Brevet FR2733796A1 — publié le 19961108

Procédé de paramétrage d'un régulateur lambda linéaire pour un moteur à combustion interne L'invention concerne un procédé de paramétrage d'un régulateur lambda linéaire pour un moteur à combustion interne, comportant une sonde lambda dont le signal de sortie est une fonction au moins partiellement linéaire de la teneur en oxygène du gaz d'échappement du moteur à combustion interne. La régulation lambda représente aujourd'hui, en liaison avec le catalyseur à trois voies, le procédé le plus efficace d'épuration de gaz d'échappement pour des o0 moteurs à combustion interne. Un détecteur d'oxygène, désigné normalement comme sonde lambda, monté dans le tuyau d'échappement en amont du catalyseur, y fournit un signal qui dépend de la teneur en oxygène du gaz d'échappement et qui est traité ultérieurement par le régulateur lambda de manière à permettre, au moyen d'un dispositif de dosage comme des soupapes d'injection ou des carburateurs, une combustion presque totale (X = 1,00) du mélange air-carburant envoyé aux cylindres du moteur à combustion interne. On utilise comme sondes lambda ce que l'on appelle des sondes à sauts dont le signal de sortie varie brusquement aussi bien lors du passage d'un état riche à un état pauvre du gaz d'échappement que lors du passage d'un état pauvre à un état riche du gaz d'échappement. Des sondes lambda de ce genre, à base d'oxyde de zirconium ou d'oxyde de titane, ont des temps de réponse d'environ 100 ms et détectent par conséquent la teneur en oxygène de tout le gaz d'échappement qui se compose des paquets de gaz d'échappement des cylindres individuels du moteur à combustion interne. On y utilise habituellement pour la régulation lambda un algorithme de régulation PI par plus ou moins. La sélection de paramètres optimum de régulation pour obtenir un cycle limite d'amplitude et 2 2733796 de fréquence déterminées s'effectue par une application au banc d'essai des moteurs qui prend beaucoup de temps. Afin de réguler le mélange dans un moteur à combustion interne, il est connu de prévoir un détecteur d'oxygène dont le signal de sortie est une fonction linéaire du coefficient X d'air et qui a de plus un temps de réponse court. (SAE Paper 940149 "Automatic Control of Cylinder by Cylinder Air-Fuel Mixture Using a Proportional Exhaust Gaz Sensor" et SAE Paper 940376 "Individual Air Fuel Ratio Feedback Control Using an Observer"). Des sondes lambda de ce genre sont constituées par exemple à base de io titanate de strontium (SrTiO3) en technologie des couches minces (Rapports VDI 939, D sseldorf 1992, 'Vergleich der Ansprechgeschwindigkeit von KFZ Abgassensoren zur schnellen Lambamessung auf der Grundlage von ausgewahlten Metalloxidd nnfilmen"). L'utilisation de sondes lambda linéaires entraîne le passage de la régulation lambda par plus ou moins à la régulation lambda linéaire. Si l'on choisit un algorithme de régulation PID (proportionnel, intégral, différentiel) comme régulateur lambda linéaire, le nombre des paramètres est si grand que leur optimisation n'est plus possible en un temps acceptable. La présente invention vise un procédé de paramétrage d'un régulateur lambda linéaire par lequel le nombre des grandeurs à appliquer peut être réduit pour un réglage optimal. On y parvient par le fait que la fonction de transfert du système réglé lambda est représentée par le montage en série de deux éléments de retardement de premier ordre et par un élément de temps mort dans le circuit de régulation lambda, - le premier élément de retardement ayant le comportement de réponse de la sonde lambda, - le deuxième élément de retardement formant la moyenne mobile des valeurs de mesure lambda. Afin de réguler la valeur moyenne du coefficient d'air, on utilise un régulateur proportionnel, intégral, différentiel (PID). On peut obtenir une précision suffisante du système réglé en le complétant par un élément de temps mort et deux éléments de retardement de premier ordre. A l'aide du modèle réglé, on peut concevoir une structure de régulateur dont les paramètres dépendent du temps mort du circuit de régulation lambda, des constantes de temps des éléments de retardement et du régime. Comme ces grandeurs de système sont simples à déterminer par des mesures, la complexité de l'application du régulateur lambda peut être sensiblement réduite. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, on utilise comme régulateur lambda un régulateur proportionnel, intégral, différentiel (PID) dont les composantes de régulation P, 1, D sont déterminées par TA KP = (TSONDE + T_GMW+) K KI = TA K KD= (TSONDE T_GMW -) K TA avec T_SONDE constante de temps pour le comportement de réponse de la sonde lambda T_GMW constante de temps pour la formation de la moyenne mobile T-TOTZ temps mort dans le circuit de régulation lambda TA durée d'échantillonnage K facteur (comme fonction du temps mort) Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, on utilise comme régulateur lambda un régulateur proportionnel, intégral (PI) dont les composantes de régulation P, I sont calculées en fonction d'une valeur moyenne lambda et d'une valeur de consigne. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la composante de régulation proportionnelle est déterminée par LAM_P(n) = LAM_KPI_FAK(n) * P_FAK_LAM * (T_LS + TA) * LAM- DIF(n) et la composante de régulation intégrale par LAMI (n) = LAM_I(n-1) + LAM_KPI_FAK(n) * IFAK_LAM 2 I TN * LAM_DIF(n) avec LAM_KPI_FAK = facteur de gain de régulation P_FAK_LAM = constante applicable _. I_FAK_LAM = constante applicable 4 2733796 T_LS = constante de temps applicable [sec] TA = durée de segment [sec] n = numéro de la valeur de mesure LAM_DIF(n) = écart de régulation Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, - le signal du détecteur est échantillonné plusieurs fois par cycle de fonctionnement du moteur à combustion interne, - à chaque valeur du signal du détecteur, la valeur réelle lambda associée est déterminée à l'aide d'une courbe caractéristique, - il est formé une valeur moyenne lambda à partir de ces valeurs et - on utilise la différence entre une valeur de consigne lambda, donnée à l'avance en fonction de la charge du moteur à combustion interne, et la valeur moyenne lambda comme grandeurs d'entrée du régulateur lambda. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, le facteur de gain de régulation est choisi en fonction d'un temps mort qui est déterminé par la durée de pré-stockage de carburant, la durée de cycle d'admission, de compression, de travail et d'expulsion, ainsi que par la durée de passage du gaz au détecteur d'oxygène associé et déduit en fonction de la charge et du régime d'un ensemble de courbes caractéristiques. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la valeur de la grandeur de sortie du régulateur et de la composante de régulation intégrale du régulateur lambda est limitée à plus ou moins 25 % d'un signal d'injection de base. Un exemple de réalisation de l'invention est explicité plus en détail dans ce qui suit, en se référant aux dessins schématiques. Aux dessins: la figure 1 est un synoptique modulaire d'un dispositif de régulation lambda pour un moteur à combustion interne, la figure 2 illustre le rapport existant entre le signal de sonde et le coefficient d'air d'une sonde lambda linéaire, la figure 3 est un synoptique modulaire de la structure du régulateur. Dans le synoptique modulaire représenté de manière simplifiée à la figure 1, il n'est dessiné que les pièces qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention. Le signe 10 de référence désigne un moteur BKM à combustion interne comportant une tubulure 11 d'aspiration et une tubulure 12 de gaz d'échappement. Un appareil 13 de mesure de masse d'air, monté dans la tubulure 11 d'aspiration, 2733796 mesure la masse d'air aspirée par le moteur 10 à combustion interne et fournit un signal LM correspondant à un dispositif 14 de commande électronique. L'appareil 13 de mesure de masse d'air peut y être réalisé sous la forme d'un appareil de mesure de masse d'air à fil chauffant ou à pellicule chauffante. Il est inséré dans la tubulure 12 de gaz d'échappement, en amont d'un catalyseur 15 à trois voie, servant à convertir les constituants HC, CP et NOx contenus dans le gaz d'échappement du moteur 10 à combustion interne, une sonde 16 lambda linéaire qui fournit, en fonction de la teneur résiduelle en oxygène du gaz d'échappement, un signal ULS de sortie qui est envoyé à un io dispositif 17 de régulation lambda pour être exploité et transformé. Le dispositif 17 de régulation lambda est de préférence intégré au dispositif 14 de commande électronique du moteur 10 à combustion interne. Des dispositifs de commande électroniques de ce genre pour des moteurs à combustion interne, qui, en plus de l'injection de carburant et de la régulation d'allumage, assurent encore un grand nombre de tâches lors de la commande du moteur à combustion interne, sont connus en soi, si bien que l'on n'entrera dans ce qui suit que dans les détails de la structure qui est en rapport avec la présente invention et de son mode d'action. Un élément central du dispositif 14 de commande électronique est un micro- ordinateur qui commande les fonctions nécessaires suivant un programme fixé. Pour ce que l'on appelle une commande guidée par masse d'air du moteur à combustion interne, il est calculé, à l'aide des signaux LM, N, fournis par les détecteurs (appareil 13 de mesure de masse d'air et détecteur 18 de régime) et mis à disposition dans des circuits correspondants, une durée TIl_B d'injection de base, et cette durée est corrigée à l'aide du dispositif de régulation lambda et en fonction d'autres paramètres de fonctionnement, par exemple de la pression et de la température de l'air aspiré, de la température de l'agent de refroidissement etc. Les signaux nécessaires à cet effet sont indiqués en tirets à la figure 1 comme grandeurs d'entrée du dispositif 14 de commande électronique. En utilisant la régulation lambda, il est réglé, en dehors d'états déterminés de fonctionnement de la sonde du moteur à combustion interne qui nécessitent une composition riche ou pauvre du mélange, un mélange air-carburant qui correspond au rapport stoechiométrique (X = 1). Le carburant KST est dosé à l'aide d'une ou de plusieurs soupapes 19 d'injection de l'air aspiré. La figure 2 représente le signal ULS de sortie d'une sonde lambda linéaire en fonction du coefficient k d'air. Dans un intervalle étroit de 0,97 LAMIST lambda réelle. On utilise comme régulateur lambda un régulateur proportionnel, intégral, différentiel (PID). La fonction de transfert du système réglé lambda peut être obtenue par le io montage en série de deux éléments de retardement de premier ordre et par un élément de temps mort. Un élément de retardement de premier ordre résulte du comportement de réponse de la sonde lambda qui est décrit par une constante T_SONDE de temps. L'autre élément de retardement de premier ordre est obtenu par la formation i5 de la moyenne mobile des valeurs de mesure lambda dont le comportement dans le temps est décrit par la constante T_GMW de temps. Le temps T TOTZ mort dans le circuit de régulation lambda se compose de la durée de pré-stockage du carburant, de la durée de cycle d'admission, de compression, de travail et d'expulsion ainsi que de la durée de passage du gaz d'échappement. Pour la fonction de transfert du système GS(s) réglé, on obtient ainsi le rapport suivant: i 1 Gs (s) = _. e-T_TOTZ s T SONDE s + 1 TGMW.s + 1 Les valeurs de T_SONDE, T_GMW et T_TOTZ sont des grandeurs qui peuvent être obtenues par calcul ou par mesure. Si l'on pose comme fonction GR(s) de transfert du régulateur (TR1 À s + 1) À (TR2 s + 1) GR(S) = KR- s avec KR = gain du régulateur TR1, TR2 = constante de temps du régulateur en choisissant TR1= T _SONDE, TR2= TGMW, les pôles du système réglé sont compensés. Pour les paramètres d'un algorithme de régulation proportionnel, intégral, différentiel de même valeur, comme il est représenté à la figure 3, on obtient pour les composantes P, I et D le rapport suivant: KP =(T SONDE +T_GMW+ 2-).K KI = TA K I0 KD= T SONDE T GMW.l) K e(k) y désigne de manière générale l'écart du régulateur comme grandeur d'entrée, u(k) la grandeur réglante comme grandeur de sortie. Dans le cas de la régulation lambda, la grandeur e(k) d'entrée = LAM_DIF et la grandeur u(k) de sortie = TI_LAM, c'est-à-dire l'intervention dans le calcul de la durée d'injection. Le rapport des composantes P, I et D est donc déterminé par les grandeurs T_SONDE, T_GMW et TA du système. Seul reste le facteur K qui est à déterminer par application et qui peut être choisi comme fonction du temps mort. Le procédé décrit peut être tout aussi bien utilisé sur un régulateur PI, et le calcul des paramètres du régulateur est explicité dans ce qui suit à l'aide d'un régulateur PI de ce genre. La composante LAM_P proportionnelle et la composante LAMI intégrale sont calculées en fonction de la valeur LAMMWIST lambda réelle et de la valeur LAM_SOLL de consigne. La valeur LAM_SOLL de consigne est classée dans un ensemble KF2 de courbes caractéristiques en fonction de la charge, par exemple en fonction de la masse LM d'air et de la vitesse N de rotation du moteur à combustion interne. Afin de calculer la valeur LAMMW_IST(n) lambda moyenne, il est détecté et mis en mémoire un nombre qui peut être donné à l'avance de valeurs LAM_IST de mesure lambda, par exemples 6 valeurs de mesure par cycle de travail, correspondant à 2 rotations du vilebrequin: LAM IST i n-6 n-5 n-4 n-3 n-2 n-1i n = nombre de valeurs de mesure LAM SUM(n) = LAM SUM(n-l) - LAM IST(n-6) + LAMIST(n) LAMMWIST(n) = LAMSUM_ (n)/6 La grandeur d'entrée du régulateur lambda est l'écart LAM_DIF_(n) de régulation qui est défini comme la différence entre la valeur LAM_SOLL(n) déduite 1o de l'ensemble KF2 de courbes caractéristiques en fonction de la charge et la valeur LAMMW_IST(n) lambda moyenne: LAMDIF_ = LAM_SOLL(n) - LAMMWIST(n) Les composantes LAM_P et LAM_I du régulateur lambda sont calculées comme suit: LAMP_ (n) = LAM KPI FAK(n)*PFAKLAM*(TLS + TA) *LAM DIF (n) LAMI_ (n) = LAMI_ (n-l) + LAMKPIFAK(n) * IFAKLAM * 2 * TN * LAM DIF_ (n) avec: LAM_KPI_FAK = facteur de gain de régulation P_FAK_LAM = constante applicable IFAK_LAM = constante applicable T_LS = constante de temps applicable TA = durée d'échantillonnage La sélection du facteur LAM_KPI_FAK de gain de régulation s'effectue en fonction d'un temps LAMTOTZ mort dans le circuit de régulation lambda qui se compose de la durée de pré-stockage du carburant, de la durée de cycle d'admission, de compression, de travail et d'expulsion, ainsi que de la durée de passage à la sonde lambda associée. Ce temps LAM_TOTZ mort est déduit en fonction du poids et du régime d'un ensemble KF3 de courbes caractéristiques. L'influence du régulateur lambda est obtenue comme somme des composantes LAM_P et LAM_I du régulateur: LAM(n) = LAM P(n) + LAM_ I(n) 9 2733796 Cette valeur de la sortie du régulateur est de préférence limitée à plus ou moins 25 % de la durée d'injection de base, c'est-à-dire que -0.25 d'un défaut, sont alors obtenues en modifiant d'autres paramètres. Lors du calcul de la durée TI d'injection, la grandeur d'entrée du régulateur lambda est prise en compte: TI = TI_B *.......(1 + TI_LAM) REVENDICATIONS 1. Procédé de paramétrage d'un régulateur lambda linéaire pour un moteur à combustion interne, comportant une sonde (16) lambda dont le signal (ULS) de sortie est une fonction au moins partiellement linéaire de la teneur en oxygène du gaz d'échappement du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la fonction de transfert du système (Gs) réglé lambda est représentée par le montage en série de deux éléments de retardement de premier ordre et par un élément de temps mort dans le circuit de régulation lambda, - le premier élément de retardement ayant le comportement de réponse de la sonde lambda, - le deuxième élément de retardement formant la moyenne mobile des valeurs de mesure lambda. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise comme régulateur lambda un régulateur proportionnel, intégral, différentiel (PID) dont les composantes de régulation P, I, D sont déterminées par TA KP = (TSONDE + TGMW +)- K KI =TA- K 1 KD = (TSONDE- TGMW)K TA avec TSONDE constante de temps pour le comportement de réponse de la sonde lambda TGMW constante de temps pour la formation de la moyenne mobile I1 T-TOTZ temps mort dans le circuit de régulation lambda TA durée d'échantillonnage K facteur (comme fonction du temps mort) 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise comme régulateur lambda un régulateur proportionnel, intégral (PI) dont les composantes de régulation P, I sont calculées en fonction d'une valeur (LAMMWIST) moyenne lambda et d'une valeur (LAM_SOLL) de consigne. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la composante de régulation proportionnelle est déterminée par io LAM_P(n) = LAM_KPI_FAK(n) * P_FAK_LAM À (TLS + TA) À LAM- DIF(n) et la composante de régulation intégrale par LAM_I(n) = LAM_I(n- 1) + LAM_KPI_FAK(n) a IFAK_LAM 2. TN. LAM_DIF(n) 1 5 avec LAM_KPI_FAK = facteur de gain de régulation PFAK_LAM = constante applicable IFAK_LAM = constante applicable T_LS = constante de temps applicable [sec] TA = durée de segment [sec] n = numéro de la valeur de mesure LAMDIF(n) = écart de régulation 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal du détecteur est échantillonné plusieurs fois par cycle de travail du moteur (10) à combustion interne, - à chaque valeur (ULS1, ULS2) du signal du détecteur, la valeur (LAM_IST(n)) réelle lambda associée est déterminée à l'aide d'une courbe caractéristique, - il est formé une valeur (LAMMWIST(n)) moyenne lambda à partir de ces valeurs (LAM_IST(n)) et - on utilise la différence (LAM_DIF(n)) entre une valeur (LAM_SOLL(n)) de consigne lambda, donné à l'avance en fonction de la charge du moteur (10) à combustion interne, et la valeur (LAMMW IST(n)) moyenne lambda comme grandeurs d'entrée du régulateur (14) lambda. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le facteur (LAM_KPI_FAK) de gain de régulation est choisi en fonction d'un temps (LAM_TOTZ) mort qui est déterminé par la durée de pré-stockage de carburant, la durée de cycle d'admission, de compression, de travail et d'expulsion, ainsi que par la durée de passage du gaz au détecteur d'oxygène associé et déduit en fonction de la charge et du régime d'un ensemble de courbes caractéristiques. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la grandeur (LAM) de sortie du régulateur et de la composante (LAM_I) de régulation intégrale du régulateur lambda est limitée à plus ou moins 25 % d'un signal (TI_B) io d'injection de base.