EP0522908A1 - Procédé et système de calcul de la masse d'air frais dans un cylindre de moteur à combustion interne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les moteurs à combustion interne et, plus particulièrement, un procédé et un système pour calculer la masse d'air frais maf présente dans le cylindre avant la combustion. A cet effet, chaque cylindre (C1 à C4) comporte un capteur de pression (CP1 à CP4) qui fournit une tension proportionnelle U à la pression du mélange contenue dans le cylindre. La pression relative dans chaque cylindre est mesurée à deux positions angulaires différentes Θ1 et Θ2 qui précèdent la combustion après fermeture de la soupape d'échappement et ces mesures permettent de calculer la pression absolue du cylindre, pression absolue qui permet ensuite de calculer la masse d'air frais à l'aide d'un calculateur 27. L'invention est applicable aux véhicules automobiles. <IMAGE>

Description

• L'invention concerne les moteurs à combustion interne et, plus particulièrement dans de tels moteurs, un procédé et un système pour calculer la masse d'air frais contenu dans un cylindre.
• De nombreux paramètres sont utilisés pour commander un moteur à combustion interne, par exemple les instants d'allumage des bougies (moteur à essence), le taux de recirculation des gaz d'échappement et la quantité de carburant injectée.
• En ce qui concerne le rapport air/carburant, il est essentiel de connaître avec précision les deux éléments du rapport. Le volume ou le poids du carburant peut être connu, avec une relative précision, par la durée d'injection de ce dernier dans le cas d'un moteur à injection. Pour la masse d'air, plusieurs procédés sont utilisés tels que la mesure du débit d'air dans le collecteur d'admission aux différents cylindres, la mesure de la pression dans le collecteur d'admission combinée avec la mesure de la vitesse du moteur, la mesure de l'angle d'ouverture du papillon d'admission combinée avec la mesure de la vitesse moteur.
• Ces procédés ne conduisent pas à obtenir une valeur précise de la masse d'air admise dans chaque cylindre car les mesures sont effectuées dans le collecteur d'admission commun à tous les cylindres et non pas à l'intérieur de chaque cylindre.
• Un but de l'invention est donc de mettre en oeuvre un procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne à partir de mesures de pression à l'intérieur de chaque cylindre.
• Un autre but de l'invention est un système de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne.
• L'invention concerne un procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne dont chaque cylindre comporte un injecteur, une bougie, un capteur de pression et au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement, les injecteurs et les bougies étant commandés par les signaux fournis par un calculateur, ledit calculateur recevant une information de position angulaire Θ de l'arbre moteur et les signaux fournis par les capteurs de pression, ledit procédé de calcul de la masse d'air frais m_af dans chaque cylindre étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :
• mesure de la tension de sortie de chaque capteur de pression pour au moins deux valeurs Θ₁ et Θ₂ de la position angulaire de l'arbre moteur après la fermeture de la soupape d'admission et avant la combustion de manière à obtenir au moins deux valeurs U_Θ₁ et U_Θ₂ de ladite tension,
• détermination de la masse de carburant m_c injecté dans le cylindre concerné et de la masse de gaz brûlés résiduels m_gbr selon un des procédés connus, et
• calcul de la masse d'air frais m_af à partir notamment, d'au moins les deux valeurs U_Θ₁ et U_Θ₂, de la masse de carburant m_c injectée et de la masse des gaz brûlés m_gbr.
• Selon l'invention, le calcul de la masse d'air frais m_af est calculée en appliquant les relations suivantes : $${\text{m}}_{\text{af}}{\text{= a′ (U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}\text{) - b}$$

  

  
  avec $$\text{a′ =}\frac{{\text{V}}_{\text{Θ1}}}{{\text{RT}}_{\text{Θ1}}}\text{x}\frac{{\text{kV}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{\text{et b = m}}_{\text{c}}{\text{+ m}}_{\text{gbr}}$$

  

  relations dans lesquelles :

V_Θ₁

est le volume du cylindre concerné pour la position Θ₁,

V_Θ₂

est le volume du cylindre concerné pour la position Θ₂,

T_Θ₁

la température absolue du mélange contenu dans le cylindre concerné pour la position Θ₁,

R

la constante des gaz parfaits,

k

la constante de proportionnalité du capteur de pression concerné,

x

un exposant qui est défini par la formule des gaz parfaits en compression polytropique tel que :

$${\text{P}}_{\text{Θ1}}{\text{x V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{= P}}_{\text{Θ2}}{\text{x V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}$$

• La masse m_af d'air frais qui est calculée par cylindre pour chaque cycle moteur est utilisée de manière classique pour calculer : la masse de carburant à injecter dans ce cylindre en cours du cycle suivant, l'angle d'allumage et plus généralement toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels :
• la figure 1 montre des diagrammes qui permettent de valider le procédé selon l'invention, et
• la figure 2 est un schéma simplifié d'un moteur à combustion interne et de son système de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
• Le procédé de calcul de la masse d'air dans un cylindre de moteur à combustion interne selon l'invention est basé sur l'application de la loi des gaz parfaits au cylindre, soupape fermée soit : $$\text{PV = mRT}$$

  

  
  dans laquelle :
• P est la pression dans le cylindre,
• V le volume du mélange air/carburant dans le cylindre,
• m la masse du mélange air/carburant,
• R la constante des gaz parfaits,
• T la température absolue.

Comme P et V dépendent de la position du piston dans le cylindre, c'est-à-dire de l'angle Θ de rotation de l'arbre moteur, on peut écrire que la formule (1) est vraie pour chaque valeur de Θ, soit : $${\text{P}}_{\text{Θ}}{\text{V}}_{\text{Θ}}{\text{= mRT}}_{\text{Θ}}$$


avec m = m_af + m_c + M_gbr
• m_af étant la masse d'air frais,
• m_c étant la masse de carburant,
• m_gbr étant la masse des gaz brûlés résiduels,

   On peut alors déterminer m_af par la formule : $${\text{m}}_{\text{af}}\text{=}\frac{{\text{P}}_{\text{Θ}}{\text{V}}_{\text{Θ}}}{{\text{RT}}_{\text{Θ}}}{\text{- m}}_{\text{gbr}}{\text{- m}}_{\text{c}}{\text{= a P}}_{\text{Θ}}\text{- b}$$


avec : $$\text{a =}\frac{{\text{V}}_{\text{Θ}}}{{\text{RT}}_{\text{Θ}}}{\text{et b = m}}_{\text{gbr}}{\text{+ m}}_{\text{c}}\text{, coefficients}$$


dans lesquels :
V_Θ est déterminé par la position de l'arbre moteur, T_Θ est mesurée, m_c est la quantité connue de carburant injecté et m_gbr est connue par le taux des gaz brûlés qui restent dans le cylindre après échappement, masse qui peut être mesurée ou calculée pour un moteur donné. Par contre, P_Θ n'est pas connue et l'invention prévoit sa mesure dans chaque cylindre à l'aide d'un capteur de pression. Or, le capteur de pression ne donne qu'une valeur relative et il faut donc faire deux mesures successives pour deux positions Θ1 et Θ2 de l'arbre moteur.
• En effet, si l'on suppose que la compression est polytropique avant le début de la combustion, on peut écrire : $${\text{P}}_{\text{Θ1}}{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{= P}}_{\text{Θ2}}{\text{V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}\text{= constante}$$

  

  
  que l'on peut écrire sous la forme : $${\text{(kU}}_{\text{Θ1}}{\text{+ d) V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{= (kU}}_{\text{Θ2}}{\text{+ d) V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}$$

  

  
  si U_Θ₁ et U_Θ₂ sont les tensions délivrées par le capteur de pression pour les angles Θ₁ et Θ₂ respectivement : On obtient alors : $$\text{d =}\frac{{\text{k (V}}_{\text{Θ2}}{\text{V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}\text{)}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}$$

  

  
  et la pression absolue P_Θ1 par exemple est déterminée par : $${\text{P}}_{\text{Θ1}}{\text{= k U}}_{\text{Θ1}}{\text{+ d = k U}}_{\text{Θ1}}\text{+}\frac{{\text{k(U}}_{\text{Θ2}}{\text{V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}\text{)}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}$$

  

  
  soit : $${\text{P}}_{\text{Θ1}}\text{=}\frac{{\text{k V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{\text{(U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}{\text{= K (U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}\text{)}$$

  

  
  La formule (3) peut alors s'écrire : $${\text{m}}_{\text{af}}{\text{= aK (U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}\text{) - b, soit}$$

  

  $${\text{m}}_{\text{af}}{\text{= a′ (U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}\text{) - b}$$

  

  
  avec $$\text{a′=}\frac{{\text{V}}_{\text{Θ1}}}{{\text{RT}}_{\text{Θ1}}}\text{x}\frac{{\text{k V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}$$

  
• Pour valider le procédé de calcul, la demanderesse a effectué des mesures directes sur banc moteur. A cet effet, des mesures de la tension capteur en phase polytropique ont été effectuées, par exemple à Θ₁ = 40° et Θ₂ = 90°, ainsi que des mesures de m_af, m_c et m_gbr.
• Selon la relation (5), on doit avoir : $${\text{U}}_{\text{Θ2}}{\text{- U}}_{\text{Θ1}}\text{=}\frac{{\text{m}}_{\text{af}}\text{+ b}}{\text{a′}}{\text{= Am}}_{\text{af}}\text{+ B}$$

  

  
  avec A = 1/a′ et B = b/a′
  c'est-à-dire une droite de pente A et d'ordonnée B à l'origine.
• Les mesures directes au banc moteur consistent à faire tourner le moteur à une vitesse constante et à mesurer (U_90°-U_40°) pour différentes valeurs mesurées de la masse d'air frais injectée.
• On a relevé les valeurs suivantes :
• (a) N = 1200 tours/minute
  
  soit une droite définie par l'équation : $${\text{U}}_{\text{90°}}{\text{-U}}_{\text{40°}}{\text{= 110 m}}_{\text{af}}\text{+ 8,41}$$
  
  avec un coefficient de corrélation de 0,9997.
• (b) N = 2.300 tours/minute
  
  soit une droite définie par l'équation : $${\text{U}}_{\text{90°}}{\text{-U}}_{\text{40°}}{\text{= 114 m}}_{\text{af}}\text{+ 5,96}$$
  
  avec un coefficient de corrélation de 0,9987.
• (c) N = 3.600 tours/minute
  
  soit une droite définie par l'équation : $${\text{U}}_{\text{90°}}{\text{-U}}_{\text{40°}}{\text{= 118 m}}_{\text{af}}\text{+ 6,97}$$
  
  avec un coefficient de corrélation de 0,9998.
• (d) N = 4.400 tours/minute
  
  soit une droite définie par l'équation : $${\text{U}}_{\text{90°}}{\text{-U}}_{\text{40°}}{\text{= 133 m}}_{\text{ag}}\text{+ 2,87}$$
  
  avec un coefficient de corrélation de 0,9995.
• Ces mesures et ces droites ont été reportées sur la figure 1, les abscisses ayant été graduées en valeurs de m_af et les ordonnées en valeurs de (U_90°-U_40°). Les droites 10, 11, 12 et 13 correspondent respectivement aux vitesses moteur de 1.200 tours/minute, 2.300 tours/minute, 3.400 tours/minute et 4.400 tours/minute.
• Le procédé selon l'invention comprend donc les opérations suivantes :
• mesure de la tension de sortie d'un capteur de pression associé à chaque cylindre pour deux valeurs Θ₁ et Θ₂ de l'arbre moteur après la fermeture de la soupape d'admission et avant la combustion du mélange de manière à obtenir deux valeurs U_Θ₁ et U_Θ₂ de ladite tension;
• détermination de la masse de carburant injecté m_c de l'injection correspondant au cycle en cours et de la masse m_gbr des gaz brûlés selon les procédés habituels;
• calcul de la masse d'air frais m_af par la relation (5) avec le coefficient a′ calculé par la formule (6) et b = m_gbr + m_c.
• Cette masse d'air frais m_af, résultant du calcul correspond au cycle en cours, est utilisée pour le calcul du temps d'injection du cycle suivant et ceci pour chaque cylindre, de l'angle d'allumage et plus généralement de toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres.
• Le système qui permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sera décrit (figure 2) dans son application à un moteur quatre cylindres C₁, C₂, C₃, et C₄ qui sont alimentés en air par un collecteur d'admission 20 commun aux quatre cylindres. L'entrée de ce collecteur d'admission est commandée par une vanne-papillon 21 liée à l'accélérateur. Au niveau de chaque cylindre, ce conduit 20 se subdivise en quatre tubulures d'admission T₁, T₂, T₃ et T₄ aboutissant chacun à une soupape d'admission SA₁, SA₂, SA₃ et SA₄. A chaque tubulure est associé un injecteur de carburant I₁, I₂, I₃, et I₄.
• Chaque cylindre comporte une bougie B₁, B₂, B₃, ou B₄ pour l'allumage du mélange détonnant et un capteur de pression CP₁, CP₂, CP₃ , et CP₄.
• Après explosion du mélange détonant, les gaz brûlés sont évacués vers une tubulure d'échappement TE₁, TE₂, TE₃, et TE₄ par une soupape d'échappement SE₁, SE₂, SE₃ et SE₄, les quatre tubulures se réunissant pour former un conduit d'échappement 22.
• La position angulaire de l'arbre moteur est repérée à l'aide d'une roue dentée 25 solidaire de l'arbre moteur et associée à un détecteur 26 dont la borne de sortie est connectée à une entrée d'un calculateur 27.
• Le calculateur fournit de manière classique les signaux de commande des injecteurs I₁ à I₄ et des bougies B₁ à B₄ en fonction de divers paramètres tels que la vitesse moteur, la position de l'accélérateur, celle du papillon 21.
• Selon l'invention, les signaux fournis par les capteurs de pression CP₁ à CP₄ sont appliqués au calculateur 27 qui réalise, pour chaque cylindre, les calculs définis par le procédé décrit ci-dessus. Bien entendu, d'un cylindre à l'autre, les valeurs de Θ₁ et Θ₂ sont différentes et il n'est tenu compte des signaux des capteurs de pression que pour les valeurs Θ₁ et Θ₂ par un échantillonnage approprié.
• La masse de carburant m_c de chaque cylindre pour un cycle donné est déterminée par le calculateur 27 à partir de la valeur de m_af calculée pour le cycle précédent, c'est ce qui fixe la durée d'ouverture des injecteurs I₁ à I₄.
• La description qui vient d'être faite du procédé et système selon l'invention permet un calcul de la masse d'air frais dans chaque cylindre à chaque cycle et donc de calculer ensuite la masse de carburant à injecter dans le cylindre correspondant au cours du cycle suivant, ainsi que l'angle d'allumage et, plus généralement, toutes les variables paramétrées par le remplissage des cylindres.
• Les capteurs de pression CP₁ à CP₄ remplacent le capteur de pression du collecteur d'admission ou le débitmètre dont les informations sont habituellement utilisées pour effectuer la commande du moteur par l'intermédiaire du calculateur 27.

Claims (3)

1. Procédé de calcul de la masse d'air frais contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne dont chaque cylindre (C₁ à C₄) comporte un injecteur (I₁ à I₄), une bougie (B₁ à B₄), un capteur de pression (CP₁ à CP₄) et au moins une soupape d'admission (SA₁ à SA₄) et au moins une soupape d'échappement (SE₁ à SE₄), les injecteurs (I₁ à I₄) et les bougies (B₁ à B₄) étant commandés par les signaux fournis par un calculateur (27), ledit calculateur (27) recevant une information de position angulaire Θ de l'arbre moteur et les signaux, fournis par les capteurs de pression (CP₁ à CP₄), ledit procédé de calcul de la masse d'air frais m_af dans chaque cylindre étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :

   - mesure de la tension de sortie U de chaque capteur de pression pour au moins deux valeurs Θ₁ et Θ₂ de la position angulaire de l'arbre moteur avant combustion de manière à obtenir au moins deux valeurs U_Θ₁ et U_Θ₂ de ladite tension,

   - détermination de la masse de carburant m_c injectée dans le cylindre concerné et de la masse de gaz brûlés m_gbr selon un des procédés connus, et

   - calcul de la masse d'air frais m_af à partir notamment d'au moins les deux valeurs U_Θ₁ et U_Θ₂, de la masse de carburant m_c injectée et de la masse des gaz brûlés m_gbr.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la masse d'air frais m_af est obtenu en appliquant les relations suivantes : $${\text{m}}_{\text{af}}{\text{= a′ (U}}_{\text{Θ}}{\text{₂ - U}}_{\text{Θ}}\text{₁) - b}$$

   

   avec $$\text{a′ =}\frac{{\text{V}}_{\text{Θ1}}}{{\text{RT}}_{\text{Θ1}}}\text{x}\frac{{\text{KV}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{{\text{V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{- V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}}{\text{et b = m}}_{\text{c}}{\text{+ m}}_{\text{gbr}}$$

   

   relations dans lesquelles :

   V_Θ₁   est le volume du cylindre concerné pour la position Θ₁,

   V_Θ₂   est le volume du cylindre concerné pour la position Θ₂,

   T_Θ₁   est la température absolue du mélange contenu dans le cylindre concerné pour la position Θ₁,

   R   est la constante des gaz parfaits,

   k   est la constante de proportionnalité du capteur de pression concerné,

   x   est un exposant qui est défini par la formule des gaz parfaits en compression polytropique tel que :

   $${\text{P}}_{\text{Θ1}}{\text{x V}}_{\text{Θ1}}^{\text{x}}{\text{= P}}_{\text{Θ2}}{\text{x V}}_{\text{Θ2}}^{\text{x}}$$

   
3. Système pour calculer la masse d'air frais m_af contenue dans chaque cylindre d'un moteur à combustion selon le procédé de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend :

   - un capteur de pression (CP₁ à CP₄) par cylindre qui fournit un signal électrique représentatif de la pression à l'intérieur du cylindre auquel il est associé,

   - des moyens pour mesurer le signal électrique (U_Θ₁, U_Θ₂) fourni par chaque capteur de pression (CP₁ à CP₄) à deux instants déterminés Θ₁ et Θ₂ de chaque cycle moteur,

   - un calculateur (27) pour calculer, à partir des signaux électriques (U_Θ₁, U_Θ2) fournis par chaque capteur, la masse d'air frais m_af selon la relation définie dans la revendication 2.

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