Brevet FR3129984A1 — publié le 20230609

Le procédé comprenant les étapes de a) calculer un diamètre estimé (DSe) de la soupape d’admission à partir d’une mesure d’un remplissage (R) du moteur à combustion interne (MT) et d’une mesure d’un angle de vilebrequin (AV) du moteur à combustion interne, b) comparer le diamètre estimé à un diamètre nominal (DSn) de la soupape d’admission et c) diagnostiquer une casse de la soupape d’admission lorsque le diamètre estimé s’écarte du diamètre nominal au-delà d’un seuil calibré (TH1). Fig.3 PROCÉDÉ DE DIAGNOSTIC EN TEMPS RÉEL DE LA CASSE D’UNE SOUPAPE D’ADMISSION DANS UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE L’invention concerne de manière générale le diagnostic des pannes dans un moteur à combustion interne. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé de diagnostic en temps réel de la casse d’une soupape d’admission dans un moteur à combustion interne, comme par exemple un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Dans un moteur à combustion interne, les soupapes d’admission et d’échappement montées sur la culasse du moteur sont des organes fonctionnels essentiels qui subissent d'énormes contraintes. Ainsi, deux types de défaillances affectant une ou plusieurs soupapes d’un moteur à combustion interne sont bien connues de l’homme du métier et consistent en une combustion localisée de la soupape et en une courbure ou casse de la queue de la soupape. Comme illustré aux Figs.1 et 2, une combustion localisée CO d’une soupape SP peut intervenir pour diverses raisons au niveau de la portée PO de celle-ci. La portée de soupape PO a pour fonction, en venant en contact contre le siège de soupape SG montée sur la culasse CU, d’assurer une jonction de fermeture JO de l’ouverture de la tubulure de culasse TB qui débouche dans la chambre de combustion du moteur. La détérioration de la soupape par combustion est due à l’origine à des gaz de combustion chauds qui s'échappent entre la portée de soupape PO et le siège de soupape SG lorsque la fermeture est imparfaite. Cette fermeture imparfaite peut être due, par exemple, à un défaut de jeu entre l’extrémité de la queue de soupape et son culbuteur CL, à des résidus de carbone générés par une mauvaise combustion et empêchant une fermeture complète de la soupape, à un défaut de rectification du siège SG et/ou de la portée PO, ou à d’autres raisons. La portée PO de la soupape est brulée par les gaz de combustion sous pression qui s’infiltrent à travers la fermeture imparfaite. A défaut de réparation, la détérioration de la soupape par combustion s’aggrave avec le temps, avec pour effet, notamment, une consommation excessive de carburant, une réduction de la puissance moteur, ainsi que de possibles dégâts supplémentaires sur le moteur à combustion interne entrainant des coûts substantiels de remise en état. La détection précoce d’une détérioration des soupapes dans un moteur à combustion interne présente donc un intérêt certain. Dans l’état de la technique, il est connu des solutions pour diagnostiquer des défauts dans des organes d’actionnement des soupapes d’un moteur à combustion interne. Par contre, à la connaissance de l’entité inventive, aucune solution n’a été proposé pour détecter en temps réel, pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, une altération physique du corps d’une soupape, autrement dit une « casse soupape », en particulier pour une soupape d’admission. Ainsi, la demande de brevet EP2236798A1 décrit un procédé de diagnostic de l'entrainement des soupapes dans un système de distribution variable à commande électrohydraulique. La demande de brevet EP1096113A1 concerne un système de distribution à commande électromagnétique des soupapes et décrit un procédé pour assurer l’actionnement des soupapes en cas de défaillance détectée de l’entrainement magnétique de celles-ci, de façon à pallier à un défaut temporaire jusqu’au rétablissement d’un cycle de fonctionnement normal. La demande de brevet JP2011122504A1 décrit un dispositif faisant appel à un capteur d’accélération pour surveiller une variation du jeu entre l’extrémité de la queue d’une soupape et son culbuteur associé pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne. Il est souhaitable de proposer un procédé de diagnostic en temps réel de la casse d’une soupape d’admission dans un moteur à combustion interne, qui soit simple, économique et robuste pour une mise en œuvre dans un véhicule automobile, mais pas exclusivement. Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de diagnostic en temps réel de la casse d’une soupape d’admission dans un moteur à combustion interne, comprenant les étapes de a) calculer un diamètre estimé de la soupape d’admission à partir d’une mesure d’un remplissage du moteur à combustion interne et d’une mesure d’un angle de vilebrequin du moteur à combustion interne, b) comparer le diamètre estimé à un diamètre nominal de la soupape d’admission et c) diagnostiquer une casse de la soupape d’admission lorsque le diamètre estimé s’écarte du diamètre nominal au-delà d’un seuil calibré. Selon une caractéristique particulière du procédé, l’étape a) comprend un calcul du diamètre estimé à l’aide d’une boucle de simulation numérique. Selon une autre caractéristique particulière, l’étape a), pour le calcul du diamètre estimé à l’aide de la boucle de simulation numérique, comprend l’obtention à l’aide d’une cartographie d’un coefficient de perméabilité de référence à partir de la mesure de remplissage. Selon encore une autre caractéristique particulière, la boucle de simulation numérique comprend un calcul d’une erreur entre le coefficient de perméabilité de référence et un coefficient de perméabilité estimé, le diamètre estimé étant obtenu par convergence de l’erreur dans ladite boucle de simulation numérique. L’invention concerne aussi un calculateur comprenant une mémoire dans laquelle sont stockées des instructions de programme pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit brièvement ci-dessus. Selon une forme de réalisation particulière, le calculateur est un calculateur de contrôle moteur d’un véhicule à traction thermique. L’invention concerne aussi un ensemble formé d’un moteur à combustion interne et d’un calculateur comme indiqué ci-dessus, ainsi qu’un véhicule à traction thermique comprenant un tel ensemble. D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d’un mode de réalisation particulier de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La est une vue en coupe partielle d’une soupape montée dans une culasse d’un moteur à combustion interne. La une vue de face montrant un exemple de soupape endommagée par combustion. La est un bloc-diagramme montrant un ensemble formé d’un moteur à combustion interne et d’un calculateur dans lequel est hébergé un module logiciel embarqué pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. est un diagramme explicatif montrant des relations mathématiques exploitées par le procédé selon l’invention. En référence aux Figs.3 et 4, il est maintenant décrit ci-dessous un mode de réalisation particulier du procédé selon l’invention pour le diagnostic en temps réel de la casse d’une soupape d’admission dans un moteur à combustion interne. En référence plus particulièrement à la , dans cet exemple de réalisation, il est considéré que l’invention est appliquée dans un véhicule automobile à traction thermique. Le procédé de l’invention est mis en œuvre dans l’ensemble formé du moteur à combustion interne MT du véhicule et d’un calculateur CTRL. Le calculateur CTRL est typiquement le calculateur de contrôle moteur chargé de la gestion du moteur à combustion interne MT du véhicule. Le calculateur de contrôle moteur CTRL gère différentes stratégies de commande et de diagnostic du moteur à combustion interne MT en fonction des situations de vie de celui-ci et du véhicule. Le calculateur de contrôle moteur CTRL supervise le fonctionnement du moteur à combustion interne MT et de la chaîne de traction du véhicule en coopérant avec d’autres calculateurs gérant différents organes fonctionnels, par des échanges d’informations et de commandes via un réseau de communication de données (non représenté), typiquement de type « CAN ». La mise en œuvre du procédé selon l’invention fait appel à un module logiciel embarqué MOD_SW qui est hébergé dans le calculateur de contrôle moteur CTRL. Comme montré à la , le module logiciel MOD_SW est implanté dans une mémoire MEM du calculateur de contrôle moteur CTRL. Le module logiciel MOD_SW autorise la mise en œuvre du procédé selon l’invention par l’exécution d’instructions de code de programme par un processeur (non représenté) du calculateur de contrôle moteur CTRL. Le procédé selon l’invention exploite des fonctions EQ1 et EQ2 montrées à la pour diagnostiquer la casse d’une soupape d’admission SPA. La fonction EQ1, à savoir R=f(Cf B ), fournit le remplissage, désigné R, d’un cylindre du moteur à combustion interne MT à partir du coefficient de perméabilité, noté Cf B , du système d’admission d’air du moteur. Cette fonction EQ1 est caractérisée sur un moteur à combustion interne MT de référence et est stockée en mémoire dans le calculateur de contrôle moteur CTRL typiquement sous la forme d’une cartographie. La fonction EQ2 est une fonction théorique qui fournit le coefficient de perméabilité Cf B à partir du diamètre DS (cf. ) de la soupape d’admission SPA, et d’autres grandeurs physiques variables ou constantes, à savoir : - Cd(AV) qui est le coefficient de perte de charge en fonction de l’angle de vilebrequin AV ; - AV max qui est l’angle de vilebrequin correspondant à la levée maximale de la soupape SPA ; - L qui est la largeur de loi L=2.(B-A), dans la loi de levée LOI, montrée à la , qui donne la levée LV de la soupape SPA en fonction de l’angle d’arbre à came AAC ; - AL qui est le diamètre d’alésage du cylindre moteur ; et - NS qui est le nombre des soupapes d’admission SPA. En exploitant la fonction EQ2, il est possible de calculer le diamètre DS de la soupape d’admission SPA à partir des grandeurs mesurées, ou estimées, que sont le coefficient de perméabilité Cf B et l’angle de vilebrequin AV et des constantes nominales du moteur que sont la largeur de loi de levée L, le diamètre d’alésage AL et le nombre NS de soupapes d’admission. Le coefficient de perméabilité Cf B est donné par la fonction EQ1 à partir du remplissage R mesuré. En référence à la , le procédé de l’invention détecte une casse de la soupape d’admission SPA à partir d’une comparaison entre un diamètre estimé, désigné ci-après DSe, et un diamètre nominal, désigné ci-après DSn, de la soupape. Le diamètre nominal DSn est une caractéristique nominale constante qui est fixée lors de la conception du moteur à combustion interne MT de référence. Le diamètre estimé DSe est calculé en temps réel, de manière dynamique, comme indiqué plus haut à partir du remplissage R et de l’angle de vilebrequin AV, en exploitant les fonctions EQ1 et EQ2. Le procédé de l’invention diagnostique une casse effective de la soupape d’admission SPA lorsque le diamètre calculé DSe s’écarte du diamètre nominal DSn au-delà d’un seuil calibré. Comme représenté schématiquement à la , dans le module logiciel MOD_SW, le calcul du diamètre estimé DSe fait appel à une boucle de simulation numérique BS, avec une convergence obtenue par contre-réaction. La boucle de simulation numérique BS comprend essentiellement cinq opérateurs de calcul de fonction F1 à F5, un opérateur de soustraction S1 et trois opérateurs de multiplication M1 à M3. L’opérateur F1 est la fonction inverse, notée f() -1 à la , de la fonction susmentionnée EQ1. L’opérateur F1, pour le remplissage mesuré R fourni en entrée, délivre en sortie une valeur de référence Cf B r du coefficient de perméabilité qui est celle qui doit être obtenue avec une soupape d’alimentation SPA en état de parfaite fonctionnalité. L’opérateur F2 est un correcteur de type « PID » (pour « Proportionnel-Intégral-Dérivé ») effectuant la correction d’une erreur de boucle E. L’erreur de boucle E est fournie par l’opérateur de soustraction S1 qui calcule la différence, Cf B r-Cf B e, entre le coefficient de perméabilité de référence Cf B r et un coefficient de perméabilité estimé Cf B e. Avantageusement, pour améliorer la convergence et la stabilité de la boucle BS, l’opérateur de soustraction S1 peut comprendre un seuil (non représenté) pour annuler l’erreur de boucle, E=0, lorsque celle-ci est inférieure à un pourcentage calibré (5% par exemple) de Cf B r. Lorsque la boucle BS converge, l’opérateur F2 délivre en sortie le diamètre estimée DSe de la soupape d’alimentation SPA. Les opérateurs F3 à F5 et les opérateurs M1 à M3 ont à charge de calculer le coefficient de perméabilité estimé Cf B e susmentionné, en exploitant la fonction EQ2. L’opérateur F3 délivre le coefficient de perte de charge Cd(AV) correspondant à l’angle de vilebrequin AV mesuré. Le produit du coefficient Cd(AV) et de (L/2) -1 , L étant la largeur de loi susmentionnée, est calculé par l’opérateur de multiplication M1. L’opérateur F4 calcule l’intégrale entre AV=0 et AV=AV max du produit Cd(AV).(L/2) -1 fourni en entrée par l’opérateur M1. L’opérateur de multiplication M2 calcule le produit de l’intégrale fournie par l’opérateur F4 avec le nombre de soupapes NS et l’expression (DSe/AL)2 et fournit en sortie le coefficient de perméabilité estimé Cf B e. L’expression (DSe/AL)2 est obtenue avec les opérateurs M3 et F5. L’opérateur de multiplication M3 calcule la fraction DSe/AL entre le diamètre estimée DSe, disponible en sortie du correcteur F2, et le diamètre d’alésage AL du cylindre moteur. L’élévation au carré de la fraction DSe/AL est faite par l’opérateur F5, noté (…) 2 à la . Comme visible à la , la comparaison entre le diamètre estimée DSe et le diamètre nominal DSn de la soupape d’admission SPA pour le diagnostic de casse est réalisée au moyen d’un opérateur de soustraction S2 et d’un seuil calibré TH1. Lorsque la différence entre les diamètres DSe et DSn dépasse la valeur du seuil calibré, une alerte AL de casse soupape est émise. Dans le véhicule, l’alerte AL générera typiquement un code de défaut de type « OBD » exploitable par le système de diagnostics embarqués et/ou de type « APV » pour les opérations de maintenance du véhicule en après-vente et l’identification des causes racines des dysfonctionnements. L’invention ne se limite pas au mode de réalisation particulier qui a été décrit 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. Procédé de diagnostic en temps réel de la casse d’une soupape d’admission (SPA) dans un moteur à combustion interne (MT), comprenant les étapes de a) calculer un diamètre estimé (DSe) de ladite soupape d’admission (SPA) à partir d’une mesure d’un remplissage (R) dudit moteur à combustion interne (MT) et d’une mesure d’un angle de vilebrequin (AV) dudit moteur à combustion interne (MT), b) comparer ledit diamètre estimé (DSe) à un diamètre nominal (DSn) de ladite soupape d’admission (SPA) et c) diagnostiquer une casse de ladite soupape d’admission (SPA) lorsque ledit diamètre estimé (DSe) s’écarte dudit diamètre nominal (DSn) au-delà d’un seuil calibré (TH1). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape a) comprend le calcul dudit diamètre estimé (DSe) à l’aide d’une boucle de simulation numérique (BS). Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape a), pour le calcul dudit diamètre estimé (DSe) à l’aide de ladite boucle de simulation numérique (BS), comprend l’obtention à l’aide d’une cartographie d’un coefficient de perméabilité de référence (Cf B r) à partir de ladite mesure de remplissage (R). Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite boucle de simulation numérique comprend un calcul d’une erreur (E) entre ledit coefficient de perméabilité de référence (Cf B r) et un coefficient de perméabilité estimé (Cf B e), ledit diamètre estimé étant obtenu par convergence de ladite erreur (E) dans ladite boucle de simulation numérique. Calculateur (CTRL) caractérisé en ce qu’il comprend une mémoire (MEM) stockant des instructions de programme (MOD_SW) pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. Calculateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il est formé par un calculateur de contrôle moteur (CTRL) d’un véhicule à traction thermique. Ensemble formé d’un moteur à combustion interne (MT) et d’un calculateur (CTRL), caractérisé en ce que ledit calculateur est un calculateur selon la revendication 5 ou 6. Véhicule à traction thermique caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble (MT, CTRL) selon la revendication 7.