent (7) repérant la quatrième position angulaire du vilebrequin (2), et INT est la fonction fraction entière. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - on détermine le régime prédit (1.1) à la dent (7) d'indice n+1, - on calcule, à partir du régime prédit (N) à la dent d'indice n+1, un temps inter-dents (tid), - on incrémente un compteur de temps (S) du temps inter-dents (tic!) calculé, - on réitère les précédentes étapes sur les dents (7) d'indices suivants tant que la valeur du compteur de temps (S) est inférieure à un temps fixé (tp), - on détermine un régime prédit pour le temps fixé (tp), par interpolation entre les régimes prédits pour les deux derniers indices. 9. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la prédiction du cylindre d'arrêt d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la troisième position angulaire du vilebrequin (2) correspond à un point mort haut combustion.