Brevet FR2746854A1 — publié le 19971003

Etat de la technique. La présente invention concerne une installation de commande d'un moteur à combustion interne à essence à injection directe, équipée de capteurs pour les paramètres de fonctionne- ment, d'une unité de traitement de signal ainsi que l'installation de dosage et de réglage pour au moins la masse de carburant, la pression de carburant, la masse d'air et l'allumage et en plus la possibilité d'un fonctionnement en in- jection de carburant en mode stratifié ou en mode homogène, suivant la plage de fonctionnement du moteur à combustion in- terne. Le document DE-43 32 171 Al décrit un " procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne à quatre temps à allumage commandé et injection directe, ainsi qu'un disposi- tif pour la mise en oeuvre de ce procédé ". Selon la figure 2, l'ensemble de la plage de fonc- tionnement du moteur à combustion interne est divisé en diffé- rentes zones suivant la vitesse de rotation et la charge et selon la zone de fonctionnement utilisée, le carburant est in- jecté, soit pendant la phase d'aspiration, soit pendant la phase de compression. A l'injection pendant la phase d'aspiration, du fait du temps disponible jusqu'à l'allumage ainsi qu'à cause de la turbulence du carburant injecté par le courant d'air d'injection, on arrive à une distribution très homogène du carburant (fonctionnement homogène) alors que dans le cas de l'injection au cours de la phase de compression, on a une charge stratifiée (mode de fonctionnement stratifié). Un appareil de commande électronique assure dans ce dispositif connu, à partir des différents paramètres de fonc- tionnement et de critères prédéterminés, la commutation entre le mode de fonctionnement homogène et le mode de fonctionnement stratifié; il définit en outre les quantités injectées. Le document DE 42 39 711 Al concerne " un procédé et un dispositif pour commander un véhicule ". Entre les diffé- rents systèmes partiels dont l'un est un système de commande de moteur, on a défini des interfaces servant à échanger des in- formations sur la base de couple pour commander le véhicule. Enfin le document DE-39 30 396 C décrit " un procé- dé de réglage des quantités d'air et de carburant alimentant un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres ". Partant de différents paramètres de fonctionnement, on dose le carburant et on commande un organe de réglage du coefficient d'air. La présente invention a pour but de développer une installation de commande d'un moteur à combustion interne à es- sence à injection directe, qui optimise le comportement des gaz d'échappement et la consommation de carburant et dont l'adaptation puisse se faire facilement à différents véhicules et différentes variantes d'équipement. A cet effet l'invention concerne une installation de commande du type défini ci-dessus, caractérisée par les éta- pes suivantes: 1. détermination du couple moteur nécessaire mi, 2. conversion du couple moteur mi en au moins une valeur rela- tive au débit massique de carburant dmk, au débit massique d'air dml et à l'angle d'allumage zw, 3. conversion de la valeur de débit massique de carburant dmk en des durées d'injection ticons suivant le mode de strati- fication ou le mode homogène et, 4. formation des signaux de commande pour les injecteurs (début et fin d'injection) l'organe de réglage du volet d'étranglement et du système d'allumage. Avantages de l'invention. L'installation de commande selon l'invention d'un moteur à combustion interne à essence à injection directe per- met de prédéterminer clairement les différentes étapes de trai- tement dans l'appareil de commande et d'obtenir dans le cadre30 d'une injection directe avec fonctionnement en mode homogène et en mode stratifié, un comportement optimisé vis-à-vis des gaz d'échappement et de la consommation. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - la conversion du couple moteur mis en une valeur de débit massique de carburant dmk ou une valeur de débit massique d'air dml se fait en utilisant au moins la vitesse de rota- tion ainsi qu'un signal de rendement (pcomb) suivant le mode utilisé (mode stratifié, mode homogène) pour le moteur à com- bustion interne. - la valeur d'injection tis du mode stratifié s'obtient à par- tir de la valeur du temps d'injection tih du mode homogène en tenant compte de la pression interne du cylindre à ce moment. - pour le mode stratifié on forme chaque fois une valeur de consigne du début de la commande (asbconss) et la durée de commande (ticonss) pour les injecteurs en tenant compte des conditions de pression régnant dans le cylindre et en complé- ment on accorde entre le signal de fin de commande (aseconss) et l'angle d'allumage (zwconss). Dessins. Un exemple de réalisation de l'invention est repré- senté dans les dessins et sera décrit ci-après de manière plus détaillée. Ainsi: - la figure 1 est une vue d'ensemble de l'architecture de l'appareil de commande avec différents blocs fournissant les paramètres de fonctionnement, le traitement de signal en fonction du mode homogène et du mode stratifié et émettant finalement les signaux pour les différents organes de réglage et actionneurs comme par exemple les injecteurs, le ré- glage du volet d'étranglement et le système d'allumage, - la figure 2 est un schéma d'ensemble pour trans- former le couple moteur induit en signaux concernant le débit de carburant et la masse d'air, - la figure 3 est un ordinogramme pour convertir le débit massique de carburant en temps d'injection pour un mode stratifié et un mode homogène, - la figure 4 montre un ordinogramme pour émettre les signaux de commande (début de la commande, fin de la com- mande) destinés aux injecteurs ainsi que l'angle d'allumage, - la figure 5 montre un schéma de la courbe de pression par cylindre avec une vue explicative de la position des angles d'allumage possible et commandant le signal d'injection, - la figure 6 est un ordinogramme dans le cadre de la coopération entre l'angle d'allumage et la fin du signal de commande du signal d'injection. Description de l'exemple de réalisation. La figure 1 montre de manière très schématique, l'architecture de l'installation de commande d'un moteur à com- bustion interne à essence à injection directe et possibilité de commutation entre le mode homogène et le mode stratifié. La ré- férence 10 désigne un bloc de signaux de capteur fournissant en sortie les paramètres de fonctionnement tels que la vitesse de rotation, les pressions et les températures. Puis on a la base proprement dite 11 du moteur à combustion interne suivie en sortie d'un bloc de réglage 12. Dans ce bloc de réglage, se trouvent tous les moyens de réglage comme par exemple les in- jecteurs, les actionneurs de papillon d'étranglement ou le sys- tème d'allumage. A l'intérieur du noyau de commande 11 du moteur à combustion interne, dans le bloc 14 on forme le cou- ple, c'est-à-dire qu'à cet endroit, suivant les différents pa- ramètres de fonctionnement et le souhait de conduite, on génère une valeur instantanée et on la fournit; cette valeur définie comme grandeur de consigne les différentes grandeurs de réglage du moteur à combustion interne telles que l'alimentation en carburant et en air, la pression de l'injection et le système d'allumage. La référence 15h désigne un bloc qui fournit en mode homogène le débit massique de carburant à destination de l'injecteur. De façon correspondante, la référence 15s désigne le bloc qui est responsable des signaux de dosage de carburant en mode stratifié. La référence 16, désigne un bloc définissant l'alimentation en air nécessaire pour chaque point de fonction- nement. La référence 17h et la référence 17s, sont des blocs de signaux qui émettent des valeurs de consigne de pression d'injection correspondant suivant le cas au mode homogène et au mode stratifié. En outre, on a deux blocs 18h et 18s correspon- dant à des parties de système liées à l'allumage et qui fonc- tionnent également séparément, selon la demande en mode homogène et en mode stratifié. Enfin, le noyau de la commande 11 du moteur comporte un bloc de commutation 19. Ce bloc fixe les points de commutation entre le mode homogène et en mode stratifié ce qui se fait principalement suivant le point de fonctionnement respectif dans le champ des caractéristiques de charge et de vitesse de rotation. En outre, on peut influencer les points de commutation, par d'autres fonctions comme par exemple la ventilation du réservoir, la réinjection des gaz d'échappement, ou autres. L'important de l'objet de la figure 1 réside dans la séparation entre le bloc des capteurs 10, le bloc générateur du couple 14, les différents blocs pour déterminer les débits massiques respectifs de carburant et d'air, la pression d'injection ainsi que l'énergie d'allumage, suivant le mode ho- mogène ou le mode stratifié et finalement le bloc des action- neurs 12 dans lequel entre autres le débit massique de carburant, nécessaire est transformé en une durée d'injection appropriée. Il convient de remarquer que comme bloc de forma- tion de couple 14 dans le noyau de commande 15 du moteur à com- bustion interne, on peut utiliser l'objet du document DE 42 39 711 A déjà évoqué. La figure 2 montre un schéma par blocs de la con- version du couple du moteur, indexé mi, souhaité en des valeurs nécessaires pour le débit massique de carburant dmk et le débit massique d'air dml. En entrée, sur la première borne 20 on ap- plique le couple à indice mi comme valeur fournie. Sur la deuxième borne 21 on applique un signal concernant la vitesse de rotation du moteur à combustion interne nmot. En aval le bloc de calcul 22 fournit en sortie sur sa borne 23, la valeur du débit massique de carburant dmk obtenue selon la formule suivante: dmk = (2*n*mi*nmot) / (60*lcomb*Hu*nopt) A côté des deux valeurs mi et nmot, on applique au bloc de calcul 22, par deux autres entrées 24 et 25, deux va- leurs concernant le rendement de combustion icomb et le rende- ment optimum ropt. Dans le détail, l'entrée 24 du bloc de calcul 22 reçoit par l'intermédiaire du commutateur 26, en fonction du mode homogène ou stratifié souhaité, un champ de caractéristiques lcomb_hom et qcomb_strat venant de deux champs de caractéristiques 27 et 28 appliqués aux entrées 20 et 21 et qui fournissent les signaux du couple moteur à indice mi et la vitesse de rotation nmot. En parallèle au rail de carburant décrit ci-dessus avec le bloc de calcul 22, dans la partie inférieure de la fi- gure 2, on a représenté le rail de l'air; dans celui-ci, par- tant des valeurs appliquées aux bornes d'entrée 20 et 21 pour deux champs de caractéristiques X pour le mode homogène et le mode stratifié on utilise deux champs de caractéristiques X pour le mode homogène et le mode stratifié 30, 31 pour obtenir les valeurs de consigne de X (Xcons) pour le mode homogène et le mode stratifié. Les deux champs de caractéristiques X 30, 31 sont suivis par un inverseur 32 transmettant la valeur Xcons, souhaitée pour le mode homogène et le mode stratifié à un bloc de calcul d'air 33 en aval. Ce bloc de calcul d'air 33 reçoit en outre une valeur concernant le débit massique de carburant dmk et est ainsi relié à la sortie du bloc de calcul 22. Le bloc de calcul d'air 33, partant du débit massique de carburant dmk nécessaire et de la valeur Xcons, souhaitée, à partir des deux champs de caractéristiques 30, 31, il forme une valeur de débit massique dml pour la fournir à la sortie 34. Enfin, le signal de sortie du champ de caractéris- tiques X, 30 pour le mode homogène est appliqué par l'intermédiaire d'une caractéristique X-r 36 et d'un inverseur 37 à l'entrée 25 de la valeur qopt du bloc de calcul 22; la seconde entrée de l'inverseur 37 selon l'exemple de réalisation représenté reçoit le mode stratifié prédéterminé. La figure 2 indique ainsi une solution par laquelle, partant du couple moteur à indice mi, souhaité et de la vitesse de rotation respective nmot du moteur à combustion interne, on définit par des opérations de calcul les valeurs du débit massique de carburant dmk et du débit massique d'air dml à la fois pour le mode homogène et pour le mode stratifié. A l'intérieur ou au niveau du bloc de calcul 22, on peut prévoir évidemment des possibilités de correction pour tenir compte de l'influence de la réinjection des gaz d'échappement ou autres paramètres influençant le comportement physique du moteur à combustion interne dans sa relation entre la quantité de carbu- rant et la quantité d'air d'alimentation ainsi qu'entre le cou- ple fourni et la vitesse de rotation. La figure 3 montre un schéma par blocs pour conver- tir le signal de débit massique de carburant dmk en des durées d'injection (ticonsh, ticonss) des injecteurs pour le mode ho- mogène et le mode stratifié. Le bloc 40 doit fournir la valeur du débit massique de carburant dmk appliquée à l'entrée 23 selon la figure 2 comme valeur de consigne en gramme par seconde. Le bloc 41 fait une transformation par le calcul avec la vitesse de rotation nmot et la constante correspondant à la transformation en gramme par course. Dans le bloc 43, à l'aide d'une courbe ca- ractéristique d'injecteur, on définit une valeur ti_idéale dont on retranche une valeur de correction dans le bloc 44; dans ce bloc on tient compte de toutes les corrections comme par exem- ple la correction de la tension de batterie Ubatt. En sortie on dispose d'une valeur du temps d'injection pour le mode homogène ticonsh. Pour fournir une valeur correspondante pour le mode stratifié (ticonss), il faut corriger en plus la valeur corri- gée du bloc 44 (ticonsh) comme suit: dans le bloc 45 on trans- forme la durée d'injection en un nombre d'injection selon la formule: dg = nmot * 6 * ti. Comme la correction de la durée d'injection pour le mode stratifié doit tenir principalement compte de la pression régnant dans le cylindre au moment de l'injection, on définit dans l'autre bloc 46, l'angle pour le milieu de la phase d'injection pendant le mode stratifié. Pour cela, à partir de la valeur de consigne de commande de mode stratifié (aseconss), on retranche la moitié de l'angle d'injection tiw obtenue dans le bloc 45 pour obtenir en sortie du bloc 46 l'angle du vilebrequin correspondant à la position centrale de l'injection pour le mode stratifié. Avec cette va- leur, à l'aide de la caractéristique de la pression de compres- sion à l'instant de l'angle du vilebrequin correspondant à la position médiane, on définit l'injection pour obtenir une me- sure de la contrepression moyenne à la définition du signal d'injection pour le mode stratifié. A l'aide de cette contre- pression moyenne et avec un signal de la pression de carburant disponible (pression réelle du rail), on a la grandeur d'entrée d'un étage de correction 48 qui peut par exemple s'obtenir à l'aide d'un champ de caractéristiques. La valeur de sortie est appliquée à un point de multiplication 49 qui multiplie le si- gnal de sortie du bloc 44 (ticonsh) avec la valeur de correc- tion de l'étage de correction 48 et à sa sortie on dispose du signal d'injection ticonss pour le mode stratifié. La figure 3 indique clairement que, partant du dé- bit massique de carburant dmkcons, suivant le mode homogène ou le mode stratifié, on fournit les différents temps d'injection et par exemple lorsqu'on fournit le signal d'entrée pour le mode stratifié, on traite alors la contrepression qui règne à ce moment à l'intérieur du cylindre comme grandeur de correc- tion principale. Cela permet de rapporter la durée d'injection pendant le mode homogène à la pression d'aspiration alors qu'en15 mode stratifié, on tient compte des contrepressions plus impor- tantes qui règnent à ce moment pour déterminer l'injection de carburant. La figure 4 concerne la fourniture des valeurs de la position d'injection et de l'angle d'allumage pour le mode homogène et le mode stratifié. Le point de départ est la valeur du couple moteur à indice mi dans le bloc 50 ainsi qu'à la borne d'entrée 20 de la figure 2. Pour fournir la valeur de commande de l'injection en mode homogène, la valeur mi du bloc arrive tout d'abord dans un bloc 51. En fonction de mi et de la vitesse de rotation nmot, on forme une valeur asbconsh pour le début de la commande pour le mode homogène (début de com- mande de consigne mode homogène). En liaison avec la durée d'injection ticonsh pour le mode homogène, à partir du bloc 52 qui est disponible après le bloc 44 à la figure 3, dans le bloc 53 on définit les deux valeurs du début (asbconsh) et de fin (aseconsh) du signal d'injection. Cela se fait par exemple en émettant le signal de commande du début (asbconsh) suivant un certain angle ou un certain temps pendant une durée définie par la durée d'injection ticonsh en mode homogène. L'intervalle de gauche de traitement du signal à la figure 4 concerne l'allumage. Partant de nouveau du bloc 50 avec la mise à disposition du couple moteur à indice mi, à par- tir d'un champ de caractéristiques et en fonction de la vitesse de rotation du moteur nmot, on fournit une valeur de consigne de l'angle d'allumage ZWconsh (bloc 54h). Cette valeur de con- signe sera corrigée alors dans un bloc 55h par exemple en fonc- tion du chauffage souhaité du catalyseur ou d'une régulation de5 cliquetis; on obtient alors une valeur de consigne idéale de l'angle d'allumage (ZWconsidéale_h). Pour le mode homogène on considère cette valeur de consigne idéale de l'angle d'allumage comme directement utilisable de sorte qu'elle correspond à la valeur de consigne de l'angle d'allumage en mode homogène (zwconsh). En mode stratifié, il est prévu un accord entre l'angle d'allumage et la fin de l'injection; cela se fait dans le bloc 57. Comme première grandeur d'entrée il faut un angle d'allumage idéal zwcons_idéal_s. A partir de mi et de nmot, on forme cet angle d'allumage à l'aide d'un champ de caractéristi- ques (bloc 54s) et avec d'autres interventions sur l'angle d'allumage par exemple le chauffage du catalyseur (bloc 55s). Comme seconde grandeur d'entrée, à côté de la valeur de consi- gne idéale de l'angle d'allumage ZWcons_idéale_s, il faut éga- lement une valeur de consigne pour la fin de la commande en mode de poussée (aseconss) qui résulte de la valeur mi du bloc à partir d'un champ de caractéristiques 58 en liaison avec un signal de vitesse de rotation nmot. En outre une valeur li- mite pour la fin de commande (aselimit) est appliquée au bloc25 57. En fonction de la pression de carburant régnant prail_réel (block 59) on obtient cette valeur limite à l'aide d'une carac- téristique de forme correspondante avec une limite de fin de commande (aselimit) par la pression de carburant existant prailréel dans le bloc 60. En sortie, le bloc 57 fournit pour l'accord entre l'angle d'allumage et la fin de l'injection, une valeur pour la valeur de consigne de l'angle d'allumage en mode stratifié (ZWconss*) ainsi qu'en outre une valeur adaptée de manière cor- respondante pour la valeur de consigne de la fin de commande en mode stratifié (aseconss*). Pour passer de cette valeur à la valeur de consigne de début de commande en mode stratifié étoile (asbconss*), il faut comme l'indique la figure 4, faire un calcul inverse à partir de la valeur de consigne de fin de commande en mode stratifié étoile (aseconss*) ce qui se fait à l'aide de la durée d'injection pour le mode stratifié ticonss à partir du bloc 62. Sa valeur est transformée par un convertis- seur temps/angle 63 en un angle pour calculer alors de nouveau dans le bloc suivant 64 à partir de la valeur de consigne de fin de commande en mode stratifié étoile (aseconss*), la valeur de consigne effective du début de commande en mode stratifié étoile (asbconss). Par le bloc 65, on obtient alors le début et la fin du signal de commande pour l'injecteur en mode strati- fié. Pour décrire les opérations se déroulant dans le bloc d'accord 57 de la figure 4, on utilisera la figure 5. Cette figure montre la pression de cylindre Pcyl en fonction de l'angle de vilebrequin KW. Il apparaît une montée de la pres-15 sion pendant la phase de compression qui se termine par le point mort haut (OT) à son maximum; seule la pression de com- pression a été représentée sans les effets sur l'opération de combustion. Dans la partie inférieure de ce diagramme, on a re- présenté une fenêtre d'angle d'allumage ZWF.20 Il indique dans quelle plage d'allumage se produit ou doit se produire. Dans la partie supérieure du diagramme de la figure 5, on a en outre représenté une zone de la fin de commande qui correspond suivant la situation pour l'angle d'allumage dans une certaine mesure à une fenêtre de la fin de commande (asef). La fin de la commande se trouve dans cette plage dans le cas du mode stratifié. Il est important que la fin de la commande ase ainsi que l'angle d'allumage ZW soient accordés de façon que la fin de la commande et ainsi la fin d'une opération d'injection se trouve en général à 5 d'angle de vilebrequin en amont de l'angle d'allumage. En fonction de la pression de carburant choisie ou disponible, il faut en outre veiller à ce que l'injecteur ne soit pas ouvert ou ne soit pas maintenu ouvert à l'instant o la pression de compression dépasse la pression d'injection. Dans ce cas, on risquerait que la pression de compression re- foule le carburant à travers l'injecteur ce qui est connu des spécialistes sous l'expression " risque d'injection en re- tour ". C'est pourquoi, il est choisi une valeur limite pour la Il fin de commande (aselimit) en fonction des conditions de pres- sion régnant dans le cylindre et on veille à ce que la fin de la commande ne se situe pas à droite de la ligne limite aseli- mit selon la figure 5. Les étapes de programme correspondantes sont indi- quées à la figure 3. La valeur obtenue dans le bloc 58 de la figure 4 pour la fin de consigne de commande en mode stratifié (aseconss) est limitée en fonction de la valeur limite du bloc dans un bloc de limitation 70, d'une manière connue en soi. Puis, il y a une interrogation 71 pour savoir si une limitation correspondante de l'angle d'allumage est nécessaire sachant que, l'angle d'allumage ne doit pas se situer à plus de 5 de vilebrequin en aval de la fin de l'injection. Si cela n'est pas le cas, par le bloc 72 on émet la valeur de consigne de l'angle d'allumage zwconss pour le mode stratifié. Si toutefois une li- mitation est nécessaire, cela se fait dans l'unité de limita- tion de l'angle d'allumage 73 en aval dans laquelle l'angle d'allumage est limité à une valeur (zwslimit), puis on poursuit par un champ de caractéristiques 74 dans lequel, en fonction de la valeur limite de l'angle d'allumage (zwslimit) du bloc 73 et de la valeur limite pour la fin de commande (aselimit) on émet des valeurs de consigne pour la fin de la commande et de l'angle d'allumage chaque fois en mode stratifié. R E V E N D I C A T I ONS ) Installation de commande d'un moteur à combustion interne à essence à injection directe, équipée de capteurs pour les para- mètres de fonctionnement, d'une unité de traitement de signal ainsi que l'installation de dosage et de réglage pour au moins la masse de carburant, la pression de carburant, la masse d'air et l'allumage et en plus la possibilité d'un fonctionnement en injection de carburant en mode stratifié ou en mode homogène, suivant la plage de fonctionnement du moteur à combustion in- terne, caractérisée par les étapes suivantes: 1. détermination du couple moteur nécessaire mi, 2. conversion du couple moteur mi en au moins une valeur rela- tive au débit massique de carburant dmk, au débit massique d'air dml et à l'angle d'allumage zw, 3. conversion de la valeur de débit massique de carburant dmk en des durées d'injection ticons suivant le mode de strati- fication ou le mode homogène et, 4. formation des signaux de commande pour les injecteurs (début et fin d'injection) l'organe de réglage du volet d'étranglement et du système d'allumage. 2 ) Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conversion du couple moteur mi en une valeur de débit massi- que de carburant dmk ou une valeur de débit massique d'air dml se fait en utilisant au moins la vitesse de rotation ainsi qu'un signal de rendement (pcomb) suivant le mode utilisé (mode stratifié, mode homogène) pour le moteur à combustion interne. 3 ) Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que la valeur d'injection tis du mode stratifié s'obtient à partir de la valeur du temps d'injection tih du mode homogène en te- nant compte de la pression interne du cylindre à ce moment. 4 ) Installation de commande selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que pour le mode stratifié on forme chaque fois une valeur de con- signe du début de la commande (asbconss) et la durée de com- mande (ticonss) pour les injecteurs en tenant compte des conditions de pression régnant dans le cylindre et en complé- ment on accorde entre le signal de fin de commande (aseconss) et l'angle d'allumage (zwconss).