Brevet FR2540940A1 — publié le 19840817

Procédé et dispositif d'optimisation automatique de la richesse d'un mélange carburé pour moteur thermique. La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'optimisation automatique de la richesse d'un mélange carburé pour moteur thermique. Le moteur thermique est du type fonctionnant au moyen d'un mélange d'un carburant et d'un comburant tels qu'un gaz et de l'air respectivement. Un tel mélange est réalisé dans un mélangeur qui, dans le cas des moteurs thermiques classiques, est constitué par un carburateur situé en aval dudit moteur. Dans un carburateur conventionnel, la quantité de carburant mélangée à l'air est fonction de la vitesse de passage dudit air dans un organe deprimogène tel qu'un venturi. Dans le carburateur à dosage par organe deprimogène, la richesse de carburation varie en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, ce qui oblige à choisir un point moyen de carburation suffisamment riche pour ne pas risquer un incident de fonctionnement. Le réglage de la richesse de carburation, une fois le point moyen prédéterminé, entraîne obligatoirement une augmentation de la con sommation en carburant par rapport â celle que donnerait un réglage optimal. Au contraire, le procédé et le dispositif selon la présente invention sont adaptés à toutes les variations de conditions de fonctionnement d'un moteur telles que température, humidité de l'air, pouvoir calorifique du carburant, etc. Le procédé selon l'invention est appliqué à un moteur thermique associé à des moyens de commande d'admission d'un mélange de carburant et de comburant dans ledit moteur, et il est caractérisé en ce qu'il consiste à prédéterminer une vitesse de consigne pour le moteur, à mesurer la vitesse de rotation réelle dudit moteur, à comparer lesdites vitesses de consigne et réelle, de manière à déterminer un écart entre lesdites vitesses de consigne et réelle du moteur, et à commander les moyens d'admission dudit mélange en fonction dudit écart de façon que le mélange admis dans le moteur amène la vitesse de rotation réelle proche de la vitesse de consigne prédéterminée. Selon une autre caractéristique, on prédétermine une étroite bande de vitesses de chaque côté de la vitesse de consigne et on régule les moyens d'admission du mélange de façon que l'écart entre les vitesses de consigne et de rotation réelle du moteur soit inférieur à une desdites bandes de vitesses. Selon une autre caractéristique, le procédé consiste en outre à mesurer et à mémoriser la vitesse de rotation du moteur à un instant donné, à appliquer un premier incrément fixe à la commande des moyens d'admission du mélange carburé, à détecter le sens de variation des moyens d'admission et la variation de la vitesse de rotation par rapport à la vitesse mémorisée pour ledit incrément et au bout d'un temps donné, à appliquer aux moyens d'admission un second incrément dans le même sens que le précédent lorsque ledit premier incrément a pour effet d'augmenter la vitesse de rotation, et à réitérer les phases de mémorisation et de détection de manière à amener le point de fonctionnement du moteur au maximum de sa courbe de rendement. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux à la lecture de la'déscription donnée cidessous à titre indicatif mais non limitatif d'un mode de réalisation de l'invention, ainsi que du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue simplifiée du dispositif selon l'invention, le mélangeur étant représenté en coupe la figure 2 est une représentation synoptique de l'automatisme du mélangeur la figure 3 est une représentation schématique de moyens. de mesure de la vitesse de rotation du moteur. Le dispositif selon l'invention comprend un nouveau mélangeur (1) dans lequel est ménagé un alésage (la) et qui est relié par une tubulure d'admission (2) à un moteur thermique (3). Le mélange carburé nécessaire au fonctionnement du moteur (3) est constitué par exemple par de l'air, introduit dans le mélangeur (1) à travers un filtre (4), et par du gaz directement injecté dans l'alésage la du mélangeur. Le réglage du débit de gaz est réalisé par une vis clapet (5) montée sur un côté du mélangeur (1) et qui se déplace par rapport à un siège (6) constitué par une extrémité libre d'une conduite d'admission de gaz (7) réalisée en une ou plusieurs parties et sur laquelle est monté un détendeur 14 régulateur-de pression. Le clapet 5 est couplé à un servomoteur de commande 8 de dépit de gaz par l'intermédiaire d'un manchon en caoutchouc (9). Dans le mêlangeur (l) est disposé un papillon (10) dont 1a rotation autour d'un axe vertical est commandée par un servomoteur (11), la liaison de l'axe du papillon avec le servomoteur se faisant également par l'intermédiaire d'un manchon en caoutchouc 12. Les deux servomoteurs 8 et Il sont des servomoteurs digitaux rotatifs et ne seront pas décrits dans le détail car bien connus des spécialistes. A titre d'indication, ils peuvent être du type de ceux commercialisés sous la dénomination TELER TS360, et sont capables d'effectuer une- rotation de 90 degrés en moins d'une-demi-seconde. Les deux servomoteurs sont commandés à leur tour séparément ou-ensemble par un microprocesseur 13. De ce fait, les débits de gaz et du mélange air + gaz peuvent donc être réglés indépendamment.De plus les caractéristiques géométri ques du mélangeur (1) sont telles que si l'on fait subir une rotation identique au clapet (5) et au papillon (10), la richesse du mélange combiné obtenu, à la vitesse de rotation du moteur correspondante, reste approximativement constante. Comme en phase transitoire, l'étape de régulation qui sera décrite ci-après, va appliquer aux servomoteurs 8 et 11 des rotations identiques, il faut que les deux caractéristiques de débit du gaz et du mélange oertur . alimentant le moteur 3 soient correctement initialisées et qu'elles évoluent parallèlement afin que la richesse du mélange carburé permette le fonctionnement du moteur pour toutes les ouvertures possibles du clapet 5 et du papillon 10. L'initialisation consiste à prédéterminer une position d'un des deux organes du clapet 5 ou du papillon -10 par rapport à l'autre. C'est une opération manuelle qui consiste à modifier la position d'accouplement d'un des deux servomoteurs correspondant à l'organe prépositionné. Il est important de noter que le parallélisme des caractéristiques n'a pas besoin d'être rigoureux, puisqu'en régime stable, la fonctipn d'optimisation, décrite ci-après, corrige la richesse du mélange carburé. Il va de soi que dans la description qui va suivre, les caractéristiques techniques mentionnées dépendent, dans une très large mesure, des conditions de fonctionnement du moteur thermique utilisé : Dans une application particulière, celle d'un système de chauffage comprenant une pompe à chaleur dont le compresseur constitue la charge principale dudit moteur thermique, ce dernier a été choisi pour fonctionner entre 2000 et 3000 tours/minute et, plus précisément, à 2500 tours/minute qui constitue, dans ce qui suit, la vitesse de consigne V dudit moteur 3. c Au démarrage du moteur 3, des moyens de mesure 15 de la vitesse de rotation dudit moteur indiquent qu'on est à l'arrêt. Les ordres de commande, délivrés par le microprocesseur 13, prépositionnent les servomoteurs 8 et 11 pour un démarrage aisé. Dès que la vitesse de rotation réelle VR du moteur, mesurée par les moyens 15, atteint la valeur de consigne VcR le microprocesseur 13 passe sur un algorithme de régulation. Dans ce mode de fonctionnement, les commandes de rotation des servomoteurs 8 et 11, délivrées par le microprocesseur 13, sont identiques, de sorte que la richesse du mélange carburé n'est que peu modifiée. La vitesse de rotation VR est adressée par une ligne 16 à un comparateur 17 qui détermine l'écart AV entre les vitesses de consigne Vc et de rotation réelle VR. L'écart AV ainsi mesuré est transmis à des moyens 18 comprenant un algorithme de régulation proportionnel et intégral qui réduit progressivement l'écart AV entre la mesure de la vitesse de rotation VR et la R vitesse de consigne Vc. Pour cela, les signaux, à la sortie des moyens 18, commandent la rotation des ser vomoteurs 8 et 11 de façon que les débitsO gaz et Qmélange soient tels qu'ils provoquent une variation de la vitesse de rotation V R du moteur 3.Sur la figure 2, le bloc 19 représente schématiquement le couple servomoteur 8-clapet 5 tandis que le bloc 20 représente le couple servomoteur ll-papillon 10, la liaison entre les moyens 18 et les blocs 19 et 20 étant matérialisés par les lignes 21 et 22 respectivement. La ligne 22 aboutit à des moyens 23 disposés en amont du bloc 20, et susceptibles de mettre ou-d'interrompre la liaison entre les moyens 18 et le bloc 20. De part et d'autre de la vitesse de consigne Vc, on détermine une bande étroite ou bande morte BM, par exemple égale à 50 tours/minute. Lorsque l'écart AV, par la commande sur les blocs 19 et 20 et donc sur les débits Q gaz et Qmélange devient inférieur à la bande morte BM, le microprocesseur 13 bascule sur. un autre algorithme appelé algorithme d'optimisation représenté schématiquement sur la figure 2 par un bloc 24 qui est également relié aux moyens 23. Dans ces conditions, le moteur 3 tourne donc sensiblement à la vitesse de consigne Vc plus ou moins la bande morte BM. Quand l'algorithme d'optimisation est mis en service, la vitesse de rotation réelle VR du moteur 3, est mise en mémoire, la liaison entre la sortie du moteur 3 et les moyens 24 étant matérialisée par une ligne 25. Un faible incrément positif ou négatif, par exemple de 0,8 %, est appliqué au seul servomoteur 11 par l'intermédiaire des moyens 23 et le papillon 10 du mélange est amené dans une nouvelle position. Si ledit incrément correspond à une augmentation d'ouverture du papillon 10, il y a appauvrissement du mélange carburé admis dans le moteur 3. Si ledit increment correspond à une diminution d'ouverture du papillon 10, il y a enrichissement du mélange carburé puisque, dans les deux cas, le débit de gaz Q n'a pas été modifié. Il s'en gaz suit alors une légère modification de la carburation qui provoque une légère variation de la vitesse de rotation réelle du moteur 3. Cette variation est dé tectée au bout d'un temps donné, par exemple 10 secondes, puis on compare la nouvelle de vitesse de rotation réelle avec la vitesse mémorisée VM Quand l'incrément a pour effet d'augmenter la vitesse de rotation réelle, on en déduit que le rendement du moteur a augmenté puisque le débit du gaz Q gaz est resté identique.Dans ces conditions, on ajoute au précédement incrément un deuxième incrément de même valeur et de même sens et on réitère le processus ci-dessus jusqu'à l'obtention du rendement maximum. Quand l'incrément a pour effet de diminuer la vitesse de rotation du moteur 3, le rendement diminue car le débit de gaz Qgaz est resté identique. Dans ces conditions, au premier incrément est ajouté un autre incrément de signe opposé; et on réitère le processus de comparaison de la vitesse de rotation VR avec la vitesse mémorisée I1 est à noter qu'à chaque réitération, la vitesse de rotation est mise en mémoire pour pouvoir être comparée, après modifications de la carburation, à la nouvelle valeur de vitesse obtenue à la fin de la période d'interaction. L'algorithme d'optimisation procède dopc par essais systématiques et successifs à intervalles de temps constant, ce qui a pour effet d'amener le point de fonctionnement du moteur au maximum de sa courbe de rendement, puis de le faire osciller autour de ce point de rendement maximum. Il peut arriver que l'algorithme d'optimisation agisse sur le moteur de telle façon que écart AV soit en dehors de la bande morte BM. Alors, le microprocesseur 13 abandonne l'algorithme d'optimisation et bascule sur l'algorithme de régulation 18 jusqu'à ce que l'écart AV se réduise et entre à nouveau dans la bande morte BM. Il s'ensuit que l'algorithme d'optimisation est initié une fois de plus de la manière indiquée ci-dessus, avec un incrément différent de celui qui a été mis en mémoire dans une mémoire du microprocesseur 13, car chaque incrément appliqué au servomoteur 11 est mémorisé de manière à éviter d'appliquer, autant que faire se peut, des incréments qui font basculer trop rapidement l'algorithme d'optimisation 24 sur l'algorithme de régulation 18. I1 est facile de constater que le dispositif selon l'invention permet le contrôle automatique de la carburation et s'adapte à toutes les variations de conditions de fonctionnement du moteur telles que température, humidité de l'air, pouvoir calorifique du carburant, encrassement, charge, etc., pour assurer dans chaque cas la richesse optimale permettant la consommation minimale de carburant pour une énergie mécanique fournie équivalente. En effet, si le moteur 3 est par exemple soumis à une augmentation brutale de la charge, le régime décroît et le microprocesseur 13 augmente simultanément les ouvertures du papillon 10 et du clapet 5. Instantanément, le moteur n'accélère pas t le débit de mélangé Mélange reste donc sensiblement identique mais le débit de gaz Qgaz augmente puisqu'il dépend de l'ouverture du-clapet 5. Le mélange carburé introduit dans le moteur 3 s'enrichit en améliorant les conditions de fonctionnement du moteur 3. Inversement, quand le moteur 3 est soumis à une diminution brutale de la charge, le mélange carburé s'appauvrit passagèrement. Dans tout ce qui précède, on-a fait référence à des moyens 15 de mesure de la vitesse de rotation réelle du moteur. Parmi ces moyens, on peut citer ceux qui peuvent être incorporés dans le microprocesseur 13 -qui réalise l'acquisition de la vitesse de rotation VR en comptant par exemple le temps séparant deux impulsions électriques d'allumage, qui calcule les débits Q gaz et Mélange à fournir en fonction de la vitesse V R et de la vitesse de consigne V c qui lUi- est donnée, et qui élabore enfin les signaux de commande des servomoteurs 8 et 11, sous forme de cré- neaux de longueur variable pour réaliser la correction calculée. Parfois et cela se produit lorsque le moteur 3 est à allumage par vis platinées, les impulsions électriques d'allumage ne sont pas assez nettes pour être utilisées. Dès lors, on peut utiliser un dispositif de mesure à lecture optique représenté schématiquement sur la figure 3. La référence 26 indique un volant du moteur sur lequel on envoie un faisceau lumineux 27 qui, après réflexion sur ledit volant 26, est reçu sur un détecteur 28. Le signal délivré par le détecteur 28 est mis en forme dans un circuit de mise en forme classique constitué par exemple par un triffer de Schmitt 29 et un monostable 30, de manière à avoir des créneaux 31 comme indiqué ci-dessus, les créneaux 31 étant adressés dans le circuit de traitement approprié du microprocesseur 13. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation et d'optimisation automatique de la richesse d'un mélange carburé pour moteur thermique, du type selon lequel le débit d'au moins un des constituants du mélange est régulé en fonction de la vitesse de rotation réelle du moteur, caractérisé en ce qu'il consiste à prédéterminer une vitesse de consigne pour le moteur,à mesurer la vitesse de rotation réelle dudit moteur, à comparer lesdites vitesses de consigne et réelle, ladite comparaison déterminant un écart de vitesses qui est mesuré, à commander le débit d'au moins l'un des constituants du mélange en fonction de l'écart mesuré de façon que le mélange admis dans le moteur produise une variation de la vitesse de rotation réelle et l'amener à une valeur proche de la vitesse de consigne prédéterminée du moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de chaque côté de la vitesse de consigne est délimitée une bande de vitesses et en ce que la régulation dudit débit des constituants du mélange est telle que ledit écart mesuré soit inférieur à l'une desdites bandes de vitesses. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la régulation consiste à maintenir sensiblement constante la richesse du mélange carburé en faisant varier simultanément le débit des constituants dudit mélange dans le même sens et d'une valeur sensiblement égale. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bande de vitesses est faible par rapport à la valeur de la vitesse de consigne. 5. Procédé selon la revendication 3, caracté-risé en ce que la valeur de chaque bande de vitesses est égale à environ 50 tours/minute. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : mesurer et mettre en mémoire la vitesse de rotation réelle à un instant donné ; appliquer un premier incrément fixe positif ou négatif à la commande dudit débit d'au moins un des constituants du mélange carburé ; détecter le sens de la variation de la vitesse de rotation réelle du moteur pour l'incrément fixe appliquer un deuxième incrément dans le même sens que le premier sur ladite commande lorsque le premier incrément a pour effet d'augmenter ladite vitesse de rotation réelle, et réitérer les étapes de mémorisation et de détection jusqu'à ce que le moteur atteigne son rendement maximum. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter un autre incrément de signe opposé au précédent incrément appliqué lorsque ce dernier a pour effet de diminuer la vitesse de rotation réelle, et à réitérer les étapes de mémorisation et de détection. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque incrément et son signe sont mis en mémoire à chaque itération. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le constituant du mélange carburé qui est modifié est le carburant. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape de régulation du débit de mélange est seule initiée chaque fois que l'écart entre la vitesse de rotation réelle et la vitesse de. consigne est supérieur à la plus grande -des bandes de vitesses délimitées autour de la vitesse de Consigne. 11. Dispositif pour la-mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 10, du type comprenant un mélangeur relié à un moteur, des moyens de commande d'admission d'un carburant et d'un comburant, un papillon de réglage disposé dans le mélangeur et dont l'ouverture détermine le débit du mélange carburé admis dans ledit moteur, caractérisé en ce que le mélangeur est constitué par un corps dans lequel est ménagé un aîésage, et en ce que les moyens d'admission du carburant sont constitués par un clapet dont au moins une partie débouche dans ledit alésage et susceptible de venir en appui sur un siège constitué par une extrémité d'une conduite d'admission du carburant. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le clapet est rotatif. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la rotation du clapet est commandée par un servomoteur asservi par un microprocesseur. 14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la rotation du papillon de réglage d'admission du mélange carburé est commandée par un servomoteur asservi à un microprocesseur. 15. Dispositif selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que dans la liaison du clapet et du papillon à leur servomoteur respectif est interposé un manchon souple. 16. Dispositif selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que le même microprocesseur elabore a partir d'une mesure de la vitesse de rotation réelle du moteur des ordres de commande auxdits servomoteurs. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les ordres de commande sont élaborés à partir d'un écart mesuré entre la vitesse de rotation réelle et d'une vitesse de consigne prédéterminée, et appliqués aux servomoteurs de commande de façon à réduire ledit écart et amener la vitesse de rotation réelle aussi voisine que possible de la vitesse de consigne. 18. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le microprocesseur comprend des moyens pour élaborer des ordres de commande au seul servomoteur associé au papillon lorsque l'écart de vitesses mesuré est inférieur à une bande de vitesses prédéterminée prévue de chaque côté de la vitesse de consigne, les ordres de commande conduisant à une incrémentation de la rotation du papillon dans un certain sens de manière à déterminer le sens de variation de la vitesse de rotation réelle du moteur. 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'incrément appliqué est de l'ordre de 0,8 %. 20. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse de rotation réelle du moteur est effectuée par le microprocesseur à partir d'un comptage du temps séparant deux impulsions électriques d'allumage dudit moteur. 21. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 19, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse de rotation réelle du moteur est effectuée par le microprocesseur à partir d'une lecture optique, notamment au moyen d'un faisceau lumineux dirigé sur un volant dudit moteur, un détecteur du faisceau réfléchi par ledit volant et dont le signal délivré est mis en forme sous forme de créneaux qui sont adressés au microprocesseur. 22. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un microprocesseur, deux servomoteurs commandés par ledit microprocesseur et associés l'un au clapet et l'autre au papillon, des moyens de mesure de la vitesse de rotation réelle du moteur, ledit microprocesseur, à partir de la vitesse de rotation mesurée et comparée avec une vitesse de consigne prédéterminée, élaborant d'une part une étape de régulation modifiant, par une action simultanée sur les deux servomoteurs, la vitesse de rotation réelle pour l'amener à une valeur proche de la vitesse de consigne et, d'autre part, ensuite une étape d'optimisation susceptible de procéder à des mesures systématiques et successives, à intervalles de temps constants, de la vitesse de rotation et des autres paramètres de fonctionnement, de manière à maintenir le point de fonctionnement du moteur au maximum de sa courbe de rendement.