Brevet FR2780094A1 — publié le 19991224

La présente invention concerne un système de commande d'action- neurs électriques de soupapes d'un moteur à distribution variable notamment de véhicule automobile. De tels moteurs comportent des soupapes d'admission et/ou des sou- papes d'échappement qui sont pilotées par des actionneurs électromécaniques. Ce type de moteur dispose donc de nombreux degrés de liberté, ren- dant de ce fait nettement plus complexe sa commande associée. Jusqu'à présent deux points principaux ont limité le développement de ces moteurs. Le premier point concerne la technologie même des actionneurs qui est aujourd'hui relativement fiable et peut donc être appliquée en grande série. Le deuxième point concerne le système de commande et de contrôle des actionneurs. En effet, ce type de moteur nécessite des moyens électroni- ques relativement complexes qui ne sont devenus disponibles que depuis quel- ques années, car seul un pilotage optimal des actionneurs permet d'exploiter au mieux le potentiel complet du moteur. Ce rôle revient aux moyens de contrôle du moteur dont la structure en est complètement modifiée, car ils doivent prendre en compte pour un moteur à distribution variable, un grand nombre de variables de commande. En effet, I'apport en air n'est plus assuré par un papillon au niveau d'un répartiteur d'admission, mais chacune des soupapes d'admission et d'échappement de chaque cylindre du moteur est pilotée indépendamment des autres. Ainsi, pour un moteur de ce type à quatre cylindres et seize soupapes, le système de contrôle du moteur doit gérer seize variables de commande contre une seule pour un moteur traditionnel. Un système de contrôle de moteur classique s'appuie de façon géné- rale sur un contrôle par cartographies de commande, c'est-à-dire des tables de points de fonctionnement dont les entrées sont des grandeurs mesurées, telles que par exemple le régime moteur, la pression collecteur, etc..., et les sorties représentent la commande de l'actionneur à piloter, c'est-à-dire par exemple les injecteurs, I'angle papillon, etc... Dans le cas d'un moteur à distribution variable avec seize entrées d'air à piloter, I'établissement de telles cartographies est impossible pour deux raisons principales, à savoir d'une part, leur dimension en termes d'entrée/sortie bien trop importante, car elles devraient comporter plus de quatre entrées et huit sor- ties (les angles d'ouverture et de fermeture des soupapes), et d'autre part, la commande des actionneurs, représentant l'inverse du processus à piloter, qui ne peut pas être construite directement par cartographies, le processus n'étant pas directement réversible. Ainsi, un système de contrôle de moteur utilisant des cartographies ne peut pas rendre compte du fonctionnement complet d'un moteur à distribution variable. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, I'invention a pour objet un système de commande d'ac- tionneurs électriques de soupapes d'un moteur à distribution variable notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une unité centrale de traitement d'informations de pilotage des actionneurs, dans laquelle sont inté- grées des entités logicielles réparties par groupes: a) d'entités logicielles de véhicule recevant en entrée une consigne de pilotage du moteur et différentes informations relatives aux contraintes de fonc- tionnement du véhicule pour délivrer une consigne de couple, b) d'entités logicielles de moteur recevant en entrée la consigne de couple et différentes informations relatives aux conditions de fonctionnement du moteur pour délivrer une consigne de travail instantané pour chaque cylindre du moteur, c) d'entités logicielles de combustion, pour chaque cylindre du moteur, recevant en entrée la consigne de travail instantané et différentes informations relatives au fonctionnement du cylindre pour délivrer en sortie des informations de commande des actionneurs associés au cylindre correspondant, d) d'entités logicielles d'énergie recevant en entrée les informations de commande des actionneurs pour contrôler le fonctionnement de ceux-ci, et e) d'entités logicielles de commande des actionneurs recevant en en- trée, les informations de commande correspondantes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va sui- vre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin an- nexé qui représente un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un système de commande selon l'invention. On a indiqué précédemment qu'une organisation logicielle classique d'un système de contrôle de moteur est inadéquate pour le pilotage d'un moteur à distribution variable. En effet, chaque bloc fonctionnel de régulation ou d'asservissement est traité sur un même plan et souvent de manière concurrente vis-à-vis d'une autre régulation. Face au grand nombre de variables à piloter pour un tel moteur, un découpage en blocs fonctionnels n'est donc plus suffisant. La présente invention propose d'établir une hiérarchisation dans le pilotage du moteur. L'objectif de ceci est double et consiste d'une part, à rendre indépen- dants les différents modules de commande et d'autre part, à réduire pour la plu- part de ces modules, le nombre de variables de contrôle. Le but principal du système de commande selon l'invention est d'assu- rer un pilotage optimal en couple pour chaque point de fonctionnement du mo- teur et d'intégrer efficacement l'agrément de conduite du véhicule ainsi que les contraintes portant sur la consommation et la dépollution. Cette prise en compte est réalisée en modifiant la structure logicielle du système de contrôle de moteur et en imposant une hiérarchisation des diffé- rents blocs de commande. Cette commande a donc pour objectif de piloter le moteur en temps que source de couple quasi-idéale en respectant dans tout son domaine de fonctionnement des contraintes dynamiques qui sont imposées par deux élé- ments, à savoir d'une part, l'élément conducteur/véhicule concernant les fonc- tions d'agréments de conduite, de confort, de dialogue avec les systèmes de freinage et de stabilité, etc.. et d'autre part, l'élément environnement concernant les contraintes portant sur la consommation et les émissions polluantes. Ainsi, une décomposition en deux niveaux de commande est implicite. Cette décomposition se rapporte alors à un système pour la commande du véhi- cule qui permet d'introduire un typage dynamique du véhicule en fonction du conducteur et des contraintes environnementales. Les commandes à ce niveau sont complètement découplées du moteur et gèrent uniquement l'intégration du moteur au sein du véhicule. Le moteur est donc uniquement modélisé comme une source de cou- ple avec sa constante de temps caractéristique. Le résultat de toutes ces com- mandes est traduit en consigne de couple et ensuite transmis à un système pour la commande du moteur qui convertit cette consigne en commande d'action- neurs, en choisissant un optimum suivant la consommation et les émissions pol- luantes. Le dosage en air dans le moteur ainsi que le calcul de l'avance à l'al- lumage se font donc automatiquement en fonction de cette consigne en couple pour chaque cylindre du moteur à chaque demi-tour. Cette structure permet d'adapter le dosage en air en fonction de cha- que point de fonctionnement et de préserver toujours le rendement de combus- tion optimal. Chaque cylindre du moteur est donc gérer de façon complètement indépendante des autres cylindres et le couple moyen engendré par le moteur peut être réparti de n'importe quelle façon entre tous les cylindres de ce moteur. Ainsi, pour chaque cylindre, deux choix en temps réel sont fait, à sa- voir d'une part, I'activation ou non du cylindre et d'autre part, la configuration des soupapes actives par cylindre. Une telle commande permet une gestion complète du moteur en ex- ploitant ses degrés de liberté. Il s'agit alors de permettre un découplage de commande de haut niveau, c'est-à-dire de commande de véhicule (typage, agrément de conduite, etc..) et de commande en couple du moteur (prise en compte dynamique des contraintes de pollution, consommation, etc). Ainsi les commandes de véhicule sont génériques et non plus spécifiques à un véhicule (véhicule + transmission + moteur). Cette structure de commande permet également d'introduire un ty- page dynamique du véhicule, c'est-à-dire des caractéristiques d'agrément de conduite différentes, suivant la volonté du conducteur ou suivant le contexte en- vironnemental. Ces caractéristiques ne remettent pas en cause le fonctionnement nominal du moteur o la commande moteur assure la fourniture en couple sui- vant le critère d'optimisation fixé par le système véhicule. Ainsi ce type de commande permet de réduire notablement la con- sommation en ayant une meilleure gestion de l'agrément de conduite. On a représenté sur la figure annexée, la structure générale d'un sys- tème de commande d'actionneurs permettant de mettre en oeuvre un tel con- cept. Ce système de commande est en effet basé sur l'utilisation d'une unité centrale de traitement d'informations de pilotage des actionneurs, désignée par la référence générale 1 sur cette figure. Dans cette unité centrale, sont intégrées différentes entités logicielles qui sont réparties par groupes hiérarchiques. C'est ainsi par exemple que cette unité centrale de traitement d'infor- mations comporte un groupe d'entités logicielles de véhicule désigné par la réfé- rence générale 2 recevant en entrée une consigne de pilotage du moteur, telle que la consigne 3 et différentes informations relatives aux contraintes de fonc- tionnement du véhicule désignées par la référence générale 4, pour délivrer une consigne de couple désignée par la référence générale 5. Ces entités spécifient les caractéristiques globales du véhicule, gèrent toutes les stratégies de conduite (typage de conduite, agrément de conduite, etc.) et forment une interface entre le contrôle moteur et les autres éléments de commande du véhicule (boîte de vitesses pilotée, anti-patinage, etc.). L'unité centrale comporte également un groupe d'entités logicielles de moteur désigné par la référence générale 6, recevant en entrée la consigne de couple 5 et différentes informations relatives aux conditions de fonctionnement du moteur désignées par la référence générale 7, pour délivrer une consigne de travail instantané pour chaque cylindre du moteur, cette consigne de travail étant désignée par la référence générale 8. Ces entités englobent les contraintes de consommation et de pol- luants dictées par l'environnement externe. Elles reçoivent donc des entités logicielles de véhicule, une consigne en couple globale et assure la répartition de ce couple sur les différents cylindres du moteur en communiquant aux entités logicielles associées à ceux-ci un travail instantané. Le choix du couple polluants/consommation est déterminé à ce niveau de commande par un algorithme d'optimisation. Ces deux groupes d'entités logicielles sont donc communs pour les différents cylindres du moteur et délivrent pour chaque cylindre par exemple du moteur, une consigne de travail instantané. Cette consigne est donc appliquée pour chaque cylindre du moteur, à des entités logicielles de combustion désignées par la référence générale 9 sur cette figure, associées à chaque cylindre du moteur et recevant en entrée la consigne de travail instantané correspondante et différentes informations relati- ves au fonctionnement du cylindre, désignées par la référence générale 10, pour délivrer en sortie des informations de commande des actionneurs associés au cylindre correspondant, ces informations étant désignées par la référence géné- rale 11 sur cette figure. Ces conditions de fonctionnement concernent la consommation et les polluants et les informations de commande des actionneurs délivrées par ce groupe d'entités logicielles concernent le remplissage, la masse de gaz brûlé, la richesse, la stratégie d'activation des soupapes et la commande d'avance à l'al- lumage pour le cylindre correspondant. Ces différentes informations sont donc entrées dans un groupe d'en- tités logicielles d'énergie désigné par la référence générale 12 sur cette figure qui assure l'apport énergétique au moteur et regroupe la commande des soupapes suivant l'ensemble des consignes de remplissage, de masse de gaz brûlé, de richesse, etc.., en délivrant des informations de contrôle des actionneurs dési- gnées par la référence générale 13 à des entités logicielles de commande des actionneurs désignées par la référence générale 14 sur cette figure. Ces entités concernent la commande de bas niveau pour les action- neurs. Ce module est traditionnel pour les organes classiques, à savoir les in- jecteurs, I'allumage, etc., mais gère le fonctionnement des soupapes associées aux actionneurs électromagnétiques. Ces soupapes peuvent être pilotées en boucle ouverte ou autre. Les fonctions classiques de contrôle du moteur peuvent alors être di- visées au sein de la commande hiérarchisée et on peut décrire les fonctions qui agissent sur l'ensemble, moteur + véhicule. De façon générale, I'objectif de celles-ci est de réaliser la meilleure intégration possible du moteur au sein du véhicule. Elles délivrent une sortie homogène à un couple venant piloter le ni- veau moteur. Ces fonctions de commande peuvent être par exemple transféra- bles vers d'autres architectures de moteur. Les fonctions au niveau de cette commande de véhicule sont par exemple: 1) la conversion position pédale/couple: la pédale d'accélérateur du véhicule ne pilote pas directement un actionneur comme dans le cas d'un moteur classique. Cette information de position de la pédale est convertie en couple en tenant compte du régime et du couple maximum possible, 2) la régulation de ralenti: la loi de commande délivre suivant l'infor- mation du régime, une sortie représentant un écart de couple AC que le moteur devra appliquer instantanément. Un moteur à soupapes électromagnétiques permet de gérer des variations rapides de couple via la commande en remplis- sage, ce qui représente un gain très net en terme de consommation au ralenti, 3) I'agrément de conduite/confort: ces commandes sont typiquement des fonctions d'intégration du moteur au sein du véhicule. Suivant la dynamique de la chaîne de transmission, elles fournissent un écart de couple à appliquer instantanément, et 4) la régulation de vitesse: il s'agit d'une régulation relativement sim- ple de vitesse qui communique directement avec les modules de conversion de couple et d'agrément de conduite. Les fonctions au niveau du module de commande du moteur sont, en fonction des consignes de couple C et d'écart de coupe AC provenant de la cou- che supérieure, de fixer le couple cycle à cycle pour chaque cylindre. Les con- traintes globales sur les émissions de polluants et la consommation sont gérées à ce niveau de la commande. Cette commande regroupe donc toutes les fonctions du niveau mo- teur, à savoir: 1) le pilotage en air frais entrant dans chaque cylindre: cette com- mande a pour rôle de convertir une consigne en remplissage en commande d'actionneur, c'est-à-dire en angles d'ouverture et de fermeture pour chaque soupape. Plusieurs couples angle d'ouverture/angle de fermeture sont possibles pour satisfaire un remplissage de consigne. Afin de déterminer un couple unique d'angle pour chaque soupape, la commande en air frais est associée à la commande en gaz brûlé qui pilote le taux de gaz résiduel dans chaque cylindre. Cette commande offre alors de nombreuses possibilités, un remplis- sage de consigne peut être obtenu suivant le cas par l'activation d'au moins deux soupapes, I'une à l'admission et l'autre a l'échappement ou pour un moteur à seize soupapes, au maximum quatre soupapes. La détermination du nombre de soupapes actives est réalisée à partir d'un compromis perfor- mance/consommation électrique pour chaque actionneur. Le fait de désactiver des soupapes permet d'augmenter le remplissage suivant le domaine de fonc- tionnement en régime et charge. 2) la commande d'injection: elle est déduite directement de la com- mande en remplissage et respecte le ratio air/carburant afin d'avoir le suivi de richesse optimal dans toutes les conditions de fonctionnement. Cette commande tient uniquement compte d'un modèle de dépôt de carburant sur les parois, ce modèle étant appelé (^,X). 3) la commande en avance à l'allumage: elle s'appuie comme la commande en injection sur la commande en remplissage. L'avance à l'allumage est calculée pour chaque consigne en remplissage, masse de gaz brûlé et ré- gime moteur. Ainsi, elle est optimisée pour chaque point de fonctionnement. De plus, de par la désactivation des soupapes, la turbulence au sein du cylindre est favorisée en améliorant ainsi d'autant le rendement de la combustion, et 4) la gestion/optimisation en polluants: elle regroupe les fonctions de stratégies inclues dans le module de contrôle de moteur. Elle fixe la consigne en remplissage et masse de gaz brûlé, pour chaque cylindre et donc directement la stratégie de désactivation des soupapes et des cylindres. Le choix de désactiva- tion des cylindres est fait suivant le bilan énergétique global du moteur ou lors- que la demande en couple ne peut être satisfaite que par l'extinction d'un ou de plusieurs cylindres. La répartition de couple que doit produire chaque cylindre est fixée par l'envoi de trois consignes qui sont remplissage, masse de gaz brûlé, avance à l'allumage. La prise en compte des polluants est directement gérée à ce niveau de la commande. C'est elle qui fixe les consignes pour les couches inférieures. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation encore d'un tel système peuvent être envisagés. REVENDICATION 4.-Système de commande d'actionneurs électriques de soupapes d'un moteur à distribution variable notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une unité centrale de traitement d'informations (1) de pilotage des actionneurs, dans laquelle sont intégrées des entités logicielles réparties par groupes: a) d'entités logicielles de véhicule (2) recevant en entrée une consigne (3) de pilotage du moteur et différentes informations (4) relatives aux contraintes de fonctionnement du véhicule pour délivrer une consigne de couple (5), b) d'entités logicielles de moteur (6) recevant en entrée la consigne de couple (5) et différentes informations (7) relatives aux conditions de fonctionne- ment du moteur pour délivrer une consigne de travail instantané (8) pour chaque cylindre du moteur, c) d'entités logicielles de combustion (9), pour chaque cylindre du moteur, recevant en entrée la consigne de travail instantané (8) et différentes informations (10) relatives au fonctionnement du cylindre pour délivrer en sortie des informations de commande (11) des actionneurs associés au cylindre cor- respondant, d) d'entités logicielles d'énergie (12) recevant en entrée les informa- tions de commande des actionneurs pour délivrer des informations de contrôle (13) des actionneurs, et e) d'entités logicielles de commande (14) des actionneurs recevant en entrée les informations de contrôle correspondantes pour contrôler le fonction- nement de ceux-ci.