PROCéDé DE CONTRôLE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR DIESEL

La présente invention concerne le domaine du contrôle moteur et plus particulièrement le contrôle de combustion d'un moteur diesel.

Le fonctionnement du moteur diesel est basé sur l'auto inflammation d'un mélange d'air, de gaz brûlés et de carburant. Le cycle du moteur se décompose en plusieurs phases (figure 1) :

- Lors de l'admission (ADM), la soupape d'admission (S _A DM) laisse entrer dans la chambre (CHE) le mélange d'air et de gaz brûlés. L'air est prélevé dans l'environnement extérieur du moteur. Les gaz brûlés sont prélevés dans la tubulure d'échappement (ECH) et ramené vers la tubulure d'admission (re-circulation de gaz brûlés EGR). Ce mélange gazeux rempli la chambre de combustion (CHB) et se mélange avec les gaz brûlés restés dans la chambre depuis la précédente combustion (EGR interne).

- La soupape d'admission se ferme (IVC : intake valve closing). Le piston (PIS) comprime les gaz.

- L'injecteur de carburant (INJ) injecte une masse précise de carburant. Après un bref délai d'auto inflammation, le mélange air, gaz brûlés, carburant s'enflamme créant ainsi une surpression qui repousse le piston.

- Une fois le piston redescendu, la soupape d'échappement (SE _CH ) s'ouvre, le mélange gazeux est alors évacué par la tubulure d'échappement. Après la fermeture de la soupape d'échappement, il reste une partie des gaz dans le cylindre (EGR interne). Les gaz évacués par

la tubulure d'échappement sont divisés en deux. Une partie re-circule vers l'admission (EGR) tandis que le reste est évacué hors du moteur (via l'échappement).

Le but du contrôle moteur est de garantir au conducteur le couple qu'il demande tout en minimisant le bruit et les émissions de polluants. H faut donc régler aussi finement que possible le pilotage des quantités des différents gaz et du carburant.

état de la technique

Pour réaliser un contrôle de début de combustion d'un moteur diesel, on connaît des méthodes permettant de déterminer le milieu de combustion à l'aide de capteurs montés sur le moteur. Le plus précis étant d'utiliser un capteur de pression. Une telle méthode est décrite par exemple dans le document suivant :

J. Bengtsson, P. Strandh, R. Johansson, P. Tunestal and B. Johansson, "Control of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine Dynamics", Proceeding of the 2004 American Control Conférence, Boston, June 30 - JuIy 2, 2004

Cependant l'utilisation de tels capteurs sur des véhicules de série n'est pas envisageable du fait du coût très important de tels capteurs. De plus, ces capteurs sont généralement sujet à des dérives relativement rapides.

On connaît également des méthodes dans lesquelles les quantités et les phasages sont optimisés sur chaque point de fonctionnement statique (régime et couple) de manière à dégager une stratégie idéale à chaque point. On utilise donc un calibrage sur banc moteur pour dégager les valeurs optimales des deux jeux de données principaux :

- les masses d'air M _air et de gaz brûlés M _gb nécessaire dans la chambre de combustion, qu'on représentera parX _air = (M _ajr ,M _gb ) .

- La masse de carburant M _f ainsi que l'angle vilebrequin θ _f auquel le carburant est injecté, qu'on représentera par X ^ ₁ = (M _f ,θ _f ) .

Cependant ces stratégies se révèlent insuffisantes dans les phases transitoires. En effet, lors des phases de transition d'un point de fonctionnement à un autre (changement de vitesse du véhicule ou du profil de la route), le contrôle moteur supervise les différents actionneurs

présents dans le moteur pour garantir le couple désiré tout en minimisant le bruit, les émissions de polluants et la consommation. Cela se traduit donc par le passage des valeurs des paramètres du point initial aux valeurs des paramètres du point final: y initial . -y final f \

^λ air ^{→ λ} air W

Or, il existe dans le moteur deux échelles de temps. La plus rapide (50 Hz) correspond à l'ensemble du phénomène de combustion (1 cycle moteur). A cette échelle, on est capable de changer la stratégie de l'injection (X _&el ) pour piloter la combustion. C'est la boucle de fuel.

(Cf. (ό)). La plus lente (1 Hz) correspond à la dynamique des gaz dans les tubulures du moteur (admission, échappement, re-circulation de gaz brûlés). On ne peut changer plus vite la stratégie de cette boucle d'air (X _air ). (Cf. (a))

Avec les méthodes actuelles, les variables pilotées n'arrivent donc pas en même temps à leurs valeurs de consigne à cause de cette différence de dynamique. Une partie des paramètres atteignant presque instantanément sa valeur de consigne finale alors que l'autre partie est encore aux valeurs de consigne initiale, le moteur produit alors plus de polluants ou de bruit, et peut même dans certain cas s'éteindre.

L'objet de l'invention concerne donc un procédé pour assurer le contrôle de début de combustion d'un moteur diesel en phase transitoire.

Le procédé y parvient en contrôlant ces deux boucles dynamiques de manière séparée : piloter la boucle la plus lente (boucle d'air) de manière indépendante, et adapter la dynamique de la boucle rapide (boucle de fuel) de manière à être cohérent avec la boucle la plus lente.

Un autre objet de l'invention concerne un moteur diesel apte à appliquer le procédé selon l'invention.

Le procédé selon l'invention

L'invention concerne un procédé de contrôle de combustion d'un moteur diesel, dans lequel :

- on détermine des valeurs de consigne de paramètres physiques liés à l'admission de nref comburant gazeux dans une chambre de combustion, ainsi qu'une valeur de consigne ^inj' d'un angle vilebrequin auquel un carburant doit être injecté dans la chambre de combustion, lesdites valeurs de consigne étant déterminées de façon à optimiser la combustion,

- un système de contrôle moteur pilote des actionneurs de façon à ce que les valeurs desdits paramètres physiques soient égales auxdites valeurs de consigne.

Le procédé comporte également les étapes suivantes :

- on corrige la valeur de consigne θ.f avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, en tenant compte des différences entre des valeurs réelles desdits paramètres physiques et lesdites valeurs de consignes de ces paramètres physiques, et

- ledit système de contrôle moteur pilote une injection de carburant dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à ladite valeur corrigée de consigne θ™f afin de conserver la combustion optimale.

Selon l'invention, on peut déterminer la correction dθ _laJ en appliquant les étapes suivantes :

- on estime lesdites valeurs réelles desdits paramètres physiques ;

- on calcule lesdites différences dP, dT et dX entre lesdites valeurs réelles et lesdites valeurs de consignes ;

- on calcule des coefficients de linéarisation a _p ,a _τ et a _x définis par une linéarisation de l'intégrale de Knock au premier ordre ;

- on calcule la correction dθ _inj en appliquant la formule suivante :

dθ _inJ = a _P JP + a _τ AT + a _x .dX

Les paramètres physiques peuvent être choisis parmi au moins les paramètres suivants au moment de la fermeture soupape : pression dans la chambre de combustion (P,y _C ), température dans la chambre de combustion (T _IVC ), et rapport (X _JVC ) entre une masse de gaz brûlés et une masse de gaz totale dans la chambre de combustion.

Les valeurs de consignes peuvent être classiquement déterminées à l'aide d'une cartographie de consigne établie sur banc moteur.

Enfin, l'invention concerne également un moteur diesel comprenant au moins une chambre de combustion, un système d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux, un système de contrôle moteur apte à piloter des actionneurs, des moyens pour déterminer des valeurs de consigne (P ^ref ,T ^ref ,X ^r< * ) à appliquer à des paramètres physiques liés à l'admission du comburant gazeux dans la chambre de combustion et une valeur de consigne θ-f d'un angle vilebrequin auquel un carburant doit être injecté dans la chambre de combustion.

Ce moteur comporte également des moyens pour corriger la valeur de consigne θ™f avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, en tenant compte d'une différence entre des valeurs réelles desdits paramètres physiques et lesdites valeurs de consignes de ces paramètres physiques {P ^ref ,T ^ref ,X ^ref ), et en ce que ledit système de contrôle moteur est apte à piloter ledit système d'injection de façon à injecter du carburant dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à ladite valeur corrigée de consigne θ™f afin de conserver la combustion optimale.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du moteur selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

Présentation succincte des figures

- la figure 1 montre les différentes phases d'un cycle de combustion d'un moteur diesel.

- la figure 2 illustre un schéma de calcul de la correction dθ _inJ de l'angle d'injection du carburant.

Description détaillée du procédé

Le procédé selon l'invention permet de contrôler la combustion d'un moteur diesel, en phase statique comme en phase transitoire. Il comporte un contrôle séparé et indépendant de la boucle d'air (boucle lente) et de la boucle de fuel (boucle rapide), puis une adaptation de la dynamique de la boucle de fuel de manière à être cohérent avec la boucle d'air. Le procédé permet ainsi une adaptation de X _foel pour conserver les caractéristiques de la combustion demandée (à travers la demande de couple du conducteur). On limite ainsi l'impact sur les émissions de polluants et de bruit tout en garantissant au conducteur le couple demandé.

Selon ce procédé, le contrôle de la combustion d'un moteur diesel s'effectue en quatre étapes :

1- Détermination de valeurs de consigne pour différents paramètres physiques.

Lors des phases de transition d'un point de fonctionnement à un autre (changement de vitesse du véhicule ou du profil de la route), le contrôle moteur supervise les différents actionneurs présents dans le moteur pour garantir le couple désiré tout en minimisant le bruit, les émissions de polluants et la consommation. Cela se traduit donc par le passage des valeurs des paramètres X _α ,> et X _jue i d'un point initial aux valeurs des paramètres d'un point final:

xT → X??' («)

Les valeurs finales sont définies de façon à optimiser la combustion, c'est-à-dire à brûler le maximum de carburant de façon à minimiser les émissions de polluants et la consommation tout en minimisant le bruit. Ces valeurs finales optimisant la combustion sont appelées valeurs de consigne. Le contrôle moteur est chargé de faire respecter ses valeurs consignes.

Les paramètres physiques importants à réguler pour la boucle d'air, et qui permettent de définir une valeur de consigne pour X _air sont les suivants :

P _jyC : la pression dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape. Elle est fonction de l'angle vilebrequin θ .

T _IVC : la température dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape. Elle est fonction de l'angle vilebrequin θ .

X _IVC : le rapport entre la masse de gaz brûlés et la masse de gaz totale dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape (paramètre entre 0 et 1). Il est fonction de l'angle vilebrequin θ .

Les valeurs de ces trois paramètres sont déterminées en continue. Pour ce faire, nous supposons que la composition (X) et la pression (JP) sont les mêmes dans le cylindre et dans le collecteur d'admission où nous avons une mesure. Nous estimons T _IVC par la loi des gaz

P V parfait T _wc = où R est la constante des gaz parfait (R=287) et M _Ivc est la masse

aspirée par le cylindre qui est mesurée par un débitmètre. Pour ces trois paramètres physiques liés à l'admission de comburant gazeux dans la chambre de combustion du moteur, les valeurs de consigne sont respectivement notées : P ^ref ,T ^ref et X ^ref .

Ces valeurs de consignes sont obtenues à partir d'une cartographie de consigne établie sur banc moteur : les valeurs de consigne de ces paramètres sont données par le point optimal cartographie au banc moteur (valeur que ces paramètres doivent atteindre). Ces valeurs de consigne sont déterminées de façon à optimiser la combustion.

Selon l'invention, le paramètre de la stratégie de fuel important pour adapter la boucle de fuel est l'angle vilebrequin, noté θ _jnj , pour lequel du carburant est injecté. On note θ.f sa valeur de consigne. Cette valeur est également donnée par le point optimal cartographie au banc moteur. Elle correspond aux valeurs de consigne P ^ref ,T ^ref et X ^ref .

2- Contrôle de la boucle d'air (boucle lente).

Une fois déterminées les valeurs de consigne P ^ref ,T ^ref et X ^ref , un système de contrôle moteur pilote des actionneurs de façon à ce que les valeurs des paramètres physiques Pwc, Tivc et Xivc soient égales à ces valeurs de consigne ( P ^ref , T ^ref ,X ^ref ).

Idéalement, les trois paramètres Pwc, Twc et Xivc atteignent instantanément leurs valeurs de consigne P ^ref ,T ^ref et X ^ref . En réalité, la lenteur de la boucle d'air fait qu'il existe une erreur sur ces paramètres entre la consigne et leur valeur réelle pendant toute la phase de

transition. On adapte donc la boucle de fuel aux erreurs des ces paramètres. Pour ce faire on adapte la valeur de consigne θ™f de l'angle d'injection.

3- Correction de la valeur de consigne de l'angle d'injection θ m"j{ .

Pour adapter la valeur de consigne θ- f de l'angle d'injection, avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, on prend en compte, au moment de la fermeture des soupapes, les différences entre les valeurs réelles (Pivc, Twc et Xwc ) de ces paramètres et les valeurs de consigne (P ^ref ,T ^ref ,X ^ref ) de ces paramètres. On utilise les notations suivantes : dP = P _wc - P _ref , dT = TI _IVC - T _ref et dX = X _n ^ - X _ref .

On cherche donc un nouvel angle d'injection θ°° ^r - θff + dθ _inj pour que l'angle de début de combustion θ _soc soit le même. Cet angle est défini par P ^ref ,T ^ref et X ^ref . On cherche donc dθ _inJ tel que :

- si il n'y a pas d'erreur, c'est-à-dire si tous les paramètres ont atteint leur valeur de consigne, (dP, dT, dX) = (0,0,0) , on est exactement dans la situation du point de fonctionnement, on a donc dθ _inJ = 0.

- si les paramètres n'ont pas atteint leur valeur de consigne, (dP,dT,dX) ≠ (0,0,0) , on introduit une correction angulaire dθ _inj ≠ 0 pour avoir le même angle de début de combustion θ _soc .

On réalise alors une modélisation du système de combustion. Pour ce faire on se base dans un premier temps sur le modèle de « l'intégrale de Knock ». Ce modèle est décrit dans le document suivant :

K. Swan, M.Shahbakhti and CR. Koch, "Predicting Start of Combustion Using a modified Knock Intégral Method for an HCCI Engine", in Proc. Of SAE Conférence, 2006.

Selon ce modèle, le début de la combustion ne se fait pas immédiatement après l'injection de fuel. Il y a un délai d'auto inflammation qui se modélise sous la forme de l'intégrale de

Knock. Celui-ci permet, à partir des valeurs des paramètres P, T, X QX. θ _inj , de déterminer l'angle de début de combustion θ _soc :

Avec :

P : la pression dans la chambre de combustion, fonction de l'angle vilebrequin θ .

T : la température dans la chambre de combustion, fonction de l'angle vilebrequin θ .

X : le rapport entre la masse de gaz brûlés et la masse de gaz totale dans la chambre de combustion (paramètre entre 0 et 1). Il est fonction de l'angle vilebrequin θ .

A,C _λ ,C ₂ ,n et T _A , des paramètres physiques fixes à calibrer.

Puis, on considère qu'avant le début de la combustion, le mélange de gaz est en compression adiabatique. On peut donc ramener facilement la connaissance de P(θ) , T(β) à celle de P _IVC , T _wc et du volume de la chambre V(θ) , celui-ci étant parfaitement connu. De plus, le taux de gaz brûlés n'évolue pas tout au long de la phase de compression sans combustion X(β) = X _wc . On peut donc ramener l'intégrale de Knock à l'intégrale suivante :

L f(Pivc ' ^T ivc ' ^X ivc ,θ) dθ = \

Avec /une fonction entièrement connue est définie en annexe.

Enfin, par une linéarisation de l'intégrale de Knock au premier ordre, on exprime la correction dθ _inj à apporter (on fait alors l'hypothèse de petites perturbations suivantes : dθ _inj -« θ _inj , dP « P _ref , dT -^ T _ref et dX << X _ref ) :

dθ _inj = a _p λP + a _τ .dT + Ct _x .dX

Les coefficients de linéarisation a _p ,a _τ et a _x représentent les influences respectives des trois erreurs dP, dT et dX sur la correction à apporter à θ _inj pour conserver le même angle de début de combustion. Leurs expressions sont données en annexe.

Pour calibrer les paramètres du modèle (A, Cj, C ₂ , n et T _A ), on réalise des expériences sur banc d'essais moteur. Au cours de ces expériences, on détermine le début de combustion calculé à partir des données de consigne issues de cartographie. Puis on estime le début de combustion à l'aide du modèle choisi. On fait alors varier les paramètres A, Cj, C ₂ , n et T _A de façon à obtenir une bonne corrélation entre le début de combustion calculé sur les données de consigne et celle estimée par le modèle.

Un exemple de jeu de paramètre issu d'une telle calibration est donné dans le tableau suivant :

La figure 2 illustre un schéma du calcul de la correction dθ _inJ de l'angle d'injection du carburant. Après avoir estimé (EST- ACT) les valeurs réelles de Pwc, Twc et Xwc, déterminé (DET-CONS) les valeurs de consignes p ^ref J ^ref , X ^ref et θ* , on calcule les différences

(CAL-DIF) dP, dT et dX. Ensuite, on calcule les coefficients de linéarisation (CAL-COEF) a _p , a _τ et a _x . Enfin, en accord avec le modèle de combustion choisie (intégrale de Knock sous hypothèses), on calcule la correction (CAL-COR) dθ _inj :

dθ _inj = a _p .dP + a _τ .dT + a _x .dX

4- Adaptation de la boucle de fuel (boucle rapide).

Le système de contrôle moteur pilote le système d'injection du carburant dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à la valeur corrigée de consigne θ3 ^r afin de conserver la combustion optimale.

En appliquant la correction précédente sur l'angle d'injection, on peut alors assurer que l'angle de début de la combustion reste constant. Petit à petit, la boucle d'air amène les erreurs dP, dT et dX vers zéro, la correction va donc disparaître dans les phases statiques stabilisées.

Un intérêt du procédé est de relier directement les erreurs de la boucle d'air avec la correction à appliquer sur la commande de fuel via des coefficients (a _p ,a _τ ,cc _x ) qui sont entièrement calculables car tout est parfaitement connu (fonction/ , valeurs de consigne

Le procédé selon l'invention peut être utilisé dans des véhicules diesel. Ainsi, un autre objet de l'invention concerne un moteur diesel apte à appliquer le procédé. Ce moteur diesel comprend au moins une chambre de combustion, un système d'injection de carburant dans la chambre de combustion, au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux, un système de contrôle moteur apte à piloter des actionneurs. Le moteur comporte également des moyens pour déterminer des valeurs de consigne (P ^ref ,T ^ref ,X ^ref ) à appliquer à des paramètres physiques liés à l'admission du comburant gazeux dans la chambre de combustion et une valeur de consigne θ ^r ? d'un angle vilebrequin auquel un carburant doit être injecté dans la chambre de combustion.

Enfin, selon l'invention, ce moteur comporte des moyens, tels qu'un calculateur pour corriger la valeur de consigne θ[f ^* avant que les paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, en tenant compte d'une différence entre des valeurs réelles des paramètres physiques et les valeurs de consignes de ces paramètres physiques ( P ^ref , T ^ref , X ^ref ). Le moteur comporte également un système de contrôle moteur apte à piloter le système d'injection de façon à injecter du carburant dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à la valeur corrigée de consigne θ%. afin de conserver la combustion optimale.

ANNEXE

Expression de la fonction f

La fonction / intervient dans l'intégrale de Knock, lorsque l'on fait les hypothèses suivantes :

- avant le début de la combustion, le mélange de gaz est parfait et en compression adiabatique :

P(θ).V(θ) ^γ = este => P(θ) = P _IVC .v ^r (θ)

T(θ).V{θ) ^r - ^χ = este => T(θ) = T _IVC y ^7'1 (θ)

Avec : γ v(θ) = — — : fonction du volume entièrement connue. V(θ)

V _irc : le volume de la chambre à la fermeture des soupapes.

V(θ) : le volume de la chambre en fonction de l'angle du vilebrequin.

/(X) : paramètre de compression adiabatique. Il dépend notamment de la composition chimique X .

- le taux de gaz brûlés n'évolue pas tout au long de la phase de compression sans combustion :

X(θ) = X _I¥C

Ainsi, on obtient l'intégrale de Knock suivante :

Soit, l'équation générale suivante :

dθ = \ avec :

Expression des coefficients de linéarisation (a _p ,a _τ , a _x )

On a : dθ _!nJ = a _p λP + a _τ λT + a _x JX

Les paramètres a _p ,a _τ et a _x représentent les influences respectives des trois erreurs dP, dT et dX sur la correction à apporter à θ _inj pour conserver le même angle de début de combustion. Leurs expressions sont les suivantes :