Brevet FR2804179A1 — publié le 20010727

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de régulation de la richesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence à qua tre temps à allumage commandé. Dans ce type de moteur, le carburant est directement injecté dans la chambre de combustion par l'intermédiaire d'un système d'alimentation en carburant à haute pression et les paramètres de commande sont calculés et appliqués par une unité centrale de contrôle. De plus, les gaz d'échappement sont traités par un ou plusieurs catalyseurs placés dans la ligne d'échappement. L'unité centrale de contrôle du moteur traite les différentes infor mations envoyées par le moteur comme par exemple le régime et également en voyées par le véhicule comme par exemple la volonté du conducteur, les requê tes de couple, des autres systèmes électroniques embarqués type contrôle de trajectoire ou boîte de vitesse. Cette unité centrale de contrôle en fait la synthèse et détermine le mode de combustion à appliquer par action sur les paramètres de commande qui sont - le débit d'air, - la quantité de carburant injecté, - la mise en phase de la quantité de carburant injecté, - l'avance à l'allumage appliqué. Pour un moteur à essence à injection directe, l'unité de contrôle du moteur dispose de plusieurs modes de combustion pour assurer le mode de combustion déterminé. Elle doit donc à chaque instant évaluer le mode de combustion réalisant le meilleur compromis entre la consommation de carburant, l'agrément de conduite et la dépollution des gaz d'échappement. Une des caractéristiques fondamentales des modes de combus tion réside dans la richesse du mélange air/carburant qu'elles permettent. La richesse du mélange est une valeur adimentionnelle définie comme le rapport entre les proportions air/carburant d'un mélange stoechiométri- que et la même proportion air/carburant du mélange dans le mode de combustion considéré avec Ks = coefficient stoechiométrique. Ce coefficient définit le rapport débit air/débit carburant assurant une combustion complète. Par définition - la richesse est égale à 1 lorsque le mélange est stoechiométri- q ue, - la richesse est supérieure à 1 lorsque la proportion de carburant dans le mélange est plus importante que celle du mélange stoechiométrique ; le mélange est dit "riche", - la richesse est inférieure à 1 lorsque la proportion d'essence dans le mélange est inférieure à celle du mélange stoechiométrique ; le mélange est dit "pauvre". Pour les moteurs à quatre temps à essence équipés d'un sys tème d'injection indirecte et fonctionnant à richesse 1, la sévérité des normes antipollution a provoqué la généralisation du catalyseur trifonctionnel associé à un contrôle précis de la richesse des gaz d'échappement autour de la valeur de richesse 1. Le contrôle de la richesse autour de la richesse 1 permet d'assu rer une combustion stable et ainsi un bon agrément de conduite et de profiter de l'efficacité de conversion du catalyseur trifonctionnel pour les polluants à oxyder (CO, hydrocarbures imbrûlés) et pour les polluants à réduire (oxydes d'azote). Cette efficacité est proche de 1 pour la réduction des oxydes d'azote lorsque que le mélange est riche et pour l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés et du CO lorsque la richesse est inférieure à 1 ainsi que pour l'oxydation et la réduction lorsque la richesse du mélange est précisément égale à 1. La plage très étroite de richesse autour de 1 permettant de béné ficier de la double efficacité de réduction et d'oxydation est communément appe lée "fenêtre de conversion" du catalyseur trifonctionnel. Le contrôle de la richesse du mélange par le contrôle du moteur dans le cas où il est équipé d'un système d'injection indirecte se fait par un pré- commande du temps d'ouverture des injecteurs et par une correction du temps d'ouverture des injecteurs en boucle fermée. Dans le cas d'une précommande du temps d'ouverture des in jecteurs, cette précommande est calculée à partir de la mesure de la quantité d'air admise par le moteur et de la caractéristique du débit de carburant des in jecteurs. Ce calcul permet un premier centrage de la richesse proche de la valeur 1, mais il n'est pas suffisant pour respecter la contrainte imposée par la fenêtre de conversion du catalyseur trifonctionnel. Dans le cas d'une correction du temps d'ouverture des injecteurs en boucle fermée, cette correction est calculée en comparant la richesse des gaz mesurée à l'échappement à la valeur 1 optimisant l'efficacité de conversion. Un mélange mesuré trop pauvre provoque une augmentation du temps d'ouverture des injecteurs et un mélange mesuré trop riche provoque une diminution du temps d'ouverture des injecteurs. L'introduction du système d'injection directe dans les moteurs à combustion internes permet d'élargir les modes de combustion aux modes de combustion dits "pauvres", c'est à dire aux modes de combustion dont la richesse de combustion est inférieure à 1. Ces modes de combustion peuvent être séparés entre deux grandes catégories, qui sont le mode de combustion dit "homogène" et le mode de combustion dit "stratifié". Pour le mode de combustion homogène, la richesse du mélange air/carburant est la même en tout point de la chambre de combustion et ce mode permet un appauvrissement du mélange limité par la contrainte de la richesse à proximité de la bougie d'allumage qui doit être suffisante pour assurer l'amorçage de la combustion. La richesse minimum autorisée par ce mode de combustion est de l'ordre de 0,75. Dans le mode de combustion stratifié, le carburant est injecté dans la chambre de combustion en fin de phase de compression afin que la ri chesse du mélange à proximité de la bougie au moment de l'allumage soit suffi sante pour assurer la combustion. Le mélange global présente un excès d'air très important (ri chesse moyenne de l'ordre de 0,4), ce qui permet: - une augmentation du rendement de combustion du moteur, - une augmentation de la pression moyenne régnant dans le ré partiteur d'admission et ainsi une diminution des pertes "par pompage". Dans ce mode de combustion stratifié, le pilotage par le contrôle moteur des quantités d'air et de carburant admises par ce moteur ne répond pas aux mêmes exigences que celles précédemment mentionnées pour le mode de combustion homogène à richesse 1. En effet, la quantité de carburant n'est plus établie à partir de la quantité d'air admise mais directement à partir du couple moteur demandé par le conducteur ou un autre système comme par exemple un dispositif antipatinage, une boîte de vitesse automatique, la régulation de la vitesse du véhicule, et la quantité d'air est ajustée à partir de la quantité de carburant et d'une richesse optimum préétablie lors de la mise au point du moteur et calibrée dans le contrôle moteur. Les contraintes imposées à la richesse du mélange par ce pilo tage en mode stratifié sont moins sévères que les contraintes pour le mode de fonctionnement homogène à richesse 1, car pour un débit de carburant donné, le couple moteur varie peu avec la richesse du mélange et, le mélange étant glo balement pauvre (richesse inférieure à 0,5), il n'y a plus de fenêtre de conversion du catalyseur trifonctionnel à respecter. Cependant, un fonctionnement trop pauvre ou trop riche dans le mode de combustion stratifié peut entraîner des ratés de combustion et avoir des conséquences sur l'agrément de conduite, la pollution et la tenue du ou des ca talyseurs et un fonctionnement sur une richesse différente de l'optimum établi lors de la mise au point du moteur entraîne une diminution du rendement de combustion et ainsi une augmentation de la consommation de carburant. De plus, la maîtrise de la richesse d'échappement permet une meilleure performance de la gestion du système de catalyse assurant la dépollu tion en mélange pauvre. L'invention vise donc à créer un procédé et un dispositif de régu lation de la richesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence à quatre temps à allumage commandé et équipé d'un système d'injection directe. L'invention a donc pour objet un procédé de régulation de la ri chesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence à quatre temps à allu mage commandé équipé d'un système d'injection directe du carburant dans la chambre de combustion de chaque cylindre du moteur, d'un boîtier de com mande du papillon motorisé du dosage de la quantité d'air admise par le moteur, d'au moins un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur, d'une sonde de mesure de la richesse moyenne des gaz d'échappement placée dans ladite ligne d'échappement et d'une unité centrale de contrôle recevant notam ment les informations relatives au régime de rotation du moteur, à la charge du moteur, à la position de la pédale d'accélérateur et à la richesse moyenne des gaz d'échappement et de commande de la quantité d'air admise au moyen du boîtier du papillon motorisé, caractérisé en ce que, lorsque le mode de combus tion appliqué au moteur est le mode dit stratifié, on régule en boucle fermée la richesse moyenne des gaz d'échappement en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consigne à respecter en fonction du régime de rotation et de la charge du moteur et la richesse moyenne mesurée et filtrée des gaz d'échappe ment et en corrigeant la quantité d'air admise par le moteur au moyen dudit boî tier de commande du papillon motorisé. Selon une autre caractéristique, la correction de la quantité d'air est limitée en amplitude en fonction du point de fonctionnement du moteur. L'invention a également pour objet un dispositif de régulation de la richesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence à quatre temps à allumage commandé équipé d'un système d'injection directe du carburant dans la chambre de combustion de chaque cylindre du moteur, d'un boîtier de com- mande du papillon motorisé de dosage de la quantité d'air admise par le moteur, d'au moins un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur, d'une sonde de mesure de la richesse moyenne des gaz d'échappement placée dans la ligne d'échappement et d'une unité centrale de contrôle recevant notamment les informations relatives au régime de rotation du moteur, à la charge du moteur, à la position de la pédale d'accélérateur et à la richesse moyenne des gaz d'échappement et assurant la commande de la quantité d'air admise au moyen du boîtier du papillon motorisé, caractérisé en ce que l'unité centrale de contrôle comporte des moyens de régulation en boucle fermée de la richesse moyenne des gaz d'échappement en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consi gne à respecter en fonction du régime de rotation et de la charge du moteur et la richesse moyenne mesurée et filtrée desdits gaz d'échappement et en corrigeant la quantité d'air admise par le moteur au moyen dudit boîtier de commande du papillon motorisé lorsque le mode de combustion appliqué au moteur est le mode dit stratifié. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les moyens de régulation en boucle fermée sont formés par un régulateur de type proportionnel intégrale dérivée, - la sonde de mesure de la richesse moyenne des gaz d'échap pement est placée entre les collecteurs des gaz d'échappement et ledit cataly seur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est un schéma synoptique de l'agencement d'un mo teur à quatre temps à allumage commandé auquel s'applique la présente inven tion, - la Fig. 2 est un organigramme représentant la coordination fonctionnelle des quatre principaux modules de la régulation conforme à l'inven tion, - la Fig. 3 est un schéma synoptique de la régulation de richesse du mélange air/carburant en mode stratifié par action sur le débit d'air, conforme à l'invention, - la Fig. 4 est un graphique montrant un exemple de comporte ment de la régulation en cas de saturation. Sur le schéma de la Fig. 1, on a représenté un moteur à quatre temps à combustion interne désigné dans son ensemble par la référence 1 et auquel est associé un système d'injection directe 2 assurant l'injection dans les quatre cylindres du moteur 1. Le système d'injection directe 2 est commandé par un système d'alimentation en carburant à haute pression 3 et le flux d'air frais d'admission est assuré par un boîtier 4 de commande du pavillon motorisé de dosage de la quantité d'air admise par le moteur 1. Le système d'alimentation en carburant à haute pression 3 et le boîtier 4 de commande du papillon sont tous deux commandés par une unité centrale de contrôle 5 qui assure la commande du débit de carburant à injecter notamment en fonction de la charge du moteur, du régime du moteur, du rapport air/carburant dans la ligne d'échappement ainsi que de la volonté du conducteur en mesurant la position de la pédale d'accélérateur 7. L'unité centrale de contrôle 5 commande par ailleurs, la position du papillon dans le boîtier 4. Le moteur comporte une ligne d'échappement 6 dans laquelle est inséré un système 8 de traitement catalytique des gaz d'échappement et une sonde 9 de mesure de la richesse moyenne des gaz d'échappement placée entre le collecteur 10 desdits gaz d'échappement et le catalyseur 8. Le système d'injection directe 2 permet de faire fonctionner le moteur 1 en modes de combustion dits "pauvres", c'est à dire avec une richesse de combustion inférieure à 1. Ces modes de combustion sont le mode de com bustion dit "homogène" et le mode de combustion dit "stratifié". Le dispositif de régulation de la richesse du mélange air/carburant, conforme à l'invention, fonctionne en mode de combustion stratifié dans lequel le carburant est injecté dans la chambre de combustion en fin de phase de compression afin que la richesse du mélange à proximité de la bougie au moment de l'allumage soit suffisante pour assurer la combustion. Le mélange global présente un excès d'air très important (ri chesse moyenne de l'ordre de 0,4) ce qui permet: - une augmentation du rendement de combustion du moteur 1, - une augmentation de la pression moyenne régnant dans le ré partiteur d'admission et ainsi une diminution des pertes "par pompage". D'une manière générale, lorsque le mode de combustion appli qué au moteur 1 est le mode stratifié, on régule en boucle fermée la richesse moyenne des gaz d'échappement en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consigne à respecter en fonction du régime de rotation et de la charge du moteur 1 et la richesse moyenne mesurée des gaz d'échappement et en corrig eant la quantité d'air admise par le moteur 1 au moyen du boîtier 4 de commande du papillon motorisé. A cet effet, l'unité centrale de contrôle 5 comporte notamment des moyens 20 de régulation en boucle fermée de la richesse moyenne des gaz d'échappement. Ainsi que représenté sur l'organigramme de la Fig. 2, la stratégie de régulation se décompose fonctionnellement en quatre principaux modules qui sont - module 12 : condition d'activation ou de désactivation ou de blocage de la régulation, - module 13 : calcul de la consigne de richesse du mélange air/carburant, - module 14 : calcul de la correction de débit d'air, - module 15 : application de la correction de débit d'air au moyen du boîtier 4 de commande du papillon motorisé. L'application de la régulation de richesse en mode stratifié par une correction sur le débit d'air n'est autorisée que si la sonde 9 de mesure de la richesse moyenne des gaz d'échappement et le boîtier 4 de papillon motorisé sont opérationnels. Dans ce cas, le choix du mode de combustion stratifié par le contrôle du moteur 1 provoque le lancement d'une temporisation. Lorsque la temporisation est terminée, la régulation démarre. Sur la Fig. 3, on a représenté un schéma général de la régulation de richesse en mode stratifié. Les moyens 20 de régulation en boucle fermée de la richesse des gaz d'échappement sont formés par un régulateur de type proportionnel inté gral dérivé. Ainsi que représenté à la Fig. 3, au cours d'une étape 21, les moyens 20 de régulation déterminent la quantité de carburant à injecter en fonc tion du régime de rotation et de la charge du moteur 1 à partir par exemple de la mesure de la position de la pédale 7 d'accélérateur. Au cours d'une étape 22, on détermine le temps d'ouverture des injecteurs, c'est à dire le débit de ces injecteurs. A partir de la détermination de la quantité de carburant à injecter, on détermine, au cours d'une étape 23, la quantité d'air de base. Par ailleurs, la sonde 9 mesure la richesse moyenne des gaz d'échappement à la sortie du collecteur d'échappement 10 et on détermine au cours d'une étape 24 la régulation de la richesse moyenne des gaz d'échappe ment en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consigne à respecter et la richesse moyenne mesurée et filtrée des gaz d'échappement. A partir de cet écart et de la quantité d'air de base, on détermine au cours d'une étape 25 la position du papillon motorisé du boîtier 4. La consigne de richesse à respecter Rconsigne est calibrée dans le contrôle du moteur 1 en fonction du régime et du couple de consigne et est définie de la manière suivante Rconsigne = Rbase (régime, couple) + Dr Cette consigne de base Rbase peut être modulée par un terme correctif Dr appliqué lorsque la fonction de recirculation des gaz d'échappement ne peut plus être assurée. Le terme Dr est également calibré dans le contrôle du moteur en fonction du régime et du couple de consigne. De plus, la correction de richesse est calculée à partir de l'écart Er mesuré entre la richesse de consigne et la richesse mesurée par la sonde 9 et filtrée. Cet écart Er est défini par la formule suivante: Er = Rconsigne - richesse moyenne mesurée. La richesse moyenne mesurée est calculée à partir de la valeur délivrée par la sonde 9 et d'un filtre passe bas de premier ordre. La correction globale est la somme de trois corrections CI, Cp, Cd. CI = Correction intégrale Le calcul de cette correction se fait de la façon suivante CI(n) = CI (n-1) + KI x Er(n) KI est un gain paramétrable. CI est limité en amplitude par deux valeurs Clmin et Clmax pa ramétrables. Cp = Correction proportionnelle Le calcul de cette correction se fait de la façon suivante Cp(n) = Kp x Er(n) Kp est un gain paramétrable. Cd = Correction dérivée Elle est calculée à partir des variations filtrées DErf de l'erreur à compenser; DEr(n) = Er(n) - Er(n-1) DErf(n) = DErf(n-1) + Kf x [DEr(n)-DErf(n-1)] Cd(n) = Kd x DErf(n) La correction globale à appliquer est Cg =CI+Cd+Cp. La correction globale Cg est ajoutée au débit d'air nominal cal culé par ailleurs par le contrôle du moteur 1. Le débit d'air global est ensuite traduit au cours de l'étape 25 (Fig. 3) par les moyens 20 de régulation en une ouverture du papillon par l'inter médiaire du boîtier motorisé 4 pour remplissage en air du moteur 1. La mesure du remplissage réel du moteur 1 permet de rendre la commande en air plus robuste en ajoutant une correction en boucle fermée de la position du papillon de façon à ajuster le remplissage réel au débit d'air global commandé par le contrôle du moteur 1. D'une manière générale, la correction de la quantité d'air est li mitée en amplitude en fonction du point de fonctionnement du moteur. La correction globale Cg est limitée afin de ne pas perturber l'ef fet d'une défaillance du système d'alimentation en carburant du moteur 1. Si le débit de carburant injecté augmente intempestivement suite à la défaillance du système, la régulation ne doit pas lui associer la quantité d'air permettant la combustion optimum. Pour cela, la correction à appliquer est bornée par deux valeurs calculées en fonction du débit d'air nominal pour le point de fonctionnement du moteur 1 considéré Gb final = Min (GgMax, Max (CgMin, Gg)) CgMin = KMin x Qair nominal CgMax = KMax x Qair nominal Qair nominal est le débit d'air moteur nominal précalibré au banc moteur lors de la mise au point. KMin est un coefficient négatif compris entre 0 et -1 KMax est un coefficient positif compris entre 0 et 1. Sur la Fig. 4,on a représenté un exemple des conditions d'arrêt et de blocage de la régulation en fonction de la charge et du mode de combustion du moteur. Ainsi que représenté sur cette figure, la régulation est stoppée si le mode de combustion stratifié est interrompu et si le contrôle du moteur coupe l'injection de carburant par exemple en décélération. La régulation étant effectuée par action sur le débit d'air par l'in termédiaire du boîtier 4 du papillon motorisé, elle subit deux limitations pour les corrections positives importantes et pour les corrections négatives importantes. Dans le cas des corrections positives importantes, le remplissage maximum en air des cylindres fixe une correction maximum que le régulateur doit prendre en compte pour stopper son action. Lorsque cette condition de pleine charge est atteinte, la régulation est figée et n'applique plus que les corrections décroissantes. Pour les corrections négatives importantes, une limite physique est imposée par la refermeture maximum du boîtier 4 de papillon motorisé. Lorsque cet état est atteint, la régulation doit se figer et ne plus appliquer que des corrections croissantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la richesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence (1) à quatre temps à allumage commandé équipé d'un système (3) d'injection directe du carburant dans la chambre de combustion de chaque cylindre du moteur (1), d'un boîtier (4) de commande du papillon motorisé de dosage de la quantité d'air admise par le moteur (1), d'au moins un catalyseur (8) placé dans la ligne d'échappement (6) du moteur (1), d'une sonde (9) de me sure de la richesse moyenne des gaz d'échappement placée dans la ligne d'échappement (6) et d'une unité centrale (5) de contrôle recevant les informa tions relatives au régime de rotation du moteur (1), à la charge du moteur (1), à la position de la pédale d'accélérateur (7) et à la richesse moyenne des gaz d'échappement et de commande de la quantité d'air admise au moyen du boîtier (4) du papillon motorisé, caractérisé en ce que, lorsque le mode de combustion appliqué au moteur (1) est le mode dit stratifié, on régule en boucle fermée la richesse moyenne des gaz d'échappement en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consigne à respecter en fonction du régime de rotation et de la charge du moteur et la richesse moyenne mesurée des gaz d'échappement et en corrigeant la quantité d'air admise par le moteur (1) au moyen du boîtier (4) de commande du papillon motorisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la correction de la quantité d'air est limitée en amplitude en fonction du point de fonctionnement du moteur (1). 3. Dispositif de régulation de la richesse du mélange air/carburant d'un moteur à essence (1) à quatre temps à allumage commandé équipé d'un système (3) d'injection directe du carburant dans la chambre de combustion de chaque cylindre du moteur (1), d'un boîtier (4) de commande du papillon motorisé de dosage de la quantité d'air admise par le moteur (1), d'au moins un catalyseur (8) placé dans la ligne d'échappement (6) du moteur (1), d'une sonde de mesure (9) de la richesse moyenne des gaz d'échappement pla cée dans la ligne d'échappement (6) et d'une unité centrale (5) de contrôle rece vant les informations relatives au régime de rotation du moteur (1), à la charge du moteur (1), à la position de la pédale d'accélérateur (7) et à la richesse moyenne des gaz d'échappement et assurant la commande de la quantité d'air admise au moyen du boîtier (4) du pavillon motorisé, caractérisé en ce que l'unité centrale de contrôle (5) comporte des moyens (20) de régulation en boucle fer mée de la richesse moyenne des gaz d'échappement en calculant l'écart entre la richesse moyenne de consigne à respecter en fonction du régime de rotation et de la charge du moteur (1) et la richesse moyenne mesurée et filtrée desdits gaz d'échappement et en corrigeant la quantité d'air admise par le moteur (1) au moyen dudit boîtier de commande (4) du papillon motorisé, lorsque le mode de combustion appliqué au moteur (1) est le mode dit stratifié. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens (20) de régulation en boucle fermée sont formés par un régulateur de type proportionnel intégrale dérivée. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sonde de mesure (9) de la richesse moyenne des gaz d'échappement est placée entre le collecteur (10) des gaz d'échappement et ledit catalyseur (8).