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WO2021047966A1 - Procede de determination de la masse de gaz enfermee dans une chambre de combustion - Google Patents

Procede de determination de la masse de gaz enfermee dans une chambre de combustion Download PDF

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Publication number
WO2021047966A1
WO2021047966A1 PCT/EP2020/074396 EP2020074396W WO2021047966A1 WO 2021047966 A1 WO2021047966 A1 WO 2021047966A1 EP 2020074396 W EP2020074396 W EP 2020074396W WO 2021047966 A1 WO2021047966 A1 WO 2021047966A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
mass
enclosed
determined
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/074396
Other languages
English (en)
Inventor
Mateos KASSA
Thomas Leroy
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
Priority to EP20764095.4A priority Critical patent/EP4028658A1/fr
Publication of WO2021047966A1 publication Critical patent/WO2021047966A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0402—Engine intake system parameters the parameter being determined by using a model of the engine intake or its components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/14—Timing of measurement, e.g. synchronisation of measurements to the engine cycle

Definitions

  • the present invention relates to the field of determining the mass of gas enclosed in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the mass of gas locked in a combustion chamber is a useful parameter in particular for the control of internal combustion engines, for the tests of internal combustion engines, in order in particular to analyze the combustion, to improve the strategies of control of the combustion. combustion, improve cycle-to-cycle and between-cylinder behavior of an internal combustion engine. Knowledge of this parameter is important in particular for spark ignition engines and for diesel engines equipped with exhaust gas recirculation (EGR) and / or variable timing.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • some methods are based on measurements of the inlet pressure, which may not reliably represent the physical phenomena involved in the combustion chamber.
  • Other methods require signal processing techniques which can be complex, time consuming, and which can also generate inaccuracies in the estimated trapped mass of gas.
  • Patent application WO 2007060349 describes a method based on the use of a pressure sensor in the cylinder and a temperature sensor downstream of the exhaust valve. Thus, this method requires specific instrumentation of the internal combustion engine. In addition, this method reconstructs the temperature of the gas in the cylinder from the measurement of the temperature sensor downstream of the exhaust valve. This reconstruction generates approximations, which influence the accuracy of the estimated trapped gas mass.
  • Patent application WO 2015082731 describes a method based on estimating the resonant frequency of the pressure in the combustion chamber by means of a Fourier transform, which is a processing of the signal coming from the pressure sensor. This estimate of the resonant frequency lacks precision for an accurate estimate of the mass of gas trapped.
  • this method uses the solution of Bessel's equations, assuming that the combustion chamber is a perfect cylinder.
  • the combustion chambers of internal combustion engines are not purely cylindrical. The estimate obtained by this method is therefore found to be erroneous because of this assumption.
  • this method requires large amplitude oscillations.
  • the object of the present invention is to accurately determine the mass of gas enclosed in a combustion chamber of an internal combustion engine, with simple and conventional instrumentation, and without complex signal processing.
  • the method for determining the mass of gas enclosed in a combustion chamber according to the invention is based solely on measuring the pressure within the combustion chamber.
  • the method uses a model of the combustion chamber, one of whose parameters, the frequency of pressure oscillations, is determined by measuring the gas pressure in the combustion chamber.
  • the method according to the invention is precise, reliable, and requires simple instrumentation.
  • said volume V of said combustion chamber is obtained by means of a mapping as a function of the crankshaft angle of said internal combustion engine.
  • said wavelength l is obtained by means of a mapping as a function of the crankshaft angle of said internal combustion engine.
  • said mapping of said wavelength l is constructed beforehand digitally.
  • said mapping of said wavelength l is constructed by a three-dimensional finite element approach.
  • said specific thermal ratio y is determined by taking into account the composition of said enclosed mass, and by means of the thermal capacity of the components of said enclosed mass.
  • said enclosed mass of gas is determined in real time.
  • each specific thermal ratio y of each predefined enclosed mass of gas m 1 is determined; ..., m n by implementing the following steps:
  • composition of said enclosed mass is determined;
  • the frequency of pressure oscillations f is determined by means of an average over a time window of said determined oscillations.
  • a wavelength l is determined for each mode of oscillation of said pressure of said gas.
  • Figure 1 shows a cylinder of an internal combustion engine.
  • FIG. 2 illustrates the steps of the method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates the steps of calibrating the frequency of pressure oscillations according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 illustrates a graph of the relative mass of gas estimated by the method according to the invention for an example.
  • the present invention relates to a method for determining the mass of gas enclosed in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • an internal combustion engine comprises at least one cylinder, a piston sliding in this cylinder in a reciprocating rectilinear movement, means for admitting an oxidizer (gas), means for exhausting burnt gases, a bedroom combustion, and injection means for injecting fuel into the combustion chamber.
  • the combustion chamber is arranged in the upper part of the cylinder, and its volume varies by the movement of the piston in the cylinder.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a cylinder 1 of an internal combustion engine according to one embodiment of the invention. In this figure, the admission, exhaust and injection means, and any ignition means are not shown. Within the cylinder 1 moves a piston 6 in a reciprocating rectilinear movement.
  • the combustion chamber 2 is the zone where combustion takes place, it is limited by the upper part of the piston 6, the side wall 4 of the cylinder, and the roof of the cylinder 5. This zone corresponds to the white zone in figure 1
  • the cylinder comprises a pressure sensor 3, which measures the pressure of the gas in the combustion chamber 2.
  • the internal combustion engine can be of any type, spark ignition or self-ignition, with or without exhaust gas recirculation, with or without supercharging.
  • the method according to the invention is particularly suitable for spark ignition engines, and self-ignition engines equipped with exhaust gas recirculation (EGR) and / or variable timing.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • gas or oxidizer it is understood air at ambient pressure or supercharged air or even a mixture of air (supercharged or not) with burnt gases.
  • the method for determining the mass of enclosed gas uses a single sensor: a pressure sensor in the combustion chamber.
  • a single sensor limits engine instrumentation.
  • the measurement of the pressure in the combustion chamber makes it possible to have direct information relating to the behavior of the gas in the combustion chamber, unlike a sensor placed at the intake or the exhaust which would require rebuilding the gas. pressure in the combustion chamber.
  • Such a sensor also has the advantage of conventionally equipping an engine test bench, and the internal combustion engines of recent vehicles, in particular for new self-ignition engines, which facilitates the implementation of the method, and which limit its cost.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • these steps can be implemented in real time, in order to determine in real time the mass of gas enclosed, facilitating the exploitation of this parameter.
  • these steps can be implemented online, on an internal combustion engine of a vehicle or on an engine test bench.
  • the steps of determining the oscillations of the gas pressure and of determining the mass of enclosed gas can be implemented by computer means, in particular a computer fitted to the internal combustion engine.
  • Figure 2 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the steps of the method according to the invention.
  • the first step is to measure the pressure of the MES P gas in the combustion chamber, using a pressure sensor.
  • the second step consists in determining the gas pressure oscillations OSC P from the gas pressure measurement carried out previously.
  • the enclosed gas mass m is determined by determining DET f the frequency of pressure oscillations f with the pressure oscillations determined in the previous step.
  • the gas pressure in the combustion chamber is measured by means of a gas sensor placed in the combustion chamber.
  • this step can be implemented by means of a filter, preferably by means of a bandpass filter around the frequency of interest.
  • a filter preferably by means of a bandpass filter around the frequency of interest.
  • a Butterworth filter can be used.
  • V is the volume of the combustion chamber (variable over time)
  • l is the wavelength in the combustion chamber
  • P is the measured pressure of the gas in the combustion chamber
  • y is the thermal ratio specific.
  • the formula is representative of the physical phenomena of the gas in the combustion chamber, which makes it possible to precisely obtain the mass of enclosed gas.
  • the volume V of the combustion chamber can be obtained by means of a map or a table of the volume of the combustion chamber as a function of the crankshaft angle of the internal combustion engine.
  • This mapping reflects the variations in volume linked to the movement of the piston. The use of such a mapping makes it possible to make the determination of the volume of the combustion chamber fast, and usable in real time.
  • the wavelength l depends on the position of the piston (it is therefore variable over time) and on the shape of the combustion chamber. According to an implementation of the invention, the wavelength l can be obtained by means of a mapping of the wavelength l as a function of the crankshaft angle of the internal combustion engine. The use of such a mapping makes it possible to make the determination of the wavelength l fast, and usable in real time.
  • the map of the wavelength l can be constructed beforehand and digitally.
  • the digital determination of the wavelength l makes it possible to determine a wavelength l for any shape of the combustion chamber.
  • the determination of the enclosed mass does not include an approximation linked to the shape of the combustion chamber.
  • the mapping of the wavelength l can be constructed by a three-dimensional finite element approach (applied to the combustion chamber) to solve the three-dimensional wave equation. at each crankshaft angle, and thus determine the ratio between the frequency of pressure oscillations and the imposed speed of sound.
  • the inputs to the finite element approach can be:
  • source that is to say a localized pressure gradient used to initialize the calculation.
  • the wavelength l can be determined by other methods, for example analytically.
  • a wavelength l can be determined for each gas pressure oscillation mode, so as to obtain more precise information.
  • the specific thermal ratio is time dependent and varies from one operating point to another of the internal combustion engine.
  • the specific thermal ratio y can be determined by taking into account the composition of the mass enclosed in the combustion chamber, and by means of the thermal capacity of the components of the mass enclosed in the chamber. combustion.
  • this embodiment it is possible to take into account the volume fraction of the components of the fuel injected into the combustion chamber (for example the fraction volume of ethanol in gasoline), the ratio of quantity of air per quantity of fuel in the combustion chamber compared to the stoichiometric ratio, and the proportion of unburnt gases in the combustion chamber.
  • this embodiment can implement the following steps:
  • the coefficients of the chemical formula of the fuel are determined, for example the coefficients x, y, z for a fuel of the form CxHyOz (when the fuel is not a mixture, and when the fuel is a mixture, the coefficients of the basic components of the fuel, depending on the volume fraction of the components of the fuel);
  • the heat capacity of the unburned mixture in the combustion chamber is determined, taking into account the coefficients of the chemical formula of the fuel (for example x, y, z), and the ratio of the amount of air to the amount of fuel in the combustion chamber in relation to the stoichiometric ratio.
  • the thermal capacity of the mixture burnt in the combustion chamber is determined, taking into account the coefficients of the chemical formula of the fuel (for example x, y, z), the methodology possibly being identical to that described for the thermal capacity of the fuel. unburned mixture.
  • the combustion balance equation (to determine the concentration of components in the burnt mixture) and the thermal Cp capacity equations for each component can be used.
  • the thermal capacity of the fuel mixture is determined by combining the thermal capacity of the burnt mixture and the thermal capacity of the unburned mixture, according to one embodiment of this step, it is possible, for example, to consider that the fuel mixture comprises 50 % of mixture burnt and 50% of unburnt mixture (or any other distribution),
  • the frequency of pressure oscillations can be determined by carrying out a calibration by means of the following steps:
  • At least two predefined enclosed gas masses m 1 are considered; m n , these are at least two possible enclosed gas masses, n is an integer greater than or equal to 2, according to one aspect of the invention, the predefined enclosed gas masses m 1; ..., m n are contained in a predefined list prior to the process being carried out,
  • a specific thermal ratio y is determined for each predefined enclosed mass of gas m 1; ..., m n , for example one can deduce from each predefined enclosed mass of gas m 1; ..., m n a temperature T in the combustion chamber, and by applying the steps described above, we can deduce the heat capacity of the mixture c p , which is then used to obtain the specific heat ratio y as a function of the crankshaft angle,
  • Each pressure oscillation frequency f obtained in the previous step is compared with the measured pressure oscillations (determined in step 2), and the enclosed gas mass is determined as one of the enclosed gas masses predefined m 1; ..., m n , for which the frequency of pressure oscillations f minimizes the comparison, in other words, the mass of gas enclosed determined by the method is one of the predefined enclosed gas masses m 1; ..., m n : that for which the difference between the pressure oscillation frequency f and the measured pressure oscillations is minimal.
  • the comparison may consist of a comparison of the oscillations. Preferably, only the frequency of the measured pressure oscillations is used for the calibration, the amplitude of the latter is not useful for the comparison.
  • this step can consist of a generation of the pressure oscillations with the different determined frequencies then the oscillations obtained are compared with those determined in step 2, and the signal for which the oscillation of the signal is comparable to the oscillations is chosen. of the measured pressure.
  • FIG. 3 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, this implementation of this step of the invention.
  • at least two enclosed gas masses m 1 are predefined; ..., m n .
  • At least two thermal ratios g 1 are deduced therefrom; ..., g p which correspond to the predefined enclosed masses of gas m 1; ..., m n .
  • the oscillation frequency f can be obtained by any other calibration method, for example by a method of minimizing an objective function.
  • the oscillation frequency can be determined by means of an average over a time window of said oscillations determined in step 2).
  • the example relates to the comparison of the mass of enclosed gas determined according to the method according to the invention, with the mass of enclosed gas determined by LES simulation.
  • LES simulation For this example, consider a supercharged internal combustion engine with a rotational speed of 5500 rpm, and consider 23 critical cycles that have been identified as having varying pressure oscillation levels.
  • the combustion chamber of the internal combustion engine is equipped with two pressure sensors at different positions within the combustion chamber.
  • FIG. 4 is a graph illustrating the mass m of gas locked in the combustion chamber as a function of the number N of the cycle considered.
  • the mass m used in this graph is a relative value which corresponds to the ratio of the mass of gas locked in the combustion chamber obtained by the method according to the invention compared to the mass of gas locked in the combustion chamber obtained by simulation .
  • a value close to 1 indicates a good correlation between the simulated values and the values obtained by the method according to the invention.
  • To each N corresponds two enclosed masses of gas, each obtained by one of the two pressure sensors used. Note that the values (represented by the points) and their average represented by the dotted segment are very close to the value one.
  • the method according to the invention makes it possible to accurately determine the mass of gas trapped in the combustion chamber.
  • the points and averages of the two pressure sensors are close. Therefore, the method according to the invention is quite independent of the position of the sensor in the combustion chamber.

Landscapes

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Abstract

Le procédé de détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion (2) selon l'invention se base sur la seule mesure de la pression (MES P) au sein de la chambre de combustion. Le procédé met en œuvre un modèle de la chambre de combustion, dont un des paramètres, la fréquence d'oscillations de pression, est déterminée (DET f) avec la mesure de la pression de gaz (MES P) dans la chambre de combustion.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA MASSE DE GAZ ENFERMEE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion d’un moteur à combustion interne.
La masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion est un paramètre utile notamment pour le contrôle des moteurs à combustion interne, pour les tests des moteurs à combustion interne, afin d’analyser notamment la combustion, d’améliorer les stratégies de contrôle de la combustion, d’améliorer le comportement cycle à cycle et entre cylindres d’un moteur à combustion interne. La connaissance de ce paramètre est important en particulier pour les moteurs à allumage commandé et pour les moteurs Diesel équipés d’une recirculation des gaz d’échappement (EGR) et/ou d’une distribution variable.
Technique antérieure
Aucun capteur ne permet de mesurer directement la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion. C’est pourquoi, plusieurs méthodes ont été développées pour estimer ce paramètre. Toutefois, aucune méthode ne permet de disposer d’une information fiable.
En particulier, certaines méthodes sont basées sur des mesures de la pression d’admission, qui peut ne pas représenter de manière fiable les phénomènes physiques mis en jeu au sein de la chambre de combustion. D’autres méthodes nécessitent des techniques de traitement de signal qui peuvent être complexes, longues et qui peuvent également générer des imprécisions sur la masse de gaz enfermée estimée.
La demande de brevet WO 2007060349 décrit une méthode basée sur l’utilisation d’un capteur de pression dans le cylindre et d’un capteur de température en aval de la soupape d’échappement. Ainsi, cette méthode nécessite une instrumentation spécifique du moteur à combustion interne. En outre, cette méthode reconstruit la température du gaz dans le cylindre à partir de la mesure du capteur de température en aval de la soupape d’échappement. Cette reconstruction génère des approximations, qui influent sur la précision de la masse de gaz enfermée estimée. La demande de brevet WO 2015082731 décrit une méthode basée sur l’estimation de la fréquence de résonance de la pression dans la chambre de combustion au moyen d’une transformée de Fourier, qui est un traitement du signal issu du capteur de pression. Cette estimation de la fréquence de résonance manque de précision pour une estimation précise de la masse de gaz enfermée. En outre, cette méthode utilise la résolution des équations de Bessel, ayant pour hypothèse que la chambre de combustion est un cylindre parfait. Cependant, les chambres de combustion des moteurs à combustion interne ne sont pas purement cylindriques. L’estimation obtenue par cette méthode se retrouve par conséquent erronée en raison de cette hypothèse. De plus, cette méthode nécessite des oscillations d’amplitudes importantes.
Résumé de l’invention
La présente invention a pour but de déterminer de manière précise la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion d’un moteur à combustion interne, avec une instrumentation simple et classique, et sans traitement du signal complexe. Dans ce but, le procédé de détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion selon l’invention se base sur la seule mesure de la pression au sein de la chambre de combustion. Le procédé met en oeuvre un modèle de la chambre de combustion, dont un des paramètres, la fréquence d’oscillations de pression, est déterminée avec la mesure de la pression de gaz dans la chambre de combustion. Ainsi, le procédé selon l’invention est précis, fiable, et nécessite une instrumentation simple.
L’invention concerne un procédé de détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion d’un moteur à combustion interne, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes : a) On mesure la pression P dudit gaz dans ladite chambre de combustion ; b) On détermine les oscillations de ladite pression de gaz P à partir de ladite mesure de pression P dudit gaz ; c) On détermine ladite masse de gaz enfermée m au moyen de la formule m =
Figure imgf000003_0001
et par détermination de la fréquence d’oscillations f de pression avec lesdites oscillations mesurées, V étant le volume de ladite chambre de combustion, l la longueur d’onde dans ladite chambre de combustion, P ladite pression mesurée dudit gaz dans ladite chambre de combustion, et y le rapport thermique spécifique. Selon un mode de réalisation, ledit volume V de ladite chambre de combustion est obtenu au moyen d’une cartographie en fonction de l’angle vilebrequin dudit moteur à combustion interne.
Conformément à une mise en oeuvre, ladite longueur d’onde l est obtenue au moyen d’une cartographie en fonction de l’angle vilebrequin dudit moteur à combustion interne.
Avantageusement, ladite cartographie de ladite longueur d’onde l est construite préalablement numériquement.
De préférence, ladite cartographie de ladite longueur d’onde l est construite par une approche par éléments finis en trois dimensions.
Selon un aspect de l’invention, on détermine ledit rapport thermique spécifique y en prenant en compte la composition de ladite masse enfermée, et au moyen de la capacité thermique des composants de ladite masse enfermée.
Conformément à une caractéristique, on détermine ladite masse de gaz enfermée en temps réel.
Selon un mode de réalisation, on détermine la fréquence d’oscillations de pression f en mettant en oeuvre les étapes suivantes de calibration : i) On considère au moins deux masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn ; ii) On détermine un rapport thermique spécifique y pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn ; iii) On détermine au moyen de ladite formule m = une fréquence d’oscillations
Figure imgf000004_0001
de pression f pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mnen fonction de ladite pression de gaz P mesurée, dudit volume V de la chambre de combustion, de ladite longueur d’onde l et dudit rapport thermique spécifique y déterminé ; et iv) On compare chaque fréquence d’oscillations de pression f déterminée avec lesdites oscillations de pression mesurées, et on détermine ladite masse de gaz enfermée en tant que la masse prédéfinie pour laquelle la fréquence d’oscillations de pression f minimise ladite comparaison.
De manière avantageuse, on détermine chaque rapport thermique spécifique y de chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn en mettant en oeuvre les étapes suivantes :
(1) On détermine la composition de ladite masse enfermée ; (2) On détermine une relation qui relie ledit rapport thermique spécifique y et la capacité du gaz cp dans ladite chambre de combustion : g = Cp R avec R la constante du gaz, et la capacité du gaz cp étant fonction de la température dudit gaz et de ladite composition de ladite masse enfermée ;
(3) On détermine la température dudit gaz au moyen de la loi des gaz parfaits appliquée à chaque masse enfermée prédéfinie m1 ; mn ; et
(4) On en déduit ledit rapport thermique spécifique y pour chaque masse enfermée prédéfinie m1 ; mn.
Alternativement, on détermine la fréquence d’oscillations de pression f au moyen d’une moyenne sur une fenêtre temporelle desdites oscillations déterminées.
Selon une mise en oeuvre, on détermine une longueur d’onde l pour chaque mode d’oscillations de ladite pression dudit gaz.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 illustre un cylindre d’un moteur à combustion interne.
La figure 2 illustre les étapes du procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre les étapes de la calibration de la fréquence d’oscillations de pression selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 illustre un graphique de la masse relative de gaz estimée par le procédé selon l’invention pour un exemple.
Description des modes de réalisation
La présente invention concerne un procédé de détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion d’un moteur à combustion interne.
De manière classique, un moteur à combustion interne comprend au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre en un mouvement rectiligne alternatif, des moyens d’admission d'un comburant (gaz), des moyens d’échappement de gaz brûlés, une chambre de combustion, et des moyens d'injection pour injecter un combustible dans la chambre de combustion. La chambre de combustion est agencée dans la partie haute de cylindre, et son volume varie par le déplacement du piston dans le cylindre. La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un cylindre 1 d’un moteur à combustion interne selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les moyens d’admission, d’échappement, d’injection, et les éventuels moyens d’allumage ne sont pas représentés. Au sein du cylindre 1 se déplace un piston 6 selon un mouvement rectiligne alternatif. La chambre de combustion 2 est la zone où se produit la combustion, elle est limitée par la partie supérieure du piston 6, la paroi latérale 4 du cylindre, et le toit du cylindre 5. Cette zone correspond à la zone blanche de la figure 1. En outre, pour le procédé selon l’invention, le cylindre comporte un capteur de pression 3, qui mesure la pression du gaz dans la chambre de combustion 2.
Le moteur à combustion interne peut être de tout type, à allumage commandé ou à auto inflammation, avec ou sans recirculation des gaz d’échappement, avec ou sans suralimentation. Toutefois, le procédé selon l’invention est particulièrement adapté aux moteurs à allumage commandé, et aux moteurs à auto-inflammation équipés d’une recirculation des gaz d’échappement (EGR) et/ou d’une distribution variable.
Par les termes gaz ou comburant, il est compris de l'air à pression ambiante ou de l'air suralimenté ou encore un mélange d'air (suralimenté ou non) avec des gaz brûlés.
Le procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’invention utilise un unique capteur : un capteur de pression dans la chambre de combustion. L’utilisation d’un unique capteur permet de limiter l’instrumentation du moteur. De plus, la mesure de la pression dans la chambre de combustion permet d’avoir directement des informations relatives au comportement du gaz dans la chambre de combustion, contrairement à un capteur placé à l’admission ou à l’échappement qui nécessiterait de reconstruire la pression dans la chambre de combustion. Un tel capteur présente également l’avantage d’équiper classiquement un banc moteur, et les moteurs à combustion interne des véhicules récents, en particulier pour les nouveaux moteurs à auto-inflammation, ce qui facilite la mise en oeuvre du procédé, et ce qui limite son coût.
Le procédé selon l’invention comporte les étapes suivantes :
- Mesure de la pression du gaz dans la chambre de combustion ;
Détermination des oscillations de la pression de gaz mesurée ; et Détermination de la masse de gaz enfermée par détermination de la fréquence d’oscillations avec les mesures. Ces étapes seront détaillés dans la suite de la description.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ces étapes peuvent être mises en oeuvre en temps réel, afin de déterminer en temps réel la masse de gaz enfermée, facilitant l’exploitation de ce paramètre.
De plus, ces étapes peuvent être mises en oeuvre en ligne, sur un moteur à combustion interne d’un véhicule ou sur un banc moteur.
Les étapes de détermination des oscillations de la pression de gaz et de la détermination de la masse de gaz enfermée peuvent être mises en oeuvre par des moyens informatiques, notamment un calculateur équipant le moteur à combustion interne.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, les étapes du procédé selon l’invention. La première étape consiste à mesurer la pression du gaz MES P dans la chambre de combustion, au moyen d’un capteur de pression. La deuxième étape consiste à déterminer les oscillations de pression de gaz OSC P à partir de la mesure de pression de gaz réalisée précédemment. Ensuite, on détermine la masse de gaz enfermée m par détermination DET f de la fréquence d’oscillations f de pression avec les oscillations de pression déterminées à l’étape précédente.
1) Mesure de la pression du qaz
Lors de cette étape, on mesure la pression du gaz dans la chambre de combustion, au moyen d’un capteur de gaz placé dans la chambre de combustion.
2) Détermination des oscillations de la pression
Lors de cette étape, on détermine les oscillations de la pression de gaz, au cours du temps, à partir de la pression du gaz. Ainsi, on peut connaître précisément les phénomènes physiques mis en oeuvre dans la chambre de combustion.
Selon un mode de réalisation, cette étape peut être mise en oeuvre au moyen d’un filtre, de préférence au moyen d’un filtre passe bande autour de la fréquence d’intérêt. Selon un exemple non limitatif, on peut mettre en oeuvre un filtre passe bande entre 5 et 9 kHz. De manière non limitative, on peut utiliser un filtre Butterworth. 3) Détermination de la masse de gaz enfermée
Lors de cette étape, on détermine la masse de gaz enfermée m au moyen de la formule m = (appelée également modèle de la chambre de combustion) et par détermination de la fréquence d’oscillations f de pression avec les oscillations mesurées déterminées à l’étape précédente. Dans cette formule, V est le volume de la chambre de combustion (variable dans le temps), l est la longueur d’onde dans la chambre de combustion, P la pression mesurée du gaz dans la chambre de combustion, et y le rapport thermique spécifique.
La formule m = est obtenue à partir de la loi des gaz parfaits : PV = mRT, de l’équation
Figure imgf000008_0001
de la fréquence d’oscillations
Figure imgf000008_0002
et de l’équation de la vitesse du son c = ^gRT, c étant la vitesse instantanée du son dans la chambre de combustion. Ainsi, la formule est représentative des phénomènes physiques du gaz dans la chambre de combustion, ce qui permet l’obtention précise de la masse de gaz enfermée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le volume V de la chambre de combustion peut être obtenu au moyen d’une cartographie ou une table du volume de la chambre de combustion en fonction de l’angle vilebrequin du moteur à combustion interne. Cette cartographie traduit les variations du volume lié au mouvement du piston. L’utilisation d’une telle cartographie permet de rendre la détermination du volume de la chambre de combustion rapide, et utilisable en temps réel.
La longueur d’onde l dépend de la position du piston (elle est donc variable dans le temps) et de la forme de la chambre de combustion. Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, la longueur d’onde l peut être obtenue au moyen d’une cartographie de la longueur d’onde l en fonction de l’angle vilebrequin du moteur à combustion interne. L’utilisation d’une telle cartographie permet de rendre la détermination de la longueur d’onde l rapide, et utilisable en temps réel.
Pour cette mise en oeuvre, la cartographie de la longueur d’onde l peut être construite préalablement et numériquement. La détermination numérique de la longueur d’onde l, permet de déterminer une longueur d’onde l pour toute forme de la chambre de combustion. Ainsi, la détermination de la masse enfermée ne comporte pas d’approximation liée à la forme de la chambre de combustion.
Selon un aspect préféré de cette mise en oeuvre, la cartographie de la longueur d’onde l peut être construite par une approche par éléments finis en trois dimensions (appliquée à la chambre de combustion) pour résoudre l’équation d’onde en trois dimensions à chaque angle vilebrequin, et pour ainsi déterminer le rapport entre la fréquence d’oscillations de pression et la vitesse imposée du son. Les entrées de l’approche par éléments finis peuvent être :
La géométrie de la chambre de combustion à chaque angle vilebrequin, i d p
L’équation d’onde à résoudre : AP = — — avec la vitesse du son c fixe,
- Les conditions aux limites : VP.n = 0, n étant le vecteur normal à la paroi du cylindre,
- Les conditions initiales : source, c’est-à-dire un gradient de pression localisé utilisé pour initialiser le calcul.
La résolution de l’équation d’onde permet de surveiller les oscillations de pression à différents endroits de la chambre de combustion ; par la suite, les fréquences d’oscillations peuvent être dérivées via une simple analyse de densité spectrale et les longueurs d’onde associées à chaque mode d’oscillation peuvent être calculées, pour chaque angle vilebrequin.
Alternativement, la longueur d’onde l peut être déterminée par d’autres méthodes, par exemple analytiquement.
De préférence, on peut déterminer une longueur d’onde l pour chaque mode d’oscillations de la pression de gaz, de manière à obtenir une information plus précise.
Le rapport thermique spécifique y dépend du temps et varie d’un point de fonctionnement à l’autre du moteur à combustion interne.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut déterminer le rapport thermique spécifique y en prenant en compte la composition de la masse enfermée dans la chambre de combustion, et au moyen de la capacité thermique des composants de la masse enfermée dans la chambre de combustion.
Pour ce mode de réalisation, on peut prendre en compte la fraction volumique des composants du carburant injecté dans la chambre de combustion (par exemple la fraction volumique d’éthanol dans une essence), le rapport quantité d’air par quantité de carburant dans la chambre de combustion par rapport au rapport stoechiométrique, et la proportion de gaz imbrûlés dans la chambre de combustion. De plus, ce mode de réalisation peut mettre en oeuvre les étapes suivantes :
- On détermine les coefficients de la formule chimique du carburant, par exemple les coefficients x, y, z pour un carburant de la forme CxHyOz (lorsque le carburant n’est pas un mélange, et lorsque le carburant est un mélange on peut pondérer les coefficients des composants de base du carburant, en fonction de la fraction volumique des composants du carburant) ;
- On détermine la capacité thermique du mélange non brûlé dans la chambre de combustion, en prenant en compte les coefficients de la formule chimique du carburant (par exemple x, y, z), et le rapport quantité d’air par quantité de carburant dans la chambre de combustion par rapport au rapport stoechiométrique. On peut se servir de l’équation bilan de la combustion (pour déterminer la concentration des composants de l’air et du carburant) et d’une équation de capacité Cp thermique de chaque composant de l’équation bilan, cette équation pouvant être de la forme Cp(T ) = a + b x T + c x T2 + d x T3 + e x T 4 avec T la température dans la chambre de combustion, et a, b, c, d et e des coefficients obtenus par des tables (ex : Table de JANAF) pour chaque composant du mélange non brûlé,
- On détermine la capacité thermique du mélange brûlé dans la chambre de combustion, en prenant en compte les coefficients de la formule chimique du carburant (par exemple x, y, z), la méthodologie pouvant être identique à celle décrite pour la capacité thermique du mélange non brûlé. On peut se servir de l’équation bilan de la combustion (pour déterminer la concentration des composants du mélange brûlé) et des équations de capacité Cp thermique de chaque composant.
- On détermine la capacité thermique du mélange carburé par association de la capacité thermique du mélange brûlé et de la capacité thermique du mélange non brûlé, selon un mode de réalisation de cette étape, on peut, par exemple, considérer que le mélange carburé comprend 50% de mélange brûlé et 50% de mélange non brûlé (ou toute autre répartition),
- On détermine le rapport de capacité thermique y par l’équation y =
Figure imgf000010_0001
avec cp la
Figure imgf000010_0002
capacité thermique du mélange carburé déterminée à l’étape précédente, et R la constante des gaz parfaits. Pour la mise en oeuvre de ce mode de réalisation, la température T du mélange peut être déduite de la loi des gaz parfaits PV = mRT en sélectionnant au moins une masse de gaz enfermée hypothétique, P, V et R étant connus par ailleurs.
Selon un deuxième mode de réalisation, le rapport de capacité thermique peut être obtenu par une formule du type y =
Figure imgf000011_0001
sur la base d’une hypothèse d’un comportement adiabatique.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, on peut déterminer la fréquence d’oscillations de pression en mettant en oeuvre une calibration au moyen des étapes suivantes:
- On considère au moins deux masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; mn, il s’agit d’au moins deux masses de gaz enfermées possibles, n est un entier supérieur ou égal à 2, selon un aspect de l’invention, les masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn sont contenues dans une liste prédéfinie préalablement au déroulé du procédé,
- On détermine un rapport thermique spécifique y pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn , par exemple on peut déduire de chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn une température T dans la chambre de combustion, et en appliquant les étapes décrites ci-dessus, on peut en déduire la capacité thermique du mélange cp, qui est ensuite utilisée pour obtenir le rapport thermique spécifique y en fonction de l’angle vilebrequin,
- On détermine au moyen de la formule m = une fréquence d’oscillations de
Figure imgf000011_0002
pression f pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mnen fonction de la pression mesurée P et des paramètres déterminés, le volume V de la chambre de combustion et la longueur d’onde l, et le rapport thermique spécifique y déterminé à l’étape précédente, en d’autres termes on inverse la formule m = pour obtenir une équation / = dont tous les paramètres
Figure imgf000011_0004
Figure imgf000011_0003
sont déterminés (P, V, y, A) ou prédéfini (m),
- On compare chaque fréquence d’oscillations de pression f obtenue à l’étape précédente avec les oscillations de pression mesurée (déterminées à l’étape 2), et on détermine la masse de gaz enfermée en tant qu’une des masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn , pour laquelle la fréquence d’oscillations de pression f minimise la comparaison, en d’autres termes, la masse de gaz enfermée déterminée par le procédé est une des masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn : celle pour laquelle la différence entre la fréquence d’oscillation de pression f et les oscillations de pression mesurée est minimale. La comparaison peut consister en une comparaison des oscillations. De préférence, seule la fréquence des oscillations de pression mesurée est utilisée pour la calibration, l’amplitude de celles-ci n’est pas utile pour la comparaison. De préférence, cette étape peut consister en une génération des oscillations de pression avec les différentes fréquences déterminées puis on compare les oscillations obtenues avec celles déterminées à l’étape 2, et on choisit le signal pour lequel l’oscillation du signal est comparable aux oscillations de la pression mesurée.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, cette mise en oeuvre de cette étape de l’invention. Dans un premier temps, on prédéfinit au moins deux masses de gaz enfermées m1 ; ..., mn. On en déduit au moins deux rapports thermiques g1 ; ..., gp qui correspondent aux masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn. Ensuite, on calcule au moins deux fréquences d’oscillations de pression f1 ; ..., fn qui correspondent aux masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn., au moyen de l’équation / = qui découle de la
Figure imgf000012_0001
formule m = . Ces valeurs sont comparées (COMP) avec les oscillations de pression mesurée OSC, pour choisir la fréquence d’oscillations f parmi les fréquences d’oscillations de pression f1 ; ..., fn qui se rapproche le plus de la fréquence des oscillations de pression mesurée OSC. La masse de gaz enfermée déterminée par le procédé selon l’invention est alors la masse de gaz enfermée parmi les masses de gaz enfermées m1 ; ..., mn qui correspond à la fréquence d’oscillations de pression f choisie.
En variante, la fréquence d’oscillation f peut être obtenue par toute autre méthode de calibration, par exemple par une méthode de minimisation d’une fonction objectif.
Alternativement, la fréquence d’oscillation peut être déterminée au moyen d’une moyenne sur une fenêtre temporelle desdites oscillations déterminées lors de l’étape 2).
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation des étapes du procédé décrites ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. Exemple
Les caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple d'application ci-après.
L’exemple concerne la comparaison de la masse de gaz enfermée déterminée selon le procédé selon l’invention, avec la masse de gaz enfermée déterminée par simulation LES. Pour cet exemple, on considère un moteur à combustion interne suralimenté ayant une vitesse de rotation à 5500 tr/min, et on considère 23 cycles critiques qui ont été identifiés comme ayant des niveaux d’oscillations de pressions variables. Pour cet exemple, la chambre de combustion du moteur à combustion interne est équipée de deux capteurs de pression à des positions différentes au sein de la chambre de combustion.
La figure 4 est un graphique illustrant la masse m de gaz enfermée dans la chambre de combustion en fonction du numéro N du cycle considéré. La masse m utilisée dans ce graphique est une valeur relative qui correspond au ratio de la masse de gaz enfermée dans la chambre de combustion obtenue par le procédé selon l’invention par rapport à la masse de gaz enfermée dans la chambre de combustion obtenue par simulation. Ainsi, une valeur proche de 1 indique une bonne corrélation entre les valeurs simulées et les valeurs obtenues par le procédé selon l’invention. A chaque N correspond deux masses de gaz enfermées, chacune étant obtenue par un des deux capteurs de pression utilisé. On remarque que les valeurs (représentés par les points) et leur moyenne représentée par le segment pointillé sont très proches de la valeur un. Ainsi, le procédé selon l’invention permet de déterminer de manière précise la masse de gaz enfermée dans la chambre de combustion. De plus, les points et les moyennes des deux capteurs de pression sont proches. Par conséquent, le procédé selon l’invention est bien indépendant de la position du capteur dans la chambre de combustion.

Claims

Revendications
1. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée dans une chambre de combustion (2) d’un moteur à combustion interne, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes : a) On mesure la pression P (MES P) dudit gaz dans ladite chambre de combustion (2) ; b) On détermine les oscillations de ladite pression de gaz P (OSC P) à partir de ladite mesure de pression P dudit gaz ; c) On détermine ladite masse de gaz enfermée m au moyen de la formule m =
Figure imgf000014_0001
et par détermination de la fréquence d’oscillations f de pression (DET f) avec lesdites oscillations mesurées, V étant le volume de ladite chambre de combustion, l la longueur d’onde dans ladite chambre de combustion (2), P ladite pression mesurée dudit gaz dans ladite chambre de combustion, et y le rapport thermique spécifique.
2. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon la revendication 1 , dans lequel ledit volume V de ladite chambre de combustion (2) est obtenu au moyen d’une cartographie en fonction de l’angle vilebrequin dudit moteur à combustion interne.
3. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite longueur d’onde l est obtenue au moyen d’une cartographie en fonction de l’angle vilebrequin dudit moteur à combustion interne.
4. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon la revendication 3, dans lequel ladite cartographie de ladite longueur d’onde l est construite préalablement numériquement.
5. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel ladite cartographie de ladite longueur d’onde l est construite par une approche par éléments finis en trois dimensions.
6. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine ledit rapport thermique spécifique y en prenant en compte la composition de ladite masse enfermée, et au moyen de la capacité thermique des composants de ladite masse enfermée.
7. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine ladite masse de gaz enfermée en temps réel.
8. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine la fréquence d’oscillations de pression f (DET f) en mettant en oeuvre les étapes suivantes de calibration : i) On considère au moins deux masses de gaz enfermées prédéfinies m1 ; ..., mn ; ii) On détermine un rapport thermique spécifique y pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn ; iii) On détermine au moyen de ladite formule m = une fréquence d’oscillations
Figure imgf000015_0001
de pression f pour chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mnen fonction de ladite pression de gaz P mesurée, dudit volume V de la chambre de combustion, de ladite longueur d’onde l et dudit rapport thermique spécifique y déterminé ; et iv) On compare (COMP) chaque fréquence d’oscillations de pression f déterminée avec lesdites oscillations de pression mesurées (OSC), et on détermine ladite masse de gaz enfermée m en tant que la masse prédéfinie pour laquelle la fréquence d’oscillations de pression f minimise ladite comparaison.
9. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon la revendication 8, dans lequel on détermine chaque rapport thermique spécifique y de chaque masse de gaz enfermée prédéfinie m1 ; ..., mn en mettant en oeuvre les étapes suivantes :
(1) On détermine la composition de ladite masse enfermée ;
(2) On détermine une relation qui relie ledit rapport thermique spécifique y et la capacité du gaz cp dans ladite chambre de combustion : g = Cp R avec R la constante du gaz, et la capacité du gaz cp étant fonction de la température dudit gaz et de ladite composition de ladite masse enfermée ;
(3) On détermine la température dudit gaz au moyen de la loi des gaz parfaits appliquée à chaque masse enfermée prédéfinie m1 ; mn ; et
(4) On en déduit ledit rapport thermique spécifique y pour chaque masse enfermée prédéfinie m1 ; mn.
10. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel on détermine la fréquence d’oscillations de pression f au moyen d’une moyenne sur une fenêtre temporelle desdites oscillations déterminées.
11. Procédé de détermination de la masse de gaz enfermée selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine une longueur d’onde l pour chaque mode d’oscillations de ladite pression dudit gaz.
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