Brevet FR3027957A1 — publié le 20160506

PROCEDE D'ESTIMATION D'UN DEBIT DE GAZ DANS UN CYLINDRE POUR LE CONTROLE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001] La présente invention porte sur un procédé d'estimation d'un débit de gaz dans un cylindre pour le contrôle d'un moteur à combustion interne. [0002] De façon connue en soi, pour assurer une bonne combustion dans les moteurs à essence à injection directe et indirecte, on commence à injecter le carburant durant la phase d'échappement du cylindre considéré. Pour connaître la quantité de carburant à injecter sur ce cylindre, il faut déterminer dès le début de cette phase d'échappement quelle sera la quantité d'air présente dans la chambre de combustion délimitée par le cylindre au moment de la fermeture de la soupape admission, c'est-à-dire la quantité d'air qui va participer à la combustion. On réalise donc pour chaque cylindre, durant la phase d'échappement et durant la phase d'admission, une prédiction de la masse d'air présente dans la chambre de combustion associée au cylindre au moment de la fermeture de la soupape admission. [0003] Cette prédiction de la masse d'air peut être réalisée à partir d'un modèle standard d'estimation de la masse d'air dans le cylindre qu'on alimente avec une pression du répartiteur admission prédite au moment de la fermeture de la soupape admission. [0004] Deux systèmes connus consistent à prédire la pression qui va régner dans le répartiteur admission à l'horizon donné. Cette pression prédite va ensuite alimenter un modèle de débit de cylindre qui va fournir un débit prédit à l'horizon donné. [0005] Un des systèmes de prédiction de pression se base sur l'analyse du gradient de la pression mesurée. On extrapole alors la valeur de pression qui règnera dans le répartiteur admission à l'horizon de la fermeture soupape admission en considérant ce gradient constant et en partant de la pression mesurée courante. [0006] L'autre système se base sur l'utilisation d'un modèle du répartiteur d'admission modélisant les débits entrants (débits issus du papillon et du canister principalement) et sortant (débit dans le cylindre) courants. Ce modèle permet d'estimer la pression courante dans le répartiteur par l'intégration de l'écart entre ces débits. Pour la prédiction de pression, on reprend ce principe de calcul en intégrant l'écart entre ces débits à un horizon correspondant au moment de la fermeture de la soupape admission. [0007] Les deux systèmes connus présentent la même limitation. Ils se basent principalement sur l'analyse des mesures courantes (de pression dans le premier système, et des positions actionneurs pour la modélisation des débits pour le deuxième système) et les extrapolent jusqu'à l'horizon demandé. Or, en tenant compte uniquement de ces mesures, ces systèmes prédisent la pression en considérant les phénomènes figés. L'évolution est donc supposée identique jusqu'à l'horizon visé, ce qui n'est pas forcément le cas tout au long d'un transitoire. [0008] En effet, comme on peut le voir sur l'exemple de la figure 1, à l'instant de calcul t, le gradient de pression Grad _P est calculé à partir de la mesure de pression au point courant et au point précédent. Autrement dit, le gradient d'évolution est mesuré entre deux pas de calcul. La pression prédite P pred est obtenue par extrapolation à l'horizon désiré du gradient calculé Grad P. Sur cet exemple, on voit que l'évolution physique de la pression amène, au terme de l'horizon H, à une pression P_pred très différente de la pression cible P c mesurable à l'instant cible t c. Les deux systèmes connus ne sont donc pas très performants en termes de qualité de prédiction pour les horizons longs H et pour les variables présentant des évolutions non linéaires. [0009] De plus, pour les deux systèmes connus, seule la pression est prédite. Les autres paramètres qui alimentent le modèle de débit dans le cylindre sont des paramètres courants et non des paramètres prédits, ce qui limite également la précision du débit de cylindre estimé. [0010] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé d'estimation d'un débit de gaz dans un cylindre pour le contrôle d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - une étape de calcul d'un écart entre des débits entrants et sortants d'un répartiteur d'admission pour transformer cet écart en un gradient de pression, - une étape de calcul d'une valeur de pression prédite dans le répartiteur d'admission à partir notamment de ce gradient de pression, et d'une valeur précédente de pression prédite, - une étape d'estimation d'un débit entrant dans le répartiteur d'admission par un boitier papillon calculé en fonction d'une position papillon estimée à un horizon donné et de la valeur précédente de pression prédite dans le répartiteur d'admission, - une étape d'estimation d'un débit de gaz sortant du répartiteur admission par le cylindre considéré en fonction de la valeur précédente de pression prédite dans le répartiteur d'admission, de positions angulaires de déphaseurs d'arbres à cames prédits à un horizon donné, et d'un régime moteur prédit à un horizon donné, et - une étape d'injection de carburant en fonction du débit de gaz estimé dans le cylindre considéré. [0011] Le débit du cylindre prédit étant calculé à partir de paramètres prédits, à savoir les pressions dans le répartiteur admission prédites, les positions des déphaseurs d'arbres à cames prédits, ainsi que le régime moteur prédit, l'invention permet d'améliorer la finesse de prédiction de ce débit. [0012] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape d'intégration progressive de l'écart des débits pour calculer une évolution de la pression prédite et une étape d'estimation du débit de gaz dans le cylindre lorsque la pression prédite atteint une valeur stable déterminée par un équilibre des débits prédits. [0013] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape d'estimation des positions angulaires de déphaseurs d'arbres à cames en fonction de mesures et de 15 consignes de position angulaires des déphaseurs d'arbre à cames et d'un horizon de prédiction. [0014] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape d'estimation du régime moteur en fonction d'une mesure de régime moteur et d'un horizon de prédiction. [0015] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte l'étape de transformer le débit 20 de gaz dans le cylindre en une masse d'air prédite. [0016] Selon une mise en oeuvre, ladite masse d'air est prédite au moment d'une fermeture d'une soupape d'admission du cylindre considéré et est effectuée durant toute une phase d'échappement et poursuivit pendant une phase d'admission. [0017] Selon une mise en oeuvre, ladite masse d'air prédite est ensuite convertie en une 25 masse de carburant de consigne pour calculer et commander une durée d'ouverture d'injecteurs. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0019] La figure 1, déjà décrite, est un graphique illustrant la prédiction de pression dans le répartiteur d'admission suivant un procédé selon l'état de la technique au cours d'une évolution transitoire de pression; [0020] La figure 2 est un schéma fonctionnel du procédé selon l'invention illustrant la réalisation d'un bilan des débits entrants/sortants du répartiteur d'admission en vue d'estimer le débit de gaz dans le cylindre; [0021] La figure 3 est un schéma fonctionnel du procédé selon l'invention illustrant le calcul de la prédiction de la position du papillon d'arrivée des gaz; [0022] Les figures 4a et 4b sont des graphiques illustrant la prédiction de la position du papillon respectivement dans le cas d'un transitoire long et d'un transitoire court; [0023] Les figures 5a et 5b sont des graphiques illustrant les deux étapes permettant d'estimer la pression à l'intérieur du répartiteur d'admission ainsi que le débit correspondant des gaz dans le cylindre. [0024] La figure 6 est un schéma fonctionnel illustrant l'utilisation du débit dans le cylindre pour déterminer les consignes de commande des injecteurs. [0025] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0026] La figure 2 illustre de manière schématique la modélisation du bilan du répartiteur d'admission dans le cadre de son application au calcul d'un débit de gaz dans le cylindre prédit Dcyl pred. [0027] Cette modélisation est basée notamment sur l'utilisation d'un module prédicteur de débits entrants 10 correspondant ici au débit papillon prédit Dpap pred à l'horizon temporel H considéré et d'un module prédicteur de débits sortants 11 correspondant au débit dans le cylindre prédit Dcyl pred à l'horizon de calcul H considéré. [0028] Le module prédicteur de débit entrant 10 est alimenté par un module 12 de prédiction de la position du papillon d'arrivée des gaz Ppap pred. En l'occurrence, l'estimation du débit entrant Dpap_pred dans le répartiteur d'admission par le boîtier papillon est calculée en fonction d'une position papillon estimée Ppap_pred à un horizon donné H et de la valeur précédente de pression prédite P_pred(n-1) régnant dans le répartiteur d'admission. [0029] Comme cela est illustré sur la figure 3, la prédiction de la position angulaire du papillon Ppap_pred à un horizon donné H se base essentiellement sur l'observation du gradient de position Grad_pos pap entre la position courante et celle du pas précédent. Ce gradient Grad pos_pap pourra le cas échéant être saturé par le module 124 comme expliqué ci-après. La formule relative à l'évolution de la prédiction de la position du papillon Ppap pred est : Ppap_pred(n) = P pap mes(n) + Grad pos_pap* H [0030] Plus précisément, le calcul du gradient de position Grad pos pap est décomposé en deux stratégies de calcul. La première stratégie de calcul mise en oeuvre par le module 121 est basée sur le calcul du gradient de la consigne de position du papillon Grad cons pap consistant à calculer l'écart entre deux positions successives de la position du papillon de consigne Ppap cons. La deuxième stratégie de calcul mise en oeuvre par le module 122 est basée sur le calcul du gradient de la mesure de position du papillon Grad mes_pap consistant à calculer l'écart entre deux positions successives de la position du papillon mesurée Ppap mes. Le choix du gradient de la position du papillon Grad pos_pap est effectué par le module 123 en fonction de la valeur de l'horizon temporel H. [0031] La première stratégie de calcul est ainsi sélectionnée pour les horizons temporels H relativement longs, à faible régime par exemple. En effet, on considère que dans ce cas, l'actionneur aura eu le temps d'atteindre sa position de consigne et donc la position du papillon prédite Ppap_pred sera plus proche de la consigne que de la mesure actuelle. Par contre, pour les horizons temporels courts H à fort régime par exemple, la deuxième stratégie de calcul est sélectionnée. En effet, dans ce cas, la position prédite Ppap pred sera plus proche de la position mesurée actuelle que de la consigne. [0032] Sur les figures 4a et 4b, on a représenté par la courbe Cl l'évolution de la consigne de la position du papillon en fonction du temps. Par ailleurs, la courbe C2 représente l'évolution de la mesure de la position du papillon. Le point Ppap Gcons correspond à la position prédite à l'horizon H donné à partir du gradient de consigne Grad cons pap. Le point Ppap Gmes correspond à la position prédite à l'horizon H donné à partir du gradient Grad mes pap mesuré entre la position mesuré à l'instant t de calcul et la valeur précédente. [0033] Dans l'exemple d'un horizon H long illustré à la figure 4a, à l'instant de calcul t, il ressort que l'utilisation du gradient de consigne Grad cons_pap (et la saturation par la consigne du papillon) permet de réaliser une prédiction de position Ppap Gcons plus proche de la position cible Ppap c que l'on aura à l'instant visé t c que le calcul utilisant le gradient mesuré Grad mes_pap. [0034] Dans l'exemple d'un horizon H court illustré à la figure 4b, à l'instant de calcul t, on voit que l'utilisation du gradient mesuré Grad mes_pap permet de réaliser une prédiction de position plus proche de la position Ppap c que l'on aura à l'instant visé t c que le calcul utilisant le gradient de consigne Grad cons pap. [0035] Une fois le gradient adapté sélectionné, le module 124 assure une saturation du gradient de la position du papillon Grad_pos pap. Cela permet de sécuriser le gradient de la position du papillon par une limitation d'évolution. Ces saturations sont basées sur des paramètres physiques du papillon d'arrivée des gaz, tels que ses vitesses maximales de déplacement en ouverture et en fermeture. [0036] La prédiction brute de la position du papillon Ppap br est ensuite calculée à partir de la position du papillon mesuré Ppap mes, du gradient de position saturé Grad pos_pap sat et de l'horizon de prédiction H. Les modules 125 et 126 assurent la combinaison de ces données suivant la formule précitée. [0037] La saturation de la prédiction brute de la position du papillon Ppap br est ensuite réalisée par le module 127 en fonction de deux cas pour obtenir Ppap br sat. Dans le premier cas correspondant à une phase d'ouverture du papillon, la position prédite Ppap_pred ne peut pas être supérieure à la consigne de position du papillon. Dans le second cas correspondant à une phase de fermeture du papillon, la position prédite Ppap_pred ne peut pas être inférieure à la consigne de position du papillon. [0038] On finalise ensuite le calcul par un filtrage de la prédiction brute de position du papillon Ppap br sat. A cet effet, un module 128 pourra par exemple appliquer un filtre du premier ordre pour lisser les variations brusques du gradient de pression. [0039] Ce principe de calcul utilisant les informations de consigne Ppap cons, de mesure Pap mes, et les paramètres physiques de comportement du papillon, permet d'obtenir un signal de position du papillon prédit beaucoup plus réactif (notamment en début de transitoire) et plus précis que les techniques de l'état de l'art. [0040] Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 2, le module 11 prédicteur de débits sortants est alimenté par la pression précédente P_pred(n-1) régnant dans le répartiteur d'admission, un module 13 prédicteur de position angulaire des déphaseurs d'arbre à came Pdeph adm_pred, Pdeph ech_pred et un module 14 prédicteur de régime moteur Wmth_pred. Autrement dit, le débit de gaz sortant du répartiteur admission par le cylindre considéré Dcyl pred est estimé en fonction de la valeur précédente de pression prédite P pred(n-1) dans le répartiteur d'admission, de positions angulaires de déphaseurs d'arbres à cames prédits Pdeph adm_pred, Pdeph ech_pred à un horizon donné H, et d'un régime moteur Wmth_pred prédit à un horizon donné H. [0041] Plus précisément, le module 13 estime à un horizon donné H la position angulaire du déphaseur d'arbre à cames à l'admission Pdeph adm_pred ainsi que la position angulaire du déphaseur d'arbre à cames à l'échappement Pdeph ech_pred. Ces estimations sont effectuées en fonction de mesures des positions angulaires des déphaseurs d'arbre à cames à l'admission Mes deph adm et à l'échappement Mes deph ech et de consignes des positions angulaires des déphaseurs d'arbre à cames à l'admission Cons deph adm et à l'échappement Cons deph ech, ainsi que de l'horizon de prédiction H. [0042] Par ailleurs, le module 14 estime à un horizon donné H le régime moteur Wmth_pred en fonction d'une mesure de régime moteur Wmth mes. [0043] La réalisation d'un bilan des débits entrants et sortants du répartiteur admission permet de déterminer la pression P_pred qui règne dans le répartiteur d'admission. Le principe de base de ce bilan est qu'en régime stabilisé, la loi physique de conservation des masses appliquée au répartiteur admission fait que le bilan entre ses débits entrants et sortants est nul et que donc la pression est stable. [0044] A cet effet, le module 15 calcule l'écart Delta E/S entre ces débits Dpap_pred et Dcyl pred. Le module 16 transforme alors cet écart Delta E/S en gradient de pression Grad P pred en tenant compte de la température Temp. [0045] Ce gradient Grad P pred permet, à partir du pas de calcul Pcalc de la fonction, et de la valeur précédente de pression prédite Ppred(n-1), de calculer, via les modules 17, 18, une nouvelle valeur de pression prédite Ppred(n). La formule d'évolution est la suivante: P_pred(n) = P_pred(n-1) + Grad P pred * Pcalc [0046] Cette valeur de pression prédite P_pred(n) est ensuite renvoyée vers les modules prédicteurs de débits 10 et 11. Les débits sont ainsi mis à jour et le calcul continue jusqu'à trouver une équilibre, c'est-à-dire lorsque la différence entre les débits entrants et sortants devient nul. [0047] Comme cela est illustré sur la figure 5a, au pas d'initialisation, les estimations de débit papillon Dpap pred init et de débit dans le cylindre Dcyl pred init réalisés à partir de la pression prédite initiale P pred init sont assez différents. La différence des débits Delta E/S est intégrée pour calculer une évolution de la pression prédite P_pred. Cette nouvelle pression P pred est renvoyée vers les modules prédicteurs de débits 10, 11. Il est à noter que sur les figures 5a et 5b, la droite C3 correspond à la caractéristique de débit du cylindre (la droite de remplissage), tandis que la courbe C4 correspond à la caractéristique de débit du papillon à pression constante. [0048] Comme cela est illustré sur la figure 5b, en intégrant progressivement l'écart entre les débits prédits papillon Dpap_pred et cylindre Dcyl_pred, la pression prédite converge jusqu'à une valeur stable P_pred conv déterminée par un équilibre des débits prédits. A cet instant, on obtient une estimation de la prédiction du débit dans le cylindre Dcyl_pred à l'horizon considéré H. [0049] Comme cela est illustré sur la figure 6, le débit cylindre prédit Dcyl pred est transformé, par le module 21, en masse d'air prédite Mair_pred. A cet effet, le module 21 tient compte du régime moteur Wmth mes, ainsi que de la concentration en air dans le répartiteur d'admission Cair. [0050] La masse d'air Mair_pred est prédite au moment d'une fermeture d'une soupape d'admission du cylindre considéré et est effectuée durant toute une phase d'échappement et poursuivit pendant une phase d'admission. [0051] La masse d'air prédite Mair_pred est ensuite convertie en une masse de carburant de consigne pour calculer et commander une durée d'ouverture d'injecteurs. Le module 22 établit ainsi des consignes de commande Cons comm en fonction de la masse d'air prédite Mair pred et également de la richesse de consigne Rich cons et du facteur d'enrichissement Fenr. [0052] Ainsi, le débit cylindre prédit Dcyl_pred étant calculé à partir du modèle de débit cylindre alimenté par des paramètres principaux prédits (pressions répartiteur admission prédites P pred, positions des déphaseurs arbres à cames prédits et régime moteur prédit Wmthipred), l'invention permet d'améliorer la finesse de prédiction de débit cylindre Dcyl pred. [0053] En outre, la justesse de la prédiction de pression P pred est sensiblement améliorée par l'utilisation des modèles de prédiction des positions des actionneurs (papillon, déphaseurs arbres à cames admission et échappement) et du régime Wmth à l'horizon donné. En effet, l'horizon de prédiction H est directement intégré dans les modèles de position des actionneurs qui servent à réaliser le bilan du répartiteur d'admission. [0054] Ces modèles s'avèrent robustes en termes de prédiction, dans la mesure où ils peuvent prédire plus précisément le comportement des actionneurs en se basant sur: - la connaissance de la physique des actionneurs, de la prise en compte de leurs paramètres physiques (vitesse d'ouverture par exemple), - l'analyse des gradients d'évolution courants (gradient de la position du papillon mesurée par exemple), ainsi que - l'analyse de la commande qui leur est appliquée (gradient de la position du papillon de consigne par exemple). [0055] On obtient ainsi une prédiction de pression plus juste qu'une simple extrapolation à l'horizon donné d'un gradient de pression considéré comme constant. REVENDICATIONS: 1. Procédé d'estimation d'un débit de gaz dans un cylindre pour le contrôle d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - une étape de calcul d'un écart (Delta E/S) entre des débits entrants et sortants d'un répartiteur d'admission pour transformer cet écart (Delta E/S) en un gradient de pression (Grad P_pred), - une étape de calcul d'une valeur de pression prédite (P_pred(n)) dans le répartiteur d'admission à partir notamment de ce gradient de pression (Grad P pred), et d'une valeur précédente de pression prédite (P_pred(n-1)), - une étape d'estimation d'un débit entrant dans le répartiteur d'admission par un boitier papillon (Dpap_pred) calculé en fonction d'une position papillon estimée (Ppap_pred) à un horizon donné (H) et de la valeur précédente de pression prédite (P pred(n-1)) dans le répartiteur d'admission, - une étape d'estimation d'un débit de gaz sortant du répartiteur admission par le cylindre considéré (Dcyl pred) en fonction de la valeur précédente de pression prédite (P pred(n-1)) dans le répartiteur d'admission, de positions angulaires de déphaseurs d'arbres à cames prédits (Pdeph adm pred, Pdeph ech_pred) à un horizon donné (H), et d'un régime moteur (Wmth pred) prédit à un horizon donné (H), et - une étape d'injection de carburant en fonction du débit de gaz estimé dans le cylindre considéré (Dcyl pred). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'intégration progressive de l'écart des débits (Delta E/S) pour calculer une évolution de la pression prédite (P_pred(n)) et une étape d'estimation du débit de gaz dans le cylindre (Dcyl pred) lorsque la pression prédite (P pred(n)) atteint une valeur stable déterminée par un équilibre des débits prédits. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'estimation des positions angulaires de déphaseurs d'arbres à cames (Pdeph adm pred, Pdeph ech_pred) en fonction de mesures et de consignes de position angulaires des déphaseurs d'arbre à cames et d'un horizon de prédiction (H). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'estimation du régime moteur (Wmth_pred) en fonction d'une mesure de régime moteur (Wmth mes) et d'un horizon de prédiction (H). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de transformer le débit de gaz dans le cylindre (Dcyl pred) en une masse d'air prédite (Mair_pred). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite masse d'air (Mair pred) est prédite au moment d'une fermeture d'une soupape d'admission du cylindre considéré et est effectuée durant toute une phase d'échappement et poursuivit pendant une phase d'admission. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite masse d'air prédite (Mair pred) est ensuite convertie en une masse de carburant de consigne pour calculer et commander une durée d'ouverture d'injecteurs (Cons comm).