Brevet FR2746851A1 — publié le 19971003

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de régulation en boucle fermée de la richesse d'un mélange air/carburant destiné à l'alimentation d'un moteur à combustion inteme, et plus particulièrement à un tel procédé et dispositif prenant en compte l'aptitude d'un pot d'échappement catalytique à épurer les gaz d'échappement du moteur. On connaît de la technique antérieure, en particulier du brevet USA- 4,750,328 un système de régulation du mélange air / carburant dans lequel une première boucle de régulation détermine une correction d'un temps d'injection de base en fonction d'un signal délivré par une sonde à oxygène placée en amont d'un pot d'échappement catalytique. Comme on le montre sur la figure 1, lorsque le signal délivré par la sonde bascule d'un niveau indiquant un mélange riche à un niveau indiquant un mélange pauvre (ou respectivement de pauvre à riche), on ajoute (resp. retranche) une valeur prédéterminée P à la correction courante, et on incrémente (resp. décrémente) cette correction, à une fréquence ou récurrence prédéterminée, avec une deuxième valeur I tant que le signal de la sonde reste à ce niveau. Un retard prédéterminé TD peut être appliqué entre le basculement du signal de la sonde et l'addition de la valeur P. Les valeurs P, I, et TD forment ainsi les paramètres de la première boude de régulation qui a pour but de réguler la richesse du mélange autour d'une richesse moyenne dépendant de ces paramètres. Une deuxième boude de régulation vient adapter l'un au moins des paramètres de cette première boude en fonction d'un signal délivré par une sonde à oxygène placée en aval du pot pour ajuster la richesse moyenne du mélange à une valeur, par exemple à la stoechiométrie (A=1), prédéterminée par une consigne à laquelle est comparé le signal de la sonde aval. Cette deuxième boude est exécutée avec une fréquence prédéterminée, inférieure à celle de la première boude. Un tel système présente certains inconvénients. On a pu par exemple constater que lorsque la richesse moyenne fixée par la première boude devient supérieure à la consigne de la seconde boucle, il s'écoule un délai non négligeable pour que le signal de la sonde aval réagisse à ce changement, délai conditionné par la capacité du pot catalytique à absorber les fluctuations de richesse. De ce fait, l'adaptation des paramètres de la première boude se poursuit pendant ce délai, par exemple dans le sens d'un enrichissement du mélange, alors même que celui-ci est déjà trop riche ou inversement, ce qui conduit à excéder la capacité d'absorption du pot et à générer de la pollution. La présente invention a donc pour but de proposer un procédé de régulation de richesse qui pallie ces inconvénients et tienne compte de l'état du pot catalytique dans le processus. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, au moyen d'un procédé de régulation en boude fermée de la richesse d'un mélange air/carburant destiné à l'alimentation d'un moteur à combustion inteme selon lequel on calcule, dans une première boucle de régulation, une correction d'un temps d'injection de carburant de base, en fonction d'un signal foumi par une première sonde à oxygène disposée en amont d'un pot catalytique placé dans le courant des gaz d'échappement du moteur, et, dans une deuxième boucle de régulation, on adapte au moins l'un des paramètres de cette première boude en fonction d'un signal fourni par une deuxième sonde située en aval du pot, caractérisé en ce qu'au moins un des paramètres de la deuxième boude est adapté en fonction d'un temps d'intégration du pot catalytique, ce temps étant défini comme le délai nécessaire pour qu'une variation de richesse présente en amont du pot se retrouve en aval de celui-ci. Suivant une caractéristique importante de la présente invention, le temps d'intégration du pot catalytique est estimé en fonction du débit de gaz d'une part, et de la capacité de stockage en oxygène du pot catalytique d'autre part. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le paramètre considéré de la deuxième boucle est une période d'échantillonnage et cette période est une fonction inverse du débit de gaz. Avantageusement, celleci est déterminée à partir de la période de basculement du signal de la sonde amont. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, le paramètre considéré de la deuxième boude est l'un au moins des gains de la boude et la capacité de stockage en oxygène du pot est déterminée en fonction d'un paramètre représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval. Selon une caractéristique importante de ce mode de mise en oeuvre, le paramètre représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval est calculé par intégration de la valeur absolue de l'écart entre le signal brut et le signal filtré de la sonde aval. Avantageusement, ce paramètre est en outre fonction du débit de gaz traversant le pot catalytique. Selon une autre caractéristique importante de ce mode de mise en oeuvre, les gains de la deuxième boude sont annulés lorsque le signal filtré de la sonde aval est compris dans une zone prédéterminée de part et d'autre d'une valeur de référence. L'invention porte également sur un dispositif propre à la mise en oeuvre du procédé de régulation défini ci-dessus. Ce dispositif se distingue en ce que les seconds moyens de régulation utilisent des paramètres ajustables et en ce qu'il comporte des moyens de filtrage adaptés pour filtrer le signal délivré par la sonde aval et des moyens d'adaptation pour calculer à partir du signal de la sonde aval, du signal filtré et du signal délivré par les moyens de mesure du débit, un signal représentatif d'un temps d'intégration du pot catalytique, et en déduire les paramètres des seconds moyens de régulation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente les graphes temporels du signal de la sonde amont et de la correction apportée par la première boude, tels que décrit dans le préambule, la figure 2 représente schématiquement un moteur équipé d'un dispositif adapté pour la mise en oeuvre de l'invention la figure 3 représente le temps d'intégration du pot catalytique en fonction d'une part du débit de gaz qui le traverse et d'autre part de son état d'usure, la figure 4 représente le signal filtré de la sonde aval en fonction de la richesse des gaz en sortie du pot, la figure 5 représente les graphes temporels de la richesse en sortie du pot catalytique, du signal de la sonde aval, brut et filtré, et du paramètre représentatif de la dynamique de celle-ci, respectivement pour un pot neuf et usagé, et les figures 6 et 7 représentent le procédé selon l'invention sous forme de logigramme. On se réfère maintenant à la figure 3, pour expliciter la notion de temps d'intégration d'un pot catalytique noté , telle qu'elle sera utilisée par la suite. On définit ce temps d'intégration comme le délai nécessaire pour qu'une variation de richesse présente en amont du pot se retrouve en aval de celui-ci. On a représenté sur cette figure la variation du temps d'intégration d'un pot catalytique en fonction d'une part du débit de gaz Q qui le traverse et d'autre part en fonction de l'âge ou du degré d'usure du pot. On peut ainsi constater que le temps d'intégration décroît avec l'usure, ce qui s'explique par la diminution de la capacité des matériaux utilisés à stocker l'oxygène présent dans des gaz d'échappement pauvres en hydrocarbures imbrûlés ou à le restituer à des gaz riches. De même, ce temps décroît lorsque le débit des gaz augmente. On peut noter que les deux facteurs dont dépend le temps d'intégration présentent des vitesses d'évolution différentes. Par exemple, I'usure du pot catalytique est un phénomène lent, qui s'étend sur plusieurs mois, voire plusieurs années en conditions d'utilisation normales, alors que l'influence du débit évolue rapidement, de l'ordre de quelques millisecondes à quelques secondes. II apparaît donc qu'un procédé de régulation de la richesse du mélange air I carburant qui utilise une information de richesse prélevée en aval du pot catalytique pour ajuster la valeur moyenne de richesse autour de laquelle est centrée une boude de régulation située en amont de celui-ci doive prendre en compte un retard qui dépend de ce temps d'intégration. En effet, lorsque ce temps d'intégration est maximal, comme dans le cas d'un pot neuf combiné avec un débit de gaz faible par exemple en régime de ralenti du moteur, une dérive de la valeur moyenne de la boude amont dans le sens d'un excés de carburant ne sera détectée qu'après ce temps d'intégration. Une action corrective sur les paramètres de la boucle de régulation amont interviendra alors tardivement, et, la dérive ayant continué dans le même sens pendant ce temps, il s'en suivra une pollution par hydrocarbures imbrûlés jusqu'à ce que l'effet de cette correction se fasse sentir. Bien entendu, une dérive inverse, entraînée par exemple par cette correction, produira des effets analogues, avec d'autres polluants générés par un mélange trop pauvre. On va maintenant décrire en relation avec la figure 2, un dispositif propre à mettre en oeuvre un procédé de régulation de la richesse qui prenne en compte l'influence de ce temps d'intégration du pot catalytique. On a représenté sur cette figure un moteur à combustion inteme 1 commandé par un calculateur électronique de contrôle 2. Ce moteur est équipé d'un capteur 3 situé dans le conduit d'admission pour mesurer le débit massique de gaz Q traversant le moteur, d'un capteur 4 du régime N de rotation du moteur, et d'un pot catalytique 7 de part et d'autre duquel sont situées deux sondes à oxygène 5 et 6. Ces sondes foumissent respectivement des signaux représentatifs de la richesse en oxygène des gaz d'échappement, S02UP en amont du pot 7 et S02DW en aval de celui-ci. Ces différents signaux sont foumis au calculateur 2 qui élabore en retour un signal de commande Ti d'au moins un injecteur de carburant 8 situé sur le moteur. Classiquement, un bloc 21 détermine un temps d'injection de base Tib à partir des information de débit Q et de régime N. Pour obtenir le signal de commande Ti de l'injecteur 8, on corrige ce temps d'injection de base Tib dans un bloc de correction 22 par un coefficient de correction pc, élaboré par un premier bloc de régulation 23. Bien entendu, d'autres corrections, non représentées, peuvent etre également appliquées dans le bloc 22, comme par exemple des corrections en fonction de la température du liquide de refroidissement ou de l'air entrant dans le moteur. Ce coefficient de correction QCL est élaboré dans le bloc de régulation 23 à partir du signal de richesse SO2UP délivré par b sonde 5 selon le procédé déjà évoqué dans le préambule en relation avec la figure 1 et que l'on détaillera par la suite en relation avec la figure 6. Selon ce procédé, on modifie au moins un des paramètres P, I etlou TD employés dans le bloc 23 pour asservir la richesse moyenne à une valeur de consigne de richesse S02DWOBJ. Dans la suite de la description, on considérera une modification des paramètres du bloc 23 portant sur un décalage TROFF ajouté à la valeur prédéterminée du paramètre P, à titre d'exemple seulement, la modification pouvant également porter sur les autres paramètres, individuellement ou en combinaison. Selon l'invention, le signal de richesse S02DW délivré par la sonde 6 est filtré par un filtre 25. On peut constater en se reportant à la figure 4, que l'utilisation d'un signal filtré présente certains avantages. Sur cette figure, on a représenté en abscisse la richesse en oxygène des gaz d'échappement au voisinage de la sonde 6, et en ordonnée la valeur du signal de la sonde. II apparait ainsi que le signal filtré S02TRMY présente une pente moins raide que le signal brut S02DW, particulièrement au voisinage de B=1, ce qui permet d'obtenir une meilleure stabilité de régulation. Le signal filtré S02TRMY est comparé à la valeur de consigne SO2DWOBJ. L'écart (S02TRMYS02DWOBJ) est foumi à un second bloc de régulation 24 qui effectue la modification des paramètres du bloc 23. Comme on l'a vu précédemment, il importe de prendre en compte le temps d'intégration du pot catalytique dans la détermination de ce décalage. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, on s'intéresse plus particulièrement à l'influence du facteur débit Dans ce cas, le bloc 24 calcule cycliquement, avec une période d'échantillonnage Tch, le décalage TROFF en ajoutant au décalage calculé au cyde précédent une valeur fixe de meme signe que l'écart (S02TRMY - S02DWOBJ). Cette période d'échantillonnage est déterminée selon une fonction inverse du débit de gaz. De cette manière, plus le débit de gaz est élevé, plus la période est courte et donc plus le décalage TROFF évolue vite, permettant ainsi une correction plus rapide. Inversement, à faible débit, le décalage évolue lentement, supprimant ainsi des oscillations trop fréquentes de la boude de correction gérée par le bloc 24. Avantageusement, on a pu observer que la période avec laquelle le signal SO2UP de la sonde amont 5 bascule d'un niveau pauvre à riche ou inversement est une fonction inverse du débit de gaz qui traverse le moteur. Ainsi, en synchronisant le calcul du décalage TROFF dans le bloc 24 avec les transitions de la sonde amont, on obtient une période d'échantillonnage T.d, qui est une fonction inverse du débit de gaz sans avoir besoin d'effectuer de calcul. Avantageusement, on peut définir autour de A=1 une plage de richesse kp. dans laquelle l'efficacité du pot catalytique est optimale, ce qui se traduit par une bande de valeurs de S02TRMY matérialisée par A1et A2 autour de la valeur de consigne, pour laquelle on annule l'écart (SO2TRMY - SO2DWOBJ). Ceci a pour conséquence de bloquer l'évolution du décalage TROFF et donc de permettre de rester plus longtemps dans cette plage de richesse optimale. On va maintenant expliciter un second mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel les paramètres du bloc de régulation 24 sont également ajustés en fonction de l'usure du pot catalytique, estimée à partir de sa capacité de stockage en oxygène. On se réfère à la figure 5 dans laquelle on a représenté des graphes temporels de la teneur en oxygène X des gaz d'échappement en sortie du pot catalytique, du signal de la sonde aval, brut et filtré, et d'un paramètre représentatif de la dynamique de celleci, et ce pour une même fluctuation de richesse des gaz entrant dans le pot. La partie gauche de la figure correspond à un pot neuf, et la droite à un pot usagé. On peut constater sur la courbe de la teneur en oxygène que celle est sensiblement stable dans le cas d'un pot neuf, alors que pour un pot usagé, la fluctuation présente en amont se retrouve en aval, conséquence de la perte de la capacité du pot à absorber et restituer l'oxygène, due au vieillissement des matériaux qui le composent. Par voie de conséquence, pour un pot neuf, le signal S02DW de la sonde aval 6 est pratiquement confondu avec le même signal filtré S02TRMY alors qu'il s'en distingue nettement pour un pot usagé. On utilise avantageusement cette observation pour calculer un paramètre DWMOVE représentatif de la dynamique du signal de la sonde 6 en intégrant la valeur absolue de l'écart entre le signal brut (S02DW) et le signal filtré (S02TRMY) de la sonde aval (partie hachurée). Ce paramètre, représenté en trait pointillé sur la courbe du bas, servira d'estimateur de la capacité de stockage en oxygène et donc du temps d'intégration TS du pot. Dans ce cas, la régulation effectuée par le bloc 24 est du type proportionnelle et intégrale, c'est à dire que le décalage TROFF est calculé selon la formule TROFF = TROFFP + TROFFI dans laquelle la partie proportionnelle TROFFP = Kp * (S02TRMY - S02DWOBJ) et la partie intégrale TROFFI à l'instant i est égale à TROFFI*,) + Ki * (S02TRMY - SO2DWOBJ) où Kp et Ki sont des gains. Un bloc d'adaptation 26 est alors prévu pour ajuster les gains de cette régulation en fonction du paramètre DWMOVE représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval. Le bloc 26 reçoit à cet effet la valeur du signal brut S02DW de la sonde 6 et celle du signal filtré S02TRMY en provenance du filtre 25. Il peut également recevoir l'information débit de gaz Q et rutiliser dans le calcul du paramètre DWMOVE afin de rendre ce dernier dépendant du débit. Le bloc 26 calcule alors le paramètre DWMOVE par la formule: DWMOVE = DWMOVE + Km Q (lSO2DW - SO2TRMYl - DWMOVE) où Km est un coefficient de filtrage prédéterminé. En fonction de ce paramètre, le bloc d'ajustement 26 lit dans des tables mémorisées Tabi(DWMOVE) et Tabp(DWMOVE), obtenues expérimentalement lors de la mise au point du moteur, les gains Ki et Kp qui seront utilisés dans le bloc 24 pour la détermination du décalage TROFF. Avantageusement, le bloc 26 vérifie si le signal filtré S02TRMY appartient à la bande de valeurs déterminée par Ar et 2 autour de la valeur de consigne S02DWOBJ, et dans ce cas impose Ki=O et Kp=O, ce qui a pour effet de bloquer l'évolution du décalage TROFF lorsque la richesse est dans une plage d'efficacité optimale du pot catalytique. On va maintenant décrire, en relation avec les logigrammes des figures 6 et 7, un exemple du procédé selon l'invention, dans lequel on a fait usage d'une combinaison des deux modes de mise en oeuvre préalablement décrits. Le logigramme de la figure 6 détaille un programme permettant de calculer le coefficient vola. Ce programme est exécuté par le calculateur 2 avec une récurrence fixe, par exemple toutes les 8 millisecondes. A l'étape 101, le calculateur lit les valeurs respectives des signaux des sondes 5 et 6 (S02UP et SO2DW) ainsi que la valeur du débit Q de gaz absorbé par le moteur en provenance du capteur 3. A l'étape 102, le filtre 25 et le bloc d'ajustement 26 calculent respectivement les valeurs de S02TRMY et DWMOVE. On notera qu'ainsi ces deux valeurs sont calculées à chaque fois qu'une mesure est effectuée. On passe à l'étape 103 où l'on teste si le signal de la sonde amont 5 est révélateur d'un mélange riche. Si oui, on vérifie à l'étape 110 I'état d'un indicateur Fg qui a la valeur 1 si le mélange était déjà riche lors de la précédente exécution du processus. Dans ce cas, on décrémente le coefficient OCCL d'une valeur I à l'étape 111 et le processus se termine en 130. Si l'indicateur Fg est égal à 0, on est en présence d'une transition du signal de la sonde 5 de pauvre vers riche. On met à jour l'état de l'indicateur Fg à l'étape 112 et on passe à l'étape 113 pour calculer le décalage TROFF. Ce calcul est effectué par le sous programme illustré à la figure 7. On constatera que ce sous programme n'est exécuté que lors d'une transition de la sonde 5, conformément au premier mode de mise en oeuvre décrit. Dans ce sous programme, on teste, à l'étape 151, si le signal filtré SO2TRMY de la sonde aval 6 est compris dans un intervalle prédéterminé autour de la consigne SO2DWOBJ. Si c'est le cas, on passe à l'étape 152 à laquelle les gains Kp et Ki sont fixés respectivement à 0 et 1. Dans le cas contraire, on passe à l'étape 153 où ces gains sont extraits des tables Tabi(DWMOVE) et Tabp(DWMOVE). Dans tous les cas, on procéde ensuite à l'étape 154 où s'effectue le calcul du décalage TROFF en fonction des gains déterminés et de l'écart entre la consigne SO2DWOBJ et la valeur filtrée SO2TRMY. On termine en 155 par une instruction de retour qui renvoit à l'étape 114 de la figure 6, où on calcule le coefficient aCt en retranchant la valeur prédéterminée P, modifiée par le décalage TROFF, de la valeur précédente de ri. Si, à l'étape 103, le test du signal de la sonde amont 5 est révélateur d'un mélange pauvre, on exécute les étapes 120 à 124 de manière analogue aux étapes 110 à 114. On remarquera là encore qu'à l'étape 123, on n'exécute le sous programme de calcul du décalage TROFF de la figure 7 que lors d'une transition, cette fois de riche à pauvre, du signal de la sonde amont 5. Bien entendu, L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit cidessus qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Comme on l'a déjà cité, la modification des paramètres de la première boude peut porter également sur la valeur d'intégration I ou sur le retard TD. ou sur une quelconque combinaison de ces paramètres. De même, la valeur du débit de gaz Q peut ne pas être mesurée mais estimée en fonction d'autres mesures comme par exemple la pression régnant dans le collecteur d'admission ou l'ouverture d'un papillon des gaz et le régime moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation en boude fermée de la richesse d'un mélange air / carburant destiné à l'alimentation d'un moteur à combustion inteme (1), selon lequel on calcule, dans une première boude de régulation, une correction ( 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le temps d'intégration (TZ)du pot catalytique est estimé en fonction du débit de gaz (Q) d'une part, et de la capacité de stockage en oxygène du pot catalytique d'autre part. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le paramètre considéré de la deuxième boude est une période d'échantillonnage (Tech) et en ce que cette période est une fonction inverse du débit de gaz. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fonction inverse du débit de gaz (Q) est déterminée à partir de la période de basculement du signal de la sonde amont 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre considéré de la deuxième boude est l'un au moins des gains (Kp, Ki) de la boude et en ce que la capacité de stockage en oxygène du pot est déterminée en fonction d'un paramètre (DWMOVE) représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le paramètre représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval est calculé par intégration de la valeur absolue de l'écart entre le signal brut (S02DW) et le signal filtré (S02TRMY) de la sonde aval. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le paramètre représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval est en outre fonction du débit de gaz (Q) traversant le pot catalytique. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le paramètre représentatif de la dynamique du signal de la sonde aval est calculé par la formule: DWMOVE(i) = DWMOVE(i-1) + Km*Q (ISO2DW(i) - S02TRMY(i)l - DWMOVE(i-1)) où Km est un coefficient prédéterminé et Q représente le débit de gaz. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les gains (Kp, Ki) de la deuxième boucle sont annulés lorsque le signal filtré (S02TRMY) de la sonde aval est compris dans une zone prédéterminée de part et d'autre de la valeur de référence (S02DWOBJ > . 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, du type comportant des moyens (3) de mesure d'un débit de gaz (Q) traversant le moteur (1) et le pot catalytique (7), une première sonde à oxygène (5) propre à déterminer la richesse des gaz d'échappement en amont du pot catalytique, une seconde sonde à oxygène (6) propre à déterminer la richesse des gaz d'échappement en aval du pot catalytique, un calculateur (2) adapté pour foumir des signaux de commande d'au moins un injecteur (8) de carburant, lesdits signaux étant élaborés par des premiers et seconds moyens de régulation (23; 24) en fonction des signaux en provenance des moyens de mesure du débit de gaz et des sondes à oxygène et d'une valeur de richesse de consigne, caractérisé en ce que les seconds moyens de régulation (24) utilisent des paramètres ajustables et en ce qu'il comporte également des moyens de filtrage (25) adaptés pour filtrer le signal délivré par la sonde aval (6), des moyens d'adaptation (26) pour calculer à partir du signal de la sonde aval (S02DW) , du signal filtré (S02TRMY) et du signal (Q) délivré par les moyens de mesure du débit un signal (DWMOVE) représentatif d'un temps d'intégration (TZ) du pot catalytique, et en déduire les paramètres des seconds moyens de régulation.