Brevet FR2999647A1 — publié le 20140620

La présente invention concerne un procédé de détermination de la quantité de carburant injectée dans un moteur, notamment un moteur de type Diesel. Dans un moteur de type Diesel, de l'air est comprimé dans une chambre de combustion puis du carburant est injecté sous pression dans cette chambre. Les 5 conditions de température et de pression dans la chambre sont telles lors de l'injection qu'il y a alors combustion du carburant. Pour un meilleur contrôle du moteur et limiter aussi les émissions polluantes, il convient de maitriser au mieux les conditions dans lesquelles s'effectue la combustion du carburant au sein de la chambre de combustion. En ce qui concerne l'injection de 10 carburant, il est préférable de ne pas injecter en une seule fois la quantité de carburant nécessaire pour réaliser une combustion mais plutôt de réaliser une première injection, appelée aussi "injection pilote" suivie d'une seconde injection ou "injection principale". Lors de l'injection pilote, une faible quantité de carburant est injectée en une fois ou en plusieurs "micro-injections" successives. La combustion de ce carburant permet 15 d'augmenter la température et la pression dans la chambre de combustion et favorise ainsi la combustion du carburant injecté lors de l'injection principale. Cette manière d'injecter le carburant permet, d'une part, de réduire le bruit du moteur et, d'autre part, de limiter le rejet de polluants de type oxydes d'azote, regroupés sous l'appellation de composés NON ou NON, par exemple le monoxyde d'azote NO et le dioxyde d'azote NO2. 20 La présente invention s'intéresse ici plus particulièrement au contrôle de la quantité de carburant injectée lors d'un cycle dans une chambre de combustion. L'injection du carburant dans la chambre de combustion se fait à l'aide d'injecteurs qui délivrent une quantité de carburant en fonction d'un signal reçu de moyens de commande et de contrôle du moteur correspondant. Ces injecteurs ont des 25 caractéristiques qui dérivent avec une sensibilité inhérente à leur conception initiale en fonction du vieillissement, des conditions de fonctionnement, etc... Le contrôle des quantités de carburant injectées est réalisé par une fonction embarquée dans chaque injecteur afin de mesurer les quantités injectées réellement et qui permet de corriger les quantités injectées si une dérive est constatée entre la quantité 30 souhaitée et la quantité réellement injectée. Cette fonction de contrôle est généralement développée par le fabricant de l'injecteur et se base le plus souvent sur l'analyse de l'oscillation du régime moteur lors d'une injection test et/ou sur l'analyse de la richesse si le moteur est équipé d'une sonde Lambda. Le document FR 2 901 848 décrit un procédé et un dispositif de correction du 35 débit d'injection pilote. Le dispositif décrit comporte un module estimateur de valeurs de débit basé soit sur des mesures de pression dans les cylindres, à partir desquelles sont dérivées des valeurs de dégagement de chaleur, soit sur des mesures de nombre de tours du moteur à partir desquelles sont dérivées des différences de vitesse de rotation, avec ou sans injection pilote. Par rapport aux solutions connues de l'art antérieur, la présente invention a pour but de fournir un procédé de détermination de la quantité de carburant injectée par un injecteur qui présente une plus grande précision. La solution proposée par l'invention sera de préférence indépendante de la transmission couplée au moteur. De cette manière, il est possible de réduire les coûts 10 dans la gestion de plateformes de véhicules ayant des moteurs en commun. À cet effet, la présente invention propose un procédé de détermination d'une masse de carburant injectée dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, ledit cylindre étant équipé d'un capteur permettant de connaître la pression régnant à l'intérieur de celui-ci. 15 Selon la présente invention, ce procédé comporte les étapes suivantes : - détermination à partir de la pression mesurée, d'une part, de la température correspondante régnant dans le cylindre et, d'autre part, de la quantité de chaleur dégagée, - intégration des quantités de chaleur dégagée sur un intervalle prédéterminé pour 20 déterminer une quantité de chaleur cumulative, - estimation des pertes de chaleur en tenant compte, d'une part, des pertes de chaleur par rayonnement et dépendantes de la température mesurée à la puissance quatre et, d'autre part, des pertes de chaleur par conduction et/ou convection dépendantes à la fois de la température mesurée et du régime 25 moteur correspondant, - détermination de la quantité de carburant injectée qui est proportionnelle à la quantité de chaleur cumulative ajoutée aux pertes de chaleur. De façon originale, ce procédé réalise une estimation grâce à un modèle basé sur l'énergie totale libérée par la combustion du carburant dans la chambre de 30 combustion. Il permet d'obtenir des résultats de grande précision. Dans ce procédé de détermination selon l'invention, la température peut être calculée à partir de la pression en considérant que le rapport du produit de la pression et du volume, d'une part, et de la température, d'autre part, est constant. L'intégration des quantités de chaleur dégagée est par exemple réalisée sur 35 un cycle complet de combustion, soit sur un intervalle de 7200 pour un moteur quatre temps. On peut toutefois faire des calculs sur un intervalle plus réduit pour contrôler par exemple les injections pilotes réalisées au cours de l'injection du carburant. Il est également envisageable de suivre l'évolution de la masse injectée au cours du cycle de combustion, par rapport en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin. Pour augmenter la précision du procédé de détermination selon l'invention, l'estimation des pertes de chaleur prend avantageusement également en compte 5 l'augmentation de la densité du flux gazeux avant son entrée dans le cylindre. Pour la mise en oeuvre du procédé de détermination de masse de carburant injectée dans la chambre de combustion, il est proposé ici une variante de réalisation préférée qui prévoit que les pertes de chaleur par rayonnement sont estimées à l'aide de la formule : /0 QR = B HRcum (Tmax4 Tco4) Tco4 Où: OR est la quantité de chaleur dissipée par rayonnement, est une constante, HRcum est la quantité de chaleur cumulative, 15 Tmax est la température maximale déterminée sur l'intervalle prédéterminé pris en compte pour la détermination de la quantité de chaleur cumulative, Tc° est la température du moteur. De même, une variante de réalisation préférée prévoit que les pertes de 20 chaleur par conduction et/ou convection sont estimées à l'aide de la formule : QG = f(N) HRcum (Tmax - -fco) / 'GO Où: QG est la quantité de chaleur dissipée par conduction et/ou convection, 25 f(N) est une fonction ayant comme variable N correspondant au régime du moteur, Tmax est la température maximale déterminée sur l'intervalle prédéterminé pris en compte pour la détermination de la quantité de chaleur cumulative, 30 'GO est la température du moteur. En utilisant les variantes préférées précédentes, il est proposé que les pertes de chaleur soient estimées à l'aide de la formule : Qp = A HRcum + OR + QG + C HRCUM Pin / Pamb 35 Où: Qp est la quantité de chaleur correspondant aux pertes de chaleur, A et C sont des constantes, Pin est la pression d'un flux gazeux juste avant son entrée dans le cylindre, Pamb est la pression ambiante. La présente invention concerne également un procédé de correction du débit de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il 5 comporte les étapes suivantes : - détermination de la quantité de carburant injectée au cours d'un cycle de combustion tel que décrit ci-dessus, - comparaison de la quantité de carburant déterminée à l'étape précédente à une valeur de consigne correspondant à la quantité de carburant à injecter lors du 10 même cycle de combustion, et - réitération des étapes de détermination et de comparaison précédentes, - utilisation des résultats des comparaisons entre des quantités de carburant déterminées par un procédé tel que décrit ci-dessus et des quantités de consigne pour définir une valeur de correction à appliquer à une valeur de consigne 15 correspondant à une quantité de carburant à injecter. La présente invention concerne également un dispositif pour la détermination d'une quantité de carburant injectée dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mise en oeuvre de chacune des étapes d'un procédé tel que présenté ci-dessus. 20 La présente invention concerne également un dispositif pour la gestion et le contrôle d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mise en oeuvre de chacune des étapes d'un procédé tel que présenté ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : 25 L'unique figure représente schématiquement les étapes d'un procédé de détermination d'une quantité de carburant injectée dans un cylindre d'un moteur à combustion interne selon la présente invention. Le procédé illustré sur la figure unique jointe permet de déterminer la masse cumulée de carburant injecté dans un cylindre d'un moteur à combustion interne. La 30 présente invention concerne plus particulièrement les moteurs à allumage par compression, appelés aussi moteurs Diesel. Dans un tel moteur, des cylindres sont ménagés dans un bloc moteur et fermés par une culasse. Un piston est mobile dans chaque cylindre et définit une chambre de combustion de volume variable avec la culasse et les parois du cylindre correspondant. Les pistons qui présentent un mouvement de 35 translation dans leurs cylindres sont reliés à un vilebrequin animé d'un mouvement rotatif. On considérera par la suite un tel moteur fonctionnant selon un cycle à quatre temps qui est bien connu de l'homme du métier. Ainsi pour réaliser un cycle complet dans un cylindre, le vilebrequin tourne de deux tours, soit 7200 . Pour la mise en oeuvre de la présente invention, il convient que l'un au moins des cylindres soit muni d'un capteur de pression qui mesure la pression dans la chambre 5 de pression correspondante. La présente invention propose d'estimer la masse de carburant injectée dans un cylindre équipé d'un capteur de pression au cours d'un cycle complet de combustion grâce à un modèle basé sur l'énergie totale libérée par la combustion de ce carburant. Cette énergie totale est calculée à partir notamment de l'information fournie par le capteur 10 de pression du cylindre correspondant. Sur la figure unique, une première courbe 2 illustre la pression mesurée Pcy, mesurée en fonction de la position angulaire du vilebrequin. On considère ici par exemple un intervalle de 0° à 720° de rotation du vilebrequin. La courbe 2 est représentée uniquement sur une partie de cet intervalle qui correspond à la partie de la courbe où les 15 variations de pression sont les plus importantes. Pour déterminer la quantité de carburant injectée au cours du cycle de combustion considéré, il convient de calculer l'énergie totale libérée par la combustion du carburant injecté. Cette énergie totale E est la somme, d'une part, d'un dégagement de chaleur HR qui est transformé en travail et, d'autre part, de pertes thermiques Q dans le 20 cylindre. E = HR + Q Le dégagement de chaleur HR en un point donné correspondant à la position 0 du vilebrequin est donné par la relation suivante : 25 HR(0) = g dV 1 dPcyl xP ix-+ -xVx g-1 eY dO g- 1 dO Où: g est la constante des gaz parfaits qui est par exemple fixée ici à 1,32 pour obtenir une valeur représentative des gaz dans la phase 30 d'expansion du cycle de combustion, dV / dO est la dérivée du volume de la chambre de combustion par rapport à l'angle de rotation du vilebrequin, est la vitesse de rotation du vilebrequin, V le volume de la chambre de combustion (dépend de 0 de même que 35 Pcyl) I dPcy, / dO est la dérivée de la pression régnant dans la chambre de combustion par rapport à l'angle de rotation du vilebrequin. Le dégagement de chaleur HR en fonction du temps est donné par la relation suivante : HR(t) = HR(e) x 6 x N Sur la figure unique, on a illustré par une courbe 4 l'allure que prend habituellement le dégagement de chaleur HR en fonction de la position angulaire du vilebrequin. On appellera HRcum la quantité de chaleur totale dégagée au niveau de la chambre de combustion. On a alors : FIRcum - = f 540 HR(0) x 6 x N 18o On propose d'exprimer les pertes thermiques Q sous la forme suivante : Q = a HRcum On a alors : E = (1+a) HRcum avec a> 0 Le terme a peut être considéré comme un terme correctif ou, exprimé d'une autre manière, les pertes thermiques sont un facteur correctif du dégagement de chaleur 25 se produisant au niveau d'un cylindre. La présente invention considère que les pertes thermiques sont dues en premier lieu au rayonnement thermique lié aux hautes températures dans le cylindre et à la convection et/ou la conduction de chaleur au niveau des parois de la chambre de combustion. On appellera OR les pertes thermiques liées au rayonnement et Qc les pertes 30 thermiques liées à la conduction et/ou convection au cours d'un cycle de combustion. La présente invention propose de formuler OR de la manière suivante : OR = B HRcum (T'x4 - Tco4) / Tco4 Où: 35 B est une constante à déterminer par calibration, T'x est la température maximale déterminée sur le cycle de combustion considéré, 'Go est la température du moteur. Un capteur est prévu dans tous les moteurs modernes pour contrôler cette température du moteur qui correspond à la température du liquide de refroidissement. La température dans la chambre de combustion peut être déterminée à partir de la mesure de pression. En effet, pour une quantité de gaz donné, le quotient PV/T est constant, P représentant la pression du gaz, V son volume et T sa température. En prenant comme référence le volume de gaz (air) que l'on introduit dans la chambre de combustion on a alors l'équation suivante : Pin V,n / T,n = Pcy1(0) V(0) / Tcy,(0) Où: Pin est la pression de l'air à l'entrée de la chambre de combustion, Vin correspond au volume maxi de la chambre de combustion, 'in correspond à la température de l'air qui pénètre dans la chambre de combustion. On obtient donc : Tcy1(0) = P1(0) V(0) Tin / Pin Vin Cette relation permet donc de connaître pour chaque mesure de pression dans le cylindre la température correspondant puisque la variation du volume par rapport à la position du vilebrequin est connue. Une courbe 6 sur la figure unique illustre le profil de la température en fonction de la position angulaire du vilebrequin. De même que pour les pertes par rayonnement, l'invention propose de 25 formuler Qc de la manière suivante : Oc = f(N) HRcum (''x - 'co) / Tco Où f(N) est une fonction ayant comme variable N correspondant au régime du 30 moteur. Cette fonction est déterminée par calibration. Il s'agira habituellement d'une fonction décroissante. Pour obtenir une estimation plus précise des pertes thermiques, il est préférable de tenir également compte de l'augmentation de la densité de l'air par rapport à l'air ambiant. Il est proposé alors d'introduire également un terme correctif pour tenir 35 compte de cette augmentation de densité. Il convient alors d'introduire dans la formulation donnant le terme correctif a le quotient in - - Pin / Pamb - où Pin est la pression de l'air avant son - - Pin entrée dans le cylindre comme défini précédemment et Pamb est la pression ambiante. Globalement, au vu de la description qui précède, on a alors dans une forme de réalisation préférée de la présente invention : a = A + B (Tmax4 - 1co4) Tco4 f(N) (T', Comme indiqué plus haut, la quantité de chaleur totale HFIcum qui correspond au travail utile fourni par le moteur est obtenue par intégration. Les pertes de chaleur correspondent à a HRcum et l'énergie totale E fournie par le carburant introduit dans la chambre de combustion est la somme du travail utile et des pertes. On a représenté schématiquement sur l'unique figure une courbe 8 illustrant l'intégrale de la quantité de chaleur et une courbe 10 illustrant l'intégrale de l'énergie totale par rapport à l'angle de rotation du vilebrequin (crk). La masse de carburant brûlée est directement proportionnelle à l'énergie totale dégagée au cours du cycle de combustion. Soit LHV (acronyme anglais de Lower Heating Value, soit en français pouvoir calorifique inférieur) le coefficient indiquant la quantité d'énergie libérée lors d'une combustion par une unité de masse de carburant, on a alors : MF = E / LHV Où MF est la masse de carburant recherchée. Sur l'unique figure, une courbe 12 montre l'évolution de MF au cours d'un cycle de combustion. L'homme du métier comprendra que le procédé décrit plus haut peut être réalisé soit pour connaître sur un cycle complet de combustion la quantité de carburant injectée soit pour déterminer l'évolution au cours d'un cycle de combustion de la quantité de carburant injectée. Dans le premier cas, un seul calcul peut être effectué en fin du cycle de combustion. Dans l'autre cas, un calcul peut être réalisé par exemple à chaque degré de rotation du vilebrequin. Dans ce dernier cas, il est possible de contrôler les injections pilotes des injections dans le cylindre mais par contre de nombreux calculs sont nécessaires et il faut en conséquence prévoir un calculateur capable de réaliser tous ces calculs. Dans tous les cas, le procédé selon la présente invention permet de connaître la quantité totale de carburant injectée dans un cylindre muni d'un capteur de pression. Cette connaissance permet de diagnostiquer une dérive de l'injecteur de carburant correspondant si une différence entre la quantité totale de carburant injectée mesurée par le procédé décrit plus haut et la quantité de carburant à injecter (valeur de consigne) est mise en évidence de manière constante. Un procédé de correction du débit de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne comporte alors par exemple les étapes suivantes : - détermination de la quantité de carburant injectée au cours d'un cycle de combustion tel que décrit ci-dessus, - comparaison de la quantité de carburant déterminée à l'étape précédente à une valeur de consigne correspondant à la quantité de carburant à injecter lors du même cycle de combustion, et - réitération des étapes de détermination et de comparaison précédentes, - utilisation des résultats des comparaisons entre des quantités de carburant déterminées par un procédé tel que décrit ci-dessus et des quantités de consigne pour définir un valeur de correction à appliquer à une valeur de consigne correspondant à une quantité de carburant à injecter. Les essais réalisés ont montré que la détermination de la quantité de carburant injectée avec le procédé selon l'invention était précise et robuste. Elle peut être utilisée dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur, au démarrage, à régime constant, que le moteur soit froid ou chaud, à tous les régimes, quelle que soit la charge du moteur, ... La présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif mais elle concerne également les variantes de réalisation évoquées et celles à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'une masse de carburant injectée dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, ledit cylindre étant équipé d'un capteur permettant de connaître la pression régnant à l'intérieur de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination à partir de la pression mesurée, d'une part, de la température correspondante régnant dans le cylindre et, d'autre part, de la quantité de chaleur dégagée, - intégration des quantités de chaleur dégagée sur un intervalle prédéterminé pour déterminer une quantité de chaleur cumulative, - estimation des pertes de chaleur en tenant compte, d'une part, des pertes de chaleur par rayonnement et dépendantes de la température mesurée à la puissance quatre et, d'autre part, des pertes de chaleur par conduction et/ou convection dépendantes à la fois de la température mesurée et du régime moteur correspondant, - détermination de la quantité de carburant injectée qui est proportionnelle à la quantité de chaleur cumulative ajoutée aux pertes de chaleur. 2. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est calculée à partir de la pression en considérant que le rapport du produit de la pression et du volume, d'une part, et de la température, d'autre part, est constant. 3. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'intégration des quantités de chaleur dégagée est réalisée sur un cycle complet de combustion, soit sur un intervalle de 7200 pour un moteur quatre temps. 4. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'estimation des pertes de chaleur prend en compte également l'augmentation 25 de la densité du flux gazeux avant son entrée dans le cylindre. 5. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pertes de chaleur par rayonnement sont estimées à l'aide de la formule : OR = B HRcum (T'x4 - Tco4) / Tco4 Où: 30 OR est la quantité de chaleur dissipée par rayonnement, est une constante,HRcum est la quantité de chaleur cumulative, Tm' est la température maximale déterminée sur l'intervalle prédéterminé pris en compte pour la détermination de la quantité de chaleur cumulative, -fco est la température du moteur. 6. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pertes de chaleur par conduction et/ou convection sont estimées à l'aide de la formule : Oc = f(N) HRcum (''x - -fco) / -fco Où: Oc est la quantité de chaleur dissipée par conduction et/ou convection, f(N) est une fonction ayant comme variable N correspondant au régime du moteur, T'x est la température maximale déterminée sur l'intervalle prédéterminé pris en compte pour la détermination de la quantité de chaleur cumulative, -fco est la température du moteur. 7. Procédé de détermination selon les revendications 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les pertes de chaleur sont estimées à l'aide de la formule : Qp = A HRcum + OR + Oc + C HRCUM Pin / Pamb Où: Qp est la quantité de chaleur correspondant aux pertes de chaleur, sont des constantes, A et C est la pression d'un flux gazeux juste avant son entrée dans le cylindre, est la pression ambiante. Pin Pamb 8. Procédé de correction du débit de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination de la quantité de carburant injectée au cours d'un cycle de combustion selon l'une des revendications 1 à 7,- comparaison de la quantité de carburant déterminée à l'étape précédente à une valeur de consigne correspondant à la quantité de carburant à injecter lors du même cycle de combustion, et - réitération des étapes de détermination et de comparaison précédentes, - utilisation des résultats des comparaisons entre des quantités de carburant déterminées par un procédé selon l'une des revendications 1 à 7 et des quantités de consigne pour définir une valeur de correction à appliquer à une valeur de consigne correspondant à une quantité de carburant à injecter. 9. Dispositif pour la détermination d'une quantité de carburant injectée dans un /0 cylindre d'un moteur à combustion interne, ledit cylindre étant équipé d'un capteur permettant de connaître la pression régnant à l'intérieur de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur comportant des moyens pour la mise en oeuvre de chacune des étapes d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7.