Procédé de détection et de caractérisation de combustion anormale pour moteurs à combustion interne

Abstract

 On choisit des indicateurs de la combustion que l'on peut déduire d'un signal représentatif d'un état de la combustion. On définit un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un des indicateurs, et on définit dans cet espace une surface fermée de façon à envelopper des points correspondant à des combustions normales et à ne pas envelopper des points correspondant à des combustions anormales. Puis pour chaque combustion d'un cycle moteur, on représente la combustion du cycle par un point dans cet espace multidimensionnel. On détermine la position de ce point par rapport à la surface et l'on en déduit le caractère anormal de la combustion. On détermine la distance entre ce point et la surface, et l'on en déduit la sévérité du caractère anormal. Enfin, on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée en fonction de la sévérité du caractère anormal.

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine du contrôle de la phase de combustion d'un moteur à combustion interne. Notamment la présente invention se rapporte à une méthode pour détecter une combustion anormale, du type pré allumage à bas régime et à forte charge, dans une chambre de combustion d'un tel moteur.

[0002] Elle concerne plus particulièrement mais non exclusivement une telle méthode appliquée à un moteur à allumage commandé « downsizé », fonctionnant sous très fortes charges.

[0003] Les moteurs à allumage commandé ont l'avantage de limiter les émissions polluantes locales (HC, CO et NO_x) grâce à l'excellente adéquation entre le mode de fonctionnement (à richesse 1) et leur système de post-traitement simple et à bas coût. Malgré cet avantage fondamental, ces moteurs sont mal positionnés en termes d'émissions de gaz à effet de serre, car les moteurs Diesel qui leur font concurrence peuvent atteindre des émissions de CO₂ inférieures de 20 % en moyenne.

[0004] La combinaison du "downsizing" et de la suralimentation est une des solutions qui se répand de plus en plus pour abaisser la consommation des moteurs à allumage commandé. Malheureusement, le mécanisme classique de combustion dans ces moteurs peut être perturbé par des combustions anormales. Ce type de moteur comprend au moins un cylindre comportant une chambre de combustion délimitée par la paroi latérale interne du cylindre, par le haut du piston qui coulisse dans ce cylindre et par la culasse. Généralement, un mélange carburé est renfermé dans cette chambre de combustion et subit une étape de compression, puis une étape de combustion sous l'effet d'un allumage commandé, par une bougie. Ces étapes sont regroupées sous le vocable de « phase de combustion » dans la suite de la description.

[0005] II a pu être constaté que ce mélange carburé peut subir différents types de combustion, et que ces types de combustion sont la source de différents niveaux de pression, ainsi que de contraintes mécaniques et/ou thermiques, dont certaines peuvent endommager gravement le moteur.

[0006] La première combustion, dite combustion conventionnelle ou combustion normale, est le résultat de la propagation de la combustion d'un mélange carburé comprimé lors d'une étape préalable de compression du moteur. Cette combustion se propage normalement selon un front de flamme à partir de l'étincelle générée à la bougie, et ne risque pas de détériorer le moteur.

[0007] Un autre type de combustion est une combustion avec cliquetis, qui résulte d'une auto-inflammation indésirable dans la chambre de combustion. Ainsi, après l'étape de compression du mélange carburé, la bougie est actionnée pour permettre l'allumage de ce mélange carburé. Sous l'effet de la pression générée par le piston, et de la chaleur dégagée par le début de la combustion du mélange carburé, il se produit une auto-inflammation brutale et localisée d'une partie du mélange carburé comprimé, avant que n'arrive le front de flamme issu de l'allumage du mélange carburé par la bougie. Ce mécanisme, dénommé cliquetis, conduit à une augmentation locale de la pression et de la température et peut engendrer, en cas de répétitions, des effets destructifs sur le moteur et principalement au niveau du piston.

[0008] Enfin, un autre type de combustion est une combustion anormale due à un pré allumage du mélange carburé avant que la bougie n'initie l'allumage du mélange carburé présent dans la chambre de combustion.

[0009] Cette combustion anormale affecte en particulier les moteurs qui sont le résultat d'une opération de "miniaturisation", plus connu sous le terme anglais de "downsizing". Cette opération vise à diminuer la taille et/ou la cylindrée du moteur tout en conservant la même puissance et/ou le même couple que des moteurs conventionnels. Généralement, ce type de moteurs est principalement de type essence et est fortement suralimenté.

[0010] Il a pu être constaté que cette combustion anormale se réalise à fortes charges, et généralement lors des bas régimes de fonctionnement du moteur, lorsque le calage de la combustion du mélange carburé ne peut pas être l'optimum à cause du cliquetis. Compte tenu des fortes pressions et des températures élevées atteintes dans la chambre de combustion par la suralimentation, un démarrage de combustion anormale peut se produire, sporadiquement ou de façon continue, bien avant le moment où se réalise l'allumage du mélange carburé par la bougie. Cette combustion se caractérise par une première phase de propagation de flamme qui est calée trop tôt par rapport à celle d'une combustion conventionnelle. Cette phase de propagation peut être interrompue par une auto-inflammation qui va concerner une grande partie du mélange carburé présent dans la chambre de combustion, beaucoup plus grande que dans le cas du cliquetis (jusqu'à 50 %, contre 5 à 10 % pour les cas extrêmes de cliquetis intenses).

[0011] Dans le cas où cette combustion anormale se produit de façon répétitive, de cycle-moteur à cycle-moteur, et se réalise à partir d'un point chaud du cylindre par exemple, celle-ci est dénommée "pré allumage sur surface chaude". Si cette combustion se produit de manière violente, aléatoire et sporadique, elle est appelée "claquement" ou "rumble" (« preignition »).

[0012] Cette dernière combustion anormale entraîne des niveaux de pressions très élevés (120 à 250 bar), ainsi qu'une augmentation des transferts thermiques qui peuvent entraîner une destruction partielle ou totale de l'équipage mobile du moteur, comme le piston ou la. bielle. Ce type de pré allumage constitue actuellement une véritable limite à la miniaturisation ("downsizing") des moteurs à allumage commandé. II s'agit d'un phénomène très complexe qui peut avoir de multiples origines. Plusieurs hypothèses ont été évoquées dans la littérature pour expliquer son apparition mais aucune d'entre elles n'a pour l'instant été clairement validée, il semble même plutôt que plusieurs de ces causes potentielles se manifestent simultanément et interagissent entre elles. Cette interaction, la violence du phénomène et son caractère stochastique rendent son analyse extrêmement compliquée. De plus, les différentes études sur le sujet se heurtent toutes au problème de l'identification même de ces combustions anormales. Il est en effet difficile de dire si un moteur est plus sensible qu'un autre au pré allumage tant qu'on est incapable de statuer sur la nature de chacune des combustions au sein d'un échantillon donné.

[0013] Une méthode permettant de détecter et de caractériser en nombre et en intensité ces combustions anormales est donc de première nécessité, car elle permet justement d'établir cette hiérarchie et d'identifier les pistes qui permettent d'améliorer la conception et les réglages des moteurs. Cette opération est particulièrement intéressante lors des développements de moteurs au banc moteur.

État de la technique

[0014] La méthodologie générale de traitement de ces combustions anormales est schématisée sur la figure 1, avec dans un premier temps une phase de prévention (PP) pour limiter au maximum les chances d'apparition du phénomène, puis une phase de détection (PD) lorsque la prévention n'a pas suffit à éviter le phénomène, pour déterminer si oui ou non il y a lieu d'intervenir dans le cycle même où le pré allumage a été détecté au moyen d'une phase corrective (PC).

[0015] La phase de détection comporte une phase d'acquisition de signaux, puis une phase de traitement de signaux permettant de détecter l'apparition du pré allumage à forte charge, de le caractériser et de le quantifier.

[0016] On connaît par la demande de brevet EP 1.828.737, une méthode pour détecter l'apparition du pré allumage à forte charge, de type rumble. Cette méthode est basée sur la mesure d'un signal relatif au déroulement de la combustion, et une comparaison avec un signal-seuil. La présence d'une combustion anormale, de type "rumble", dans la chambre de combustion, est détectée lorsque l'amplitude du signal dépasse de façon significative celle du signal-seuil. Selon cette méthode, le signal-seuil correspond à l'amplitude du signal produit lors d'une combustion avec cliquetis ou lors d'une combustion normale (conventionnelle).

[0017] Cependant, selon cette méthode, la détection ainsi réalisée ne permet pas d'agir au cours du cycle même de la détection. Les actions de corrections de ce type de pré allumage ne peuvent donc être réalisées qu'après la réalisation d'un tel phénomène, ce qui peut nuire sérieusement à l'intégrité du moteur.

[0018] On connaît également la méthode décrite dans le brevet FR 2.897.900. Selon cette méthode, on peut agir plus rapidement après la détection du pré allumage : on est capable d'agir au cours du même cycle que le cycle de détection du phénomène. Pour ce faire, le signal-seuil est préalablement calculé, c'est-à-dire avant le fonctionnement du moteur, puis stocké dans des tables de données du calculateur, appelées cartographies.

[0019] Cependant, l'utilisation de cartographies, ne permet pas de détecter à tout moment, c'est-à-dire en temps réel, le début d'un tel phénomène. De ce fait, il est toujours possible que la détection se fasse trop tardivement. De plus, aucune quantification de l'évolution du phénomène ne peut être réalisée. Ainsi, la nécessité ou non d'appliquer une phase de correction repose uniquement sur la comparaison de deux amplitudes à un instant donné. Or un tel phénomène peut très bien débuter, puis s'arrêter sans entraîner de dommage pour le moteur, et donc ne pas nécessiter de phase corrective.

[0020] On connaît par la demande de brevet FR 2.952.678 un procédé de détection de combustion anormale pour moteurs à combustion interne à allumage commandé, à partir de plusieurs indicateurs de la combustion. Selon ce procédé, on détermine plusieurs indicateurs de la combustion, tels que le CA10 et la PMI, et l'on transforme ces indicateurs en nouveaux indicateurs ayant des dispersions plus faibles que celles des indicateurs non transformés pour des combustions normales. Puis, on détermine un paramètre caractérisant une distribution de N valeurs de ces nouveaux indicateurs de la combustion, acquises sur N cycles précédant le cycle en cours. On détecte alors le début d'une combustion anormale en comparant ce paramètre avec un seuil, et on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée dans la chambre de combustion.

[0021] Toutes ces méthodologies antérieures ont pour objectif de quantifier la fréquence d'apparition du pré allumage, sans fournir une bonne représentation de la violence (intensité) de ces phénomènes détectés. Or, les culasses ne peuvent être dimensionnées de manière pertinente que si la fréquence et l'intensité potentielles des pré allumages sont connues.

[0022] L'objet de l'invention concerne un procédé permettant de détecter en temps réel l'apparition d'une combustion anormale, de caractériser sa fréquence d'apparition et son intensité, avec les dispositifs et systèmes couramment utilisés dans les moteurs, de façon à prendre des mesures permettant de l'éviter dans la suite du fonctionnement du moteur, au cours du même cycle que celui de la détection. La méthode s'appuie sur la définition d'un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un indicateur de la combustion, et sur la définition dans cet espace, d'une surface fermée délimitant les combustions normales des combustions anormales. La position et la distance d'un point correspondant à une combustion, par rapport à cette surface, permet de qualifier le caractère anormale de cette combustion ; ainsi que la sévérité de ce caractère anormal.

Le procédé selon l'invention

[0023] De façon générale, l'invention concerne un procédé de contrôle de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage commandé, dans lequel on enregistre au moins un signal représentatif d'un état de la combustion au moyen d'au moins un capteur placé sur le moteur. Le procédé comporte les étapes suivantes :

• on choisit des indicateurs de la combustion que l'on peut déduire dudit signal, et l'on définit un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un desdits indicateurs, et dans lequel toute combustion peut être représentée par un point ;
• on définit dans ledit espace une surface fermée de façon à envelopper des points correspondant à des combustions normales et à ne pas envelopper des points correspondant à des combustions anormales ;

puis pour chaque combustion d'un cycle moteur :

• on représente ladite combustion du cycle par un point dans ledit espace multidimensionnel en déterminant pour cette combustion lesdits indicateurs ;
• on détermine une position dudit point par rapport à ladite surface et l'on en déduit un caractère anormal de ladite combustion ;
• on détermine une distance entre ledit point et ladite surface, et l'on en déduit une sévérité du caractère anormal ; et
• on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée en fonction de la sévérité du caractère anormal.

[0024] Selon un mode de réalisation, on définit la surface en réalisant les étapes suivantes :

• on choisit une équation définissant ladite surface, ladite équation comportant au moins un paramètre ;
• on réalise un ensemble de combustions dans lequel des combustions normales et des combustions anormales sont connues, et l'on représente ledit ensemble de combustions dans ledit espace multidimensionnel formant un nuage de points ;
• on détermine au moyen d'une analyse en composantes principales des directions principales dudit nuage de points, et on détermine une dispersion des points selon chaque direction principale ;
• on modifie ledit paramètre de façon à ce que l'extension de la surface dans chaque direction principale soit égale à la dispersion dans cette direction.

[0025] Selon ce mode, on peut définir un coefficient multiplicateur que l'on applique à chaque dispersion avant la modification du paramètre. Ce coefficient multiplicateur peut être choisi entre 2,4 et 2,6, de préférence égale à 2,5.

[0026] Selon l'invention, on peut mettre à jour ladite surface à partir d'un point issu d'une nouvelle combustion. Ladite surface peut être une surface de type quadrique.

[0027] Enfin, selon un mode de réalisation, les indicateurs sont normalisés.

Présentation des figures

[0028] Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée ci-après en se référant aux figures annexées où :

• la figure 1 montre la méthodologie générale de traitement des combustions anormales de type pré allumage ;
• la figure 2 montre un moteur utilisant la méthode de détection selon l'invention ;
• la figure 3 donne un exemple de représentation tridimensionnelle de données calculées sur un point de fonctionnement avec pré allumage ;
• la figure 4 présente une superposition de données normalisées obtenues sur différents points de fonctionnement ;
• la figure 5 illustre un exemple d'identification des directions principales - Zoom sur la figure de droite (les axes principaux peuvent ne pas paraître orthogonaux à cause des différentes échelles) ;
• la figure 6 illustre la détermination de l'épaisseur optimale de la surface de normalité ;
• la figure 7 représente une estimation de l'enveloppe des combustions normales par une surface quadrique en utilisant un coefficient multiplicateur de 2.5 ;
• la figure 8 illustre la distance des pré allumages à la normalité (représentée par la taille des cercles).

Description détaillée du procédé

[0029] Sur la figure 2, un moteur à combustion interne 10 suralimenté à allumage commandé, en particulier de type essence, comprend au moins un cylindre 12 avec une chambre de combustion 14 à l'intérieur de laquelle se produit la combustion d'un mélange d'air suralimenté et de carburant.

[0030] Le cylindre comprend au moins un moyen d'alimentation en carburant sous pression 16, par exemple sous la forme d'un injecteur de carburant 18 contrôlé par une vanne 20, qui débouche dans la chambre de combustion, au moins un moyen d'admission d'air 22 avec une soupape 24 associée à une tubulure d'admission 26 se terminant par un plénum 26b (non représenté sur la figure), au moins un moyen d'échappement des gaz brûlés 28 avec une soupape 30 et une tubulure d'échappement 32 et au moins un moyen d'allumage 34, comme une bougie, qui permet de générer une ou plusieurs étincelles permettant d'enflammer le mélange carburé présent dans la chambre de combustion.

[0031] Les tubulures 32 des moyens d'échappement 28 de ce moteur sont raccordées à un collecteur d'échappement 36 lui-même connecté à une ligne d'échappement 38. Un dispositif de suralimentation 40, par exemple un turbocompresseur, est placé sur cette ligne d'échappement et comprend un étage d'entraînement 42 avec une turbine balayée par les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement et un étage de compression 44 qui permet de faire admettre un air d'admission sous pression dans les chambres de combustion 14 par les tubulures d'admission 26.

[0032] Le moteur comprend des moyens 46a de mesure de la pression cylindre, disposés au sein même du cylindre 12 du moteur. Ces moyens de mesure sont généralement constitués par un capteur de pression qui permet de générer un signal représentatif de l'évolution de la pression dans un cylindre.

[0033] Le moteur peut également comporter des moyens 46b de mesure de la pression d'admission, disposés dans le plénum 26b. Ces moyens de mesure sont généralement constitués par un capteur de pression absolue, de type piézoélectrique, qui permet de générer un signal représentatif de l'évolution de la pression d'admission dans le plénum d'admission.

[0034] Le moteur comprend également une unité de calcul et de commande 48, dénommée calculateur moteur, qui est reliée par des conducteurs (pour certains bidirectionnels) aux différents organes et capteurs du moteur de façon à pouvoir recevoir les différents signaux émis par ces capteurs, comme la température de l'eau ou la température de l'huile, pour les traiter par calcul et ensuite commander les organes de ce moteur pour assurer son bon fonctionnement.

[0035] Ainsi, dans le cas de l'exemple montré à la figure 2, les bougies 34 sont reliées par des conducteurs 50 au calculateur moteur 48 de façon à commander le moment de l'allumage du mélange carburé, le capteur de pression cylindre 46a est connecté par une ligne 52 à ce même calculateur moteur pour lui envoyer les signaux représentatifs de l'évolution de la pression dans le cylindre, et les vannes 20 de commande des injecteurs 18, sont raccordées par des conducteurs 54 au calculateur 48 pour commander l'injection de carburant dans les chambres de combustion. Les moyens 46b sont également connectés par une ligne 53 au calculateur moteur 48.

[0036] Au sein d'un tel moteur, le procédé selon l'invention permet de détecter l'apparition d'un phénomène de pré allumage à forte charge (du type rumble), de caractériser sa fréquence d'apparition et son intensité, en s'appuyant sur une caractérisation simultanée de valeurs de plusieurs indicateurs de combustion (CA10, PMI, ...).

[0037] La méthodologie générale de traitement de ces combustions anormales comporte plusieurs étapes :

• la première de ces étapes concerne les actions de prévention qui ont pour but de limiter au maximum les chances d'apparition du pré allumage ;
• dans le cas où cette phase de prévention ne suffit pas, une seconde étape de détection physique du pré allumage doit être mise en oeuvre (par un choix de capteurs par exemple) ;
• vient ensuite une phase de traitement des données qui doit permettre de caractériser le pré allumage ;
• et finalement, une dernière phase d'action corrective est réalisée pour déterminer si oui ou non il y a lieu d'intervenir dans le cycle même où le pré allumage a été détecté ou au cours des cycles qui suivent.

[0038] L'invention entre dans le cadre de la troisième étape. Selon un exemple de réalisation, le procédé comporte les étapes suivantes :

• on enregistre au moins un signal (pression dans le cylindre) représentatif de l'état de la combustion au moyen d'au moins un capteur placé dans le moteur ;
• on choisit des indicateurs de la combustion que l'on peut déduire de ce signal, et l'on définit un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un des indicateurs, et dans lequel toute combustion peut être représentée par un point ;
• on définit dans cet espace une surface fermée de façon à envelopper des points correspondant à des combustions normales et à ne pas envelopper des points correspondant à des combustions anormales ;

puis pour chaque combustion d'un cycle moteur :

• on représente la combustion du cycle en cours par un point dans l'espace multidimensionnel en déterminant pour cette combustion les indicateurs ;
• on détermine la position du point par rapport à la surface et l'on en déduit le caractère anormal de la combustion en cours ;
• on détermine la distance entre le point et la surface, et l'on en déduit la sévérité du caractère anormal ; et
• on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée en fonction de la sévérité du caractère anormal.

[0039] On enregistre au moins un signal représentatif de l'état de la combustion, au moyen d'un capteur placé dans le moteur. Selon un mode de réalisation on choisit la pression cylindre. La mesure de la pression cylindre est réalisée à partir des moyens 46a de mesure de la pression cylindre. L'instrumentation des cylindres pour une mesure de pression est de plus en plus courante sur les véhicules.

[0040] L'invention permet d'utiliser d'autres mesures que la pression cylindre, telle que le couple instantané, le régime instantané, le niveau de vibrations (capteurs accélérométriques), signal d'ionisation,....

[0041] Puis, on réalise une phase préliminaire (étapes 1 et 2 ci-après) à la détection en temps réel d'une combustion anormale.

1. Choix d'indicateurs de la combustion et définition d'un espace multidimensionnel

[0042] Au cours de cette étape, on choisit des indicateurs de la combustion que l'on peut déduire du signal mesuré, et l'on définit un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un des indicateurs, et dans lequel toute combustion peut être représentée par un point.

[0043] Selon un mode de réalisation on choisit le CA10. Le CA10 représente l'angle vilebrequin auquel seulement 10 % de la charge introduite a été consommée. De ce fait, il est particulièrement bien adapté pour mettre en évidence une anomalie se produisant en début de combustion comme le pré allumage.

[0044] Cependant, une simple identification des pré allumages n'est pas suffisante puisque le but recherché est également de caractériser la dangerosité de ces combustions anormales. Par conséquent, il est nécessaire de choisir également des variables qui représentent explicitement la violence des pré allumages.

[0045] La figure 3 donne un exemple de représentation tridimensionnelle de données calculées sur un point de fonctionnement avec pré allumage. En plus du CA10, les valeurs de pression (PCA10) et de dérivée de pression (DPCA10) au CA10 ont été retenues. Intuitivement, on comprend que les valeurs prises par la pression et la dérivée de pression au CA10 sont déterminantes pour les valeurs qu'elles prendront ensuite au cours du cycle, en particulier pour leurs valeurs maximales (en d'autres termes, une combustion qui part fort a de très grandes chances de continuer et de finir très fort...).

[0046] L'invention peut également utiliser d'autres indicateurs de combustion :

• à partir de la pression cylindre : PMI, pression cylindre maximale, angle vilebrequin à la pression maximale, CAxx, maximum de dégagement d'énergie,... ;
• à partir du couple instantané : maximum de couple, dérivée maximale de couple, ... ;
• à partir du régime instantané : maximum de vitesse, accélération maximale, ... ;
• le volume de la chambre de combustion, ou le gradient de volume à certains moments (au CA10 par exemple).

[0047] Plusieurs tests de représentations tridimensionnelles de données comme celle de la figure 3 ont été réalisés sur différents points de fonctionnement, mais également sur différents moteurs et avec différents carburants. Systématiquement, ces tests ont mis en évidence des corrélations entre les différentes variables et la normalisation des données a permis de montrer que ces tendances étaient répétables. La figure 4 présente une superposition de données normalisées (CA10n, PCA10n, DPCA100n) obtenues sur différents points de fonctionnement. Les combustions normales occupent une zone assez compacte de l'espace et forment un nuage de données condensé alors que les pré allumages ont tendances à sortir de ce nuage (tout comme les combustions tardives mais dans une moindre mesure).

2. Définition d'une surface fermée délimitant les combustions normales

[0048] Un objectif de l'invention, est de délimiter les combustions normales pour extraire ensuite plus facilement des informations sur les combustions anormales en termes de distance à la normalité.

[0049] Pour ce faire, on définit dans l'espace multidimensionnel une surface fermée de façon à envelopper des points correspondant à des combustions normales et à ne pas envelopper des points correspondant à des combustions anormales.

[0050] Pour ce faire, on peut utiliser un premier ensemble de points correspondant à des combustions normales du moteur, et un second ensemble de points correspondant à des combustions anormales du moteur. Ces ensembles sont représentés dans l'espace multidimensionnel, et l'on ajuste une surface enveloppant les points correspondant au premier ensemble, en évitant les points du second ensemble.

[0051] Un exemple de mise en oeuvre est décrit ci-après, dans lequel la délimitation est réalisée en deux temps :

i. en identifiant tout d'abord les directions principales présentes au sein du jeu de données (les directions sont représentées par des flèches blanches sur la figure 5) ;

ii. puis en déterminant une modélisation pertinente des combustions normales (figure 7).

[0052] Chaque combustion est représentée dans l'espace multidimensionnel de représentation sous forme d'un point dont les coordonnées sont les valeurs des indicateurs calculés à l'étape précédente. Après plusieurs cycles, les combustions forment un nuage de points dans cet espace de représentation.

[0053] Dans un premier temps, on détermine les directions principales de ce nuage de points, c'est-à-dire les directions dans lesquelles le nuage s'étend, ou en d'autres termes les directions dans lesquelles la dispersion est maximale. Selon un exemple, l'identification des directions principales est réalisée de manière robuste via un algorithme d'analyse en composantes principales (ACP). Mais d'autres algorithmes peuvent être utilisés à cet effet.

[0054] La figure 5 illustre un exemple d'identification des directions principales : les axes principaux sont représentés par des flèches blanches ; ils peuvent ne pas paraître orthogonaux à cause des différentes échelles.

[0055] Dans un second temps, on construit une enveloppe (surface) autour des points correspondant à des combustions normales. Il est primordial de correctement déterminer cette surface optimale, qui ne doit être ni trop grande (le risque serait alors d'inclure des pré allumages), ni trop petite (le risque serait alors de sur estimer le nombre de pré allumages en considérant certaines combustions normales comme étant anormales). Pour construire cette enveloppe, on choisit une forme d'enveloppe, puis on l'ajuste au nuage de points le long des directions principales du nuage.

[0056] Selon un exemple, on calcule les trois premières directions principales, et l'on choisit une enveloppe de type quadrique (d'autres types de surface pourraient également être utilisés). Une quadrique, ou surface quadratique, est une surface de l'espace euclidien de dimension 3, lieu des points vérifiant une équation cartésienne de degré 2. On peut citer par exemple : l'ellipsoide, l'hyperboloïde, le paraboloïde elliptique, le paraboloïde hyperbolique, le cylindre (elliptique, hyperbolique ou parabolique).

[0057] On ajuste ensuite les paramètres de la surface quadrique afin qu'elle soit centrée sur le centre du nuage.

[0058] Dans le cas d'un ellipsoïde, l'équation est :

• x, y, et z représentent les trois directions principales formant un repère orthonormé, dont le centre est le centre du nuage de points.
• a, b et c sont les paramètres de la surface quadrique à ajuster.

[0059] Puis, on estime la dispersion (par exemple l'écart-type) des données sur chacune des directions principales. Cette estimation peut être avantageusement réalisée suite à l'ACP, c'est-à-dire en même temps que la détermination des directions principales. La dispersion sur chacune des directions principales x, y et z définit l'extension de la surface quadrique : les paramètres a, b et c sont choisis de façon à ce que l'extension de la surface quadrique dans la direction x (respectivement y et z) soit égale à la dispersion dans la direction x (respectivement y et z).

[0060] Selon un mode de réalisation, on calcule un coefficient multiplicateur aux dispersions calculées. L'augmentation progressive de ce coefficient multiplicateur permet d'augmenter la taille de la surface enveloppant les combustions normales. Ainsi, selon notre exemple de surface quadrique de type ellipsoïde, les paramètres a, b et c sont choisis de façon à ce que l'extension de la surface quadrique dans la direction x (respectivement y et z) soit égale à la dispersion dans la direction x (respectivement y et z), multipliée par un coefficient multiplicateur.

[0061] En utilisant un jeu de données synthétique, dans lequel les combustions normales et les combustions avec pré allumages sont connues, ont peut définir ces coefficients multiplicateurs. Le constat réalisé est illustré sur la figure 6. L'objectif est de déterminer l'inflexion (Pl) de la courbe (C) représentant le nombre de points (n) contenus à l'intérieur de la surface de normalité, en fonction du coefficient multiplicateur (CM). En effet, cette inflexion correspond au moment où, malgré l'augmentation de la taille de la surface de normalité, de moins en moins de points n'entrent dans cette surface. On atteint alors la séparation entre les combustions normales et les combustions anormales beaucoup plus dispersées, et qui demandent donc des coefficients multiplicateurs plus élevés pour être englobées dans la surface de normalité. Sur cette figure, un coefficient multiplicateur de 2.5 permet donc d'englober toutes les combustions normales. La même démarche appliquée sur près de 600 jeux de données générés manuellement a conduit au même résultat avec une valeur autour de 2.5 (entre 2.4 et 2.6).

[0062] La figure 7 représente une estimation de l'enveloppe des combustions normales par une surface quadrique en utilisant un coefficient multiplicateur de 2.5.

[0063] Cette surface définie avant la phase de détection à chaque cycle d'une combustion anormale, peut être affiné à chaque cycle, en intégrant au nuage de point les points issus des combustions des cycles précédant le cycle en cours.

[0064] Une fois ces étapes préliminaires (définition d'un espace multidimensionnel et d'une surface de référence) réalisées, on peut, à partir du signal, détecter une combustion anormale à chaque cycle moteur.

3. Identification et qualification des combustions anormales

[0065] Au cours de chaque cycle, on calcule les indicateurs de la combustion, à partir du signal, et pour chaque combustion. Puis, on réalise les étapes suivantes :

• on représente la combustion du cycle en cours par un point dans l'espace multidimensionnel en déterminant pour cette combustion les indicateurs ;
• on détermine la position du point par rapport à la surface et l'on en déduit le caractère anormal de la combustion en cours ;
• on détermine la distance entre le point et la surface, et l'on en déduit la sévérité du caractère anormal.

[0066] Une méthode pour calculer la distance d'un point à une ellipsoïde est décrite par exemple dans le document suivant : David Eberly, 2011, "Distance from a Point to an Ellipse, an Ellipsoid, or a Hyperellipsoid", Geometric Tools, LLC. Dans le cas d'une surface quadrique de degré dg, un mode de calcul consiste à calculer la distance d1 du point à l'ellipsoïde de mêmes paramètres a, b, c, ce qui fournit une bonne approximation pratique de la distance exacte. Un autre type de calcul possible consiste à déterminer la droite radiale qui joint le centre de la surface quadrique au point considéré, puis à calculer la plus petite distance « radiale » d2 entre le point considéré et les deux intersections (la droite radiale intersecte généralement la surface en deux points : l'un proche, l'autre plus éloigné (de l'autre côté du centre) ; il convient de prendre la distance au point le plus proche.) entre la surface quadrique et la droite radiale, et à considérer la plus petite des deux distances d1 et d2. La distance peut être ainsi légèrement surestimée, ce qui préserve l'aspect préventif de la détection proposée.

[0067] Cette distance constitue un indicateur de la combustion à chaque cycle. Si la distance indique que le point caractérisant la combustion est en dehors du nuage, cela indique un pré allumage, et plus cette distance est grande, plus l'intensité du phénomène est importante.

[0068] La prise en compte simultanée de plusieurs variables permet ainsi de construire au travers de cette distance un critère "combiné" (et ce même si ces différentes variables devaient être partiellement corrélées).

[0069] La figure 8 illustre cette distance par la taille des cercles utilisés pour représenter les différents cycles. Cette figure représente le CA10 en fonction du cycle NbC. On retrouve ainsi un résultat attendu, à savoir que plus un pré allumage se déclenche tôt dans le cycle (CA10 faible) et plus il a de chance d'être violent (cercle de taille importante).

[0070] Toutefois, le procédé selon l'invention permet de mieux classer ces différents pré allumages car l'éloignement à la normalité n'est pas uniquement fonction du CA10 mais bien de plusieurs variables combinées. En d'autres termes, le processus de traitement permet d'associer à des cycles ayant des CA10 similaires des cercles de tailles différentes, i.e. des intensités différentes. Les deux exemples du bas de la figure 8 illustrent ce phénomène avec les cycles 650 et 671 choisis à iso CA10 (environ 374 °V). Ici il est important de souligner que les distances sont différentes bien que les CA10 soient équivalents.

[0071] Remarques : le procédé possède plusieurs degrés de liberté :

• le nombre de variables utilisées ;
• la méthode d'identification des directions principales ;
• la méthode et le type de modélisation des combustions normales ;
• la méthode de calcul de la distance d'un point à la surface modélisée.

[0072] Autre avantage de la méthodologie : comme on peut le voir sur la partie haute de la figure 8, les combustions tardives ressortent elles aussi à cause de leurs distances à la normalité elles aussi anormalement élevées. Cette méthodologie peut donc aussi être utilisée pour caractériser les combustions tardives et les ratés de combustion. On appelle "combustions tardives", des combustions qui ont été correctement initiées à la bougie mais qui se développent lentement et conduisent donc à une perte de rendement. On appelle "ratés de combustion", des combustions qui n'ont pas été initiées du tout à la bougie (suite à un défaut de richesse par exemple). En termes de pression cylindre, on observe alors qu'une simple compression / détente (ou dans le meilleur des cas juste une très faible combustion).

[0073] Ces deux types de combustion ne représentent pas de danger contrairement au pré allumage mais il y a tout de même un intérêt à les détecter car elles sont synonymes de mauvais rendement ou d'émissions importantes du fait des défauts de combustion.

4- Contrôle de la combustion anormale

[0074] Enfin, on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée en fonction de la sévérité du caractère anormal.

[0075] Au moyen de la position par rapport à la surface, le calculateur moteur peut détecter le début d'une combustion anormale de type "pré allumage" dans la chambre de combustion. Et grâce à la distance par rapport à la surface, le calculateur moteur peut détecter la sévérité de cette combustion anormale.

[0076] En cas de combustion anormale, et si la sévérité est avérée, ce calculateur lance ensuite les actions nécessaires au contrôle de cette combustion afin d'éviter la poursuite d'une telle combustion.

[0077] Par contrôle de la combustion anormale, il est entendu non seulement la possibilité de maîtriser le déroulement de cette combustion pour éviter les augmentations brutales de pressions destructrices mais aussi d'arrêter complètement une telle combustion, telle que par étouffement.

[0078] A titre préférentiel, ce contrôle de la combustion est réalisé par une réinjection de carburant à un angle de vilebrequin déterminé par les injecteurs 18. Plus précisément, le calculateur commande les vannes 20 de façon à ce que l'injecteur du cylindre concerné permette d'introduire dans la chambre de combustion une quantité de carburant sous forme liquide. La quantité de carburant réinjectée dépend de la constitution du moteur et peut aller de 10 % à 200 % de la quantité de carburant initialement introduite dans cette chambre de combustion. De ce fait, le carburant réinjecté sert à contrarier la flamme qui commence à se déployer lors de la combustion anormale. Cette réinjection permet soit de souffler cette flamme, soit d'étouffer cette flamme par augmentation de la richesse du mélange carburé. De plus, le carburant injecté sous forme liquide utilise la chaleur présente autour de cette flamme pour se vaporiser et les conditions de température autour de la flamme vont baisser en retardant la combustion du mélange carburé et surtout son auto-inflammation.

[0079] Après cette injection de carburant, la pression dans le cylindre, augmente mais moins brutalement. Cette pression décroît ensuite pour atteindre un niveau compatible avec le niveau de pression d'une combustion conventionnelle.

[0080] Par ce mécanisme, tout développement d'une combustion anormale avec une grande vitesse de combustion et des pressions élevées est prohibé. Bien entendu, la mise en oeuvre des moyens pour contrôler la combustion anormale se fait à chaque cycle durant lequel une telle combustion est détectée par le calculateur.

[0081] Les actions du procédé telles que décrites ci-dessus peuvent être combinées à d'autres actions plus lentes, telles que la fermeture du papillon, pour empêcher que les conditions de pression de la chambre de combustion soient favorables à une combustion anormale dans les cycles qui suivent. Le choix de l'action est fonction de la sévérité du caractère anormal de la combustion.

Revendications

1. Procédé de contrôle de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage commandé, dans lequel on enregistre au moins un signal représentatif d'un état de la combustion au moyen d'au moins un capteur placé sur le moteur, caractérisé en ce que :

- on choisit des indicateurs de la combustion que l'on peut déduire dudit signal, et l'on définit un espace multidimensionnel dont chaque dimension correspond à un desdits indicateurs, et dans lequel toute combustion peut être représentée par un point ;

- on définit dans ledit espace une surface fermée de façon à envelopper des points correspondant à des combustions normales et à ne pas envelopper des points correspondant à des combustions anormales ;

puis pour chaque combustion d'un cycle moteur :

- on représente ladite combustion du cycle par un point dans ledit espace multidimensionnel en déterminant pour cette combustion lesdits indicateurs ;

- on détermine une position dudit point par rapport à ladite surface et l'on en déduit un caractère anormal de ladite combustion ;

- on détermine une distance entre ledit point et ladite surface, et l'on en déduit une sévérité du caractère anormal ; et

- on contrôle le déroulement de la combustion anormale détectée en fonction de la sévérité du caractère anormal.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on définit ladite surface en réalisant les étapes suivantes :

- on choisit une équation définissant ladite surface, ladite équation comportant au moins un paramètre ;

- on réalise un ensemble de combustions dans lequel des combustions normales et des combustions anormales sont connues, et l'on représente ledit ensemble de combustions dans ledit espace multidimensionnel formant un nuage de points ;

- on détermine au moyen d'une analyse en composantes principales des directions principales dudit nuage de points, et on détermine une dispersion des points selon chaque direction principale ;

- on modifie ledit paramètre de façon à ce que l'extension de la surface dans chaque direction principale soit égale à la dispersion dans cette direction.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on définit un coefficient multiplicateur que l'on applique à chaque dispersion avant la modification du paramètre.

4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit coefficient multiplicateur est choisi entre 2,4.et 2,6, de préférence égale à 2,5.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on met à jour ladite surface à partir d'un point issu d'une nouvelle combustion.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on choisit une surface de type quadrique.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits indicateurs sont normalisés.

Dessins