Brevet FR2790282A1 — publié le 20000901

Etat de la technique: L'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule au- tomobile selon lequel au cours d'un cycle de combustion, on fournit une masse d'air et une masse de carburant à une cham- bre de combustion, on règle au préalable la composition du mélange X entre la masse d'air et la masse de carburant. L'invention concerne également un appareil de commande d'un tel moteur à combustion interne. Dans les moteurs à combustion interne actuels, on fournit la masse d'air nécessaire à la combustion, par une tubulure d'aspiration à la chambre de combustion. La masse de carburant également nécessaire à la combustion est fournie dans le cas de ce moteur par une conduite de carburant et des injecteurs soit pour moteur Diesel, soit pour moteurs à es- sence actuels, avec une injection directe du carburant; cette injection directe se fait par un réservoir intermé- diaire de carburant (rampe commune) dans lequel le carburant est fortement comprimé à une pression de l'ordre de 100 bars pour être fourni à la chambre de combustion. Une demande de brevet antérieure non publiée, dé- crit un procédé et un dispositif pour déterminer un remplis- sage de gaz d'un moteur à combustion interne. Le mélange de gaz contenu dans la tubulure d'aspiration se compose de gaz frais et de gaz d'échappement. Ce document décrit en particu- lier un procédé permettant de définir la teneur en gaz frais du gaz alimentant la chambre de combustion pour pouvoir doser de manière plus précise de façon correspondante, la quantité de carburant à fournir pour assurer la combustion. La solu- tion de ce problème selon ce document consiste à déterminer par un bilan quantitatif la pression partielle de la compo- sante en gaz frais dans l'ensemble du flux massique alimen- tant la chambre de combustion, et à établir la dérivée en fonction du temps de l'équation générale des gaz. Ce bilan séparé de gaz frais et de gaz d'échappement offre l'avantage de pouvoir calculer exactement le volume de gaz frais ainsi introduit. L'objet de ce document ne concerne ainsi que l'air résiduel qui subsiste dans la tubulure d'aspiration du fait de la réinsertion externe des gaz d'échappement mais non le gaz résiduel subsistant dans la chambre de combustion. Dans les machines à combustion interne connues en particulier dans les moteurs à combustion interne, on ne tient absolument pas compte de la teneur en air du gaz rési- duel qui subsiste après chaque cycle de combustion dans le cas du fonctionnement avec un mélange pauvre. Bien plus, on fonctionne comme s'il n'y avait absolument pas d'air résiduel dans le gaz résiduel de la chambre de combustion. Ainsi, la stoechiométrie entre l'air et le carburant supposée dans un cycle de combustion est en général entachée d'une erreur con- sidérable. De plus dans les moteurs à combustion interne, actuels, avec un catalyseur de gaz d'échappement à trois voies, fonctionnant avec un mélange pauvre (2. > = 1), on évite en principe l'augmentation de la formation d'oxydes d'azote (NOx), en fonctionnement à un mélange pauvre, oxydes qui s'enrichissent dans le catalyseur et en réduisent consi- dérablement la durée d'utilisation. Au contraire de cela, les catalyseurs les plus récents même avec des mélanges pauvres, en fonctionnant régulièrement avec un mélange riche pour X posants NOx, accumulés dans le catalyseur. Ainsi, grâce à cette technique la plus récente des catalyseurs, les moteurs à essence peuvent maintenant fonctionner comme des moteurs Diesel, ce qui a du reste favorisé également de manière con- sidérable le développement des moteurs à combustion à injec- tion directe d'essence. La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif de mise en oeuvre d'un moteur à com- bustion interne évoqué ci-dessus, remédiant aux inconvénients décrits et permettant une connaissance plus précise de la stoechiométrie du mélange carburant/air pour la combustion. L'invention se propose en particulier de permettre de tenir compte de manière plus précise de la composante en air rési- duel qui subsiste dans le gaz résiduel de la chambre de com- bustion en fonctionnement avec mélange pauvre, dans la composition respective du mélange. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce que dans un cycle de combustion avec une composition k > 1 du mélange, après une combustion on détermine la teneur en air résiduel dans la chambre de combustion, et dans le cycle de combustion sui- vant, on diminue la masse d'air fournie à la chambre de com- bustion en fonction de la teneur en air résiduel. L'invention concerne également un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé par des moyens pour déterminer l'existence d'un cycle de combustion avec une composition de mélange X > 1; des moyens pour déterminer une teneur d'air résiduel subsistant après combustion dans la chambre de combustion; des moyens pour calculer une masse d'air réduite à fournir pour le cycle de combustion suivant à la chambre de combustion à partir de la teneur en air rési- duel. Ainsi, l'invention repose sur le concept que l'air résiduel disponible pour le cycle de combustion suivant est pris en compte pour définir le coefficient S. Le procédé selon l'invention englobe également les caractéristiques suivantes: - détermination d'un cycle de combustion avec un rapport de mélange air/carburant > 1, - détermination de la teneur en air résiduel après la com- bustion dans le cycle de combustion concerné, - réduction de la masse d'air fournie à la chambre de com- bustion à partir de la tubulure d'aspiration pour le cycle de combustion suivant en tenant compte de la teneur en air résiduel provenant du cycle précédent. L'invention concerne aussi un élément de com- mande, notamment une mémoire morte, pour un appareil de com- mande d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, contenant un programme exécutable par un calculateur, notamment un microprocesseur, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5. Le procédé selon l'invention tient compte de la composante en air du gaz résiduel et garantit ainsi une com- mande plus précise du coefficient. par rapport à celle de l'état de la technique et ainsi un meilleur résultat pour les gaz d'échappement et le fonctionnement. Il convient de souligner que le domaine d'utilisation de la présente invention n'est pas limité aux moteurs à combustion interne à injection directe de carbu- rant, mais concerne en principe tous les moteurs ayant un ca- talyseur pour les composants NOx, c'est-à-dire des moteurs avec une injection de carburant usuelle pour un coefficient k de l'ordre de 1,6. Dans un appareil de commande selon l'invention avec des moyens pour fournir la masse d'air et la masse de carburant à la chambre de combustion et des moyens pour com- mander la composition X du mélange entre la masse d'air et la masse de carburant, il y a des moyens particuliers pour ré- soudre le problème évoqué et déterminer l'existence d'un cy- cle de combustion avec une composition de mélange x supérieure à 1, des moyens pour déterminer la teneur en air résiduel dans la chambre de combustion à la fin de la combus- tion ainsi que des moyens pour calculer la masse d'air ré- duite pour alimenter la chambre de combustion pour le cycle de combustion suivant, à partir de la teneur en air résiduel. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation re- présentés schématiquement dans les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un moteur à combus- tion interne et d'une tubulure d'aspiration avec les moyens de détection et le clapet d'étranglement dans le cas d'un moteur à combustion interne usuel appliquant le procédé et le dispositif de commande selon l'invention, - la figure 2 est un schéma par blocs d'une tubulure d'aspiration et d'une chambre de combustion pour explici- ter l'alimentation en air selon l'état de la technique, - la figure 3 montre la courbe caractéristique de la rela- tion entre la masse d'air dans la chambre de combustion (rl) et la pression dans la tubulure d'aspiration (ps), - la figure 4 est un schéma par blocs de la répartition de l'air dans un moteur à combustion interne usuel, en mode X - la figure 5 est un schéma par blocs correspondant à celui de la figure 4 d'un moteur à combustion interne fonction- nant selon le procédé de l'invention, pour le mode à mé- lange pauvre avec X > 1. Le moteur à combustion interne 1, représenté de manière simplifiée à la figure 1 comprend une tubulure d'aspiration 2 reliée à une chambre de combustion 4 du moteur 1 par des injecteurs dont un seul 3 a été représenté en coupe dans le dessin. Les différents injecteurs sont précédés d'un répartiteur de carburant non représenté ici, qui commande les différents injecteurs en concordance avec l'allumage 5. L'allumage 5 se fait au niveau de chacune des chambres de combustion 4 par des bougies d'allumage qui coopèrent chacune avec des bobines d'allumage. Le carburant est fourni aux dif- férents injecteurs à partir d'un réservoir 6 par un réservoir intermédiaire de carburant (non représenté) (rampe commune). L'alimentation en air de la tubulure d'aspiration 2 se fait par une ouverture 7. A proximité de l'ouverture 7, la tubulure d'aspiration 2 comporte un volet d'étranglement 8 permettant de régler le flux d'air arrivant dans la tubulure d'aspiration 2. Une conduite de dérivation 9, supplémentaire garantit la fourniture suffisante d'air à la tubulure d'aspiration 2 lorsque le moteur 1 fonctionne au ralenti. La commande de la conduite de dérivation 9 se fait par un régu- lateur de ralenti 10 situé à proximité de la conduite de dé- rivation 9. La tubulure d'aspiration 2 comporte un capteur de pression 11 assurant la mesure de la pression régnant dans la tubulure d'aspiration 2. Le signal fourni par le capteur de pression 11 est transmis à un appareil de commande électroni- que 12. Le signal de sortie du régulateur de ralenti 10 est appliqué à l'appareil de commande électronique 12. La posi- tion du volet d'étranglement 8 se détermine par l'intermé- diaire d'un potentiomètre de volet d'étranglement 13 et le signal de mesure correspondant est fourni également à l'appareil de commande électronique 12. Les gaz d'échappement dégagés par la combustion sont évacués par la tubulure d'échappement 14. La conduite 15 des gaz d'échappement est équipée d'un catalyseur 16. En amont et en aval du catalyseur 16, deux sondes X, 17, 18 coo- pèrent avec une régulation du coefficient X intégrée de pré- férence à l'appareil de commande électronique 12. Selon les prescriptions OBD-II, on surveille en continu le rendement du catalyseur. Pour cela, en aval du ca- talyseur 16, se trouve la seconde sonde 18. La comparaison des signaux des sondes en amont et en aval du catalyseur 16 donne des informations concernant le rendement du catalyseur 16. Comme la seconde sonde 18 en aval du catalyseur 16 est mieux protégée que la première sonde 17 contre les composants nocifs contenus dans les gaz d'échappement, cela permet de corriger les phénomènes de vieillissement de la première sonde 17. La régulation k a pour fonction de régler le mé- lange dans la chambre de combustion 4 du moteur 1 pour que le catalyseur 16 travaille de manière optimale et respecte ainsi les valeurs limites des gaz d'échappement, fixées par la ré- glementation. Ainsi, le catalyseur 16 a pour fonction de con- vertir les trois composants des gaz d'échappement CO, HC et NOx en C02, H20 et N2. Les deux sondes X 17, 18 mesurent la différence de la concentration en oxygène entre l'air ambiant et le flux des gaz d'échappement. Ainsi, le signal de mesure fourni par les sondes 17, 18 devient une mesure directe de la teneur en air des gaz d'échappement. Du fait du revêtement catalytique, on a une conversion du mélange incomplètement brûlé sur la surface des sondes. Comme déjà indiqué, la régulation du coefficient X doit toujours assurer la présence d'une teneur optimale en air dans les gaz d'échappement. Pour cela, la régulation X modifie la masse de carburant à injecter. La masse d'air dans la chambre de combustion 4 et l'allumage 5 ne sont pas in- fluencés de cette manière. Une régulation optimale de la com- position des gaz d'échappement s'obtient par une oscillation continue dans la zone X = 1. On a déjà indiqué que le catalyseur 16 possédait une capacité d'accumulation considérable pour l'oxygène. De plus le catalyseur 16 ne permet d'obtenir des rendements op- timum que dans une plage très limitée x = 0,995... 0,999. C'est pourquoi notamment lorsque le moteur 1 fonctionne avec un mélange pauvre (X > 1), il est nécessaire, à des interval- les réguliers, d'accélérer la régénération du catalyseur 16 par injection complémentaire de carburant (l'opération dite de dégagement du catalyseur). Pour cela, on déplace la posi- tion de régulation de la régulation x par une commande amont, correspondante dans le sens des mélanges " riches ". Après le passage d'une certaine masse de gaz d'échappement, on sup- prime de nouveau l'enrichissement. Selon la figure 1, il est en outre prévu qu'une partie des gaz d'échappement dégagés à l'environnement par l'installation de gaz d'échappement 14 est réinjectée par une conduite de réinjection de gaz d'échappement et une soupape de réinjection de gaz d'échappement 20 dans la tubulure d'aspiration 2. La figure 2 montre un schéma par blocs très sim- plifié d'une tubulure d'aspiration et d'une chambre de com- bustion pour expliciter l'alimentation en air selon l'état de la technique. La variation Aps de la pression ps dans la tu- bulure d'aspiration résulte de la différence entre la masse d'air rlroh fournie à la tubulure d'aspiration 2, et la masse d'air rlab fournie à partir de la tubulure d'aspiration 2 à la chambre de combustion 4. Pour une pression partielle prise par hypothèse du gaz résiduel pirg dans la chambre de combus- tion 4, la masse d'air rlab fournie à la chambre de combus- tion 4 est proportionnelle à la différence entre la pression ps de la tubulure d'aspiration et la pression partielle du gaz résiduel pirg dans la chambre de combustion 4. Selon l'invention, en mode de fonctionnement avec mélange pauvre du moteur 1, le total de la masse d'air dans la chambre de com- bustion 4 se compose de la somme de la masse d'air rlab four- nie par cycle à partir de la tubulure d'aspiration 2 et de l'air résiduel du cycle de combustion antérieur du fait du fonctionnement avec un mélange pauvre. La relation mathématique caractéristique de la figure 3 entre le remplissage d'air de la chambre de combus- tion rl et la pression ps de la tubulure d'aspiration se dé- crit par une droite avec décalage et pente. Le décalage s'interprète comme la teneur en gaz inerte. La pente corres- pond à la constante fupsrl pour la conversion de la pression en masse et inversement. Cette relation linéaire ne s'applique toutefois que pour une combustion complète de l'air dans la chambre de combustion. Dans la procédure selon l'état de la technique représenté à la figure 4, pour déterminer la masse d'air qui sort de la chambre de combustion, la différence entre la masse d'air rlroh 30 qui traverse à chaque cycle la tubulure d'aspiration et la masse d'air rlab 31 qui passe de la tubu- lure d'aspiration dans la chambre de combustion, est conver- tie avec un coefficient de conversion fvisrm 32 en une variation de pression de tubulure d'aspiration 33, et on ad- ditionne 34 ou on intègre 35 à l'ancienne pression de la tu- bulure d'aspiration ps: ps-nouv = ps-anc + fvisrm * (rlroh - rlab) (1) La masse d'air rlab 31 qui s'échappe de la cham- bre de combustion est proportionnelle à la différence entre la pression de la tubulure d'aspiration ps 34 et la pression partielle du gaz résiduel pirg 36 dans la chambre de combus- tion: rlab = fupsrl * (ps - pirg) (2) Dans cette formule, fupsrl 37 est un coefficient de conversion de la pression en masse. Dans l'hypothèse utilisée dans le procédé de l'état de la technique à savoir qu'il n'y a pas de teneur en air résiduel dans le gaz résiduel de la chambre de combus- tion, la masse d'air dans la chambre de combustion rl 38 cor- respond à l'air rlab 31 provenant de la tubulure d'aspiration, c'est-à-dire que l'on a relation: rl = rlab (3) Le schéma par blocs de la figure 5 montre la pro- cédure correspondante pour le procédé selon l'invention ser- vant à déterminer la composition k du mélange pour le fonctionnement en mélange pauvre avec X > 1. Selon l'invention, par rapport à la figure 4, les composants fonc- tionnels ajoutés sont ceux entourés par le trait interrompu par rapport aux composants connus selon l'état de la tech- nique. En mode maigre, tout l'oxygène ne brûle pas dans la chambre de combustion. La pression partielle de gaz résiduel pirg 41 dans la chambre de combustion se compose ainsi d'air et de gaz inerte. La teneur en air pirgl de ce gaz résiduel dépend de la composition du mélange X' de la dernière combus- tion, c'est-à-dire: pirgl = - * pirg (4) Il est à remarquer que l'équation (4) ne s'applique qu'au fonctionnement avec un mélange pauvre, c'est-à-dire X' > 1. A la masse d'air rlab 42 provenant de tubulure d'aspiration, il s'ajoute en fonctionnement avec un mélange pauvre, la teneur en air du gaz résiduel que l'on calcule avec le coefficient de conversion fupsrl 43 à partir de la pression partielle de la teneur en air du gaz résiduel pirgl, c'est-à-dire que l'on a la relation: rl = rlab + fupsrl * pirgl (5) Selon l'invention, on compare tout d'abord X' 44, c'est-à-dire la valeur du coefficient X du cycle de combus- tion précédent avec '1' 45; avec la fonction de maximum 46, on juge si l'on est en fonctionnement en mélange pauvre avec X' > 1. Si cela est le cas, à la sortie du circuit de maxi- mums 46, on dispose de la valeur X'; dans le cas contraire, on a la valeur i1'. Dans le cas de la valeur X', à l'aide d'un autre élément fonctionnel 50, on forme à partir de la valeur X', après la soustraction précédente 47, on déduit une seconde valeur '1' 48 pour former le quotient ('-l)/'. Dans le cas contraire en présence de la valeur '1' à la sortie du circuit de maximums 46, on obtient toutefois à la sortie de l'élément fonctionnel 50, la valeur '0'. La valeur à la sor- tie de l'élément fonctionnel 50 est tout d'abord appliquée à un premier multiplicateur 51 qui effectue une multiplication avec le coefficient de conversion fupsrl selon l'équation (5), puis il applique le produit résultant à un second multi- plicateur 52 qui forme le produit avec pirg selon l'équation (4). Ensuite, on applique la valeur obtenue fupsrl * pirgl selon l'équation (5) à un additionneur 53 qui lui ajoute la valeur rlab; on obtient ainsi en définitive la valeur rl, c'est-à-dire le total de la masse d'air dans la chambre de combustion. Il est particulièrement important de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sous la forme d'un élément de commande dans l'appareil de commande d'un moteur à combus- tion interne notamment d'un véhicule automobile. Pour cela on enregistre un programme dans l'élément de commande qui se dé- roule dans un calculateur notamment un microprocesseur et permet d'exécuter le procédé selon l'invention. Dans ce cas, l'invention est réalisée par un programme mémorisé dans l'élément de commande, de sorte que cet élément de commande avec le programme correspond à l'invention de la même manière que le procédé mis en oeuvre par le programme. Comme élément de commande, on peut notamment utiliser une mémoire électri- que par exemple une mémoire morte ROM. Il - R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS ) Procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule automobile selon lequel: au cours d'un cycle de combustion, on fournit une masse d'air (42) et une masse de carburant (3) à une chambre de combus- tion (4), on règle au préalable la composition du mélange x entre la masse d'air et la masse de carburant, caractérisé en ce que dans un cycle de combustion avec une composition k > 1 du mé- lange, après une combustion on détermine la teneur en air ré- siduel dans la chambre de combustion (4), et dans le cycle de combustion suivant, on diminue la masse d'air fournie à la chambre de combustion en fonction de la teneur en air rési- duel. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en air résiduel (pirgl) subsistant après combustion dans la chambre de combustion (4) se détermine à partir de la pression partielle de gaz résiduel (pirg) selon la composi- tion du mélange X' (44) de la combustion précédente respec- tive selon la relation: pirgl = - * pirg 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la masse d'air (42) fournie à la chambre de combustion (4) au cours d'un cycle de combustion se règle par une commande du coefficient x et dans le cycle de combustion suivant, on ré- duit cette masse d'air suivant la teneur en air résiduel, par une commande du coefficient X, correspondante. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse d'air (38) existant dans la chambre de combustion (4) au cours d'un cycle de combustion se détermine à partir de la relation: rl = rlab + fupsrl * pirgl. ) Procédé selon l'une ou plusieurs des revendications pré- cédentes dans le cas d'un moteur à combustion interne compor- tant une tubulure d'aspiration (2) qui alimente la chambre de combustion (4) en air, caractérisé en ce que la masse d'air (7) fournie à la tubulure d'aspiration (2) est diminuée en fonction de la masse d'air (42) fournie à chaque fois réduite à la chambre de combustion (4). 60) Elément de commande notamment mémoire morte pour un appa- reil de commande d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, contenant un programme exécutable par un calculateur, notamment un microprocesseur, pour la mise en euvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5. 7 ) Appareil de commande d'un moteur à combustion interne (1) notamment d'un véhicule automobile comportant des moyens (2) pour fournir une masse d'air (42) et une masse de carburant (3) à une chambre de combustion (4) ainsi que des moyens (12, 16 - 18) pour commander la composition X du mélange d'une masse d'air et d'une masse de carburant, caractérisé par: des moyens (45, 46) pour déterminer l'existence d'un cycle de combustion avec une composition de mélange x > 1, - des moyens (12, 50) pour déterminer une teneur d'air rési- duel subsistant après combustion dans la chambre de com- bustion (4), - des moyens (12, 50, 51 - 53) pour calculer une masse d'air réduite à fournir pour le cycle de combustion suivant à la chambre de combustion (4) à partir de la teneur en air ré- siduel. 8 ) Appareil de commande selon la revendication 7, caractérisé par des moyens pour calculer la teneur en air résiduel (pirgl) subsistant après combustion dans la chambre de combustion (4) à partir de la pression partielle de gaz résiduel (pirg) en fonction de la composition X' du mélange résultant de la com- bustion précédente selon la relation: pirgl = * pirg X' 9 ) Appareil de commande selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par des moyens pour coopérer avec une régulation X (12, 16-18), la masse d'air (42) fournie à la chambre de combustion (4) au cours d'un cycle de combustion se réglant par une commande anticipée X, et la masse d'air fournie au cours du cycle de combustion suivant se réglant par une commande anticipée A, correspondante. ) Moteur à combustion interne notamment de véhicules auto- mobiles, caractérisé par un procédé de mise en oeuvre d'une ou plusieurs des revendica- tions 1 à 5 et/ou un appareil de commande selon l'une ou plu- sieurs des revendications 7 à 9 et/ou un élément de commande d'un appareil de commande selon la revendication 6.