Brevet FR2754311A1 — publié le 19980410

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de commande de la richesse du mélange air / carburant alimentant un moteur à combustion interne, et plus particulièrement à un tel procédé ou dispositif fonctionnant en boucle fermée au moyen d'une sonde de richesse des gaz d'échappement placé en amont d'un pot catalytique pour maintenir une richesse prédéterminée propre à permettre une épuration optimale des gaz. Les exigences relatives à la pollution ont conduit à équiper les moteurs à combustion interne de pots d'échappement catalytiques. Pour un fonctionnement satisfaisant de ces pots, la richesse du mélange air / carburant brûlé dans le moteur doit être maintenue dans une plage étroite autour d'une valeur prédéterminée, par exemple à la valeur stoechiométrique. On utilise pour cela une sonde de richesse, encore appelé sonde X, sensible à la teneur en oxygène des gaz d'échappement, que l'on place en amont du pot catalytique, et qui délivre un signal basculant entre deux états selon que les gaz qui baignent la sonde correspondent à un mélange riche (excès de carburant) ou pauvre par rapport à une consigne de richesse fixée. En fonction de ce signal, on modifie une quantité de base de carburant fourni au moteur déterminée à partir de conditions de fonctionnement telles que quantité d'air aspiré, régime, température, etc. Cette modification est effectuée selon une régulation proportionnelle et intégrale en fonction du signal instantané de la sonde de richesse. Cependant, cette technique de régulation souffre d'un inconvénient lié au temps de transit des gaz entre le point de préparation du mélange, coté admission du moteur et le point de mesure de la richesse, coté échappement, temps assimilable à un retard pur. Ceci a pour conséquence de limiter la fréquence des excursions de richesse de part et d'autre de la consigne, et d'en augmenter l'amplitude, et se traduit lors du vieillissement du pot catalytique, par un dépassement de sa capacité d'épuration lorsqu'il est âgé, et entraîne donc génération de pollution et coûts de maintenance élevés. On connaît de la technique antérieure, et plus particulièrement du document FR 2 594 890, un procédé de régulation dans lequel on tente de minimiser l'influence de ce retard en calculant un coefficient de correction acL en fonction d'un signal prédit de la sonde, élaboré à partir d'un modèle d'estimation de richesse. On constate cependant que cette technique entraîne une relation entre fréquence et amplitude des oscillations de richesse appliquées et pose des problèmes d'agrément de conduite pour des fréquences élevées. De plus, les perturbations du signal réel de la sonde (bruit) entraînent des erreurs dans l'ajustement du modèle utilisé et rendent ce procédé peu robuste. On connaît également du document US 5,090,199 un procédé de régulation de richesse faisant usage d'une sonde de richesse linéaire, c'est à dire une sonde pour laquelle le seuil de basculement est continûment ajustable, en amont du catalyseur. Selon ce procédé, on impose au seuil de basculement une oscillation de période et d'amplitude prédéterminées, et on ajuste la quantité réelle de carburant injectée en fonction de l'écart entre ce seuil et la richesse réelle des gaz d'échappement au niveau de la sonde. Outre son coût très élevé, ce procédé présente les désavantages classiques d'une régulation autour d'une consigne mobile, dont en particulier un risque d'instabilité lorsque la période de modification de la consigne est inférieure au retard inhérent au processus régulé. La présente invention a donc pour objet de fournir un procédé de régulation de richesse robuste qui soit simple à mettre en oeuvre, au moyen d'un dispositif associé économique. 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 commande de la richesse d'un mélange air / carburant alimentant un moteur à combustion interne équipé de moyens d'injection de carburant, de moyens de détermination de conditions de fonctionnement du moteur et d'une sonde de richesse placée dans le courant des gaz d'échappement du moteur en amont d'un pot catalytique, procédé selon lequel on détermine une quantité de base de carburant en fonction des conditions de fonctionnement et on mesure un signal sonde émis par la sonde de richesse. Selon l'invention, on impose aux moyens d'injection de carburant de délivrer une quantité réelle de carburant oscillant de part et d'autre de ia quantité de base, avec une amplitude et une fréquence d'oscillation prédéterminées, on calcule une valeur filtrée du signal sonde, et on asservit une valeur moyenne de la quantité réelle de carburant délivrée en fonction de l'écart entre la valeur filtrée du signal sonde et une valeur de consigne prédéterminée. Suivant une caractéristique importante de la présente invention, on choisit la fréquence d'oscillation voisine d'une fréquence de coupure du signal émis par la sonde de richesse. Pour s'adapter plus finement aux conditions de fonctionnement très variables du moteur, la fréquence d'oscillation est tirée d'une table en fonction du débit d'air et du régime moteur, établie expérimentalement lors de la mise au point du moteur. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, pour compenser les effets du vieillissement de la sonde, pendant un fonctionnement du moteur en régime stable, on modifie la fréquence d'oscillation, on déduit une nouvelle valeur de la fréquence de coupure du signal sonde de la variation d'amplitude de celui-ci, et on met à jour la table en fonction de la variation de la fréquence de coupure observée. Suivant une autre caractéristique importante de la présente invention, la valeur moyenne de la quantité de carburant injectée est modifiée en agissant sur le rapport cyclique de l'oscillation. L'invention propose encore un dispositif adapté pour la mise en oeuvre du procédé, comportant des moyens d'injection de carburant, des moyens de détermination de conditions de fonctionnement du moteur, au moins une sonde de richesse placé dans le courant des gaz d'échappement du moteur en amont d'un pot catalytique et un calculateur comportant un filtre adapté pour fournir une valeur filtrée d'un signal de la sonde de richesse, un régulateur adapté pour délivrer une valeur moyenne de correction en fonction de l'écart entre ladite valeur filtrée et une valeur de consigne, des moyens de détermination d'une fréquence d'oscillation prédéterminée en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, un bloc de calcul d'un coefficient de correction en fonction des dites valeur moyenne de correction et fréquence d'oscillation prédéterminée, des moyens de détermination d'une quantité de base de carburant en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, et des moyens de détermination d'une quantité réelle de carburant à partir de la quantité de base et du coefficient de correction, lesdits moyens agissant sur les moyens d'injection de carburant pour ajuster la richesse du mélange. D'autres caractéristiques et avantages du circuit suivant 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 une vue schématique d'un moteur et de la nature des gaz qui le traversent, selon les procédés de la technique antérieure et de l'invention, - la figure 2 représente des graphes temporels de la quantité de carburant injectée d'une part et du signal délivré par la sonde de richesse d'autre part, dans le procédé selon l'invention, - la figure 3 représente le signal délivré par une sonde de richesse "tout ou rien" en fonction de la richesse. - la figure 4 représente l'évolution de l'amplitude du signal de la sonde de richesse en fonction de la fréquence des oscillations de richesse, et - la figure 5 représente un moteur équipé du dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, On se réfère à la figure 1 dans laquelle on a représenté en (A) un moteur à combustion interne 1 traversé par un flux de gaz (matérialisé par des flèches) entrant par un collecteur d'admission dans lequel sont disposés des moyens d'injection de carburant 7 et sortant par un collecteur d'échappement aboutissant dans un pot catalytique 6. Une sonde de richesse 5 est disposée entre le moteur 1 et le pot 6. Cette sonde 5 renseigne un calculateur 2 sur la teneur en oxygène des gaz d'échappement, correspondant à la richesse du mélange air / carburant brûlé dans le moteur. Le calculateur 2 commande les moyens d'injection de carburant 7 en fonction de cette information. On a représenté en (B) et (C) la richesse des gaz traversant le moteur en fonction de leur position. La lettre R désigne un mélange riche et la lettre P un mélange pauvre. En (B), lorsque la commande des moyens d'injection de carburant 7 s'effectue selon la technique antérieure, le calculateur 2 commande un mélange riche tant que la sonde de richesse 5 voit un mélange pauvre. Lors de la détection d'une transition pauvre / riche au niveau de la sonde de richesse, la commande s'inverse pour obtenir un mélange pauvre au niveau des moyens d'injection de carburant 7. On constate alors que ce synchronisme entre commande et détection implique que tout le volume de gaz compris entre les moyens d'injection de carburant 7 et la sonde de richesse 5 soit alternativement riche ou pauvre. Ce volume étant important, il est donc nécessaire que le pot catalytique soit dimensionné de manière suffisante afin d'épurer le gaz d'échappement, sa saturation entraînant la génération de polluants. Au contraire, comme cela est visible en (C) sur la figure 1 et de manière plus détaillée sur les graphes de la figure 2, le procédé selon l'invention propose de commander les moyens d'injection de carburant 7 avec une fréquence F prédéterminée, de manière à obtenir une alternance riche / pauvre asynchrone par rapport à la détection réalisée par la sonde de richesse 5. On constate alors que le volume de gaz compris entre les moyens d'injection de carburant 7 et la sonde de richesse 5 est constitué d'une succession de volumes élémentaires alternativement pauvres et riches. La sonde de richesse 5 réagit à cette succession de "bouffées" de gaz alternativement riches et pauvres en fournissant au calculateur 2 un signal sonde Vs, représentatif de la richesse, oscillant à la fréquence F prédéterminée. On a représenté sur la figure 2, en (A), un graphe temporel de la quantité de carburant réelle Ti injectée dans le moteur. Le calculateur 2 a déterminé de manière classique, en fonction de conditions de fonctionnement telles que le régime de rotation et la quantité d'air aspirée, une quantité de carburant de base Tib. Le calculateur commande alors les moyens d'injection de carburant 7 de manière à fournir une quantité de carburant Ti oscillant de part et d'autre de cette quantité de base avec la fréquence F et une amplitude prédéterminée. Pour ne pas dépasser les capacités d'épuration instantanées du pot catalytique 6, et pour éviter que ces oscillations de richesse puissent être ressenties en agrément de conduite du fait des variations de couple moteur qu'elles sont susceptibles d'induire, on limite cette amplitude à + 3% de la quantité de base de carburant. Comme on l'observe sur le graphe (B) de la figure 2, le signal Vs délivré par la sonde de richesse 5 oscille avec une même fréquence F. On remarquera que si la sonde de richesse est capable de fournir un signal Vs linéaire en fonction de la richesse, il suffit alors au calculateur 2 d'intégrer ce signal, par exemple au moyen d'un filtre récursif numérique, pour obtenir une valeur filtrée Vsfil représentative de la richesse moyenne observée sur un intervalle de temps prédéterminé. Le calculateur 2 compare alors cette valeur filtrée Vsfil à une valeur de consigne Vc représentative de la richesse désirée, et agit sur les moyens d'injection de carburant 7 pour ajuster la quantité moyenne de carburant Tlmoy en fonction de l'écart mesuré. Pour cela, il suffit d'agir sur le rapport cyclique de la commande, en augmentant la durée de l'alternance riche au détriment de l'alternance pauvre ou inversement, selon que l'on veut enrichir ou appauvrir le mélange, sans modifier un rapport air / carburant prédéterminé pour chacune des alternances. On peut également agir sur la valeur de ce rapport air / carburant en augmentant ou diminuant la quantité réelle de carburant Ti instantanée sans modifier le rapport cyclique, ou encore combiner les deux méthodes. Le procédé décrit ci-dessus suppose que la sonde de richesse puisse délivrer un signal Vs linéaire en fonction de la richesse. Cependant, pour des raisons d'économies, on peut être amené à utiliser une sonde de richesse du type "tout ou rien", c'est à dire fournissant un signal basculant entre deux états "riche" ou "pauvre" selon que le rapport air / carburant est inférieur ou supérieur au mélange stoechiométrique. On a représenté à la figure 3 le signal Vs de sortie d'une telle sonde en fonction de la richesse. On remarque sur cette figure que, en dehors d'une plage de richesse très étroite centrée sur la valeur k=1 (stoechiométrie), le signal Vs prend deux états stables séparés par une amplitude maximale AVSmax, ce qui ne permet plus d'avoir une relation linéaire entre le signal Vs et la valeur de la richesse. On a néanmoins remarqué que lorsque les alternances de mélange riche / pauvre se succédaient à une fréquence suffisamment élevée, I'inertie de la sonde de richesse permettait de conserver le signal sonde Vs dans la partie linéaire de la courbe. Le procédé selon l'invention tire parti de cette observation en utilisant pour la fréquence F prédéterminée une fréquence voisine de la fréquence de coupure Fc du signal sonde. Cette fréquence de coupure Fc peut être déterminée lors d'essais de mise au point du moteur, comme le montre la figure 4, en faisant varier la fréquence F des oscillations de richesse et en observant l'amplitude du signal sonde Vs. Avantageusement, on effectue ces essais dans différentes conditions de fonctionnement du moteur, et on en mémorise le résultat sous la forme d'une table des fréquences F d'oscillation de richesse en fonction du régime moteur et de la quantité d'air aspiré. Pour prendre en compte des variations de la fréquence de coupure Fc en fonction du vieillissement de la sonde de richesse, on met à jour la table des fréquences en procédant périodiquement à un étalonnage de la fréquence de coupure. Pour ce faire, on profite d'un fonctionnement du moteur en régime stabilisé, comme par exemple au ralenti ou à vitesse stabilisée sur autoroute, pour modifier la fréquence des oscillations de richesse, et observer la variation d'amplitude AVs du signal Vs. Lorsque le coude représenté à la figure 4 est détecté, on en déduit une nouvelle valeur de la fréquence de coupure Fc, que l'on compare à la fréquence mémorisée dans la table pour les mêmes conditions, et on modifie les valeurs de fréquences de la table en fonction de l'écart enregistré. On se réfère maintenant à la figure 5 du dessin, où on a représenté un moteur à combustion interne 1 équipé, comme on l'a vu en relation avec la figure 1, d'un pot catalytique 6, d'une sonde de richesse 5 placée entre le moteur et le pot, et de moyens d'injection de carburant 7. Le moteur est en outre équipé d'un débitmètre 3 et d'un capteur de régime de rotation 4 propres à fournir à un calculateur 2 la quantité d'air aspiré Q et le régime N. Ces valeurs peuvent bien sur être obtenues par des moyens équivalents, le débitmètre pouvant être remplacé par un capteur de pression, en association avec le régime, comme cela est connu en soi. Le calculateur 2 comporte des moyens 21 de détermination de la quantité de base Tib de carburant, moyens constitués classiquement par une table de temps d'injection explorée par interpolation en fonction des valeurs Q et N. Cette quantité de base Tib est ensuite fournie à des moyens 22 de détermination de la quantité réelle Ti de carburant qui calculent un temps d'injection à appliquer à chaque injecteur à partir de la quantité de base Tib et d'un coefficient de correction ccc,, par une formule du type Ti = Tib x (l+occ). Bien entendu, des corrections additionnelles peuvent être appliquées pour tenir compte de paramètres tels que la température du liquide de refroidissement, etc. Ces corrections additionnelles n'étant pas essentielles pour l'invention, ne seront pas considérées plus avant. Le coefficient de correction oCcL qui permet d'ajuster la richesse du mélange air / carburant est élaboré à partir du signal Vs fourni au calculateur 2 par la sonde de richesse 5. Le signal sonde Vs est d'abord traité par un filtre 23, par exemple du type récursif, qui délivre une valeur filtrée Vsfil de ce signal par une formule du type Vsfil(i)= K1 x Vsfil(i-1) + K2 x Vs(i) où Vsfil(i) et Vsfil(i-1) sont les valeurs filtrées à l'instant i et i-1, Vs(i) est la valeur du signal Vs à l'instant i, obtenue par un convertisseur analogique numérique à échantillonnage, et K1 et K2 sont des coefficients tels que K1 + K2 = 1 permettant le réglage de l'horizon de filtrage. La valeur filtrée Vsfil est ensuite utilisée conjointement avec une valeur de consigne Vc de la richesse dans un régulateur 26, par exemple du type proportionnel, intégral et dérivé, pour déterminer une valeur moyenne de correction oCmoy, par exemple sous la forme d'une valeur de rapport cyclique, comme on l'a vu précédemment. Par ailleurs, la quantité d'air aspiré Q et le régime N sont également fournis à des moyens 24 de détermination de la fréquence d'oscillation F qui délivrent celle-ci à un bloc 25 de calcul du coefficient de correction OcOL. Ce bloc 25 détermine à chaque instant la valeur du coefficient de correction (xc, en fonction de l'amplitude d'oscillation prédéterminée, de la valeur moyenne de correction amoy, et de la fréquence d'oscillation F prédéterminée. Par exemple, si on note A l'amplitude prédéterminée, et que la valeur moyenne de correction amOy est exprimée sous la forme d'un rapport cyclique RCO, le coefficient de correction (xc, vaudra +A pendant une durée T1 = RCO et pendant la durée complémentaire T2 = 1- RCO 2xF 2xF On a ainsi décrit un procédé et un dispositif de commande de richesse, qui permettent d'utiliser une sonde de richesse de type "tout ou rien" plus économique qu'une sonde linéaire, tout en en tirant des informations susceptibles de permettre un suivi précis de la consigne de richesse. On constate ainsi que ce procédé et ce dispositif peuvent être utilisés pour asservir la richesse du mélange air / carburant même pendant les phases transitoires de fonctionnement du moteur, telles qu'accélérations et décélérations, ce qu'il n'était pas possible de réaliser avec les dispositifs de la technique antérieure. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de la richesse d'un mélange air / carburant alimentant un moteur à combustion interne (1) équipé de moyens d'injection (7) de carburant, de moyens (3, 4) de détermination de conditions de fonctionnement (Q, N) du moteur et d'une sonde de richesse (5) placé dans ie courant des gaz d'échappement du moteur en amont d'un pot catalytique (6), procédé selon lequel on détermine une quantité de base (Tib) de carburant en fonction des conditions de fonctionnement (Q, N), on mesure un signal sonde (Vs) émis par la sonde de richesse (5), caractérisé en ce que on impose aux moyens d'injection (7) de carburant de délivrer une quantité réelle (Ti) de carburant oscillant de part et d'autre de la quantité de base, avec une amplitude et une fréquence d'oscillation (F) prédéterminées, on calcule une valeur filtrée (Vsfil) du signal sonde (Vs), e et on asservit une valeur moyenne de la quantité réelle de carburant délivrée en fonction de l'écart entre la valeur filtrée (Vsfil) du signal sonde (Vs) et une valeur de consigne (Vc) prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude de l'oscillation est limitée à + 30/o. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation (F) est voisine d'une fréquence de coupure (Fc) du signal émis par la sonde de richesse. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation (F) est tirée d'une table en fonction du débit d'air (Q) et du régime moteur (N) établie expérimentalement lors de la mise au point du moteur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pendant un fonctionnement du moteur en régime stable, on modifie la fréquence d'oscillation (F), on déduit une nouvelle valeur de la fréquence de coupure (Fc) du signal sonde de la variation d'amplitude (AVs) de celui-ci, et on met à jour la table en fonction de la variation de la fréquence de coupure observée. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur moyenne de la quantité de carburant injectée est modifiée en agissant sur le rapport cyclique de l'oscillation. 7. Dispositif de commande de la richesse d'un mélange air / carburant alimentant un moteur à combustion interne (1) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type comportant des moyens d'injection (7) de carburant, des moyens (3, 4) de détermination de conditions de fonctionnement (Q, N) du moteur, au moins une sonde de richesse (5) placé dans le courant des gaz d'échappement du moteur en amont d'un pot catalytique (6), et un calculateur (2), caractérisé en ce que le calculateur comporte un filtre (23) adapté pour fournir une valeur filtrée (Vsfil) d'un signal (Vs) de la sonde de richesse, un régulateur (26) adapté pour délivrer une valeur moyenne de correction (amont) en fonction de i'écart entre ladite valeur filtrée et une valeur de consigne (Vc) des moyens (24) de détermination d'une fréquence d'oscillation (F) prédéterminée en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, un bloc de calcul (25) d'un coefficient de correction (ces) en fonction des dites valeur moyenne de correction (ccmOy) et fréquence d'oscillation (F) prédéterminée, des moyens de détermination (21) d'une quantité de base (Tib) de carburant en fonction des conditions de fonctionnement (Q, N) du moteur, et des moyens de détermination (22) d'une quantité réelle (Ti) de carburant à partir de la quantité de base et du coefficient de correction, lesdits moyens agissant sur les moyens d'injection de carburant (7) pour ajuster la richesse du mélange.