A COMBUSTION INTERNE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

L’invention se rapporte au domaine des transports et plus particulièrement aux applications comportant un moyen d’injection directe par injecteur air-essence dans un moteur, notamment dans un moteur deux- temps. Elle trouve une application avantageuse sous la forme d’un procédé de commande d’un injecteur air-essence d’un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile équipé d’un tel dispositif de motorisation.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les moteurs essence deux-temps traditionnels, plus connus sur les motocycles et les bateaux, avaient pour inconvénient leur rendement, leur consommation d’huile et leurs émissions polluantes. En effet, le deux-temps traditionnel fonctionne mal à faible charge à cause d'un balayage insuffisant des gaz brûlés présents dans le cylindre. Il s'ensuit que la combustion ne se fait "proprement" qu'une fois tous les 2 à 4 tours moteurs, soit après plusieurs cycles de balayage, ce qui génère de grandes quantités de gaz imbrûlés sous forme de CO et de HC. En effet, lors de l’admission par clapets ou non, il entre dans le moteur un mélange carburé par le carburateur, c’est à dire de l’air et des vapeurs de carburant. Ce mélange est d’abord stocké dans le carter-pompe puis pré-comprimé sous le piston et donc chassé vers la chambre de combustion via les transferts. Là, il est d’abord utilisé pour évacuer les gaz brûlés. Or pour que le balayage soit efficace et complet, il faut le prolonger jusqu’à ce que le mélange frais (air + carburant) commence à sortir de l’échappement. Ce phénomène appelé court-circuit, caractérise le mélange qui sort par l’échappement surtout hors des régimes d’accord du pot de détente. De fait, ce mélange carburé manque pour la puissance moteur, ce qui explique aussi les calages à bas régime de ce moteur, et pollue inutilement. De nombreuses évolutions ont alors eu lieu, on peut notamment citer la solution par autoallumage par compression, aussi appelée en anglais « Homogeneous Charge Compression Ignition » (HCCI), qui permit des gains significatifs en consommation grâce au fonctionnement en mélange pauvre, diminuant ainsi la pollution. D’autre part, des solutions dépourvues d’un carter pompe ont été développées pour s’affranchir du mélange huile-essence. L’air est distribué via les lumières d’admission à l’aide de compresseur, principalement mécanique. Puis les lois de commandes traditionnelles ont aussi été modifiées pour exploiter le fort taux de Gaz Brûlés Résiduels (GBR), lié au balayage insuffisant de la chambre de combustion du moteur deux- temps, pour initier la combustion par auto-inflammation. Or, le fait de travailler en mélange pauvre exige une bonne préparation du mélange. De plus l’injection directe essence assistée par air est une technologie d’injecteur qui exige une maîtrise fine des quantités injectées en fonction de la contre- pression dans la chambre de combustion, ceci notamment pour un fonctionnement du moteur en mélange pauvre, car le risque associé est la surconsommation. En effet, ces injecteurs assistés à air sont pilotés en tension d’une bobine pour contrôler le dosage dynamique du carburant, or ce pilotage présente l’inconvénient, lié au phénomène électromagnétique, de générer des temps morts (retard d’injection par rapport à une consigne) qui augmentent avec la réduction de la durée d’injection, ce qui occasionne une erreur sur la quantité injectée et se traduit par une surconsommation, notamment à bas régime. De plus, des retards d’injection du carburant sont aussi générés par les conditions de pression régnant dans le cylindre lors de la compression, particulièrement dans le cas d’un moteur deux-temps avec injecteur assisté à air. Une solution connue est d’utiliser des gains ou des décalages linéaires mais cela n’est pas suffisant pour maîtriser l’injection du mélange dans des conditions réelles d’utilisation puisque et conduit à des surconsommations de carburant, pouvant aller jusqu’à 220% de surconsommation, des émissions accrues de polluants, particulièrement au ralenti où la consigne de temps est très courte. On connaît aussi le document US20070250255 qui recourt aux capteurs d’injection positionnés directement dans la chambre de combustion pour recaler les temps d’injection d’un moteur quatre-temps à injection directe afin de réduire la consommation, la pollution et le bruit. Cette solution d’une part est chère, moins robuste en terme de durabilité et d’autre part ne s’applique pas en l’état aux moteurs deux-temps avec injection air-essence. RESUME DE L’INVENTION

Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un procédé de commande d’injecteur air-essence d’un moteur, notamment deux-temps, ainsi qu’un module de gestion afférent et un moteur, notamment deux-temps, à injection air-essence comprenant ledit module de gestion.

A cette fin, l'invention propose un procédé de commande d’un injecteur air- essence dans une chambre de combustion d’un moteur, notamment deux- temps, ledit procédé comprenant :

- une étape de calcul d’au moins une consigne de commande de l’injection d’essence par ledit injecteur,

- une étape de calcul d’au moins une consigne de commande de l’injection d’air par ledit injecteur, - une étape de calcul d’au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air par ledit injecteur,

Ladite étape de calcul de consigne consolidée de commande de l’injection d’air étant caractérisée en ce qu’elle comporte

- une sous-étape d’estimation d’une pression de compression dans la chambre de combustion,

- une sous-étape de calcul de termes correctifs des temps morts à l’ouverture et/ou à la fermeture dudit injecteur en air en fonction d’au moins une consigne de commande de l’injection d’air par ledit injecteur,

- une sous-étape de calcul de ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air en fonction de ladite au moins une consigne de commande de l’injection d’air et de la sortie de ladite sous-étape de calcul de termes correctifs des temps morts et de la sortie de ladite sous-étape d’estimation de la pression de compression dans la chambre de combustion.

Grâce à l'invention, le dosage du mélange est maîtrisé en fonction de la charge et du régime moteur, ce qui permet une baisse de la consommation de carburant, et ce sans disposer de capteur de pression dans la chambre de combustion.

Selon une caractéristique avantageuse, ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air est la consigne consolidée de durée d’injection d’air et/ou la consigne consolidée d’angle de début d’injection d’air. Cette caractéristique permet de calculer les consignes corrigées aussi bien pour l’ouverture que pour la fermeture de l’injection d’air.

Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite au moins une consigne de commande de l’injection d’air est saturée par ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air. Cette caractéristique permet de manière simple de ne pas surévaluer les consignes consolidées de commande de l’injection d’air et de fait permet de diminuer la consommation de carburant par le juste dosage du mélange. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite sous-étape d’estimation de la pression de compression utilise en entrée:

- le résultat d’une étape de mesure de pression plénum par un capteur situé dans un plénum en aval d’un compresseur basse pression et en amont de la chambre de combustion et

- la consigne d’angle de début d’injection d’air.

L’avantage de cette caractéristique est de ne pas utiliser de capteur de pression situé dans la chambre de combustion.

Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite estimation de la pression de compression est basée sur une hypothèse de compression polytropique selon laquelle la pression de compression estimée est fonction de la pression plénum mesurée, d’un volume instantané de la chambre de combustion calculé fonction de ladite consigne d’angle de début d’injection d’air, et d’un coefficient polytropique, ce qui permet d’estimer avec précision la pression dans la chambre de combustion en fonction des conditions réelles actuelles.

Selon une caractéristique avantageuse, ledit coefficient polytropique est déterminé lors d’une étape séparée de recalage sur un moteur comprenant un capteur de pression dans la chambre de combustion. Cette caractéristique permet d’obtenir un estimateur simple et robuste de la pression de combustion.

Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé comporte une sous- étape de calcul des retards liés à la contre-pression qui intervient dans le calcul de ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air et dont les entrées sont :

- le résultat de ladite sous-étape d’estimation de la pression de compression et ;

- le résultat d’une étape de mesure d’air haute-pression par un capteur situé en aval d’un compresseur haute-pression. Cette caractéristique permet de prendre en considération la contre-pression au nez de l’injecteur. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite sous-étape de calcul des retards liés à la contre-pression comporte au moins une table ou au moins une équation polynomiale ayant pour entrée ladite contre-pression au nez de l’injecteur qui est la différence entre le résultat de ladite sous-étape d’estimation de la pression de compression et le résultat de l’étape de mesure d’air haute-pression, et pour sortie les retards liés à la contre- pression, ce qui permet de prendre en considération, de manière simple et automatique, sans surcoût en temps de calcul, les conditions réelles d’utilisation, notamment les conditions météorologiques.

L'invention concerne un module de gestion de l’injection air-essence dans une chambre de combustion d’un moteur, notamment deux-temps, comportant :

- un moyen de calcul d’au moins une consigne de commande de l’injection d’essence par un injecteur air-essence,

- un moyen de calcul d’au moins une consigne de commande de l’injection d’air par ledit injecteur,

- un moyen de calcul d’au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air par ledit injecteur,

Ledit moyen de calcul de consigne consolidée de commande de l’injection d’air étant caractérisé en ce qu’il comporte

- un sous-moyen d’estimation d’une pression de compression dans la chambre de combustion fonction du résultat d’un capteur de mesure de pression plénum situé dans un plénum en aval d’un compresseur basse pression et en amont de la chambre de combustion et d’au moins une consigne de commande de l’injection,

- un sous-moyen de calcul de termes correctifs des temps morts à l’ouverture et/ou à la fermeture dudit injecteur en air en fonction d’au moins une consigne de commande de l’injection d’air par ledit injecteur,

- un sous-moyen de calcul de ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air en fonction de ladite au moins une consigne de commande de l’injection d’air et du résultat du sous-moyen de calcul de termes correctifs des temps morts et de la sortie dudit sous-moyen d’ estimation de la pression de compression dans la chambre de combustion. Ce module de gestion présente des avantages analogues à ceux du procédé.

Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit moyen de calcul de consigne de commande de l’injection d’air comporte un saturateur par au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air. Cette caractéristique permet de manière simple de ne pas surévaluer les consignes consolidées de commande de l’injection d’air et de fait permet de diminuer la consommation de carburant par le juste dosage du mélange.

L'invention concerne également un moteur, notamment deux-temps, à injection air-essence de véhicule automobile comportant un module de gestion selon l’invention caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de mesure de pression plénum situé dans un plénum en aval d’un compresseur basse pression et en amont de la chambre de combustion et un capteur de mesure d’air haute-pression situé en aval d’un compresseur haute-pression. Ce moteur permet de se dispenser de capteur de pression dans la chambre de combustion et ainsi de gagner en termes de coût, durabilité et fiabilité. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d‘un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles:

la figure 1 représente un schéma d’un moteur conforme à l’invention; et,

la figure 2 est un exemple d’organigramme apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention.

Dans l’ensemble de la description le terme « sensiblement » signifie qu’un léger écart peut être admis par rapport à une position ou orientation nominale déterminée, par exemple « sensiblement vertical » signifie qu’un écart de l’ordre de 10° par rapport à une orientation strictement verticale est admis dans le cadre de l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES

La figure 1 représente schématiquement un moteur MOT deux-temps à flux traversant unidirectionnel (du terme anglosaxon « uniflow ») à injection directe avec injecteur air-essence lnj_Air_Ess à soupape conforme à l’invention. On utilise la désignation à flux traversant unidirectionnel car le flux d’air traverse le cylindre par des lumières positionnées en bas du fût jusqu’aux soupapes d’échappement S_Ech logées dans la culasse et chasse les gaz brûlés résiduels. D’autre part, un pré-mélange air-essence est fait dans la chambre de l’injecteur (non représentée) puis injecté par ouverture d’une soupape de pré-mélange dans la chambre de combustion du moteur lors de la phase de compression. Pour réaliser ce mélange l’alimentation en essence haute pression se fait par une pompe à essence haute pression Pp_Ess_HP et l’alimentation en air haute pression provient d’un compresseur d’air haute pression Cp_Air_HP, Ce moteur MOT comporte également une bougie d’allumage B_AII qui est espacée de G injecteur air-essence lnj_Air_Ess d’un angle de par exemple 30°, et qui débouchent tous les deux dans la chambre de combustion Ch_Comb dans laquelle le piston Pi coulisse. Un compresseur d’air basse pression Cp_Air_BP débouche dans un Plénum Pim comportant un capteur de pression C_P0 et donnant sur la chambre de combustion Ch_Comb via une lumière. Deux soupapes d’échappement sont également représentées. Le cycle d’un moteur MOT deux-temps à flux traversant unidirectionnel à injection directe avec injecteur lnj_Air_Ess air-essence à soupape comporte deux mouvements linéaires du piston Pi intégrant les opérations d’admission, compression, combustion et échappement. Un cycle moteur par tour est donc effectué, il se décompose en une partie motrice pendant laquelle le piston Pi étant initialement au point mort haut, la bougie déclenche la « combustion » puis un travail de détente est effectué lors de la descente du piston Pi. Lors de cette descente du piston PI, le piston Pi débouche les lumières d’admission à proximité du point mort bas et grâce au compresseur d’air basse-pression Cp_Air_BP, l’air pénètre dans le cylindre. Lors de la remontée, le piston Pi compresse de l’air frais et chasse les gaz brûlés par les soupapes d’échappement S_Ech. Dans le cas des moteurs deux-temps à flux traversant unidirectionnel à injection directe avec injecteur air-essence à soupape on a constaté que la contre-pression au nez de l’injecteur augmente les écarts entre la consigne et le besoin réel de début d’injection dénommé en anglais « Start Of Injection » (SOI) et la fin d’injection, dénommée en anglais « End of Injection » (EOI), impactant de fait la durée d’injection, dénommée en anglais « Duration of Injection » (DOI). En effet, cette contre-pression retarde l’ouverture des soupapes de pré-mélange et aide à les fermer, les écarts s’amplifiant donc avec l’augmentation de la contre-pression. Cela se traduit par des surconsommations de carburant, des émissions accrues de polluants, particulièrement au ralenti car la consigne d’injection est très courte.

Le procédé selon l’invention est alors hébergé dans le module de gestion M_G, ce dernier commande alors l’injecteur air- essence lnj_Air_Ess et consomme en entrée des données issues du compresseur d’air haute pressions Cp_Air_HP et du capteur de pression C_P0 dans le plénum. Sur la figure 2 est représenté un exemple d’organigramme apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Ce procédé de commande de l’injecteur air-essence lnj_Air_Ess dans la chambre de combustion Ch_Comb du moteur deux-temps comprend :

- une étape de calcul (non représentée pour plus de clarté) de deux consignes de commande de l’injection d’essence par ledit injecteur que sont la consigne de durée d’injection d’essence et la consigne de début d’injection d’essence ,

- une étape de calcul de deux consignes de commande de l’injection d’air par ledit injecteur que sont la consigne de durée d’injection d’air Cons_DOI et la consigne de début d’injection d’air Cons_SOI,

- une étape de calcul de deux consignes consolidées de commande de l’injection d’air par ledit injecteur, que sont la consigne consolidée de durée d’injection d’air Tl et la consigne consolidée de début d’injection d’air SOI,

Cette étape de calcul de consignes consolidées Tl, SOI de commande de l’injection d’air comporte:

- une sous-étape E_Pcomp d’estimation d’une pression de compression dans la chambre de combustion Ch_Comb,

- une sous-étape de calcul E_Tm de termes correctifs des temps morts à l’ouverture et à la fermeture de la soupape de prémélange de l’injecteur air- essence air en fonction de la consigne de début d’injection d’air Cons_SOI,

- une sous-étape de calcul de chaque consigne consolidée SOI, Tl de commande de l’injection d’air en fonction de la consigne de commande de l’injection d’air associée Cons_SOI, Cons_DOI et de la sortie de ladite sous- étape E_Tm de calcul de termes correctifs des temps morts et de la sortie de ladite sous-étape E_Pcomp d’estimation de la pression de compression dans la chambre de combustion Ch_Comb. Ce qui est désigné par consigne consolidée SOI, TOI ou non Cons_SOI, Cons_DOI de commande de l’injection d’air est la consigne consolidée ou non de durée d’injection d’air TOI, Cons_DOI et/ou la consigne consolidée ou non d’angle de début d’injection d’air SOI, Cons_SOI.

Plus précisément ladite sous-étape E_Pcomp d’estimation de la pression de compression utilise en entrée:

- le résultat d’une étape de mesure de pression plénum PO par le capteur de pression C_P0 situé dans le plénum Pim en aval du compresseur basse pression Cp_Air_BP et en amont de la chambre de combustion Ch_Comb et - la consigne d’angle de début d’injection d’air Cons_SOI

En effet, pour connaître la contre-pression au nez de l’injecteur lnj_air_Ess, c’est-à-dire au niveau de la soupape de pré-mélange qui débouche sur la chambre de combustion Ch_Comb, il est nécessaire de calculer la différence entre la pression de compression Pcomp dans la chambre de combustion et la pression PHP en amont de la soupape de pré-mélange, cette dernière PHP est connue, elle est mesurée par un capteur de pression d’air situé en aval d’un compresseur d’air haute-pression Cp_Air_HP. Il reste donc à estimer la pression de compression Pcomp dans la chambre de combustion en temps réel, pour ce faire, un estimateur basé sur une hypothèse de compression polytropique selon laquelle la pression de compression estimée Pcomp est fonction de :

- la pression plénum mesurée PO,

- le volume Vi de la chambre de combustion à l’instant t, caclulé en fonction de l’angle de vilebrequin

- la cylindrée unitaire Cylindrée

- la consigne d’angle de début d’injection d’air Cons_SOI, et

- un coefficient polytropique K.

L’équation utilisée est la suivante :

Avec Si étant le déplacement du piston obtenu par : R = Course/2 (rayon de manivelle)

L = Longueur de bielle

a = angle vilebrequin.

Le coefficient polytropique k est déterminé indépendamment lors d’une étape séparée de recalage sur un moteur comprenant un capteur de pression dans la chambre de combustion. En effet, cette étape séparée est une étape de mise au point qui se fait en amont et qui permet de déterminer les valeurs du coefficient polytropique k en fonction des conditions de pression plénum en utilisant la même équation et en mesurant les différentes pressions plénum et de compression au moyen de capteurs lors de la compression, avant la combustion. Grâce à cette étape, l’estimateur de pression de compression Pcomp est simple, il comporte soit une tabulation soit une équation polynomiale, avec pour entrées:

- le résultat d’une étape de mesure de pression plénum PO par le capteur de pression C_P0 situé dans le plénum Pim en aval du compresseur basse pression Cp_Air_BP et en amont de la chambre de combustion Ch_Comb et

- la consigne d’angle de début d’injection d’air Cons_SOI en degré de vilebrequin.

On peut alors calculer la contre-pression au nez de l’injecteur lnj_Air_Ess en calculant la différence entre la pression de compression Pcomp estimée et la pression d’air haute-pression mesurée PHP. Ces variables sont donc consommées par la sous-étape E_offset de calcul des retards d’ouverture et de fermeture de la soupape de prémélange de l’injecteur air-essence air, ces retards sont liés à la contre-pression qui intervient dans le calcul de consigne consolidée de commande de l’injection d’air Tl, SOI. La sous-étape E_offset de calcul des retards comporte au moins une table ou au moins une équation polynomiale ayant donc pour entrée ladite contre-pression, qui est le résultat de la soustraction de la pression d’air haute-pression PHP mesurée à la pression de compression estimée Pcomp. Préférentiellement, il s’agit de tables de correctifs de contre-pression donnant les correctifs d’avance à l’ouverture et les correctifs de retard à la fermeture puisque plus la contre-pression (Pcomp/PHP) est forte plus l’ouverture est retardée et plus la fermeture est avancée. Les sorties sont donc préférentiellement une avance angulaire à l’ouverture offset_SOI en degré de vilebrequin et un délai icorrectif de durée d’ouverture offset_TI en microsecondes. En variante, ces valeurs peuvent être enregistrées sous forme de polynôme car les courbes associées sont polynomiales.

La dernière sous-étape nécessaire au calcul des consignes consolidées à décrire plus précisément est la sous-étape de calcul E_Tm de termes correctifs des temps morts à l’ouverture T _emps m _0rt _Ouverture, et à la fermeture

T empsiTlort _ fermeture de la soupape de prémélange de l’injecteur air-essence air en fonction de la consigne de début d’injection d’air Cons_SOI. Ces valeurs de termes correctifs des temps morts à l’ouverture T _emps m _0rt _Ouverture et à la fermeture T _e mpsm ₀ rt_ _fermeture de la soupape de prémélange de l’injecteur air- essence air sont enregistrées également sous forme de tables ou sous forme polynomiale, les corrections étant linéaires en fonction du régime moteur. Comme précédemment, la forme tabulée, c’est-à-dire sous forme de table, est préférentiellement choisie car cela permet un enregistrement simple et léger et ne nécessite pas de puissance de calcul. En effet, ce procédé est hébergé dans un module de gestion qui appartient préférentiellement au calculateur moteur or ce dernier gère déjà de nombreuses fonctions.

Toutes les variables d’entrées sont alors disponibles pour effectuer le calcul des consignes consolidées. Ainsi

SOI [°] = Cons_SOI [°] + T _emps m _0rt _Ouverture [°] + offset_SOI [°]

Tl [ps] ^_ Cons _ DOI [ps] Tempsmort _ ouverture [ps] - Tempsmprt fermeture [ps] offset_TI [ps]

En variante, une consigne de commande de l’injection d’air Cons_SOI, Cons_DOI est saturée par ladite au moins une consigne consolidée de commande de l’injection d’air Tl, SOI. Dans ce cas on ne remplace pas par la valeur consolidée mais on sature par la valeur consolidée. L’invention s’applique de manière non limitative à un moteur deux-temps à injection air-essence de véhicule automobile comportant un module de gestion tel que décrit et comportant un capteur de mesure de pression plénum situé dans un plénum en aval d’un compresseur basse pression et en amont de la chambre de combustion et un capteur de mesure d’air haute-pression situé en aval d’un compresseur haute-pression. Ce moteur permet de se dispenser de capteur de pression dans la chambre de combustion et ainsi de gagner en fiabilité et de fait en durabilité tout en maîtrisant le dosage du mélange.

L’invention a été décrite dans le contexte d’un moteur deux-temps néanmoins ceci n’est pas limitatif, l’invention pouvant s’appliquer à tout moteur à combustion interne, tel qu’un moteur à quatre-temps par exemple.

L’invention telle que revendiquée concerne un procédé de commande d’un injecteur air-essence dans une chambre de combustion d’un moteur dépourvu de capteur de pression dans ladite chambre de combustion ainsi qu’un module de gestion de l’injection air-essence dans une chambre de combustion d’un moteur dépourvu de capteur de pression dans ladite chambre de combustion.