L'invention concerne un procédé d'évaluation de la température de l'huile d'un moteur à combustion interne et un système permettant de mettre en oeuvre ce procédé. Elle est applicable notamment aux moteurs automobiles.

La connaissance de la température de l'huile d'un moteur est souvent utilisée pour le contrôle d'un moteur à essence ou diesel. Cette information est parfois indiquée sur le tableau de bord du véhicule. Elle provient le plus souvent d'un capteur de température d'huile directement placé dans le moteur. Cela nécessite alors de prévoir un capteur qui est généralement en contact avec l'huile du moteur, des circuits électroniques qui traduisent cette information en signaux électriques et une liaison permettant de transmettre ces signaux au dispositif d'affichage sur le tableau de bord du véhicule.

La présente invention se propose d'estimer la température de l'huile du moteur d'un véhicule à partir d'informations disponibles dans les dispositifs de contrôle du moteur sans avoir à utiliser un capteur de température d'huile du moteur. En d'autres termes, l'invention permet d'éviter l'utilisation d'un capteur de la température de l'huile du moteur et les circuits électroniques associés (voir par exemple DE-A-19 961 118, US-A-5 633 796, US-A-4847768, US-A-6449538, US-A-639337).

L'invention concerne donc un procédé d'estimation de la température de l'huile d'un moteur à explosion comprenant notamment un circuit de refroidissement à fluide de refroidissement et un dispositif de mesure de la température du fluide de refroidissement fournissant une température mesurée du fluide de refroidissement. Ce procédé comporte les étapes suivantes :

1. (a) Calcul de prédiction d'une température prédite du fluide de refroidissement en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur,
2. (b) Mesure de la température du liquide de refroidissement à l'aide du dispositif de mesure,
3. (c) Calcul d'une erreur entre la température mesurée et la température prédite du fluide de refroidissement,
4. (d) Calcul de prédiction d'une température d'huile prédite en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur,
5. (e) Correction de la température d'huile prédite à l'aide de ladite erreur pour fournir une température d'huile estimée.

Dans ce procédé, les étapes (e) et (d) peuvent être effectuées en une seule étape. Le calcul de prédiction incorpore alors une correction tenant compte de l'erreur calculée sur la température de l'eau.

La prédiction de la température de refroidissement est déterminée par exemple, en résolvant l'équation différentielle :$$\frac{\mathrm{d}{\mathrm{T}}_{\mathrm{peau}}}{\mathrm{dt}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{T}}_{\mathrm{peau}}}{{\mathrm{t}}_{\mathrm{eau}}}\mathrm{+}\frac{\mathrm{g}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)}{{\mathrm{t}}_{\mathrm{eau}}}$$ dans laquelle :

• Tpeau est la température d'eau prédite par la formule,
• teau est la constante de temps de l'évolution de la température du fluide de refroidissement,
• g(c,n) est une cartographie de différentes températures atteintes en régime permanent en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le couple moteur réel et le régime de rotation du moteur.

La prédiction de la température d'huile peut être obtenue en résolvant l'équation différentielle suivante :$$\frac{\mathrm{dTphuile}}{\mathrm{dt}}\mathrm{=}\frac{\mathrm{Tphuile}}{\mathrm{thuile}}\mathrm{+}\frac{\left[\mathrm{f}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)\mathrm{+}\mathrm{\vartheta huile}\right]}{\mathrm{thuile}}$$ dans laquelle :

• Tphuile est la température de l'huile moteur prédite,
• thuile est la constante de temps de l'évolution de la température de l'huile,
• f(c,n) est une cartographie de différentes températures en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le couple moteur réel et le régime de rotation du moteur,
• ϑhuile, est une valeur d'erreur à corriger sur la valeur de la température prédite de l'huile moteur.

La valeur d'erreur de la température prédite de l'huile à corriger est sensiblement proportionnelle à l'erreur entre la température mesurée du fluide de refroidissement et la température prédite du fluide de refroidissement.

Pour mettre en oeuvre ce procédé, on prévoit au préalable d'établir et d'enregistrer en mémoire une cartographie des températures du liquide de refroidissement pour différents paramètres de fonctionnement du moteur et d'une cartographie des températures de l'huile pour les mêmes paramètres de fonctionnement du moteur.

L'invention se rapporte également à un système d'estimation de la température de l'huile d'un moteur à explosion (M) mettant en oeuvre ce procédé. Ce système comporte un système de traitement mettant en oeuvre un premier algorithme de prédiction de la température du fluide de refroidissement en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur et fournissant une température prédite du fluide de refroidissement. Un circuit de calcul d'erreur calcule l'erreur entre une température mesurée du fluide de refroidissement et la température ainsi prédite. De plus le système de traitement met en oeuvre un deuxième algorithme de prédiction de la température de l'huile du moteur en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur et fournit une température d'huile prédite. Enfin, un circuit de correction corrige la température d'huile prédite à l'aide de l'erreur calculée par le circuit de calcul d'erreur et fournit une température d'huile estimée.

Le système selon l'invention fait appel à des fonctions non linéaires (f(c,n), g(c,n)) approchées par des cartographies des températures du liquide de refroidissement et des températures de l'huile pour différents paramètres de fonctionnement du moteur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement avec la description qui suit et les figures annexées qui représentent :

• La figure 1, un exemple d'organigramme du procédé de l'invention,
• Les figures 2a et 2b, des courbes d'évolution des température du liquide de refroidissement et de l'huile,
• les figures 3a et 3b, des cartographies des températures du liquide de refroidissement et de l'huile pour différentes valeurs du couple moteur et différentes valeur du régime,
• les figures 4a et 4b, des diagrammes de liaisons d'un système permettant de mettre en oeuvre l'invention,
• les figures 5a et 5b, des courbes de températures mettant en évidence la convergence correcte du système de l'invention,
• la figure 6, l'évolution de la chute de température lors d'un arrêt du moteur, et
• les figures 7a à 7d, des relevés d'essais mettant en évidence le fonctionnement de l'invention dans différentes conditions d'essais.

On précise tout d'abord que la température d'un moteur varie principalement en fonction:

• de la vitesse du véhicule,
• de la température extérieure,
• de la charge du moteur (couple délivré par le moteur)
• et du régime moteur.

La température de l'huile de lubrification du moteur et du liquide de refroidissement (c'est-à-dire l'eau de refroidissement) d'un moteur subit donc aussi des variations en fonction de ces paramètres.

Un véhicule possède en général un capteur de température d'eau, une information sur le couple moteur et son régime.

L'objet de l'invention est de déterminer la valeur de la température de l'huile d'un moteur à l'aide de la température de l'eau et de divers paramètres de fonctionnement du moteur et cela sans l'aide d'un capteur de mesure de température de l'huile.

Un premier algorithme prédit la température d'eau à partir d'un modèle interne (mathématique) utilisant en entrée des informations telles que la charge et le régime du moteur. Cette température d'eau prédite est alors comparée alors à la température d'eau mesurée par le capteur.

Un deuxième algorithme prédit la température de l'huile à partir d'un modèle interne (mathématique) utilisant en entrée des informations telles que la charge et le régime du moteur. L'erreur entre la température d'eau prédite par le premier algorithme et la température d'eau mesurée permet d'effectuer une correction de la température d'huile prédite par le deuxième algorithme. Cette correction permet d'obtenir une estimation de la température de l'huile du moteur.

Dans le système selon l'invention, on estime l'évolution de la température d'huile en utilisant un modèle interne de température d'eau et d'huile dont le comportement est proche de celui d'un système régi par deux équations différentielles du premier ordre. Il est basé sur l'observation de mesures d'évolution des températures d'eau et d'huile en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur et notamment de la charge, du régime du moteur et du temps. Il s'agit d'un modèle d'état écrit sous forme différentielle.

Une première équation différentielle du premier ordre permet d'estimer la température de l'eau de refroidissement, une deuxième équation différentielle du premier ordre permet d'estimer la température de l'huile du moteur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le modèle d'évolution de la température de l'eau est identique à celui utilisé pour l'huile. La température d'eau prédite par le modèle est corrigée par la mesure de la température réelle. Cette correction effectuée sur la température de l'eau permet de corriger la température prédite de l'huile.

L'invention permet donc de se passer d'un capteur de température d'huile et du système associé de traitement et de transmission des signaux électriques.

En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple d'organigramme général illustrant le procédé de l'invention.

Le procédé selon l'invention prévoit donc, comme indiqué précédemment, à partir de différentes informations de fonctionnement du moteur - telles que la température de l'eau de refroidissement, la charge du moteur, son régime - de déterminer la température de l'huile du moteur.

Ce procédé comporte les étapes suivantes :

• élaboration d'un algorithme de prédiction de la température de l'eau de refroidissement en fonction de certains paramètres de fonctionnement du moteur tels que ceux indiqués précédemment. Cet algorithme peut être représenté par une équation différentielle représentant les évolutions de la température de l'eau de refroidissement du moteur: $$\frac{\mathrm{dTpeau}}{\mathrm{dt}}\mathrm{=}\frac{\mathrm{Tpeau}}{\mathrm{teau}}\mathrm{+}\frac{\mathrm{g}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)}{\mathrm{teau}}$$

• Tpeau est la température d'eau prédite par la formule,
• teau est la constante de temps de l'évolution de la température de l'eau,
• g(c,n) est une cartographie de différentes températures en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le couple moteur réel et le régime de rotation du moteur.
  • mesure de la température réelle Teau de l'eau de refroidissement du moteur à l'aide du capteur de température de l'eau ;
  • comparaison de la température prédite Tpeau de l'eau lors de la première étape du procédé et de la température mesurée Teau et calcul de la différence ϑeau entre ces deux températures ;
  • élaboration d'un autre algorithme de prédiction d'une température prédite Tphuile de l'huile du moteur en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que ceux indiqués précédemment. Comme l'algorithme précédent, cet algorithme peut être représenté par une équation différentielle représentant les évolutions de la température de l'huile du moteur:
  $$\frac{\mathrm{dTphuile}}{\mathrm{dt}}\mathrm{=}\frac{\mathrm{Tphuile}}{\mathrm{thuile}}\mathrm{+}\frac{\mathrm{f}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)}{\mathrm{thuile}}$$ où :
• Tphuile est la température de l'huile prédite par la formule,
• thuile est la constante de temps de l'évolution de la température de l'huile,
• f(c,n) est une cartographie de différentes températures en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le couple moteur réel et le régime de rotation du moteur.
  • calcul d'une valeur de température estimée Thuile de l'huile du moteur par correction de la température prédite Tphuile à l'aide de la différence ϑeau obtenue précédemment entre la température prédite de l'eau et la température mesurée de l'eau. Cette correction peut prendre simplement la forme d'une somme algébrique de la température prédite Tphuile et de la différence veau.

Les deux dernières étapes peuvent être réalisées en une seule étape en intégrant une incertitude ϑhuile de la valeur de la température prédite de l'huile dans l'équation différentielle de prédiction de cette température :$$\frac{\mathrm{dTphuile}}{\mathrm{dt}}\mathrm{=}\frac{\mathrm{Tphuile}}{\mathrm{thuile}}\mathrm{+}\frac{\left[\mathrm{f}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)\mathrm{+}\mathrm{\vartheta huile}\right]}{\mathrm{thuile}}$$

Dans le procédé qui précède, il convient de connaître les constantes de temps teau et thuile ainsi que les fonctions f(c,n) et g(c,n) .

Pour identifier les constantes de temps τeau et τhuile, on peut prévoir des essais de montées en températures sur un banc d'essais. A titre d'exemple on considèrera que les variables à prendre en compte sont des échelons de charges et de régimes du moteur et qu'elles permettent l'identification des constantes de temps.

Par exemple, en mesurant le temps nécessaire pour atteindre une valeur de la température à 63% (t = T) de la valeur finale puis à 95% (t = 3.T) de la valeur finale, il est possible de déduire la constante de temps du système. Pour l'huile comme pour l'eau, on trouve que les constantes de temps ont des valeurs similaires, 150s par exemple. La figure 2a et 1a. figure 2b montrent des courbes d'évolution des températures de l'eau de refroidissement et des températures de l'huile respectivement, avec les constantes de temps identifiées précédemment. Ces courbes sont comparées aux courbes de température réelles.

Les non linéarités apparaissant sur la figure 2a à 100s et 300s sont respectivement l'ouverture du thermostat et la mise en marche des groupes moto ventilateurs. Dans ces conditions, pour conserver un modèle simple, on ne tiendra pas compte de ces phénomènes. Toutefois, en variante, pour une meilleure précision sur l'estimation de la température d'huile, on tient compte du thermostat et de la mise en marche des GMV.

Pour obtenir les fonctions f(c,n) et g(c,n) on prévoit de réaliser des cartographies de points de fonctionnement possibles. Ces cartographies peuvent être réalisées sur un banc en se fixant des conditions de fonctionnement typiques. Par exemple, on pourra prévoir les conditions de fonctionnement suivantes:

• fonctionnement du banc d'essai en mode iso vitesse (vitesse constante),
• le véhicule est sur le second rapport de boîte de vitesse,
• le régime du moteur est fixé par la vitesse de rotation des rouleaux du banc d'essai,
• la charge est ajustée par la pression sur la pédale d'accélérateur,
• le refroidissement est assuré par un ventilateur dont la vitesse de l'air pulsé est égale une vitesse de déplacement simulée,
• le capot moteur est ouvert (pour des raisons d'instrumentation).

A titre d'exemple, des points de fonctionnement sont choisis sur la plage d'utilisation du moteur:

• vitesses : 2000 tr/min, 3000 tr/min et 4000 tr/min
• couples : 30 Nm, 74 Nm et 130 Nm (mesurés grâce à la variable « Couple Réel » sur un réseau CAN (« Control Area Network ») inter système.

Dans cet exemple, on dispose donc d'un total de neuf points d'étalonnage pour chaque fluide (eau et huile).

Des essais ont donc permis d'établir des cartographies à régime constant en fonction de la charge telles que celle de la figure 3a pour la cartographie de la température de l'eau de refroidissement du moteur,et celle de la figure 3b pour la cartographie de la température de l'huile du moteur.

En régime permanent, la température d'eau Teau est mesurée puis comparée à la valeur prédite Tpeau. On en déduit la valeur de ϑeau, l'erreur commise sur la température de l'eau étant :$$\mathrm{\vartheta eau}\mathrm{=}\mathrm{Teau}\mathrm{-}\mathrm{Tpeau}$$

Si on considère que les énergies dissipées par pertes pour l'huile et pour l'eau sont quasi identiques, on obtient une relation entre ϑeau et ϑhuile qui est de la forme :$$\mathrm{\vartheta huile}\mathrm{=}\mathrm{\vartheta eau}\left[\mathrm{f}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)\mathrm{/}\mathrm{g}\left(\mathrm{c},,\mathrm{n}\right)\right]$$

Comme décrit précédemment, les cartographies f(c,n) et g(c,n) sont définies, à titre d'exemple, pour neuf points de fonctionnement relevés sur banc à rouleaux. Entre ces points de fonctionnement, on effectue une interpolation linéaire pour déterminer une température de fonctionnement déterminée qu'on appellera température cible.

Afin de déterminer f(c,n)/g(c,n), on a, pour simplifier le système, effectué la division des températures «cibles» pour les neuf points de fonctionnements relevés puis on a calculé la valeur moyenne de ces rapports. Dans le modèle ainsi implémenté, f(c,n)/g(c,n) est donc considéré comme une constante.

En se reportant aux figures 4a et 4b, on va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un système permettant de mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit.

La figure 4a représente un exemple général de réalisation de ce système.

Le moteur M est équipé d'un capteur de température TE capable de mesurer la température Teau de l'eau de refroidissement du moteur. Le moteur M comporte des dispositifs tels que P1 et P2 capables d'indiquer des paramètres de fonctionnement du moteur tels que, par exemple, le couple développé par le moteur et le régime de rotation comme cela a été considéré dans les exemples précédents.

Les valeurs de ces paramètres de fonctionnement sont appliquées aux entrées de deux dispositifs de traitement A1 et A2 qui fournissent, respectivement, une température prédite Tpeau de l'eau de refroidissement et une température prédite Tphuile de l'huile du moteur.

Un circuit de calcul D1 reçoit la température mesurée Teau la température prédite Tpeau de l'eau de refroidissement, compare ces températures et fournit une valeur veau représentant cette différence.

Par ailleurs, un autre circuit de calcul D2 reçoit la température prédite Tphuile de l'huile du moteur ainsi que la valeur veau calculée précédemment et fournit une valeur de la température d'huile corrigée Thuile.

La figure 4b représente un système plus détaillé permettant de mettre en oeuvre l'invention. Ce système comporte, comme en figure 4a, des dispositifs P1 et P2 fournissant des paramètres de fonctionnement du moteur ainsi qu'un capteur de température TE fournissant la température de l'eau de refroidissement du moteur.

De plus le système possède en mémoire une cartographie G(c,n) des températures de l'eau de refroidissement en fonction d'un type de paramètre (le couple par exemple) pour différentes valeurs d'un autre paramètre (le régime du moteur par exemple). Il possède également une cartographie similaire f(c,n) pour les températures de l'huile du moteur.

La cartographie g(c,n) est exploitée dans un algorithme A1 à l'aide des paramètres c et n fournis par les dispositifs P1 et P2. L'algorithme fournit une température prédite Tpeau. Un circuit de différence reçoit cette température prédite ainsi que la température Teau mesurée par le capteur TE et fournit une valeur de différence ϑeau. Cette différence est transmise à un opérateur OP1 qui la multiplie par une valeur moyenne de différents rapports f(c,n)/g(c,n) calculés pour différents points de fonctionnement du moteur. L'opérateur OP1 fournit une valeur ϑhuile qui représente sensiblement l'incertitude sur le calcul de la valeur de la température d'huile à atteindre en régime permanent.

Par ailleurs, la cartographie G(c,n) est exploitée dans un algorithme A2 à l'aide des paramètres c et n fournis par les dispositifs P1 et P2. L'algorithme prend en compte également la valeur de ϑhuile et fournit une température Thuile.

Dans la description qui précède, on a utilisé à titre d'exemple deux paramètres de fonctionnement (le couple du moteur et le régime) mais on pourrait utiliser d'autres paramètres sans sortir du cadre de l'invention.

Pour initialiser le système, la température de l'eau au moment du démarrage est utilisée comme valeur initiale de la température de l'huile. Si le moteur est froid lors du démarrage, Teau est sensiblement égal à Thuile. Si le moteur est chaud, les deux températures peuvent être différentes (en principe, une différence inférieure à la dizaine de degrés). Initialiser l'estimateur de température d'huile à une valeur erronée ne perturbe pas sa convergence, comme le montre les figures 5a et 5b. Dans ce qui va suivre, la valeur initiale de la température d'huile sera donc initialisée à la valeur initiale de la température d'eau.

On observe la convergence de l'estimateur quelle que soit la valeur initiale de la température d'huile.

Par ailleurs, on observe que le système est efficace lors d'un arrêt du moteur suivi d'un redémarrage (donc à chaud). En effet, l'estimation de la température d'huile lors de l'arrêt du moteur sert à initialiser l'estimateur lors du démarrage suivant. La figure 6 présente une diminution de température lors d'un arrêt du moteur. On constate que, dans l'exemple, les températures d'huile et d'eau sont sensiblement égales au temps 0 (instant d'arrêt du moteur), puis, les deux températures décroissent de manière quasi identique. Au bout de 1800s environ, il existe une différence d'environ 5°C entre l'eau et l'huile. Si l'on utilise, à ce moment là, la température d'eau pour initialiser l'estimateur, on commet une erreur d'environ 5°C.

Or, comme cela a été décrit précédemment en relation avec les figures 5a et 5b, grâce à la convergence rapide de l'estimateur comportemental, une erreur de 5°C sur la température initiale de l'huile ne perturbe pas sa convergence. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un modèle d'estimateur particulier pour la phase d'arrêt du moteur, la différence entre la température de l'eau et la température de l'huile en phase d'arrêt du moteur n'étant pas suffisamment importante.

Pour valider le fonctionnement du système d'estimation de la température d'huile, différents essais ont été réalisés dans différentes conditions de circulation :

• en roulage urbain par temps frais (figure 7a),
• en roulage urbain par temps chaud (figure 7b),
• en roulage extra urbain (figure 7c),
• en roulage autoroutier avec un moteur chaud (figure 7d) .

Chacune de ces figures comporte trois graphiques :

• le graphique du haut représente les températures d'eau en degrés C en fonction du temps, en secondes, et cela durant une variation du régime du moteur et du couple,
• le graphique du milieu fournit les températures estimées de l'huile et les températures d'huile qui ont été mesurées pour vérification, en degrés C en fonction du temps,
• le graphique du bas fournit les écarts, en degrés, en fonction du temps, entre les températures d'huile mesurées et les températures estimées.

Comme on peut le voir sur la figure 7a, lors d'un roulage urbain dans des conditions tempérées (21°C par exemple) on constate une convergence de l'estimateur vers des valeurs proches des valeurs réelles au bout d'environ 600s. De plus, l'erreur commise reste dans une gamme comprise entre 2,4 et 7 pour cent.

En roulage urbain par temps chaud (figure 7b), par exemple par 33°C de température extérieure, avec une période de circulation dense entre les temps 400s et 2200s, la température a fortement augmenté. On a enregistré des températures d'eau atteignant 97°C. On constate que l'erreur sur l'estimation de la température d'huile est inférieure à environ 6%. On a constaté également que lorsque la circulation était plus fluide, l'erreur chutait à 3%.

En roulage extra urbain illustré en figure 7c, le temps de stabilisation du système pour obtenir une erreur réduite à moins de 2% est d'environ 600s. Par ailleurs, on constate que lors de l'essai, deux maxima de températures ont été produits aux temps 1500s et 1800s, et les températures estimées ont pris en compte ces maxima.

Enfin en roulage autoroutier à moteur chaud représenté en figure 7d, le système a tendance à surestimer la température réelle. L'erreur relative maximale est de 11,2%. Puis, lors d'un ralentissement (sortie d'autoroute), et un retour à un roulage modéré (au temps 1050s environ), le système retrouve un niveau de performance correspondant à une erreur de 5%.

On constate donc que le système de l'invention donne de bons résultats tant en ce qui concerne le respect de la dynamique de la température d'huile que pour la valeur de régime permanent.

Un avantage de ce système est la rapidité de convergence de l'estimation qui le rend peu sensible à la valeur d'initialisation. Cela supprime le problème de l'estimation de la température à l'arrêt car il est possible d'initialiser le système avec la température de l'eau au démarrage.

Sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait :

• prendre en compte d'autres paramètres de fonctionnement que le couple ou le régime : la vitesse du véhicule, la température extérieure par exemple,
• réaliser les cartographies des températures avec un plus grand nombre de points de fonctionnement.