Brevet FR3095270A1 — publié le 20201023

Description Titre de l'invention : PROCÉDÉ DE CALIBRATION DES COM- PENSATIONS DE RICHESSE EN PHASE DE TRANSITOIRE DE CHARGE DANS UN GROUPE MOTOPROPULSEUR À MOTEUR THERMIQUE [0001] L'invention concerne de manière générale le domaine de la calibration des moteurs thermiques. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de calibration des compensations de richesse lors des transitoires de charge dans un groupe moto- propulseur à moteur the igue à essence. [0002] Dans un moteur thermique essence à injection, on observe lors des transitoires de charge des écarts de richesse entre une consigne de richesse fournie par un calculateur d'injection et la richesse du mélange remplissant les cylindres du moteur. Ces écarts de richesse sont fréquents dans différentes situations de vie du moteur thermique, notamment en cycle urbain, lors de phases d'accélération ou de décélération pendant lesquelles le moteur thermique est soumis à des variations de charge et de vitesse de rotation. [0003] Les écarts de richesse constatés découlent de l'existence d'un film liquide de carburant déposé sur les parois du collecteur l'admission et produit par le carburant injecté. La présence de ce film liquide introduit un temps de réponse dont la durée peut atteindre plusieurs cycles moteur et qui est à l'origine des écarts de richesse constatés lors des transitoires de charge. [0004] Les écarts de richesse doivent être corrigés afin d'éviter des valeurs de richesse qui s'écarteraient trop du mélange stoechiométrique air/carburant, au détriment des per- formances de pollution et de consommation de carburant du moteur thermique. [0005] Les moteurs thermiques doivent répondre à des exigences de plus en plus sévères en termes de réduction de la consommation de carburant et de respect de la réglementation relative aux émissions polluantes. Les constructeurs automobiles développent des stratégies de commande élaborées qui visent à répondre à ces exigences, sans que cela se fasse au détriment des performances mécaniques du moteur thermique. Ces stratégies de commande requièrent un contrôle extrêmement précis de la richesse du mélange pénétrant dans les cylindres du moteur dans les différentes situations de vie dc celui-ci. Cela est nécessaire notamment pour la gestion d'un catalyseur de post-traitement des gaz d'échappement, typiquement un catalyseur d'oxydation à trois voies, dont le fonctionnement est optimal dans une fenêtre de richesse étroite autour dc la valeur stoechiométrique, tout écart en dehors dc cette fenêtre pouvant se traduire par une augmentation sensible des émissions de polluants. 2 [0006] Il y a donc nécessité dans un moteur thermique à essence de calibrer les valeurs de compensation de richesse qui doivent être prises ne compte par le calculateur d'injection dans son dosage du carburant à injecter, de façon à pallier aux écarts de richesse lors des transitoires de charge. [0007] Dans l'état de la technique, les procédés connus de calibration des compensations de richesse sont basés sur des essais réalisés au banc à rouleaux avec un processus itératif de modification des paramètres de la loi de commande en fonction de l'allure du signal de richesse. Les impacts sur les polluants sur un cycle règlementaire sont observés dans un second temps et tout problème détecté entrainc une nouvelle itération de calibration basée une nouvelle fois uniquement sur l'allure du signal de richesse. [0008] Ce processus itératif de l'état de la technique est relativement long. Il peut durer plusieurs mois et ne permet pas de définir des compromis de calibration optimaux. En effet, les critères de calibration ne tiennent compte que de l'allure du signal de richesse. De plus, les impacts sur les émissions polluantes sont observés ultérieurement et sont dépendants des profils d'essais réalisés qui ne recouvrent pas l'ensemble des situations de vie du moteur thermique. Par ailleurs, les critères de validation peuvent dans certains cas être considérés comme insuffisamment objectivés vis-à-vis du résultat recherché. [0009] Parle document US2007265805A1, il est connu un procédé de modélisation d'un moteur thermique mis en oeuvre lors du processus de développement de celui-ci. Le procédé comporte des essais du moteur sur une pluralité de conditions réelles de fonctionnement et la collecte de données de mesure. Une pluralité de fonctions de paramètre sont déterminées à partir d'une base des données de mesure, chaque fonction de paramètre correspondant à un paramètre de fonctionnement du moteur. Une pluralité de paramètres de combustion sont générés pour une pluralité de conditions de fonctionnement qui incluent la pluralité de conditions réelles de fonctionnement et une pluralité de conditions virtuelles de fonctionnement. Un modèle de simulation du moteur est étalonné sur la base de la pluralité de paramètres de combustion et plusieurs cartographies du moteur sont générées à l'aide du modèle de simulation. [0010] 11 est souhaitable de pallier aux inconvénients décrits plus haut de la technique an- térieure en proposant un nouveau procédé pour la calibration des compensations de richesse lors des transitoires de charge d'un moteur thermique de type essence, autorisant une réduction substantielle des temps d'essais, de calibration et de validation et l'obtention d'un résultat dont la performance est objectivable. [0011] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de calibration des com- pensations de richesse en phase de transitoire de charge dans un groupe moto-propulseur incluant un moteur thermique et un catalyseur de post-traitement de gaz d'échappement, le procédé comprenant une première phase incluant des essais initiaux 3 du groupe motopropulscur réalisés sur banc d'essai moteur, couvrant une pluralité de situations de vie du groupe motopropulscur et comportant des mesures d'une pluralité de grandeurs physiques et des mesures de la richesse du mélange air/carburant dans le moteur thermique, une deuxième phase incluant une calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge sur la base des essais initiaux et une troisième phase incluant des essais de validation de la calibration. Conformément à l'invention, la première phase comprend également des mesures d'émissions polluantes du groupe motopropulseur, et la deuxième phase comprend une définition de premier et deuxième modèles numériques comportementaux relatifs respectivement aux moteur thermique et catalyseur de post-traitement de gaz d'échappement, et une optimisation numérique des compensations de richesse en phase de transitoire de charge par minimisation / maximisation de sorties modélisées sous contraintes fournies par les premier et deuxième modèles numériques comportementaux et représentant des grandeurs physiques et d'au moins une fonction de coût correspondant à un profil de mission considéré. [0012] Selon une caractéristique particulière, les sorties modélisées sous contraintes com- prennent une richesse modélisée et des émissions polluantes modélisées. [0013] L'invention autorise une prise en compte pendant la calibration des impacts de la compensation de richesse en phase transitoire de charge sur les émissions polluantes, ces impacts étant intégrés dans les critères d'optimisation. La durée nécessaire pour l'obtention d'une calibration validée est réduite, à travers une diminution du nombre des mesures physiques et des itérations de calibration. [0014] Selon une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième modèles nu- mériques comportementaux sont agencés en cascade, le deuxième modèle numérique comportemental recevant en entrée des sorties modélisées délivrées par le premier modèle numérique comportemental, les sorties modélisées comprenant une sortie de richesse modélisée et une sortie d'émissions polluantes modélisées délivrées par le premier modèle numérique comportemental. [0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième modèles numériques comportementaux sont de type séquentiel. [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier modèle numérique comportemental comprend des premières entrées maitrisées incluant une entrée de compensation de richesse et une entrée de paramètre de filtrage. [0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier modèle numérique comportemental comprend des deuxièmes entrées maitrisées incluant une entrée de régime moteur, une entrée de durée de rampe de transitoire, une entrée de charge de départ et une entrée de charge de d'arrivée. [0018] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier modèle numérique comportemental comprend des troisièmes entrées variables incluant une température de fluide de refroidissement et une température d'huile moteur. [0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, le deuxième modèle numérique comportemental comprend des quatrièmes entrées maitrisées incluant une température et un débit des gaz d'échappement sortant du moteur thermique. [0020] Selon encore une autre caractéristique particulière, le deuxième modèle numérique comportemental comprend des cinquièmes entrées variables incluant la sortie de richesse modélisée et la sortie d'émissions polluantes modélisées délivrées par le premier modèle numérique comportemental, ainsi qu'une quantité d'oxygène présente dans les gaz d'échappement sortant du moteur thermique. [0021] Selon encore une autre caractéristique particulière, le deuxième modèle numérique comportemental délivre des sorties modélisées incluant une sortie d'émissions polluantes modélisées représentative des émissions polluantes en aval du catalyseur de post-traitement de gaz d'échappement. [0022] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0023] [fig.1] La Fig.1 est un diagramme montrant le positionnement de la calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge dans le processus de mise au point des fonctions d'un groupe motopropulscur. [0024] [fig.2] La Fig.2 est un diagramme général du procédé selon l'invention de calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge. [0025] [fig.3] La Fig.3 est un bloc-diagramme montrant l'agencement en cascade de deux modèles comportementaux numériques de type séquentiel utilisés dans le procédé de l'invention. [0026] De manière générale, le processus de mise au point des fonctions d'un groupe moto- propulseur à moteur thermique comporte différentes phases de calibration et fait appel à des caractérisations sur banc d'essai moteur. Ainsi, comme visible à la Fig.1, la calibration CRI de la richesse en mode transitoire est précédée par une calibration CRE de remplissage des cylindres du moteur thermique et est suivie par une calibration CPC de purge d'un catalyseur de post-traitement des gaz d'échappement, tel qu'un catalyseur d'oxydation comprenant un piège à NOx (oxydes d'azote) associé. [0027] La calibration CRE est faite typiquement pour les modes de fonctionnement stabilisé et transitoire du moteur thermique. Une caractérisation A du groupe motopropulseur est réalisée sur le banc d'essai moteur BEM à l'issue de la calibration CRE. Dans la caractérisation A, il est déterminé notamment une en-eur de richesse en mode stabilisé et une erreur sur l'estimation du remplissage en mode transitoire. [0028] La calibration CRI de la richesse en mode transitoire, réalisée selon le procédé de l'invention, est décrite plus bas de manière détaillée en référence aussi au Figs.2 et 3. Une caractérisation B du groupe motopropulseur est réalisée sur le banc d'essai moteur BEM à l'issue de la calibration CRI. Dans la caractérisation B, il est déterminé notamment une erreur de richesse en mode transitoire et les émissions polluantes en sortie du moteur thermique et en sortie du catalyseur. [0029] La calibration CPC de purge du catalyseur permet notamment de déterminer un compromis de réglage de périodes de purge dans le catalyseur. Une caractérisation C du groupe motopropulscur est réalisée sur le banc d'essai moteur BEM à l'issue de la calibration CPC. Dans la caractérisation C. il est déterminé notamment les émissions polluantes en sortie du catalyseur. [0030] De manière générale, le procédé de l'invention est basé sur des essais réalisés au banc d'essai moteur avec la mesure des émissions polluantes et dc la richesse, en plus des grandeurs physiques mesurées habituellement telles que la pression, la température, etc. Le domaine d'étude est défini pour couvrir l'ensemble des situations de vie du moteur thermique, et inclut notamment la température du fluide dc refroidissement et la température de l'huile moteur. Les mesures physiques sur le banc d'essai moteur sont réalisées en dynamique. Une analyse statistique des mesures permet de définir les grandeurs physiques modélisables, qui comprennent ici la richesse et les émissions polluantes. [0031] La calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge fait appel à une optimisation numérique qui est réalisée à l'aide de deux modèles comportementaux numériques de type séquentiel, référencés MDI et MD2 à la Fig.3, qui sont définis sur la base d'une matrice d'essais réalisée et qui incluent l'impact sur les émissions polluantes. Les deux modèles MDI et MD2 sont agencés en cascade pour réaliser une optimisation de la compensation de richesse au regard des émissions polluantes en sortie du catalyseur. Une fonction de coût, basée sur un profil de mission, est utilisée lors de l'optimisation numérique pour déterminer un compromis de calibration. La calibration obtenue est évaluée en caractérisant sa performance sur le banc d'essai moteur, au regard de critères objectifs. Cette caractérisation de la performance de la calibration obtenue permet de décomposer les contributions du remplissage, de la phase de transitoire, et de la purge du catalyseur. [0032] En référence aux Figs.2 et 3, il est décrit ci-dessous un exemple de réalisation par- ticulier PCR du procédé selon l'invention de calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge. [0033] Comme visible à la Fig.2, dans l'exemple de réalisation particulier considéré ici, le procédé PCR de calibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge comprend essentiellement huit grandes étapes El à E8. [0034] L'étape El est une étape de caractérisation du moteur thermique au banc d'essai 6 moteur permettant de juger de la maitrisc de l'évolution du remplissage des cylindres en phase de transitoire de charge. Cette caractérisation est faite avec un profil d'essai couvrant la réponse à des consignes de richesse pour une pluralité de transitoires de charge sur l'ensemble du champ moteur. [0035] L'étape E2 est une étape dc définition du domaine d'étude. Comme indiqué plus haut, le domaine d'étude est défini pour couvrir l'ensemble des situations de vie du moteur thermique. [0036] L'étape E3 est une étape d'essais de caractérisation. Des essais sont réalisés pour dé- terminer la réponse du moteur thermique à différents variables identifiées. [0037] L'étape E4 est une étape dc définition d'une matrice d'essai zonale. Dans cc mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, les deux modèles comportementaux susmentionnés MD1, MD2, sont établis avec une approche zonale. Dans cette étape, le domaine d'étude est décomposé en différentes zones. [0038] L'étape ES est une étape dc réalisation de mesures physiques sur le banc d'essai moteur. Des mesures de température, de richesse, d'émissions polluantes, etc., sont réalisées pendant cette étape. [0039] L'étape E6 est une étape dc modélisation des réponses du moteur thermique en fonction des différentes variables. Les deux modèles MD1 et MD2 sont définis dans cette étape et fournissent respectivement des réponses modélisées du moteur thermique en phase transitoire de charge et des réponses modélisées du catalyseur. [0040] L'étape E7 est une étape d'optimisation numérique des compensations de richesse par minimisation / maximisation de grandeurs modélisées sous contraintes et d'une fonction de coût correspondant à un profil de mission attendu. [0041] L'étape E8 est une étape de caractérisation du moteur thermique au banc d'essai, analogue à l'étape El, qui permet de juger de la maitrise de l'évolution du remplissage des cylindres et de la richesse en phase de transitoire de charge. [0042] En référence maintenant plus particulièrement à la Fig.3, il est décrit ci-dessous le processus de modélisation en cascade et d'optimisation globale réalisé pendant les étapes E6 et E7 susmentionnées. [0043] Comme visible à la Fig.3, les modèles MD1 et MD2 comportent des entrées U, X et Z et des sorties Y qui sont les réponses des modèles. [0044] Les entrées U sont des entrées maitrisées, à savoir ici, des entrées u, et u2 appliquées au modèle MD1 est qui représentent respectivement la compensation CR de richesse en transitoire de charge et un paramètre de filtrage FA appliqué au modèle MD1. [0045] Les entrées X sont aussi des entrées maitrisées, à savoir ici, des entrées xl à xi ap- pliquées au modèle MD1 et des entrées x à xn appliquées au modèle MD2. [0046] Ainsi, les entrées x1 à x4 appliquées au modèle MD1 définissent ici le transitoire de charge considéré et sont respectivement le régime moteur R, la durée D de rampe de 7 charge, la charge de départ CR et la charge d'arrivée CA. D'autres entrées xi pourront également être appliquées au modèle MD1 selon l'application. [0047] Les entrées xi à x, appliquées au modèle MD2 sont ici des sorties du moteur thermique relatives aux émissions polluantes et comprennent typiquement l'entrée xi qui est la température TG des gaz d'échappement du moteur et l'entrée xi', qui est le débit DG des gaz d'échappement du moteur, et d'autres éventuelles x' qui pourront être appliquées au modèle MD2 selon l'application. [0048] Les entrées Z sont des entrées variables, à savoir ici, des entrées z1 à zk appliquées au modèle MD1 et des entrées z', appliquées au modèle MD2. Les entrées z1 à zk appliquées au modèle MD1 comprennent typiquement les entrées z1 et z, qui sont respectivement la température TR du fluide de refroidissement du moteur thermique et la température TH de son huile moteur, et d'autres éventuelles zk qui pourront être appliquées au modèle MD2 selon l'application. Les entrées z', appliquées au modèle MD2 comprennent typiquement la mesure 02 d'une sonde à oxygène renseignant sur la quantité d'oxygène présente dans les gaz d'échappement sortant du moteur thermique. [0049] Les sorties Y comprennent des sorties y, et y2 délivrées par le modèle MD1 et re- présentant respectivement la richesse R du mélange air/carburant dans les cylindres en phase transitoire de charge et les émissions polluantes EE dans les gaz d'échappement sortant du moteur. Comme visible à Fig.3, les sorties y, et y2 délivrées par le modèle MD1 sont fournies en tant qu'entrées variables zw, au modèle MD2 situé en aval dans la cascade formée des modèles MD1, MD2. Les sorties Y comprennent aussi d'autres sorties y' délivrées par le modèle MD2 et représentant les émissions polluantes EC dans les gaz d'échappement sortant du catalyseur. [0050] Dans le procédé de l'invention, les modèles MD1 et MD2 permettent d'identifier une fonction F'(U, X, Z) = Y+E, par un calcul séquentiel, en faisant varier les entrées U, X et Z, dans laquelle E est une erreur sur les sorties Y. Typiquement, la fonction F. est implémentée sous la forme d'une ou plusieurs cartographies. [0051] La fonction F. est ensuite utilisée dans une phase d'optimisation numérique pour identifier des entrées U*(ul*, u,*) qui, dans cette forme de réalisation, minimisent les sorties modélisées Y et une fonction de coût définie par rapport à un profil de mission PM, pour les différentes entrées X et Z fixées. Les entrées U*(ul*, u211) ainsi déterminées sont les compromis optimaux recherchés pour les compensations de richesse en phase de transitoire de charge, optimisés numériquement de manière globale pour une réduction de la consommation de carburant et des émissions polluantes. De manière générale, on notera que les entrées de compromis optimaux recherchés pourront être des entrées qui minimisent ou maximalisent des sorties modélisées et des fonctions de coût associées à des profils de mission, selon les définitions des modèles 8 comportementaux et des fonctions de coût. [0052] Par rapport à l'état de la technique, l'invention permet une réduction substantielle du nombre d'heures requises sur banc d'essai moteur, en particulier, sur le banc à rouleau. Un banc automatique d'essai moteur peut être utilisé. La modélisation et l'optimisation numérique ne requièrent l'intervention d'une personne qualifiée que pendant une durée limitée, typiquement de l'ordre d'une à deux semaines. De plus, la durée des essais de validation sur des véhicules équipés de groupes motopropulscurs prototypes peut être sensiblement réduite. Si une reprise de la calibration s'avère nécessaire après ces essais sur véhicule, les modèles numériques définies initialement peuvent être réutilisés. La présente invention autorise ainsi des gains de temps et de coûts substantiels par rapport à l'état de la technique, en apportant une solution qui permet une convergence vers un meilleur compromis de calibration. [0053] L'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l'invention. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] REVENDICATIONSProcédé de cal ibration des compensations de richesse en phase de transitoire de charge dans un groupe motopropulseur incluant un moteur thermique et un catalyseur de post-traitement de gaz d'échappement, le procédé comprenant une première phase (El à E5) incluant des essais initiaux dudit groupe motopropulseur réalisés sur banc d'essai moteur, couvrant une pluralité dc situations de vie du groupe motopropulseur et comportant des mesures d'une pluralité de grandeurs physiques et des mesures de la richesse du mélange air/carburant dans ledit moteur thermique, une deuxième phase (E6, E7) incluant une calibration desdites compensations de richesse en phase de transitoire de charge sur la base desdits essais initiaux et une troisième phase (E8) incluant des essais de validation de ladite calibration, caractérisé en ce que ladite première phase (El à E5) comprend également des mesures d'émissions polluantes dudit groupe motopropulseur, et ladite deuxième phase comprend une définition (E6) de premier et deuxième modèles numériques comportementaux (MD1, MD2) relatifs respectivement auxdits moteur thermique et catalyseur de post-traitement de gaz d'échappement, et une optimisation numérique (E7) desdites compensations de richesse en phase de transitoire de charge par minimisation / maximisation de sorties (Y) modélisées sous contraintes fournies par lesdits premier et deuxième modèles numériques comportementaux (MD1, MD2) et représentant des grandeurs physiques (R, EE, EC) et d'au moins une fonction de coût (Fn) correspondant à un profil de mission considéré (PM). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites sorties modélisées sous contraintes (Y) comprennent une richesse modélisée (R) et des émissions polluantes modélisées (EE, EC). Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième modèles numériques comportementaux (MD1, MD2) sont. agencés en cascade, ledit deuxième modèle numérique comportemental (MD1) recevant en entrée des dites sorties modélisées (yi, y ,) délivrées par ledit premier modèle numérique comportemental (MD1), lesdites sorties modélisées (yi, y2) comprenant une sortie de richesse modélisée (R) et une sortie (l'émissions polluantes modélisées (EE) délivrées par ledit premier modèle numérique comportemental (MD1). 10 [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième modèles numériques comportementaux (MD1, MD2) sont de type séquentiel. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit premier modèle numérique comportemental (MD1) comprend des premières entrées maitrisées (u1, th) incluant une entrée de compensation de richesse (CR) et une entrée de paramètre de filtrage (FA). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit premier modèle numérique comportemental (MD1) comprend des deuxièmes entrées maitrisées (x1 à xi) incluant une entrée de régime moteur (R), une entrée de durée de rampe de transitoire (D), une entrée de charge de départ (CD) et une entrée de charge de d'arrivée (CA). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit premier modèle numérique comportemental comprend des troisièmes entrées variables (7.1 à zk) incluant une température (TR) de fluide de refroidissement et une température (TH) d'huile moteur. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit deuxième modèle numérique comportemental (MD2) comprend (les quatrièmes entrées maitrisées (x à xn) incluant une température (TG) et un débit (DG) des gaz d'échappement sortant dudit moteur thermique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et la revendication 3, caractérisé en ce que ledit deuxième modèle numérique comportemental (MD2) comprend des cinquièmes entrées variables (z) incluant ladite sortie de richesse modélisée (R) et ladite sortie d'émissions polluantes modélisées (EE) delivrees par ledit premier modèle numérique comportemental (MD1), ainsi qu'une quantité d'oxygène (02) présente dans les gaz d'échappement sortant dudit moteur thermique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit deuxième modèle numérique comportemental (MD2) délivre des dites sorties modélisées (yp) incluant une sortie d'émissions polluantes modélisées (EC) représentative des émissions polluantes en aval dudit catalyseur de post-traitement de gaz (l'échappement.