Brevet FR2695963A1 — publié le 19940325

SYSTEME DE COMMANDE DU MELANGE AIR/CARBURANT POUR DES MOTEURS DE PETITE TAILLE La présente invention se rapporte à des moteurs de petite taille et à des systèmes destinés à contrôler les émissions de ces moteurs. Différents procédés sont utilisés pour contrôler l'émission de constituants d'échappement de moteur gênants tels que des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures Un procédé utilise un capteur d'oxygène dans l'échappement du moteur afin de mesurer le niveau d'oxygène et développer un signal de commande qui actionne une soupape qui agit sur le rapport air/carburant dans le moteur Si le mélange air/carburant est trop riche, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures en excès sont émis et l'oxygène de l'échappement est trop bas D'autre part, si le mélange air/carburant est trop pauvre, la puissance du moteur est réduite. De nombreux systèmes ont été développés afin de commander le rapport air/carburant comme une fonction des gaz d'échappement La plupart ont été développés pour une utilisation dans des moteurs d'automobile qui ont des calculateurs embarqués qui commandent différentes fonctions De manière typique, le signal analogique produit par le capteur d'oxygène est numérisé et entré dans le calculateur Le calculateur réalise plusieurs calculs et délivre un signal de commande numérique qui est converti en une forme analogique et appliqué sur un moteur qui commande un carburateur ou un injecteur de carburant. Bien que de nombreux systèmes très sophistiqués aient été développés pour l'automobile, il n'y en a pas qui soient adaptés à une utilisation dans des moteurs de petite taille Il est à noter que le coût initial d'un moteur d'automobile et de l'entretien de celui-ci est très nettement différent de celui d'un moteur de tondeuse à gazon Pour des raisons économiques, il n'est pas possible d'utiliser des calculateurs numériques et les circuits de support associés dans des moteurs de petite taille Des circuits purement analogiques ont par conséquent été utilisés dans des moteurs de petite taille et du fait de contraintes de coût et de la sensibilité des solutions analogiques à la température et au vieillissement, ces circuits analogiques sont très limités sur le plan de la capacité. Le but de l'invention est de procurer un système de contrôle des émissions fiable et d'un faible coût pour un moteur de petite taille. La présente invention procure un système destiné à commander le mélange air/carburant d'un moteur à combustion interne qui comprend un capteur d'oxygène monté dans le moteur afin de détecter le niveau d'un gaz d'échappement et produire un signal analogique indicatif de ce niveau; des moyens destinés à produire un signal de niveau de référence indicatif du niveau souhaité dudit gaz d'échappement; un comparateur relié de façon à recevoir le signal de gaz d'échappement analogique et le signal de niveau de référence et pouvant fonctionner de façon à produire une première sortie de niveau logique si le signal de gaz d'échappement analogique dépasse le signal de niveau de référence et produire une deuxième sortie de niveau logique si le signal de gaz d'échappement analogique est inférieur au signal de niveau de référence; une horloge destinée à produire des impulsions d'horloge; une bascule reliée au comparateur et à l'horloge et qui peut fonctionner de façon à stocker l'état de la sortie de comparateur chaque fois qu'une impulsion d'horloge est reçue et de façon à produire un signal de sens correspondant au niveau d'une sortie; un moteur pas-à- pas monté dans le moteur afin de commander le mélange air/carburant; et une commande de moteur pas-à-pas reliée à l'horloge et à la bascule et qui peut fonctionner afin d'avancer le moteur pas-à-pas d'un pas pour chaque impulsion d'horloge reçue dans la direction indiquée par l'état de la bascule. La présente invention est un système destiné à commander le mélange air/carburant d'un moteur à combustion interne avec un moteur pas-à-pas et en fonction des gaz d'échappement détectés Elle est particulièrement adaptée à des moteurs de petite taille du fait de son faible coût et de sa facilité d'entretien Le moteur pas-à-pas peut être relié de façon à commander une soupape dans un carburateur ou un injecteur de carburant et il modifie le mélange air/carburant d'une valeur discrète à chaque impulsion d'horloge Le moteur pas-à-pas avance jusqu'à ce que la quantité correcte de gaz soit détectée dans l'échappement, et il oscille ensuite en arrière et en avant autour du réglage souhaité pendant un fonctionnement stable. Dans la forme de réalisation préférée, il est prévu un détecteur de panne peu couteux qui indique si le système de contrôle des émissions fonctionne correctement Le détecteur de panne comprend des seconds moyens comparateurs qui reçoivent le signal analogique et produisent un premier signal de niveau logique si le signal analogique est à l'intérieur d'une plage prédéterminée et produit un deuxième signal de niveau logique si il est à l'extérieur de la plage prédéterminée, et un temporisateur de surveillance relié au deuxième comparateur et qui est capable de produire un signal d'indication de panne si le deuxième signal de niveau logique est produit pendant plus d'un intervalle de temps prédéterminé Le signal d'indication de panne peut allumer une lampe afin d'indiquer à l'opérateur que le moteur fonctionne avec un mélange trop riche ou trop pauvre et il peut être utilisé pour arrêter automatiquement le moteur. Les caractéristiques et avantages ci-dessus, ainsi que d'autres, de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante Dans la description, il est fait référence aux dessins annexés dans lesquels est représentée à titre d'illustration une forme de réalisation préférée de l'invention. Dans les dessins: La figure 1 est un schéma du système de contrôle des émissions préféré qui incorpore la présente invention; et La figure 2 est un schéma du circuit de détection de panne qui constitue une partie du système de la figure 1. La système de contrôle des émissions est représenté sur la figure 1 et comprend un capteur d'oxygène 10 qui est monté sur le collecteur d'échappement 8 d'un moteur de petite taille 9, et qui produit un signal analogique au borne d'une résistance de référence 11 Le signal analogique indique la quantité d'oxygène dans l'échappement d'un moteur à combustion interne 9, qui reçoit un mélange air/carburant au moyen d'une soupape 7 Un capteur tel que celui vendu sous la référence 25106073 par AC Spark Plug Division de General Motors, peut être utilisé dans ce but et il produit une tension allant de O à 1000 millivolts qui est appliquée sur un circuit tampon 12. Une tension de sortie basse indique un fonctionnement pauvre (davantage de carburant est nécessaire), et une tension élevée indique un fonctionnement du moteur riche (moins de carburant est nécessaire) Lors de la mise en route du moteur, quand le capteur d'oxygène 10 est inactif, la résistance 11 force l'entrée au niveau bas afin de simuler un fonctionnement pauvre Par conséquent, du carburant supplémentaire est ajouté afin de procurer une bonne capacité de démarrage Le signal de sortie du tampon est appliqué sur un filtre passe- bas formé autour de l'amplificateur opérationnel 13 et ayant une fréquence de coupure qui est suffisamment élevée pour ne pas affecter la réponse en fréquence du capteur d'oxygène 10 Celui-ci filtre toute composante de bruit à haute fréquence avant l'amplification du signal d'oxygène par un amplificateur opérationnel 14. Des résistances 15 sont reliées d'une manière bien connue à l'amplificateur 14 et sont choisies de façon à procurer un gain correct. Le signal d'oxygène filtré et amplifié fait l'objet d'une moyenne Celleci est réalisée par la résistance 16 et le condensateur 17 La résistance a une valeur de 330 kohms et le condensateur a une valeur de 347 microfarads Ils forment ensemble un circuit R-C qui délivre en 18 un signal de niveau d'oxygène qui représente la moyenne du niveau indiqué par le capteur d'oxygène 10. Ce signal de niveau d'oxygène 18 indique comment le moteur tourne Lorsqu'il est bas, le moteur fonctionne avec un régime riche et les émissions de monoxyde de carbone (CO) sont élevées D'autre part, lorsque ce signal est haut, le moteur fonctionne avec un régime pauvre et peut perdre de la puissance La présente invention commande la quantité d'admission de carburant 6 en actionnant la soupape 7 La soupape 7 peut faire partie d'un carburateur ou d'un injecteur de carburant ou d'une combinaison des deux. L'entrée de mélange air/carburant dans le moteur est commandée en comparant le signal de niveau d'oxygène 18 à un signal de niveau de référence appliqué sur l'entrée 19 Le signal de niveau de référence est une tension continue qui peut être réglée afin de faire fonctionner le moteur avec différents rapports air/carburant, allant de 0,2 % à 0,8 % d'émission de C O Cette valeur de consigne est ajustée afin d'optimiser les performances du moteur et du catalyseur Le signal de niveau d'oxygène 18 et le signal de niveau de référence 19 sont appliqués sur les entrées d'un comparateur 20 La sortie du comparateur oscille entre une tension logique basse indiquant que le niveau d'oxygène est en dessous du niveau de référence et une tension logique haute indiquant que le niveau d'oxygène est au-dessus du niveau de référence. Ce signal de niveau logique est appliqué sur l'entrée D d'une bascule 21 afin de commander la direction d'un moteur pas-à-pas 22 qui commande à son tour le mélange air/carburant Une horloge 23 délivre des impulsions à une fréquence de 60 Hz au niveau d'une sortie 24 afin de cadencer la bascule 21 (entrée C) La bascule 21 passe ainsi dans un état indiqué par le comparateur 20 et sa sortie Q est appliquée sur l'entrée de direction DIR d'une commande de moteur pas- à-pas 25 Cette commande de moteur pas-à-pas 25 est un circuit intégré disponible dans le commerce qui reçoit également sur une entrée CLK des impulsions à 30 Hz provenant de l'horloge 23 Elle produit des signaux pour un circuit de commande de moteur pas-à-pas 26 qui amène le moteur pas-à-pas 22 à avancer d'un pas pour chaque impulsion d'horloge de 30 Hz dans la direction indiquée par l'état de la bascule 21 Les circuits 25 et 26 utilisés dans la forme de réalisation préférée sont disponibles auprès de SGS-Thomson Microelectronics sous les références L 297 (circuit de commande de moteur pas-à-pas) et L 293 (circuit de commande à quatre canaux push-pull) respectivement. Si le niveau d'oxygène mesuré dans l'échappement du moteur tombe en dessous du niveau de référence 19, le moteur pas-à-pas 22 est avancé de plusieurs pas afin de réduire la quantité de carburant dans le mélange air/carburant admis dans le moteur. D'autre part, si le niveau d'oxygène mesuré augmente au-delà du niveau de référence 19, l'état de la bascule 21 est modifié et le moteur pas-à- pas 22 est entraîné en rotation dans la direction opposée afin d'augmenter l'admission de carburant Dans des conditions stables, le moteur pas-à-pas 22 oscille en avant et en arrière autour du réglage qui donne la quantité souhaitée d'oxygène dans l'échappement du moteur Pour une description plus détaillée du moteur pas-à-pas 22 et de la manière selon laquelle il est physiquement monté afin de commander une soupape de moteur, il est possible de se référer au brevet U S numéro 5 033 433 au nom du présent demandeur. Si l'on se réfère toujours à la figure 1, du fait que le niveau d'émission du moteur est commandé par le moteur pas-à-pas 22, il est important que le système fonctionne correctement en permanence lorsque le moteur tourne Afin de s'assurer que le système fonctionne correctement, un circuit détecteur de panne contrôle le signal de niveau d'oxygène mesuré 18. Lorsqu'un dysfonctionnement est détecté, le circuit détecteur de panne 30 délivre un signal indicatif de panne au niveau d'une sortie 31 Ce signal allume une lampe d'indication de panne 32 et il déclenche un triac 33 qui met à la masse le fil d'allumage du moteur 34. Comme cela est décrit plus en détail ci-après, lorsqu'une panne est indiquée, le moteur est arrêté pendant une période minimum de 20 à 25 secondes et la lampe 32 est allumée pendant cette période afin d'indiquer à l'opérateur la raison pour laquelle le moteur est arrêté. Si l'on se réfère plus particulièrement à la figure 2, le circuit détecteur de panne 30 comprend une paire de circuits comparateurs 40 et 41 qui sont raccordés de façon à recevoir le signal de niveau d'oxygène 18 Le comparateur 40 reçoit également le signal de niveau de référence 19 et sa sortie est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 42 à la base d'un transistor 43 Un signal de référence de niveau d'oxygène haut est produit en 44 et est appliqué sur la deuxième entrée du circuit comparateur 41 La sortie du circuit comparateur 41 est également reliée à la base du transistor 43 par l'intermédiaire d'une deuxième résistance de couplage 45, et un condensateur 46 relie la base du transistor à la masse du circuit. Le collecteur du transistor 43 est forcé à une tension logique haute par une résistance 47, et le collecteur est relié à l'entrée de réinitialisation RST d'un compteur binaire à 12 bits 48. Tant que le signal de niveau d'oxygène 18 mesuré reste au-dessus du signal de niveau de référence 19 et en dessous du signal de niveau d'oxygène haut 44, le transistor 43 reste bloqué et l'entrée de réinitialisation du compteur 48 reste à une tension logique haute Il est résulte que le compteur 48 est continuellement remis à O et qu'il n'accumule pas de compte en dépit de l'application des impulsions d'horloge de 30 Hz sur son entrée CLK Toutefois, si le signal de niveau d'oxygène 18 mesuré reste à l'extérieur de la plage établie par les signaux de référence 19 et 44, le transistor 43 est rendu passant et la borne de réinitialisation du compteur est forcée à un tension logique basse Il en résulte que le compteur binaire commence à accumuler des comptes à la fréquence d'horloge de 30 Hz Si cette condition se poursuit pendant 60 secondes, une tension logique haute est produite au niveau de la sortie numérique de poids fort du compteur 48 afin d'indiquer une panne Ce signal est appliqué par l'intermédiaire du tampon 49 afin de charger un condensateur 50 en passant par une diode 51 Le condensateur 50 conserve une charge pendant 20 à 25 secondes, suffisamment pour produire une tension à une entrée d'un comparateur 52 qui dépasse une tension de référence appliquée sur l'autre entrée 53 du comparateur Il en résulte que, lorsque le compteur 48 indique une panne, la sortie 31 du comparateur 52 est amenée à une tension logique haute indiquant une panne pendant une période de 20 à 25 secondes Cet intervalle de temps est prédéterminé par les valeurs du condensateur 50 et d'une résistance de division de tension 54. Le système de contrôle des émissions de la forme de réalisation préférée maintient le niveau d'oxygène dans l'échappement au niveau de référence dans des conditions de fonctionnement normal Si le système de contrôle tombe en panne, le capteur d'oxygène 10 indique un niveau d'oxygène en dehors de la plage déterminée par les tensions de référence 19 et 44 Si cette condition se poursuit pendant plus d'une minute, le compteur 48 "dépasse" et le signal indicatif de panne est produit au niveau de la sortie 31 afin d'arrêter le moteur et d'allumer la lampe 32. Il est à noter par les gens du métier que de nombreuses variantes sont possibles à partir de la forme de réalisation préférée de l'invention et sans sortir de l'esprit de l'invention Les intervalles de temps prédéterminés et la plage de fonctionnement normale varient considérablement en fonction de la taille du moteur et de son application De nombreux capteurs de gaz d'échappement sont disponibles dans le commerce et leurs caractéristiques déterminent les5 gains d'amplificateur et les fréquences de filtre particulier requis. il REVENDICATIONS 1 Système destiné à commander le mélange air/carburant d'un moteur à combustion interne ( 9), caractérisé par un capteur ( 10) monté dans le moteur ( 9) afin de détecter le niveau d'un gaz d'échappement et produire un signal analogique indicatif de ce niveau; des moyens ( 19) destinés à produire un signal de niveau de référence indicatif du niveau souhaité dudit gaz d'échappement; un comparateur ( 20) relié de façon à recevoir le signal de gaz d'échappement analogique et le signal de niveau de référence et pouvant fonctionner de façon à produire une première sortie de niveau logique si le signal de gaz d'échappement analogique dépasse le signal de niveau de référence et produire une deuxième sortie de niveau logique si le signal de gaz d'échappement analogique est inférieur au signal de niveau de référence; une horloge ( 23) destinée à produire des impulsions d'horloge; une bascule ( 21) reliée au comparateur ( 20) et à l'horloge ( 23) et qui peut fonctionner de façon à stocker l'état de la sortie de comparateur chaque fois qu'une impulsion d'horloge est reçue et de façon à produire un signal de direction correspondant au niveau d'une sortie; un moteur pas-à-pas ( 22) monté dans le moteur ( 9) afin de commander le mélange air/carburant; et une commande de moteur pas-à-pas ( 25) reliée à l'horloge ( 23) et à la bascule ( 21) et qui peut fonctionner afin d'avancer le moteur pas-à-pas ( 22) d'un pas pour chaque impulsion d'horloge reçue dans la direction indiquée par l'état de la bascule. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé par un circuit de moyenne ( 17, 18) disposé entre le capteur ( 10) et le comparateur ( 20). 3 Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz mesuré est l'oxygène. 4 Système selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par un détecteur de panne ( 30) relié de façon à recevoir le signal de gaz d'échappement analogique et qui peut fonctionner afin d'indiquer une panne si ce signal reste en dehors d'une plage de valeur prédéterminée pendant un intervalle de temps prédéterminé. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le détecteur de panne ( 30) comprend des moyens destinés à arrêter le moteur pendant un intervalle d'arrêt lorsqu'une panne est indiquée. 6 Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le détecteur de panne ( 30) comprend des moyens comparateurs ( 40, 41) destinés à recevoir le signal de gaz d'échappement analogique et à produire un signal de niveau logique qui indique si le niveau est à l'intérieur ou à l'extérieur de ladite plage prédéterminée; et un compteur ( 48) relié à l'horloge ( 23) et aux moyens comparateurs ( 40, 41) et qui peut fonctionner afin de générer un signal indicatif de panne si le signal de niveau logique indique que le signal de gaz d'échappement analogique est à l'extérieur de ladite plage prédéterminée pendant plus longtemps que ledit intervalle de temps prédéterminé. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plage prédéterminée est établie par ledit signal de niveau de référence et un signal de référence de niveau d'oxygène haut produit par lesdits moyens destinés à produire un signal de référence. 8 Système selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le détecteur de panne ( 30) comprend des moyens ( 32) destinés à indiquer visuellement un état de panne.