WO2011001057A2 - Système de calibration du domaine de fonctionnement d'un moteur suralimente a combustion interne - Google Patents
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- WO2011001057A2 WO2011001057A2 PCT/FR2010/051145 FR2010051145W WO2011001057A2 WO 2011001057 A2 WO2011001057 A2 WO 2011001057A2 FR 2010051145 W FR2010051145 W FR 2010051145W WO 2011001057 A2 WO2011001057 A2 WO 2011001057A2
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Definitions
- the invention relates to the field of regulation of internal combustion engines, and more particularly that of turbocharged supercharged engines.
- the operating parameters of such engines in particular the quantity of fuel injected at each engine cycle, and the supercharging pressure, ie the air pressure at the intake manifold at the inlet of the engine, engine cylinder, are established by maps, for example depending on the operating point (torque, speed) of the engine, under standard operating conditions of this engine. These maps are established for an altitude, an outside temperature, and a given loading level of the engine depollution means, for example a certain level of loading of a particulate filter.
- the turbocharger may pack and exceed a critical speed, which may lead to the lifting of material on the compressor wheel.
- a critical speed which may lead to the lifting of material on the compressor wheel.
- several engine reference maps are established for different altitude parameters: outside temperature and exhaust backpressure value. The realization of these maps requires many measurements on suitable altimetry benches, the number of measurements being further multiplied by the different engine versions proposed for each vehicle.
- the object of the invention is to propose a calibration system making it possible to determine fuel quantity maps to be injected and supercharging pressure maps, mappings adapted to control a supercharged engine under different conditions of temperature and atmospheric pressure, or to different exhaust backpressure conditions by performing a limited number of physical measurements on the vehicle.
- the invention relates to a calibration system for turbocharged turbocharged internal combustion engines, comprising a human-machine interface and an export module.
- the human-machine interface makes it possible to define a list of values comprising at least two temperatures, two pressures, a speed of rotation, and an adimensional value.
- the interface also provides access to temperature and pressure maps according to a table of operating points of an engine, for example by means of an interactive field making it possible to select a computer path to a file containing data. measurement results data on test bench.
- the interface also allows to enter one or more values from which it is possible to define an atmospheric temperature, an atmospheric pressure, or a counterpressure to the exhaust of an engine.
- the export module is capable of transmitting or displaying a map of a quantity of fuel injected as a function of engine speed, and a map of pressures or a map of positions of valve (s) or vane (s). ), according to a scheme engine.
- the export module can display these maps on a screen, and transmit them simultaneously to a recording medium different from the screen memory.
- the man-machine interface makes it possible to define a temperature condition and a condition of atmospheric pressure or altitude.
- the man-machine interface makes it possible to define an exhaust backpressure value or a loading value of a means of depollution to the exhaust.
- the calibration system may notably include:
- a mathematical model with adjustable parameters capable of calculating a field of quantities listing temperatures and pressures at different points of an air circuit of a supercharged virtual engine, and listing the supply air flow rate of the virtual engine and the rotational speed of a virtual turbocharger of this engine, as a function of atmospheric temperature and pressure, the speed of the virtual engine, a fuel injection pattern, valve positions or control flaps the virtual engine air circuit, the geometrical configuration of a virtual turbocharger, and as a function of an exhaust counterpressure of the virtual engine,
- identification means configured to assign values to the parameters of the model, as a function of a map connecting an array of operating points of the engine, and engine operating values, in particular the temperatures and pressures of a circuit of air of a real engine, an air supply flow rate of this circuit, and a rotational speed of a turbocharger of the engine,
- a human-machine interface for assigning operating thresholds to certain critical magnitudes of the virtual motor's magnitude field, and for defining an atmospheric pressure test value and an atmospheric temperature test value, and / or a test value; counterpressure at the exhaust, a derating module configured to determine, for the temperature, pressure and / or pressure test values, and for a given speed of the virtual engine, a maximum quantity of fuel injected and a maximum boost pressure that can be impose on the virtual engine, without the critical quantities exceeding their respective operating thresholds,
- an export module configured to transmit or display a map of the maximum quantity of fuel injected as a function of the speed of the virtual engine, and a map of the maximum boost pressure or the corresponding geometrical configuration of the virtual turbocharger, as a function of virtual engine schemes.
- the mathematical model may also be able to calculate a pollutant species emission value of the virtual engine.
- the identification means can also take into account the difference between the emission values calculated by the model, and emission values measured on the actual engine.
- the human-machine interface makes it possible to access, for example through an interactive tab making it possible to define a computer path to a file, to maps of pollutant thresholds as a function of fuel quantities injected into a motor.
- the maps thus selected by means of the interactive tab can be maximum emission maps that one wishes to tolerate for the engine.
- the export module may also be configured to transmit or display a map according to the speed of the virtual engine, the maximum torque that the virtual engine can develop, or the maximum effective average pressure that can be obtained in an engine cylinder. virtual.
- the export module may also be configured to transmit or display maps according to the speed of the virtual engine, the differences of the critical quantities to their respective thresholds, these differences being calculated for the maximum quantities of fuel injected and the supercharging pressures. maximum.
- the derating module comprises an injection optimizer, able to determine a maximum quantity of fuel to be injected into the virtual engine.
- the injection optimizer is configured to perform a series of iterations for each engine speed of the operating point array, incrementing or decrementing at each iteration the amount of fuel injected, until the emission value of the virtual engine or the temperature of the gases leaving the cylinders of this engine, are greater than a minimum fraction of their respective thresholds, and that the emission value and the temperature of the gases at the cylinder outlet are both below their thresholds respectively.
- the derating module comprises a supercharging optimizer, able to determine a maximum acceptable gas pressure input of the cylinders of the virtual engine.
- the boost optimizer is configured to perform a series of iterations for each engine speed of the operating point table, incrementing or decrementing at each iteration the inlet gas pressure of the virtual engine cylinders, until at least one of the critical quantities other than the inlet gas temperature of the cylinders or the emission value, is greater than a minimum fraction of its operating threshold, and all the critical quantities are below their respective thresholds.
- the injection optimizer and the boost optimizer are configured to each perform an iteration, respectively on the amount of fuel injected and on the pressure of the inlet gases of the cylinders, and then to each perform a test on the a range of quantities calculated by the model with the new values of the amount of fuel injected and the pressure of the gases at the inlet of the cylinders, in order to decide whether the quantity of fuel and the pressure of the gases at the inlet of the cylinders must be incremented or decremented by 'next step.
- the man-machine interface may make it possible to define an iteration step of the quantity of fuel injected, and / or may make it possible to define an iteration step of the supercharging pressure.
- the identification means may be configured to use, for example, the least squares method for determining the parameters of the model by comparing the map of operating values of the engine, and the fields of quantities calculated by the model for the same operating points as those of cartography.
- the identification means may be configured to determine the parameters of the model so as to satisfy the following validity criterion: for at least one reference atmospheric pressure value, a reference atmospheric temperature value and a reference backpressure value, a series of magnitude fields is calculated by the model, each field of magnitudes making it possible to obtain a point of operation of the virtual engine from a list of operating points.
- Figure 1 is a schematic view of a supercharged engine which is applied the calibration system according to the invention
- FIG. 2 represents a mathematical model of virtual engine used by the calibration system according to the invention
- FIG. 3 illustrates a calibration process of an engine according to the invention
- FIG. 4 is an operating algorithm of an optimization module belonging to the calibration system according to the invention.
- FIG. 5 is an operating algorithm of another optimization module belonging to the calibration system according to the invention.
- FIG. 6 is an example of a human-machine interface making it possible to use a calibration system according to the invention.
- FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with four cylinders, each cylinder being associated with a fuel injection device, referenced 2.
- One of the cylinders is equipped with an internal pressure sensor 21.
- the crankshaft (Not shown) is equipped with an angular position sensor 26, in particular to evaluate the speed, or speed of rotation of the engine.
- the injection devices 2 and the angular position sensor 26 are electronically connected to a first electronic control unit (ECU 1), referenced 9.
- ECU 1 first electronic control unit
- Compressed air from the compressor 5a passes through a heat exchanger 10 which allows to cool the admitted gases.
- the cooled compressed air is sent through an intake valve 6 into an intake distributor 1 1 connected to the engine cylinders.
- the flue gases from the cylinders are discharged through an exhaust manifold 12, which sends these gases in particular to a turbine 5b of the turbocharger 5.
- the exhaust manifold 12 Upstream of the turbine 5b, the exhaust manifold 12 also communicates with a recycling circuit 13.
- the recycling circuit 13 returns a portion of the flue gas in the inlet manifold 1 1. It comprises a valve 22 for regulating the flow of recycled gas. Upstream of the regulation valve 22 of the recycling circuit 13 is a heat exchanger 24 for cooling the recycled gases.
- the turbine 5a and the turbine 5b of the turbocharger 5 are mounted on a common shaft, the turbine driving the compressor in rotation.
- the turbine 5b is provided with fins (not shown) with a variable position, the position of which is regulated by the ECU 1 through a connection 23, and which makes it possible to adjust the power recovered by the turbine from the kinetic energy of the exhaust gases.
- the power provided by the exhaust gas to the turbine could also be modulated by installing bypass valves allowing the gas flow to bypass the turbine partially (wastegate valves) or completely (bypass valves). It is also possible to provide the compressor with adjustable fins. We will designate by geometrical configuration of the turbocharger in order to regulate the flows of gas passing through this turbocharger, the positions of the bypass valves associated with the turbine, or the positions of the adjustable vanes of the turbine and / or the compressor.
- the gases from the turbine 5b are returned to the outside atmosphere via an exhaust pipe 18 through a pollution control device 19 comprising, for example, an oxidation catalyst and / or a particulate filter, and then a outlet pipe 20.
- a pollution control device 19 comprising, for example, an oxidation catalyst and / or a particulate filter
- the set of pipes bringing the air or the recycled gases to the cylinders, or bringing the burnt gases to the outside, constitute the air circuit of the engine.
- the electronic control unit 9 receives various signals allowing the operation of the system. In particular, it receives a signal indicating the engine speed, emitted by the sensor 26, and an instantaneous pressure signal in the cylinder equipped with the pressure sensor 21. The electronic control unit 9 emits various signals allowing the management of the operation of the engine. 1. It controls in particular through connections 25 the quantity of fuel injected into the cylinders of the engine at each cycle, and control by the connection 23 the boost pressure, or gas pressure in the inlet manifold 1 1, by varying the position of the blades of the turbine 5b. The amount of fuel injected at each engine cycle, and the timing of this injection, define an injection pattern.
- the electronic control unit 9 has maps 27 and 28 enabling it to read the quantity of fuel to be injected and the supercharging pressure to be imposed, to obtain an operating point of the engine, defined by a speed N, measured by the sensor. 26, and a torque C, determined from the measurements of the sensor 21. It also has a table 29 of values of operating points of the engine, corresponding to a list of couples of values (N, C) admissible for the engine.
- the engine 1 is also connected to an electronic control unit 30 (UCE2) which may be confused with, or may be distinct from, the electronic control unit 9.
- the UCE2 is connected to a group of pressure sensors 31 and a group of temperature sensors 32, arranged at different locations in the air circuit of the engine 1.
- the UCE2 is connected to the flowmeter 4 which transmits to it the values of the fresh air flow supplying the engine 1.
- the UCE2 is connected by a connection to a rotational speed sensor (not shown) transmitting thereto the speed of rotation of the turbocharger 5.
- the UCE2 is also connected to a transmission evaluator device 33, which allows it to record, possibly by reading manual of an operator, a value representative of the emissions (unburned hydrocarbons, soot ...) contained in the gases leaving line 20.
- This evaluation of the residual quantity of pollutants can be done e for example by taking a given quantity of gas and passing through a paper filter, then measuring the reflectance of the filter thus loaded, according to ISO measurement standard DP 10054 developed by Bosch.
- FSN Fanter Smoke Number
- the UCE2 receives from the ECU 1, via a connection 34, the current values of the amount of fuel injected, the boost pressure in the manifold 11, and the operating point (speed, torque) of the engine 1.
- the ECU 1 can be programmed to vary the quantity of fuel injected and the boost pressure of the engine 1, so that the operating point of this engine 1 passes successively by all the values listed in the table of points. operation 29.
- the UCE2 is capable of recording, for each of these operating points, a list of the values delivered by the various pressure sensors 31, the temperature sensors 32, the flowmeter 4, the rotational speed sensor of the turbocharger 5, the emission evaluation device 33, as well as the quantity of fuel injected and the supercharging pressure which made it possible to obtain the operating point considered for the engine 1.
- the UCE2 stores in a database 36, a field of values "data" grouping all the previous values, that is to say all the operating points listed in Table 29, and for each of these points the control values, in particular the quantity of fuel injected and the supercharging pressure, imposed by the ECU 1 to the engine 1, as well as the values measured by TUCE2 on the engine subjected to these control values.
- FIG. 2 illustrates a virtual motor model 40 making it possible to represent the operation of the combustion engine 1 of FIG. 1.
- the virtual motor 40 comprises volumes 41, 42, 43, 44, 45, 46 and 47 representing portions of the pipe. of the air circuit of the engine 1, between the fresh air inlet of this engine and the exhaust of the engine 1.
- the virtual engine 40 also comprises volumes 48 and 49 representing portions of the recirculation circuit 13 of the engine. Exhaust of the engine 1. Between the different volumes 41 to 49 are interposed restrictions 51, 52, 53, 54 respectively representing the air inlet filter of the air circuit of the engine 1, the heat exchangers 10 and 24 of the engine 1, and its depollution device 19.
- the model 40 also includes restrictions 55 and 56 respectively representing the intake valve 6 and the valve 22 for regulating the flow of recycled gas from the engine 1.
- the virtual engine 40 finally comprises a cylinder group model 60 and a turbocharger model 61 which comprises a compressor model 62 and a turbine model 63.
- the input and output values of the volume, restriction, group of cylinders, the turbine and the compressor are interconnected so that the virtual engine 40 is representative of the architecture of the real engine 1.
- the volume 41 representing a pipe portion upstream of the compressor 5a of the engine 1 is represented by a pressure value PAVC, a temperature value TAVC, a gas flow value Qm a.
- the volumes 44, 45 and 46 represented by their respective pressures PCOL, PAVT and PAPT and their respective temperatures TCOL, TAVT and TAPT model the intake manifold 1 1, the exhaust manifold 12 of the engine 1, and its portion of exhaust pipe 18 located upstream of the means of depollution 19.
- the compressor model 62 is defined by relationships connecting a pressure and an upstream temperature, a downstream pressure and temperature, a through flow, and a compressor rotation speed C T.
- the flow rate through the virtual compressor 62 is also equal to the value Qm a
- the upstream temperature and pressure are respectively equal to the TAVC and PAVC values
- the downstream temperature and pressure are respectively equal to the TAPC and PAPC values.
- the virtual turbine 63 is characterized by equations connecting the rotational speed ⁇ ⁇ which is identical to that of the virtual compressor 62, the flow rate of gas Qm passing through the virtual turbine 63, this flow also being the flow rate passing through the volume 46, by an upstream temperature TAVT and an upstream pressure PAVT which are also the temperature and the pressure prevailing in the volume 45, by a downstream temperature TAPT and a downstream pressure TAPT which are the temperature and the pressure prevailing in the volume 46.
- each of the volumes 41 to 49 may be represented by a temperature, a pressure, a mass of gas that it contains, as well as by inflowing and outgoing gas flows.
- the restrictions 5 1 to 55 are modeled by the Barre de Saint Venant equation connecting a generating pressure Pi, a pressure after restriction P, an upstream temperature Ti and an equivalent section A of the restriction, as well as the polytropic coefficient ⁇ characteristic of the gas. These relationships are different depending on whether the flow regime is subsonic or supersonic, and are summarized in the following table:
- the cylinder model 60 makes it possible to connect a flow of upstream gas Qm adm through the volume 44, an outgoing gas flow Qm e which is the flow of gas passing through the volume 45, a flow Qinj corresponding to a quantity of fuel injected and vaporized. in the cylinders, a rotational speed N of the virtual motor 1.
- the cylinder model 60 is likened to a positive displacement pump which absorbs gas from the volume 44 representing an intake manifold to return it to the volume 45 representing an exhaust manifold, by raising the temperature of the gas due to the combustion. , and spraying the injected fuel.
- Qm_adm, N and p adm are respectively the mass flow rate of gas entering the cylinders, the engine speed and the density of the gas in the volume 44 representing the intake manifold.
- the density p adm to gas is itself a function of the temperature and the gas pressure in the volume 44.
- X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 , X 0 are coefficients of the polynomial, which can be adjustable parameters of the virtual motor model 40.
- the temperature TAVT of the gases leaving the cylinders is for example connected to the temperature Tcol of the gases entering the cylinders by an empirical relation of the following form:
- TAVT Tcol + ⁇ ⁇
- Cp, PCI and ⁇ are respectively the constant pressure heat capacity of the gas, a mass fuel calorific value and a combustion efficiency.
- This combustion efficiency ⁇ determined experimentally, depends in particular on the phasing of the injection or the pressure of the fuel supply rail.
- the turbocharger model 61 makes it possible to connect the common rotational speed ⁇ ⁇ of the turbine 63 and of the compressor 62, the mass flow rate Qm of gas passing through the compressor, which is the same, in steady state, as the mass flow rate of gas passing through.
- the virtual motor model 1 can calculate the power Wt taken by the turbine on the kinetic energy of the exhaust gases and the power Wc consumed by the compressor to compress the gases passing through it, according to the formulas:
- TAVC and TAVT represent the gas temperatures upstream of the compressor 62 and the turbine 63.
- the rotational speed ⁇ ⁇ of the turbocharger is then calculated by integrating the difference between the two powers.
- the virtual motor model 40 also takes into account the nonlinear behavior of the boost pressure regulation Pcol, representing the pressure in the volume 44. For a desired Boost pressure ConsPcol value, the model 40 searches the positions of the engine. fins that can make it possible to approach the desired supercharging pressure, and delivers, depending on the other input parameters of the model, a pressure
- FIG. 3 illustrates the operation of a calibration system according to the invention.
- FIG. 3 shows elements that are common to FIGS. 1 and 2, the same elements then bearing the same references.
- the heat engine 1 and the database 36 that it has generated by recording lists of measured parameters for each of the operating points of the engine recorded in Table 29 of Figure 1.
- the model virtual motor 40 which is a parametric model, that is to say that the equations that constitute it comprise variable parameters ⁇ l, ⁇ 2, ...
- the calibration system comprises a human interface referenced 69 which has an input interface 70 and an export module 71.
- the input interface 70 makes it possible to select data files, for example. file 36, which are then put in communication with an identification module 65.
- the identification module 65 is connected to the virtual engine 40, whose input data can be varied (for example the atmospheric conditions, the quantity of fuel injected, the boost pressure control, etc.) and the parameters of the engine. Adjust ⁇ 1, ⁇ 2,..., ⁇ , (for example coefficients of a polynomial characterizing the flow of air entering the cylinders of the engine). The identification module 65 varies the parameters ⁇ 1, ⁇ 2, ...
- the identification module 65 performs a series of calculations parameterized by the values ⁇ 1, ⁇ 2,..., So that the virtual motor 40 passes successively through all the operating points N, C recorded. in Table 29 of Figure 1, these operating points are also recorded in the database 36.
- the identification module 65 imposes for this the same conditions of temperature and pressure as well as the same exhaust against that those which have made it possible to determine the database 36 using the engine 1.
- the identification module 65 determines the values of the parameters ⁇ 1, ⁇ 2,..., ⁇ , for which we obtain, on the virtual motor 40, values of temperatures, pressures, air flow supplying the engine, turbocharger rotation speed and emission of pollutant species sufficiently close to the values recorded in the database 36.
- the identification module 65 may for example apply the following criterion.
- the difference between the corresponding value calculated by the virtual motor model 40 and the corresponding value is examined. measured on the actual engine 1.
- a difference threshold is defined, which may be different depending on the quantity considered, but which is the same whatever the operating point of the motor.
- the percentage of operating points listed in Table 29 for which the differences between actual value and calculated value are in each case within the predefined deviation threshold for the type of magnitude in question. For example, it may be considered that the virtual motor model 40 is satisfactory, if for more than 90% of the operating points listed in Table 29, all the differences between real values and calculated values are less than the expected difference threshold.
- the input interface 70 also makes it possible to send to a calibration module 66 critical value thresholds representing, for example, temperatures and pressures upstream and downstream of a compressor, and a pressure ratio between the upstream and the downstream of a compressor.
- the input interface 70 also makes it possible to put the calibration module 66 in relation with a map 72 in which, for example, the FSN index threshold values for the gas flows are recorded, depending on a quantity of fuel. injected into an engine.
- the input interface 70 also makes it possible to put the calibration module 66 in relation with the database 36.
- the input interface 70 also makes it possible to send values to the calibration module 66 for defining environmental conditions or exhaust backpressure conditions, that is to say for example an external temperature value. an external pressure value or an altitude value, an exhaust backpressure value or a relative value quantifying the loading level of a pollution control means such as a particulate filter.
- the calibration module (also known as a decoupling module) 66 comprises an injection optimizer module 67 and a booster optimizer module 68.
- the calibration module 66 is able to launch simulation calculations by means of the virtual engine 40.
- the calibration module 66 For a given engine speed N, corresponding, for example, to one of the operating points (N, C) (ie (speed, torque)), recorded in the operating point table 29 of FIG. 1, and retranscribed in FIG.
- the calibration module 66 performs a first calculation using the virtual motor model 40, by imposing on this virtual engine the maximum injected fuel quantity InJ 0 (N) recommended by the map 27 and the maximum boost pressure Pcol o (N) recommended by the map 28 for this engine speed. These values are for example retrieved from the database 36, where they have been retranscribed.
- the values of temperature and atmospheric pressure, as well as the exhaust backpressure value used for this calculation, are those defined by the interface 70.
- the injection optimizer module 67 and the booster optimizer module 68 then each perform in turn an incrementation or decrement ⁇ inj the amount of fuel injected, and an incrementation or decrement ⁇ Pcol of the supercharging pressure.
- the calibration module 66 then restarts a calculation at the level of the virtual engine 40 and compares some of the values calculated by the model 40 with the thresholds of critical values defined by means of the input interface 70, or in the mapping of thresholds. issue 72.
- the calibration module 66 performs a new iteration by incrementing and / or decreasing the quantity of fuel injected and the boost pressure, or sends the export module 71 the current values of the quantities of fuel and boost pressure, which are then recorded as the maximum values of injected fuel quantity and boost pressure for the engine speed N considered.
- the export module 71 thus has two tables of values.
- a table of values records the maximum quantity of injected fuel allowed according to the speed of the engine, and a table of values records the maximum boost pressure allowed according to the engine speed. These tables of values are valid for the temperature and atmospheric pressure, and for the exhaust backpressure that have been defined through the input interface 70.
- the export module can either display these values on a screen, or send them as calculation files to a database or an external computing unit.
- FIG. 4 illustrates the operation of an injection optimizer module 67 of FIG. 3.
- the injection optimizer 67 receives from the virtual engine 40 an "Emiss" value quantifying the polluting species emitted by the engine 40, and a value TAVT representing the temperature of the gases in the engine. volume 45 of the virtual engine. These two values are sent respectively to the multiplicative branches of two dividers 80 and 81.
- the optimizer
- TAVT threshold value
- Emiss the maximum value d emission that one wishes to accept for the engine.
- the current value of fuel quantity injected Inj is the sum of the value InJ 0 (N) that the calibration module 66 reads in the database 36, and an increment value ⁇ lnj defined by the optimizer module of injection 67 at the previous computation step.
- the optimizer module 67 sends the value ThresholdEmiss (Inj) to a dividing branch of the divider 80.
- the values calculated by the divisors 80 and 81 are respectively sent to comparator modules 82 and 84 which perform a test to know whether the computed values are strictly greater than 1, that is, if the calculated emission and temperature values before turbine are greater than the desired threshold.
- the values calculated by divisors 80 and 81 are also sent respectively to comparators 83 and 85 which test whether the calculated ratios are less than or equal to a lower threshold value which is here chosen equal to 0.95.
- the results of the comparators 82 and 84 are sent on a logic operator 86 "OR” which delivers a value "1” if one or the other of the two values is strictly greater than 1, and which delivers a value "0" in the opposite case.
- the operator 86 sends the result on a logic switch 87 which multiplies this result by -1 and sends it on a branch of an adder 89.
- the results of the comparators 83 and 85 are sent on a logical operator 88 "AND” which delivers a value equal to "1” if the two results are simultaneously less than or equal to 0.95 and which delivers a value "0” otherwise.
- the result of the operator 88 is sent to another branch of the summator 89.
- the adder 89 delivers an incrementation direction value which can be equal to 0, 1 or -1, and that is sent on a branch of another summator 90, which receives on a second input, a delay function 91 causing it the incrementation direction value calculated during the previous simulation of the virtual engine 40.
- the result is an updated direction of variation which is sent on a multiplier 92 which multiplies it by a value K1.
- the value Kl which represents the maximum amplitude of the iteration steps on the quantity of fuel injected, can be intrinsic to the calibration system, or can be defined by the user through the interface 70.
- the result delivered by the multiplier 92 is a value ⁇ lnj that the calibration module 66 adds by a summator 93 to the value InJ 0 (N) read in the database 36, to obtain the value Inj of the amount of fuel injected used. to perform the following simulation calculation of the virtual engine 40.
- the injection optimizer module 67 will therefore decrement the quantity of injected fuel Inj, as long as the two values Emiss and
- TAVT representing the emissions of the virtual engine 40 and the temperature at the exhaust manifold of the engine 40, are greater than the threshold which has been allocated to them by the user by means of the interface 70.
- the optimizer module 67 goes to the contrary increment the amount of fuel injected Inj if he finds that the two values
- Emiss and TAVT are simultaneously below the thresholds and more than 5% apart from the thresholds that have been allocated to them respectively.
- the incrementation or decrementation iterations therefore stop once the two values are lower than their respective thresholds, and at least one of the two values is included in a margin between 95% and 100% of the threshold allocated to the magnitude in question.
- FIG. 5 illustrates the operating principle of the supercharging optimizer module 68.
- the optimizer 68 receives from the virtual engine 40 an Nturbo value representing the rotation speed of the virtual turbocharger 61, a PAPC value representing a pressure in the volume 42 of the virtual engine 40, a TAPC value representing a temperature in the same volume 42, a PAVT value representing a pressure in the volume 45 of the virtual engine 40, a value Pcol representing a pressure in the volume 44 of the virtual engine 40, and an Compr value representing a compression ratio obtained by dividing a pressure in the volume 42 of the engine 40, by a pressure in the volume 41 of the engine 40.
- the volumes 41, 42, 44 and 45 of the virtual engine 40 respectively represent a compressor front zone, an after-compressor zone, an intake manifold and an exhaust manifold of an internal combustion engine of structure similar to that of the engine. 1.
- the values Nturbo, PAPC, TAPC Compr, and PAVT are respectively sent on a multiplier branch of divisors 100, 101, 102, 103 and 104.
- the value Pcol is sent on a dividing branch of a divider 105.
- the optimizer 68 receives of the threshold value interface 70, namely SeuilNturbo, SeuilPAPC, ThresholdTAPC, ThresholdCompr and ThresholdPAVT, entered manually by the user, and which represent desired maximum values of downstream turbocharger, pressure and temperature rotation speed. compressor, compression ratio between upstream and downstream of a turbocharger, and pressure in an exhaust manifold of an internal combustion engine. SeuilNturbo values,
- ThresholdPAPC, ThresholdTAPC, ThresholdCompr and ThresholdPAVT are respectively sent on a dividing branch of divisors 100, 101, 102, 103 and 104.
- Boost optimizer 68 receives on a multiplicative input of divider 105 a ConsPcol value representing a setpoint pressure at the level of of the volume 44 of the virtual engine 40.
- This ConsPcol value is for example a vane position control signal of the virtual turbine 63, expressed as a function of the pressure that is desired to reach at the volume 44 representing the intake manifold of the virtual engine 40.
- the results obtained by the divisors 100, 101, 102, 103, 104 and 105 are respectively sent to comparators 106, 107, 108, 109, 110 and 111 which perform a test to know if the values found are strictly greater. to 1.
- the results of all these tests are sent on a logic operator 124 "OR" which delivers a value "1" as soon as one of the preceding values is strictly greater than 1, and which delivers the value "0" in the opposite case.
- the result of the logic operator 124 is sent to a logic switch 1 18 which multiplies the result by -1 and sends it to an input of an adder 1 19.
- the results of the divisors 100, 101, 102, 103 and 104 are also sent respectively to comparators 1 12, 1 13, 1 14, 1 15 and 1 16, which test whether the values found are less than or equal to a minimum threshold value which is here chosen equal to 0.95.
- the result of these tests is sent on a logical operator 125 "AND" .
- the result of the divider 105 is sent on a comparator 1 17 which carries out a test to know if the result found is less than or equal to 1, and also sends it on an input of the logical operator 125.
- the logical operator 125 delivers a Boolean value which is equal to "1” if all its inputs are true and delivers a Boolean value equal to "0" otherwise, especially if one of the values calculated by the divisors 100, 101, 102, 103, 104 is greater than 0.95.
- the result of the logic operator 125 is sent to an input of the adder 1 19, which delivers an incrementation direction value on an input of a summator 120.
- the adder 120 itself receives, on one of its inputs, the result of a delay function 121, so as to output at its output a sum of the incrementation directions calculated from the first iteration performed for the current regime N of the virtual motor 40.
- the sum of the incrementation steps, delivered by the summator 120 is sent on a multiplier 122, which multiplies this value by an amplitude K2.
- the amplitude K2 which represents a step size of incrementation of the boost pressure of the virtual motor 40.
- the value K2 may be a value intrinsic to the calibration system or may be a value entered by the user by means of a interface 70.
- the result of the multiplier 122 is a pressure increment ⁇ Pcol that the calibration module 66 sends on a summator 123 where it is added to the value Pcolo (N) extracted from the database 36.
- the result delivered by the adder 123 is a ConsPcol value representing a boost pressure setpoint. If this setpoint is different from that calculated at the previous iteration, it is used by the calibration module 66 to start a new calculation of the virtual engine 40. In this case, the ConsPcol value is also returned to a multiplicative input of the divider 105. .
- the boost optimizer module 68 will decrement the ⁇ Pcol value if one of the critical values Nturbo, PAPC, TAPC, Compr or PAVT is greater than the threshold defined by the user. It will also decrement the value ⁇ Pcol if the boost pressure setpoint ConsPcol entered in the model is not finally reached once a simulation has been carried out using the virtual engine 40, which may mean that the control fins of the virtual turbine 63 have reached a limit position. In this case, the module 68 decrements the pressure setpoint in order to return to the achievable setpoint range.
- the optimizer 68 will increment the boost pressure setpoint ConsPcol as long as at least one of the critical quantities Nturbo, PAPC, TAPC, Compr and PAVT has not reached a certain proximity threshold, by a lower value, the threshold that has been allocated by the user.
- the proximity threshold is here set at 95% of the threshold value not to be exceeded, but could be set to a different value, or could be set to different values for each of the quantities considered.
- FIG. 6 illustrates a human-machine interface 69 of a calibration system according to the invention.
- the human-machine interface 69 comprises in its left part a data input interface 70 and in its right part, a graphic export module 71 making it possible to visualize, in the form of curves, engine control mappings calculated by the calibration system 66 of FIG. 3.
- the data entry interface 70 comprises a first interactive field 130 making it possible to select a computer path to a file containing results data.
- the interface also includes an interactive field 131 for selecting a path to a map, for example the map 72 of FIG. 3, which lists threshold values of pollutant emissions tolerated, depending for example on the amount of fuel injected into the engine.
- the interface 70 has digital input ranges 132 and 133 for defining an altitude of the vehicle and a temperature outside it. An interface could also be considered for entering outside air pressure and outside air temperature, or entering only one of these values.
- the interface 70 also comprises a field 134 allowing here the entry of a percentage rate of loading of a particulate filter.
- the interface may also include an interactive field 135 for selecting a file corresponding to the mathematical model of virtual engine 40 that is to be used.
- the interface 70 also includes a series of digital fields
- These critical quantities include a SeuilNturbo turbocharger rotation speed threshold expressed in revolutions per minute, threshold pressure thresholds PAPC and SeuilPAVT at the output of a turbocharger and at the output of cylinders, expressed in millibars.
- TAPC and TAVT temperature thresholds at the exit of the turbocharger and at the outlet of cylinders expressed in degrees Celsius.
- the interface 70 finally includes an activation box
- the export interface 71 displays curves 141, 142, 143 which are a function of a motor speed N which is here typically between 1000 and 5000 revolutions / minute.
- Curve 141 shows the maximum injected fuel quantity values Injmax calculated by the calibration module 66, for the temperature and atmospheric pressure conditions defined in cells 132 and 133 and for the exhaust backpressure defined at box 134.
- the fuel quantity injected values are here displayed in mg / shots, and are for example between 20mg / shot and 80mg / shot.
- the curve 142 shows the maximum boost pressure values Pcolmax determined by the calibration module 66, again for the same conditions of temperature and external pressure and for the same exhaust backpressure. These values are for example between 1000 mbar and 3000 mbar.
- Curve 143 shows the average effective pressure values PME in the cylinders of the engine 40, for the same operating conditions of the engine as those for obtaining the curves 141 and 142.
- This value expressed in bar, can for example be between 5 and 30 bar, ie 500 000 and 3000 000 Pa.
- the effective mean pressure is obtained by integrating on a cycle of the engine, the pressure of gas in a cylinder on the variations of internal volume of the cylinder. This value is proportional to the torque developed by the motor.
- the curves 141 and 142 can be a superposition of the initial operating limit curves of the motor 1 of FIG. 1, namely InJ 0 (N) and Pcol o (N), and new calculated curves, Injmax (N) and Pcolmax ( NOT).
- the initial curves are represented in solid line, and the new curves are represented by their calculation points.
- the same representation convention is repeated for the initial effective average pressure curve and the new average effective pressure curve 143.
- the export interface 71 also includes graphs 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150 making it possible to display the percentages of difference to the threshold values defined using the fields 131 and 136 of the interface of FIG. input 70, corresponding magnitudes of the virtual motor 40 under the operating conditions of the curves 141 and
- each graph displays the report of one of the magnitudes to be monitored, by the threshold that has been allocated to it, limiting the display to values between 80% and 100%.
- These graphs 144 to 150 make it possible to see, for each speed of the engine, which operating variables of the engine have been decisive for imposing a limitation on the quantity of fuel injected or on the supercharging pressure.
- the calibration system according to the invention limits the number of vehicle tests, which saves the price of the tests themselves, and saves time on the development of the vehicle, especially if the quantity maps fuel and boost pressure must be established when the number of available altimetry benches or the number of existing vehicles is reduced.
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Abstract
Un système de calibration pour moteurs à combustion interne suralimentés par turbocompresseur, comprend : - une interface homme-machine (69) permettant de définir une liste de valeurs comprenant au moins deux températures, deux pressions, une vitesse de rotation, et une valeur adimensionnelle, permettant d'accéder à des cartographies (36) de températures et pressions en fonction d'un tableau de points de fonctionnement d'un moteur, et permettant d'entrer une ou plusieurs valeurs à partir desquelles il est possible de définir une température atmosphérique, une pression atmosphérique, ou une contrepression à l'échappement d'un moteur, - un module d'export (71) apte à transmettre ou à afficher une cartographie d'une quantité de carburant injecté en fonction d'un régime moteur, et une cartographie de pressions ou une cartographie de positions de vanne(s) ou d'ailette(s), en fonction d'un régime moteur.
Description
Système de calibration du domaine de fonctionnement d'un moteur suralimenté à combustion interne
L 'invention concerne le domaine de la régulation des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement celui des moteurs suralimentés par turbocompresseur.
Les paramètres de fonctionnement de tels moteurs, notamment la quantité de carburant injecté à chaque cycle moteur, et la pression de suralimentation, c' est-à-dire la pression de l' air au niveau du collecteur d' admission à l 'entrée du cylindre du moteur, sont établis par des cartographies, par exemple en fonction du point de fonctionnement (couple, régime) du moteur, dans des conditions standard de fonctionnement de ce moteur. Ces cartographies sont établies pour une altitude, une température extérieure, et un niveau de chargement donné des moyens de dépollution du moteur, par exemple un certain niveau de chargement d'un filtre à particules. Quand les conditions d' altitude, donc de pression, et de température extérieure varient, ou quand la contrepression augmente entre l' amont et l' aval du dispositif de dépollution, l'utilisation d'une cartographie standard de fonctionnement du moteur peut avoir une influence néfaste voire destructrice sur un moteur suralimenté. Par exemple, lorsqu'on monte en altitude ou que l'on se rend dans une région plus chaude que celle prévue par la cartographie, la masse volumique de l' air diminue, ce qui a pour conséquence immédiate de réduire la masse d' air entrant dans les cylindres à chaque cycle. Si l'on continue à injecter la même quantité de carburant que celle préconisée par la cartographie standard, pendant les fortes accélérations du véhicule, la richesse du mélange combustible, c' est-à-dire le rapport carburant/air va dépasser une limite critique et le moteur va émettre des quantités non tolérables d'hydrocarbures imbrûlés. En outre, à forte charge, c' est-à-dire à fort couple du moteur, le turbocompresseur risque de s 'emballer et de dépasser une vitesse critique, pouvant conduire à l' arrachage de matière sur la roue du compresseur.
Afin de prendre en compte de possibles conditions atmosphériques dégradées, ou des variations de contrepression à l' échappement du moteur, plusieurs cartographies de consigne moteur sont établies pour différents paramètres d' altitude : température extérieure et valeur de contrepression à l' échappement. La réalisation de ces cartographies nécessite de nombreuses mesures sur des bancs altimétriques adaptés, le nombre de mesures étant encore démultiplié par les différentes versions de moteurs proposées pour chaque véhicule.
L 'invention a pour but de proposer un système de calibration permettant de déterminer des cartographies de quantité de carburant à injecter et des cartographies de pression de suralimentation, cartographies adaptées pour piloter un moteur suralimenté dans différentes conditions de température et de pression atmosphérique, ou pour différentes conditions de contrepression à l' échappement, en effectuant un nombre réduit de mesures physiques sur véhicule.
L'invention a pour objet un système de calibration pour moteurs à combustion interne suralimentés par turbocompresseur, comprenant une interface homme-machine et un module d'export.
L'interface homme-machine permet de définir une liste de valeurs comprenant au moins deux températures, deux pressions, une vitesse de rotation, et une valeur adimensionnelle. L'interface permet également d'accéder à des cartographies de températures et pressions en fonction d'un tableau de points de fonctionnement d'un moteur, par exemple au moyen d'un champ interactif permettant de sélectionner un chemin informatique vers un fichier contenant des données de résultats de mesures sur banc d'essais. L'interface permet aussi d'entrer une ou plusieurs valeurs à partir desquelles il est possible de définir une température atmosphérique, une pression atmosphérique, ou une contrepression à l'échappement d'un moteur.
Le module d'export est apte à transmettre ou à afficher une cartographie d'une quantité de carburant injecté en fonction d'un régime moteur, et une cartographie de pressions ou une cartographie de positions de vanne(s) ou d'ailette(s), en fonction d'un régime
moteur. Le module d'export peut afficher ces cartographies sur un écran, et les transmettre simultanément à un support d'enregistrement différent de la mémoire de l'écran.
Selon un mode de réalisation préféré, l'interface homme- machine permet de définir une condition de température et une condition de pression atmosphérique ou d'altitude.
Selon un mode de réalisation avantageux qui peut se combiner au précédent, l'interface homme-machine permet de définir une valeur de contrepression à l'échappement ou une valeur de chargement d'un moyen de dépollution à l'échappement.
Le système de calibration peut notamment comprendre :
- un modèle mathématique à paramètres ajustables, apte à calculer un champ de grandeurs listant des températures et pressions en différents points d'un circuit d'air d'un moteur virtuel suralimenté, et listant le débit d'air d'alimentation du moteur virtuel et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur virtuel de ce moteur, en fonction de la température et de la pression atmosphériques, du régime du moteur virtuel, d'un motif d'inj ection en carburant, de positions de vannes ou volets de régulation du circuit d'air du moteur virtuel, de la configuration géométrique d'un turbocompresseur virtuel, et en fonction d'une contrepression à l'échappement du moteur virtuel,
- des moyens d'identification configurés pour attribuer des valeurs aux paramètres du modèle, en fonction d'une cartographie reliant un tableau de points de fonctionnement du moteur, et des valeurs de fonctionnement moteur, notamment des températures et pressions d'un circuit d'air d'un moteur réel, un débit d'alimentation en air de ce circuit, et une vitesse de rotation d'un turbocompresseur du moteur,
- une interface homme-machine permettant d'attribuer des seuils de fonctionnement à certaines grandeurs critiques du champ de grandeurs du moteur virtuel, et permettant de définir une valeur test de pression atmosphérique et une valeur test de température atmosphérique, et/ou une valeur test de contrepression à l'échappement,
- un module de détarage configuré pour déterminer, pour les valeurs test de température, de pression et/ou de contrepression, et pour un régime donné du moteur virtuel, une quantité maximale de carburant injecté et une pression maximale de suralimentation que l'on peut imposer au moteur virtuel, sans que les grandeurs critiques dépassent leurs seuils de fonctionnement respectif,
- un module d'export configuré pour transmettre ou afficher une cartographie de la quantité maximale de carburant injecté en fonction du régime du moteur virtuel, et une cartographie de la pression maximale de suralimentation ou de la configuration géométrique correspondante du turbocompresseur virtuel, en fonction de régimes du moteur virtuel.
Le modèle mathématique peut être également apte à calculer une valeur d'émissions d'espèces polluantes du moteur virtuel. Dans ce cas, les moyens d'identification peuvent également prendre en compte la différence entre les valeurs d'émissions calculée par le modèle, et des valeurs d'émissions mesurées sur le moteur réel. Dans cette variante de réalisation, l'interface homme-machine permet d'accéder, par exemple par un onglet interactif permettant de définir un chemin informatique vers un fichier, à des cartographies de seuils d'émissions polluantes en fonction de quantités de carburant injectées dans un moteur. Les cartographies ainsi sélectionnées au moyen de l'onglet interactif peuvent être des cartographies d'émissions maximales que l'on souhaite tolérer pour le moteur.
Le module d'export peut-être également configuré pour transmettre ou afficher une cartographie en fonction du régime du moteur virtuel, du couple maximal que peut développer le moteur virtuel, ou de la pression moyenne effective maximale qui peut être obtenue dans un cylindre du moteur virtuel.
Le module d'export peut-être également configuré pour transmettre ou afficher des cartographies en fonction du régime du moteur virtuel, des écarts des grandeurs critiques à leurs seuil respectifs, ces écarts étant calculés pour les quantités maximales de carburant injectées et les pressions de suralimentations maximales.
Selon un mode de réalisation préféré, le module de détarage comprend un optimiseur d'injection, apte à déterminer une quantité maximale de carburant à injecter dans le moteur virtuel. L'optimiseur d'injection est configuré pour effectuer une série d'itérations pour chaque régime moteur du tableau de point de fonctionnement, en incrémentant ou décrémentant à chaque itération la quantité de carburant injectée, jusqu'à ce que la valeur d'émissions polluantes du moteur virtuel ou la température des gaz en sortie des cylindres de ce moteur, soient supérieures à une fraction minimale de leurs seuils respectifs, et que la valeur d'émissions et la température des gaz en sortie des cylindres soient toutes deux inférieures à leurs seuils respectifs.
Selon un autre mode de réalisation préféré, le module de détarage comprend un optimiseur de suralimentation, apte à déterminer une pression maximale des gaz acceptable en entrée des cylindres du moteur virtuel. L'optimiseur de suralimentation est configuré pour effectuer une série d'itérations pour chaque régime moteur du tableau de point de fonctionnement, en incrémentant ou décrémentant à chaque itération la pression des gaz en entrée des cylindres du moteur virtuel, jusqu'à ce qu'au moins une des grandeurs critiques autre que la température de gaz en entrée de cylindres ou la valeur d'émissions, soit supérieure à une fraction minimale de son seuil de fonctionnement, et que toutes les grandeurs critique soient inférieures à leurs seuils respectifs.
De manière préférentielle, l'optimiseur d'injection et l'optimiseur de suralimentation sont configurés pour effectuer chacun une itération, respectivement sur la quantité de carburant injectée et sur la pression des gaz en entrée des cylindres, puis pour effectuer chacun un test sur le champ de grandeurs calculées par le modèle avec les nouvelles valeurs de quantité de carburant injectée et de pression des gaz en entrée des cylindres, afin de décider si la quantité de carburant et la pression des gaz en entrée des cylindres doivent être incrémentées ou décrémentées à l'étape suivante.
Dans une variante de réalisation, l'interface homme-machine peut permettre de définir un pas d'itération de la quantité de carburant injectée, et/ou peut permettre de définir un pas d'itération de la pression de suralimentation.
Les moyens d'identification peuvent être configurés pour utiliser par exemple la méthode des moindres carrés pour déterminer les paramètres du modèle en comparant la cartographie de valeurs de fonctionnement du moteur, et les champs de grandeurs calculés par le modèle pour les mêmes points de fonctionnement que ceux de la cartographie.
Les moyens d'identification peuvent être configurés pour déterminer les paramètres du modèle de manière à satisfaire le critère de validité suivant : pour au moins une valeur de pression atmosphérique de référence, une valeur de température atmosphérique de référence et une valeur de contrepression de référence, on calcule par le modèle une suite de champs de grandeurs, chaque champ de grandeurs permettant d'obtenir un point de fonctionnement du moteur virtuel parmi un liste de points de fonctionnement.
Si une proportion minimale de ces champs, est comprise dans une marge de proximité par rapport à des champs de grandeurs acquis à partir de mesures sur un moteur suralimenté réel pour les mêmes points de fonctionnement, c'est-à-dire les mêmes régimes et couples du moteur réel, alors le modèle est jugé valide.
D ' autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d' exemple nullement limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 est une vue schématique d'un moteur suralimenté auquel on applique le système de calibration suivant l'invention ;
la figure 2 représente un modèle mathématique de moteur virtuel utilisé par le système de calibration suivant l'invention ;
la figure 3 illustre un processus de calibration d'un moteur, suivant l'invention ;
la figure 4 est un algorithme de fonctionnement d'un module d'optimisation appartenant au système de calibration suivant l'invention ;
la figure 5 est un algorithme de fonctionnement d'un autre module d'optimisation appartenant au système de calibration suivant l 'invention ; et la figure 6 est un exemple d'interface homme-machine permettant d'utiliser un système de calibration suivant l'invention.
Sur la figure 1 , se trouve représenté un moteur à combustion interne 1 à quatre cylindres, chaque cylindre étant associé à un dispositif d'injection de carburant, référencé 2. Un des cylindres est équipé d'un capteur de pression interne 21. Le vilebrequin (non représenté) est équipé d'un capteur de position angulaire 26, permettant notamment d'évaluer le régime, ou vitesse de rotation du moteur. Les dispositifs d'injection 2 et le capteur de position angulaire 26 sont reliés électroniquement à une première unité de commande électronique (UCE l ), référencée 9. L'unité de commande électronique
9 comprend, de façon classique, un microprocesseur ou unité centrale, des mémoires vives, des mémoires mortes, des convertisseurs analogiques/numériques et différentes interfaces d'entrée et de sortie.
De l' air frais, prélevé à l' extérieur, traverse tout d' abord un filtre à air 3 , puis un débitmètre 4, avant de pénétrer dans le compresseur 5a d'un turbocompresseur 5. L ' air comprimé issu du compresseur 5a traverse un échangeur de chaleur 10 qui permet de refroidir les gaz admis. En sortie de l' échangeur 10, l 'air comprimé refroidi est envoyé au travers d'une vanne d'admission 6 dans un répartiteur d'admission 1 1 relié aux cylindres du moteur. Les gaz brûlés issus des cylindres sont évacués par un collecteur d'échappement 12, qui envoie ces gaz notamment vers une turbine 5b du turbocompresseur 5. En amont de la turbine 5b, le collecteur d'échappement 12 communique également avec un circuit de recyclage
des gaz brûlés 13. Le circuit de recyclage 13 renvoie une partie des gaz brûlés dans le répartiteur d'admission 1 1. Il comporte une vanne 22 de régulation du débit de gaz recyclés. En amont de la vanne de régulation 22 du circuit de recyclage 13 est disposé un échangeur de chaleur 24 permettant de refroidir les gaz recyclés. Le compresseur
5a et la turbine 5b du turbocompresseur 5 sont montés sur un arbre commun, la turbine entraînant le compresseur en rotation. La turbine 5b est munie d'ailettes (non représentées) à position variable, dont la position est régulée par l'UCE l au travers d'une connexion 23 , et qui permettent d'ajuster la puissance récupérée par la turbine à partir de l'énergie cinétique des gaz d'échappement.
La puissance fournie par les gaz d' échappement à la turbine pourrait aussi être modulée en installant des vannes de dérivation permettant aux flux gazeux de contourner la turbine partiellement (vannes "wastegate") ou totalement (vannes "by-pass"). On peut également envisager de munir le compresseur d'ailettes orientables. Nous désignerons par configuration géométrique du turbocompresseur en vue de réguler les flux de gaz traversant ce turbocompresseur, les positions des vannes de dérivation associées à la turbine, ou les positions des ailettes orientables de la turbine et/ou du compresseur.
Les gaz issus de la turbine 5b sont renvoyés à l'atmosphère extérieure par une canalisation d'échappement 18 au travers d'un dispositif de dépollution 19 comprenant par exemple un catalyseur d'oxydation et/ou un filtre à particules, puis d'une canalisation de sortie 20. L'ensemble des canalisations amenant l'air ou les gaz recyclés vers les cylindres, ou emmenant les gaz brûlés vers l'extérieur, constituent le circuit d'air du moteur.
L 'unité de commande électronique 9 reçoit différents signaux permettant le fonctionnement du système. Elle reçoit en particulier un signal indiquant le régime du moteur, émis par le capteur 26, et un signal de pression instantané dans le cylindre équipé du capteur de pression 21. L'unité de commande électronique 9 émet différents signaux permettant la gestion du fonctionnement du moteur 1. Elle commande en particulier par des connexions 25 la quantité de
carburant injectée dans les cylindres du moteur à chaque cycle, et commande par la connexion 23 la pression de suralimentation, ou pression des gaz dans le répartiteur d'admission 1 1 , en faisant varier la position des ailettes de la turbine 5b. La quantité de carburant injectée à chaque cycle moteur, et le moment où cette injection est effectuée, définissent un motif d'injection. L'unité de commande électronique 9 dispose de cartographies 27 et 28 lui permettant de lire la quantité de carburant à injecter et la pression de suralimentation à imposer, pour obtenir un point de fonctionnement du moteur, défini par un régime N, mesuré par le capteur 26, et un couple C, déterminé à partir des mesures du capteur 21 . Elle dispose aussi d'un tableau 29 de valeurs de points de fonctionnement du moteur, correspondant à une liste de couples de valeurs (N, C) admissibles pour le moteur. Le moteur 1 est également relié à une unité de contrôle électronique 30 (UCE2) qui peut être confondue avec, ou peut être distincte de l'unité de commande électronique 9. L'UCE2 est connectée à un groupe de capteurs de pression 31 et à un groupe de capteurs de température 32, disposés en différents endroits du circuit d'air du moteur 1. L'UCE2 est connectée au débitmètre 4 qui lui transmet les valeurs de débit d'air frais alimentant le moteur 1. L'UCE2 est reliée par une connexion 35 à un capteur de vitesse de rotation (non représenté) lui transmettant la vitesse de rotation du turbocompresseur 5. L'UCE2 est également connectée à un dispositif évaluateur d'émission 33 , qui lui permet d'enregistrer, éventuellement par lecture manuelle d'un opérateur, une valeur représentative des émissions (hydrocarbures non brûlés, suies ... ) contenues dans les gaz sortant de la canalisation 20. Cette évaluation de la quantité résiduelle de polluants peut se faire par exemple en prélevant une quantité donnée de gaz et en lui faisant traverser un filtre papier, puis en mesurant la réflectance du filtre ainsi chargé, suivant le standard de mesure ISO DP 10054 développé par la société Bosch. On obtient ainsi un indice adimensionnel de fumée couramment désigné par FSN (Filter Smoke Number), à partir duquel on sait calculer par une formule empirique la fraction massique de particules contenue dans le gaz, en mg/m3.
L'UCE2 reçoit de l'UCE l , par une connexion 34, les valeurs courantes de quantité de carburant injectée, de pression de suralimentation dans le collecteur 1 1 , et le point de fonctionnement (régime, couple) du moteur 1.
L'UCE l peut être programmée pour faire varier la quantité de carburant injectée et la pression de suralimentation du moteur 1 , de manière à ce que le point de fonctionnement de ce moteur 1 passe successivement par toutes les valeurs listées dans le tableau de points de fonctionnement 29. L'UCE2 est apte à enregistrer, pour chacun de ces points de fonctionnement, une liste des valeurs délivrées par les différents capteurs de pression 31 , les capteurs de température 32, le débitmètre 4, le capteur de vitesse de rotation du turbocompresseur 5 , le dispositif évaluateur d'émissions 33 , ainsi que la quantité de carburant inj ecté et la pression de suralimentation ayant permis d'obtenir le point de fonctionnement considéré du moteur 1 . L'UCE2 enregistre dans une base de données 36, un champs de valeurs "data" regroupant l'ensemble des valeurs précédentes, c'est-à-dire tous les points de fonctionnement répertoriés dans le tableau 29, et pour chacun de ces points de fonctionnement, les valeurs de commande, notamment la quantité de carburant inj ectée et la pression de suralimentation, imposées par l'UCE l au moteur 1 , ainsi que les valeurs mesurées par TUCE2 sur le moteur soumis à ces valeurs de commande.
La figure 2 illustre un modèle de moteur virtuel 40 permettant de représenter le fonctionnement du moteur à combustion 1 de la figure 1. Le moteur virtuel 40 comprend des volumes 41 , 42, 43 , 44, 45 , 46 et 47 représentant des portions de canalisation du circuit d' air du moteur 1 , entre l' entrée d' air frais de ce moteur et l' échappement du moteur 1. Le moteur virtuel 40 comprend également des volumes 48 et 49 représentant des portions du circuit de recyclage 13 de gaz d' échappement du moteur 1. Entre les différents volumes 41 à 49, sont interposées des restrictions 51 , 52, 53 , 54 représentant respectivement le filtre à air d' entrée du circuit d' air du moteur 1 , des échangeurs thermiques 10 et 24 du moteur 1 , et son dispositif de dépollution 19.
Le modèle 40 comprend également des restrictions 55 et 56 représentant respectivement la vanne d' admission 6 et la vanne 22 de régulation du débit de gaz recyclés du moteur 1.
Le moteur virtuel 40 comprend enfin un modèle de groupe de cylindres 60 et un modèle de turbocompresseur 61 qui comprend un modèle de compresseur 62 et un modèle de turbine 63. Les valeurs d' entrée et de sortie des modèles de volume, de restriction, du groupe de cylindres, de la turbine et du compresseur sont reliés entre eux de manière à ce que le moteur virtuel 40 soit représentatif de l' architecture du moteur réel 1.
Par exemple, le volume 41 représentant une portion de conduite en amont du compresseur 5a du moteur 1 est représenté par une valeur de pression PAVC, une valeur de température TAVC, une valeur de débit de gaz Qm a. Le volume 42 qui représente une portion de conduite comprise entre le compresseur 5a et l' échangeur 10 du moteur
1 , est représenté par une pression PAPC et une température TAPC et le même débit de gaz Qm a, puisque le seul volume à se déverser dans le volume 42, au travers du modèle de compresseur 62 est le volume 41. Les volumes 44, 45 et 46, représentés par leurs pressions respectives PCOL, PAVT et PAPT et leurs températures respectives TCOL, TAVT et TAPT modélisent le collecteur d'admission 1 1 , le collecteur d'échappement 12 du moteur 1 , et sa portion de canalisation d'échappement 18 située en amont des moyens de dépollution 19.
Le modèle de compresseur 62 est défini par des relations reliant une pression et une température amont, une pression et une température aval, un débit traversant, et une vitesse de rotation CÛT du compresseur. Le débit traversant le compresseur virtuel 62 est lui aussi égal à la valeur Qm a, les température et pression amont sont égales respectivement aux valeurs TAVC et PAVC, et les température et pression aval sont égales respectivement aux valeurs TAPC et PAPC.
De manière similaire, la turbine virtuelle 63 est caractérisée par des équations reliant la vitesse de rotation ωτ qui est identique à celle du compresseur virtuel 62, le débit de gaz Qm traversant la turbine virtuelle 63 , ce débit étant également le débit traversant le
volume 46, par une température amont TAVT et une pression amont PAVT qui sont également la température et la pression régnant dans le volume 45 , par une température aval TAPT et une pression aval TAPT qui sont la température et la pression régnant dans le volume 46. De manière générale, chacun des volumes 41 à 49 peut être représenté par une température, une pression, une masse de gaz qu'il contient, ainsi que par des débits de gaz entrant et sortant. En écrivant les équations qui traduisent les évolutions de la masse et de l' énergie calorifique des gaz contenus dans chacun des volumes, ainsi que la relation des gaz parfaits reliant pression, volume, masse et température des gaz contenus, et la première loi de Joule reliant l' énergie calorifique, la masse et la température de ces gaz, on obtient un groupe d' équations qui est la contribution du volume considéré au modèle global constituant le moteur virtuel 40.
Les restrictions 5 1 à 55 sont modélisées par l' équation de Barré de Saint Venant reliant une pression génératrice Pi, une pression après restriction P, une température amont Ti et une section équivalente A de la restriction, ainsi que le coefficient polytropique γ caractéristique du gaz. Ces relations sont différentes suivant que le régime d' écoulement est subsonique ou supersonique, et sont résumées dans le tableau suivant :
Où r est la constante des gaz parfaits.
Bien entendu les sections débitantes A sont variables pour les restrictions 55 et 56 représentant des vannes.
Le modèle de cylindres 60 permet de relier un débit de gaz amont Qm adm traversant le volume 44, un débit de gaz sortant Qm e qui est le débit de gaz traversant le volume 45 , un débit Qinj correspondant à une quantité de carburant injecté et vaporisé dans les cylindres, un régime de rotation N du moteur virtuel 1 . Le modèle de cylindres 60 est assimilé à une pompe volumétrique qui absorbe du gaz à partir du volume 44 représentant un collecteur d' admission pour le redonner au volume 45 représentant un collecteur d'échappement, en élevant la température du gaz à cause de la combustion, et en vaporisant le carburant injecté.
Le débit de gaz entrant dans la pompe volumétrique est par exemple modélisé par un polynôme qui est fonction du régime moteur N et de la masse volumique padm
gaz dans le volume 44, suivant la formule : Qm adm = (X1 + X2 - N + X3 - N2)+ (x4 + X5 - N + X6 -
padm
Où Qm_adm, N et padm sont respectivement le débit massique de gaz entrant dans les cylindres, le régime du moteur et la masse volumique du gaz dans le volume 44 représentant le collecteur d' admission. La masse volumique padm àu gaz est elle-même fonction de la température et de la pression de gaz dans le volume 44.
X1 , X2, X3, X4, X5, XÔ sont des coefficients du polynôme, qui peuvent être des paramètres ajustables du modèle de moteur virtuel 40.
En écrivant la conservation de la masse, on obtient la relation entre le débit massique de gaz Qm adm entrant dans les cylindres, et le débit massique de gaz Qm e sortant des cylindres, et qui inclut le débit massique Qinj de carburant vaporisé :
Qm _e = Qm _ adm + Qinj
La température TAVT des gaz sortant des cylindres est par exemple reliée à la température Tcol des gaz entrant dans les cylindres par une relation empirique de la forme suivante :
Qinj PCI
TAVT = Tcol + λ ~
Cp - (Qm adm + Qinj)
Où Cp, PCI et λ sont respectivement la capacité calorifique à pression constante du gaz, un pouvoir calorifique massique du carburant et un rendement de combustion. Ce rendement de combustion λ , déterminé expérimentalement, dépend notamment du phasage de l' injection ou encore de la pression du rail d'alimentation en carburant.
Le modèle de turbocompressseur 61 permet de relier la vitesse de rotation commune ωτde la turbine 63 et du compresseur 62, le débit massique Qm de gaz traversant le compresseur, qui est le même, en régime stationnaire, que le débit massique de gaz traversant la turbine, et les pressions de gaz PAVC, PAPC, PAVT et PAPT représentant respectivement les pressions de gaz en amont et en aval du compresseur, et en amont et en aval de la turbine, grâce à des cartographies de fonctions f, g, h et k définies comme suit :
Qm = h ,ω7 nt = k ,ωτ
PAPT PAPT
Grâce à ces cartographies, le modèle de moteur virtuel 1 peut calculer la puissance Wt prélevée par la turbine sur l'énergie cinétique des gaz d' échappement et la puissance Wc consommée par le compresseur pour comprimer les gaz le traversant, suivant les formules :
Où TAVC et TAVT représentent les températures de gaz en amont du compresseur 62 et de la turbine 63. La vitesse ωτ de rotation du turbocompresseur est ensuite calculée en intégrant la différence entre les deux puissances.
Le modèle de moteur virtuel 40 prend également en compte le comportement non linéaire de la régulation de la pression de suralimentation Pcol, représentant la pression dans le volume 44. Pour une valeur ConsPcol de pression de suralimentation souhaitée, le modèle 40 recherche les positions d'ailettes qui peuvent permettre de se rapprocher de la pression de suralimentation recherchée, et délivre, en fonction des autres paramètres d'entrée du modèle, une pression
Pcol de suralimentation que l'on peut effectivement obtenir. Cette pression Pcol calculée peut notamment être inférieure à la pression de consigne ConsPcol entrée dans le modèle, si la turbine est déjà dans une configuration géométrique de récupération maximale d'énergie et que la consigne de pression va au-delà de la pression de suralimentation atteinte.
La figure 3 illustre le fonctionnement d'un système de calibration suivant l'invention. On retrouve sur la figure 3 des éléments communs aux figures 1 et 2, les mêmes éléments portant alors les mêmes références. On retrouve notamment le moteur thermique 1 et la base de données 36 qu' il a permis de générer en consignant des listes de paramètres mesurés pour chacun des points de fonctionnement du moteur consignés dans le tableau 29 de la figure 1. On retrouve également le modèle de moteur virtuel 40, qui est un modèle paramétré, c' est-à-dire que les équations qui le constituent comportent des paramètres variables αl , α2, ... α, , qui peuvent être modifiés pour changer le comportement de ce moteur virtuel, de manière çà ce que les valeurs délivrées par ce modèle de moteur virtuel 40 soit en adéquation avec un champ de valeurs expérimentales, par exemple des valeurs consignées dans la base de données 36. Le système de calibration suivant l' invention comporte une interface homme-machine (IHM) référencée 69 qui comporte une interface d' entrée 70 et un module d' export 71. L' interface d' entrée 70 permet de sélectionner des fichiers de données, par exemple le fichier 36, qui sont alors mis en communication avec un module d' identification 65.
Le module d'identification 65 est relié au moteur virtuel 40, dont il peut faire varier les données d'entrées (par exemple les conditions atmosphériques, la quantité de carburant injectée, la commande de pression de suralimentation..) et les paramètres d'ajustement αl , α2, ... α, (par exemple des coefficients d'un polynôme caractérisant le débit d'air entrant dans les cylindres du moteur). Le module d' identification 65 fait varier les paramètres αl , α2, ... αj, du modèle de moteur virtuel 40 jusqu' à ce qu'un certain nombre de valeurs calculées par ce modèle, telles que les températures et pressions au niveau des différents volumes 41 à 47, la vitesse de rotation du turbocompresseur 61 , le débit d' air alimentant le moteur ou une richesse des gaz brûlés en hydrocarbures fractionnés, soient toutes suffisamment proches des valeurs correspondantes mesurées sur le moteur 1 et consignées dans la base de données 36.
Pour ce faire, le module d' identification 65 effectue une série de calculs paramétrés par les valeurs αl , α2, ... α,, de manière à ce que le moteur virtuel 40 passe successivement par tous les points de fonctionnement N, C consignés dans le tableau 29 de la figure 1 , ces points de fonctionnement étant également consignés dans la base de données 36. Le module d'identification 65 impose pour cela les mêmes conditions de température et de pression ainsi que la même contrepression à échappement que celles qui ont permis de déterminer la base de données 36 à l' aide du moteur 1 . En utilisant par exemple la méthode des moindres carrés, le module d' identification 65 détermine les valeurs des paramètres α l , α2, ... α, , pour lesquelles on obtient, sur le moteur virtuel 40, des valeurs de températures, pressions, débit d' air alimentant le moteur, vitesse de rotation du turbocompresseur et émission d' espèces polluants suffisamment proches des valeurs consignées dans la base de données 36.
Afin de valider les paramètres αl , α2, ... αj du modèle, le module d'identification 65 peut par exemple appliquer le critère suivant.
Pour chacune des valeurs de températures, de pressions, de vitesse de rotation du turbocompresseur, de débit d'air ou d' émissions polluantes, on regarde l' écart entre la valeur correspondante calculée par le modèle de moteur virtuel 40, et la valeur correspondante mesurée sur le moteur réel 1 . Pour chacune des ces grandeurs, on définit un seuil d' écart qui peut être différent suivant la grandeur considérée, mais qui est le même quel que soit le point de fonctionnement du moteur. On regarde ensuite quel est le pourcentage de points de fonctionnement listés dans le tableau 29 pour lesquels les différences entre valeur réelle et valeur calculée se situent à chaque fois dans le seuil d' écart qui a été prédéfini pour le type de grandeur en question. On pourra par exemple considérer que le modèle de moteur virtuel 40 est satisfaisant, si pour plus de 90 % des points de fonctionnement listés dans le tableau 29, toutes les différences entre valeurs réelles et valeurs calculées sont inférieures au seuil d' écart prévu.
Le critère de validité du modèle peut alors se résumer par le tableau suivant :
(*) valeur adimensionnelle FSN "Filter smoke Number" variant entre 1 et 10, mesurée suivant la norme ISO DP 10054.
L 'interface d' entrée 70 permet également d' envoyer vers un module de calibration 66 des seuils de valeur critiques représentant par exemple des températures et des pressions en amont et en aval d'un compresseur, et un rapport de pression entre l' amont et l' aval d'un compresseur. L ' interface d' entrée 70 permet également de mettre le module de calibration 66 en relation avec une cartographie 72 dans laquelle sont par exemple consignées des valeurs seuil d'indice FSN de fulées dans les gaz émis, en fonction d'une quantité de carburant injectée dans un moteur. L 'interface d' entrée 70 permet en outre de mettre le module de calibration 66 en relation avec la base de données 36.
L 'interface d' entrée 70 permet également d' envoyer au module de calibration 66 des valeurs permettant de définir des conditions environnementales ou des conditions de contrepression à l' échappement, c ' est-à-dire par exemple une valeur de température extérieure, une valeur de pression extérieure ou une valeur d' altitude, une valeur de contrepression à l' échappement ou une valeur relative quantifiant le niveau de chargement d'un moyen de dépollution tel un filtre à particules.
Le module de calibration (aussi appelé module de détarage) 66 comprend un module optimiseur d' injection 67 et un module optimiseur de suralimentation 68. Le module de calibration 66 est apte à lancer des calculs de simulation au moyen du moteur virtuel 40.
Pour un régime donné N du moteur, correspondant par exemple à l'un des points de fonctionnement (N, C) (soit (régime, couple)), consignés dans le tableau de points de fonctionnement 29 de la figure 1 , et retranscrit dans la base de données 36, le module de calibration 66 effectue un premier calcul à l' aide du modèle de moteur virtuel 40, en imposant à ce moteur virtuel la quantité de carburant injectée maximale InJ0(N) préconisée par la cartographie 27 et la pression de suralimentation maximale Pcolo(N) préconisée par la cartographie 28 pour ce régime du moteur. Ces valeurs sont par exemple récupérées à partir de la base de données 36, où elles ont été retranscrites. Les valeurs de température et de pression atmosphérique, ainsi que la valeur de contrepression à l' échappement utilisées pour ce calcul, sont celles définies par l' interface 70.
Le module optimiseur d' injection 67 et le module optimiseur de suralimentation 68 effectuent alors chacun à leur tour une incrémentation ou une décrémentation Δinj de la quantité de carburant injectée, et une incrémentation ou une décrémentation ΔPcol de la pression de suralimentation. Le module de calibration 66 relance alors un calcul au niveau du moteur virtuel 40 et compare certaines des valeurs calculées par le modèle 40 aux seuils de valeurs critiques définis au moyen de l'interface d'entrée 70, ou dans la cartographie de seuils d' émission 72.
En fonction du résultat de la comparaison, le module de calibration 66 effectue une nouvelle itération en incrémentant et/ou en décrémentant la quantité de carburant inj ectée et la pression de suralimentation, ou envoie vers le module d' export 71 les valeurs courantes des quantités de carburant et de pression de suralimentation, qui sont alors enregistrées comme les valeurs maximales de quantité de carburant injectée et de pression de suralimentation pour le régime moteur N considéré.
Après que le module de calibration 66 ait effectué cette démarche pour chaque valeur N de régime moteur du tableau de points de fonctionnement 29, le module d' export 71 dispose donc de deux tables de valeurs. Une table de valeurs consigne la quantité maximale de carburant injecté autorisée en fonction du régime du moteur, et une table de valeurs consigne la pression maximale de suralimentation autorisée en fonction du régime du moteur. Ces tables de valeurs sont valables pour la température et la pression atmosphérique, et pour la contrepression à l' échappement qui ont été définies au travers de l' interface d' entrée 70.
Le module d' export peut alors soit afficher ces valeurs sur un écran, soit les envoyer sous forme de fichiers de calcul vers une base de données ou une unité de calcul extérieure.
La figure 4 illustre le fonctionnement d'un module optimiseur d' injection 67 de la figure 3. On retrouve des éléments communs à la figure 3 , les mêmes éléments portant alors les mêmes références. Suite à un calcul lancé par le module de calibration 66, l'optimiseur d' injection 67 reçoit du moteur virtuel 40 une valeur "Emiss" quantifiant les espèces polluantes émises par le moteur 40, et une valeur TAVT représentant la température des gaz dans le volume 45 du moteur virtuel. Ces deux valeurs sont envoyées respectivement vers les branches multiplicatives de deux diviseurs 80 et 81. L'optimiseur
67 reçoit par ailleurs de l' interface 70 une valeur seuilTAVT que l'utilisateur a entrée manuellement dans l'interface, et que l'optimiseur 67 envoie sur une branche diviseuse du diviseur 81. L'optimiseur 67 lit dans la cartographie 72 qui lui a été désignée au
moyen de l' interface 70 par l'utilisateur, en fonction de la quantité de carburant injectée "Inj "qui a été utilisée pour effectuer le dernier calcul de simulation du moteur virtuel 40, une valeur seuilEmiss(Inj) qui est la valeur maximale d' émission que l'on souhaite accepter pour le moteur.
La valeur courante de quantité de carburant injectée Inj est la somme de la valeur InJ0(N) que le module de calibration 66 lit dans la base de données 36, et d'une valeur d'incrémentation Δlnj définie par le module optimiseur d' injection 67 au pas de calcul précédent.
Le module optimiseur 67 envoie la valeur SeuilEmiss(Inj) sur une branche diviseuse du diviseur 80. Les valeurs calculées par les diviseurs 80 et 81 sont envoyées respectivement vers des modules comparateurs 82 et 84 qui effectuent un test pour savoir si les valeurs calculées sont strictement supérieures à 1 , c' est-à-dire si les valeurs calculées d'émission et de température avant turbine sont supérieures au seuil souhaité. Les valeurs calculées par les diviseurs 80 et 81 sont également envoyées respectivement sur des comparateurs 83 et 85 qui effectuent un test pour savoir si les rapports calculés sont inférieurs ou égaux à une valeur de seuil inférieure qui est ici choisie égale à 0,95.
Les résultats des comparateurs 82 et 84 sont envoyés sur un opérateur logique 86 « OU » qui délivre une valeur « 1 » si l 'une ou l' autre des deux valeurs est strictement supérieure à 1 , et qui délivre une valeur « 0 » dans le cas contraire. L 'opérateur 86 envoie le résultat sur un commutateur logique 87 qui multiplie ce résultat par - 1 et l' envoie sur une branche d'un sommateur 89. Les résultats des comparateurs 83 et 85 sont envoyés sur un opérateur logique 88 « ET » qui délivre une valeur égale à « 1 » si les deux résultats sont simultanément inférieurs ou égaux à 0,95 et qui délivre une valeur « 0 » dans le cas contraire. Le résultat de l'opérateur 88 est envoyé sur une autre branche du sommateur 89. Suivant les résultats des tests logiques 86 et 88 , le sommateur 89 délivre une valeur de direction d' incrémentation qui peut être égale à 0, 1 ou - 1 , et qui est envoyée sur une branche d'un autre sommateur 90, qui reçoit sur une deuxième
entrée, une fonction retard 91 lui amenant la valeur de direction d' incrémentation calculée lors de la précédente simulation du moteur virtuel 40. Le résultat est une direction de variation actualisée qui est envoyée sur un multiplicateur 92 qui le multiplie par une valeur Kl . La valeur Kl , qui représente l' amplitude maximale des pas d' itération sur la quantité de carburant injectée, peut être intrinsèque au système de calibration, ou peut être définie par l'utilisateur au travers de l' interface 70.
Le résultat délivré par le multiplicateur 92 est une valeur Δlnj que le module de calibration 66 vient ajouter par un sommateur 93 à la valeur InJ0(N) lue dans la base de données 36, pour obtenir la valeur Inj de quantité de carburant injectée utilisée pour effectuer le calcul suivant de simulation du moteur virtuel 40.
Le module optimiseur d' injection 67 va donc décrémenter la quantité de carburant injecté Inj , tant que les deux valeurs Emiss et
TAVT, représentant les émissions du moteur virtuel 40 et la température au niveau du collecteur d' échappement du moteur 40, sont supérieures au seuil qui leur a été alloué par l'utilisateur au moyen de l' interface 70. Le module optimiseur 67 va au contraire incrémenter la quantité de carburant injectée Inj s' il constate que les deux valeurs
Emiss et TAVT sont simultanément inférieures aux seuils et distantes de plus de 5 % des seuils qui leur ont été respectivement alloués. Les itérations d' incrémentation ou de décrémentation s 'arrêtent donc une fois que les deux valeurs sont inférieures à leurs seuils respectifs, et que l'une au moins des deux valeurs est comprise dans une marge entre 95 % et 100 % du seuil alloué à la grandeur en question.
La figure 5 illustre le principe de fonctionnement du module optimiseur de suralimentation 68. Suite à une simulation lancée par le module de calibration 66, l'optimiseur 68 reçoit du moteur virtuel 40 une valeur Nturbo représentant la vitesse de rotation du turbocompresseur virtuel 61 , une valeur PAPC représentant une pression dans le volume 42 du moteur virtuel 40, une valeur TAPC représentant une température dans ce même volume 42, une valeur PAVT représentant une pression dans le volume 45 du moteur virtuel
40, une valeur Pcol représentant une pression dans le volume 44 du moteur virtuel 40, et une valeur Compr représentant un rapport de compression obtenu en divisant une pression dans le volume 42 du moteur 40, par une pression dans le volume 41 du moteur 40. Les volumes 41 , 42, 44 et 45 du moteur virtuel 40 représentent respectivement une zone avant compresseur, une zone après compresseur, un collecteur d'admission et un collecteur d' échappement d'un moteur à combustion interne de structure similaire à celle du moteur 1.
Les valeur Nturbo, PAPC, TAPC Compr, et PAVT sont envoyées respectivement sur une branche multiplicatrice de diviseurs 100, 101 , 102, 103 et 104. La valeur Pcol est envoyée sur une branche diviseuse d'un diviseur 105. L'optimiseur 68 reçoit de l' interface 70 des valeurs seuil, soit SeuilNturbo, SeuilPAPC, SeuilTAPC, SeuilCompr et SeuilPAVT, entrées à la main par l'utilisateur, et qui représentent des valeurs maximales souhaitées de vitesse de rotation de turbocompresseur, de pression et de température en aval du compresseur, de rapport de compression entre l' amont et l' aval d'un turbocompresseur, et de pression dans un collecteur d' échappement d'un moteur à combustion interne. Les valeurs SeuilNturbo,
SeuilPAPC, SeuilTAPC, SeuilCompr et SeuilPAVT sont envoyées respectivement sur une branche diviseuse des diviseurs 100, 101 , 102, 103 et 104. L 'optimiseur de suralimentation 68 reçoit sur une entrée multiplicative du diviseur 105 une valeur ConsPcol représentant une pression de consigne au niveau du volume 44 du moteur virtuel 40.
Cette valeur ConsPcol est par exemple un signal de commande de position d' ailettes de la turbine virtuelle 63 , exprimé en fonction de la pression que l'on souhaite atteindre au niveau du volume 44 représentant le collecteur d' admission du moteur virtuel 40.
Les résultats obtenus par les diviseurs 100, 101 , 102, 103 , 104 et 105 sont envoyés respectivement sur des comparateurs 106, 107, 108, 109, 1 10 et 1 1 1 qui effectuent un test pour savoir si les valeurs trouvées sont strictement supérieures à 1.
Les résultats de tous ces test sont envoyés sur un opérateur logique 124 « OU » qui délivre une valeur « 1 » dès que l'une des valeurs précédentes est strictement supérieure à 1 , et qui délivre la valeur « 0 » dans le cas contraire. Le résultat de l'opérateur logique 124 est envoyé sur un commutateur logique 1 18 qui multiplie le résultat par - 1 et qui l'envoie sur une entrée d'un sommateur 1 19.
Les résultats des diviseurs 100, 101 , 102, 103 et 104 sont également envoyés respectivement sur des comparateurs 1 12, 1 13 , 1 14, 1 15 et 1 16, qui effectuent un test pour savoir si les valeurs trouvées sont inférieures ou égales à une valeur minimale de seuil qui est ici choisie égale à 0,95. Le résultat de ces tests est envoyé sur un opérateur logique 125 « ET ».Le résultat du diviseur 105 est envoyé sur un comparateur 1 17 qui effectue un test pour savoir si le résultat trouvé est inférieur ou égal à 1 , et l 'envoie également sur une entrée de l'opérateur logique 125. L'opérateur logique 125 délivre une valeur booléenne qui est égale à « 1 » si toutes ses entrées sont vraies et délivre une valeur booléenne égale à « 0 » dans le cas contraire, notamment si l'une des valeurs calculées par les diviseurs 100, 101 , 102, 103 , 104 est supérieure à 0,95.
Le résultat de l'opérateur logique 125 est envoyé sur une entrée du sommateur 1 19, qui délivre une valeur de direction d' incrémentation sur une entrée d'un sommateur 120. Le sommateur 120 reçoit lui-même, sur une de ses entrées, le résultat d'une fonction retard 121 , de manière à délivrer à sa sortie une somme des directions d' incrémentation calculées depuis la première itération effectuée pour le régime courant N du moteur virtuel 40. La somme des pas d' incrémentation, délivrée par le sommateur 120, est envoyée sur un multiplicateur 122, qui multiplie cette valeur par une amplitude K2. L'amplitude K2 qui représente une amplitude de pas d' incrémentation de la pression de suralimentation du moteur virtuel 40. La valeur K2 peut être une valeur intrinsèque au système de calibration ou peut être une valeur entrée par l'utilisateur au moyen d'une interface 70.
Le résultat du multiplicateur 122 est un incrément de pression ΔPcol que le module de calibration 66 envoie sur un sommateur 123
où il est ajouté à la valeur Pcolo(N) extraite de la base de données 36. Le résultat délivré par le sommateur 123 est une valeur ConsPcol représentant une consigne de pression de suralimentation. Si cette consigne est différente de celle calculée à l'itération précédente, elle est utilisée par le module de calibration 66 pour lancer un nouveau calcul du moteur virtuel 40. Dans ce cas, la valeur ConsPcol est également renvoyée sur une entrée multiplicative du diviseur 105.
Ainsi, le module optimiseur de suralimentation 68 va décrémenter la valeur ΔPcol si l'une des valeurs critiques Nturbo, PAPC, TAPC, Compr ou PAVT est supérieure au seuil défini par l'utilisateur. Il va également décrémenter la valeur ΔPcol si la valeur de consigne de pression de suralimentation ConsPcol entrée dans le modèle n' est finalement pas atteinte une fois que l'on a effectué une simulation à l' aide du moteur virtuel 40, ce qui peut signifier que les ailettes de régulation de la turbine virtuelle 63 ont atteint une position limite. Dans ce cas, le module 68 décrémente la consigne de pression afin de revenir dans la gamme de consigne réalisable. L'optimiseur 68 va au contraire incrémenter la consigne de pression de suralimentation ConsPcol tant que l'une au moins des grandeurs critiques Nturbo, PAPC, TAPC, Compr et PAVT n' est pas parvenue dans un certain seuil de proximité, par valeur inférieure, du seuil qui lui a été alloué par l'utilisateur. Le seuil de proximité est ici fixé à 95 % de la valeur seuil à ne pas dépasser, mais pourrait être fixé à une valeur différente, ou pourrait être fixée à des valeurs différentes pour chacune des grandeurs considérées.
La figure 6 illustre une interface homme-machine 69 d'un système de calibration selon l' invention. L'interface homme-machine 69 comporte dans sa partie gauche une interface 70 d' entrée de données et dans sa partie droite, un module d' export graphique 71 permettant de visualiser, sous forme de courbes, des cartographies de pilotage du moteur calculées par le système de calibration 66 de la figure 3. L ' interface 70 d' entrée de données comporte un premier champ interactif 130 permettant de sélectionner un chemin informatique vers un fichier contenant des données de résultats
d' essais, comme la base de données 36 des figures 1 et 3. Cette interface comporte également un champ interactif 131 permettant de sélectionner un chemin vers une cartographie, par exemple la cartographie 72 de la figure 3 , répertoriant des valeurs de seuil d' émissions polluantes tolérées, en fonction par exemple de la quantité de carburant inj ecté dans le moteur. L ' interface 70 comporte des plages d' entrée numériques 132 et 133 permettant de définir une altitude du véhicule et une température extérieure à celui-ci. On pourrait également envisager une interface permettant d' entrer une pression d' air extérieur et une température d' air extérieur, ou de n' entrer que l'une ou l' autre de ces valeurs. L ' interface 70 comporte également un champ 134 permettant ici l' entrée d'un taux en pourcentage de chargement d'un filtre à particules. On pourrait également envisager une interface qui permettrait d' entrer directement une valeur de contrepression à l'échappement. On ne s' écarterait pas du domaine de l' invention si l' interface ne permettait d' entrer qu'une ou deux des valeurs parmi celles mentionnées plus haut.
L ' interface peut également comporter un champ interactif 135 permettant de sélectionner un fichier correspondant au modèle mathématique de moteur virtuel 40 que l'on souhaite utiliser.
L 'interface 70 comporte également une série de champs numériques
136 qui sont ici au nombre de six, et permettent de définir un groupe de grandeurs jugées critiques pour le fonctionnement du moteur.
On trouve parmi ces grandeurs critiques, un seuil de vitesse de rotation de turbocompresseur SeuilNturbo exprimé en tours/minute, des seuils de pression seuilPAPC et SeuilPAVT en sortie d'un turbocompresseur et en sortie de cylindres, exprimés en millibars
( 1 millibar valant approximativement 100 Pa), et des seuils de température TAPC et TAVT en sortie de turbocompresseur et en sortie de cylindres, exprimés en degrés Celsius.
On trouve également une valeur adimensionnelle SeuilCompr représentant le rapport de pressions entre l' entrée et la sortie du turbocompresseur. L 'interface 70 comporte enfin une case d' activation
137 permettant de valider l' entrée des données énumérées ci-dessus et
de lancer l'opération de calibration proprement dite. L 'interface d' export 71 affiche des courbes 141 , 142, 143 qui sont fonction d'un régime moteur N qui est ici typiquement compris entre 1000 et 5000 tours/minute.
Sur la courbe 141 , sont affichées les valeurs de quantité de carburant injecté maximales Injmax calculées par le module de calibration 66, pour les conditions de température et de pression atmosphérique définies aux cases 132 et 133 ainsi que pour la contrepression à l' échappement définie à la case 134. Les valeurs de quantité de carburant injecté sont ici affichées en mg/coups, et sont par exemple comprises entre 20mg/coups et 80mg/coup.
La courbe 142 fait apparaître les valeurs de pression de suralimentation maximale Pcolmax déterminées par le module de calibration 66, toujours pour les mêmes conditions de température et de pression extérieure et pour la même contrepression à l' échappement. Ces valeurs sont par exemple comprises entre 1000 mbar et 3000 mbar.
La courbe 143 fait apparaître les valeurs PME de pression moyenne effective dans les cylindres du moteur 40, pour les mêmes conditions de fonctionnement du moteur que celles permettant d'obtenir les courbes 141 et 142. Cette valeur, exprimée en bar, peut par exemple être comprise entre 5 et 30 bar, soit 500 000 et 3000 000Pa. La pression moyenne effective est obtenue en intégrant sur un cycle du moteur, la pression de gaz dans un cylindre sur les variations de volume intérieur du cylindre. Cette valeur est proportionnelle au couple développé par le moteur.
Les courbes 141 , et 142 peuvent être une superposition des courbes limites initiales de fonctionnement du moteur 1 de la figure 1 , soit InJ0(N) et Pcolo(N), et des nouvelles courbes calculées, Injmax(N) et Pcolmax(N). Sur l'exemple de la figure 6, les courbes initiales sont représentées en trait plein, et les nouvelles courbes sont représentées par leurs points de calcul. La même convention de représentation est reprise pour la courbe de pression moyenne effective initiale et la nouvelle courbe de pression moyenne effective 143.
L'interface d'export 71 comporte également des graphes 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150 permettant de visualiser les pourcentages d'écart aux valeurs seuil définies à l'aide des champs 131 et 136 de l'interface d'entrée 70, des grandeurs correspondantes du moteur virtuel 40 dans les conditions de fonctionnement des courbes 141 et
142. Chaque graphe affiche par exemple le rapport d'une des grandeurs à surveiller, par le seuil qui lui a été alloué, en limitant l'affichage aux valeurs comprises entre 80% et 100%. Ces graphes 144 à 150 permettent de voir, pour chaque régime du moteur, quelles grandeurs de fonctionnement du moteur ont été déterminantes pour imposer une limitation sur la quantité de carburant injectée ou sur la pression de suralimentation.
Le système de calibration suivant l'invention permet de limiter le nombre d'essais sur véhicule, ce qui permet d'économiser le prix des essais eux-mêmes, et de gagner du temps sur le développement du véhicule, notamment si les cartographies de quantité de carburant et de pression de suralimentation doivent être établies alors que le nombre de bancs altimétriques disponibles ou le nombre de véhicules existants est réduit.
Claims
1. Système de calibration pour moteurs à combustion interne suralimentés par turbocompresseur, comprenant :
- une interface homme-machine (69) permettant de définir une liste de valeurs (136) comprenant au moins deux températures, deux pressions, une vitesse de rotation, et une valeur adimensionnelle, permettant d'accéder ( 130) à des cartographies (36) de températures et pressions en fonction d'un tableau (29) de points de fonctionnement d'un moteur ( 1 ), et permettant d'entrer une ou plusieurs valeurs ( 132, 133 , 134) à partir desquelles il est possible de définir une température atmosphérique, une pression atmosphérique, ou une contrepression à l'échappement d'un moteur,
- un module d'export (71 ) apte à transmettre ou à afficher une cartographie (141 ) d'une quantité de carburant injecté en fonction d'un régime moteur, et une cartographie de pressions ( 142) ou une cartographie de positions de vanne(s) ou d'ailette(s), en fonction d'un régime moteur.
2. Système de calibration suivant la revendication 1 , dans lequel l'interface homme-machine (69) permet de définir une condition de température et une condition de pression atmosphérique ou d'altitude.
3. Système de calibration suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interface homme-machine (69) permet de définir une valeur de contrepression à l'échappement ou une valeur de chargement d'un moyen de dépollution à l'échappement.
4. Système de calibration suivant l'une des revendications précédentes, comprenant :
- un modèle mathématique (40) à paramètres ajustables, apte à calculer un champ de grandeurs listant des températures et pressions en différents points d'un circuit d'air d'un moteur virtuel suralimenté, et listant le débit d'air d'alimentation du moteur virtuel et la vitesse de rotation d'un turbocompresseur virtuel (61 ) de ce moteur, en fonction de la température et de la pression atmosphériques, du régime du moteur virtuel, d'un motif d'injection en carburant, de positions de vannes ou volets de régulation (55, 56) du circuit d'air du moteur virtuel, de la configuration géométrique d'un turbocompresseur virtuel (61 ), et en fonction d'une contrepression à l'échappement du moteur virtuel,
- des moyens d'identification (65) configurés pour attribuer des valeurs aux paramètres du modèle, en fonction d'une cartographie (36) reliant un tableau (29) de points de fonctionnement du moteur, et des valeurs de fonctionnement moteur, notamment des températures et pressions d'un circuit d'air d'un moteur réel ( 1 ), un débit d'alimentation en air de ce circuit, et une vitesse de rotation d'un turbocompresseur du moteur,
- une interface homme-machine (69) permettant d'attribuer des seuils de fonctionnement ( 136) à certaines grandeurs critiques du champ de grandeurs du moteur virtuel, et permettant de définir une valeur test de pression atmosphérique et une valeur test de température atmosphérique, et/ou une valeur test de contrepression à l'échappement,
- un module de détarage (66) configuré pour déterminer, pour les valeurs test de température, de pression et/ou de contrepression, et pour un régime donné du moteur virtuel, une quantité maximale de carburant injecté et une pression maximale de suralimentation que l'on peut imposer au moteur virtuel, sans que les grandeurs critiques dépassent leurs seuils de fonctionnement respectif,
- un module d'export (71 ) configuré pour transmettre ou afficher une cartographie de la quantité maximale de carburant injecté en fonction du régime du moteur virtuel, et une cartographie de la pression maximale de suralimentation ou une cartographie de la configuration géométrique correspondante du turbocompresseur virtuel, en fonction de régimes du moteur virtuel.
5. Système de calibration suivant la revendication 2, dans lequel le modèle mathématique (40) est également apte à calculer une valeur d'émissions d'espèces polluantes du moteur virtuel, dans lequel les moyens d'identification (65) prennent en compte la différence entre les valeur d'émissions calculée par le modèle (40) et des valeurs d'émissions mesurées sur le moteur réel ( 1 ), et dans lequel l'interface homme-machine (69) permet d'accéder ( 131 ) à des cartographies (72) de seuils d'émissions polluantes en fonction de quantités de carburant injectées dans un moteur.
6. Système de calibration suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le module d'export (71 ) est également configuré pour transmettre ou afficher une cartographie ( 143) en fonction du régime du moteur virtuel, du couple maximal que peut développer le moteur virtuel, ou de la pression moyenne effective maximale qui peut être obtenue dans un cylindre du moteur virtuel.
7. Système de calibration suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le module d'export (71 ) est également configuré pour transmettre ou afficher des cartographies ( 144, 145, 146, 147, 148, 149 , 150) en fonction du régime du moteur virtuel, des écarts des grandeurs critiques à leurs seuil respectifs, ces écarts étant calculés pour les quantités maximales de carburant inj ectées et les pressions de suralimentations maximales.
8. Système de calibration suivant l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le module de détarage (66) comprend un optimiseur d'injection (67), apte à déterminer une quantité maximale de carburant à injecter dans le moteur virtuel, configuré pour effectuer une série d'itérations pour chaque régime moteur du tableau de point de fonctionnement (29), en incrémentant ou décrémentant à chaque itération la quantité de carburant injectée, jusqu'à ce que la valeur d'émissions polluantes du moteur virtuel ou la température des gaz en sortie des cylindres de ce moteur, soient supérieures à une fraction minimale de leurs seuils respectifs, et que la valeur d'émissions et la température des gaz en sortie des cylindres soient toutes deux inférieures à leurs seuils respectifs.
9. Système de calibration suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le module de détarage (66) comprend un optimiseur de suralimentation (68), apte à déterminer une pression maximale des gaz acceptable en entrée des cylindres du moteur virtuel, configuré pour effectuer une série d'itérations pour chaque régime moteur du tableau de point de fonctionnement (29), en incrémentant ou décrémentant à chaque itération la pression des gaz en entrée des cylindres du moteur virtuel, jusqu'à ce qu'au moins une des grandeurs critiques autre que la température de gaz en entrée de cylindres ou la valeur d'émissions, soit supérieure à une fraction minimale de son seuil de fonctionnement, et que toutes les grandeurs critique soient inférieures à leurs seuils respectifs.
10. Système de calibration suivant les revendication 8 et 9, dans lequel l'optimiseur d'injection (67) et l'optimiseur de suralimentation (68) sont configurés pour effectuer chacun une itération, respectivement sur la quantité de carburant injectée et sur la pression des gaz en entrée des cylindres, puis pour effectuer chacun un test sur le champ de grandeurs calculées par le modèle (40) avec les nouvelles valeurs de quantité de carburant injectée et de pression des gaz en entrée des cylindres, afin de décider si la quantité de carburant et la pression des gaz en entrée des cylindres doivent être incrémentées ou décrémentées à l'étape suivante.
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