Brevet FR2964153A1 — publié le 20120302

PROCEDE D'ESTIMATION DE LA CHARGE EN AIR FRAIS D'UN MOTEUR THERMIQUE A INJECTION DIRECTE [0001 L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de la charge en air frais d'un moteur thermique à injection directe. L'invention se rapporte en outre à un véhicule automobile comportant un ordinateur de bord apte à mettre en oeuvre le procédé d'estimation précédent. [0002 Dans le domaine des véhicules automobiles à motorisation thermique, l'estimation des paramètres de la combustion de carburant dans le moteur est un enjeu crucial, notamment pour le respect des contraintes environnementales que ce soit l'optimisation de la consommation en carburant ou la diminution du rejet de polluants dans l'atmosphère. Parmi les paramètres de la combustion figure la charge en air frais du moteur thermique. Différents procédés d'estimation de la charge en air frais ont été proposés pour être mis en oeuvre par les ordinateurs de bord de véhicule automobile. Un tel procédé est notamment proposé par la demande de brevet français n ° 09 51133 déposée par la Demanderesse. [0003] Les procédés proposés par l'art antérieur ne sont cependant pas pleinement satisfaisants Il existe toujours un besoin pour un procédé d'estimation de la charge en air plus précis. [0004] Pour cela, l'invention propose un procédé d'estimation de la charge en air frais d'un moteur thermique à injection directe comprenant au moins un cylindre, le cylindre contenant, à la fin d'admission de l'air frais dans le cylindre, un mélange comportant . - de l'air frais ; - du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre ; et ^ des gaz brûlés ; le procédé comprenant - l'évaluation de la fraction évaporée de carburant du mélange à la fin d'admission ; - la détermination de la température du mélange à la fin d'admission en fonction de la masse d'air frais du mélange, et en se basant sur la fraction évaporée de carburant précédemment évaluée ; - le calcul de la masse d'air frais du mélange en se basant sur la masse de gaz 5 brûlés du mélange et en se basant sur la température du mélange précédemment déterminée en fonction de la masse d'air frais du mélange. [000s] Selon une variante, l'évaluation de la fraction évaporée de carburant est réalisée à l'aide d'une cartographie prédéterminée en fonction du régime du moteur thermique à la fin d'admission. 10 [000s] Selon une variante, le moteur thermique comprend un vilebrequin, un piston mobile dans le cylindre et relié au vilebrequin, la cartographie étant en outre prédéterminée en fonction de l'angle de rotation parcouru par le vilebrequin entre la fin d'une phase d'injection de carburant et la fin d'admission de l'air frais dans le cylindre, dans lequel la fin de la phase d'injection de carburant pour la définition de 15 l'angle de rotation correspond à la fin de la phase d'injection précédent directement la fin d'admission. [000s] Selon une variante, la température du mélange à la fin d'admission est déterminée par conservation de l'énergie thermique du système formé par le mélange. 20 [0008] Selon une variante, le calcul de la masse d'air frais présente dans le cylindre en fin d'admission est en outre réalisé en se basant sur la masse du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre à la fin d'admission. [0009] Selon une variante, le calcul de la masse d'air frais présente dans le cylindre en fin d'admission se base sur la température du mélange par 25 l'intermédiaire de la loi des gaz parfaits. [0010] Selon une variante, le moteur thermique à injection directe est un moteur à simple injection ou à double injection. [0011] Selon une variante, le moteur thermique est un moteur essence. [0012] Selon une variante, les gaz brûlés contenus dans le cylindre proviennent au moins en partie de la recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique. [0013] L'invention propose aussi un véhicule automobile comprenant : - un moteur thermique à injection directe et muni d'au moins un cylindre ; et ^ un ordinateur de bord apte à mettre en oeuvre le procédé précédent. [0014] 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 et en références aux dessins qui montrent : - figure 1, un diagramme représentant l'ouverture de la soupape d'admission d'un cylindre de moteur thermique en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique ; - figures 2A et 2B, des diagrammes représentant les phases d'injection de carburant pour un cylindre de moteur thermique en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique selon que le moteur soit à injection simple ou double ; - figure 3, un diagramme représentant la quantité de carburant sous forme liquide dans le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique ; - figure 4, un diagramme représentant la quantité de carburant sous forme gazeuse dans le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique. [0015] L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de la charge en air frais d'un moteur thermique à injection directe. Le moteur thermique comprend classiquement au moins un cylindre. Au cours du cycle du moteur thermique, le cylindre considéré est dit en fin d'admission d'air frais lorsque la soupape d'admission du cylindre vient de se fermer. [0016] A la fin d'admission, le cylindre contient un mélange comportant de l'air frais, du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre et des gaz brûlés. La charge en air frais du moteur thermique dépend directement de la quantité d'air nouvellement admis dans le cylindre à la fermeture de la soupape d'admission. Cette quantité d'air nouvellement admis dans le cylindre est exprimée dans la suite du document par la masse d'air frais du mélange à la fin d'admission. [0017] Le procédé comprend l'évaluation du mélange à la fin d'admission. A cette étape, on obtient une valeur numérique de la fraction évaporée de carburant. [0018] Le procédé comprend aussi la détermination de la température du mélange à la fin d'admission en fonction de la masse d'air frais du mélange, et en se basant sur la fraction évaporée de carburant précédemment évaluée. A cette étape du procédé la masse d'air frais est une grandeur encore inconnue, la masse d'air frais est une variable (notée Ma dans la suite de la description). Cela signifie qu'on ne connaît pas à ce stade la valeur numérique de Ma. Cette étape du procédé permet d'obtenir la température du mélange en fonction de Ma, en utilisant la valeur numérique de la fraction évaporée de carburant précédemment estimée. A des fins de clarté de la description, l'expression "la détermination, d'une grandeur en fonction d'une variable" correspond à la détermination d'une relation fonctionnelle entre la grandeur et la variable, c'est-à-dire ici une relation fonctionnelle entre la température du mélange à la fin d'admission et la masse d'air frais. [0019] Ensuite en se basant sur la température du mélange précédemment déterminée en fonction de la masse d'air frais et en se basant sur la masse de gaz brûlé du mélange, la masse d'air frais du mélange est calculée. La masse de gaz brûlés du mélange à fin d'admission est un paramètre dont la détermination d'une valeur numérique est connue en soi. A des fins de clarté de la description, l'expression "le calcul ou la détermination d'une grandeur en se basant sur un paramètre" correspond au calcul ou la détermination d'une valeur numérique de la grandeur à partir dudit paramètre. [0020] Le calcul de la fraction évaporée du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre dépend de paramètres d'injection tel l'importance du décalage dans le cycle moteur entre la fin de l'injection et la fin d'admission pour un cylindre. Ainsi l'estimation de la masse d'air proposée prend en compte l'influence des paramètres d'injection ce qui entraîne une amélioration de la précision du calcul de la masse d'air frais. En définitive l'invention permet l'obtention d'un procédé d'estimation de la charge en air plus précis. [0021] L'invention se rapporte en outre à un véhicule automobile comprenant un moteur thermique à injection directe. Le moteur thermique est muni classiquement d'un vilebrequin, d'au moins un piston relié au vilebrequin, le piston étant mobile dans un des cylindres du moteur thermique. Le moteur thermique comprend de préférence de 3 à 6 cylindres. [0022] Le véhicule automobile comprend en outre un ordinateur de bord, l'ordinateur de bord étant apte à mettre en oeuvre le procédé précédent pour l'estimation de la charge d'air frais. Le procédé proposé s'applique avantageusement à un moteur thermique essence par exemple du type El() et SP98 ou encore du type Flex Fuel E85 et E100. [0023] Le procédé s'applique aussi aux moteurs thermiques suralimentés et atmosphériques, aux moteurs avec ou sans déphaseur d'arbre à cames à l'admission ou à l'échappement. [0024] Le procédé s'applique encore aux moteurs thermiques incluant une recirculation extérieure à la chambre de combustion des gaz d'échappement (de l'anglais Exhaus Gas Recirculation, abrégé en EGR). Dans ce mode de réalisation les gaz brûlés contenus dans le cylindre à la fin d'admission proviennent au moins en partie de la recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique. De façon similaire le procédé s'applique aux moteurs thermiques incluant une fonctionnalité d'injection d'air à l'échappement (abrégé en IAE). [0025] Dans la suite du document, l'invention est décrite en référence à un seul des cylindres du moteur thermique sans préjudice de l'application du procédé à d'autres cylindres du moteur thermique. [0026] Les différentes phases du cylindre dans le cycle du moteur thermique peuvent être exprimées en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique. Ainsi le diagramme de la figure 1 représente l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission du cylindre considéré en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique. Selon cette figure 1, il est considéré par convention que la soupape d'admission est fermée lorsque la distance d'ouverture (ou levée) de la soupape d'admission par rapport au cylindre est inférieure ou égale à 0,5 mm. Cette ouverture de 0,5mm correspond ainsi au moment de la fin d'admission, l'angle vilebrequin au moment de la fin d'admission est noté FA dans l'ensemble des figures et la suite de la description. Avant FA, le cylindre est en phase d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et se referme. Au moment FA, le cylindre contient le mélange précédemment décrit avec du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre. Après FA le cylindre est en phase de compression, le piston mobile dans le cylindre remonte et comprime le mélange à brûler. [0027] Le moteur thermique peut être un moteur à simple injection ou double injection. Pour un moteur thermique à simple injection, le carburant est injecté en un seul coup et ce pendant la phase d'admission du moteur. Le diagramme de la figure 2A représente la phase d'injection de carburant pour le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique, lorsque le moteur thermique est simple injection. L'anagramme SOI (de l'anglais Start Of injection) correspond à l'angle vilebrequin de début d'injection. L'anagramme EOI (de l'anglais End Of Injection) correspond à l'angle vilebrequin de fin d'injection. L'angle de rotation parcouru par le vilebrequin entre la fin de la phase d'injection de carburant et la fin d'admission de l'air frais dans le cylindre est A=FA-EOI . [0028] Pour un moteur thermique à double injection, le carburant est injecté en deux coups, une première injection pendant la phase d'admission et une seconde pendant la phase de compression. Le diagramme de la figure 2B représente les phases d'injection de carburant pour le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique, lorsque le moteur thermique est à double injection. L'anagramme S011 correspond à l'angle vilebrequin de début d'injection pour la première phase d'injection. L'anagramme E011 correspond à l'angle vilebrequin de fin d'injection de la première phase d'injection. Les anagrammes S012 et E02 correspondent respectivement au début et à la fin de la deuxième phase d'injection. M1 et M2 correspondent respectivement à la masse de carburant injecté pendant la phase de première injection et pendant la phase de deuxième injection. La deuxième phase d'injection a lieu pendant la phase de compression après FA. La première phase d'injection a lieu pendant la phase d'admission avant FA. Ainsi la fin de la première phase d'injection précède directement la fin d'admission, alors que la fin de la deuxième phase d'injection précède indirectement la fin d'admission, c'est-à-dire que la fin de la deuxième phase d'injection est séparée de la prochaine fin d'admission par la première phase d'injection qui suit. L'angle de rotation parcouru par le vilebrequin entre la fin de la première phase d'injection de carburant et la fin d'admission de l'air frais dans le cylindre est A = FA - EOI 1. [0029] A, M1 et M2 sont des paramètres d'injection du cylindre et donc des paramètres d'injection du moteur thermique. [0030] La suite de la description détaille des équations du moteur thermique et la résolution d'un système d'équations en relation avec un mode de réalisation particulier du procédé d'estimation proposé. [0031] La température du mélange à la fin d'admission (notée Tmé,ange) peut être obtenue par un calcul de mélange enthalpique entre la masse de gaz brûlé, de gaz frais et de carburant. En posant l'hypothèse que la chambre de combustion est adiabatique, on obtient, par conservation de l'énergie thermique formé par le mélange dans le cylindre, que le bilan enthalpique de chacune des espèces composant le mélange est nul : E Q, = 0 ; soit Qa + Qb + Qc - Qévaporation = 0 ; avec - Qa est la variation de l'enthalpie de l'air frais du mélange liée à la variation de température de l'air entre l'admission de l'air et la fin d'admission ; - Qb est la variation de l'enthalpie des gaz brûlés liée à la variation de température des gaz brûlés jusqu'à la fin d'admission ; - Oc est la variation de l'enthalpie du carburant liée à la variation de température du carburant entre l'injection de ce carburant dans le cylindre et la fin d'admission. ; - Qévaporation est la variation d'enthalpie liée au changement d'état du carburant pendant la phase d'admission, le carburant s'évaporant dans le cylindre en passant d'une phase liquide à une phase gazeuse du fait des conditions thermodynamique du mélange. [0032] On peut calculer l'énergie thermique consommée pour l'évaporation du carburant Qévaporation à l'aide de l'équation suivante : Qévaporation = Mc _ evap x Lvc : où - Mc_evap est la masse de carburant évaporée pendant la phase d'admission au moment de la fin d'admission ; - Lvc est la chaleur latente d'évaporation du carburant. [0033] Le calcul de l'énergie thermique consommée pour l'évaporation du carburant du mélange à la fin d'admission (c'est-à-dire Qévaporation) passe alors par le calcul préalable de Mc_evap. [0034] Le diagramme de la figure 3 représente la quantité de carburant sous forme liquide dans le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique. Ce diagramme de la figure 3 est à comparer au diagramme de la figure 4 qui représente la quantité de carburant sous forme gazeuse dans le cylindre en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur thermique. [0035] Mc_evap est liée à la fraction évaporée (notée E_evap) de masse de carburant injectée à la fin d'admission selon l'égalité Mc_evap = McFA x E_evap . McFA correspond à la masse de carburant nouvellement injectée et admise à la fin d'admission (dans le cas d'une injection simple McFA est la masse totale de carburant à injecter alors que dans le cas d'une injection double McFA est égale à Ml). [0036] E_evap est évaluée à l'aide d'une cartographie prédéterminée en fonction de : - la différence angulaire entre l'angle vilebrequin de fin de l'injection (EOI) et l'angle de fermeture de la soupape (FA), précédemment défini comme A ; et - du régime moteur (noté classiquement N). [0037] Ainsi la détermination de l'énergie thermique d'évaporation peut être réalisée par l'évaluation de la fraction évaporée de carburant selon la cartographie de El prédéterminée en fonction du régime du moteur thermique à la fin d'admission et/ou prédéterminée en fonction de l'angle A de rotation parcouru par le vilebrequin entre la fin de la phase d'injection de carburant et la fin d'admission de l'air frais dans le cylindre. [0038] Les variations d'enthalpie liées aux variations de température des espèces contenues dans le mélange peuvent s'exprimer de la manière générique suivante : Qi = M. x CYi x (Tfinale - Tinitiale ) - Mi est respectivement Ma, Mb, McFA, c'est-à-dire respectivement la masse d'air frais (qui est encore une grandeur inconnue, une variable), la masse de gaz brûlés, la masse de carburant à la fin d'admission ; - Cpi est respectivement Cpa, Cpb, Cpc, c'est-à-dire respectivement la capacité calorifique massique à pression constante de l'air frais, des gaz brûlés et du carburant ; - Tinitiale est respectivement Ta, Tb, Tc, c'est-à-dire respectivement la température de l'air frais, la température des gaz brûlés et la température du carburant dans le rail d'injection ; - Tfinale correspond à Tmélange c'est-à-dire à la température du mélange à la fin d'admission ; [0039] A partir du bilan enthalpique, Tmélange peut s'écrire de la manière suivante : MaxcpaxTa+MbxcpbxTb+McFA xcpcxTc-LvcxMc_evap mélange = Max cpa + Mb x cpb + McFA x cpc [0040] En définitive Tmélange peut être déterminée en fonction de la masse d'air frais Ma et en se basant sur E_evap selon la formule : Ma x cpa x Ta + Mb x cpb x Tb + McFA x(cpcxTc-LvcxE_evap)) Tmélange = Max cpa + Mb x cpb + McFA x cpc [0041] Une telle formule de Tmélange est plus élaborée qu'une formule obtenue à partir d'un bilan enthalpique incomplet qui ne prend pas en compte l'énergie thermique pour l'évaporation du carburant. Un tel bilan enthalpique incomplet aboutit à l'équation suivante : Ma x cpa x Ta + Mb x cpb x Tb me'lange = Ma x cpa + Mb x cpb [0042] Or la masse de carburant évaporée a une influence sur le remplissage en 5 air frais du moteur par la modification de la température de mélange, le procédé proposé est donc plus précis. [0043] On procède ensuite au calcul de la masse d'air frais du mélange par l'intermédiaire de l'équation : Ma=Mtot-Mb ;où 10 Ma est la masse d'air frais dans le cylindre à la fin de l'admission ; - Mtot est la masse totale de gaz dans le cylindre à la fin de l'admission ; - Mb est la masse de gaz brûlée dans le cylindre à la fin de l'admission. [0044] Pour une plus grande précision, le procédé peut prendre en compte dans le calcul de la masse la présence de la masse de carburant nouvellement injecté et 15 admis dans le cylindre à la fin d'admission (McFA). On corrige ainsi l'équation précédente en Ma = Mtot - Mb - McFA . Ainsi l'étape de calcul de la masse d'air frais présente dans le cylindre en fin d'admission est en outre réalisée en se basant sur la masse du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre à la fin d'admission. 20 [0045] La masse totale de gaz : « Mtot », peut être exprimée en fonction de la température en fin d'admission (Tmélange) par l'intermédiaire de la loi des gaz parfaits. Ainsi la loi des gaz parfaits, une fois corrigée en température donne : Mtot=(AADM x PADM )x Ucyl FA où Y x Tmelange n - PADM est la pression admission ; 25 - VcyI FA est le volume de chambre calculé à la fermeture soupape admission (en fin d'admission) ; - AADM AADM ATMO + kATMO TURBO x (AADM TURBO - AADM ATMO) où o AADM ATMO est une cartographie qui est fonction de FA et du régime moteur (N), o AADM TURBO est une cartographie qui est fonction de FA et du régime moteur (N), i i P PADM - fA(N) x ATMO 0;min 1; Po où fB (N) x PATMO Po ii - PATMO est la pression atmosphérique ^ Po est la pression aux conditions normales de température et de pression (en abrégé CNTP) avec Po = 105 Pa) - fA(N) est une cartographie qui est fonction du régime moteur (N) et de FA - fB (N) est une cartographie qui est fonction du régime moteur (N). [0046] On calcule alors Ma en se basant sur la masse de gaz brûlé (Mb) du mélange et en se basant sur la température du mélange déterminée en fonction de la masse d'air frais Ma, en résolvant du système suivant : Ma = (AADM xPADM )x Vcyl FA n (r x Tmelange Ma x cpa x Ta + Mb x cpb x Tb + Mc FA x(cpcxTc -LvcxE_evap) Tmélange = Ma x cpa + Mb x cpb +McFA x cpc [0047] Du calcul de la masse d'air frais on peut déduire, le remplissage en air frais dans le cylindre (noté rempl_cyl) de la manière suivante : rempl_cyl = Ma où Mo Mo est une masse de référence prise aux CNTP avec To = 20°C, Po = 105 Pa. [0048] Enfin on peut estimer le remplissage en air frais total du moteur (c'est-à-dire la charge en air frais du moteur que l'on cherche a estimer) par la formule suivante : o kATMO TURBO =max - Mb - Mc FA Mbal rempl_tot=rempl_cyl+ ; ou Mo - rempl_tot est le remplissage en air frais total, la charge en air frais du moteur ; - rempl_cyl est le remplissage en air frais dans le cylindre du moteur thermique ; Mbal est la masse de gaz balayée de l'admission du cylindre vers l'échappement du cylindre. [0049] La masse de carburant évaporée a une influence sur le remplissage en air frais du moteur car la modification de la température de mélange modifie la masse totale admise. La prise en compte de l'évaporation du carburant rend donc le procédé d'estimation plus précis notamment par la prise en compte de l'influence des paramètres d'injection (tel que A par l'intermédiaire de EOI ou E01 dans le calcul de Mc_evap, ou tel que Ml). REVENDICATIONS1. Un procédé d'estimation de la charge en air frais d'un moteur thermique à injection directe comprenant au moins un cylindre, le cylindre contenant, à la fin d'admission d'air frais dans le cylindre, un mélange comportant : - de l'air frais ; - du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre ; et - des gaz brûlés ; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - l'évaluation de la fraction évaporée de carburant du mélange à la fin d'admission ; - la détermination de la température du mélange à la fin d'admission en fonction de la masse d'air frais du mélange, et en se basant sur la fraction évaporée de carburant précédemment évaluée ; - le calcul de la masse d'air frais du mélange en se basant sur la masse de gaz brûlés du mélange et en se basant sur la température du mélange précédemment déterminée en fonction de la masse d'air frais du mélange. 2. Le procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'évaluation de la fraction évaporée de carburant est réalisée à l'aide d'une cartographie prédéterminée en fonction du régime du moteur thermique à la fin d'admission. 3. Le procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moteur thermique comprend un vilebrequin, un piston mobile dans le cylindre et relié au vilebrequin, la cartographie étant en outre prédéterminée en fonction de l'angle de rotation parcouru par le vilebrequin entre la fin d'une phase d'injection de carburant et la fin d'admission d'air frais dans le cylindre, dans lequel la fin de la phase d'injection de carburant pour la définition de l'angle de rotation correspond à la fin de la phase d'injection précédent directement la fin d'admission. 4. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la température du mélange à la fin d'admission est déterminée par conservation de l'énergie thermique du système formé par le mélange. 5. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le calcul de la masse d'air frais présente dans le cylindre en fin d'admission est enoutre réalisé en se basant sur la masse du carburant nouvellement injecté et admis dans le cylindre à la fin d'admission. 6. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le calcul de la masse d'air frais présente dans le cylindre en fin d'admission se base sur la température du mélange par l'intermédiaire de la loi des gaz parfaits. 7. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le moteur thermique à injection directe est un moteur à simple injection ou à double injection. 8. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le moteur thermique est un moteur essence. 9. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les gaz brûlés contenus dans le cylindre proviennent au moins en partie de la recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique. 10. Un véhicule automobile comprenant : un moteur thermique à injection directe et muni d'au moins un cylindre ; et - un ordinateur de bord ; le véhicule automobile étant caractérisé en ce que l'ordinateur de bord est apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 9.