Procédé de transmission d'information relatif au fonctionnement d'un moteur à combustion interne

La présente invention concerne le fonctionnement des moteurs à combustion interne.

Plus précisément, l'invention concerne, selon un de ses premiers aspects, un procédé de transmission d'information permettant de surveiller le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes consistant à :

- Mesurer la position angulaire d'un vilebrequin, et

- Transmettre à une fréquence f1 vers un dispositif de contrôle moteur l'information de position angulaire mesurée, codée sur un train de données contenant N1 bits. Les moteurs à combustion interne actuels sont équipés d'un dispositif de contrôle moteur (ECU pour "Engine Control Unit" en anglais), d'un vilebrequin et d'un dispositif permettant de connaître la position angulaire du vilebrequin lorsque le moteur tourne.

Le dispositif de contrôle moteur permet notamment de réguler l'injection et l'allumage (pour un moteur à allumage commandé) dans chaque cylindre lorsque le moteur tourne.

La connaissance de la position angulaire du vilebrequin permet alors de déterminer la position des pistons dans les cylindres respectifs et de connaître l'état du cycle du moteur à quatre temps (admission, compression, combustion, échappement).

Un moyen usuel pour réaliser la mesure de la position angulaire du vilebrequin est de munir ledit vilebrequin, solidaire du mouvement des pistons, d'une cible munie de repères (mécaniques, optiques, magnétiques...) passant devant un élément détecteur (capteur) associé. Ce type de capteur de position est dit "incrémental" en ce qu'il ne donne pas la position absolue, mais permet à l'ECU de la déterminer en incrémentant un compteur à chaque passage de repère. L'ECU peut alors extraire la position absolue de vilebrequin en comptant le nombre de repères vus par rapport à un repère de référence.

Pour des raisons de gestion de la combustion, notamment dans le but de diminuer la pollution du moteur, la consommation de carburant et le temps de démarrage, il est désormais nécessaire de connaître la position du vilebrequin avec une précision inférieure à 2 °, et ce, même à des vitesses très faibles ou nulles, voire à des vitesses négatives de l'arbre de vilebrequin (vitesses négatives qui correspondent à une inversion du sens de rotation du moteur lors d'une phase de calage par exemple).

A l'heure actuelle, une cible montée sur un vilebrequin comprend 60 dents identiques et équidistantes, ce qui permet une résolution de 6 °. Pour atteindre ladite précision recherchée de l'ordre de 2 °, il n'est pas possible d'augmenter le nombre de dents, à cause de contraintes mécaniques.

II existe cependant des algorithmes de calcul, implantés dans le dispositif de contrôle moteur qui, à partir des données issues du capteur de position du vilebrequin, permettent d'aboutir à cette résolution d'environ 2 ° par des méthodes d'interpolation, mais ces algorithmes ne fonctionnent pas lorsque la vitesse de rotation du vilebrequin s'approche de zéro ou lorsqu'elle devient négative.

Par ailleurs, certaines contraintes, comme par exemple en matière de consommation de carburant ou d'émission de polluants, amènent à devoir connaître et gérer de plus en plus d'événements et d'informations au niveau du dispositif de contrôle moteur, notamment en termes de détection de ratés d'allumage. Un raté d'allumage est une phase de combustion du cycle du moteur dans laquelle la combustion a été mal ou non réalisée et dont il peut résulter une pollution à l'échappement, voire l'endommagement du pot catalytique.

La détection de la présence de ratés d'allumage peut être effectuée en surveillant très précisément la vitesse de rotation du vilebrequin et ses perturbations. En effet, un raté d'allumage va générer une variation passagère de la vitesse de rotation du vilebrequin, mais ce phénomène est très amorti par les masses inertielles dudit vilebrequin. Aussi faut-il posséder un capteur possédant une très bonne résolution afin de pouvoir détecter et mesurer ces faibles variations de vitesse de rotation.

Or, pour une vitesse de rotation donnée, plus un capteur possède une bonne résolution, plus le nombre d'informations à envoyer est élevé, ce qui induit un débit de transmission des informations élevé. Or les dispositifs de contrôle moteur ont une vitesse de lecture des informations limitée qui est alors dépassée par le débit qu'une résolution adéquate exige.

En outre, le codage de la position absolue sur 360° par un signal analogique classique devient problématique car le bruit, inhérent à l'utilisation d'une sortie analogique, génère une grande incertitude sur la position réelle du vilebrequin au niveau du dispositif de contrôle moteur.

A titre d'exemple, si la sortie analogique du capteur varie de 4 V pour une variation angulaire de 360 °, un bruit de 10 mV crête à crête sur cette sortie représente une incertitude de 0.9 ° sur la position.

La nature aléatoire du bruit rend donc impossible la détection des ratés d'allumage, et entache également d'une erreur importante la mesure de la position angulaire du vilebrequin pour la gestion de l'injection qui nécessite une précision inférieure à 2 °. Un filtrage éventuel de ce signal analogique permettrait de réduire l'influence de ce bruit, mais il introduirait un retard important entre la mesure angulaire par le capteur et

la réception complète de cette mesure par le dispositif de contrôle moteur (ECU), retard incompatible avec des mesures précises à des hautes vitesses de rotation.

Les problèmes que vise à résoudre l'invention sont donc de pouvoir à la fois obtenir une résolution inférieure à 2 ° sur la position angulaire absolue du capteur de position du vilebrequin, et de pouvoir détecter les ratés d'allumage. Ces objectifs doivent être atteints pour une gamme de vitesses de rotation du moteur s'étendant de quelques centaines de tours par minute en sens inverse jusqu'à plus de 10 000 tours par minute en sens avant, sans exclure le cas d'une vitesse de rotation nulle.

Avec cet objectif en vue, le procédé selon l'invention, comprend les étapes suivantes:

Mesure de la position angulaire du vilebrequin sur au moins N2 bits au moyen d'un capteur de position absolue muni d'une sortie numérique, et - Transmission à une fréquence f1 vers un dispositif de contrôle moteur de l'information de position angulaire mesurée, codée sur un train de données contenant N 1 bits, le procédé étant caractéristique et ce qu'il comporte en outre l'étape consistant à transmettre à une fréquence f2 l'information de position angulaire mesurée, et codée sur un train de données contenant N2 bits, le nombre N2 de bits étant supérieur au nombre N1 , la fréquence f2 étant inférieure ou égale à la fréquence f1. Dans un mode de réalisation, la fréquence f2 est définie au moins par le temps mis par le vilebrequin pour atteindre, à partir d'une position angulaire correspondant au début d'un segment, une position angulaire correspondant à la fin dudit segment et par le nombre de bits N2 à transmettre.

De préférence, l'étape de mesure est réalisée par un seul capteur de position absolue effectuant la mesure de la position angulaire sur au moins N2 bits, l'étape de transmission de la position angulaire codée sur un train de données contenant N1 bits étant réalisée par troncature du train de données contenant N2 bits.

Dans un mode de réalisation, l'atteinte de valeur(s) seuil(s) déclenche la transmission de l'information de position angulaire de N2 bits. Dans un mode de réalisation, les trains de données contenant respectivement N1 et N2 bits sont transmis sur deux canaux distincts.

A titre d'alternative, les trains de données contenant respectivement N1 et N2 bits sont transmis sur un seul canal au moyen d'un procédé de multiplexage.

Dans le mode de réalisation préféré, le procédé selon l'invention comprend en outre les étapes consistant à :

- Mesurer le temps pour atteindre, à partir d'une position angulaire correspondant au début d'un segment, une position angulaire correspondant à la fin dudit segment,

- Mesurer l'écart entre cette valeur de temps et une valeur de référence, et - Générer un signal synonyme de raté d'allumage si cet écart est supérieur à une valeur seuil.

L'invention concerne également un dispositif de surveillance du fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comprenant un capteur de position absolue de vilebrequin configuré pour : - Mesurer la position angulaire d'un vilebrequin, et

- Transmettre à une fréquence f1 vers un dispositif de contrôle moteur l'information de position angulaire mesurée, codée sur un train de données contenant N1 bits.

Ce dispositif est caractérisé en ce que le capteur de position de vilebrequin est également configuré pour :

- Transmettre à une fréquence f2 l'information de position angulaire mesurée, et codée sur un train de données contenant N2 bits, le nombre N2 de bits étant supérieur au nombre N1 , la fréquence f2 étant inférieure ou égale à la fréquence f 1. Dans un mode de réalisation, le capteur de position de vilebrequin effectue la mesure de position angulaire sur au moins N2 bits et code l'information de position angulaire sur un train de données contenant N2 bits, le capteur étant en outre muni de moyens de troncature pour coder l'information de position angulaire sur un train de données contenant N1 bits et N2 bits (si la mesure est numérisée sur N2 bits). Chaque train de bits est émis de préférence sur un canal respectif.

Dans un mode de réalisation dans lequel les deux canaux sont multiplexes, le capteur est muni d'au moins une sortie susceptible de transmettre les trains de données comprenant N1 bits et le résidu des N2 bits tronqués.

A titre d'alternative, le capteur est muni de deux canaux susceptibles de transmettre respectivement les trains de données comprenant N1 bits et les trains de données comprenant N2 bits.

Le procédé et le dispositif selon l'invention sont avantageusement mis en œuvre dans les véhicules automobiles équipés des systèmes dits 'Stop & Go' dans lesquels, lorsque le véhicule est à l'arrêt pour des courtes durées, le moteur ne tourne pas mais le dispositif de contrôle moteur reste alimenté.

Et grâce à la propriété « absolue » de la mesure (dès sa mise sous tension, le capteur fournit une information sur la position angulaire du vilebrequin), la position du

vilebrequin est en outre disponible même après des phases d'arrêt plus longues, pendant lesquelles le dispositif de contrôle moteur n'est plus alimenté. Grâce à cette propriété, un démarrage optimal peut être réalisé même après un arrêt de durée illimitée (démarrage à froid ou « CoId Start »). La solution selon l'invention concerne autant les moteurs à combustion interne à deux temps que les moteurs à combustion interne à quatre temps, mais seuls les moteurs à quatre temps sont ici décrits.

Grâce à la solution de l'invention, une information de position très fine, apte à détecter des ratés d'allumage, peut être communiquée par un capteur de position absolue à un dispositif de contrôle moteur avec une capacité de lecture d'un débit réduit.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence à la figure unique annexée dans laquelle : la figure unique est une représentation symbolique des fréquences de mesure de la position angulaire pour un tour de vilebrequin sur un moteur 6 cylindres.

Selon une première caractéristique de l'invention on résout les problèmes relatifs à la nature aléatoire du bruit mentionnée ci-avant, pour la mesure de la position avec une résolution inférieure à 2 °, en employant une sortie numérique du capteur de position angulaire absolue. Une seconde caractéristique de l'invention, relative à la transmission d'une information de position du vilebrequin plus précise, c'est-à-dire avec une grande résolution, pour la détection des ratés d'allumage, et au problème lié au débit nécessaire à la transmission de ces données (ce débit n'étant pas compatible avec la capacité de lecture des entrées des dispositifs de contrôle moteur actuels), est expliquée plus avant. Pour un moteur à quatre temps, les quatre temps du cycle moteur correspondent à deux tours de vilebrequin, soit 720 °. Il existe donc une incertitude de 360 ° sur la position angulaire du vilebrequin (les pistons se présentent exactement dans la même position, mais le temps du cycle n'est pas le même) qui peut être levée au moyen d'un capteur de position placé sur un arbre à cames, l'arbre à cames n'effectuant qu'une seule rotation durant les quatre temps d'un cycle moteur.

En conditions d'utilisation, lorsque le moteur tourne, la position angulaire absolue du vilebrequin est directement disponible au sein du capteur, et non plus déterminée par le dispositif de contrôle moteur. Toutefois, en phase de calage, le sens de rotation d'un moteur peut s'inverser. Un capteur incrémental bidirectionnel pourrait alors être employé tant que la durée de la phase d'arrêt qui suit n'est pas supérieure à quelques minutes. Cependant, de tels capteurs bidirectionnels permettent d'avoir une information de position angulaire au

sein du calculateur qui n'est valide que pendant la période d'alimentation du dispositif de contrôle moteur. En effet, dans un dispositif de contrôle moteur associé à un tel capteur, l'information de position angulaire est stockée dans une mémoire volatile du dispositif de contrôle moteur qui se vide lorsque le moteur est coupé, c'est-à-dire lorsque le dispositif de contrôle moteur n'est plus alimenté par la batterie du véhicule.

Ainsi, à chaque démarrage à froid, c'est-à-dire après chaque période d'arrêt prolongée, une mise sous tension du capteur incrémental bidirectionnel et du dispositif de contrôle moteur est effectuée et la position angulaire absolue est indisponible. De plus, la résolution d'un capteur incrémental n'est que de 6 °, au lieu des 2 ° attendus. En revanche, selon l'invention, le capteur de position absolue est implanté de préférence dans un circuit intégré dédié (ASIC, pour « Application Spécifie Integrated Circuit ») permettant de détecter et transmettre vers le dispositif de contrôle moteur ECU l'information de position angulaire absolue du vilebrequin.

Comme décrit ultérieurement, au moins une fois par segment, une information de position angulaire plus précise que celle transmise durant le reste du segment est transmise dans le but de détecter d'éventuels ratés d'allumage.

Codage : Résolution / Nombre de bits.

Pour obtenir une résolution angulaire RES (en degrés ⁰ ) sur un tour (360 °), il est nécessaire de coder l'information sur M niveaux tels que M = 360 / RES ; c'est-à-dire sur N bits, avec N le plus proche entier naturel tel que 2 ^N >= M.

La fréquence f2 de mesure correspond donc à une mesure par angle de valeur RES.

A titre d'exemple, pour une résolution RES = 0,022 °,

On détermine M = 360 / 0,022 Soit M = 16 363,64

Or 2 ¹⁴ = 16 384, donc N = 14.

Ainsi, pour obtenir une résolution de 0,022 °, il faut mesurer et coder l'information de mesure sur au moins 14 bits.

En revanche, pour obtenir une résolution angulaire inférieure à 2 °, il ne faut coder l'information de mesure que sur N >= 8 bits.

Calcul du débit nécessaire. Le régime moteur REG exprimé en tr/min est REGI exprimé en 7sec.

Ainsi REGI = (360 ° / 60 sec) ^* REG Soit REGI = 6 ^* REG

Le temps mis pour tourner d'un angle égal à la résolution angulaire RES est donc

T = RES / REGI.

Soit t = RES / 6 ^* REG.

Aussi le débit D de communication (en Baud) doit donc être : D = N / 1 Soit : D = 6 ^* REG ^* N / RES

C'est-à-dire qu'avec les valeurs suivantes :

REG = 10 000 tr/mn

N = 14 bits

RES = 0,022 °

Le débit D permettant la mesure continue à la résolution RES doit être

D = 6 ^* 10 000 ^* 14 / 0,022 = 42 MBaud

De cette manière, on peut calculer le débit D et le nombre de bits N nécessaires au codage d'une mesure angulaire d'une résolution donnée RES à un régime moteur REG donné. Des exemples de tels calculs sont illustrés dans le tableau 1 ci-dessous, avec un régime moteur d'un véhicule automobile actuel au maximum d'environ 10 000 tr/mn.

TABLEAU 1

Or la vitesse de lecture maximum des entrées numériques des ECU actuels est égale de l'ordre de 500 kBaud. Ce débit est incompatible avec la transmission en continu d'une résolution permettant de détecter un raté d'allumage, correspondant à une résolution angulaire de l'ordre de 0,02 °. De plus, la transmission de données binaires à un débit supérieur à 500 kBaud au travers d'une connectique longue comporte des risques d'interférence électromagnétique avec d'autres dispositifs du véhicule.

La détection de raté(s) d'allumage selon l'invention est synchronisée avec l'allumage et consiste à être réalisée par la détection et la comparaison des temps de segments. Un raté d'allumage implique en effet une variation temporaire de la vitesse de rotation du vilebrequin. Un segment est une région angulaire du vilebrequin. Plus précisément, un segment est une période angulaire. Le temps de segment est le temps de parcours du segment. Le segment est défini par l'angle qui sépare deux positions de référence de deux cylindres successifs dans l'ordre d'allumage. Cette région angulaire correspond à un mouvement spécifique des pistons dans leurs cylindres respectifs. Dans un cylindre, un piston parcourt un trajet passant par deux points caractéristiques : le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB). Ces deux points caractéristiques peuvent avantageusement servir de points de référence pour la définition des segments. A cet effet, le temps qui sépare deux points morts hauts successifs de deux pistons successifs dans l'ordre d'allumage peut par exemple définir un temps de segment.

Le temps de segment durant lequel le vilebrequin traverse cette région angulaire dépend entre autres de l'énergie convertie lors de la phase de combustion. Un raté d'allumage vient par conséquent augmenter le temps de segment.

Pour un moteur multicylindres avec des segments répartis de manière régulière, la valeur en degrés du segment est SEG = 720 / C avec C étant le nombre de cylindres. Soit SEG = 180 ° pour un moteur à quatre cylindres, SEG = 120° pour un moteur à six cylindres, etc.

Selon l'invention, la transmission des mesures à haute résolution (N2 bits) peut n'être effectuée qu'une fois par segment, soit tous les 720 / C °. La fréquence f2 de transmission de l'information de position angulaire à haute résolution (N2 bits) correspond donc dans ce mode de réalisation à envoyer l'information de position angulaire au début de chaque segment seulement.

Dans le but de détecter un raté d'allumage, on peut comparer les temps de segment non pas de tous les segments successifs les uns par rapport aux autres, mais pour un même segment entre deux ou plusieurs tours successifs, à chaque tour de vilebrequin. A cet effet, chaque mesure de position absolue effectuée est comparée en permanence avec des valeurs de référence, correspondant au SEG degrés d'espacement des positions de début et de fin des segments.

En fait, le capteur de position vilebrequin effectue la mesure de la position angulaire du vilebrequin sur N2 bits au moins mais ne transmet cette information que sur N1 bits la plupart du temps, la différence entre N2 et N1 étant réalisée par troncature.

A une valeur déclencheur particulière est associée, par exemple dans le circuit ASIC mentionné, une position angulaire particulière, correspondante au début ou à la fin d'un segment (0 °, 120 °, 240 ° sur la figure unique).

Lorsque le capteur atteint une valeur déclencheur correspondante au début ou à la fin d'un segment, il transmet le signal de position angulaire codée sur N2 bits.

Pour les autres valeurs angulaires le capteur transmet à nouveau le signal de position angulaire codée sur N1 bits.

Selon l'invention, le dispositif de contrôle moteur comprend un modèle du comportement normal du moteur, c'est-à-dire sans ratés d'allumage. Typiquement, le modèle comprend au moins une valeur de référence qui, pour un segment donné, est égale au temps de segment dudit segment sans ratés d'allumage. La mesure du temps de segment est comparée à cette valeur de référence, et l'écart entre ces deux valeurs est comparé à une valeur seuil. Si l'écart est supérieur ou égal à la valeur seuil, le dispositif de contrôle moteur considère qu'un raté d'allumage a eu lieu et génère par exemple un signal à cet effet.

Par exemple, la valeur de référence pour un temps de segment donné est le temps de segment de ce segment au tour de vilebrequin précédent.

En référence à la figure unique, il s'agit de comparer le temps de segment SEG1 au tour T avec le temps de segment SEG1 au tour T-1 , et de même pour les segments SEG2 et SEG3.

De préférence, la valeur seuil dépend de la vitesse de rotation du moteur, et les variations de la vitesse de rotation du vilebrequin dues aux modifications du régime moteur (accélération ou freinage du véhicule par son conducteur) et qui pourraient perturber la mesure sont corrigées par un algorithme spécifique. La solution selon l'invention se base sur un capteur de position vilebrequin absolue, sur 360 °, muni d'une interface configurée pour délivrer un signal de sortie entièrement numérique.

Dans un mode de réalisation, le capteur de position vilebrequin est muni de deux canaux de sortie dont chaque canal émet un signal numérique. Le premier canal est utilisé pour transmettre un premier signal correspondant à l'information relative à la position angulaire du vilebrequin à basse résolution (N1 bits). La position angulaire du vilebrequin à basse résolution (N1 bits) est transmise à une fréquence f1.

Le deuxième canal est utilisé pour transmettre un deuxième signal correspondant à une information relative aux ratés d'allumage, c'est-à-dire à la position angulaire du vilebrequin à haute résolution (N2 bits). La mesure de la position angulaire du vilebrequin effectuée sur au moins N2 bits est transmise sur N2 bits à une fréquence f2.

A titre d'alternative, les deux signaux sont transmis sur un même canal par un procédé de multiplexage.

De préférence, le taux de transmission, c'est-à-dire le débit, est fixe.

Par exemple, comme vu précédemment au tableau 1 , une résolution inférieure à 2 °, soit 1 ,4 °, peut être codée sur 8 bits (N1). Par conséquent, le débit minimal nécessaire permettant de transmettre cette information à un régime REG de 10 000 tours par minute est de 342 kBaud. Le signal de position angulaire basse résolution est donc envoyé tous les 24 μs environ (1 / 324 ^* 8), représenté par les traits pleins f1 de la figure unique.

Le signal de position angulaire haute résolution codée sur 14 bits (N2) peut être transmis tous les 120 ° pour un moteur six cylindres, représenté par les traits pointillés f2 de la figure unique.

Les débits supportés par les dispositifs de gestion actuels étant de l'ordre de 500 kBaud, il est donc possible d'ajouter des informations supplémentaires au mot binaire de N1 bits et correspondant le cas échéant au reliquat des N2 bits nécessaires. Grâce à cette configuration, puisqu'une information de position angulaire à haute résolution n'a besoin d'être transmise qu'au début des segments, si un train de données de N2 bits ne peut pas être entièrement transmis dans l'espace de temps alloué à la transmission des N1 bits, à cause du débit du dispositif de contrôle moteur, les bits restants peuvent être transmis sur au moins un train de N1 bits suivant dans le temps du segment considéré.

Le type de capteur de position absolue utilisé et doté d'une grande résolution nécessite un calibrage « in situ » en raison des incertitudes de positionnement induites lors du montage dudit capteur sur le moteur à combustion interne.