Brevet FR2634824A1 — publié le 19900202

La présente invention est relative à un procédé de régulation de la richesse d'un mélange air-carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne et, plus particulièrement, à un tel procédé du type "boucle fermée", sans exploitation d'aucune mesure physique de richesse, conçu pour se substituer à un procédé de régulation en boucle' fermée d'un tel moteur à partir d'un signal fourni par une sonde à oxygène placée dans les gaz d'échappement de ce moteur, à la suite d'une panne temporaire ou définitive de cette sonde. On connaît des procédés de régulation de richesse d'un mélange aircarburant par modulation d'un temps (ou durée) d'ouverture d'injecteur de carburant à l'aide d'un terme multiplicatif, cette régulation étant ajustée de manière à créer une oscillation régulière et continue du rapport air/carburant autour d'une valeur nominale. Que les gaz d'échappement du moteur passent ou non dans un pot catalytique qui limite la pollution de l'environnement par ces gaz d'échappement, la modulation du rapport air- carburant est optimisée, éventuellement par rapport aux caractéristiques de ce pot, au moyen de deux types de correction, proportionnelle et intégrale, introduites dans le calcul du temps d'ouverture des injecteurs équipant le moteur à réguler. Ces corrections sont généralement calculées au point mort haut du cylindre concerné du moteur. Il en résulte qu'on ne maîtrise pas correctement la fréquence des oscillations du rapport air-carburant car celle-ci dépend du régime du moteur. De même l'amplitude de ces oscillations ne peut être correctement contrôlée car elle dépend de l'amplitude des corrections calculées et appliquées et, du fait que les corrections sont calculées systématiquement au point mort haut, il n'est pas possible de tenir compte de la dynamique du système, ce qui provoque une perte dans les informations à traiter et donc une moindre précision des calculs utilisés pour le contrôle de l'amplitude des oscillations de la richesse du mélange. On décrit dans la demande de brevet français déposée ce Jour par la demanderesse et intitulée "Procédé et dispositif de régulation de la richesse d'un mélange air-carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne" un procédé de régulation de richesse à boucle fermée, exploitant un signal délivré par une sonde à oxygène placée dans les gaz d'échappement du moteur, qui permet de maîtriser complètement la fréquence et l'amplitude des oscillations de la richesse, en rendant celles-ci indépendantes du régime du moteur. Le procédé met en oeuvre une loi de régulation de richesse présentant un caractère- récurrent, c'est-à-dire dépendant des états antérieurs des mesures de richesse et des valeurs des corrections précédentes du temps d'ouverture des injecteurs. Que l'on utilise un procédé de régulation à correction proportionnelle et intégrale ou à loi de régulation récurrente, une panne du -dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est toujours à craindre. Très souvent la panne trouve son origine dans une défaillance de la sonde à oxygène utilisée, du fait que ce détecteur est placé dans un environnement particulièrement agressif constitué par les gaz d'échappement du moteur. Il convient alors de prévoir des moyens permettant d'assurer une commande convenable de la richesse du mélange air-carburant, en cas de panne de la régulation de richesse normalement utilisée à cet effet et, plus particulièrement, en cas de panne de la sonde Aà oxygène utilisée dans cette régulation. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de régulation de la richesse d'un mélange air- carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne conçu pour fonctionner en l'absence d'informations de richesse délivrées par une sonde à oxygène placée dans les gaz d'échappement du moteur. Ce procédé pourra alors fonctionner de manière indépendante ou se substituer à un procédé de régulation de richesse faisant appel & ces informations de richesse, en cas de panne temporaire ou définitive de cette sonde à oxygène. La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé capable d'établir un contrôle continu de la richesse du mélange, à partir d'une valeur de richesse de consigne qui peut être différente de celle correspondant à la stoechiométrie, dans certaines conditions de conduite. La présente invention a encore pour but de fournir un tel procédé bien protégé des perturbations et autorisant la mise en oeuvre de corrections réparties par type de corrections, de manière à réduire le temps de calcul de ces corrections. On atteint ces buts de l'invention avec un procédé de régulation de la richesse d'un mélange air-carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne, du type boucle fermée, par commande du temps d'ouverture d'un injecteur de carburant, ce temps d'ouverture étant constitué par au moins la somme d'un temps d'injection statique et d'une correction dynamique du temps d'injection, procédé caractérisé en ce que, pour former un signal représentatif de cette correction, on réalise une estimation de la richesse instantanée du mélange à l'aide d'un modèle de la réponse du moteur à un signal représentatif de ce temps d'ouverture, on échantillonne l'écart de cette richesse à une richesse de consigne, on traite l'écart échantillonné dans un correcteur à sortie échantillonnée en synchronisme avec l'échantillonnage de l'écart de richesse pour former un signal atid représentatif de la correction dynamique du temps d'injection, la mesure échantillonnée atid, de ce signal à l'instant d'échantillonnage n prenant la forme d'une combinaison linéaire d'au moins une des valeurs àtid._ k des corrections dynamiques effectuées aux instants d'échantillonnage immédiatement antérieurs et des écarts de richesse estimés 6n-k mesurés à l'instant courant et à au moins un instant d'échantillonnage immédiatement antérieur. L'instant d'échantillonage (n-k) le plus lointain pris en compte dans cette fonction linéaire définit l'ordre de la commande ainsi obtenue. Suivant une première mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, dite du premier ordre, la mesure Atid, du signal échantillonné représentatif de la correction dynamique du temps d'injection est de la forme: 6tid. -ttid-1 + W (eh en - o X et sont des constantes ajustées en fonction de la dynamique souhaitée pour la régulation, et e 1, les mesures des écarts de richesse estimés aux instants d'échantillonnage n et n-l. Suivant une deuxième mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, dite du deuxième ordre,la mesure àtidn du signal échantillonné représentatif de la correction dynamique du temps d'injection est de la forme: Atid. = a tidn 1 + P tidn 2 + goen + g1en- 1 + g2 en 2 o a, P, go, g1, g2 sont des constantes ajustées en fonction de la dynamique souhaitée pour la régulation, en, e.1, e. -2 sont des mesures des écarts de richesse estimés aux instants d'échantillonnage n, n-l, et n-2. Le temps d'injection statique tisn auquel s'ajoute la correction dynamique Atidn introduit quant à lui une valeur estimée de la commande d'injection en régime permanent avec des corrections dues à certaines conditions de fonctionnement du moteur: correction de ralenti, de réattelage d'un compresseur d'air ou autre appareil auxiliaire, d'altitude, etc... D'autres corrections sont appliquées à la valeur de consigne de la richesse du mélange pour tenir compte d'autres conditions de fonctionnement du moteur: fonctionnement à pleine charge, à froid, en accélération ou en décélération, etc... Des corrections peuvent être appliquées aussi au gain statique du modèle de la réponse du moteur pour tenir compte de certains paramètres de fonctionnement du moteur, vitesse, pression d'admission, température de l'air, du liquide de refroidissement, etc... D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen de la figure unique qui représente un diagramme fonctionnel du procédé de régulation suivant l'invention. Par hypothèse, le procédé suivant l'invention ne peut faire appel à un signal représentatif de la richesse réelle du mélange air-carburant tel que celui délivré par une sonde à oxygène, couramment appelée "sonde ", placée dans les gaz d'échappement du moteur. Suivant la présente invention, on remplace la mesure de richesse que l'on peut obtenir à partir du signal délivré par une sonde à oxygène, par estimation de cette richesse, et substitution de cette estimation à la mesure de richesse normalement fournie par la sonde dans un procédé derégulation fonctionnant en boucle fermée, de manière à conserver les avantages que l'on tire d'un tel fonctionnement en matière de stabilité et de dynamique. Il s'agit là en fait d'une Npseudo-régulation" en boucle fermée puisque la mesure de richesse utilisée n'est pas une mesure physique mais seulement une estimation calculée & partir d'une modélisation du procédé, comme on le décrira en plus de détail dans la suite. Ainsi, en référence à la figure unique du dessin annexé, fait-on usage dans la présente invention d'un modèle [de référence représentatif de la relation dynamique entre la richesse du mélange et un temps (ou durée) d'ouverture d'un injecteur de carburant utilisé pour constituer le mélange air-carburant brûlé dans un moteur M & combustion interne, mélange dont la richesse est régulée par le procédé suivant l'invention. Si l'on désigne par: Rc, une richesse de consigne fixée pour le mélange air-carburant, R, la richesse instantanée du mélange, estimée à l'aide du modèle, il apparait sur le diagramme fonctionnel de la figure que l'écart de richesse estimé: e = Rc- R est échantillonné en E1 avec une période d'échantillonnage constante Te, traité dans un correcteur C qui délivre un signal représentatif de la correction dynamique du temps d'injection 6tid lui-même ajouté à un temps d'injection "statique" estimé tis, la somme ti étant échantillonnée en E2, en synchronisme avec l'échantillonnage El. Le signal ti est représentatif d'un temps d'injection résultant effectif, utilisé avec le modèle_ pour l'établissement de la richesse estimée R. Suivant une mise en oeuvre préférée de la présente invention le correcteur C utilisé est un correcteur numérique. La modélisation du moteur exige la détermination d'un modèle dynamiqueM(p) tel que: _K (p) = Gs.Md(p) (1) o Gs est le gain statique du modèle en régime stabilisé, Md(p) caractérise la dynamique de la réponse de la richesse R en fonction du signal de commande ti, p, l'opérateur de Laplace. En régime permanent on a: R = Gs.ti avec: ti K.R.R, o K est un coefficient caractéristique du moteur et des conditions de fonctionnement, R est la richesse souhaitée du mélange, fixée à R = 1 RF le coefficient de remplissage. On démontre que: Gs = l/K(N,Pr).g0(Pr) o N est la vitesse, ou régime, du moteur, Pr la pression au collecteur d'admission du moteur, go = a. [Pr + p0], ao et po des constantes. Des mesures réalisées sur le moteur au banc permettent d'établir une cartographie dans le système pression Pr/vitesse N, des valeurs du coefficient K. L'échantillonnage de l'expression (1) ci-dessus du modèle dynamique donne: Z[BoM(p)J - Gs.Md(Z) o Md(Z) est la transformée en Z du modèle dynamique, Bo la fonction "bloqueur d'ordre zéro" introduite par l'échantillonnage. Le modèle Md(Z) est alors un modèle récurrent qui permet d'estimer la richesse instantanée à l'instant d'échantillonnage n en fonction du temps d'injection effectif ti.: Rn = Gs(N,Pr). Md(Z).ti, ce qui donne l'écart de richesse échantillonné: e. Rc - R. GrAce au procédé suivant l'invention, il est possible de donner toute valeur choisie A la richesse de consigne. On pourra par exemple fixer: Rc - i pour un fonctionnement en dépollution, Rc > 1 en période d'accélération, Rc "pauvre", également A des fins de dépollution. Si un pot catalytique est associé au moteur pour traiter les gaz d'échappement, on sait qu'un bon fonctionnement de ce pot catalytique demande une oscillation de la richesse du mélange. A cette fin, suivant l'invention, on programme une variation périodique en fonction du temps de la richesse de consigne Rc, sous la forme d'un signal carré, par exemple, alternatif de part et d'autre de la valeur moyenne souhaitée. Si on note C(Z) la transformée en Z de la fonction de transfert du correcteur C utilisé dans la présente invention on a: t tid ' - C( Z).e. et le temps d'injection effectif, échantillonné, est donné par: A tin tis. +Atid. o tisn est le temps d'injection statique estimé qui introduit des corrections éventuelles telles que: - une correction de régime de ralenti, - une correction de couplage au moteur d'un compresseur d'air formant une partie d'un dispositif de climatisation alimenté en énergie mécanique par le moteur, - une correction d'altidude. Bien entendu, la dynamique en boucle fermée sera caractérisée par l'équation caractéristique du système: i + C(Z).Gs.Md(Z) O- 0 Des mesures sur banc de la richesse du mélange en fonction du temps d'injection permettent d'identifier le comportement dynamique du moteur. Si ces mesures font apparaitre une relation dynamique du ler ordre entre la richesse et le mélange, on choisit pour le correcteur C et le modèleM des fonctions de transfert du premier ordre. Ainsi, en choisissant: (p) -= Gs/(1 + T p) o I est une constante de temps, il vient: Md(Z) - (1-a)/(Z-a) avec a = e-T'/r On démontre qu'un tel choix fournit les lois de récurrence suivantes: R aRnl + Gs(1-a) ti, _ atid. = 6tid.. + ' (en - en l),avecen = Rc- R. o Y, 7 sont des fonctions de a, de Gs et de la dynamique souhaitée pour la régulation. Si les mesures sur banc font apparaitre un comportement dynamique du deuxième ordre, on choisit des fonctions de transfert du 2ème ordre pour le correcteur C et le modèle, soit pour Md(Z): Md(Z) = (a'Z + P')/(Z2 - 'Z + 68') ce qui donne pour la richesse estimée et le temps d'injection dynamique les relations récurrentes sui- vantes: R. ' '.R.1 - 6'R..2 + Gs(a'ti..l1 + P'ti._) atidn = attida. + Pttidn.2 + g0e, + gle.-. + g2eh-2, avec: en Rc - R. o a, P, go, g,, g2 sont des fonctions de a', À', ' 6' et de Gs(N,Pr), et de la dynamique souhaitée en boucle fermée. Afin d'intégrer les perturbations physiques agissant sur le système moteur réel et affectant le comportement statique et dynamique de celui-ci, et afin d'assurer une erreur statique nulle en régime permanent, on doit conserver un terme intégral 1/(Z -1) dans l'écriture de C(Z) ce qui implique: a + 1 Les signaux tis. et âtidn ainsi obtenus, qui constituent des composantes essentielles du temps total Ti de commande d'ouverture de l'injecteur doivent être combinés à diverses corrections visant à tenir compte de conditions particulières de fonctionnement du moteur ou même du vieillissement de celui-ci. En particulier le gain statique Gs - 1/K.g0 est sujet à une correction cartographique du facteur K en fonction de N et de Pr, comme on l'a vu cidessus. Cette correction est du type "rapide" c'est-à-dire susceptible d'évoluer à chaque cycle de calcul, soit à chaque instant d'échantillonnage. Une correction de vieillissement d'injecteur peut aussi être introduite par addition d'un terme 6K au facteur K dont la valeur estimée devient alors: K - K(N, Pr) + 6K Cette correction de vieillissement est évidemment du type "lent". De même le terme go ' ao(Pr + p0) de Gs peut subir une correction altimétrique "lente" 6Paît et une correction auto-adaptative "lente" sur des valeurs estimées a0 et p0 de a0 et de p0. On utilise alors la valeur corrigée: A go ao (Pr + Po + 6p. t) Enfin des corrections de température d'air Cair et de température du liquide de refroidissement Ceau peuvent être appliquées au gain statique dont la valeur estimée et corrigée devient alors: A A Gs = 1/K.g0.Ceau.Cair Par ailleurs diverses corrections peuvent être introduites par une action sur la valeur de consigne de richesse Rc, notamment: - une correction de pleine charge, - une correction de richesse au démarrage à froid, - une correction de régime transitoire (accélération/décélération). Une correction, en cas de couplage au moteur d'un compresseur d'air par exemple, peut également être introduite en agissant sur la richesse, outre celle mentionnée plus haut introduite en agissant sur la durée d'ouverture de l'injecteur. Toutes ces corrections sont du type "rapide".. La durée totale d'ouverture de l'injecteur peut comprendre encore un terme to, correction d'"offset" représentative d'un temps mort de la commande d'injecteur et un terme 8tbat représentatif d'une variation de la tension électrique d'alimentation de l'injecteur, tension fournie par la batterie du véhicule. Ainsi avec le procédé suivant l'invention, qui établit une régulation du type boucle fermée sans utilisation d'un signal de richesse fourni par une sonde à oxygène, la durée totale Ti du signal de commande d'ouverture de l'injecteur s'exprime par la relation: Ti = ti + to + tb t avec: ti = tis + Atid et: Ltid = C(Z) (Rc- R) Ce proc'dé, qui est mis en oeuvre A l'aide d'une loi de commande récurrente, est plus particulièrement destiné à se substituer au procédé de régulation décrit à la demande de brevet précitée en cas de panne de la sonde à oxygène utilisée, ce dernier procédé étant lui-même également mis en oeuvre à l'aide d'une loi de commande récurrente gouvernant une correction dynamique additive échantillonnée Ltid, qui s'ajoute à un temps d'injection statique estimé pour établir un temps d'injection résultant effectif ti. Si la panne est temporaire, la régulation par le procédé suivant la présente invention est abandonnée dès le retour de la sonde à son fonctionnement normal et le procédé de régulation de la demande de brevet précité reprend le contrôle de la régulation de richesse du mélange air-carburant. Bien entendu le procédé de régulation suivant l'invention pourrait être utilisé de manière indépendante ou être associé, en cas de panne d'une sonde à oxygène, à un procédé de régulation autre que celui décrit à la demande de brevet précitée. Le procédé suivant l'invention est cependant très complémentaire de ce dernier procédé en ce qu'ils mettent tous deux en oeuvre des lois de commande récurrentes pouvant être exécutées par des moyens; de calcul du même type. Ainsi, grâce au procédé de régulation suivant l'invention, peut-on éviter une panne complète de la régulation de richesse de mélange d'un moteur à combustion interne en cas de défaillance d'une sonde à oxygène, en simulant la présence de cette sonde. Le procédé suivant l'invention présente aussi l'avantage de permettre un contrôle continu de la richesse, depuis des valeurs inférieures à celle correspondant à la stoechiométrie jusqu'à des valeurs supérieures à cette dernière. La loi de commande récurrente utilisée est conçue de maI.ière à maintenir la dynamique et la stabilité de la régulation malgré la présence de perturbations. Les corrections appliquées peuvent être réparties par type (lent, rapide, constant) et donc n'être effectuées qu'en temps utile d'o une uoTsuSauT a;uessad el ap aapeo np zjTzos sues '=nasom SI al ns saIqTsssooae sanbTsAqd sainseu ap uosreuTqmoo aezne alno; ea Tadde zuesTe; ama:4sAs ez;ne un suep no Jnezow asseTA/sTupe aTe,p 4Tqp 8wurSAs aT suep aIdumrx ed 'snssep-To;%Toqp ana;om essse; TA/uoTssTmpe,p uoTsseazd amawQsss aT enb sea=ni seu9zsXs sep suep senbFtdebo%.xeo O0 suOTZaos-Oo sep zsFTTTn ealnod uo 'npusasue ues * anaZo0w np uo4sTd un,p ineq $=zom:uiod ne abessed ap uue$su-,T u aueoiTîlueqo9 un DueeanbTsseTio TsToqo uo,nbsaoT seo ea sed zsa,u Tnb ao 'anazow np am g6i ap SUOzeTavA xne S eTqTsuasuT apumumOD ap TOT eT aapuaa 9p amIeud uo;usBAuT,I %ueAçns apaood ea suep Ts-oqo e3 apo-ragd ap zue4suoo sed e sebuuoTTiugoU9,IT anb azooua ueaou uo suoT0oa=zoo s9s ap Tlnoieo p sdmwa ae suep asmouoD9 7T REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la richesse d'un mélange air-carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne, du type boucle fermée, par commande du temps d'ouverture d'un injecteur de carburant, ce temps d'ouverture étant- constitué par au moins la somme d'un temps d'injection statique et d'une correction dynamique du temps d'injection, procédé caractérisé en ce que, pour former un signal représentatif de cette correction, on réalise une estimation de la richesse instantanée du mélange à l'aide d'un modèle de la réponse du moteur à un signal représentatif de ce temps d'ouverture, on échantillonne l'écart de cette richesse. une richesse de consigne, on traite l'écart échantillonné dans un correcteur à sortie échantillonnée en synchronisme avec l'échantillonnage de l'écart de richesse pour former un signal a tid représentatif de la correction dynamique du temps d'injection, la mesure échantillonnée ttid, de ce signal à l'instant d'échantillonnage n, prenant la forme d'une combinaison linéaire d'au moins une des valeurs tid..k des corrections dynamiques effectuées aux instants d'échantillonnage immédiatement antérieurs et des écarts de richesse estimés en.k mesurés A l'instant courant et à au moins un instant d'échantillonnage immédiatement antérieur. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure àtid, du signal échantillonné représentatif de la correction dynamique du temps d'injection est de la forme: àtid. - Atid..l + Y(en e..) o ' et t sont des constantes ajustées en fonction de la dynamique souhaitée pour la régulation, en et ené., les mesures des écarts de richesse estimés aux instants d'échantillonnage n et n-l. 3. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure &tid. du signal échantillonné représentatif de la correction dynamique du temps d'injection est de la forme: A A,A'- Ltid. - attid._ 1 + PTtid._ 2 + go e. + gle- + 2e. - o a, P, go, g1, g2 sont des constantes ajustées en fonction de la dynamique souhaitée pour la régulation, en, e. l, en a sont les mesures des écarts de richesse estimés aux instants d'échantillonnage n, n-l, et n-2. 4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les coefficients a et p satisfont à la relation: a +p= 5. Procédé conforme & l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute ledit signal représentatif de la correction dynamique du temps d'injection Ltid, à un temps d'injection statique tis représentatif de la commande d'injection statique estimée en régime permanent et d'au moins une correction du groupe: correction de ralenti, correction de couplage au moteur, correction d'altitude, pour former un signal de commande du temps d'ouverture de l'injecteur. 6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'on ajoute aux signaux représentatifs du temps d'injection statique et de la correction dynamique, un signal 8tbat pour corriger des variations de la tension d'alimentation d'un injecteur à commande électrique, pour former un signal de commande du temps d'ouverture de l'injecteur. 7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'on ajoute à la somme des signaux tis, Itid et ôtb.t, une correction d'offset (to) constante caractéristique du temps de réponse de l'injecteur pour former un signal de commande du temps d'ouverture de l'injecteur. 8. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le modèle de la réponse du moteur à un temps d'ouverture commandé de l'injecteur comprend une composante constituée par un gain statique de la forme Gs l/K.go, K étant un facteur qui subit une correction cartographique dans le système pression d'admission Pr/vitesse N du moteur, go = a (Pr +p0) o ao et p0 sont des constantes. 9. Procédé conforme & la revendication 8, caractérisé en ce qu'on corrige le facteur K par une correction additive 6K tenant compte du vieillissement des injecteurs. 10. Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'on applique une correction altimétrique additive 6p.I t au terme (pr + po) de g0. 11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on applique une correction auto- adaptative aux coefficients co et p0 de go. 12. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'on applique une correction de température d'air et une correction de température d'eau au gain statique Gs. 13. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on échantillonne l'écart de richesse et le signal de sortie du correcteur avec un pas constant Te indépendant de la vitesse de rotation du moteur. 14. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par la détection d'une défaillance d'une sonde à oxygène placée dans les gaz d'échappement du moteur et formant partie d'un dispositif de régulation en boucle fermée de ce moteur. 15. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on corrige la richesse de consigne en fonction de conditions de fonctionnement prédéterminées du moteur. 16. Procédé conforme à la revendication 15, appliqué à un moteur associé à un pot catalytiqge assurant la dépollution des gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'on commande la valeur de la richesse de consigne suivant une loi périodique en fonction du temps, alternative de part et d'autre de la valeur moyenne de consigne, pour assurer un bon fonctionnement du pot catalytique.