FR2862089A1 - Cylinder pressure determining device for vehicles internal combustion engine, has resistive band fitted in main bearing to detect forces exerted on bearing, due to variation of pressure in cylinders during engine operation - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de détermination de laThe present invention relates to a device for determining the
pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne. pressure in the cylinders of an internal combustion engine.
La connaissance de la pression régnant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne est importante en vue d'en améliorer ses performances. Knowing the pressure in the cylinders of an internal combustion engine is important in order to improve its performance.
En effet, une telle information peut- être utilisée pour: o Détecter le cylindre qui est en phase de compression lors du démarrage et permettre ainsi l'optimisation et la synchronisation de l'injection, o Suivre et analyser la combustion qui a lieu dans les cylindres afin de détecter les phénomènes de cliquetis ou de ratés de combustion, o Evaluer le couple moteur, o Optimiser l'avance à l'allumage. Indeed, such information can be used to: o Detect the cylinder that is in the compression phase during start-up and thus allow optimization and synchronization of the injection, o Monitor and analyze the combustion that takes place in the cylinders to detect rattling or misfiring phenomena, o to evaluate engine torque, o to optimize ignition timing.
Il est alors possible de se passer de capteurs dédiés à la détection des phénomènes ainsi suivis (capteurs de cliquetis ou capteurs de position d'arbre à cames) et d'accroître l'efficacité de la détection des ratés de combustion et de l'optimisation de l'équilibrage des cylindres. It is then possible to dispense with sensors dedicated to the detection of the phenomena thus monitored (knock sensors or camshaft position sensors) and to increase the efficiency of the detection of misfires and optimization. balancing cylinders.
Des capteurs de mesure de la pression dans les cylindres sont utilisés de longue date dans les centres de recherche et de développement afin de permettre la mise au point et la calibration des moteurs, mais n'ont pas été montés sur les moteurs fabriqués en grande série à ce jour, essentiellement en raison de leur coût unitaire et des conditions sévères régnant dans la chambre de combustion et son voisinage immédiat. Cylinder pressure sensors have long been used in research and development centers to enable the development and calibration of engines, but have not been mounted on mass-produced engines to date, mainly because of their unit cost and severe conditions prevailing in the combustion chamber and its immediate vicinity.
En outre, les capteurs de mesure de la pression dans les cylindres connus nécessitent d'être affectés à un seul cylindre, ce qui accroît le coût du dispositif global. In addition, sensors for measuring the pressure in known cylinders need to be assigned to a single cylinder, which increases the cost of the overall device.
Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne avec un nombre restreint de capteurs et pour un coût compatible avec les exigences économiques de la production en grande série. The object of the present invention is therefore to provide a device for determining the pressure in the cylinders of an internal combustion engine with a limited number of sensors and at a cost compatible with the economic requirements of mass production.
Suivant l'invention, le dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne est remarquable en ce qu'il comprend au moins un capteur de force disposé dans l'un au moins des paliers principaux du vilebrequin du moteur et apte à détecter les forces engendrées sur ce palier sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur. According to the invention, the device for determining the pressure in the cylinders of an internal combustion engine is remarkable in that it comprises at least one force sensor arranged in at least one of the main bearings of the engine crankshaft. and able to detect the forces generated on this bearing under the effect of pressure variations exerted in the cylinders during operation of the engine.
Ainsi, le capteur de force est placé dans un environnement moins agressif, ce qui est favorable à sa longévité et est compatible avec la production en grande série. Thus, the force sensor is placed in a less aggressive environment, which is favorable to its longevity and is compatible with mass production.
En outre, il est ainsi possible de mesurer la pression dans plusieurs cylindres au 35 moyen d'un seul capteur, ce qui permet de réduire les coûts. In addition, it is thus possible to measure the pressure in several cylinders by means of a single sensor, thereby reducing costs.
De plus, la sensibilité d'un tel dispositif aux bruits mécaniques tels que celui des soupapes est très faible au regard d'un capteur de cliquetis, par exemple, qui fonctionne sur la base des vibrations détectées. Ceci permet une meilleure détection du cliquetis et moins d'efforts de calibration à mettre en oeuvre lors de la mise au point du dispositif. In addition, the sensitivity of such a device to mechanical noise such as that of the valves is very low compared to a knock sensor, for example, which operates on the basis of the vibrations detected. This allows a better detection of the knock and less calibration efforts to implement during the development of the device.
Enfin, par rapport aux dispositifs connus de détermination des ratés de combustion et d'estimation du couple moteur basés sur des fluctuations de la vitesse d'un capteur de position d'arbre à cames, le dispositif conforme à l'invention permet une mesure plus précise. Finally, compared to the known devices for determining misfires and estimating the engine torque based on speed fluctuations of a camshaft position sensor, the device according to the invention allows a measurement more precise.
Selon un premier mode de réalisation du dispositif, ledit capteur est une bande en 10 matériau résistif insérée dans le palier du vilebrequin de telle sorte que la valeur ohmique de cette bande puisse varier en fonction de la force exercée sur le palier. According to a first embodiment of the device, said sensor is a strip of resistive material inserted in the crankshaft bearing so that the resistance value of this band can vary as a function of the force exerted on the bearing.
Selon un second mode de réalisation du dispositif, ledit capteur est un anneau en matériau piézo électrique inséré dans le palier, de telle sorte que la tension électrique mesurée aux bornes de cet anneau puisse varier en fonction de la force exercée sur ledit palier. According to a second embodiment of the device, said sensor is a ring of piezoelectric material inserted in the bearing, so that the electrical voltage measured at the terminals of this ring may vary as a function of the force exerted on said bearing.
Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres dont le vilebrequin est monté sur cinq paliers, de préférence, un capteur de force est inséré dans le deuxième et le quatrième palier. In the case of a four-cylinder engine whose crankshaft is mounted on five bearings, preferably a force sensor is inserted in the second and fourth bearings.
L'invention se rapporte également au procédé associé au dispositif précédemment 20 décrit. The invention also relates to the method associated with the device previously described.
Avantageusement, la détermination de la pression dans les cylindres est effectuée à partir de la différence entre les mesures effectuées sur au moins deux paliers du vilebrequin. Advantageously, the determination of the pressure in the cylinders is made from the difference between the measurements made on at least two bearings of the crankshaft.
Ainsi, il est possible de s'affranchir de paramètres tels que la force centrifuge générée sur les paliers principaux par l'ensemble mobile (constitué des pistons, des bielles et du vilebrequin) pour ne retenir que la force liée à la pression s'exerçant dans le cylindre sur le piston associé. Thus, it is possible to overcome parameters such as the centrifugal force generated on the main bearings by the movable assembly (consisting of pistons, connecting rods and crankshaft) to retain only the force related to the pressure exerted in the cylinder on the associated piston.
Dans un autre mode de réalisation, la détermination de la pression dans les cylindres du moteur est réalisée à partir de la différence des mesures effectuées sur le même palier, à au moins deux instants distincts du cycle du moteur. Ceci permet de mettre en oeuvre le procédé au moyen d'un seul capteur. In another embodiment, the determination of the pressure in the engine cylinders is made from the difference of the measurements made on the same bearing, at least two distinct instants of the engine cycle. This makes it possible to implement the method by means of a single sensor.
Il est également prévu de corriger la mesure déterminée au moyen du(des) capteur(s) grâce à un apprentissage adaptatif s'exerçant sur plusieurs cycles du moteur. It is also planned to correct the measurement determined by means of the sensor (s) through adaptive learning over several cycles of the engine.
Ainsi, des paramètres inhérents à chaque moteur, tels que les défauts d'équilibrage des éléments de l'équipage mobile (pistons, bielles et vilebrequin) peuvent être pris en compte et intégrés au procédé afin d'en accroître les performances. Thus, parameters inherent to each engine, such as balancing faults of the elements of the mobile equipment (pistons, connecting rods and crankshaft) can be taken into account and integrated into the process in order to increase its performance.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront plus nettement au long de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et où: - la figure 1 est une vue en coupe d'un palier principal du vilebrequin d'un moteur équipé d'un dispositif conforme à l'invention et présentant un capteur de force constitué d'une bande résistive et inséré dans ledit palier, - la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un palier principal dans lequel est inséré un capteur de force constitué d'un anneau en matériau piézo électrique, - la figure 3 est un graphique donnant le relevé de la force exercée sur un capteur conforme à l'invention en fonction de la position du vilebrequin. Other features and advantages of the invention will appear more clearly throughout the description below, with reference to the accompanying drawings, given by way of non-limiting examples and where: - Figure 1 is a sectional view of a main bearing of the crankshaft of an engine equipped with a device according to the invention and having a force sensor consisting of a resistive band and inserted in said bearing; - FIG. 2 is a partial sectional view of a main bearing in which is inserted a force sensor consisting of a ring of piezoelectric material, - Figure 3 is a graph giving the survey of the force exerted on a sensor according to the invention according to the position of the crankshaft. .
Dans l'exemple représenté à la figure 1, le dispositif de détermination de la pression dans les cylindres d'un moteur thermique comprend un capteur de force 1 disposé dans un palier principal 2 du vilebrequin 3 du moteur. Ce capteur 1 est apte à détecter les forces engendrées sur le palier 2 sous l'effet des variations de pression exercées dans les cylindres lors du fonctionnement du moteur et qui se répercutent sur le palier par l'intermédiaire du piston et de sa bielle (non représentés). In the example shown in Figure 1, the device for determining the pressure in the cylinders of a heat engine comprises a force sensor 1 disposed in a main bearing 2 of the crankshaft 3 of the engine. This sensor 1 is able to detect the forces generated on the bearing 2 under the effect of pressure variations exerted in the cylinders during operation of the engine and which have repercussions on the bearing via the piston and its connecting rod (no shown).
Le capteur 1 est ici constitué d'une bande en matériau résistif insérée dans le palier 2 de telle sorte que la valeur ohmique de cette bande puisse varier en fonction de la force F exercée sur ledit palier 2. Le capteur 1 est encastré à l'intérieur du métal de la partie inférieure 2a du palier qui est fixée de façon amovible au bloc moteur 4. Le capteur 1 subit ainsi les mêmes contraintes que celles s'appliquant à la partie inférieure 2a du palier sous l'effet de la force F engendrée par la pression générée dans le cylindre. The sensor 1 here consists of a strip of resistive material inserted in the bearing 2 so that the resistance value of this band can vary according to the force F exerted on said bearing 2. The sensor 1 is embedded in the inside the metal of the lower part 2a of the bearing which is removably attached to the engine block 4. The sensor 1 thus undergoes the same constraints as those applying to the lower part 2a of the bearing under the effect of the force F generated by the pressure generated in the cylinder.
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, le capteur 1 a est de forme annulaire et son élément sensible est constitué d'un matériau piézo électrique. Ledit capteur 1 a est monté dans le plan d'assemblage de la partie inférieure 2a du palier et du bloc moteur 4, de telle sorte que le capteur la subit les cycles successifs de compression et de détente liés aux variations de pression dans les cylindres. L'élément piézo électrique du capteur délivre alors une tension électrique, mesurée à ses bornes, qui varie en fonction de la force exercée sur le palier 2. In the embodiment shown in FIG. 2, the sensor 1a is of annular shape and its sensitive element consists of a piezoelectric material. Said sensor 1a is mounted in the assembly plane of the lower part 2a of the bearing and the engine block 4, so that the sensor undergoes the successive cycles of compression and expansion related to pressure variations in the cylinders. The piezoelectric element of the sensor then delivers an electric voltage, measured at its terminals, which varies according to the force exerted on the bearing 2.
La nature des capteurs 1,1a importe peu et ne saurait se limiter à ceux décrits ci dessus. Ils doivent néanmoins présenter une sensibilité suffisante sur une large plage de fréquences afin de pouvoir détecter les différents phénomènes attendus: détermination du cylindre en phase de compression au démarrage (signaux de basse fréquence et de faible amplitude), identification des ratés de combustion à grande vitesse et sous faible charge (signaux de fréquence moyenne et de faible amplitude), identification de l'apparition du cliquetis (signaux de haute fréquence et de grande amplitude). The nature of the sensors 1,1a does not matter and can not be limited to those described above. Nevertheless, they must have sufficient sensitivity over a wide range of frequencies in order to be able to detect the various expected phenomena: determination of the cylinder during compression at start-up (low frequency and low amplitude signals), identification of high-speed combustion misfires and under low load (medium frequency and low amplitude signals), identification of the occurrence of knock (high frequency and high amplitude signals).
Le dispositif conforme à l'invention fonctionne comme décrit ci-après, en référence à la figure 1. The device according to the invention operates as described below, with reference to FIG.
Un circuit électrique de conformation du signal 5, relié au capteur 1 et à la masse, détecte une variation de la valeur ohmique du capteur 1 et génère en conséquence un signal électrique en direction d'un circuit de traitement du signal 6 qui traite ce signal et envoi les informations vers un calculateur (non représenté) qui gère le fonctionnement du moteur à combustion interne. An electrical signal conforming circuit 5, connected to the sensor 1 and to the ground, detects a variation of the resistance value of the sensor 1 and consequently generates an electrical signal in the direction of a signal processing circuit 6 which processes this signal. and sending the information to a computer (not shown) that manages the operation of the internal combustion engine.
Les signaux sont échantillonnés une ou plusieurs fois pour chaque cylindre au voisinage du point mort haut (PMH). La stratégie d'échantillonnage, le nombre de mesures et le filtrage du signal peuvent être ajustés en fonction des conditions de fonctionnement du moteur (régime, charge, avance à l'allumage) et du phénomène à identifier et / ou à suivre. The signals are sampled one or more times for each cylinder in the vicinity of the top dead center (TDC). The sampling strategy, the number of measurements and the signal filtering can be adjusted according to the operating conditions of the engine (speed, load, ignition timing) and the phenomenon to be identified and / or followed.
Il est à noter qu'il n'est pas nécessaire de placer un capteur 1,l a dans chaque palier principal 2. Un ou deux capteurs suffisent. It should be noted that it is not necessary to place a sensor 1, l has in each main stage 2. One or two sensors are sufficient.
En effet, comme rappelé précédemment, il est important de connaître la pression dans le cylindre au voisinage du point mort haut (PMH). Un capteur conforme à l'invention et placé sur un palier principal peut donc mesurer la pression des cylindres adjacents au dit palier principal, pour autant que ces deux pistons ne parviennent pas au point mort haut (PMH) au même instant. Indeed, as mentioned above, it is important to know the pressure in the cylinder near the top dead center (TDC). A sensor according to the invention and placed on a main bearing can therefore measure the pressure of the cylinders adjacent to said main bearing, provided that these two pistons do not reach the top dead center (TDC) at the same time.
Ainsi, pour un moteur à combustion interne comportant quatre cylindres en ligne et équipé d'un vilebrequin mobile en rotation dans cinq paliers principaux, deux capteurs placés sur le deuxième et le quatrième palier principal suffisent à déterminer la pression de tous les cylindres. L'ordre habituel d'allumage, et donc de compression, des cylindres ("1-34-2") induit bien que les deux cylindres voisins de chaque capteur intégré aux paliers n 2 et n 4, respectivement les cylindres n 1 et n 2 et n 3 et n 4, ne parviennent pas aux points morts hauts (PMH) de compression et d'allumage de manière concomitante. Thus, for an internal combustion engine having four cylinders in line and equipped with a crankshaft movable in rotation in five main bearings, two sensors placed on the second and fourth main bearing are sufficient to determine the pressure of all the cylinders. The usual order of ignition, and therefore of compression, of the rolls ("1-34-2") induces although the two neighboring cylinders of each sensor integrated in the bearings n 2 and n 4, respectively the cylinders n 1 and n 2 and 3 and 4, do not reach concomitant high compression and ignition dead spots (TDC).
Il est à noter que dans le cas particulier d'un moteur en "V", les deux séries de cylindres présentent un angle (l'angle d'ouverture du "V") entre elles. Avantageusement, les forces sont mesurées dans la direction comprise dans le plan de symétrie dudit'/". It should be noted that in the particular case of a "V" engine, the two series of cylinders have an angle (the opening angle of the "V") between them. Advantageously, the forces are measured in the direction included in the plane of symmetry of said '/'.
Une illustration du signal généré par un dispositif conforme à l'invention est donnée à la figure 3. II y est représenté, pour un moteur à quatre temps équipé de quatre cylindres disposés en ligne, la force exercée sur un palier principal du vilebrequin. En abscisse, l'axe X représente la position angulaire du vilebrequin sur 720 de rotation, c'est à dire sur un cycle complet du moteur à combustion interne. En ordonnée, l'axe Y donne la force relevée par le capteur en Newtons. La courbe 10 issue du capteur intégré au palier principal 2 met ici en évidence l'identification claire et aisée des points morts hauts du vilebrequin présentant une compression (points P et Q respectivement situés à 360 et 540 ) par rapport aux points morts hauts sans compression (points M et N respectivement situés à 0 et 180 ). An illustration of the signal generated by a device according to the invention is given in Figure 3. It is shown, for a four-stroke engine equipped with four cylinders arranged in line, the force exerted on a main bearing of the crankshaft. In abscissa, the X axis represents the angular position of the crankshaft on 720 rotation, that is to say on a complete cycle of the internal combustion engine. On the ordinate, the Y axis gives the force detected by the sensor in Newtons. The curve 10 from the sensor integrated in the main bearing 2 highlights the clear and easy identification of the top dead centers of the crankshaft having a compression (points P and Q respectively located 360 and 540) compared to the high dead centers without compression (M and N points respectively at 0 and 180).
Afin d'obtenir une valeur de la pression régnant dans le cylindre souhaité (cf. figure 3), il est nécessaire de soustraire à la valeur mesurée celle résultant de la somme des forces centrifuges s'exerçant sur l'équipage mobile. Ceci peut être réalisé en soustrayant les signaux issus de deux capteurs placés dans des paliers distincts. Dans l'exemple précédent du moteur à quatre cylindres en ligne et comportant un vilebrequin reposant sur cinq paliers principaux dont les paliers n 2 et n 4 intègrent des capteurs, la différence des signaux mesurés donnera une valeur affranchie des forces centrifuges. In order to obtain a value of the pressure prevailing in the desired cylinder (see FIG. 3), it is necessary to subtract from the measured value that resulting from the sum of the centrifugal forces acting on the moving element. This can be done by subtracting the signals from two sensors placed in separate bearings. In the preceding example of the four-cylinder in-line engine and comprising a crankshaft resting on five main bearings whose bearings n 2 and n 4 integrate sensors, the difference of the measured signals will give a value free of centrifugal forces.
En effet, les deux paliers principaux, ainsi que les capteurs intégrés à ceux-ci, reçoivent les mêmes efforts liés aux forces centrifuges, mais seul l'un des deux voit s'y ajouter les forces liées à la pression issue d'une compression ou d'une combustion. Puisque un seul piston est en position de combustion au point mort haut à la fois sur ce moteur, il est possible de déterminer la pression exacte et de l'attribuer ensuite au dit piston et à son cylindre. Indeed, the two main bearings, and the sensors integrated therein, receive the same forces related to the centrifugal forces, but only one of the two is added to the forces related to the pressure resulting from compression or a combustion. Since only one piston is in the top dead center combustion position on this engine, it is possible to determine the exact pressure and then assign it to said piston and its cylinder.
Pour un type de moteur donné (géométrie de l'implantation des cylindres, alésage, course, compression...), le signal reçu est caractéristique d'un cylindre précis à chaque point mort haut. Il est alors possible, par comparaison entre des tables de valeurs entrées en mémoire (comportant les valeurs nominales attendues) et les valeurs mesurées, de déterminer l'évolution de la pression observée en rapport avec sa valeur attendue. Cette comparaison peut être réalisée par comparaison analogique des signaux ou bien numériquement au moyen d'un calculateur embarqué par exemple. For a given engine type (cylinder layout geometry, bore, stroke, compression, etc.), the received signal is characteristic of a precise cylinder at each top dead center. It is then possible, by comparison between tables of values entered in memory (with the expected nominal values) and the measured values, to determine the evolution of the observed pressure in relation to its expected value. This comparison can be performed by analog comparison of the signals or numerically by means of an onboard computer for example.
Une variante de la présente invention consiste à réaliser la détermination de la pression dans le cylindre en question au moyen d'un seul capteur. Pour un même cylindre et un même capteur, les valeurs mesurées lors de deux points morts hauts sont comparées, l'un correspondant au point mort haut de la phase d'échappement et l'autre à celui de la combustion du cycle moteur dudit cylindre. An alternative of the present invention is to realize the determination of the pressure in the cylinder in question by means of a single sensor. For the same cylinder and the same sensor, the values measured at two top dead centers are compared, one corresponding to the top dead center of the exhaust phase and the other to that of the combustion of the engine cycle of said cylinder.
Les valeurs servant de comparaison peuvent avantageusement être des valeurs filtrées ou moyennées sur plusieurs révolutions du vilebrequin, afin de s'affranchir au maximum des incertitudes de mesurage. The values used for comparison may advantageously be filtered or averaged values over several revolutions of the crankshaft, in order to overcome the uncertainties of measurement as much as possible.
Une fois que le signal représentatif de la pression cylindre est obtenu et attribué à un cylindre spécifique, que les erreurs systématiques sont corrigées, les écarts entre les valeurs nominales attendues et celles mesurées peuvent être corrigés par un procédé d'apprentissage adaptatif. Ces écarts peuvent en effet résulter de défauts d'équilibrage de l'équipage mobile par exemple et il est bon de les intégrer afin de pouvoir différencier ultérieurement plus aisément une variation liée à un phénomène à surveiller (cliquetis, ratés de combustion...). Cet apprentissage est de préférence réalisé dans des phases précises de fonctionnement du moteur, afin de garantir de bonnes conditions d'apprentissage. Il est par exemple suggéré de les réaliser durant les phases de coupure d'alimentation de l'injection de carburant (phases de décélération du véhicule). Once the signal representative of the cylinder pressure is obtained and assigned to a specific cylinder, that the systematic errors are corrected, the differences between the expected nominal values and those measured can be corrected by an adaptive learning method. These deviations can indeed result from balancing faults of the mobile equipment for example and it is good to integrate them in order to later differentiate more easily a variation related to a phenomenon to monitor (rattling, misfires ...) . This learning is preferably performed in specific phases of engine operation, to ensure good learning conditions. It is for example suggested to carry them out during the phases of fuel injection power failure (deceleration phases of the vehicle).
La pression corrigée est ensuite exploitable pour la détection du cliquetis, l'estimation du couple ou bien encore pour la détection des ratés de combustion, de la même manière que si un capteur de pression avait été placé dans chaque cylindre. The corrected pressure can then be used for the detection of knock, the estimation of the torque or even for the detection of misfires, in the same way as if a pressure sensor had been placed in each cylinder.
Lors du démarrage, la pression mesurée permet avantageusement de déterminer quel cylindre est correctement positionné pour accepter une injection de carburant et il est alors possible de synchroniser rapidement ladite injection, source de diminution de la pollution générée par le moteur. During start-up, the measured pressure advantageously makes it possible to determine which cylinder is correctly positioned to accept a fuel injection and it is then possible to synchronize rapidly said injection, a source of reduction of the pollution generated by the engine.
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