WO2007060349A1 - Procede d'estimation de la masse des gaz enfermee pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Procede d'estimation de la masse des gaz enfermee pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the estimation of the mass of gases enclosed during each operating cycle in the combustion chamber of a cylinder of a spark ignition or compression ignition internal combustion engine.
  • This parameter must be precisely known during the compression and expansion phases of the operating cycle of an internal combustion engine to enable control in such a way that future pollution standards can be fully met.
  • the present invention aims to provide a method of estimating the mass of gases introduced into a cylinder, which involves simple means of calculation and requires the use of few sensors to provide input parameters, these sensors Furthermore, they are already provided for developing other motor control variables.
  • the invention therefore mainly relates to a method for estimating the mass of gases enclosed during each operating cycle in the combustion chamber of at least one cylinder of a remarkable internal combustion engine in that it consists: in said cylinder, at a time of the engine cycle close to each instant of opening of its exhaust valve, on the one hand the pressure in said combustion chamber and further by the temperature downstream of said exhaust valve, to determine the volume of said combustion chamber at the opening time of said exhaust valve, and - to perform estimating said mass of gas by applying the relation:
  • the process requires, in addition to a simple calculation, the use of only three sensors, the value of the mass of gases enclosed in the combustion chamber can nevertheless be estimated with a very good approximation.
  • the value of the quotient of the temperature downstream of said exhaust valve and of said yield factor is determined from a polynomial of the form (a + b - T 6011 ), in which the coefficients a and b are obtained by the least squares method; the value of the volume of the combustion chamber at the instant of the opening of the exhaust valve is determined in a map from the bottom dead center volume of said combustion chamber as a function of the angle of the crankshaft of said engine.
  • a piston 2 delimiting the combustion chamber 3, a connecting rod 4, a crankshaft 5, a gas intake manifold 6 and a device 7 for exhausting gases.
  • the engine may optionally be supercharged by a turbocharger (not shown in the drawing).
  • At least one of the cylinders of the engine is also equipped with a sensor 8 continuously measuring the angular position of the crankshaft 5, a sensor 9 for measuring the pressure in the combustion chamber 3 and a sensor 10 measuring the temperature in the device 7 exhaust gas.
  • the values of angle ⁇ , pressure P cy ⁇ and temperature T eC h respectively recorded by the sensors 8, 9 and 10 are applied to a computing device 11 which can be implemented for example within the computer program automotive vehicle or be made in the form of an autonomous computing device.
  • the calculation device 11 comprises a functional block 12 which detects a predefined value ⁇ A O E of the angular position ⁇ of the crankshaft 5. The instant corresponding to this angular position is chosen close to the instant AOE of opening of the valve exhaust 7a of the exhaust device 7 during each cycle of the engine.
  • the predefined values ⁇ A O E generated in the function block 12 at each cycle of the cylinder 1 are correlated in a correlation block 13 with the pressure values P cy ⁇ and temperature T eC h recorded at the corresponding times by the sensors 9 and 10.
  • the correlation block 13 establishes the relationship between the bottom dead center volume V cy ⁇ of the cylinder 1 and the volume defined therein by the piston at the instant of opening of the exhaust valve 7a. .
  • This volume V cvl can be obtained in the correlation block 13, either by a simple analytical calculation, or by means of a map giving the desired value as a function of the angle ⁇ .
  • the correlation block 13 applies the correlated temperature, pressure and volume values with the appropriate angle value ⁇ to a block calculation 14 in which is estimated the value M cy ⁇ of the gas mass sought.
  • the estimate in question is primarily based on the finding that there is a simple correlation between the temperature T cy ⁇ prevailing in the combustion chamber 3 and that T ⁇ C h present in the exhaust system 7 and noted by the sensor 10. This relationship is as follows:
  • ⁇ is a performance factor
  • T ech / ⁇ can be approximated by a polynomial of the form (a + b - T 6011 ) or higher order polynomials. We will see later how we can determine the coefficients a and b of this polynomial and thus the efficiency factor ⁇ .
  • this block estimates the total mass of gases enclosed in the combustion chamber according to the relation:
  • the value T n is determined by applying the relation (1) above so that finally the calculation block 14 implements the relation
  • T cy ⁇ In order to obtain the temperature T cy ⁇ from the measured measurements, a series of values of the mass enclosed in the combustion chamber of the cylinder are then determined for the said operating conditions, and a corresponding series of temperature values are then calculated. T cy ⁇ using formula (2).
  • mass values can also be calculated by means of bench-top filler mapping, the filling being based on inlet manifold pressure and engine speed.
  • M 311 Filling (P neck , N) - p • Cylinder capacity (6)
  • pairs of temperature values are formed, one of the members of each pair being the temperature T ⁇ C h and the other the estimated temperature T cy ⁇ obtained by through the relation (2). These pairs of values make it possible to constitute a basis of comparison between the two temperatures.
  • the invention there is thus a simple estimation method requiring very little computing means and using input values from conventional sensors which in general are already used for the calculation of other control parameters of an internal combustion engine.
  • the desired size is continuously estimated at each cylinder combustion cycle, that is to say both during the stabilized operation and during the transient phases of operation of the engine.

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Abstract

Ce procédé consiste à relever dans le cylindre (1), à un instant du cycle moteur proche de chaque instant d'ouverture de sa soupape d'échappement (7a), d'une part la pression (P<SUB>cyl-?AOE</SUB> ) dans la chambre de combustion et d'autre par la température (T<SUB>ech</SUB>) en aval de la soupape d'échappement (7a). On détermine le volume (V<SUB>cyl-?AOE</SUB>) de la chambre de combustion (3) à l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement, l'estimation est effectuée en appliquant la relation: dans laquelle M<SUB>cyl-?AOE</SUB>valeur de masse des gaz recherchée, r constante des gaz parfaits dans l'air, et à l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement: P<SUB>cyl-?AOE</SUB>pression dans la chambre de combustion V<SUB>cyl-?AOE</SUB> volume de la chambre de combustion T<SUB>?AOE</SUB> température dans la chambre de combustion déduite de la température en aval de la soupape d'échappement divisée par un facteur de rendement.

Description

Procédé d'estimation de la masse des αaz enfermée pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur à combustion interne
La présente invention est relative à l'estimation de la masse des gaz enfermée pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur à combustion interne à allumage commandé ou à allumage par compression.
Ce paramètre doit être connu avec précision pendant les phases de compression et de détente du cycle de fonctionnement d'un moteur à combustion interne pour en permettre la commande de telle manière que les futures normes de pollution puissent pleinement être satisfaites. De plus, il est nécessaire dans ce but de connaître le paramètre tant pendant le fonctionnement stabilisé que pendant les périodes transitoires de fonctionnement. Or, à l'heure actuelle, il n'existe pas de capteur capable de mesurer directement le paramètre en question.
Cependant, il est connu de déterminer la masse des gaz enfermée dans un cylindre de moteur à combustion interne à partir de cartographies dont les entrées sont la pression dans le collecteur d'admission du moteur et le régime de celui-ci. La relevée de telles cartographies est complexe et demande du temps. En outre, ces cartographies ne sont pas précises et ne peuvent tenir compte du fonctionnement transitoire du moteur. Enfin, il n'est possible de tenir compte ni de la dispersion de fabrication des moteurs d'une série, ni de leur vieillissement.
Par le document WO 2005/028 835, il est connu de déterminer la masse contenue dans le cylindre en la rapportant à la masse de la vapeur de combustible injectée à un instant de post injection. Cette méthode est très complexe et demande un effort de calcul très important au calculateur qui commande le fonctionnement du moteur.
La présente invention a pour but de fournir un procédé d'estimation de la masse des gaz introduite dans un cylindre, qui implique des moyens simples de calcul et nécessite l'utilisation de peu de capteurs pour lui fournir les paramètres d'entrée, ces capteurs étant en outre déjà prévus pour élaborer d'autres grandeurs de commande du moteur.
L'invention a donc principalement pour objet un procédé pour estimer la masse des gaz enfermée pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion d'au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne remarquable en ce qu'il consiste: à relever dans ledit cylindre, à un instant du cycle moteur proche de chaque instant d'ouverture de sa soupape d'échappement, d'une part la pression dans ladite chambre de combustion et d'autre par la température en aval de ladite soupape d'échappement, à déterminer le volume de ladite chambre de combustion à l'instant d'ouverture de ladite soupape d'échappement, et - à effectuer l'estimation de ladite masse de gaz en appliquant la relation:
Figure imgf000004_0001
dans laquelle
Mcyl_θ oE valeur de masse des gaz recherchée, r constante des gaz parfaits dans l'air, et à l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement:
Pcyl_θ oE pression dans la chambre de combustion V , fi volume de la chambre de combustion
T0 0AOE 2 temp rérature dans la chambre de combustion déduite de ladite température en aval de la soupape d'échappement divisée par un facteur de rendement.
Grâce à ces caractéristiques, le procédé nécessite, outre un calcul simple, l'utilisation de seulement trois capteurs, la valeur de la masse des gaz enfermée dans la chambre de combustion pouvant néanmoins être estimée avec une très bonne approximation.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé: la valeur du quotient de la température en aval de ladite soupape d'échappement et dudit facteur de rendement est déterminée à partir d'un polynôme de la forme (a+b - T6011), dans lequel les coefficients a et b sont obtenues par la méthode des moindres carrés; la valeur du volume de la chambre de combustion à l'instant de l'ouverture de la soupape d'échappement est déterminée dans une cartographie à partir du volume de point mort bas de ladite chambre de combustion en fonction de l'angle du vilebrequin dudit moteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel: - la figure unique est une illustration symbolique de la mise en œuvre du procédé selon l'invention. En se reportant à cette figure, on reconnaît le schéma d'un cylindre 1 de moteur à combustion interne, celui-ci pouvant être de type essence ou Diesel et comprendre un ou plusieurs cylindres.
Sont également représentés un piston 2 délimitant la chambre de combustion 3, une bielle 4, un vilebrequin 5, un collecteur d'admission des gaz 6 et un dispositif 7 d'échappement des gaz. Le moteur peut éventuellement être suralimenté par un turbocompresseur (non représenté au dessin).
Selon l'exemple de réalisation représenté, au moins l'un des cylindres du moteur est également équipé d'un capteur 8 mesurant en permanence la position angulaire du vilebrequin 5, d'un capteur 9 permettant de mesurer la pression dans la chambre de combustion 3 et d'un capteur 10 mesurant la température dans le dispositif 7 d'échappement des gaz.
A la place de ces capteurs, on peut également prévoir des moyens équivalents capables de fournir ces mêmes paramètres. Les valeurs d'angle θ, de pression Pcyι et de température TeCh relevées respectivement par les capteurs 8, 9 et 10 sont appliquées à un dispositif de calcul 11 qui peut être mis en œuvre par exemple au sein du programme du calculateur de bord du véhicule automobile ou être réalisé sous la forme d'un dispositif de calcul autonome. Le dispositif de calcul 11 comprend un bloc fonctionnel 12 qui détecte une valeur prédéfinie ΘAOE de la position angulaire θ du vilebrequin 5. L'instant correspondant à cette position angulaire est choisi proche de l'instant AOE d'ouverture de la soupape d'échappement 7a du dispositif d'échappement 7 au cours de chaque cycle du moteur. Les valeurs prédéfinies ΘAOE engendrées dans le bloc fonctionnel 12 à chaque cycle du cylindre 1 sont corrélées dans un bloc de corrélation 13 avec les valeurs de pression Pcyι et de température TeCh relevées aux instants correspondants par les capteur 9 et 10. En outre, le bloc de corrélation 13 établit la relation entre le volume de point mort bas Vcyι du cylindre 1 et le volume qui y est délimité par le piston à l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement 7a.
La valeur de ce volume Vcvl „ peut être obtenue dans le bloc de corrélation 13, soit par un simple calcul analytique, soit à l'aide d'une cartographie donnant la valeur recherchée en fonction de l'angle θ. Le bloc de corrélation 13 applique les valeurs de température, de pression et de volume corrélées avec la valeur appropriée de angle θ à un bloc de calcul 14 dans lequel est estimée la valeur Mcyι de la masse de gaz recherchée.
L'estimation en question est en premier lieu basée sur la constatation qu'il existe une corrélation simple entre la température Tcyι régnant dans la 5 chambre de combustion 3 et celle TΘCh présente dans le dispositif d'échappement 7 et relevée par le capteur 10. Cette relation est la suivante:
τech = η-τcyl (1)
10 dans laquelle η est un facteur de rendement.
Le terme Tech/η peut être déterminé par approximation grâce à un polynôme de la forme (a+b - T6011) ou des polynômes d'ordre supérieur. On verra par la suite de quelle façon on peut déterminer les coefficients a et b de ce polynôme et ainsi le facteur de rendement η.
15 Par ailleurs, la loi des gaz parfaits permet d'écrire la relation:
P V = m r T (2)
dans laquelle r est la constante des gaz parfaits dans l'air. 20 En appliquant la relation (2) au problème de l'invention, il vient:
P V ' cyl
1V1cyl - (3) r- T
Cette relation est mise en œuvre dans le bloc de calcul 14 au moment
25 de l'ouverture de la soupape d'échappement 7a. Par conséquent à l'aide des valeurs appliquées à ses entrées, ce bloc estime la masse totale des gaz enfermée dans la chambre de combustion selon la relation:
TVT _ P cyl-θAOE V eyl-θAQE I A \ iV±cyl-θA0E τ V* I
3 0 ΘAOE
Pour effectuer ce calcul, la valeur Tn est déterminée en appliquant la relation (1 ) ci-dessus de sorte qu'en définitive, le bloc de calcul 14 met en œuvre la relation
q c M _ P eyl-θAOE V eyl-θAQE /C \
_ech-θA0E_ η On va maintenant décrire une méthode de détermination des coefficients a et b du polynôme (a+b - Tech).
On utilise à cet effet la relation (2) ci-dessus et on effectue au banc d'essai des mesures sur un moteur type, en le faisant fonctionner à pleine charge avec comme variable le régime du moteur. Dans ces conditions de fonctionnement, on fait alors des mesures de la pression Pcyι dans le cylindre et de la température TΘCh à l'échappement sur une série de points de fonctionnement. Le fait de relever ces mesures à pleine charge dispense de tenir compte des gaz résiduels et d'une éventuelle recirculation des gaz d'échappement.
Pour obtenir la température Tcyι à partir des mesures relevées, on détermine ensuite, pour lesdites conditions de fonctionnement, une série de valeurs de la masse enfermée dans la chambre de combustion du cylindre, puis on calcule une série correspondante de valeurs de la température Tcyι à l'aide de la formule (2).
Les valeurs de cette masse enfermée peuvent être obtenues de plusieurs façons.
Il est tout d'abord possible d'effectuer une modélisation à l'aide d'un logiciel de type "différences finies" pour effectuer un calcul de remplissage d'où la série de valeurs de masse peut ensuite être déduite, l'avantage de la modélisation consistant en le fait que l'on n'a pas besoin d'essais sur banc.
Cette façon d'obtenir les valeurs de masse est donc préférée.
Cependant, on peut également calculer les valeurs de masse à l'aide d'une cartographie de remplissage dressée sur banc d'essai, le remplissage étant établi en fonction de la pression dans le collecteur d'admission et du régime du moteur.
Dans les deux cas, la masse enfermée peut être calculée à l'aide de la relation:
M311 = Remplissage(Pcol ,N)- p • Cylindrée (6)
dans laquelle:
Mair valeur de la masse enfermée à déterminer
Pcoi pression dans le collecteur d'admission N régime du moteur p masse volumique des gaz (environ 1 , 17 kg/ m3
Cylindrée cylindrée unitaire du moteur II est également possible d'obtenir les valeurs de la masse enfermée à partir de la richesse et du temps d'injection. Dans ce cas, on utilise la relation suivante:
M carburant
Richesse = — ^ — (7)
PCO dans laquelle:
Richesse richesse mesurée à l'échappement Mcarburant masse de carburant introduite (mesure de consommation) PCO pouvoir comburivore (environ 14,7)
On forme ainsi pour chacun des points de fonctionnement relevés à pleine charge en fonction du régime des couples de valeurs de température, l'un des membres de chaque couple étant la température TΘCh et l'autre la température estimée Tcyι obtenue par l'intermédiaire de la relation (2). Ces couples de valeurs permettent de constituer une base de comparaison entre les deux températures.
On applique ensuite une méthode des moindres carrés sur cette base de comparaison afin de calculer les coefficients a et b de la relation déjà mentionnée entre les deux températures. Autrement dit, pour obtenir la valeur η, on minimise la différence:
Tcyl - (a+ b - Tech) (7)
II est à noter que même si on part des valeurs de masse enfermée obtenues moyennant le remplissage ou la mesure de richesse, le calcul du facteur η est faite une fois pour toutes et ne nécessite pas un temps considérable sur banc d'essai.
Grâce à l'invention, on dispose ainsi d'un procédé d'estimation simple ne nécessitant que très peu de moyens de calcul et utilisant des valeurs d'entrée provenant de capteurs classiques qui en règle général sont déjà utilisés pour le calcul d'autres paramètres de commande d'un moteur à combustion interne. De plus, la grandeur recherchée est estimée en permanence à chaque cycle de combustion du cylindre c'est-à-dire tant pendant le fonctionnement stabilisé que pendant les phases transitoires de fonctionnement du moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour estimer la masse (Mcyι) des gaz enfermée pendant chaque cycle de fonctionnement dans la chambre de combustion (3) d'au moins un cylindre (1 ) d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il 5 consiste: à relever dans ledit cylindre (1), à un instant du cycle moteur proche de chaque instant d'ouverture de sa soupape d'échappement (7a), d'une part la pression (Pcyi_θA0E ) dans ladite chambre de combustion et d'autre par la température (TeCh) en aval de ladite soupape d'échappement (7a), 10 - à déterminer le volume (Vcyl_θAoE ) de ladite chambre de combustion (3) à l'instant d'ouverture de ladite soupape d'échappement, et à effectuer l'estimation de ladite masse de gaz en appliquant la relation:
Λ c TV/Γ _ P eyl-θAOE - V eyl-θAoE cyl-θA0E „ rp
1 • -Lo
"AOE dans laquelle
M cyi-ΘAOE valeur de masse des gaz recherchée, r constante des gaz parfaits dans l'air, et
20 à l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement:
P T.1- „DAOE p ~ression dans la chambre de combustion
Vcyl_θ oE volume de la chambre de combustion
Tn 0AOE temp ' érature dans la chambre de combustion déduite de ladite température en aval de la soupape d'échappement divisée
25 par un facteur de rendement.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer la valeur du quotient de la température (TeCh) en aval de ladite soupape d'échappement (7a) et dudit facteur de rendement à partir d'un polynôme de la forme (a+b - T6011), dans lequel les coefficients a et b sont
30 obtenues par la méthode des moindres carrés.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur du volume (Vcyl_θAoE ) de la chambre de combustion (3) à l'instant de l'ouverture de la soupape d'échappement est déterminée dans une cartographie à partir du volume (Vcyι) de point mort bas de ladite chambre de
35 combustion en fonction de l'angle du vilebrequin (5) dudit moteur.
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