PROCEDE D'ESTIMATION DU TAUX D'ETHANOL D'UN CARBURANT

L'invention se situe dans le domaine des moteurs à combustion interne (essence), à injection directe ou indirecte de carburant, à N nombre de cylindres.

Elle concerne plus précisément l'estimation du taux d'éthanol du carburant injecté, trouvé à partir de la détermination des début et fin de combustion d'un carburant injecté dans un moteur à combustion interne, sur un nombre n de cycles (n étant un entier supérieur ou égal à 1) de déplacement d'un piston dans un cylindre.

Les normes antipollution devenant de plus en plus sévères, il est important pour les constructeurs automobiles de bien maîtriser le pilotage de l'injection de carburant dans leurs moteurs pour limiter les émissions polluantes.

L'un des paramètres importants sur ces systèmes d'injection est la nature du carburant.

Notamment pour les moteurs essence, l'émergence de système de combustion à base de "flex fuel" ou carburants issus du mélange d'essence et d'éthanol complexifie considérablement les réglages de bases définis pendant la calibration du moteur. La concentration d'éthanol dans le carburant varie énormément selon les réglementations en vigueur dans les différents pays.

Cette concentration conditionne les propriétés d'auto-inflammation du carburant, autrement dit le délai d'auto-inflammation. Ce délai est important car il conditionne le phasage de la combustion dans le cycle thermodynamique, par rapport à une consigne d'avance à l'allumage donnée. Une combustion mal phasée entraînera une élévation des émissions polluantes.

Il rend également plus sévères les conditions de démarrage à froid.

Il est donc très important de prendre en compte de manière précise la nature du carburant présent dans le réservoir pour le réglage des moteurs. Actuellement, cette concentration d'éthanol dans le carburant est prise en compte lors de la mise au point du moteur. Ceci est effectué en utilisant deux carburants de référence, par exemple un premier constitué d'essence

pure et un second contenant 85 % d'éthanol, les 15 % restant étant constitués d'essence.

Deux mises au point complètes sont établies pour définir les réglages moteurs de manière optimale, pour chaque carburant. En fonctionnement, si le véhicule est utilisé avec un autre carburant

(c'est-à-dire avec une concentration d'éthanol différente), le moteur ne fonctionne plus avec ses réglages optimums.

Le contrôle moteur utilise alors l'information richesse, pour calculer une image du taux d'alcool. Ensuite, une interpolation est faite pour chaque paramètre de réglage entre les deux mises au point initiales.

Des solutions pour estimer une grandeur caractéristique du début de combustion ont fait l'objet de demandes de brevet français au nom du présent demandeur, à savoir les demandes 05 07745 et 06 07041 , cette dernière n'étant pas publiée à la date de dépôt de la présente demande. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé d'estimation du taux d'éthanol du carburant injecté, trouvé à partir de la détermination des début et fin de combustion d'un carburant injecté dans un moteur à combustion interne, sur un nombre n de cycles (n étant un entier supérieur ou égal à 1) de déplacement d'un piston dans un cylindre. Pour atteindre cet objet, l'invention propose un procédé d'estimation du taux d'éthanol d'un carburant injecté dans un moteur à combustion interne, sur un nombre n de cycles (n étant un entier supérieur ou égal à 1 ) de déplacement d'un piston dans un cylindre, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : - déterminer un début de combustion d'un carburant injecté pour chacun des cycles ;

- calculer l'angle moyen de début de combustion « θdébut moy » à partir des « θ » de début de combustion relevés pour l'ensemble des n cycles ; - déterminer une fin de combustion d'un carburant injecté pour chacun des cycles ;

calculer l'angle moyen de fin de combustion « Gn _n moy » à partir des « θ » de fin de combustion relevés pour l'ensemble des n cycles ; calculer le délai de combustion entre le temps début de combustion trouvé à partir de « θ _d ébut moy » et le temps fin de combustion trouvé à partir de « θ _fin moy » ;

- déduire le taux d'éthanol à partir du délai de combustion, sur la base d'un modèle déterminé ou d'une liste de correspondance entre des délais de combustion et des taux d'éthanol.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé :

- ledit taux d'éthanol est mis en mémoire jusqu'à l'apprentissage d'un taux d'éthanol différent ;

- pour différents angles successifs que prend le vilebrequin du moteur dans chaque cycle, on évalue une variable "Ce" à un angle "θ" du vilebrequin dans la chambre de combustion du cylindre, "Ce" étant basé sur la dérivée angulaire — — de la quantité d'énergie « Q » à un angle « θ », et l'on dθ calcule la valeur d'angle CA10 qui est égale à l'angle où Q = f— atteint 10%

^J dθ de son amplitude maximale AM, cette valeur CA10 étant enregistrée comme étant la valeur angulaire de début de combustion pour le cycle considéré ; - pour différents angles successifs que prend le vilebrequin du moteur dans chaque cycle, on évalue une variable "Ce" à un angle "θ" du vilebrequin dans la chambre de combustion du cylindre, "Ce" étant basé sur la dérivée angulaire — de la quantité d'énergie « Q » à un angle « θ », et l'on dθ calcule la valeur d'angle CA90 qui est égale à l'angle où Q = f— atteint 90%

^J dθ de son amplitude maximale AM, cette valeur CA90 étant enregistrée comme étant la valeur angulaire de fin de combustion pour le cycle considéré ;

- ladite amplitude maximale AM est mesurée en établissant la différence entre : o les valeurs maximale et minimale de Q ;

OU o la valeur maximale de Q et zéro ; ou o zéro ou la valeur minimale de Q, et l'angle de fin d'intégration de Q si celui-ci correspond à la valeur maximale de Q ;

- ladite variable "Ce" est calculée à partir de l'expression suivante :

o « p » étant la pression dans le cylindre à l'angle « θ », o « F » étant le volume de la chambre de combustion à l'angle

« θ », o « r » étant la température dans la chambre de combustion à l'angle « θ », o « γ » étant le rapport de chaleur spécifiques « c _p /c _v ». D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préféré de l'invention.

Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un cylindre d'un moteur à combustion en fonctionnement ; - la figure 2 est une représentation schématique de l'évolution de la variable "EOC-SOC" en fonction du nombre de points, qui permet de déterminer le taux d'éthanol dans un carburant considéré. En référence à la figure 1 , un dispositif selon l'invention y est illustré. Il s'applique à un moteur à combustion interne Essence comportant un piston mobile 5, une bielle 6, une chambre de combustion 3, un dispositif d'admission de gaz 2, un dispositif d'échappement de gaz 1 , un moyen de mesure apte à mesurer différents angles « θ » de rotation du vilebrequin 8, un capteur de pression 4 placé dans la chambre de combustion 3, et des moyens de traitement 7 aptes à recevoir les signaux provenant dudit capteur de pression 4

et du moyen de mesure 8, à synchroniser ces signaux pour pouvoir les corréler, et à traiter ces signaux pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.

Lors du fonctionnement du moteur, une estimation du taux d'éthanol selon l'invention est faite. Elle s'effectue avantageusement dans des conditions de fonctionnement fixées à l'avance lors de la mise au point du moteur.

Le taux d'éthanol du carburant est estimé, comme on le verra plus loin, en tenant compte de la vitesse de combustion, à savoir le temps qui s'écoule entre le moment où la combustion démarre et le moment où elle finit.

Les conditions d'activation propices à la mise en œuvre de la présente invention sont les points de fonctionnement de préférence à charge moteur élevée pour une estimation de début et de fin de combustion plus aisée.

Néanmoins, il paraît également intéressant de choisir des phases telles que le démarrage moteur (en s'assurant des conditions extérieures propices), phase pendant laquelle la nature du carburant est primordiale. L'ensemble de ces conditions d'activation peut prendre la forme d'un point de fonctionnement du moteur ou de plusieurs. Un apprentissage peut être aussi demandé à chaque remplissage du réservoir. Les conditions d'activation sont alors attendues pour lancer l'apprentissage.

Lorsque les conditions d'activation sont reconnues (c'est-à-dire que le moteur se trouve sous l'action du conducteur sur le ou l'un des points de fonctionnement identifié), on effectue une détection de début et de fin de combustion sur n cycles thermodynamiques (n peut être égal à 1 ).

Il est donc avant tout essentiel de déterminer les moments de début de la combustion (encore noté « SOC ») et de fin de combustion (ou « EOC »). Une détermination possible du SOC et du EOC est basée sur le calcul et l'analyse d'une variable C _θ , image de la combustion.

La méthodologie exposée ci-après l'est également dans la demande précitée 06 07041.

A partir de la valeur de pression pe régnant dans la chambre de combustion, et de la valeur de la position angulaire θ du vilebrequin, qui ont été mesurées lors d'une première étape, une variable Ce est en permanence calculée lors d'une étape ultérieure.

Ce est fonction d'une évolution angulaire de la quantité d'énergie « Q » dégagée par la combustion dans la chambre de combustion 3 à un angle θ.

Cette évolution angulaire de la quantité d'énergie est avantageusement

. . . . . dQ la dérivée -^- . dθ Cette valeur Ce est calculée en permanence sur la base du dégagement d'énergie dans le cylindre, pour un angle θ évoluant entre -180° et +180° (i.e. dans un demi-cycle), ou dans un intervalle plus réduit.

Selon une première possibilité, Ce se calcule à partir de :

F Dθ où « Q » est l'énergie dans le cylindre,

« θ » est l'angle vilebrequin, et

« F » est une fonction de « θ » telle que « F » est maximale au point mort bas (encore noté PMB), minimale au point mort haut (encore noté PMH), monotone entre les deux, et toujours strictement positive. Une fonction "triangle" possède de telles propriétés, et peut être définie de la façon suivante : où « K » et « F ₀ » sont des constantes.

En pratique, le calcul du dégagement d'énergie -^- donne une dθ information bruitée.

L'effet d'une telle fonction « F » est d'atténuer le signal de dégagement d'énergie dans les zones où il est le plus bruité (du coté du PMB), par rapport aux zones où il est susceptible de contenir l'information qui intéresse (du coté du PMH). Cette opération augmente donc le rapport signal sur bruit et diminue les contraintes sur le filtrage de la pression à mettre en place.

Selon une deuxième possibilité, Ce se calcule à partir de l'expression simplifiée du dégagement d'énergie volumique dans le cylindre suivante :

C =1^ (3)

V dθ

où V représente le volume de la chambre de combustion 3 pour un angle θ.

Comme le volume varie cycliquement avec θ, la multiplication par — a pour avantage de diminuer l'amplitude du bruit sur le dégagement d'énergie là où il est typiquement le plus fort (vers les PMB). Ce calcul amplifie aussi le signal là où il est utile pour la détection du SOC et du EOC (typiquement rencontrés au voisinage du PMH).

Cette opération augmente donc le rapport signal sur bruit et diminue les contraintes sur le filtrage de la pression à mettre en place. En pratique, le calcul de — peut s'avérer complexe et peut donc dθ nécessiter de la puissance de calcul pour être réalisé tel quel dans un système électronique embarqué de contrôle moteur. Mais la division par le volume est intéressante car elle permet de réaliser les simplifications exposées ci-après.

On part de l'expression, bien connue de l'homme du métier, du dégagement d'énergie apparent — du gaz présent dans la chambre : dθ dQ ₌ _j_J p_ àm ₊ p_ d^ _ p_ dV_λ jy_ dV_ dθ γ - \ {m dθ T dθ V dθ J γ - \ dθ avec :

- Q : quantité d'énergie présente dans les gaz de la chambre de combustion 3 ; - θ : angle vilebrequin ;

- ^ : rapport des chaleurs spécifiques (c _p et c _v ) ;

- V : volume de la chambre de combustion à θ ;

- p : pression dans la chambre de combustion à θ ;

- m : masse de gaz enfermés dans le cylindre à θ ; - T : température dans la chambre de combustion à θ.

Il est à noter que l'expression (4) pourrait être écrite en remplaçant θ par le temps t.

Il est toutefois préféré l'utilisation de l'angle θ, car le système devient alors indépendant de la vitesse de rotation du moteur.

II est à noter par ailleurs que l'expression (4) prise comme point de départ contient la dérivée angulaire de la température et non pas la dérivée de la pression.

Ceci va permettre de minimiser le bruit, car la dérivée de la pression p mesurée introduit un bruit important dans le résultat.

Avantageusement, seules la pression p et l'angle θ sont des valeurs mesurées par le dispositif selon la figure 1.

Les autres variables de l'expression (4) sont négligées ou estimées, comme nous allons le voir. Concernant la masse m, l'hypothèse est prise de la considérer comme constante (la masse injectée est donc négligée). L'expression de C devient alors :

Le rapport des chaleurs spécifiques γ est considéré constant avant la combustion ainsi que dans les premiers instants de la combustion. On pourra par exemple l'estimer égal à 1 ,4.

Pour une géométrie donnée d'un moteur, il y a une relation immuable dV entre le volume V et l'angle θ. Pour estimer le volume V et sa dérivée — , une dθ table de valeurs donnant le volume V pour différentes valeurs de θ est utilisée. La température T et sa dérivée — sont calculées sur la base desdits ^v dθ volume V et pression p.

Selon un premier mode de calcul de T, on suppose que le gaz est parfait. On peut alors écrire à tout moment : pV

^î - — - mr - constante (6) Donc à deux instants ou à deux angles différents :

P _θ K P ₀ V ₁

(7)

T ₀ ¹ T n

On en déduit :

\ avec :

To, Po, Vo : température, pression et volume initiaux (i.e. à la fermeture de la soupape d'admission) T ₆ , P _θ ,V _θ : température, pression et volume à l'angle θ

La température est donc estimée pour chaque valeur de l'angle θ, à partir de conditions initiales de pression, température et volume en début de cycle, de préférence juste après la fermeture de la soupape d'admission.

On pourra prendre la température initiale constante et égale à 300K, ou bien la faire dépendre de la température d'air admis, si on la mesure.

Cette méthode peut être préférée car elle nécessite peu de calculs, étant

T donné que — — n'est calculé qu'une seule fois par cycle et qu'il suffit de

multiplier ce résultat par p _θ V _θ à chaque nouvelle valeur de l'angle θ.

Selon un deuxième mode de calcul de T, on suppose aussi que le gaz est parfait (pV = mrT, où mr est contant), mais on en déduit cette fois :

T dθ p dθ V dθ

Cette expression pourrait être réintroduite dans l'expression de Ce, mais cela ferait réapparaître la dérivée de la pression — , qui est une source de dθ bruit pour le calcul.

. . . 1 dT , ... , Un autre moyen pour exprimer sera donc préfère.

Pour cela, l'expression (9) est discrétisée, et les valeurs prises par V, p, T sont considérées aux angles θ et θ-δθ, où δθ est constant et représente le pas du calcul. L'expression (9) devient alors :

L'expression suivante de la température T à l'angle θ est alors déduite, en fonction de la température à l'angle θ-δθ :

La température est donc estimée de manière récursive pour chaque valeur de l'angle θ, à partir d'une température initiale correspondant à la température dans le cylindre à l'instant de la fermeture de la soupape 5 d'admission. Elle peut être prise constante et égale à 300K, ou bien dépendante d'une température d'air admis mesurée par des moyens appropriés.

Pour terminer, l'expression de C _θ est également discrétisée, et la valeur de C _θ pour chaque valeur de θ est donnée par la formule : i n s~t λ O \

En outre, l'expression (9), (11) ou (12) peut être encore plus simplifiée, en termes de calcul, en simplifiant l'expression de V (ou Ve).

En effet, comme il est dit plus haut, la loi de volume V, qui est immuable pour une géométrie de moteur donnée, peut être déterminée par une table de 15 valeurs, associant à chaque valeur de θ une valeur de volume.

Dans un système embarqué, il est cependant intéressant de diminuer la taille des tables de valeurs car elles consomment des ressources de mémoire. La simplification exposée ci-après va permettre pour le moins de diminuer la taille de tables de valeurs en mémoire, et pour le plus de s'en affranchir. 0 Plutôt que d'utiliser le volume vrai dans les calculs exposés précédemment, on lui substituera une loi parabolique V _p donnée par l'expression : V _p = V ₀ + K _p θ ² , où V ₀ est constant et est le volume au PMH (volume mort),

K _p un coefficient à ajuster de telle façon que la courbe de V _p soit très 5 proche de la courbe de V au voisinage du PMH.

Vp peut ainsi être partout substitué à V (ou V ₆ ) dans les calculs exposés précédemment : pour le calcul des températures T _θ et T _θ-δθ , et dans le terme

Du temps de calcul est ainsi gagné et des ressources sont économisées. Conformément à l'invention, le calcul de fin de combustion "EOC" peut être effectué par l'intermédiaire du calcul du "CA90", plutôt que par l'estimation de la fin de combustion selon la méthode présentée plus haut.

"CA90" est l'angle du vilebrequin, pour un cycle déterminé, où 90 % de la charge présente dans la chambre de combustion a été brûlée. II correspond à l'angle où Q = f— (ou Q et θ sont tels qu'explicité plus

^J dθ haut) atteint 90 % de son amplitude maximale AM.

Cette amplitude maximale AM peut être mesurée en faisant la différence entre :

- les valeurs maximale et minimale de Q ; ou

- la valeur maximale de Q et zéro ; ou

- zéro ou la valeur minimale de Q, et l'angle de fin d'intégration de Q si celui-ci correspond à la valeur maximale de Q. Une fois les SOC et EOC détectés, les angles vilebrequin correspondants sont enregistrés.

Les valeurs de ces n angles sont mémorisées et leurs moyennes sont effectuées.

La différence de ces deux valeurs EOC - SOC est une image de la vitesse de combustion.

La valeur EOC - SOC calculée est injectée dans une cartographie du type de l'exemple de la figure 2 annexée.

La sortie de cette cartographie fournit le taux d'éthanol du carburant en train d'être consommé.

La valeur issue de la cartographie précitée est mise en mémoire dans des moyens appropriés jusqu'à l'apprentissage d'un taux d'éthanol différent.

Les calibrations du système de contrôle moteur sont alors adaptées à cette valeur de taux d'éthanol (cartographies d'avance à l'allumage par exemple) pour garantir un fonctionnement optimal du moteur.

L'estimation de la vitesse de combustion EOC - SOC peut être effectuée par l'intermédiaire du calcul du CA10, plutôt que par l'estimation du début de combustion selon la méthode présentée plus haut.

Le CA10 est l'angle où 10 % de la charge présente dans la chambre de combustion a été brûlée. Il correspondant à l'angle où

Q = f— atteint 10 % de son amplitude maximale AM. ^J dθ

Cette amplitude maximale AM peut être mesurée en faisant la différence entre :

- les valeurs maximale et minimale de Q ; ou

- la valeur maximale de Q et zéro ; ou

- zéro ou la valeur minimale de Q, et l'angle de fin d'intégration de Q si celui-ci correspond à la valeur maximale de Q.