Brevet FR2752267A1 — publié le 19980213

l Etat de la technique L'invention concerne une installation de commande d'un moteur à combustion interne à essence à injection di- recte. Le document DE-43 32 171-A1 décrit un procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne à quatre temps avec allumage commandé et injection directe ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce document montre en figure 2 l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur à combustion interne divisé en plusieurs zones en fonction de la vitesse de rotation (régime) et la charge; suivant la plage de fonctionnement instantanée, le carburant est injecté soit pendant la phase d'aspiration soit pendant la phase de compression. Pour l'injection pendant la phase d'aspiration, du fait du temps disponible jusqu'à l'allumage et de la turbulence du carburant injecté provoqué par le cou- rant d'air d'aspiration, on arrive à une distribution très homogène du carburant (mode de fonctionnement homogène) alors que dans le cas de l'injection dans la phase de compression, on a eu un remplissage stratifié (mode de fonctionnement stratifié). Dans ce dispositif connu, un appareil de commande électronique utilise différents paramètres de fonctionnement et des critères prédéterminé pour commuter entre le mode ho- mogène et le mode stratifié; il détermine également les va- leurs des injections. Le document DE-42 39 711-A1 concerne un " procédé et dispositif pour commander un véhicule ". Les différents systèmes partiels dont l'un est un système de commande de mo- teur définissent des interfaces permettant d'échanger des in- formations relative au couple pour commander le véhicule. Un document ancien non publié préalablement (DE- 1 96 18 385.5 du 08.05.1996), décrit une installation de com- mande pour influencer l'alimentation en air d'un moteur à combustion interne; une valeur de consigne pour le couple ou la puissance du moteur est prescrite au moins en fonction du souhait du conducteur. Cette valeur est convertie en une va- leur de réglage de consigne pour l'installation de réglage agissant sur l'alimentation en air; pour la conversion on tient compte des coefficients de correction pour influencer les flux complémentaires de moyens de fonctionnement, que n'influence pas l'installation de réglage et/ou représente les conditions de pression et de température dans la tubulure d'aspiration. A partir de la valeur de consigne du couple ou de la valeur de consigne de la puissance, en tenant compte du régime du moteur on forme une valeur de consigne pour le rem- plissage des cylindres; de cette valeur on déduit une valeur de consigne du débit massique d'air pour la masse d'air ali- mentant les cylindres. Il est en outre prévu un régulateur de masse d'air ou de remplissage qui forme une valeur de correction à partir du flux massique d'air de consigne ou de la valeur de remplissage de consigne, après indication de la valeur réelle correspondante; cette valeur de correction est ajoutée à la valeur de consigne et forme ainsi le flux massique d'air de consigne à l'entrée de la tubulure d'aspiration. Ce flux mas- sique d'air, de consigne à l'entrée de la tubulure d'aspiration est corrigé avec des flux massiques d'air sup-20 plémentaires tels que l'air de fuite et/ou le flux massique d'air passant par la soupape de ventilation du réservoir pour former le flux d'air massique de consigne au niveau de l'installation de réglage. Ce flux massique d'air de consigne dans l'installation de réglage est converti en un flux volu- mique de consigne tenant compte des conditions de pression en amont et en aval du volet d'étranglement, de la pression en amont du volet d'étranglement et/ou de la température de l'air en amont du volet d'étranglement. A partir du flux vo- lumique de consigne, après indication d'une courbe caracté- ristique prédéterminée, on déduit finalement un angle de consigne pour l'installation de réglage. La demande antérieure, non publiée, DE- 1 96 12 150.7 du 27.03.1996, prévoit une installation de com- mande pour un moteur à combustion interne à essence à injec- tion directe comprenant des capteurs déterminant les paramètres de fonctionnement, une unité de traitement signale ainsi que des installation de réglage au moins pour le carbu- rant, la pression du carburant, la masse d'air et l'allumage; cette installation offre en outre la possibilité d'injecter le carburant en mode stratifié ou mode homogène, selon la plage de fonctionnement du moteur à combustion in- terne. On convertit un couple moteur de consigne en une va- leur pour le débit de carburant. A partir de cette valeur on définit le débit massique d'air. En fonction du débit de car- burant on règle les temps d'injection suivant le mode de fonctionnement stratifié ou homogène et en fonction du débit massique d'air on règle la position du volet d'étranglement. A la conversion du couple moteur en une valeur de débit mas- sique de carburant, on utilise au moins le régime du moteur et un signal de rendement du moteur dépendant du mode de fonctionnement en cours (mode stratifié, mode homogène). Le rendement s'obtient à partir des champs de caractéristiques couple/vitesse de rotation suivant le mode de fonctionnement respectif (mode stratifié/mode homogène). Les moteurs à essence à injection directe sont en principe des moteurs utilisant un mélange pauvre dont l'avantage d'une faible consommation résulte entre autre du fonctionnement pratiquement non étranglé ou de la suppression des pertes de charges au niveau du volet d'étranglement. Pour optimiser la consommation tout en dominant en même temps la combustion ou les émissions et pour fournir une puissance suffisante on peut avoir trois états de fonctionnement: 1. un fonctionnement avec un mélange extrêmement pauvre, avec stratification de l'alimentation par injection tardive de carburant, 2. fonctionnement avec un mélange relativement pauvre avec un mélange air/carburant homogène, 3. fonctionnement avec un mélange stoechiométrique avec étranglement. Le changement entre ces différents états de fonc- tionnement qui doit se faire aussi rapidement que possible pour réduire les émissions polluantes, est toutefois diffi- cile à cause de la relation entre la pédale d'accélérateur et le couple car à l'instant de l'inversion il y a une modifica- tion du couple moteur non voulue par le conducteur (cette mo- dification du couple dépend du rapport air/carburant). La présente invention a pour but de développer des moyens appropriés pour commander l'opération d'inversion de commutation entre les modes de fonctionnement, permettant d'avoir une stratégie de commutation simple, qui s'exécute avec un grand confort et/ou avec de multiples variantes. A cet effet l'invention concerne une installation du type défini ci- dessus caractérisée en ce qu'il comprend une unité de commande électronique qui commute le fonctionne- ment de l'injection de carburant sur le mode homogène ou le mode stratifié en tenant compte d'au moins un paramètre de fonctionnement, et en autre influence un élément de réglage pour régler l'alimentation en air du moteur à combustion in- terne, et à la commutation entre ces modes de fonctionnement, l'élément de réglage est déplacé de manière définie notamment de façon brutale pour que le couple du moteur soit pratique- ment identique avant et après la commutation. Avantages de l'invention La solution selon l'invention permet de commander la commutation entre le mode stratifié et le mode homogène. Il est particulièrement avantageux que la commu- tation se fasse sans modification brutale du couple. Cela améliore avantageusement le confort du véhicule. Il est particulièrement avantageux que la commu- tation soit effectuée essentiellement par l'action de la va- leur de consigne relative à l'angle du volet d'étranglement pour que la mise en oeuvre de la solution selon l'invention puisse utiliser les structures existantes du réglage du volet d'étranglement. La température des gaz d'échappement en mode stratifié est inférieure à celle du mode homogène. Le cas échéant on peut passer en dessous de la température de fonc- tionnement d'un catalyseur à trois voies. La commutation of- fre la possibilité d'augmenter la température des gaz d'échappement dans des états de fonctionnement choisis. En modifiant par commutation on peut ainsi remettre un cataly- seur à trois voies, à la température de fonctionnement. Une commutation optimale permet d'utiliser un ca- talyseur NOX sans détériorer le confort de fonctionnement. Pour dégager le catalyseur accumulateur NOX, il faut un mode homogène avec un coefficient lambda (X), défini (de préfé- rence k Un autre avantage de la commutation est de pou- voir commuter à tout instant sans difficulté pour passer vers des états de charge permettant le mode stratifié, pour acti- ver de préférence la ventilation du réservoir en mode homo- gène. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: * l'élément de réglage est un volet d'étranglement à commande électrique, * pour la commutation, la valeur de consigne de l'élément de réglage est déplacée de manière définie, * à la commutation de réglage d'une valeur pendant le mode stratifié, on règle sur une valeur de consigne déduite du souhait du conducteur, * on forme une valeur de couple de consigne mi_cons au moins à partir du souhait du conducteur, * à partir de la valeur de consigne du couple mi_cons on forme une valeur pour la masse de carburant injectée et à partir de cette masse de carburant, en tenant compte du rapport air/carburant souhaité, on forme une valeur pour la masse d'air, * à partir de la valeur du couple de consigne mi_cons on forme une valeur pour la masse de carburant à injecter et à partir du couple de consigne en tenant compte de la vitesse de rotation et du rapport air/carburant souhaité on forme une valeur pour la masse d'air, * à partir d'une valeur de consigne de la masse d'air, on forme une valeur de consigne pour l'angle du volet d'étranglement en mode homogène, * en mode stratifié le moteur fonctionne pratiquement sans étranglement, en mode stratifié le volet d'étranglement est un angle pré- déterminé par exemple à 90 , * la quantité de carburant à injecter et/ou l'angle d'allumage en mode homogène sont corrigés en tenant compte des différences de rendement et/ou d'opération d'évacuation de remplissage de la tubulure d'aspiration, * la commutation se fait en fonction du couple de consigne, * la compensation du couple plus élevé est utilisée pendant l'opération de commutation du mode stratifié vers le mode homogène pour augmenter la température des gaz d'échappement (pour chauffer un catalyseur à trois voies). Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 montre un système à rail commun pour un moteur à essence à injection directe, * la figure 2 montre le diagramme du rapport air/carburant et la position du volet d'étranglement en fonction du couple de consigne correspondant à un exemple de réalisation pré- férentielle, * la figure 3 explique dans le cas d'un exemple préférentiel, la procédure de base à la commutation entre le mode strati- fié et le mode homogène, * la figure 4 montre un mode de réalisation permettant d'influencer l'angle du volet d'étranglement, * la figure 5 montre chronogrammes de signaux caractéristi- ques obtenus par la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre un système à rail commun pour un moteur à essence à injection directe. Les injecteurs qui débouchent directement dans la chambre de combustion sont commandés par des lignes de commande à partir d'un appareil électronique de commande du moteur. Le carburant est fourni aux injecteurs par des conduites appropriées à partir d'une barrette de distribution dans laquelle règne une pression va- riable mais réglable. Cette pression est détectée par un cap- teur pour être fourni à l'appareil de commande électronique et être réglé par celui-ci à l'aide d'une soupape de commande de pression. La pression régnant dans la barrette est fournie par une pompe haute pression. La carburant est pompé dans la barrette de distribution par une pompe électrique à carburant commandée par l'appareil de commande. Le dessin ne montre pas le volet d'étranglement à commande électrique actionné par l'appareil de commande et se trouvant dans la tubulure d'aspiration d'air du moteur à combustion interne. L'appareil de commande règle les temps d'injection, la position du volet d'étranglement, la pression dans la barrette de distribution et l'angle d'allumage comme cela est connu en principe selon l'état de la technique; ce réglage ce fait selon les diffé- rents paramètres de fonctionnement fournis par les différents capteurs. Selon l'invention l'essentiel est de résoudre le problème évoqué cidessus en permettant par l'utilisation d'un volet d'étranglement commandé par un moteur électrique15 et le découplage qui en résulte entre la pédale d'accélérateur et le volet d'étranglement, de compenser la variation de couple (provoquée par la variation du rapport air/carburant) pour une variation correspondante de remplis- sage. Dans un but de simplification, on considérera ci-après un changement direct passant du mode stratifié pauvre au mode homogène stoechiométrique (voir figure 2). La figure 2 montre la commutation entre le mode stratifié et le mode homogène. Jusqu'à une certaine valeur de consigne du couple du moteur on est pratiquement en mode non étranglé (position du volet d'étranglement par exemple, cons- tante à 90 ) pour un fonctionnement avec un mélange extrême- ment pauvre et stratification de l'alimentation par injection retardée du carburant. Puis on passe au mode stoechiométrique avec étranglement et mélange essentiellement homogène air/carburant (ou encore en mode pauvre avec un mélange homo- gène). Alors que dans le mode stratifié, le remplissage en air des cylindres est sans importance pour le couple et le rapport air/carburant qui s'établit et doit simplement rester au-dessus d'un seuil prédéterminé, le mode stoechiométrique nécessite le dosage du carburant en fonction de la masse d'air aspirée. Pour éviter des variations de couple, brutales le volet d'étranglement est réglé sur une valeur pour le pas- sage qui fournit également par le mode stoechiométrique, le couple prédéterminé en général par le conducteur et qui était déjà réglé en mode stratifié. Par la compensation de la va- riation de couple provoquée par la variation brusque du coef- ficient lambda, en changeant le remplissage à l'aide du volet d'étranglement à commande électrique, on évite d'une part une plage de valeurs défavorable pour l'émission, par le coeffi- cient lambda du rapport air/carburant et d'autre part on réa- lise une liaison continue entre la pédale d'accélérateur et le couple dans toute la plage des couples de consigne (plage du souhait du conducteur). La figure 3 est un schéma fonctionnel du compor- tement exposé à la figure 2 comme schéma par blocs. Selon un exemple de réalisation préférentiel, les différents blocs re- présentent des programmes d'un micro-ordinateur dont l'exécution donne la fonction chaque fois décrite. La valeur de consigne du couple mi_cons, dépendant au moins du souhait du conducteur, qui a été indiqué dans l'état de la technique, est fourni à la fois à un programme pour convertir le couple de consigne en une quantité de carburant et à un programme déterminant la commutation entre le mode stratifié et le mode homogène. La conversion du couple en une masse de carburant se fait en tenant compte du régime et du rendement correspon- dant (mode stratifié/mode homogène). La commutation se fait en fonction du signal binaire complémentaire b_sch_dk qui re- présentent le signal de commutation entre les modes de fonc- tionnement. En fonction du couple de consigne (lors du dépassement d'un seuil), d'un champ de caractéristiques de charges/vitesse de rotation et/ou de fonctions telles que la30 ventilation du réservoir, la réinjection des gaz d'échappement, les exigences relatives au catalyseur (catalyseur pour un mélange pauvre, catalyseur NOX, cataly- seur à trois voies, etc...). Par exemple, si l'on commute sur le mode homo- gène, le couple de consigne dépasse un seuil prédéterminé, par exemple si le conducteur souhaite un couple plus élevé. A partir de la masse de carburant ou du couple de consigne, le programme " calcul de la masse d'air de consigne pour le mode homogène " en tenant compte de la valeur de consigne lam cons du rapport air/carburant donne une masse de consigne d'air mpcons. La valeur de consigne lam cons représente un coeffi- cient avec lequel il faut multiplier la valeur de la masse de carburant pour que le réglage de l'alimentation en air pour une masse de carburant donnée fournisse le rapport de consi- gne (en mode homogène). Il est clair que l'on tient compte d'autres constantes décrivant la conversion d'une masse de carburant en une masse d'air. La valeur de consigne de la masse d'air mp_cons est appliquée à un programme " calcul de la valeur de consigne de l'angle du papillon d'étranglement "; ce programme est représenté de manière plus détaillée à la figure 4; en tenant compte du signal de commutation b_sch_dk, on forme une valeur de consigne wdkcons pour le réglage du papillon d'étranglement. Cette valeur de consigne est alors régulée par une boucle de régu- lation de position. La quantité de carburant (quantité relative de carburant rk') obtenue à partir du couple de consigne et de la vitesse de rotation, tient compte déjà de préférence des différences de rendement stationnaire entre les deux modes de fonctionnement comme dans l'état de la technique cité dans le préambule, en partant des champs de caractéristiques cou- ple/régime. Cette masse de carburant est corrigée en un point de correction (par exemple un point de multiplication) avec un coefficient de correction pour le mode homogène. Cette va- leur de correction est formée en fonction du signal de commu- tation b_sch_dk et du temps ou du nombre de temps actifs depuis le moment de la commutation du mode stratifié au mode30 homogène. Le module partiel " correction de carburant pour le mode homogène " tient compte dans ses opérations non station- naires (c'est-à-dire notamment dans le cas de la commutation décrite ici) de l'opération de remplissage ou d'évacuation connue, dans la tubulure d'aspiration. Le signal de commuta-35 tion b_schdk peut également servir à d'autres modules fonc- tionnels dépendant de la nature de l'introduction du mélange (par exemple allumage, régulation lambda, ventilation du ré- servoir, etc...) Cela est représenté pour l'allumage dans l'état de la technique évoqué dans le préambule. Dans cet état de la technique on modifie l'angle d'allumage suivant le mode de fonctionnement; en mode homogène on utilise les stratégies habituelles alors que pour le mode de stratifica- tion on accorde l'angle d'allumage à la fin calculée de l'injection. La figure 4 montre une image structurelle de la fonction partielle " calcul de la valeur de consigne de l'angle du papillon d'étranglement ". En relation avec le signal de commutation binaire b_sch_dk (voir figure 3) on commute l'angle du papillon d'étranglement entre la valeur pour le mode de stratification (par exemple ouverture totale de 90 ) et une valeur dépendant de la masse d'air wdk_hom pour le mode homogène. Cette valeur s'obtient à partir d'un champ de caractéristiques en fonction de la masse d'air de consigne mp_cons (voir figure 3) et le régime. Les erreurs dans ce champ de caractéristiques sont compensées par le signal de réglage d'un régulateur de masse d'air. Le régulateur de masse d'air forme un signal de cor- rection fmp_cons pour la masse d'air de consigne dépendant de la différence entre la masse d'air de consigne et la masse d'air réelle. Ce signal de correction est appliqué à la va- leur de consigne mpcons de préférence par multiplication. En outre selon l'état de la technique évoqué dans le préambule, on peut tenir compte d'autres coefficients tels que l'influence de la fonction de ventilation du réservoir, de l'air de fuite, des conditions de pression et de température régnant dans la tubulure d'aspiration etc... Pour les appli- cations on peut commuter la valeur de consigne de l'angle du volet d'étranglement wdk_cons qui, en mode homogène corres- pond à la valeur de consigne wdk_hom et pour le mode strati- fié, de préférence à une valeur fixe par exemple égale à 90 , le moteur étant alors pratiquement non étranglé; on peut alors commuter sur une valeur fixe wdk_app. Cela se fait en relation avec un signal bwdkapp fourni pour l'application. La figure 5 montre les courbes caractéristiques en fonction du temps. Le moteur fonctionne alors tout d'abord en mode stratifié. A un certain moment on commute sur le mode homogène (voir figure 5a). L'angle du volet d'étranglement qui était jusqu'alors à 90 est réduit brutalement (voir fi- gure 5b). La pression dans la tubulure d'aspiration chute toutefois plus lentement (figure 5c). La forme de la courbe de vitesse de rotation au niveau de la commutation est prati- quement constante et en tenant compte de la correction de carburant pendant la transition cela permet des améliorations considérables pour le mode homogène (figure 5d, 5e). Dans le présent exemple, on commute du mode non étranglé au mode avec un mélange stoechiométrique. Dans d'autres réalisations on commute du mode stratifié à un fonc- tionnement avec un mélange relativement pauvre à un mélange essentiellement homogène. On utilise la même procédure; en tenant compte de la valeur de consigne lam_cons pour former la masse d'air de consigne, le volet d'étranglement se règle automatiquement pour donner le rapport souhaité. Selon un autre mode de réalisation, en mode de stratification on règle le volet d'étranglement non pas à 90 mais sur d'autres angles dépendant le cas échéant des paramè- tres de fonctionnement. Ces valeurs sont choisies en général pour que le moteur fonctionne pratiquement sans étranglement. On arrive également à un comportement correspon- dant dans le cas inverse c'est-à-dire lorsqu'on commute du mode homogène sur le mode stratifié. A côté d'une valeur de couple de consigne, dans un autre mode de réalisation on fixe une valeur de consigne de la puissance du moteur à combustion interne. R E V E N D I C A T IONS ) Installation de commande pour un moteur à combustion in- terne à essence, à injection directe, caractérisée en ce qu' il comprend une unité de commande électronique qui commute le fonctionnement de l'injection de carburant sur le mode homo- gène ou le mode stratifié en tenant compte d'au moins un pa- ramètre de fonctionnement, et en outre influence un élément de réglage pour régler l'alimentation en air du moteur à com- bustion interne, et à la commutation entre ces modes de fonc- tionnement, l'élément de réglage est déplacé de manière définie notamment de façon brutale pour que le couple du mo- teur soit pratiquement identique avant et après la commuta- tion. 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de réglage est un volet d'étranglement à commande électrique. 3 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que pour la commutation, la valeur de consigne de l'élément de réglage est déplacée de manière définie. 4 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' à la commutation de réglage d'une valeur pendant le mode stratifié, on règle sur une valeur de consigne déduite du souhait du conducteur. ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' on forme une valeur de couple de consigne mi_cons au moins à partir du souhait du conducteur. ) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu' à partir de la valeur de consigne du couple micons on forme une valeur pour la masse de carburant injectée et à partir de cette masse de carburant, en tenant compte du rapport air/carburant souhaité, on forme une valeur pour la masse d'air. 7 ) Installation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu' à partir de la valeur du couple de consigne micons on forme une valeur pour la masse de carburant à injecter et à partir du couple de consigne en tenant compte de la vitesse de rota- tion et du rapport air/carburant souhaité on forme une valeur pour la masse d'air. 8 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' à partir d'une valeur de consigne de la masse d'air, on forme une valeur de consigne pour l'angle du volet d'étranglement en mode homogène? 9 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' en mode stratifié le moteur fonctionne pratiquement sans étranglement. 100) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' en mode stratifié le volet d'étranglement est un angle prédé- terminé par exemple à 90 . 11 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la quantité de carburant à injecter et/ou l'angle d'allumage en mode homogène sont corrigés en tenant compte des différen- ces de rendement et/ou d'opération d'évacuation de remplis- sage de la tubulure d'aspiration. 12 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la commutation se fait en fonction du couple de consigne. I) 13 ) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la compensation du couple plus élevé est utilisée pendant l'opération de commutation du mode stratifié vers le mode ho- mogène pour augmenter la température des gaz d'échappement (pour chauffer un catalyseur à trois voies).