Brevet FR2416348A1 — publié le 19790831

Cette invention concerne d'une façon générale les systèmes de contrôle de combustible pour les moteurs à combustion interne, en particulier les systèmes de contrôle répondant au mélange air/combustible pcur ccstrôler la quantité de combustible fournie au système. La plupart des systèmes de contrôle de combustible peuvent être classés soit comme système de commande à boucle ouverte soit comme système de commande à boucle fermée. Dans le système de commande à boucle ouverte, le mélange air/combustible est programmé et le système de contrôle de combustible ne répond qu'à certains paramètres de fonctionnement du moteur pour la sélection du mélange air/ combustible souhaité. Dans le système à boucle fermée, le mélange air/combustible est également programmé mais le système de contrôle de -combustible répond à certains paramètres de fonctionnement du moteur pour la sélection du mélange air/combustible adéquat.Cependant, à à l'utilisation d'un détecteur de sortie, le système de contrôle de combustible est constamment remis à jouir pour tenir compte des tolérances du système de contrôle de combustible, des conditions ambiantes et des conditions de fonctionnement particulières du moteur de zanibre que le rapport effectif air/combustible soit en grande par tie égal au rapport air/combustible adéquat recherché. D'une façon générale, la plupart des détecteurs de sortie qui-~répondent aux caractéristiques de mélange air/combustible sont disposés dans le système d'échappement du moteur, généralement en aval du point où les gaz d'échappement sont produits. Cette position est généralement nécessaire étant donné que la plupart des détecteurs fonctionnent à des températures élevées et que les gaz d'échappement procurent la source de chaleur nécessaire pour chauffer le détecteur à Sa température de fonctionnement. Cependant, cette position est située à distance de la source du mélange air/combustible et, en consé quence, le temps de réponse du système est long. D'autre part, le temps de réponse du système est également altéré suivant le mode de foric.tionnement du moteur. Le temps de réponse est généralement plus court et pendant le fonctionnement du système de contrôle de combustible le rapport effectif air/combustible reflête plus étroitement le rapport air/com bu8tible adéquat recherché en positionnant le capteur de mélange air/ combustible à proximité de la source de mélange. Dans un moteur à combustion interne, un système de contrôle de combustible possédant une unité de contrôle de mélange air/combustible reçoit l'air et lue combustible et les mélange ensemble. Un dispositif à soupape à papillon est situé à l'intérieur de l'unité de contrôle de mélange pour contrôler la quantité d'air admise au moteur en conformité avec les demandes de l'opérateur. Be combustible est fourni à partir d'une source, telle qu'un réservoir de stockage de combustible, par intermédiaire d'un dispositif de refoulement de combustible variable commandé électriquement dans l'unité de commande de mélange en amont de la soupape à papillon. Après que le combustible ait été mélangé à l'air dans 1' unité de contrôle de combustible, le mélange résultant est distribué sur plusieurs cylindres du moteur au moyen d'une tubulure d'admission. Un détecteur de rapport air/conbustible est disposé dans la tubulure d'admission et répond au refoulement du mélange air/combustible provenant de l'unité de contrôle de mélange. Be détecteur engendre un signal électrique correspondant au rapport air/combustible effectif du mélange pour appliquer le signal à la commande de combustible pour maintenir de façon continue le rapport effectif air/combustible en conformité avec le rapport air/combustible souhaité sans retard dans la réponse du système de contrôle de combustible du fait du temps de transport du mélange air/combustible pour atteindre un moyen de détection. Sur les dessins : La Fig. 1 est un schéma synoptique du système conforme à la présente invention La Fig. 2 est une illustration de la position du capteur dans la tubulure à la sortie du corps de la soupape à papillon ; et La Fig. 3 est un exemple d'éxécution de l'unité de contrôle de mélange. -En se référant aux figures par les caractères de référence, on voit à la Fig. 1 un schéma synoptique du système conforme à la présente invention. le système est utilisé pour assurer un contrôle précis du mélange air/combustible po r un moteur à combustion interne où l'air et le combustible sont mélangés en un point vmique, tel qu' un carburateur, contrairement aux systèmes d'injection de combustible où le combustible est mélangé à l'air soit à l'intérieur du cylindre, soit à côté de la soupape d'admission de celui-ci. Dans l'exécution conforme à la Fig. 1, le rapport du mélange air/combustible est mesuré immédiatement après que l'air et le combustible soient mélangés et, en conséquence, le contrôle à boucle fermée du mélange peut intervenir immédiatement.La présente invention évite des erreurs dans le mélange air/combustible dues au problème défini cornire étant un retard de transport à l'intérieur d'un système. En se référant à la Fig. 1, on L'unité de contrôle de mélange 28 de la figure 1 peut prendre la forme d'une quelconque des unités de mélange de combustible bien connues utilisées sur les moteurs à combustion interne. De telles unités peuvent être un carburateur conventionnel ou une forme quelconque de corps à papillon où l'air 32 et le combustible 26 sont mélangés pour combustion dans le moteur. La soupape à papillon 34 est utilisée dans les illustrations et représente un dispositif similaire quelconque et est utilisée pour contrôler le débit d'air et le débit de mélange air/combustible résultant dans la tubulure d'admission 12. Comme illustré à la Fig. 2, le capteur 10 est disposé de manière à répondre au mélange air/combustible quittant l'unité de contrôle de mélange 28. Le capteur de gaz 0 comprend un capteur 38 sous la forme d'un tube possédant un enroulement de chauffage 40 entourant l'extérieur ou l'intérieur du tube. Le capteur 38 est contenu à l'intérieur d'un pare-flamme 42 possédant un grand nombre d'ouvertures 44 dans sa paroi 42 permettant au mélange air/combustible de passer à travers le corps du capteur 38. Un tube d'admission 46 et un tube de sortie 48 admettant respectivement le gaz de référence qui est l'air ambiant à l'intérieur du corps du capteur 38 et permettant son échappement sont alignés avec une e7- trêmité du corps du capteur 38 et le pare-flamme 42. La sortie du tube de sortie 48 est dirigée de manière que l'air de référence soit mélangé au mélange air/combustible et est détectée par le capteur 10. Le tube d'admission 46 au capteur est raccordé à un filtre à air 50 et, du fait de la dépression dans la tubulure d'admission 12, l'air eet forcé dans le tube d'admission 46, le capteur 10 et le tube de sortie 48. Un étranglement 52 est disposé dans le tube d'admission 46 de manière à égaliser la pression sur le côté de référence ou intérieur du capteur 10 au niveau de la pression à l'extérieur ou sur le côté tubulure d'admission du capteur 10. Ceci est nécessaire étant donné que le capteur 10 détecte le rapport des pression partielles d'Oxygène dans les gaz à l'extérieur et à l'intérieur du capteur. Le mélange air/combustible quittant l'unité de contrôle 28 est rendu plus pauvre en déchargeant le gaz de référence dans la tubulure d'admission 12. Cependant, comme il åpparattra par la suite, en raison de la réponse du capteur 10, ce supplément d'air est compensé par l'addition d'une quantité plus importante de combustible. Dans la forme de réalisation préférée, le capteur 10 est un capteur d'oxygène dans lequel la matière du corps du capteur ou cellule 38 engendre une tension proportionnelle à la quantité d'oxygène de part et d'autre de la cellule. Si la cellule 38 est fabriquée en zirconium, des propriétés électriques et physiques différentes de la matière peuvent titre obtenues par l'utilisation de différents stabilisateurs. Quels que soient les stabilisateurs utilisés, la cellule de détection d'oxygène 38 doit être chauffée à une température élevée de manière à compenser l'impédance de sortie de la cellule pour engendrer des signaux électriques utilisables. Be signal électrique de sortie de la cellule 38 est appliqué à un dispositif de contrôle 54 comprenant le totalisateur 14, le comparateur 20 et le contrôleur 22 mentionnés ci-dessus.La sortie du dispositif de commande 54 est couplée à l'unité de servo-commande 24 pour contrôler le débit de combustible 26 adressé à l'unité de contrôle de mélange 28. La Fig. 3 illustre une forme de réalisation de l'unité de contrôle de mélange 28 qui peut être utilisée dans le système de la Fig. 1. En particulier, la Fig. 3 est une illustration d'un carburateur où le combustible 26 s'écoule de la cuvette 56 du carburateur par un orifice 58 comprenant le gicleur de dosage principal au tube de décharge principal 60 dans le venturi 62 du carburateur. Comme ceci est bien connu, le combustible est déchargé dans le carburateur en réponse à l'air 32 s'écoulant par le venturi 62. L'intérêt particulier de la présente application réside dans le contrôle du gicleur de doszsc princiPal 58.Comme illustré à la Fig. 3, le gicleur de dosage principal est commandé par un pointeau profilé à deux étages 64 a3iss2rt dans 1'orifice 58. Lorsque le pointeau 64 est déplacé axialement dans l'orifice 58, la dimension de l'orifice se modifie et, en conséquence, la quantité du combustible 26 provenant de la c-lvette 56 du carburpte est contrôlée. Dans la Fig. 3, le pointeau -rofllé 64 est déplacé axialement dans et hors de l'orifice 58 par l'unité de servo-commande 24 ou un moteur-couple répondant électriquement au contrôleur 22. Comme illustré à la Fig. 3, il existe différents éléments de fonction de ralenti du carburateur qui commandent l'alimentation en combustible du moteur pendant le ralenti. De tels éléments sont l'orifice de ralenti 66, l'orifice d'arrêt de ralenti 68, la vis de mélange de ralenti 70, l'orifice de passage de combustible de ralenti 72 et le tube de ralenti 74. Le système de contrôle de ralenti reçoit également le combustible 26 à partir du gicleur de dosage principal 58 sous la commande de la soupape à pointeau 64 et du moteur 24. Le capteur utilisé dans la forme de réalisation de la Fig. 1 est un détecteur d'oxygène 10 qui est fabriqué à partir de zirconium stabilisé. La surface extérieure 76 du corps du capteur 38 est plaquée à l'aide d'une matière catalytique, telle que le platine, agis sant pour conférer au capteur une sortie de tension en gradins, et la surface intérieure 78 est également plaquée à l'aide d'un matériau électriquement conducteur, bien que le plaquage interne ne soit pas nécessairement catalytique.Le signal de tersion de sortie du capteur 10 passe d'un niveau de tension à un second niveau de tension pour un rapport de mélange air/combustible prédéfini qui dans la présente exécution du capteur d'oxygène est sur ou à proximité immédiate du rapport air/cambustible stoechiométrique. I1 apparat que d'autres types de capteurs autres qu'un capteur d'oxygène peuvent être utilisés et, dans ce cas, les capteurs répondent à un rapport air/combustible prédéterminé et engendre un signal électrique indiquant si le mélange de combustible est égal, inférieur ou supérieur au rapport a-r/combustible prédéterminé. Si le capteur 10 est un capteur d'oxygène, il est nécessaire que la température du corps du capteur 38 soit élevée au-dessus des températures que l'on trouve normalement dans le système de la tubulure d'admission 12. Une température de fonctionnement typique du capteur 10 est d'environ 3710C. De manière à obtenir cette température, un enroulement de chauffage 40 est disposé autour du tube de zirconium 38 et est alimenté à partir d'une source électrique appropriée du véhicule (non représentée). Cet enrczlement de chauffage 40 augmente localement la température du capteur 10 à la bonne température de fonctionnement permettant au capteur de fonctionner.Puisque cette chaleur additionnelle peut faire briller le gaz autour du capteur, le pare-flamme 42 est prévu pour prévenir et contenir toute propagation de la flamme dans la tubulure d'admission 1 2. Le gaz de référence du capteur 10 est fourni par l'air ambiant entourant le moteur après être passé dans le filtre à air 50 et dirigé au moyen du tube d'admission 46 dans la tubulure 12 et au capteur 10. Puisque la réponse du capteur 10 est fonction de la variation de la pression partielle d'oxygène de part et d'autre du capteur, il est souhaitable que les pressions totales soient égalisées ou approximativement égalisées. Ceci est réalisé en disposant l'étrangleur 2 dans le tube d'admission 46. L'efficacité de l'étranglement 52 est fonction du débit d' air dans celui-ci et de ses dimensions. Le débit d'air de ralenti des petits moteurs (cylindrée 2295 cm3) est d'environ 13,5 kg/h. La pression en aval de l'étranglement est d'environ 0,5 kg/cm2 et la pression en amont de l'étranglement est la pression ambiante, soit environ 1,05 kg/cm2. En conséquence, le rapport de la pression en aval à la pression en amont est de 0,46. Ceci donne la dimension du diamètre de 1' étranglement dans les conditions d'écoulement d'air sonique, laquelle est d'environ 1 mm, qui bien qu'étant petite n'est pas trop sensible à l'encrassement. En conséquence, avec un tel étranglement 52 dans le tube d'admission 46, la pression du gaz de référence et la pression du mélange de combustible dans la tubulure d'admission sont approximativement égales. Be signal électrique engendré par le capteur 10 est électriquement amené par une paire de fils dont un est raccordé à la surface interne et l'autre est raccordé à la surface externe du capteur et est amené à la commande 54 comme indiqué à la Fig. 2. rependant, un côté du capteur peut être mis à la masse sur la même masse que le dispositif de commande 54 et, en conséquence, In seul fil est nécessaire. Comme précédemment indiqué, le dispositif de commande 54 comprend le totalisateur 14 qui est sensible au signal provenant du détecteur 10 et à un signal 16 engendré par un dispositif à seuil de tension et engendre un signal de sortie qui possède aussi bien lme amplitude qu'un sens. Be signal de sortie est en ;'Ele générale appelé signal d'erreur 18 et, dans la forme de réalisation préférée, si le signal d'erreur 18 est positif, le mélange est riche et si le signal d'erreur est natif, le mélange est pauvre. le signal d'erreur 18 est amené au comparateur 20 délivrant un ou deux signaux de sortie d'amplitude fixe. le signal de sortie du comparateur 20 est fonction du signe du signal d'erreur 18 qui lui est amené.La sortie du comparateur 20 est électriquement raccordée à un contrôleur ou dispositif d'intégra+ion 22 dont le signal de sortie est un signal électrique possédant soit une pente positive, soit une pente négative. Ce signal électrique provenant du dispositif dtintégration 22 est amené à une unité de servo-commande 24,comme le moteur-couple de la.Fig. 3, qui contrôle la quantité du combustible 26 s'écoulant dans l'unité de contrôle de mélange 28. Avec ce capteur 1C sensiblement disposé à la sortie de 1' unité de contrôle de mélange 28 et dans la tubulure d'admission 12, les problèmes dus au retard de transport ont été grandement diminués et, immédiatement après que l'air et le combustible aient été amenés ensemble pour mélange, la constitution du mélange est détectée et le débit de combustible est dosé en conséquence. I1 apparaît que par l'une quelconque des techniques bien connues repondant à un capteur-de mélange, le rapport air/combustible du mélange amené à un moteur à combustion interne peut être contrôlé de manière à correspondre à un rapport quelconque souhaité air/combustible.Des signaux de polarisa- tion peuvent être adressés indiquant les modes de fonctionnement du moteur, tels que ralenti, papillon grand ouvert et modification d'al- titude, de manière à contrôler de façon continue le combustible fourni au moteur pour répondre aux meilleures exigences de fonctionnement. Comme illustré aux Fig. 2 et 3, le dispositif de fourniture de combustible est représenté comme étant un dispositif à fourniture variable 30. Le dispositif 30, en particulier celui de la Fig. 3, est illustré comme étant un pointeau profilé à deux étages 64 se dépla çant dans un orifice de soupape 58. La Fig. 2 représente le dispositif de fourniture de combustible 30 comme comprenant une soupape variable et une pompe 80, l'unité de servo-commande contrôlant soit le débit de la pompe 80 soit l'ouverture de la soupape variable. I1 a été par conséquent présenté et décrit un système de maintien d'un mélange air/combustible recherché dans une tubulure d' admission en mesurant le mélange au moyen du capteur air/combustible immédiatement après que le mélange soit formé et en utilisant l'information électrique fournie par cette mesure pour contrôler ou doser le combustible adressé à l'unité de mélange. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en combustible pour moteur à combustion interne dans lequel le combustible et l'air sont mélangés dans un moyen de contrôle de mélange puis adressés par une tubulure d'admission aux cylindres du moteur et possédant un système destiné à maintenir un rapport air/combustible désiré pour le mélange, comprenant s un moyen de fourniture variable de combustible destiné à contrôler la quantité de combustible adressé au moyen de contrôle de mélange ; et un capteur de rapport air/combustible sensible au rapport air/combustible pour engendrer un signal électrique ; caractérisé en ce que le capteur de rapport air/combustible est placé dans la tubulure d'admission pour déceler le rapport air/combustible réel du mélange s'écoulant dans cette tubulure, et en ce qu'il est prévu un moyen de commande sensible au signal électrique délivré par le capteur de rapport air-combustible pour commander le moyen de fourniture variable de combustible afin de maintenir la quantité de combustible adressé au moyen de contrôle de mélange en accord avec le rapport air/ combustible désiré. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de fourniture variable de combustible comprend une soupape à aiguille dont le profil d'aiguille procure un orifice variable destiné à contrôler l'écoulement du combustible s'échappant du moyen de fourniture variable de combustible. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commande comprend un intégrateur sensible au signal électrique délivré par le capteur de rapport air/combustible et un servomoteur associé à l'aiguille de la soupape à aiguille et sensible au signal de sortie de l'intégrateur pour déplacer cette aiguille. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de rapport air/combustible est une sonde à oxygène comprenant un corps en zirconium possédant une surface catalytique active sensible audit mélange et agissant de manière à engendrer un signal se présentant sous forme d'une tension en escalier ayant un premier niveau indiquant l'absence d'un excès d'oxygène dans ledit mélange et un second niveau indiquant la présence d'un excès d'oxygène dans ledit mélange. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commande comprend un moyen de tension de seuil engendrant un niveau de tension intermédiaire entre le premier et le second niveau de tension délivré par la sonde à oxygène ; un moyen comparateur destiné à comparer le signal délivré par la sonde à ozygène avec la tension de seuil et à engendrer un signal éIctriqe de sortie ; un intégrateur sensible au signal électrique de sortie pour engendrer :m signal électrique d'amplitude variable ; et un servo-moteur sensible à l'amplitude variable du signal délivré par l'intégrateur pour commander le moyen de fourniture variable de combustible.