EP2182196B1 - Procédé de contrôle de combustion d'un moteur à allumage commandé au moyen d'un contrôle du phasage de la combustion - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of motor control and more particularly the combustion control of spark ignition engines.
- the purpose of the engine control is to guarantee the driver the torque he demands while minimizing noise and pollutant emissions. It is therefore necessary to adjust as finely as possible the control of the quantities of the different gases and the fuel.
- the fastest (50 Hz) corresponds to the entire combustion phenomenon (1 motor cycle). At this scale, we are able to change the strategy of injection (X fuel ) and ignition (X all ) to control the combustion.
- the slowest (1 Hz) corresponds to the dynamics of the gases in the engine tubes (intake, exhaust, recirculation of burnt gases) and the inertia of the actuators (turbo compressor TC ). We can not change more quickly the strategy of this air loop (X air ).
- the controlled variables ( X air , X fuel , X all ) do not arrive at the same time at their setpoints because of this dynamic difference.
- the objectives in production of torque, consumption, pollutants, noise are thus respected in the static phases (the dynamic loops are stabilized at their reference values), on the other hand, if one does not take precaution in the transient phases, some of the parameters almost instantly reaching the final setpoint while the other part is still at the initial setpoints, the motor then produces more pollutants or noise, and may in some cases even go out.
- the object of the invention relates to a method for controlling the combustion of a spark ignition engine, especially in the transient phase, while avoiding the problems of the prior art.
- the method achieves this on the one hand by controlling the three dynamic loops separately, and on the other hand by correcting the reference value of the ignition angle via a control of the angle CA 50 .
- WO 02/095191 discloses a combustion control method of a spark ignition engine in which the ignition timing is controlled so that the crankshaft angle at which y% of the fuel is consumed on combustion is equal to a value setpoint, to optimize combustion.
- the invention relates to a combustion control method of a spark ignition engine according to claim 1.
- a combustion control method of a spark ignition engine according to claim 1.
- - set point values of physical parameters related to the combustion of a mixture of gas and fuel are determined in a combustion chamber, as well as a reference value ( ⁇ all ) ref of a crankshaft angle of ignition of said mixture, said set values being determined so as to optimize the combustion, - a motor control system drives the actuators so that the values of said physical parameters are equal to said setpoints.
- the correction d ⁇ all is determined taking into account differences dp between real values p of said physical parameters and said values. setpoint p ref said physical parameters.
- setpoint p ref said physical parameters.
- crank angle CA y is the crankshaft angle at which fifty percent of the fuel is consumed during combustion.
- the physical parameters are chosen from the following parameters at the time of valve closure: pressure in the combustion chamber ( P IVC ), temperature in the combustion chamber ( T IVC ), ratio ( X IVC ) between a mass of burnt gases and a mass of total gas in the combustion chamber, mass ( M IVC ) of air in the cylinder, and closure angle of an intake valve ( ⁇ ivc ).
- the method according to the invention makes it possible to control the progress of the combustion of a spark-ignition engine, in the static phase as well as in the transient phase. It includes a separate and independent control of the air loop (slow loop) and fuel and ignition loops (fast loops), by adapting the dynamics of the fast loops so as to be consistent with the loop. air.
- the method thus allows an adaptation of X fuel and X all to maintain the characteristics of the requested combustion (through the torque demand of the driver). This limits the impact on emissions of pollutants and noise while guaranteeing the driver the requested torque.
- the combustion control of a spark ignition engine is carried out in five steps:
- the motor control supervises the various actuators present in the engine to guarantee the desired torque while minimizing the noise, pollutant emissions and consumption. This translates into the passing of the X air , X fuel and X all parameter values from an initial point to the parameter values of an end point: ⁇ X air initial ⁇ X air final at X fuel oil initial ⁇ X fuel oil final b X all initial ⁇ X all final vs
- the final values are defined to optimize combustion, that is, to burn the maximum amount of fuel so as to minimize pollutant emissions and consumption while minimizing noise. These final values optimizing combustion are called setpoints.
- the engine control is responsible for enforcing its set values.
- the parameter that one authorizes to control is the ignition angle of the mixture: ⁇ all .
- ( ⁇ all ) ref its reference value (given by the optimal point mapped to the engine test bench).
- the parameter that is sought to maintain constant is the crank angle CA y , that is to say the angle at which y percent of the fuel is consumed during combustion. It is sought to maintain this angle at a set value ( CA y ) ref of this angle for optimal combustion.
- the combustion half-angle: CA 50 is used . This is the crankshaft angle at which 50% of the fuel was consumed during the optimized combustion (combustion achieved with the setpoints).
- a pilot motor control system of the actuators are determined so that the values of the physical parameters P IVC , T IVC , X IVC , M IVC and ⁇ ivc are equal to their setpoints P ref , T ref , X ref , M ref , and ( ⁇ ivc ) ref .
- the adaptation of the control of the injected fuel mass to the dynamics of the air loop is conventionally carried out by the control of the combustion richness: indeed, the pollution control of the exhaust gases of the gasoline engines can be realized by a three-way catalyst. It can effectively treat the CO, HC and NO x produced by the combustion provided that the exhaust gases are globally neither oxidizing nor reducing.
- the strategy of control of the fuel mass injected is thus reduced to the estimate of the mass of air sucked into the cylinder starting from the parameters of the air loop. .
- the CA 50 (crankshaft angle at which 50% of the fuel burned) is the crankshaft angle that accounts for this combustion phase. It is conventionally accepted that each motor has a reference crankshaft angle ( CA 50 ) ref fixed, depending on the technical characteristics of the engine. The ignition strategy is then optimal if the CA 50 is regulated on its reference value ( CA 50 ) ref .
- the five P IVC , T IVC , M IVC , X IVC and ⁇ ivc parameters would reach their reference values P ref , T ref , M ref , X ref and ( ⁇ ivc ) ref instantly.
- the parameters P IVC , T IVC , M IVC , X IVC and ⁇ ivc are different from their reference value. The contents of the cylinder at the time of the valve closure is therefore different from the reference content for which the ignition strategy has been mapped.
- the figure 2 illustrates a chronology of combustion according to three situations. For each situation, the horizontal axis represents the crankshaft angle ⁇ . On these axes are identified: the set value ( ⁇ all ) ref of the ignition angle, the ignition angle ⁇ all , and the corrective term d ⁇ all .
- the figure 3 illustrates the three energy release curves Q as a function of the crankshaft angle ⁇ for the three situations described above ( figure 2 ).
- the method of controlling the ignition angle according to the invention is applicable to any combustion model as a differential equation.
- the calculation of the correction is done by linearizing the combustion model in p around the reference values p ref by introducing the deviations dp.
- the engine control system controls the ignition system of the fuel in the combustion chamber when the crankshaft angle is equal to the corrected setpoint value ( ⁇ all ) ref + d ⁇ all in order to maintain optimum combustion.
- An interest of the method is to directly connect the errors of the air loop with the correction to be applied to the control of the ignition via the matrix ⁇ . This is entirely calculable: it depends only on the combustion model, the reference values P ref , T ref , X ref and M ref and a certain number of known constants.
- the control strategy is schematized on the figure 4 .
- This figure illustrates a diagram of the calculation of the correction d ⁇ all of the ignition angle.
- the linearization matrix ( CAL-MAT ) is calculated. of the combustion model. Then we calculate the following coefficient: (( CA 50 ) ref - ( ⁇ all ) ref ) . ⁇ .
- the method according to the invention makes it possible to control the combustion of a spark ignition engine, by controlling the three dynamic loops separately, and by correcting the reference value of the ignition angle. This correction is determined so that the angle CA 50 is at its reference value. By applying this correction to the ignition angle, the angle CA 50 is thus maintained at its reference value, and consequently the same energy release is obtained as for the reference combustion (optimized).
- This model represents the volume of the cylinder in two zones (the burned zone and the unburned zone) separated by the flame front (modeled as an infinitely fine layer). During all combustion, the flame spreads from the burned area to the unburned area.
- the parameters of the model are: C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , ⁇ .
- An example of a numeric value (SI international system units) for these parameters is given in the following table: Parameter C 1 C 2 C 3 C 4 ⁇ Value 2.92 e -5 2.11 5.34 e 7 1.67 e -2 2.12
- CA50 can easily be substituted by any CAy angle.
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Description
- La présente invention concerne le domaine du contrôle moteur et plus particulièrement le contrôle de combustion des moteurs à allumage commandé.
- Le fonctionnement du moteur à allumage commandé (type essence) est basé sur la combustion d'un mélange d'air, de gaz brûlés et de carburant. Le cycle du moteur se décompose en quatre phases (
figure 1 ) : - Phase d'admission (ADM) : la soupape d'admission laisse entrer dans la chambre CHB le mélange d'air et de gaz brûlés. L'air est prélevé dans l'environnement extérieur du moteur. Les gaz brûlés sont prélevés dans la tubulure d'échappement ECH et ramené vers la tubulure d'admission (re-circulation de gaz brûlés EGR) et/ou ré aspiré par la soupape d'échappement (re-circulation interne de gaz brûlés iEGR). Le carburant est injecté pendant l'admission. Le dispositif de Variable Valve Timing (VTT) permet de décaler dans le temps les profils de levée des soupapes d'admission (VVTa) et d'échappement (VVTe). Ceci joue directement sur la composition des gaz ainsi que sur la turbulence dans la chambre de combustion.
- Phase de compression : Après que la soupape d'admission se ferme (IVC : intake valve closing), le piston PIS comprime les gaz.
- Phase de combustion : La bougie d'allumage BOUG produit une étincelle qui initie la combustion du mélange air, gaz brûlés, carburant, qui s'enflamme en libérant l'énergie chimique disponible dans le carburant, créant ainsi une surpression qui repousse le piston.
- Phase de détente : Une fois le piston redescendu, la soupape d'échappement s'ouvre, le mélange gazeux est alors évacué par la tubulure d'échappement.
- Le but du contrôle moteur est de garantir au conducteur le couple qu'il demande tout en minimisant le bruit et les émissions de polluants. Il faut donc régler aussi finement que possible le pilotage des quantités des différents gaz et du carburant.
- Pour réaliser un contrôle de combustion d'un moteur à allumage commandé, on connaît des méthodes permettant de déterminer le milieu de combustion à l'aide de capteurs montés sur le moteur. On connaît des méthodes se basant sur des mesures directes dans la chambre de combustion tels que celles fournies par :
- des capteurs de pression cylindre : Paljoo Yoon et al., "Closed-loop Control of Spark Advance and Air-fuel Ratio in SI Engines Using Cylinder Pressure", Society of Automotive Engineering World Congress, 2000-01-0933.
- des capteurs de courants d'ions dans la chambre de combustion : Lars Eriksen et al., "Closed loop Ignition Control by Ionization Current Interpretation", SAE 1997 Transactions, Journal of Engines, Vol. 106, Section 3, pp. 1216-1223, 1997.
- Cependant l'utilisation de tels capteurs sur des véhicules de série est rendue difficile du fait de leur coût très important. De plus, ces capteurs sont généralement sujets à des dérives relativement rapides.
- On connaît également des méthodes dans lesquelles les quantités et les phasages sont optimisés sur chaque point de fonctionnement statique (régime et couple) de manière à dégager une stratégie idéale à chaque point. On utilise donc un calibrage sur banc moteur pour dégager les valeurs optimales des trois jeux de données principaux :
-
- les masses d'air Mair et de gaz brûlés Mgb nécessaires dans la chambre de combustion.
- La pression et la température de ces gaz dans la chambre de combustion.
- La position des dispositifs de levée variable des soupapes (VVT) et notamment l'angle de fermeture de la soupape d'admission notée θivc .
- La masse de carburant Mf injectée dans la chambre de combustion (injection directement dans la chambre ou indirectement dans la pipe d'admission). Xfuel = (Mf )
- L'angle vilebrequin θall auquel apparaît l'étincelle (via la bougie), qu'on représentera par Xall = (θall ).
- Cependant ces stratégies se révèlent insuffisantes dans les phases transitoires. En effet, lors des phases de transition d'un point de fonctionnement à un autre (changement de vitesse du véhicule ou du profil de la route), le contrôle moteur supervise les différents actionneurs présents dans le moteur pour garantir le couple désiré tout en minimisant le bruit, les émissions de polluants et la consommation. Cela se traduit donc par le passage des valeurs des paramètres du point initial aux valeurs des paramètres du point final :
- Or, il existe dans le moteur deux échelles de temps. La plus rapide (50 Hz) correspond à l'ensemble du phénomène de combustion (1 cycle moteur). A cette échelle, on est capable de changer la stratégie de l'injection (Xfuel) et de l'allumage (Xall) pour piloter la combustion. La plus lente (1 Hz) correspond à la dynamique des gaz dans les tubulures du moteur (admission, échappement, re-circulation de gaz brûlés) et les inerties des actionneurs (turbo compresseur TC). On ne peut changer plus vite la stratégie de cette boucle d'air (Xair).
- Avec les méthodes actuelles, les variables pilotées (Xair ,Xfuel,Xall ) n'arrivent donc pas en même temps à leurs valeurs de consigne à cause de cette différence de dynamique. Les objectifs en production de couple, consommation, polluants, bruit sont donc respectés dans les phases statiques (les boucles dynamiques sont stabilisées à leurs valeurs de référence), en revanche, si on ne prend pas de précaution dans les phases transitoires, une partie des paramètres atteignant presque instantanément la valeur de consigne finale alors que l'autre partie est encore aux valeurs de consigne initiale, le moteur produit alors plus de polluants ou de bruit, et peut même dans certain cas s'éteindre.
- De plus, sans capteurs de pressions cylindre, les méthodes connues ne permettent pas de contrôler le phasage de la combustion pendant les phases transitoires. Or comme l'illustre les
figures 2 et 3 , ceci est insuffisant pour assurer le fonctionnement du moteur en transitoire. - L'objet de l'invention concerne un procédé pour assurer le contrôle de la combustion d'un moteur à allumage commandé, notamment en phase transitoire, tout en s'affranchissant des problèmes de l'art antérieur. Le procédé y parvient, d'une part en contrôlant les trois boucles dynamiques de manière séparée, et d'autre part en corrigeant la valeur de référence de l'angle d'allumage via un contrôle de l'angle CA50 .
-
WO 02/095191 - L'invention concerne un procédé de contrôle de combustion d'un moteur à allumage commandé selon la revendication 1. Dans ce procédé : - on détermine des valeurs de consigne de paramètres physiques liés à la combustion d'un mélange de gaz et de carburant dans une chambre de combustion, ainsi qu'une valeur de consigne (θall ) ref d'un angle vilebrequin d'allumage dudit mélange, lesdites valeurs de consigne étant déterminées de façon à optimiser la combustion, - un système de contrôle moteur pilote des actionneurs de façon à ce que les valeurs desdits paramètres physiques soient égales auxdites valeurs de consigne.
- Le procédé comporte les étapes suivantes :
- on corrige la valeur de consigne (θall ) ref avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, en calculant une correction dθall à appliquer à ladite valeur de consigne (θall ) ref , de façon à ce qu'un angle vilebrequin CAy , auquel y pour cent du carburant est consommé lors de la combustion, soit égale à une valeur de consigne de cet angle pour une combustion optimisée ;
- ledit système de contrôle moteur pilote l'allumage dudit mélange dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à ladite valeur de consigne (θall ) ref corrigée afin de conserver la combustion optimale.
- Selon l'invention, on détermine la correction dθall en tenant compte de différences dp entre des valeurs réelles p desdits paramètres physiques et lesdites valeurs de consignes pref desdits paramètres physiques. Pour ce faire, on utilise un modèle de combustion défini par une équation différentielle permettant de modéliser une évolution au cours du temps d'une masse de carburant consommée, et en linéarisant ce modèle de combustion en p autour des valeurs de consignes pref , puis en calculant une solution au premier ordre de la correction à apporter, de façon à ce que la correction dθall soit proportionnelle aux différences dp.
- Selon un mode de réalisation, on peut ainsi déterminer la correction dθall en appliquant les étapes suivantes :
- on détermine lesdites valeurs réelles desdits paramètres physiques ;
- on calcule lesdites différences dp entre lesdites valeurs réelles et lesdites valeurs de consignes ;
- on détermine ladite valeur de consigne (CAy ) ref de l'angle vilebrequin CAy, au moyen d'une intégration numérique dudit modèle de combustion en affectant à chaque paramètre du modèle sa valeur de consignes ;
- on calcule la matrice de linérarisation Λ du modèle de combustion en linéarisant le modèle de combustion en p autour des valeurs de consignes pref;
- on calcule la correction dθall au moyen de la formule suivante :
- Selon un mode de réalisation préférentiel, l'angle vilebrequin CAy est l'angle vilebrequin auquel cinquante pour cent du carburant est consommé lors de la combustion.
- Selon l'invention, les paramètres physiques sont choisis parmi les paramètres suivants au moment de la fermeture soupape : pression dans la chambre de combustion (PIVC ), température dans la chambre de combustion (TIVC ), rapport (XIVC ) entre une masse de gaz brûlés et une masse de gaz totale dans la chambre de combustion, masse (MIVC ) d'air dans le cylindre, et angle de fermeture d'une soupape d'admission (θivc ).
- Enfin, on peut adapter également une masse de carburant injectée dans la chambre de combustion, avant que les paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, au moyen d'un contrôle de la richesse de combustion.
- D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
-
- la
figure 1 illustre les différentes phases d'un cycle de combustion d'un moteur à allumage commandé. - la
figure 2 illustre une chronologie de combustion, en fonction de l'angle vilebrequin selon trois situations de contrôle de combustion : contrôle optimal (réalisé en phase stabilisée), contrôle actuel en phase transitoire sans contrôle du CA50 et contrôle souhaité en phase transitoire avec contrôle du CA50. - la
figure 3 illustre les trois courbes de dégagement d'énergie Q en fonction de l'angle vilebrequin θ pour les trois situations décrites enfigure 2 . - la
figure 4 illustre un schéma de calcul de la correction dθall de l'angle d'allumage. - Le procédé selon l'invention permet de contrôler le déroulement de la combustion d'un moteur à allumage commandé, en phase statique comme en phase transitoire. Il comporte un contrôle séparé et indépendant de la boucle d'air (boucle lente) et des boucles de fuel et d'allumage (boucles rapides), par une adaptation de la dynamique des boucles rapides de manière à être cohérent avec la boucle d'air. Le procédé permet ainsi une adaptation de Xfuel et Xall pour conserver les caractéristiques de la combustion demandée (à travers la demande de couple du conducteur). On limite ainsi l'impact sur les émissions de polluants et de bruit tout en garantissant au conducteur le couple demandé.
- Selon ce procédé, le contrôle de la combustion d'un moteur à allumage commandé s'effectue en cinq étapes :
- Lors des phases de transition d'un point de fonctionnement à un autre (changement de vitesse du véhicule ou du profil de la route), le contrôle moteur supervise les différents actionneurs présents dans le moteur pour garantir le couple désiré tout en minimisant le bruit, les émissions de polluants et la consommation. Cela se traduit donc par le passage des valeurs des paramètres Xair , Xfuel et Xall d'un point initial aux valeurs des paramètres d'un point final :
- Les valeurs finales sont définies de façon à optimiser la combustion, c'est-à-dire à brûler le maximum de carburant de façon à minimiser les émissions de polluants et la consommation tout en minimisant le bruit. Ces valeurs finales optimisant la combustion sont appelées valeurs de consigne. Le contrôle moteur est chargé de faire respecter ses valeurs consignes.
- Les paramètres physiques importants, régulés par la boucle d'air, sont la pression, la température, la composition chimique des gaz dans la chambre et l'angle de fermeture de la soupape d'admission. Idéalement, ces paramètres atteignent instantanément leur valeur consigne. En réalité, la lenteur de la boucle d'air fait qu'il existe une erreur sur ces paramètres Xair, entre leur valeur de consigne et leur valeur réelle, pendant toute la phase de transition. En conséquence, les paramètres thermodynamiques (masse, pression, température et taux de gaz brûlés) de la charge gazeuse aspirée dans le cylindre sont différents de leur valeur de consigne. On adapte le contrôle des boucles de fuel et d'allumage aux erreurs des paramètres suivants :
- P : La pression dans la chambre de combustion. Elle est fonction de l'angle vilebrequin θ.
- T : La température dans la chambre de combustion. Elle est fonction de l'angle vilebrequin θ.
- X : Le rapport entre la masse de gaz brûlés et la masse de gaz totale dans la chambre de combustion (paramètre entre 0 et 1). Il est fonction de l'angle vilebrequin θ.
- Mair : La masse d'air enfermée dans le cylindre.
- On distingue la valeur de ces paramètres au moment de la fermeture soupape (IVC) :
- PIVC : La pression dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape.
- TIVC : La température dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape.
- XIVC : Le rapport entre la masse de gaz brûlé et la masse de gaz totale dans la chambre de combustion au moment de la fermeture soupape.
- MIVC : La masse d'air dans le cylindre au moment de la fermeture soupape.
- θIVC : L'angle de fermeture de la soupape d'admission ; il influence directement la turbulence dans la chambre de combustion.
- Les valeurs de ces cinq paramètres sont déterminées en continue. Pour ce faire, on suppose que la composition (XIVC ) et la pression (PIVC ) dans le cylindre au moment de la fermeture soupape sont les mêmes que celles dans le collecteur d'admission où l'on dispose de mesures (par des capteurs ou des estimateurs). Nous estimons TIVC par la loi des gaz parfait
- Pour ces cinq paramètres physiques, liés à l'admission de comburant gazeux dans la chambre de combustion du moteur, les valeurs de consigne sont respectivement notées : Pref,Tref , Xref , Mref . et (θivc ) ref.
- Ces valeurs de consignes sont obtenues à partir d'une cartographie de consigne établie sur banc moteur : les valeurs de consigne de ces paramètres sont données par le point optimal cartographié au banc moteur (valeur que ces paramètres doivent atteindre). Ces valeurs de consigne sont déterminées de façon à optimiser la combustion. Ces paramètres sont liés par la relation des gaz parfait (PV=MRT) mais pour des raisons de simplicité, on n'explicite pas directement cette relation. Cela n'affecte en rien la méthode proposée.
- Selon l'invention, le paramètre qu'on s'autorise à contrôler est l'angle d'allumage du mélange : θall . On note (θall ) ref sa valeur référence (donnée par le point optimal cartographié au banc moteur). Le paramètre que l'on cherche à maintenir constant est l'angle vilebrequin CAy, c'est-à-dire l'angle auquel y pour cent du carburant est consommé lors de la combustion. On cherche à maintenir cet angle à une valeur de consigne (CAy ) ref de cet angle pour une combustion optimale. Selon un mode préférentiel, on utilise le l'angle de moitié de combustion : CA 50. Il s'agit de l'angle vilebrequin auquel 50% du carburant a été consommé pendant la combustion optimisée (combustion obtenue avec les valeurs de consigne).
- Une fois déterminées les valeurs de consigne Pref,Tref , Xref , Mref , et (θivc ) ref un système de contrôle moteur pilote des actionneurs de façon à ce que les valeurs des paramètres physiques PIVC, TIVC , XIVC, MIVC et θivc soient égales à leurs valeurs de consigne Pref,Tref, Xref , Mref , et (θivc ) ref.
- L'adaptation du pilotage de la masse de carburant injectée à la dynamique de la boucle d'air est classiquement effectuée par le contrôle de la richesse de combustion : en effet, la dépollution des gaz d'échappement des moteurs essence peut être réalisée par un catalyseur trois voies. Il permet de traiter efficacement les CO, HC et NOx produit par la combustion à condition que les gaz d'échappement ne soient globalement ni oxydant ni réducteur. On définit la richesse de combustion (λ), comme étant l'excédant de la masse d'air Mair par rapport à la masse de carburant Mf ramené au même rapport dans le cas de la combustion stoechiométrique (ce rapport stoechiométrique est noté PCO). On a donc
- La stratégie classique de contrôle de l'angle d'allumage θall est un pré positionnement dépendant du régime moteur, et de l'estimation de la masse d'air aspirée dans le cylindre (via une cartographie). Contrairement au contrôle de la masse de carburant, cette stratégie n'est pas optimale. En effet, si la masse de carburant injectée fournit un potentiel de couple, c'est le phasage de l'allumage qui garantit la bonne exploitation de ce potentiel.
- si l'allumage est trop précoce, la combustion est elle aussi précoce, provoquant une augmentation de pression pendant la phase de compression ce qui va à l'encontre de la production de couple.
- si l'allumage est trop tardif la combustion sera trop tardive et c'est toute la phase d'expansion qui se fera à une moindre pression. Le couple produit est alors plus faible.
- Le CA50 (angle vilebrequin auquel 50% du carburant a brûlé) est l'angle vilebrequin qui permet de rendre compte de ce phasage de combustion. Il est classiquement admis que chaque moteur possède un angle vilebrequin référence (CA50 ) ref fixé, dépendant des caractéristiques techniques du moteur. La stratégie d'allumage est alors optimale si le CA 50 est régulé sur sa valeur référence (CA 50) ref.
- Il est donc nécessaire de prendre en compte tous les paramètres thermodynamiques et physiques influençant la combustion pour piloter au mieux l'angle d'allumage. Le pré-positionnement classique de l'angle d'allumage, en fonction du régime moteur et de la masse d'air aspirée, est donc un début d'adaptation de la boucle d'allumage aux paramètres lents de la boucle d'air, mais il n'est pas complet. En effet, d'autres paramètres de la boucle d'air influencent la combustion :
- La pression dans la chambre de combustion
- La température dans la chambre de combustion.
- Le taux de gaz brûlés dans la chambre de combustion.
- La turbulence dans la chambre de combustion (via θivc ).
- Si le contrôle de la boucle d'air était parfait, les cinq paramètres PIVC, TIVC, MIVC , XIVC et θivc atteindraient leurs valeurs références Pref ,Tref , Mref , Xref et (θivc ) ref instantanément. En réalité, en phase transitoire, les paramètres PIVC,TIVC, MIVC, XIVC et θivc sont différents de leur valeur référence. Le contenu du cylindre au moment de la fermeture soupape est donc différent du contenu référence pour lequel a été cartographié la stratégie d'allumage.
- Il faut donc prendre en compte les erreurs de ces paramètres au moment de la fermeture soupape pour modifier l'angle d'allumage, de manière à conserver une combustion aussi proche que la combustion référence (combustion optimisée). On note :
- p le vecteur (PIVC ; TIVC ; MIVC ; XIVC ; θivc );
- pref le vecteur (Pref ; Tref ; Mref ; Xref ; (θivc ) ref ) ;
- dp le vecteur p-pref = (dP; dT; dM; dX; dθivc ), avec :
- Pour cela, on cherche un nouvel angle d'allumage corrigé (θall ) ref +dθall pour que l'angle CA50 soit à sa valeur de référence (dCA 50 = CA 50 - (CA 50) ref = 0). On cherche donc dθall tel que (voir
figures 2 et 3 pour les trois situations) : - si il n'y a pas d'erreur, c'est-à-dire si tous les paramètres ont atteint leur valeur de référence (dp = 0), on est exactement dans la situation du point de fonctionnement référence, on a donc dθall = 0 (situation ①).
- si les paramètres n'ont pas atteint leur valeur de référence (dp ≠ 0), la vitesse de la combustion n'est pas identique à celle de la combustion référence. On a donc un déphasage de la combustion et le CA50 n'est pas atteint à sa valeur référence (situation ②).
- pour contre balancer les erreurs dp ≠ 0, on introduit donc une correction angulaire dθall ≠ 0 sur l'angle d'allumage pour avoir le même phasage CA50 (situation ③).
- La
figure 2 illustre une chronologie de combustion selon trois situations. Pour chaque situation l'axe horizontal représente l'angle vilebrequin θ. Sur ces axes sont repérés : la valeur de consigne (θall ) ref de l'angle d'allumage, l'angle d'allumage θall , et le terme correctif dθall . Lafigure 3 illustre les trois courbes de dégagement d'énergie Q en fonction de l'angle vilebrequin θ pour les trois situations décrites précédemment (figure 2 ). - Pour déterminer la correction dθall , on réalise une modélisation du système de combustion. Selon un exemple particulier de réalisation, on peut utiliser un modèle de combustion défini par une équation différentielle permettant de modéliser l'évolution au cours du temps de la masse de carburant consommée par la combustion. Un tel modèle de combustion peut donc s'écrire sous la forme compacte suivante (l'annexe 1 illustre un exemple d'un tel modèle de combustion) :
- x : fraction massique de carburant brûlé (x est de dimension 1×1)
- y : autres variables dont la dynamique est nécessaire pour le modèle de combustion (pression, température...). y est de dimension 1×n avec
- p : paramètres de la boucle d'air à compenser durant les transitoires. p est de dimension 1×n avec
- θall : angle d'allumage du mélange
- f, g et h sont des fonctions entièrement connues (voir annexe 1 par exemple).
- On note que la méthode de contrôle de l'angle d'allumage selon l'invention est applicable à tout modèle de combustion sous forme d'équation différentielle.
- Le calcul de la correction se fait en linéarisant le modèle de combustion en p autour des valeurs références pref en introduisant les écarts dp.
- Au vu de la forme complexe du modèle de combustion, il est difficile de trouver une expression analytique de la correction dθall. En conséquence, on cherche une solution au premier ordre de la correction à apporter. De cette manière, la correction est proportionnelle à l'erreur de boucle d'air dp.
- Pour obtenir la correction, on procède comme suit :
- on réalise une analyse de sensibilité de l'équation différentielle (1) par rapport aux deux variables p et θall . On obtient ainsi la variation au premier ordre des états de l'équation différentielle (dx,dy) consécutifs à des variations quelconques de p et θall autour de leurs valeurs de référence.
- On traduit le fait qu'en présence de l'erreur dp et de la correction dθall le CA 50 ne doit pas être affecté (dCA 50 = 0) par une condition sur la sensibilité de l'état x : dx(θall ) = 0. On obtient donc une équation dans laquelle apparaissent dp et dθall. Par inversion de cette équation, on obtient une expression de dθall en fonction de dp et de toutes les variables présentes dans le modèle.
-
- Le système de contrôle moteur pilote le système d'allumage du carburant dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à la valeur corrigée de consigne (θall ) ref + dθall afin de conserver la combustion optimale.
- Un intérêt de la méthode est de relier directement les erreurs de la boucle d'air avec la correction à appliquer sur la commande de l'allumage via la matrice Λ. Celle-ci est entièrement calculable : elle ne dépend que du modèle de combustion, des valeurs de références Pref,Tref,Xref et Mref et d'un certain nombre de constantes connues.
- En appliquant la correction précédente sur l'angle d'allumage, on assure (au premier ordre) que l'angle CA 50 est à sa valeur de référence. Petit à petit, la boucle d'air amène les erreurs dP,dT,dX et dM vers zéro, la correction disparaît donc dans les phases statiques stabilisées. La stratégie de contrôle est schématisée sur la
figure 4 . Cette figure illustre un schéma du calcul de la correction dθall de l'angle d'allumage. Après avoir estimé ou mesuré (EST-ACT) les valeurs réelles des paramètres p, déterminé (DET-CONS) les valeurs de consignes pref de ces paramètres et (θall ) ref , on calcule la matrice de linérarisation (CAL-MAT) du modèle de combustion. Ensuite, on calcule le coefficient suivant : ((CA 50) ref -(θall ) ref ).Λ. - Pour cela on a donc besoin de la valeur de (CA 50) ref (valeur de l'angle de milieu de combustion de la combustion de référence). On utilise donc le système différentiel (1) (modèle de combustion) avec les valeurs de référence pref et (θall ) ref pour conditions initiales. On obtient le système suivant:
- Par intégration numérique de ce système, on détermine la valeur de l'angle θ lorsque xref = 0.5. Cet angle correspond à la valeur de (CA 50) ref.
-
- Ainsi le procédé selon l'invention permet d'assurer le contrôle de la combustion d'un moteur à allumage commandé, en contrôlant les trois boucles dynamiques de manière séparée, et en corrigeant la valeur de référence de l'angle d'allumage. Cette correction est déterminée de façon à ce que l'angle CA50 soit à sa valeur de référence. En appliquant cette correction à l'angle d'allumage, on maintient donc l'angle CA50 à sa valeur de référence, et par conséquent, on obtient le même dégagement d'énergie que pour la combustion de référence (optimisée).
- Un exemple de modèle de combustion défini par une équation différentielle est présenté dans le document suivant :
F.-A. Lafossas, et al., "Application of a new 1d combustion model to gasoline transient engine opration," in Proc. SAE World Congress, no. 2005-01-2107, 2005. - Ce modèle représente le volume du cylindre en deux zones (la zone brûlée et la zone non-brûlée) séparée par le front de flamme (modélisé comme une couche infiniment fine). Pendant toute la combustion, la flamme se propage de la zone brûlée vers la zone non-brûlée. Les équations du modèle sont les suivantes :
Symb. Quantity Unit Nc Régime moteur rpm θ angle vilebrequin [deg] θivc angle vilebrequin de l'ivc [deg] θTDC angle vilebrequin de la position haute du piston [deg] θall angle vilebrequin de l'allumage du mélange [deg] V(θ) Volume du cylindre m3 Vivc Volume du cylindre l'ivc m3 P(θ) pression dans le cylindre Pa Pivc pression dans le cylindre à l'ivc Pa T(θ) température dans le mélange K Tivc température dans le mélange à l'ivc K Tu (θ) température de la zone non-brûlée K AFRs richesse à la stoechiométrie - minj Masse de carburant injectée kg mair Masse d'air admise kg mbg taux de gaz brûlé dans la chambre de combustion kg mf masse de carburant brûlée pendant la combustion (va de 0 à Mf) kg ρu densité dans la zon non brûlée kg/m3 (ρu ) ivc densité dans la zone non-brûlée à l'ivc kg/m3 Yu fraction massique de carburant dans la zone non-brûlée - U vitesse de flamme laminaire m/s Ξ plissement due à la turbulence - γ Indice adiabatique - PMI Pression moyenne indiquée bar QLHV Energie massique disponible dans le carburant J/kg A Surface du piston m2 Sfl Surface de la flamme m2 Sgeo Surface de flamme géométrique (sans le plissement) m2 fvol Volume de flamme minimal (initiation du volume de flamme) m3 x fraction massique de carburant brûlée - y P.V γ (variable représentant la pression dans la chambre) Pa m3γ -
- Enfin, les paramètres du modèle sont : C 1,C 2,C 3,C 4,α. Un exemple de valeur numérique (unités du système international SI) pour ces paramètres est donné dans le tableau suivant :
Paramètre C 1 C 2 C 3 C 4 α Valeur 2.92 e-5 2.11 5.34 e7 1,67 e-2 2.12 -
- Dans ces équations le terme CA50 peut facilement être substitué par tout angle CAy.
Claims (4)
- Procédé de contrôle de combustion d'un moteur à allumage commandé, dans lequel :- on détermine une valeur de consigne d'un angle vilebrequin d'allumage dudit mélange, ainsi que des valeurs de consigne de paramètres physiques liés à la combustion d'un mélange de gaz et de carburant dans une chambre de combustion, lesdites valeurs de consigne étant déterminées de façon à optimiser la combustion, et lesdits paramètres physiques étant choisis parmi les paramètres suivants au moment de la fermeture soupape : pression dans la chambre de combustion (PIVC ), température dans la chambre de combustion (TIVC ), rapport (XIVC ) entre une masse de gaz brûlés et une masse de gaz totale dans la chambre de combustion, masse (MIVC ) d'air dans le cylindre, et angle de fermeture d'une soupape d'admission (θivc ) ;- un système de contrôle moteur pilote des actionneurs de façon à ce que les valeurs desdits paramètres physiques soient égales auxdites valeurs de consigne, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes :- on utilise un modèle de combustion modélisant par une équation différentielle une évolution au cours du temps d'une masse de carburant consommée ;- on corrige la valeur de consigne de l'angle vilebrequin d'allumage avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, en calculant une correction dθall à appliquer à ladite valeur de consigne de l'angle vilebrequin d'allumage, de façon à ce qu'un angle vilebrequin CAy , auquel y pour cent du carburant est consommé lors de la combustion, soit égal à une valeur de consigne de cet angle pour une combustion optimisée, ladite correction dθall étant déterminée en tenant compte de différences dp entre des valeurs réelles p desdits paramètres physiques et lesdites valeurs de consignes pref desdits paramètres physiques, au moyen d'une linéarisation dudit modèle de combustion en p autour des valeurs de consignes pref , puis en calculant une solution au premier ordre de la correction à apporter, de façon à ce que la correction dθall soit proportionnelle auxdites différences dp.;- ledit système de contrôle moteur pilote l'allumage dudit mélange dans la chambre de combustion lorsque l'angle vilebrequin est égal à ladite valeur de consigne de l'angle vilebrequin d'allumage corrigée afin de conserver la combustion optimale.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine ladite correction dθall en appliquant les étapes suivantes :- on détermine lesdites valeurs réelles desdits paramètres physiques ;- on calcule lesdites différences dp entre lesdites valeurs réelles et lesdites valeurs de consignes ;- on détermine ladite valeur de consigne de l'angle vilebrequin CAy, au moyen d'une intégration numérique dudit modèle de combustion en affectant à chaque paramètre du modèle sa valeur de consignes ;- on calcule la matrice de linérarisation A du modèle de combustion en linéarisant le modèle de combustion en p autour des valeurs de consignes pref ;
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'angle vilebrequin CAy est l'angle vilebrequin auquel cinquante pour cent du carburant est consommé lors de la combustion.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on adapte également une masse de carburant injectée dans la chambre de combustion, avant que lesdits paramètres physiques n'atteignent leurs valeurs de consigne, au moyen d'un contrôle de la richesse de combustion.
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