Procédé d'estimation du couple de pompage moteur

La présente invention concerne un procédé d'estimation du couple de pompage d'un moteur thermique de véhicule automobile, notamment de véhicule équipé d'un moteur Diesel à injection directe contrôlée électroniquement avec un filtre à particules dans la ligne d'échappement et un volet d'admission dans la ligne d'admission.

Le couple de pompage moteur, c'est-à-dire de la perte ramenée au couple moteur (ou couple résistant moteur) dû au travail de pompage du ou des pistons pendant les phases d'admission et d'échappement, fait partie des grandeurs dont la connaissance est nécessaire aux unités électroniques de contrôle de moteur qui déterminent les lois de commande du moteur à partir d'un ensemble de paramètres caractérisant le moteur ainsi que de diverses mesures ou estimation de grandeurs.

La demande de brevet EP 1 347 163 décrit un procédé d'estimation du couple de pompage moteur qui tient compte de la présence d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur. Ce procédé suppose notamment la connaissance de la pression en amont de la turbine, pression qui est usuellement mesurée au moyen d'un capteur. Or un tel capteur n'est pas toujours disponible, ce qui rend inutilisable le procédé d'estimation décrit. Par ailleurs, même en présence d'un tel capteur, il peut se présenter des difficultés ou des incertitudes de mesure de cette pression. Dans ce cas, l'estimation du couple de pompage selon le procédé du document EP 1 347 163 s'avère imprécise ou inexploitable.

Le but de l'invention est de proposer un procédé d'estimation du couple de pompage moteur qui soit utilisable même en l'absence d'une mesure ou d'une estimation de la pression en amont de la turbine et qui tienne compte de la présence de vannages d'admission ou d'échappement tels que filtre à particules ou volet d'admission.

Dans ce but l'invention a pour objet un procédé d'estimation du couple de pompage d'un moteur thermique pour véhicule automobile à injection de carburant contrôlée par un calculateur électronique, remarquable en ce qu'il consiste à déterminer le couple de pompage sous la forme d'un couple relatif de pompage CMI _{bp re} ι représentatif de la contribution au couple de pompage total des vannages d'admission et d'échappement, le couple relatif de pompage CMI _bp _ _re ι étant déterminé par la relation

AV * AP

CML r.el ^bp - ^{rel ~} Aπ dans laquelle δV est cylindrée du moteur et δP _re ι est la différence de pression, somme de δP _éch et de δP _adm , δP _éCh étant une estimation du différentiel de pression d'échappement dû à la présence de vannages d'échappement et δP _a d _m étant une estimation du différentiel de pression d'admission dû à la présence de vannages d'admission.

La différence de pression δP _re ι comprend, d'une part, l'estimation du différentiel de pression côté échappement δP _éch , et d'autre part, l'estimation du différentiel de pression côté admission δP _adm ,. Les différentiels de pression δP _éch et δP _adm correspondent à la contribution des vannages d'échappement, respectivement d'admission, à la différence de pression δP _re ι, et donc à leur contribution respective au couple de pompage relatif. En conséquence, ces différentiels de pression δP _éCh et δP _adm sont nuls en l'absence de vannage d'échappement, respectivement d'admission. La différence de pression δP _re ι ainsi déterminée permet une détermination du couple de pompage relatif du moteur représentatif de la contribution au couple de pompage total des vannages d'admission et d'échappement.

Selon un mode de réalisation particulier, l'estimation de la différence de pression δP _re ι est effectuée à partir de mesures de pression ou de température effectuées dans la ligne l'échappement et dans la ligne d'admission et de plusieurs paramètres tels que débit massique d'air Q _a d'admission, débit de carburant injecté

Q ₀ , régime du moteur N et pression atmosphérique P _atm .

Lorsque la ligne d'échappement du moteur comprend au moins un vannage d'échappement, ledit différentiel de pression d'échappement δP _éch est de préférence déterminé comme le produit d'un coefficient de forme η _éch et de la différence entre la valeur de mesure de la pression P _amf en amont dudit vannage d'échappement et une estimation de la pression d'échappement P _amf _ _v , _de en l'absence dudit vannage d'échappement,

δ* ech ^{= 7} IeCh V amf ^~ "amf _ vide ) ^• De même, lorsque la ligne d'admission du moteur comprend des vannages d'admission, ledit différentiel de pression d'admission δP _adm est de préférence déterminé comme le produit d'un coefficient de forme η _adm et de la différence entre la valeur de mesure de la pression P _sura ι en amont desdits vannages d'admission et une

estimation de la pression d'admission P _Sur ai_sv en l'absence desdits vannages d'admission,

^ ^L ^adm I adm xr sural sural _sv / '

Le procédé selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques avantageuses suivantes :

- ladite différence de pression δP _re ι est filtrée temporellement ; de préférence la constante de temps utilisée pour ce filtrage temporel est fonction du régime du moteur ;

- l'estimation de la pression d'échappement en l'absence dudit vannage d'échappement est déterminée en fonction du débit massique d'air injecté dans la ligne d'admission ;

- l'estimation de la pression d'échappement en l'absence dudit vannage d'échappement est corrigée en fonction de la température mesurée en amont dudit vannage d'échappement ; - l'estimation de la pression d'admission en l'absence desdits vannages d'admission est déterminée en fonction de la quantité totale de carburant injectée et du régime du moteur ;

- l'estimation de la pression d'admission en l'absence desdits vannages d'admission est corrigée en fonction de pression atmosphérique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à travers la description détaillée qui va suivre et se référant aux figures dans lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique un exemple d'une ligne d'admission et d'échappement avec filtre à particules, associée à un moteur Diesel ;

- la figure 2 est une représentation schématique des différents couples résistants s'opposant au couple demandé par le conducteur;

- la figure 3 est un diagramme représentant les variations de la pression dans un cylindre en fonction des variations de son volume ;

- la figure 4 est un schéma général des différentes étapes du procédé d'estimation du couple de pompage relatif selon l'invention, - la figure 5 est un sous-schéma du schéma de la figure 4 correspondant à l'estimation du paramètre δP _re ι.

Sur la figure 1 , illustrant schématiquement un exemple d'une ligne d'admission et d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, doté d'un filtre à particules 8 et d'un circuit 9 de recirculation des gaz d'échappement, est représenté un des cylindres 1 avec piston 2 en communication avec le collecteur 3 d'admission

d'air, ou répartiteur d'admission, qui est généralement doté d'un turbocompresseur dans le cas d'un moteur Diesel, composé d'un compresseur 4 en amont du moteur et d'une turbine 14 en aval dans la ligne d'échappement 10. A ce turbocompresseur est éventuellement associé un circuit 5 de refroidissement d'air de suralimentation, destiné à diminuer la température de l'air devant être admis dans les cylindres. En entrée de chaque cylindre, peut être placé un volet d'admission 6 dit de « swirl », destiné à faire varier la quantité d'air entrant dans le cylindre. Dans la ligne d'échappement 10, après la turbine 14 et avant un filtre à particules 8 est monté un précatalyseur 7. Pour améliorer la dépollution du moteur à injection directe de carburant, contrôlée par un calculateur électronique, on crée un circuit 9 de recirculation d'une partie des gaz d'échappement dans le collecteur d'admission 3, obtenu grâce à une vanne 11 dite d'EGR (de l'anglais « Exhaust Gas Recirculation »). De plus, un volet 12 d'admission est placé en amont du moteur pour diminuer au besoin le débit d'air frais dans le collecteur d'admission 3. Le filtre à particules 8 est destiné à arrêter les suies des gaz brûlés pour respecter les normes anti-pollution, mais peut constituer une contre-pression d'échappement augmentant les pertes moteur et dégradant son rendement.

Les différentes pressions et températures considérées dans le cadre de cette invention sont notées respectivement :

- P _sur ai : pression en amont du collecteur 3,

- P _EGR : pression au point de recirculation situé en sortie de la vanne EGR 11 ,

- P _adm : pression en amont du cylindre 1 et en aval du collecteur 3,

- P _éch : pression en aval du cylindre 1 et en amont du point d'entrée du circuit - 9 de recirculation,

- P _avt : pression en amont de la turbine 14,

- Pamf : pression en amont du filtre à particules 8,

- T _amf : température en amont du filtre à particules 8.

La figure 2 est une représentation schématique des différents facteurs induisant chacun une perte de couple moteur ou un couple résistant moteur. La différence entre une demande prédéterminée de couple du conducteur et le couple moteur effectif en sortie du vilebrequin provient de tous les couples résistants :

- les couples résistants 23 générés par des consommateurs électriques comme les feux de signalisation, les essuie-glaces ...,

- les couples résistants 24 générés par des consommateurs entraînés mécaniquement comme la climatisation ou la pompe d'assistance de la direction,

- le couple résistant 22 généré par la pompe haute pression d'injection du carburant, - le couple moyen de frottement 20 dans le moteur, et

- le couple de pompage CMI _bp 21 du moteur correspondant de manière cumulative au pompage CMI _base dû au travail des pistons du moteur (dénommé ici pompage naturel du moteur ou pompage de base CMI _baS e), au pompage CMI _adm dû aux divers vannages ou autres éléments présents sur la ligne d'admission (dénommé ici pompage d'admission CMI _adm ) et au pompage CMI _ech dû aux divers vannages, filtres ou autres éléments présents sur la ligne d'échappement (dénommé ici pompage d'échappement CMI _éCh ). dont le pompage dû au filtre à particules.

Le couple résistant moteur total 25 est donc la somme de ces couples résistants 20 à 24. Dans la pratique, tous ces couples résistants sont compensés de manière à ce que pour une même demande du conducteur, c'est-à-dire pour une même position de la pédale d'accélérateur, le ressenti soit identique, c'est-à-dire que le couple moteur effectif CME soit identique, quelles que soient les pertes ramenées au couple moteur. Il en résulte, pour un cycle moteur, un couple moyen indiqué en boucle haute pression CMI _hp correspondant à une quantité totale de carburant injectée Q _c . Le couple moteur effectif CME est estimé à partir du couple moyen indiqué en boucle haute pression CMI _hp et des pertes de couples. Cette estimation du couple moteur effectif CME est transmise vers les calculateurs de la boîte de vitesses automatique, du système d'anti-patinage, ou du contrôle de la distance par exemple, qui peuvent corriger en conséquence la demande du conducteur. De la finesse de l'estimation du couple moteur effectif CME dépend la transparence vis-à-vis du conducteur de l'action de ces calculateurs.

La figure 3 représente les variations de la pression P _cy ι dans un cylindre 1 , exprimée en bars sur une échelle logarithmique, en fonction de sa variation de volume interne, exprimé en m ³ , pendant le déplacement du piston, lors des quatre temps moteur. La partie C ₁ de la courbe ou boucle haute pression, située essentiellement au-dessus de la ligne correspond aux phases de combustion et de compression. La partie C ₂ de la courbe ou boucle basse pression, située essentiellement au-dessous de la ligne P _cy ι=Pavt. correspond aux phases d'admission et d'échappement. La surface définie par cette partie C ₂ de la courbe

représente le couple moyen indiqué de pompage en boucle basse pression CMI _bp pour un cycle moteur.

En première approximation grossière, le couple moyen indiqué de pompage CMI _bp est,

AV * AP . .. CMI _bp = η * _4π (1 ) où

δP est la différence de pression entre la pression P _SUra i en entrée du collecteur et la pression en amont de la turbine P _avt dans chaque cylindre,

δV est la cylindrée totale du moteur, déterminée pour les n cylindres du moteur et η = 1 -

Le produit δV ^* δP est ici divisé par 4π correspondant à deux tours moteur et multiplié optionnellement par un facteur d'échelle, fonction des unités avec lesquelles le calculateur électronique travaille ou avec celles utilisées pour les différentes mesures.

Cette première approximation correspond à la surface rectangulaire hachurée de la figure 3. En réalité le couple moyen indiqué de pompage CMI _bp peut être soit plus petit soit plus grand, selon l'allure de la courbe C2 et la surface qu'elle délimite.

On introduit une correction de cette première approximation au moyen d'un facteur de forme en remplaçant η dans la relation (1 ) par un coefficient de forme multiplicatif, généralement différent de 1. Selon la demande de brevet EP 1 347 463, ce coefficient est par exemple fonction de δP, du régime N du moteur et de la pression P _sura ι en entrée du collecteur.

La relation (1 ) donnée plus haut correspond au couple de pompage total ou absolu CMI _bp : il comprend le couple de pompage naturel du moteur CMI _base , le couple de pompage d'admission CMI _adm et le couple de pompage d'échappement CMI _ech :

AV * AP AV * (P , - P ) CMI _hp = CMI _base + CMI _adm + CMI _cch = η * — = η * ^ ^ .

Idéalement, ce sont les pressions P _adm et P _eCh (voir figure 1 ) mesurées au plus proche du cylindre 1 , c'est-à-dire au niveau des soupapes d'admission et d'échappement du cylindre 1 , qui seraient nécessaires pour le calcul du couple de pompage global du moteur. On dispose en général plutôt de la mesure des pressions

" sural Si I _a vt-

Mais en l'absence de capteur pour la mesure de la pression P _avt en amont de la turbine ou lorsque l'obtention d'une mesure fiable et précise de la pression en amont de la turbine est difficile ou impossible, il n'est pas possible de déterminer le couple de pompage naturel du moteur CMI _baSe - Par ailleurs la mesure de la pression d'échappement P _éch peut, elle aussi, ne pas être connue du module de contrôle moteur. L'estimation du couple de pompage total est alors quasiment impossible. Dans de tels cas, au lieu du couple de pompage total, on détermine selon l'invention un couple de pompage relatif CMI _{bp re} ι défini comme suit : CMI _{bp τei} = CMI _bp - CMI _base = CMI _adm + CMI _éch . Par ailleurs, comme le suggère la surface hachurée de la figure 2 représentant l'intersection des éléments 20 et 21 , il est difficile d'estimer le couple résistant dû aux frottements moteur et le couple de pompage sans comptabiliser deux fois le couple de pompage de base, déjà pris en compte dans l'estimation des frottements moteur. L'estimation d'un couple de pompage relatif permet donc de s'affranchir de cette difficulté et s'avère suffisant pour corriger la demande de couple conducteur et obtenir un couple moteur effectif indépendant des pertes dues aux vannages d'admission et d'échappement.

Le procédé d'estimation du couple de pompage selon l'invention est maintenant décrit plus en détail par référence aux figures 4 et 5. La figure 4 est un schéma général des différentes étapes du procédé d'estimation du couple de pompage selon l'invention. On détermine dans une première étape 400 une différence de pression δP _re ι à partir de plusieurs variables e1 à e7 qui sont respectivement :

- e1 : la pression P _amf mesurée en amont du filtre à particules 8, - e2 : le débit massique d'air Q _a mesuré en amont du compresseur 4,

- e3 : la température T _amf mesurée en amont du filtre à particules 8,

- e4 : la pression P _sura ι mesurée en amont du collecteur d'admission 3,

- e5 : le débit de carburant injecté Q _c , sous la forme d'une valeur de consigne délivrée pour un module de commande d'injection, - e6 : le régime du moteur N tel que mesuré,

- e7 : la pression atmosphérique P _atrτi telle que mesurée.

Le mode de calcul de la différence de pression δP _re! à partir des variables e1 à e7 est illustré par la figure 5 est sera décrit plus loin. A partir de cette différence de pression δP _re ι et de la cylindrée δV, est calculé à l'étape 410 le couple de pompage sous la forme d'un couple de pompage relatif CMI _bp _ _re ι selon la relation (1 ) déjà

décrite pour l'estimation du couple de pompage global et dans laquelle le facteur de forme a été mis à 1 :

CMI ^δF * ^

Le facteur de forme η est ici mis à 1 dans la mesure où le facteur de forme est pris en compte dans l'estimation de la différence de pression δP _re ι déterminée à l'étape 400, comme cela sera décrit plus loin.

Enfin, on détermine à l'étape 420 la valeur corrigée du couple de pompage relatif CM! _{bp re} ι_ _Cor en limitant la valeur du couple de pompage relatif CMI _bp _ _re ι entre une valeur minimale de couple de pompage relatif C _mιn et une valeur maximale de couple de pompage relatif C _max .

Le procédé d'estimation de la différence de pression δP _re ι est maintenant décrit par référence à la figure 5.

A l'étape 510 est déterminée, en fonction du débit massique d'air Q _a mesuré en amont du compresseur 4 et au moyen d'une table à une dimension T1 , une estimation de la pression P _amf _ _vlde présente en amont du filtre à particule lorsque celui- ci est vide. Il s'agit en fait d'une estimation de la pression P _éch qui régnerait au point de mesure de la pression P _amf avec un filtre à particules vide. Optionnellement, la valeur P _amf _ _vιde ainsi déterminée, est corrigée en fonction de la température en multipliant à l'étape 511 la valeur P _amf _vιde obtenue à l'étape 510 par un coefficient de correction λ _amf . Ce coefficient de correction est déterminé à l'étape 520, en fonction de la température T _amf mesurée en amont du filtre à particules et au moyen d'une table à une dimension T2. On effectue ensuite à l'étape 512 la différence entre la pression P _amf mesurée en amont du filtre à particules et la pression déterminée à l'étape 510 ou 511 pour obtenir une différence de pression δP _amf représentative de la contribution du filtre à particules sur la différence de pression δP _re ι . Cette différence de pression δP _amf est de préférence corrigée à l'étape 531 par un coefficient de forme multiplicatif η _ech , lui-même déterminé à l'étape 530 en fonction de la différence de pression δP _amf et au moyen d'une table à une dimension T3. On obtient suite à l'étape 531 une différence de pression d'échappement δP _éch ou différentiel de pression d'échappement dû à la présence des vannages d'échappement, en l'occurrence dans cet exemple de réalisation, dû au filtre à particules.

Parallèlement aux étapes 510 à 531 de détermination d'un différentiel de pression d'échappement δP _ech et indépendamment de ces étapes, on détermine aux étapes 540 à 551 un différentiel de pression d'admission δP _adm .

On détermine ainsi à l'étape 540 une estimation de la pression de suralimentation en l'absence de vannage d'admission P _Sura i_sv à partir du débit de carburant injecté Q _c dans chaque cylindre, du régime du moteur N et au moyen d'une table à deux dimensions T4. Il s'agit en fait une estimation de la pression P _adm qui régnerait à l'entrée du cylindre 1 en l'absence (ou, ce qui revient au même, en cas d'ouverture complète) des vannages d'admission que sont le volet d'admission 12, la vanne EGR 11 et le volet de swirl 6. La pression de suralimentation en l'absence de vannage d'admission P _S ur _a i_ _s v est de préférence corrigée à l'étape 541 par la différence effectuée à l'étape 542 entre la pression atmosphérique courante et une pression atmosphérique de référence P _a t _m _ _r e _f pour laquelle la table T4 a été déterminée. On effectue ensuite à l'étape 543 la différence entre la pression P _sura ι et la pression déterminée à l'étape 540 ou 541 pour obtenir une différence de pression δP _sura i représentative de la contribution des vannages d'admission sur la différence de pression δP _re ι. Cette différence de pression δP _SUr ai est de préférence corrigée à l'étape 551 par un coefficient de forme multiplicatif η _adm , lui-même déterminé à l'étape 550 à partir de la différence de pression δP _sura ι et au moyen d'une table à une dimension T5. On obtient suite à l'étape 551 une différence de pression d'admission δP _adm ou différentiel de pression d'admission dû à la présence des vannages d'admission. A partir du différentiel de pression d'échappement δP _eCh et du différentiel de pression d'admission δP _adm , on détermine à l'étape 532 une différence de pression instantanée δP _re i _jns t en effectuant la somme du différentiel de pression d'échappement δP _eCh et du différentiel de pression d'admission δP _adm . Cette différence de pression instantanée δP _re ι_ _ιnst est de préférence filtrée à l'étape 570 au moyen d'un filtre temporel pour générer la différence de pression δP _re ι qui sera utilisée à l'étape 410 pour la détermination du couple de pompage moteur relatif. Le filtre temporel utilisé à l'étape 570 est par exemple un filtre du premier ordre, dont la constante de temps τ est déterminée à l'étape 560 en fonction du régime du moteur N. Cette détermination s'effectue de préférence au moyen d'une table à une dimension T6. De préférence la constante de temps sera d'autant plus élevée que le régime du moteur sera bas.

Les différentes tables T1 à T6 utilisées dans la réalisation du procédé selon l'invention sont issues de mesures effectuées sur banc d'essai et utilisant des capteurs supplémentaires par rapport à ceux présents dans les véhicules fabriqués en série. En utilisant des capteurs supplémentaires, on peut constituer chaque table

en y consignant, pour un nombre donné de valeurs de la ou des variables d'entrées de cette table, la valeur de mesure obtenue chaque fois pour la variable de sortie de cette table. La constitution préalable de ces tables, qui donc modélisent les relations entre leurs paramètres d'entrée et de sortie respectifs, et leur utilisation ultérieure dans les véhicules fabriqués en série en remplacement des capteurs supplémentaires, permet donc de faire l'économie de ces capteurs supplémentaires et d'éviter des modélisations ou des calculs fastidieux sur ces véhicules.

La constitution des tables T3 et T5 générant un facteur de forme nécessite en outre une détermination par calcul du facteur de forme à partir d'une courbe obtenue par mesure. Cette courbe de mesure est par exemple sous la forme illustrée à la figure 3 montrant la courbe de variation de la pression P _cy ι dans le cylindre en fonction du volume V. Le facteur de forme est déduit, dans le cas par exemple de la détermination du facteur de forme η correspondant à la relation (1 ), en calculant la valeur de η à partir de la relation (1 ) dans laquelle ont été injectées la valeur de CMI _bp déterminée par calcul comme étant la surface de la courbe C2, ainsi que la valeur de mesure obtenue pour δP et la valeur connue de δV. Cet exemple de détermination se transpose aisément aux tables T3 et T5 en déterminant par mesure la courbe d'évolution de la pression dans les différents points concernés de la ligne d'échappement et d'admission.