Brevet FR3081503A1 — publié le 20191129

Système et procédé d'estimation de la quantité de particules polluantes dans l'huile moteur d'un moteur à combustion interne de type Diesel La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs de type Diesel à injection directe. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine de la fiabilité des moteurs Diesel, et notamment l'estimation de la quantité de suies ou matières charbonneuses provenant de la combustion dans le cylindre et présentes dans l'huile moteur. Le mécanisme de pollution de l'huile moteur par les suies est expliqué comme suit : durant la combustion Diesel, puis la détente, les suies produites par la combustion sont dirigées vers des zones riches en oxygène imbrûlé, ce qui permet la post-oxydation des suies et ainsi la réduction des émissions de particules à l'échappement ou vers le filtre à particules. Toutefois, ce phénomène entraîne un contact entre les suies destinées à être post-oxydées et la paroi du cylindre moteur recouverte d'huile moteur. Les suies sont donc absorbées par l'huile moteur qui se trouve ainsi polluée par ces particules. L'huile moteur est ensuite raclée par les segments. La pollution de l'huile moteur par les particules est d'autant plus importante que la combustion est tardive dans le cylindre, et que la quantité de fumée formée durant la combustion est importante. Au fil des kilomètres parcourus, les particules de suies absorbées par l'huile moteur viennent détériorer les capacités de lubrification de l'huile et peuvent générer une accélération de l'usure mécanique, par exemple de la distribution, et une réduction de l'intervalle de vidange qui s'avère alors nécessaire. Il existe aujourd'hui des solutions afin de réduire les émissions de particules à l'échappement, notamment par l'optimisation de 2 l'injection de carburant, de la forme du bol de piston, ou par l'utilisation d'un filtre à particules. Toutefois, le passage des particules de suies dans l'huile moteur n'est que partiellement résolu par les solutions actuelles. 5 On connait des procédés permettant de réduire le passage des matières charbonneuses dans l'huile moteur. Toutefois, aucun des procédés connus ne permet de supprimer ce passage, de sorte qu'il est nécessaire de connaitre l'évolution du taux de ces matières dans le but d'optimiser les vidanges d'huile moteur. 10 On peut se référer au document US 6 253 601 - B1 qui décrit un procédé pour optimiser les intervalles de vidange, notamment à partir d'une d'estimation de la quantité de matières charbonneuses en fonction du point de fonctionnement régime/couple moteur. Toutefois, un tel procédé est particulièrement complexe à 15 mettre en oeuvre car il se fonde sur une pluralité de critères, et notamment sur des données fournies par des capteurs de mesure des caractéristiques de l'huile moteur, qui sont particulièrement coûteux et dont la fiabilité évolue au fil des kilomètres. Il existe donc un besoin d'améliorer les procédés et systèmes 20 d'estimation des particules de suies présentes dans l'huile moteur d'un moteur à combustion de type Diesel, Le but de la présente invention est donc de permettre une estimation des particules de suies présentes dans l'huile moteur d'un moteur à combustion de type Diesel, fiable et facile à mettre en oeuvre, 25 et ne dépendant pas des paramètres du réglage du moteur, telle que l'avance d'injection, le taux de recirculation des gaz d'échappement, la pression d'injection à laquelle le carburant est injecté dans la chambre de combustion, la richesse etc..., ainsi que, notamment, de la température de l'air d'admission et de la température des gaz 30 d'échappement recirculés. L'invention a pour objet un procédé d' optimisation de l'intervalle de vidange de l'huile moteur d'un moteur à combustion interne de type Diesel comprenant au moins un capteur de pression de cylindre et une unité de commande, dans lequel on estime un 3 pourcentage en masse de particules polluantes dans l'huile moteur pour une durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée du moteur, par exemple, comprise entre 50h et 150h de fonctionnement du moteur, par exemple égale à 100h de fonctionnement du moteur, en 5 fonction de la valeur d'un angle, en degré de vilebrequin, pour lequel 90% du combustible a été consommé, d'une valeur de l'opacité des fumées à l'échappement et de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion. La quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion peut être obtenue à partir de cartographies 10 d'injection et correspond à la quantité de carburant injectée pour obtenir le couple moteur. On peut ainsi estimer le taux de matières charbonneuses ajoutées à l'huile moteur au bout d'une telle durée de fonctionnement relativement longue que le moteur passerait sur un point de 15 fonctionnement stabilisé donné, en fonction de deux résultats de la combustion et du débit de carburant, point de fonctionnement par point de fonctionnement, en utilisant uniquement les grandeurs accessibles par le calculateur moteur. Avantageusement, pour estimer un pourcentage en masse de 20 particules polluantes dans l'huile moteur pour une durée de fonctionnement réelle quelconque du moteur, pendant laquelle le point de fonctionnement du moteur est amené à évoluer, on estime en temps réel, pour chaque durée élémentaire (correspondant à un pas de calcul du procédé) assez faible pour que le point de fonctionnement 25 régime/couple du moteur soit sensiblement constant, un taux de matières polluantes ajoutées à l'huile moteur pendant ladite durée élémentaire, comme égal au produit du taux de matières charbonneuses ajoutées au bout de la durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée, multiplié par la quotient de ladite durée élémentaire de 30 fonctionnement divisé par ladite durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée. En d'autres termes, pour estimer un pourcentage en masse de particules polluantes dans l'huile moteur pour une durée de fonctionnement du moteur, on estime, pour chaque point de 4 fonctionnement régime/couple du moteur, un taux de matières polluantes présentes dans l'huile moteur après une durée prédéterminée relativement longue que le moteur passerait sur ledit point de fonctionnement, et on en déduit une estimation d'un taux de 5 matières polluantes ajoutées à l'huile du moteur pendant une durée élémentaire prédéterminée relativement faible, pendant laquelle le moteur fonctionne sur un point de fonctionnement régime/couple (i) sensiblement stabilisé. On peut ensuite estimer, en temps réel, l'accumulation des 10 suies dans l'huile moteur et ainsi optimiser l'intervalle de vidange de l'huile moteur sans altérer la fiabilité du moteur et tout en réduisant au maximum les frais d'entretien. Par exemple, on additionne l'ensemble des valeurs de taux de matières polluantes ajoutées à l'huile moteur pendant toutes les durées 15 élémentaires correspondant aux pas de calcul du procédé qui ont été calculées depuis un instant initial où le taux de matières polluantes présentes dans l'huile est nul jusqu'à l'instant courant correspondant à la durée de fonctionnement courante du moteur, afin d'obtenir la valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur, c'est- 20 à-dire la valeur du taux de matières polluantes présentes dans l'huile à l'instant courant. On peut comparer ladite valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur avec une valeur de seuil, lorsque la valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur est 25 supérieure à ladite valeur de seuil, on émet une consigne de vidange et lorsque la valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur pour un pas de temps est inférieure à ladite valeur de seuil, on incrémente la valeur finale du taux de matières polluantes de la valeur finale pour le pas suivant. 30 Lorsque la vidange de l'huile moteur est réalisée, on peut réinitialiser la valeur finale pour le pas précédent. Selon un second aspect, l'invention concerne un système d'optimisation de l'intervalle de vidange de l'huile moteur d'un 5 moteur à combustion interne de type Diesel comprenant au moins un capteur de pression de cylindre et une unité de commande. Le système comprend un module d'estimation du pourcentage en masse de particules polluantes dans l'huile moteur pour une durée 5 de fonctionnement relativement longue prédéterminée du moteur sur un point de fonctionnement donné, par exemple, comprise entre 50h et 150h de fonctionnement du moteur, par exemple égale à 100h de fonctionnement du moteur, en fonction de la valeur d'un angle, en degré de vilebrequin, pour lequel 90% du combustible a été consommé 10 en fonction de la pression mesurée dans le cylindre, d'une valeur de l'opacité des fumées à l'échappement et de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion. La quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion peut être obtenue à partir de cartographies d'injection et 15 correspond à la quantité de carburant injectée pour obtenir le couple moteur. On peut ainsi estimer le taux de matières charbonneuses ajoutées à l'huile moteur au bout d'une durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée que le moteur passerait sur un point 20 de fonctionnement stabilisé donné, en fonction de deux résultats de la combustion et du débit de carburant, point de fonctionnement par point de fonctionnement, en utilisant uniquement les grandeurs accessibles par le calculateur moteur. Le système comprend un module d'estimation en temps réel, 25 pour une durée élémentaire prédéterminée correspondant à un pas de calcul (ladite durée élémentaire étant choisie assez faible pour que le point de fonctionnement régime/couple du moteur soit sensiblement constant), du pourcentage en masse de matières polluantes ajoutées à l'huile moteur pendant ladite durée élémentaire. 30 Avantageusement, le module d'estimation du pourcentage de particules polluantes dans l'huile moteur comprend un module d'estimation en temps réel, pour chaque point de fonctionnement régime/couple du moteur, d'un taux de matières polluantes présentes dans l'huile moteur. 6 Par exemple, le module d'estimation du pourcentage de particules polluantes dans l'huile moteur comprend un module pour additionner l'ensemble des valeurs de taux de matières polluantes ajoutées à l'huile moteur pendant toutes les durées élémentaires qui 5 ont été calculées entre un instant initial où le taux de matières polluantes présentes dans l'huile est nul jusqu'à un instant courant donné, afin d'obtenir la valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur pour un instant courant donné correspondant à une durée de fonctionnement courante du moteur. 10 Le système peut comprendre un module de comparaison de ladite valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur avec une valeur de seuil. Ledit système comprend en outre un module d'émission d'une consigne de vidange lorsque la valeur finale du taux de matières 15 polluantes dans l'huile moteur est supérieure à ladite valeur de seuil et un module d'incrémentation de la valeur finale du taux de matières polluantes par la valeur finale pour le pas précèdent si la valeur finale du taux de matières polluantes dans l'huile moteur pour un pas de temps est inférieure à ladite valeur de seuil. 20 Avantageusement, le système comprend un module de réinitialisation lorsque la vidange de l'huile moteur est réalisée. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins 25 annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre, de manière schématique, un système d'optimisation de l'intervalle de vidange de l'huile moteur selon l'invention ; et - la figure 2 représente un mode de mise en oeuvre d'un procédé 30 d'optimisation de l'intervalle de vidange de l'huile moteur selon l' invention. Un système d'optimisation de l'intervalle de vidange, référencé 10 dans son ensemble, est destiné à être intégré dans une unité de commande d'un moteur à combustion interne de type Diesel (non 7 représenté), comprenant une chambre de combustion dans les pistons du moteur et au moins un capteur de pression de cylindre P. Le système 10 comprend un module 12 d'estimation du pourcentage en masse de particules polluantes TMC dans l'huile 5 moteur pour une durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée T du moteur, par exemple, 100h de fonctionnement du moteur. Le module 12 d'estimation du pourcentage de particules polluantes dans l'huile moteur comprend un module 14 d'estimation, 10 pour chaque point de fonctionnement régime/couple, d'un taux de matières polluantes présentes dans l'huile moteur au bout de ladite durée de fonctionnement relativement longue prédéterminée T que le moteur passerait sur ledit point de fonctionnement constant, en fonction de deux résultats de la combustion et du débit de carburant 15 dans le moteur. Les deux résultats de la combustion comprennent la valeur d'un angle CA90, en degré de vilebrequin, classiquement en degré d'angle par rapport au point mort haut (PMH) du cylindre considéré, pour lequel 90% du combustible a été consommé, et la valeur de l'opacité 20 des fumées FSN. Le taux TMC de matières polluantes présentes dans l'huile moteur au bout de la durée relativement longue prédéterminée T, pour chaque point de fonctionnement i régime/couple, est calculé par le module 14 d'estimation selon l'équation suivante qui en donne, plus 25 précisément, le logarithme : Log(TMC) = Klx Qe x CA90 + K2 x FSN + K3 Eq.1 Avec : Qe, la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion, 30 exprimée en milligrammes par coup mg/cp ; CA90, la position angulaire dans le cycle moteur pour laquelle 90% du carburant a été brûlé, exprimée en degré vilebrequin ; FSN, l'opacité des fumées ; 8 KI, K2, K3, des coefficients empiriques dépendant uniquement du régime moteur. Ces coefficients sont constants pour une géométrie du moteur et des caractéristiques techniques du système de combustion données. Ces coefficients peuvent être calibrés en banc d'essai par le constructeur automobile. 5 L'angle CA90 peut être calculé, à titre nullement limitatif, est indirectement en fonction du dégagement d'énergie apparent, par la méthode suivante : A chaque instant t d'un cycle de combustion dans le cylindre, correspondant à chaque valeur courante angle a de 10 vilebrequin, on sait calculer le dégagement d'énergie apparent cumulé de la fraction de la masse de comburant et de carburant introduite dans le cylindre qui y est déjà brûlée au moment où l'angle de vilebrequin atteint cette valeur courante a, comme l'intégrale angulaire de l'équation 2 suivante, depuis l'angle auquel débute la combustion, par 15 application du premier principe de la thermodynamique : P .V QCOMB fdQcom -s B m.Cv.d(-) + PdV Eq.2 3, - n.R Avec dQ MB la quantité d'énergie élémentaire dégagée ou transfert thermique, CO exprimée en J ; 20 m, la masse de carburant et de comburant enfermée dans le cylindre, exprimée en kg ; Cv , la capacité thermique du système à volume constant, exprimée en 1K- 1; P, la pression de cylindre, ou pression instantanée régnant dans le cylindre 25 exprimée en Pa; V, le volume instantané de la chambre de combustion' image de la position du piston dans le cylindre, exprimée en L, n, la quantité de matière, exprimée en mole ; et R ; la constante des gaz parfaits, exprimée en 1K-1.mol 30 L'intégrale du dégagement d'énergie sur la totalité du cycle est reliée à la masse du carburant selon l'équation suivante : 9 AQCOMB carburant brulé carburant imbrülé).13C1 Eq.3 Avec : M, la masse de carburant brûlé ou imbrûlé, exprimée en Kg ; et 5 PCI, le pouvoir calorifique inférieur. Pour un moteur Diesel, la masse de carburant imbrûlé peut être négligée. La pression P de cylindre est mesurée à chaque instant par le 10 capteur de pression de cylindre. La valeur du volume V est calculée selon l'équation suivante : P2 il 4 Eq.4 Avec : Vcc, le volume mort au point mort haut, exprimé en L ; 15 /, la longueur de la bielle, exprimée en m ; r, le rayon du maneton, exprimé en m ; et a, l'angle de vilebrequin fourni par des capteurs de position angulaire de vilebrequin et d'arbre à came, nécessaires au fonctionnement du système d'injection. 20 Ainsi, connaissant par ailleurs le dégagement total d'énergie Ocomh de la totalité de la masse de carburant et de comburant m introduite et enfermée dans le cylindre, on déduit que l'angle a de vilebrequin atteint la position CA90 lorsque l'intégrale calculée par l'équation 1 atteint 90% du dégagement total d'énergie Qcomh. 25 Le calcul du CA90 n'est pas limité à la méthode décrite ci- dessus. On pourrait notamment déterminer la valeur du CA90 à partir de la pression de gaz mesurée directement dans la chambre de combustion, tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP 2009 168 708. 30 La valeur Qe est directement obtenue à partir de cartographies d'injection et correspond à la quantité de carburant injectée pour obtenir le couple moteur. 10 La valeur de l'opacité des fumées à l'échappement FSN peut être soit mesurée directement par un capteur, tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet DE 102015225745, soit calculée à partir de modèles mathématiques implantées dans le calculateur 5 moteur, tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP 2015 190 397. Le module 12 d'estimation du pourcentage de particules polluantes dans l'huile moteur comprend en outre un module 15 d'estimation en temps réel, pour une durée élémentaire dT de 10 fonctionnement du moteur pendant laquelle le point de fonctionnement régime/couple i du moteur est sensiblement constant, d'un taux de matières polluantes ajoutées dTMC à l'huile moteur pendant ladite durée élémentaire dT, selon les équations suivantes : 15 dTMC = TMC x (dT/T) Eq.5 c'est-à-dire : dTMC = exp(K1 x Qe x CA90 + K2 x FSN + K3) x (dT/T) 20 Equ.6 La durée élémentaire dT correspond au pas de calcul du procédé, c'est-à-dire à la durée qui sépare deux instants Tn et Tn+1 auxquels deux calculs successifs sont réalisés par le module 15. 25 Le module 12 d'estimation du pourcentage de particules polluantes dans l'huile moteur comprend en outre un module 16 pour additionner l'ensemble des valeurs de taux de matières polluantes dTMC ajoutées à l'huile moteur pour chaque durée élémentaire de fonctionnement du moteur, sur les points de fonctionnement i 30 régime/couple courant respectifs pendant ces durées élémentaires, calculées par le module 15 d'estimation, afin d'obtenir la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur à un instant courant Tn correspondant à une durée de fonctionnement donnée du moteur. 11 Le système 10 d'optimisation de l'intervalle de vidange comprend en outre un module 18 de comparaison de ladite valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur avec une valeur de seuil Si et un module 20 d'émission d'une consigne 5 de vidange lorsque la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur est supérieure à ladite valeur de seuil Si. Si la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur pour une durée de fonctionnement Tn de temps est 10 inférieure à ladite valeur de seuil 51, la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes est incrémentée une nouvelle fois par le module 16 d'un taux de matières polluantes ajoutées à l'huile pendant la durée élémentaire suivante de fonctionnement du moteur, de manière à fournir une nouvelle valeur finale TMC(Tn+1) à l'instant suivant, 15 c'est-à- dire pour une durée de fonctionnement Tn+1 plus longue du moteur. Le système 10 d'optimisation de l'intervalle de vidange comprend également un module 22 de réinitialisation lorsque la vidange de l'huile moteur est réalisée. 20 L'organigramme représenté sur la figure 2 illustre un exemple de procédé 30 mis en oeuvre par le système représenté sur la figure 1. Le procédé est itératif par pas de temps dT séparant deux itérations successives à des instants Tn et Tn+1. Il débute à un premier instant TO auquel le taux de matières polluantes dans l'huile est nul, 25 notamment après une vidange de l'huile moteur. Le pas de temps dT, qui est le pas de calcul prédéterminé du procédé, est choisi suffisamment petit pour que l'on puisse considérer que moteur fonctionne sur un point de fonctionnement i régime/couple sensiblement constant, c'est-à-dire stabilisé. 30 Lors d'une première étape 32, on récupère deux résultats de la combustion, à savoir la valeur d'un angle CA90, en degré de vilebrequin, classiquement en degré d'angle par rapport au point mort haut (PMH) du cylindre considéré, pour lequel 90% du combustible a été consommé, et la valeur de l'opacité des fumées FSN. On récupère 12 également la valeur Qe, directement obtenue à partir de cartographies d'injection et correspondant à la quantité de carburant injectée pour obtenir le couple moteur, ainsi que des coefficients empiriques Ki, K2, K3 dépendants uniquement du régime moteur. 5 L'angle CA90 peut être calculé, à titre nullement limitatif, en fonction du dégagement d'énergie apparent selon les équations Eq2 à Eq.4 précédentes. Ainsi, connaissant par ailleurs le dégagement total d'énergie Ocoms de la totalité de la masse de carburant et de comburant m 10 introduite et enfermée dans le cylindre, on déduit que l'angle a de vilebrequin atteint la position CA90 lorsque l'intégrale calculée par l'équation 1 atteint 90% du dégagement total d'énergie Qcoms. Le calcul du CA90 n'est pas limité à la méthode décrite ci-dessus. On pourrait notamment déterminer la valeur du CA90 à partir 15 de la pression de gaz mesurée directement dans la chambre de combustion, tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP 2009 168 708. La valeur de l'opacité des fumées à l'échappement FSN peut être soit mesurée directement par un capteur, tel que décrit, par 20 exemple, dans la demande de brevet DE 102015225745, soit calculée à partir de modèles mathématiques implantées dans le calculateur moteur, tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP 2015 190 397. Lors d'une deuxième étape 34, on calcule pour chaque point de 25 fonctionnement i régime/couple une estimation d'un taux de matières polluantes TMC présentes dans l'huile moteur au bout d'une durée relativement longue prédéterminée de fonctionnement du moteur sur le point de fonctionnement i régime/couple considéré, selon l'équation suivante qui en fournit le logarithme : 30 Log(TMC) = KlxQe x CA90 + K2 x FSN + K3 Eq.1 Avec : Qe, la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion, exprimée en milligrammes par coup mg/cp ; 13 CA90, la position angulaire dans le cycle moteur pour laquelle 90% du carburant a été brûlé, exprimée en degré vilebrequin ; FSN, l'opacité des fumées ; KI, K2, K3, des coefficients empiriques dépendant uniquement du régime 5 moteur. Ces coefficients sont constants pour une géométrie du moteur et des caractéristiques techniques du système de combustion données. Ces coefficients peuvent être calibrés en banc d'essai par le constructeur automobile. Lors d'une troisième étape 35, on calcule en temps réel une 10 estimation d'un taux de matières polluantes dTMC ajoutées à l'huile moteur pendant le pas de temps dT, par les équations 5 et 6. Lors d'une quatrième étape 36, on additionne l'ensemble des valeurs dTMC de taux de matières polluantes ajoutées à l'huile moteur qui ont été calculés pour chaque durée élémentaire de fonctionnement 15 dT du moteur, sur les points de fonctionnement i régime/couple respectifs pendant ces durées élémentaires, afin d'obtenir la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur à l'instant Tn, c'est-à-dire pour une durée de fonctionnement Tn séparant l'instant initial (TO = 0 s) où on a initialisé le calcul et 20 l'instant courant Tn. Ensuite, à l'étape 38, on compare de ladite valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur avec une valeur de seuil Si. Lorsque la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières 25 polluantes dans l'huile moteur est supérieure à ladite valeur de seuil Si, on émet, à l'étape 40, une consigne de vidange. Lorsque la valeur finale TMC(Tn) du taux de matières polluantes dans l'huile moteur pour un pas Pn de temps est inférieure à ladite valeur de seuil Si, on incrémente la valeur finale TMC(Tn) du 30 taux de matières polluantes ajoutées pendant la durée élémentaire suivante dT au pas de calcul suivant, en procédant à une nouvelle itération du procédé à l'étape 32. 14 Enfin, lorsque la vidange de l'huile moteur est réalisée, on réinitialise, à l'étape 42, la valeur finale TMC(Tn) à zéro pour le pas de calcul suivant (nouvelle étape 32 et suivantes). Grace à la présente invention, on peut estimer le taux de 5 matières charbonneuses présentes dans l'huile moteur en fonction de deux résultats de la combustion et du débit de carburant, point de fonctionnement par point de fonctionnement, en utilisant uniquement les grandeurs accessibles par le calculateur moteur. On peut ainsi estimer, en temps réel, l'accumulation des suies 10 dans l'huile moteur et ainsi optimiser l'intervalle de vidange de l'huile moteur sans altérer la fiabilité du moteur et tout en réduisant au maximum les frais d'entretien. 15