EP2399015B1 - Procede d'estimation de remplissage total d'une chambre de combustion d'un moteur - Google Patents

Description

• L'invention concerne un procédé d'estimation et un estimateur d'une masse Ma d'air frais admise à l'intérieur d'une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur lors d'un cycle moteur. L'invention a également pour objet un procédé d'estimation du remplissage total en air frais suralimenté de la chambre de combustion et un véhicule équipé de l'estimateur.
• Un cycle moteur comprend successivement l'échappement des gaz brulés de la chambre de combustion, l'admission d'air frais et de carburant dans la chambre de combustion et l'explosion du mélange dans cette chambre de combustion. Dans le cas d'un moteur quatre temps, un cycle moteur correspond à deux allers-retours de piston dans le cylindre entre les deux positions extrêmes de sa course, c'est-à-dire le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB).
• L'échappement de gaz brûlés dure tant que la ou les soupapes d'échappement sont ouvertes. De façon similaire, l'admission d'air frais dure tant que la ou les soupapes d'admission sont ouvertes.
• Comme cela est connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est fonction de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur. Cette quantité d'air est elle-même proportionnelle à la densité de cet air. De ce fait, en cas de demande de forte puissance, il est prévu d'augmenter cette quantité d'air aux moyens d'une compression de l'air avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion. Cette opération est plus communément appelée suralimentation et peut être réalisée par un dispositif de suralimentation comme un turbocompresseur ou un compresseur entraîné tel qu'un compresseur à vis.
• Afin d'augmenter encore plus cette quantité d'air admise dans le cylindre, il peut être prévu de réaliser un mode d'admission avec un balayage des gaz brûlés résiduels. Ce balayage permet d'évacuer les gaz brûlés présents dans la chambre de combustion pour les remplacer par de l'air suralimenté.
• Comme cela est expliqué dans le brevet US 4 217 866 , ce balayage est obtenu en ouvrant simultanément les soupapes d'échappement et d'admission d'une même chambre de combustion pendant quelques degrés à quelques dizaines de degrés d'angle de rotation du vilebrequin. Typiquement, cela se produit en fin d'échappement des gaz brûlés et en début d'admission de l'air frais. Concrètement, le fait que la pression de l'air au niveau de la soupape d'admission ouverte est plus élevée que la pression au niveau de la soupape d'échappement crée un courant d'air qui passe directement de l'admission à l'échappement entraînant au passage une partie des gaz brûlés résiduels présents dans la chambre de combustion. Cette période pendant laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes s'appelle « croisement de soupapes».
• Dans le cas des moteurs atmosphériques, c'est-à-dire des moteurs dépourvus de suralimentation, un croisement de soupapes peut également être prévu. Dans ce cas, pendant le croisement de soupapes, des gaz brûlés sont aspirés dans la chambre de combustion. On dit que les gaz brûlés sont ré-aspirés. Cette fonctionnalité est connue sous l'acronyme d'IGR (Internai Gaz Recirculation) ou Recirculation Interne de Gaz d'échappement.
• Des procédés d'estimation du débit d'air frais admis à l'intérieur d'une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur sont connus, par exemple du document DE10254475B3 correspondant au préambule de la revendication 1. Toutefois, ces procédés sont peu précis et ne permettent pas véritablement d'obtenir une estimation de la quantité d'air frais admise dans chaque chambre de combustion. Or cette estimation est importante pour commander correctement le moteur. Par exemple, cette estimation est utile pour déterminer la quantité de carburant à injecter ou pour régler l'avance à l'allumage.
• L'invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant un procédé plus précis permettant d'estimer la masse d'air frais admise à l'intérieur d'une chambre de combustion.
• Elle a donc pour objet un procédé d'estimation d'un remplissage total rempl_tot en air frais suralimenté d'une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur lors d'un cycle moteur, comprenant
• l'estimation d'une masse Ma d'air frais admis à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur lors d'un cycle moteur mis en œuvre par un calculateur électronique,
• l'estimation d'une masse totale Mtot de gaz contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'admission de l'air frais, l'estimation d'une masse Mb de gaz brûlés contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, et l'estimation de la masse Ma d'air frais à partir de la différence entre la masse totale Mtot et la masse Mb de gaz brûlés estimées,
dans lequel l'estimation de la masse totale Mtot est obtenue à partir d'une pression admission P_ADM de l'air , d'un volume de la chambre de combustion à la fin de l'admission, d'une température T_mélange du mélange d'air frais et de gaz brûlés contenu dans la chambre de combustion à la fin de l'admission d'air frais, et d'un coefficient correcteur A_ADM dont la valeur est obtenue à partir d'une cartographie préenregistrée en fonction d'un angle FA de fin d'admission et du régime moteur, l'estimation du remplissage total étant une solution du système d'équation suivant : $$\{\begin{array}{l}\mathit{rempl}\_\mathit{tot}=\frac{\mathit{Ma}}{\mathit{Mo}}+\frac{\mathit{Mbal}}{\mathit{Mo}}\\ \frac{\mathit{Ma}}{\mathit{Mo}}=\frac{\mathit{Mtot}}{\mathit{Mo}}-\max \left(0;\frac{\mathit{Mb}}{\mathit{Mo}}-\frac{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}{\mathit{Mo}}\right)\\ \frac{\mathit{Mbal}}{\mathit{Mo}}=\left|\min \left(0;\frac{\mathit{Mb}}{\mathit{Mo}}-\frac{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}{\mathit{Mo}}\right)\right|\end{array}$$

où :
• Mtot est la masse totale de gaz contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'admission de l'air frais définie précédemment,
• Mo est une masse de référence d'air dans les conditions normales de températures et de pression
• Mb est une masse de gaz brûlés contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés
• Mbal_tot est la masse totale de gaz balayé (air ou gaz brûlé) pendant le croisement de soupapes,
• Mbal est la masse de gaz balayé (air) entre l'admission et l'échappement pendant le croisement de soupapes,
• Max(...) et Min(...) sont respectivement les fonctions retournant le maximum et le minimum, et
• |...| est la valeur absolue.
caractérisé en ce que ce procédé comprend :
• l'estimation d'une masse Mbal_tot de gaz balayés de l'admission vers l'échappement lors du croisement de soupapes,
• l'estimation du remplissage total rempl_tot en air frais suralimenté à partir de la masse d'air frais Ma et de la masse Mbal_tot de gaz balayés estimées.
• la commande de différents actionneurs, injecteurs et dispositifs d'allumage du moteur en fonction des estimations de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot.
• Les estimations de la masse totale Mtot et de la masse Mb de gaz brûlés peuvent être établies précisément sans mesurer la pression ou la température à l'intérieur de la chambre de combustion. Par conséquent, ce procédé d'estimation de la masse Ma est plus précis. Le procédé ci-dessus est plus précis car on tient compte de la masse de gaz balayés vers l'échappement lors du croisement de soupapes.
• Les modes de réalisation de ce procédé d'estimation de la masse Ma peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques correspondant aux variantes décrites ci-après.
• Dans une variante, l'estimation de la masse Mb de gaz brûlés comprend l'estimation d'une masse Mb_resi de gaz brûlés résiduels contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, et l'estimation d'une masse Mb_reasp de gaz brûlés ré-aspirés à l'intérieur de la chambre de combustion pendant le croisement de soupapes. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une estimation de la masse Mb plus précise puisque la masse résiduelle de gaz brûlés et la masse des gaz brûlés réaspirés lors d'un croisement de soupapes sont simultanément prises en compte.
• Dans une variante, l'estimation de la masse Mb_resi est obtenue à partir d'une pression P_ECH des gaz brûlés, d'un volume intérieur de la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, d'une température T_ECH des gaz brûlés et d'un coefficient correcteur A_ECH de la pression P_ECH dont la valeur est fonction d'un angle de fin d'échappement et du régime moteur. Ce mode permet également d'obtenir une estimation précise de la masse de gaz brûlés résiduels dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement sans qu'il soit nécessaire de mesurer la pression ou la température à l'intérieur de la chambre de combustion.
• Dans une variante qui permet d'accroitre la précision de l'estimation en tenant compote du croisement des soupapes, l'estimation de la masse Mb_reasp est obtenue à l'aide de la relation suivante : $$\stackrel{·}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}}=\frac{P_{\mathit{ECH}}}{\sqrt{r\times T_{\mathit{ECH}}}}\times \left[\mathit{Sbase}+\mathit{Scor}\times \left(\mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)-{\mathrm{\Gamma }}_0\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)\right)\right]\times \mathit{POND}$$

  

  où:
• Mb_reasp est le débit de gaz brûlés ré-aspirés,
• P_ECH est la pression échappement des gaz brûlés,
• P_ADM est la pression admission de l'air,
• T_ECH est la température des gaz brulés,
• r est une constante égale au rapport suivant R/M où R est la constante universelle des gaz parfaits et M est la masse molaire en kg.mol^-1 des gaz brûlés,
• Sbase est une valeur corrective fonction du régime moteur et de la différence entre des angles FE et OA, respectivement, de fermeture d'échappement et d'ouverture d'admission et,
• Scor est une valeur corrective fonction de la différence entre les angles FE et OA et du régime moteur,
• POND est une valeur corrective fonction du régime moteur et d'une position du croisement de soupapes donné par la relation suivante (FE + OA) / 2,
  • Γ(P_ADM/P_ECH) est défini par la relation suivante :
$$\mathrm{Si}\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}>{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma }{\gamma -1}}\Rightarrow \mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\frac{2\times \gamma }{\gamma -1}\times \left[{\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)}^{\frac{2}{\gamma }}-{\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma }}\right]}$$

$$\mathrm{Si}\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}<{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma }{\gamma -1}}\Rightarrow \mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\gamma \times {\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}}$$

où γ est le rapport de la capacité calorifique à pression constante des gaz brulés sur la capacité calorifique à volume constant des gaz brulés,
• Γ₀(P_ADM/P_ECH) est défini par la relation suivante : $${\mathrm{\Gamma }}_0\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\gamma \times {\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}}$$
  
• L'utilisation d'une solution de l'équation ci-dessus permet d'accroître la précision puisque l'on tient compte du fait que la masse d'air admise remplit le volume de la chambre de combustion jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de gaz brûlés dans celle-ci.
• L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
• la figure 1 est une illustration schématique d'un véhicule dans lequel la masse Ma et le remplissage total rempl_totsont estimés ;
• la figure 2 est un graphe illustrant schématiquement des déplacements des soupapes d'échappement et d'admission lors d'un cycle moteur,
• la figure 3 est une illustration plus détaillée de l'architecture d'un calculateur électronique implémentant un estimateur de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot, et
• la figure 4 est un organigramme d'un procédé d'estimation de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot dans le véhicule de la figure 1.
• La figure 1 représente schématiquement un véhicule 2 équipé d'un moteur à combustion interne. Par exemple, le véhicule 2 est un véhicule automobile tel qu'une voiture.
• Le moteur du véhicule 2 est équipé de plusieurs cylindres. Toutefois, pour simplifier l'illustration, seul un cylindre 6 de ce moteur à combustion est représenté sur la figure 1. A l'intérieur du cylindre 6, un piston 8 est monté déplaçable en translation entre un point mort haut (PMH) et un point mort bas (PMB). Ce piston 8 entraîne en rotation une manivelle 10 d'un vilebrequin 12 par l'intermédiaire d'une bielle 14. Le vilebrequin 12 entraîne en rotation, par l'intermédiaire d'un mécanisme non représenté, les roues motrices du véhicule 2 telles que la roue 16.
• Le cylindre 6 définit une chambre 18 de combustion délimitée par la partie supérieure du piston 8 et une culasse non représentée. Un conduit 20 d'admission d'air frais débouche dans la chambre 18 par l'intermédiaire d'une ouverture d'admission. Une soupape 24 d'admission est déplaçable entre une position fermée dans laquelle elle ferme de façon étanche à l'air frais l'ouverture d'admission, et une position ouverte dans laquelle l'air frais peut être admis à l'intérieur de la chambre 18 par l'intermédiaire de l'ouverture d'admission. La soupape 24 est déplacée entre sa position ouverte et sa position fermée par un actionneur 26 de soupapes d'admission.
• Dans le cas particulier représenté ici, un injecteur 28 de carburant est prévu dans le conduit 20 pour injecter du carburant dans l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 18. Ainsi, le mélange air frais/carburant commence à se produire à l'intérieur du conduit d'air d'admission.
• Le conduit 20 est fluidiquement raccordé à un compresseur 30 d'un turbocompresseur 32 propre à comprimer l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 18. L'air frais ainsi comprimé est appelé air frais suralimenté.
• Une bougie 34 propre à allumer le mélange air frais/carburant débouche dans la chambre 18. Cette bougie est commandée par un dispositif d'allumage 36.
• Un conduit 40 d'échappement débouche également à l'intérieur de la chambre 18 par l'intermédiaire d'une ouverture d'échappement. Cette ouverture d'échappement est obturable par une soupape 44 déplaçable entre une position fermée, et une position ouverte dans laquelle les gaz brûlés contenus à l'intérieur de la chambre 18 peuvent s'échapper par l'intermédiaire du conduit 40. Cette soupape 44 est déplacée entre ces positions ouverte et fermée par un actionneur de soupapes 46.
• Les actionneurs de soupapes 26 et 46 peuvent être des actionneurs de soupapes mécaniques.
• L'extrémité du conduit 40 opposée à son ouverture qui débouche dans la chambre 18 est fluidiquement raccordée à une turbine 48 du turbocompresseur 32. Cette turbine 48 permet notamment de détendre les gaz d'échappement avant de les envoyer dans une ligne d'échappement 50.
• Les différents équipements du moteur susceptibles d'être commandés tels que les actionneurs, le dispositif d'allumage ou encore l'injecteur de carburant sont raccordés à une unité 60 de commande du moteur également connu sous l'acronyme ECU (Engine Control Unit). Pour simplifier la figure 1, les connexions entre cette unité 60 et les différents équipements commandés n'ont pas été représentées.
• L'unité 60 est également raccordée à de nombreux capteurs tels que par exemple un capteur 62 de la position du vilebrequin 12 et un capteur 64 du régime moteur. On définit ici le régime moteur comme étant le nombre de tours par minute effectués par l'arbre d'entraînement du moteur.
• La figure 2 représente, sous la forme d'un graphe, les déplacements des soupapes 24 et 44 par rapport aux déplacements du piston 8 lors d'un cycle moteur. Sur ce graphe, un axe 70 des abscisses représente le déplacement du piston 8 entre son point mort haut et son point mort bas notés, respectivement, PMH et PMB sur ce graphe. L'axe des ordonnées représente l'amplitude du déplacement des soupapes d'admission et d'échappement. Cette amplitude est nulle lorsque la soupape d'admission ou la soupape d'échappement est fermée. Elle est maximale lorsque ces mêmes soupapes sont complètement ouvertes. Ici, le déplacement de la soupape 44 est représenté par une courbe 72 et le déplacement de la soupape 24 est représenté par une courbe 74.
• L'axe 70 est gradué en degrés d'angle de rotation du vilebrequin. L'origine de cet axe est confondue avec le point mort haut d'admission d'air frais.
• Comme représenté sur cette figure 2, la soupape d'échappement commence à s'ouvrir à un angle OE situé sensiblement autour du point mort bas de detente et se ferme à un angle FE. Dans le cas particulier représenté sur la figure 2, l'angle FE est situé après le point mort haut d'admission.
• La soupape d'admission commence à s'ouvrir à un angle OA et se ferme à un angle FA.
• Ici, ce graphe est représenté dans le cas particulier où un croisement de soupapes existe. En effet, l'angle OA précède l'angle FE, ce qui indique que pendant une période de temps de quelques degrés, les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes.
• La figure 3 représente plus en détail une architecture possible pour l'unité 60 pour estimer la masse Ma et le remplissage total rempl_tot.
• A cet effet, l'unité 60 implémente un estimateur 80 d'une température T_ECH des gaz brûlés, un estimateur 82 d'une pression P_ECH des gaz, un estimateur 84 d'une température T_ADM de l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 18 par l'intermédiaire du conduit 20, et un estimateur 86 d'une pression P_ADM de l'air frais admis à l'intérieur de la chambre 18.
• Ces estimateurs 80, 82, 84 et 86 sont raccordés à un estimateur 88 de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot. Cet estimateur 88 est également raccordé à un bloc 90 de commandes du moteur. Ce bloc 90 permet notamment de commander les différents actionneurs, injecteurs et dispositifs d'allumage du moteur en fonction des estimations de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot. Par exemple, le bloc 90 est apte à régler la quantité de carburant injectée et à avancer l'instant d'allumage du mélange air frais/carburant injecté dans la chambre 18 ou à régler l'ouverture d'une vanne papillon permettant d'ajuster la quantité d'air frais admise à l'intérieur de la chambre 18.
• L'estimateur 88 comprend un module 92 d'estimation d'une masse Mb de gaz brûlés contenue dans la chambre 18 à la fin de l'échappement des gaz brûlés, un estimateur 94 d'une masse Mbal de gaz balayés de l'admission vers l'échappement lors du croisement de soupapes, un estimateur 96 de la température Tb des gaz brulés, un estimateur 98 de la masse Ma d'air frais admis dans la chambre 18, et un estimateur 100 du remplissage total rempl_tot.
• Le module 92 présente un sous module 102 d'estimation d'une masse Mb_resi de gaz brûlés résiduels contenue dans la chambre 18 à la fin de l'échappement, et un sous module 104 d'estimation d'une masse Mb_reasp de gaz brûlés réaspirés lors du croisement de soupapes à l'intérieur de la chambre 18.
• Ces modules 92 à 100 seront décrits plus en détail en regard de la figure 4.
• L'unité 60 est typiquement réalisée à partir d'un calculateur programmable apte à exécuter des instructions enregistrées dans un moyen de stockage d'informations. Ici, à cet effet, l'unité 60 est raccordée à une mémoire 106 contenant les différentes instructions et données nécessaires pour l'exécution du procédé de la figure 4. En particulier, les différentes cartographies utilisées pour mettre en œuvre le procédé de la figure 4 sont enregistrées dans cette mémoire 106. Ces cartographies sont par exemple construites expérimentalement de manière à minimiser les erreurs entre les valeurs estimées et les valeurs réelles.
• Le fonctionnement de l'unité 60 du véhicule 2 va maintenant être décrit plus en détail en regard du procédé de la figure 4 dans le cas particulier du moteur décrit en regard de la figure 1.
• Avant de rentrer dans le détail du procédé d'estimation de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot, le principe général de ce procédé est d'abord décrit.
• Le principe général est basé sur un bilan des masses sur un cycle moteur des gaz entrant et sortant de la chambre 18. Ce bilan des masses est décomposé en plusieurs calculs qui ont lieu tout au long du cycle moteur.
• Dans un premier temps, à la fin de l'échappement, la masse Mb de gaz brûlés dans la chambre 18 est estimée. Dans un second temps, à la fin de l'admission, la masse totale Mtot de gaz contenue à l'intérieur de la chambre 18 est estimée.
• A partir de ces deux estimations, et parce que la masse total de gaz est préservée sur un cycle moteur, la masse Ma d'air contenue à l'intérieur de la chambre 18 lors d'un cycle moteur peut être obtenue par soustraction de la masse Mb à la masse Mtot.
• Plus précisément, d'après le bilan des masses des gaz admis et évacués lors d'un cycle moteur, la masse Ma est donnée par la relation suivante : $$\mathit{Ma}=\mathit{Mtot}-\mathit{Mb}$$

  

  où Mtot est la masse totale de gaz dans la chambre 18 à la fin de l'admission, et Mb est la masse totale de gaz brûlés dans la chambre 18 à la fin de l'échappement.
• Dans le cas particulier où une partie des gaz brulés sont ré-aspirés lors du croisement de soupapes, l'estimation de la masse Mb se décompose en une estimation de la masse Mb_resi de gaz brûlés résiduels non évacuée par l'intermédiaire du conduit 40 à la fin de l'échappement et de la masse Mb_reasp de gaz brûlés ré-aspirée pendant le croisement de soupapes.
• La masse de gaz brûlés Mb est alors définie par la relation suivante : $$\mathit{Mb}=\mathit{Mb}\_\mathit{resi}+\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}$$

  

  où :
• Mb_resi est la masse de gaz brûlé résiduelle qui n'a pas pu être évacuée lors de l'échappement, et
• Mb_reasp est la masse de gaz brûlés ré-aspirée lors du croisement de soupapes.
• Dans le cas particulier d'un moteur suralimenté avec croisement de soupapes, on cherche aussi à estimer le remplissage total rempl_tot en air frais suralimenté. Le remplissage total rempl_tot est la quantité totale d'air frais admise par l'intermédiaire de l'ouverture d'admission lors d'un cycle moteur. Dans le cas d'un moteur suralimenté avec croisement de soupapes, une partie de l'air frais admis par l'intermédiaire de l'ouverture d'admission est immédiatement évacuée par l'échappement (Mbal). Ainsi, le remplissage total rempl_tot est, en première approximation, donné par la relation suivante : $$\mathit{rempl}\_\mathit{tot}=\mathit{rempl}\_\mathit{cyl}+\frac{\mathit{Mbal}}{\mathit{Mo}}$$

  

  où :
• rempl_tot est le remplissage total en air frais total,
• rempl_cyl est le remplissage en air frais de la chambre 18,
• Mbal est la masse des gaz balayés de l'admission vers l'échappement pendant le croisement de soupapes, et
• Mo est une masse de référence d'air dans les conditions normales de températures et de pression.
• Le remplissage en air frais rempl_cyl est défini par la relation suivante : $$\mathit{rempl}\_\mathit{cyl}=\frac{\mathit{Ma}}{\mathit{Mo}}$$

  

  où Ma est la masse d'air contenu dans la chambre 18 à la fin de l'admission, et Mo est la masse de référence.
• Ici, les conditions normales de température et de pression correspondent à une température de 298,15 K, à une pression de 1013 mbar, et à un volume égal au volume de la cylindrée unitaire.
• Les grandeurs rempl_tot, rempl_cyl et le rapport Mbal/Mo sont des grandeurs sans dimension.
• Généralement, la masse Mbal n'existe que dans le cas des moteurs suralimentés. Toutefois, la description du procédé qui suit est faite dans le cas le plus complet, c'est-à-dire le cas où les estimations des masses Mb_reasp et Mbal sont toutes les deux réalisées. En effet, l'homme du métier peut aisément simplifier le procédé qui suit pour l'adapter uniquement au cas des moteurs atmosphériques ou uniquement au cas des moteurs suralimentés.
• Le procédé débute par une étape 120 d'estimation de la masse Mb_resi de gaz brûlés contenue dans la chambre 18 à la fin de l'échappement.
• Lors de l'étape 120, le sous-module 102 estime la masse Mb_resi à l'aide de la relation suivante : $$\mathit{Mb}\_\mathit{resi}=\frac{P_{\mathit{cyl}\_\mathit{FE}}\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FE}}}{r\times T_{\mathit{ECH}}}=\frac{\left(A_{\mathit{ECH}}\times P_{\mathit{ECH}}\right)\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FE}}}{r\times T_{\mathit{ECH}}}$$

  

  où :
• P_{cyl_FE} est la pression à l'intérieur de la chambre 18,
• P_ECH est la pression échappement des gaz brûlés,
• T_ECH est la température des gaz brûlés évacués par l'intermédiaire du conduit 40,
• r est une constante égale au rapport suivant R/M où R est la constante universelle des gaz parfaits et M est la masse molaire en kg.mol^-1 des gaz brûlés,
• A_ECH est un coefficient correcteur permettant de corriger la pression P_ECH pour obtenir une pression proche de P_{cyl_FE}, dont la valeur est donnée par une cartographie en fonction de l'angle FE et du régime moteur, et
• V_{cyl_FE} est le volume géométrique de la chambre 18 à la fin de l'échappement c'est-à-dire pour l'angle FE.
• Le volume V_{cyl_FE} est donné par la relation suivante : $$V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FE}}\left(\mathit{FE}\right)=\frac{\mathit{Cu}}{\epsilon -1}+\frac{\mathit{Cu}}{2}\left(1+\lambda -\cos \left(\mathit{FE}\right)-\sqrt{{\lambda }^2-{\sin }^2\left(\mathit{FE}\right)}\right)$$

  

  où :λ est le rapport bielle/manivelle, Cu est la cylindrée unitaire du cylindre 6, et ε est le taux de compression du moteur.
• Le rapport λ et le taux ξ sont des caractéristiques connues d'un moteur. On rappelle simplement ici que le rapport λ est le rapport entre la longueur de la bielle 14 divisée par la demi-longueur de la manivelle 18.
• Dans la relation ci-dessus et dans les relations suivantes, les pressions P_ECH et P_ADM et les températures T_ECH et T_ADM sont les pressions et températures estimées par les estimateurs 80, 82, 84 et 86 à partir de grandeurs physiques mesurées dans le moteur.
• Ensuite, lors d'une étape 122, le sous-module 104 estime la masse Mb_reasp de gaz brûlés réaspirés lors du croisement de soupapes. Ici, cette estimation est donnée par la relation suivante : $$\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}=\frac{\stackrel{·}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}}}{K}$$

  

  où $\stackrel{·}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}}$

  

  est le débit de gaz brûlés ré-aspirés exprimé en kg/h, et K est un coefficient permettant de passer du débit à une masse admise par cycle moteur dans la chambre 18.
• Par exemple, le coefficient K est donné par la relation suivante : $$K=N\times \frac{\mathit{Nbre}\_\mathit{cylindre}}{\mathit{Nbre}\_\mathit{revolutio}\underset{\_}{n}\mathit{cycle}}\times 60$$

  

  où N est le régime moteur, « Nbre_cylindre » est le nombre de cylindre du moteur, « Nbre_revolutioncycle » est le nombre de révolution du vilebrequin lors d'un cycle du moteur, et « 60 » permet de convertir le régime moteur N donné en tour par minute en nombre de tours par heure.
• Par exemple, pour un moteur quatre temps équipé de quatre cylindres, le coefficient K est égal à K = N x 2 x 60.
• Le débit de gaz brûlés ré-aspirés $\stackrel{·}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}}$

  

  est calculé à partir de la loi de Barré Saint Venant corrigée de la façon suivante pendant le croisement de soupapes $$\stackrel{·}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}}=\frac{P_{\mathit{ECH}}}{\sqrt{r\times T_{\mathit{ECH}}}}\times \left[\mathit{Sbase}+\mathit{Scor}\times \left(\mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)-{\mathrm{\Gamma }}_0\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)\right)\right]\times \mathit{POND}$$

  

  où :
• P_ECH est la pression échappement des gaz brûlés,
• P_ADM est la pression admission de l'air admis par l'intermédiaire du conduit 20,
• T_ECH est la température des gaz brulés,
• Sbase est une cartographie prédéterminée qui donne une première valeur corrective en fonction de la différence entre les angles FE et OA et du régime moteur,
• Scor est une cartographie prédéterminée qui donne une seconde valeur corrective en fonction de la différence entre les angles FE et OA et du régime moteur,
• POND est une cartographie prédéterminée qui donne une troisième valeur corrective en fonction de la position du croisement de soupapes et du régime moteur.
• La position du croisement de soupapes est donné par la relation suivante (FE + OA) / 2.
• Γ(P_ADM/P_ECH) est défini par la relation suivante : $$\mathrm{Si}\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}>{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma }{\gamma -1}}\Rightarrow \mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\frac{2\times \gamma }{\gamma -1}\times \left[{\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)}^{\frac{2}{\gamma }}-{\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma }}\right]}$$

  

  $$\mathrm{Si}\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}<{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma }{\gamma -1}}\Rightarrow \mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\gamma \times {\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}}$$

  

  où γ est le rapport de la capacité calorifique à pression constante des gaz brulés sur la capacité calorifique à volume constant des gaz brulés. Par exemple, ce rapport est égal à 1,4.
• L'équation ci-dessus distingue le cas d'un écoulement subsonique d'un écoulement sonique.
• Γ₀(P_ADM/P_ECH) est défini par la relation suivante : $${\mathrm{\Gamma }}_0\left(\frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right)=\sqrt{\gamma \times {\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}}$$

  
• Ensuite, lors d'une étape 124, le module 94 estime la masse totale Mbal_tot de gaz balayés entre l'admission et l'échappement pendant le croisement de soupapes.
• La masse Mbal_tot est obtenue à l'aide de la relation suivante : $$\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}=\frac{\stackrel{·}{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}}{K}$$

  

  où :
• $\stackrel{·}{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}$
  
  est le débit de gaz balayés de l'admission vers l'échappement pendant le croisement de soupapes exprimé en kg/h, et
• K est le même coefficient que précédemment défini pour passer du débit à une masse admise par cycle moteur dans la chambre 18.
• Le débit $\stackrel{·}{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}$

  

  est estimé à partir de la loi de Barré Saint Venant corrigée de la façon suivante pour tenir compte des croisements de soupapes : $$\stackrel{·}{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}=\frac{P_{\mathit{ADM}}\times S}{\sqrt{r\times T_{\mathit{ADM}}}}\times \mathrm{\Gamma }\left(\frac{P_{\mathit{ECH}}}{P_{\mathit{ADM}}}\right)\times \mathit{POND}$$

  

  où :
• P_ECH, et P_ADM ont déjà été définis précédemment,
• T_ADM est la température de l'air admis dans la chambre 18
• S est une cartographie prédéterminée permettant d'obtenir une valeur corrective en fonction de la différence entre les angles FE et OA et du régime moteur, et
• POND est une cartographie prédéterminée permettant d'obtenir une valeur corrective en fonction de la position du croisement de soupapes et du régime moteur.
• Le ratio Γ(P_ECH/P_ADM) a déjà été défini ci-dessus.
• La position du croisement de soupapes est égale à la valeur suivante : (FE + OA) / 2.
• Ensuite, lors d'une étape 126, le module 96 estime la température Tb des gaz brûlés. Pour cela, cette température Tb est obtenue par un calcul de mélange enthalpique entre les gaz résiduels et les gaz brûlés ré-aspirés. Par exemple, la température Tb est obtenue à partir de la relation suivante : $$\mathit{Tb}=\frac{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}\times \mathit{cpb}\_\mathit{reasp}\times \mathit{Tb}\_\mathit{reasp}+\mathit{Mb}\_\mathit{resi}\times \mathit{cpb}\_\mathit{resi}\times \mathit{Tb}\_\mathit{resi}}{\mathit{Mb}\_\mathit{reasp}\times \mathit{cpb}\_\mathit{reasp}+\mathit{Mb}\_\mathit{resi}\times \mathit{cpb}\_\mathit{resi}}$$

  

  où :
• - - Mb_resi est la masse de gaz brûlés résiduels précédemment estimée,
• - - Mb_reasp est la masse de gaz brûlés ré-aspirés lors du croisement de soupapes,
• - - cpb_resi est la capacité calorifique massique à pression constante des gaz brûlés résiduels,
• - - cpb_reasp est la capacité calorifique massique à pression constante des gaz brûlés réaspirés,
• - - Tb_reasp est la température des gaz brûlés réaspirés lors du croisement de soupape, et
• - - Tb_resi est la température des gaz brûlés résiduels obtenue à partir d'un calcul de détente adiabatique.
• Pour simplifier, par exemple, les capacités cpb_resi et cpb_reasp sont prises égales.
• La température Tb_reasp est prise égale à la température TECH.
• La température Tb_resi est calculée à partir de la relation suivante : $$\mathit{Tb}\_\mathit{resi}=T_{\mathit{ECH}}\times \left[\frac{1}{\gamma }+\left(\frac{\gamma -1}{\gamma }\right)\times \frac{P_{\mathit{ADM}}}{P_{\mathit{ECH}}}\right]$$

  

  où toutes les variables ont déjà précédemment été définies.
• Ensuite, lors d'une étape 128, le module 98 estime la masse Ma en résolvant le système d'équations suivant : $$\{\begin{array}{l}\mathit{Ma}=\mathit{Mtot}-\mathit{Mb}\\ \mathit{Mtot}=\frac{\left(A_{\mathit{ADM}}\times P_{\mathit{ADM}}\right)\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FA}}}{\left(r\times T_{\mathit{melange}}\right)}\\ T_{\mathit{mélange}}=\frac{\mathit{Ma}\times \mathit{cpa}\times \mathit{Ta}+\mathit{Mb}\times \mathit{cpb}\times \mathit{Tb}}{\mathit{Ma}\times \mathit{cpa}+\mathit{Mb}\times \mathit{cpb}}\end{array}$$

  

  où :
• P_ADM, Mb, Ma ont déjà été définis précédemment,
• V_{cyl_FA} est le volume géométrique de la chambre 18 calculé à l'angle FA,
• A_ADM est un coefficient correcteur,
• r est une constante égale au rapport suivant R/M où R est la constante universelle des gaz parfaits et M est la masse molaire en kg.mol^-1 des gaz mélangés,
• T_mélange est la température du mélange d'air frais et de gaz brûlés contenu dans la chambre 18, et
• cpa et cpb sont les capacités calorifiques massiques à pression constante, respectivement, de l'air frais et des gaz brulés, et
• Ta et Tb sont les températures, respectivement, de l'air frais et des gaz brulés. Le volume V_{cyl_FA} est calculé à l'aide de la relation suivante : $$V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FA}}\left(\mathit{FA}\right)=\frac{\mathit{Cu}}{\epsilon -1}+\frac{\mathit{Cu}}{2}\left(1+\lambda -\cos \left(\mathit{FA}\right)-\sqrt{{\lambda }^2-{\sin }^2\left(\mathit{FA}\right)}\right)$$
  
• Le coefficient correcteur A_ADM est obtenu à l'aide de la relation suivante : $$A_{\mathit{ADM}}=A_{\mathit{ADM}\_\mathit{ATMO}}+k_{\mathit{ATMO}\_\mathit{TURBO}}\times \left(A_{\mathit{ADM}\_\mathit{TURBO}}-A_{\mathit{ADM}\_\mathit{ATMO}}\right)$$

  

  où :
• AADM_ATMO est une valeur corrective obtenue à partir d'une cartographie prédéterminée en fonction de l'angle FA et du régime moteur,
• AADM_TURBO est une valeur corrective obtenue à partir d'une cartographie prédéterminée en fonction de l'ange FA et du régime moteur,
• Le coefficient kATMO_TURBO est un coefficient correcteur donné par la relation suivante : $$k_{\mathit{ATMO}\_\mathit{TURBO}}=\max \left(0;\min \left(1,\frac{P_{\mathit{ADM}}-f_A\left(N,\mathit{FA}\right)\times \frac{P_{\mathit{ATMO}}}{\mathit{Po}}}{f_B\left(N\right)\times \frac{P_{\mathit{ATMO}}}{\mathit{Po}}}\right)\right)$$
  
  où :
  • PATMO est la pression atmosphérique,
  • Po est la pression de référence qui est ici égale à 1013 mbar,
  • fA(N, FA) est une valeur corrective obtenue à partir d'une cartographie prédéterminée en fonction du régime moteur et de l'angle FA, et
  • fB(N) est valeur corrective obtenue à partir d'une cartographie prédéterminée en fonction du régime moteur.
• La relation définissant la température T _mélange est obtenue par un calcul de mélange enthalpique entre la masse de gaz brûlés et la masse d'air frais contenues dans la chambre 18.
• Le système d'équations décrit ci-dessus est un système d'équation à trois inconnus et à trois équations. La résolution de ce système permet d'obtenir des estimations de la masse Ma, de la température T_mélange et de la masse totale Mtot.
• Plus précisément, l'estimation de la masse Ma est donnée par la relation suivante dans le cas particulier où cpb et cpa sont égaux : $$\mathit{Ma}=\frac{1}{\mathit{Ta}}\times \left(\frac{\left(A_{\mathit{ADM}}\times P_{\mathrm{A}\mathit{DM}}\right)\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FA}}}{r}-\mathit{Mb}\times \mathit{Tb}\right)$$

  
• Eventuellement, lors de l'étape 128, l'estimation de la masse Ma obtenue après avoir résolu le système d'équations est corrigée en fonction de l'inverse de la température Ta de l'air frais. Par exemple, la masse Ma est corrigée à l'aide de la relation suivante : $$\mathit{Ma}=f\left(\frac{1}{\mathit{Ta}}\right)\mathit{Ma}$$

  

  où f (1/Ta) est un coefficient correcteur dont la valeur est obtenue à partir d'une cartographie préenregistrée donnant la valeur de ce coefficient correcteur en fonction de l'inverse de la température Ta.
• Enfin, lors d'une étape 130, le module 100 estime le remplissage total rempl_tot en air frais. Ce remplissage total rempl_tot est par exemple obtenu à l'aide de la relation suivante : $$\mathit{Ma}=\frac{1}{\mathit{Ta}}\times \left(\frac{\left(A_{\mathit{ADM}}\times P_{\mathrm{A}\mathit{DM}}\right)\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FA}}}{r}-\max \left(0;\mathit{Mb}-\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}\right)\times \mathit{Tb}\right)+\left|\min \left(0;\mathit{Mb}-\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}\right)\right|$$

  

  où l'ensemble des variables de cette relation ont déjà été définis précédemment, Max(...) et Min(...) sont respectivement les fonctions retournant le maximum et le minimum, et |...| est la valeur absolue.
• Pour obtenir cette dernière relation, on a considéré que le gaz balayé de l'admission vers l'échappement pendant le croisement de soupapes remplissait d'abord entièrement le volume de la chambre 18 avant de passer ensuite directement de l'admission vers l'échappement. Ainsi, tant que la masse Mbal_tot de gaz balayés est inférieure à la masse Mb de gaz brulés, on considère qu'il n'y a pas de balayage. A l'inverse, dès que la masse Mbal_tot est supérieure à la masse Mb de gaz brulés, on considère qu'il n'y a plus que du balayage de gaz entre l'admission et l'échappement. La masse Mbal définie au début de cette description correspond uniquement au dernier terme de la relation ci-dessus.
• Ce qui a été décrit ci-dessus peut également être appliqué à un moteur dépourvu de déphaseur d'arbre à cames à l'admission ou à l'échappement.

Claims (4)

1. Procédé d'estimation d'un remplissage total rempl_tot en air frais suralimenté d'une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur lors d'un cycle moteur, comprenant :

   - l'estimation (128) d'une masse Ma d'air frais admis à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur lors d'un cycle moteur, mis en œuvre par un calculateur électronique,

   - l'estimation (128) d'une masse totale Mtot de gaz contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'admission de l'air frais, l'estimation (120, 124) d'une masse Mb de gaz brûlés contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, et l'estimation (128) de la masse Ma d'air frais à partir de la différence entre la masse totale Mtot et la masse Mb de gaz brûlés estimées, dans lequel l'estimation (128) de la masse totale Mtot est obtenue à partir d'une pression admission P_ADM de l'air , d'un volume de la chambre de combustion à la fin de l'admission, d'une température T_mélange du mélange d'air frais et de gaz brûlés contenu dans la chambre de combustion à la fin de l'admission d'air frais, et d'un coefficient correcteur A_ADM dont la valeur est obtenue à partir d'une cartographie préenregistrée en fonction d'un angle FA de fin d'admission et du régime moteur, l'estimation de la masse d'air Ma d'air frais étant une solution du système d'équations suivant : $$\{\begin{array}{l}\mathit{Mtot}=\frac{\left(A_{\mathit{ADM}}\times P_{\mathit{ADM}}\right)\times V_{\mathit{cyl}\_\mathit{FA}}}{\left(r\times T_{\mathit{melange}}\right)}\\ \mathit{Ma}=\mathit{Mtot}-\mathit{Mb}\\ T_{\mathit{mélange}}=\frac{\mathit{Ma}\times \mathit{cpa}\times \mathit{Ta}+\mathit{Mb}\times \mathit{cpb}\times \mathit{Tb}}{\mathit{Ma}\times \mathit{cpa}+\mathit{Mb}\times \mathit{cpb}}\end{array}$$

   

   où :

   - A_ADM est le coefficient correcteur dont la valeur est fonction du régime moteur et de l'angle de fin d'admission,

   - P_ADM est la pression admission de l'air,

   - V_{cyl_FA} est le volume géométrique de la chambre de combustion calculé à l'angle de fin d'admission,

   - T_mélange est la température du mélange d'air frais et de gaz brûlés contenu dans la chambre de combustion,

   - r est une constante égale au rapport suivant R/M où R est la constante universelle des gaz parfaits et M est la masse molaire en kg.mol^-1 des gaz mélangés,

   - cpa et cpb sont les capacités calorifiques massiques à pression constante, respectivement, de l'air frais et des gaz brulés, et

   - Ta et Tb sont les températures, respectivement, de l'air frais et des gaz brulés.

   caractérisé en ce que ce procédé comprend :

   - l'estimation (124) d'une masse Mbal_tot de gaz balayés de l'admission vers l'échappement lors du croisement de soupapes,

   - l'estimation (130) du remplissage total rempl_tot en air frais suralimenté à partir de la masse d'air frais Ma et de la masse Mbal_tot de gaz balayés estimées.

   - la commande de différents actionneurs, injecteurs et dispositifs d'allumage du moteur en fonction des estimations de la masse Ma et du remplissage total rempl_tot.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'estimation de la masse Mb de gaz brûlés comprend l'estimation (120) d'une masse Mb_resi de gaz brûlés résiduels contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, et l'estimation (122) d'une masse Mb_reasp de gaz brûlés ré-aspirés à l'intérieur de la chambre de combustion pendant le croisement de soupapes.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'estimation (120) de la masse Mb_resi est obtenue à partir d'une pression P_ECH des gaz brûlés, d'un volume intérieur de la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés, d'une température T_ECH des gaz brûlés et d'un coefficient correcteur A_ECH de la pression P_ECH dont la valeur est fonction d'un angle de fin d'échappement et du régime moteur.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'estimation (130) du remplissage total est une solution du système d'équation suivant : $$\{\begin{array}{l}\mathit{rempl}\_\mathit{tot}=\frac{\mathit{Ma}}{\mathit{Mo}}+\frac{\mathit{Mbal}}{\mathit{Mo}}\\ \frac{\mathit{Ma}}{\mathit{Mo}}=\frac{\mathit{Mtot}}{\mathit{Mo}}-\max \left(0;\frac{\mathit{Mb}}{\mathit{Mo}}-\frac{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}{\mathit{Mo}}\right)\\ \frac{\mathit{Mbal}}{\mathit{Mo}}=\left|\min \left(0;\frac{\mathit{Mb}}{\mathit{Mo}}-\frac{\mathit{Mbal}\_\mathit{tot}}{\mathit{Mo}}\right)\right|\end{array}$$

   

   où :

   - Mtot est la masse totale de gaz contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'admission de l'air frais définie précédemment,

   - Mo est une masse de référence d'air dans les conditions normales de températures et de pression

   - Mb est une masse de gaz brûlés contenue dans la chambre de combustion à la fin de l'échappement des gaz brûlés

   - Mbal_tot est la masse totale de gaz balayés (air et gaz brulé) pendant le croisement de soupapes,

   - Mbal est la masse de gaz balayé (air) entre l'admission et l'échappement pendant le croisement de soupapes,

   - Max(...) et Min(...) sont respectivement les fonctions retournant le maximum et le minimum, et

   - |...| est la valeur absolue.

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