DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA PRESSION ABSOLUE DANS UN CYLINDRE DE MOTEUR THERMIQUE

Description

[0001] L'invention se rapporte à un dispositif de détermination de la pression absolue dans un cylindre de moteur thermique et au procédé de détermination associé.

[0002] Un moteur thermique, ou moteur à combustion interne, comprend au moins une chambre de combustion dont le volume est variable en fonction de la position d'un piston coulissant à l'intérieur de celle-ci, au cours d'un cycle moteur.

[0003] La variation de la position du piston entraine une variation du volume de la chambre, et donc de la pression régnant à l'intérieur de celle-ci. Dans le cadre du développement des systèmes de combustion dans de tels moteurs, il est indispensable de connaitre l'évolution de la pression dans chaque chambre au cours d'un cycle moteur, qu'il s'agisse d'un moteur à deux temps ou d'un moteur à quatre temps, et quelle que soit la nature du carburant utilisé.

[0004] Afin de répondre à ce besoin, des capteurs de pression adaptés à des niveaux de pression élevés pouvant atteindre jusqu'à 250 bars sur certaines applications, sont implantés dans une culasse du moteur, et renvoient ainsi un signal permettant de connaitre une pression relative dans la chambre de combustion. De tels capteurs peuvent par exemple être de type piézoélectrique.

[0005] Si dans la plupart des cas cette pression relative est suffisante pour analyser les résultats, il peut s'avérer indispensable de connaitre la pression absolue dans une chambre de combustion, pour déterminer par exemple la masse d'air enfermée, ou pour faire un calcul précis du dégagement d'énergie produit dans ladite chambre. Or, la gamme de capteurs précédents ne permet pas d'accéder à cette pression absolue.

[0006] Une méthode habituellement utilisée pour déterminer cette pression absolue implique l'utilisation d'un capteur additionnel, mesurant la pression des gaz dans un conduit d'admission ou un conduit d'échappement du moteur. Le niveau de pression dans ce type de conduit étant bien inférieur à celui de la chambre de combustion, il est alors possible d'utiliser des capteurs de mesure de pression absolue, comme par exemple, des capteurs piézorésistifs. Cette méthode consiste à choisir un instant particulier, pour lequel la pression dans le conduit d'admission est égale à la pression dans la chambre, puis à calculer la correction à apporter à la mesure globale de la pression relative dans la chambre de combustion, pour obtenir la pression absolue dans ladite chambre. A titre d'exemple, sur un moteur à quatre temps, il est généralement choisi de faire correspondre la pression relative dans la chambre de combustion à la pression absolue mesurée dans le conduit d'admission, pendant la phase d'admission pour laquelle une soupape d'admission est ouverte et permet au gaz de passer librement dudit conduit à ladite chambre avec une égalisation des pressions entre le conduit et la chambre. Il est à préciser que cette mise en correspondance est plus spécifiquement effectuée à l'instant correspondant au point mort bas (PMB) du piston.

[0007] Cette méthode présente l'inconvénient d'être approximative dans la mesure où elle ne prend en compte, ni les pertes de charges au passage de la soupape, ni les phénomènes acoustiques dans les conduits, correspondant à des variations de la pression instantanée.

[0008] Un dispositif de détermination de la pression absolue selon l'invention, permet de déterminer la pression absolue dans une chambre de combustion d'un moteur thermique durant un cycle dudit moteur, en s'affranchissant des inconvénients de l'état de la technique.

[0009] L'invention se rapporte à un dispositif de détermination de la pression absolue dans un cylindre d'un moteur thermique doté d'une culasse, ledit cylindre comprenant un piston mobile, apte à délimiter une chambre de combustion de volume variable, ledit dispositif comprenant au moins un premier capteur implanté dans ladite culasse pour mesurer une pression relative dans ladite chambre de combustion durant un cycle moteur.

[0010] La principale caractéristique d'un dispositif selon l'invention, est qu'il comprend au moins un deuxième capteur de pression, dont la position dans le cylindre permet une mesure de la pression absolue dans la chambre de combustion uniquement lorsque le volume de ladite chambre tend vers une valeur maximale, les mesures de la pression obtenues avec chaque premier capteur et avec chaque deuxième capteur étant combinées pour déterminer la pression absolue dans la chambre de combustion durant un cycle moteur complet. En effet, comme généralement le deuxième capteur de pression n'est pas dimensionné pour pouvoir mesurer les niveaux de pression absolue maximum atteints lors d'un cycle moteur complet, le principe du dispositif selon l'invention consiste à créer un référentiel de pression absolue sur une plage de pression restreinte grâce au deuxième capteur, puis à recaler sur ce référentiel la courbe de variation de la pression relative obtenue avec le premier capteur sur tout un cycle moteur, pour obtenir la pression absolue dans la chambre de combustion à chaque instant d'un cycle moteur. Il est rappelé que le volume de la chambre de combustion est variable durant un cycle moteur, au moyen du coulissement du piston dans le cylindre. Selon un mode de réalisation préféré d'un dispositif selon l'invention, le deuxième capteur est positionné dans le cylindre de manière à subir au moins une phase d'occultation par le piston et au moins une phase où il n'est plus occulté par le piston durant un cycle moteur. Ainsi, lorsque le piston est placé devant le deuxième capteur, celui-ci ne peut prendre aucune mesure de pression absolue. Préférentiellement, l'expression « tend vers une valeur maximale » signifie que le volume de la chambre est au moins égal à 90% de son volume maximum.

[0011] Avantageusement, un dispositif de détermination selon l'invention comprend un seul premier capteur et un seul deuxième capteur par chambre de combustion. En effet, un moteur comprend généralement plusieurs cylindres, et le dispositif de détermination selon l'invention est reproduit pour chaque chambre de combustion ainsi définie.

[0012] De façon préférentielle, le deuxième capteur est implanté dans une paroi délimitant la chambre de combustion, de sorte qu'il ne puisse prendre des mesures de la pression absolue qu'après le retrait du piston, lorsque le volume de ladite chambre tend vers une valeur maximale. En effet, durant un cycle moteur complet, le piston est amené à coulisser dans le cylindre entre une première position extrême pour laquelle le volume de la chambre de combustion est maximal, et une deuxième position extrême pour laquelle ledit volume est minimum. Ainsi, l'emplacement du deuxième capteur dans le cylindre est choisi de manière qu'il se retrouve occulté par le piston, lorsque celui-ci se déplace entre la deuxième position extrême et une position voisine de la première position extrême.

[0013] Préférentiellement, le deuxième capteur est placé à proximité de la position du piston au point mort bas. De cette manière, ledit deuxième piston ne peut acquérir des mesures de pression absolue dans la chambre de combustion, uniquement lorsque le piston se retrouve dans une position correspondant au point mort bas. Pour cette configuration, le volume de ladite chambre est maximal.

[0014] De façon avantageuse, chaque premier capteur est un capteur piézoélectrique.

[0015] Avantageusement, chaque deuxième capteur est un capteur piézorésistif.

[0016] L'invention a pour deuxième objet un procédé de détermination de la pression absolue dans un cylindre d'un moteur thermique sur un cycle moteur complet, à partir d'un dispositif conforme à l'invention.

[0017] La principale caractéristique d'un procédé de détermination selon l'invention est qu'il comporte les étapes suivantes :

• une étape de mesure de la pression relative dans la chambre de combustion durant un cycle moteur complet,
• une étape de mesure de la pression absolue dans la chambre de combustion durant les phases du cycle moteur pour lesquelles le volume de ladite chambre tend vers une valeur maximale,
• une étape de décalage de la courbe représentative des mesures de la pression relative dans la chambre de combustion durant un cycle moteur, de manière à faire coïncider les valeurs de la pression relative mesurées par le premier capteur avec les valeurs la pression absolue mesurées avec le deuxième capteur sur les phases du cycle moteur pour lesquelles les deux types de mesures sont possibles.

[0018] De cette manière, la mesure de la pression absolue dans la chambre de combustion au moyen du deuxième capteur lorsque le volume de ladite chambre tend vers une valeur maximale, sert de point de référence pour venir faire correspondre la mesure de la pression relative par le premier capteur pour un même volume de ladite chambre. La courbe de la variation de la pression relative sur tout un cycle moteur est ainsi décalée, la courbe résultante étant parfaitement représentative de la variation de la pression absolue dans la chambre de combustion durant la totalité d'un cycle moteur.

[0019] Un dispositif de détermination de la pression absolue dans une chambre de combustion d'un moteur thermique selon l'invention, présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre tout en demeurant d'un faible encombrement. Il a de plus l'avantage de proposer des mesures fiables et précises au moyen de capteurs largement éprouvés et judicieusement positionnés dans un cylindre de moteur. Il présente enfin l'avantage de pouvoir être disposé dans n'importe quel type de moteur thermique, possédant au moins un cylindre, et quelles que soient la taille et la géométrie dudit cylindre.

[0020] On donne ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif selon l'invention et du procédé associé en se référant aux figures 1 à 4.

• La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un cylindre d'un moteur thermique dans lequel est monté un dispositif selon l'invention,
• La figure 2 est un exemple de courbe illustrant la variation de la pression relative dans une chambre de combustion en fonction de la position du piston,
• La figure 3 est un exemple de courbe illustrant la variation de la pression absolue mesurée dans une chambre de combustion en fonction de la position du piston, le volume de ladite chambre tendant vers une valeur maximale,
• La figure 4 est un exemple de trois courbes illustrant la variation de la pression relative dans une chambre de combustion en fonction de la position du piston, de la pression absolue mesurée dans une chambre de combustion lorsque son volume tend vers une valeur maximale, ainsi que de la pression absolue en fonction de la position dudit piston.

[0021] En se référant à la figure 1, un moteur thermique 1, par exemple un moteur de véhicule automobile, comprend au moins un cylindre 2 délimité par une paroi cylindrique creuse 3 et dans lequel est apte à coulisser un piston 4 relié à un vilebrequin au moyen d'une bielle 5. Le piston 4 coulissant et la paroi 3 du cylindre 2 délimitent une chambre de combustion 6, dont le volume est variable en fonction de la position dudit piston 4 dans le cylindre 2. Durant un cycle moteur, le piston 4 peut se déplacer entre une première position extrême correspondant au point mort bas (PMB) et pour laquelle le volume de la chambre 6 est maximal, et une deuxième position extrême correspondant au point mort haut (PMH) et pour laquelle le volume de ladite chambre 6 est minimal.

[0022] Un dispositif selon l'invention, permettant de déterminer la pression absolue dans une chambre de combustion 6 d'un moteur thermique pendant la totalité d'un cycle moteur, comprend au moins un premier capteur de type piézoélectrique, capable d'effectuer des mesures de pression au-delà de 250bars et au moins un deuxième capteur 7 de type piézorésistif. Chaque premier capteur (non représenté sur la figure) est implanté dans une culasse du moteur 1 et permet d'effectuer des mesures de la pression relative régnant dans la chambre de combustion 6 durant la totalité d'un cycle moteur.

[0023] La figure 2 illustre un exemple de la variation de la pression relative, mesurée par le premier capteur dans une chambre de combustion 6 durant un cycle moteur, en fonction de la position du piston 4 dans le cylindre 2, traduite en angle vilebrequin. Il peut être constaté sur cet exemple que la pression maximale dans la chambre 6 peut atteindre jusqu'à 160bars environ.

[0024] Le deuxième capteur 7 est implanté dans le cylindre 2 à proximité de la position du piston 4 correspondant au PMB, c'est-à-dire la position du piston 4 pour laquelle le volume de la chambre de combustion 6 tend vers une valeur maximale et donc pour laquelle la pression à l'intérieur de ladite chambre 6 tend vers une valeur minimale. De cette manière, lorsque le piston 4 se retrouve dans une position correspondant au PMB, il permet au deuxième capteur 7 d'effectuer des mesures de pression absolue dans la chambre de combustion 6, et, dès qu'il se déplace depuis cette position pour atteindre une position correspondant au PMH, il occulte de façon quasiment instantanée ledit deuxième capteur 7 en l'empêchant de réaliser des mesures de pression absolue dans ladite chambre 6. Avec une telle configuration de montage, le deuxième capteur 7 ne peut effectuer des mesures que lorsque la pression dans la chambre 6 est faible et ne risque donc pas de détériorer ledit capteur 7, puisque le piston 4 s'interpose en le protégeant.

[0025] La figure 3 illustre un exemple de la variation de la pression absolue, mesurée par le deuxième capteur 7 dans une chambre de combustion 6 lorsque la position du piston 4 dans le cylindre 2 varie autour de sa position extrême correspondant au PMB. Les niveaux de pression atteints dans la chambre 6 autour de cette position extrême sont plus faibles et ne s'élèvent qu'à quelques bars.

[0026] En se référant à la figure 4, un dispositif selon l'invention, permet de réaliser un procédé de détermination de la pression absolue dans une chambre de combustion 6 d'un moteur thermique 1 pendant un cycle moteur complet, ledit procédé comprenant les trois étapes majeures :

• une étape de mesure de la pression relative dans la chambre de combustion 6 durant un cycle moteur complet au moyen du premier capteur piézoélectrique, la variation de cette pression au cours dudit cycle étant partiellement représentée par la courbe 8 sur le diagramme,
• une étape de mesure de la pression absolue dans la chambre de combustion 6 au moyen du deuxième capteur 7 piézorésistif lorsque le piston 4 se retrouve au voisinage de sa position extrême correspondant au PMB, la variation de cette pression étant représentée par la courbe 9 sur le diagramme,
• une étape de décalage de la courbe globale 8 représentative de la variation de la pression relative dans la chambre de combustion 6 sur un cycle moteur complet, pour faire coïncider les valeurs de ladite pression relative mesurées par le premier capteur et les valeurs de la pression absolue mesurées par le deuxième capteur 7 durant la même phase dudit cycle moteur, ladite courbe globale ainsi décalée 10 donnant la variation de la pression absolue dans la chambre de combustion 6 sur la totalité du cycle moteur.

[0027] De cette manière, le principe d'un tel procédé consiste à affecter un caractère absolu aux mesures de la pression relative obtenues dans la chambre de combustion 6 avec le premier capteur sur un cycle moteur complet, en calant la courbe représentative de ces mesures sur les quelques points de référence obtenus en matière de pression absolue avec le deuxième capteur 7.

[0028] Il est à noter que la valeur de la pression absolue mesurée dans la chambre de combustion 6 par le deuxième capteur 7 est inférieure à la pression relative mesurée avec le premier capteur dans ladite chambre 6 lors de la même phase du cycle moteur, puisque la pression relative n'intègre ni les pertes de charge, ni les phénomènes acoustiques.

Revendications

1. Dispositif de détermination de la pression absolue dans un cylindre (2) d'un moteur thermique (1) doté d'une culasse, ledit cylindre (2) comprenant un piston (4) mobile, apte à délimiter une chambre de combustion (6) de volume variable, ledit dispositif comprenant au moins un premier capteur implanté dans ladite culasse pour mesurer une pression relative dans ladite chambre de combustion (6) durant un cycle moteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un deuxième capteur (7) de pression, dont la position dans le cylindre (2) permet une mesure de la pression absolue dans la chambre (6) de combustion uniquement lorsque le volume de ladite chambre (6) tend vers une valeur maximale, et en ce que les mesures de la pression obtenues avec chaque premier capteur et avec chaque deuxième capteur (7) sont combinées pour déterminer la pression absolue dans la chambre de combustion (6) durant un cycle moteur complet.

2. Dispositif de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un seul premier capteur et un seul deuxième capteur (6) par chambre de combustion (6).

3. Dispositif de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième capteur (7) est implanté dans une paroi (3) délimitant la chambre de combustion (6), de sorte qu'il ne puisse prendre des mesures de la pression absolue qu'après le retrait du piston (4), lorsque le volume de ladite chambre (6) tend vers une valeur maximale.

4. Dispositif de détermination selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième capteur (4) est placé à proximité de la position du piston (4) au point mort bas.

5. Dispositif de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque premier capteur est un capteur piézoélectrique.

6. Dispositif de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque deuxième capteur (4) est un capteur piézorésistif.

7. Procédé de détermination de la pression absolue dans un cylindre (2) d'un moteur thermique (1) sur un cycle moteur complet à partir d'un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

- une étape de mesure de la pression relative dans la chambre de combustion (6) durant un cycle moteur complet,

- une étape de mesure de la pression absolue dans la chambre de combustion (6) durant les phases du cycle moteur pour lesquelles le volume de ladite chambre (6) tend vers une valeur maximale,

- une étape de décalage de la courbe représentative des mesures de la pression relative dans la chambre de combustion (6) durant un cycle moteur, de manière à faire coïncider les valeurs de la pression relative mesurées par le premier capteur avec les valeurs la pression absolue mesurées avec le deuxième capteur (7) sur les phases du cycle moteur pour lesquelles les deux types de mesures sont possibles.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Absolutdrucks in einem Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine (1), die mit einem Zylinderkopf versehen ist, wobei der Zylinder (2) einen beweglichen Kolben (4) enthält, der eine Verbrennungskammer (6) mit veränderlichem Volumen begrenzen kann, wobei die Vorrichtung wenigstens einen ersten Sensor umfasst, der in den Zylinderkopf eingebaut ist, um einen relativen Druck in der Verbrennungskammer (6) während eines Kraftmaschinenzyklus zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen zweiten Drucksensor (7) umfasst, dessen Position in dem Zylinder (2) eine Messung des Absolutdrucks in der Verbrennungskammer (6) ausschließlich dann ermöglicht, wenn das Volumen in der Kammer (6) gegen einen Maximalwert strebt, und dass die Messungen des Drucks, die mit jedem ersten Sensor und mit jedem zweiten Sensor (7) erhalten werden, kombiniert werden, um den Absolutdruck in der Verbrennungskammer (6) während eines vollständigen Kraftmaschinenzyklus zu bestimmen.

2. Bestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen einzigen ersten Sensor und einen einzigen zweiten Sensor (6) pro Verbrennungskammer (6) umfasst.

3. Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (7) in eine Wand (3) eingebaut ist, die die Verbrennungskammer (6) begrenzt, derart, dass er Messungen des Absolutdrucks nur nach dem Zurückziehen des Kolbens (4), wenn das Volumen der Kammer (6) gegen einen Maximalwert strebt, vornehmen kann.

4. Bestimmungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (4) in der Nähe der Position des Kolbens (4) am unteren Totpunkt angeordnet ist.

5. Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Sensor ein piezoelektrischer Sensor ist.

6. Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Sensor (4) ein piezoresistiver Sensor ist.

7. Verfahren zum Bestimmen des Absolutdrucks in einem Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine (1) während eines vollständigen Kraftmaschinenzyklus mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

- einen Schritt des Messens des relativen Drucks in der Verbrennungskammer (6) während eines vollständigen Kraftmaschinenzyklus;

- einen Schritt des Messens des Absolutdrucks in der Verbrennungskammer (6) während der Phasen des Kraftmaschinenzyklus, in denen das Volumen der Kammer (6) gegen einen Maximalwert strebt,

- einen Schritt des Verschiebens der Kurve, die die Messungen des relativen Drucks in der Verbrennungskammer (6) während eines Kraftmaschinenzyklus darstellt, derart, dass die Werte des relativen Drucks, die von dem ersten Sensor gemessen werden, mit den Werten des Absolutdrucks, die mit dem zweiten Sensor (7) während der Phasen des Kraftmaschinenzyklus, in denen die beiden Typen von Messungen möglich sind, zur Übereinstimmung gelangen.

Claims

1. Device for determining the absolute pressure in a cylinder (2) of a heat engine (1) provided with a cylinder head, the said cylinder (2) comprising a mobile piston (4) able to delimit a variable-volume combustion chamber (6), the said device comprising at least one first sensor installed in the said cylinder head to measure a relative pressure in the said combustion chamber (6) during an engine cycle, characterized in that it comprises at least one second pressure sensor (7) of which the position in the cylinder (2) allows a measurement of the absolute pressure in the combustion chamber (6) only when the volume of the said chamber (6) tends towards a maximum value, and in that the pressure measurements obtained with each first sensor and with each second sensor (7) are combined in order to determine the absolute pressure in the combustion chamber (6) during a complete engine cycle.

2. Determining device according to Claim 1, characterized in that it comprises a single first sensor and a single second sensor (6) per combustion chamber (6).

3. Determining device according to either one of Claims 1 and 2, characterized in that the second sensor (7) is installed in a wall (3) delimiting the combustion chamber (6) in such a way that it can take measurements of the absolute pressure only after the piston (4) has retreated, when the volume of the said chamber (6) tends towards a maximum value.

4. Determining device according to Claim 3, characterized in that the second sensor (4) is placed near the position occupied by the piston (4) at bottom dead centre.

5. Determining device according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that each first sensor is a piezoelectric sensor.

6. Determining device according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that each second sensor (4) is a piezoresistive sensor.

7. Method for determining the absolute pressure in a cylinder (2) of a heat engine (1) on a complete engine cycle from a device according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that it comprises the following steps:

- a step of measuring the relative pressure in the combustion chamber (6) during a complete engine cycle,

- a step of measuring the absolute pressure in the combustion chamber (6) during the phases of the engine cycle for which the volume of the said chamber (6) tends towards a maximum value,

- a step of offsetting the curve representative of the measurements of the relative pressure in the combustion chamber (6) during an engine cycle so as to make the relative pressure values measured by the first sensor coincide with the absolute pressure values measured with the second sensor (7) over those phases of the engine cycle for which both types of measurement are possible.

Dessins