Brevet FR2814203A1 — publié le 20020322

- 1 - L'invention concerne un dispositif d'injection pour moteur à combustion interne, comprenant une pompe, servant à l'acheminement du carburant, une valve pouvant être commandée, disposée à la suite, en aval, de la pompe et servant au réglage de la pression de carburant, et une unité de commande ou de régulation reliée du côté sortie à la valve et servant à commander la valve. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif d'injection. Les dispositifs d'injection à rampe commune (common rail) classiques comprennent, pour l'accumulation du carburant se trouvant sous pression, un accumulateur de pression (en anglais: common rail, signifiant rampe commune) à partir duquel les injecteurs associés aux différentes chambres de combustion du moteur sont alimentées en carburant. L'acheminement du carburant jusqu'à l'accumulateur de pression s'effectue au moyen d'une pompe haute pression qui est reliée à l'accumulateur de pression par I'intermédiaire d'une valve pouvant être commandée, la valve, qui est disposée entre la pompe haute pression et l'accumulateur de pression, permettant un réglage de la pression de carburant régnant dans l'accumulateur de pression. Ainsi, la valve peut par exemple dériver une partie du flux de carburant refoulé par la pompe haute pression et le renvoyer dans la zone à basse pression du dispositif d'injection lorsque la pression voulue de carburant est atteinte ou franchie vers le haut. Par contre, dans le cas d'un franchissement vers le bas de la pression voulue de carburant dans l'accumulateur de pression, la valve disposée entre la pompe haute pression et l'accumulateur de pression peut continuer d'envoyer à l'accumulateur de pression tout le flux de carburant refoulé par la pompe haute pression, afin que la pression voulue de carburant soit de nouveau atteinte le plus rapidement possible dans l'accumulateur de pression. Ainsi, la valve disposée entre la pompe haute pression et l'accumulateur de pression permet un réglage de la pression de carburant régnant dans l'accumulateur de pression, d'une manière telle que cette valve est commandée par une unité de commande d'une manière correspondant à la masse de carburant devant être injectée. Toutefois, un inconvénient de ces dispositifs d'injection connus réside dans le fait que la pression de carburant dans l'accumulateur de pression n'est pas réglée d'une manière satisfaisante. C'est pourquoi l'invention a pour but de perfectionner le dispositif d'injection connu décrit précédemment dans une mesure telle que la -2pression de carburant régnant dans l'accumulateur de pression coïncide toujours le mieux possible avec la pression voulue de carburant. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif d'injection, pour moteur à combustion interne, du type générique défini en introduction, caractérisé en ce que l'unité de commande ou de régulation est reliée du côté entrée à au moins un capteur, afin de commander la valve en fonction d'une grandeur de mesure reproduisant le comportement de fonctionnement du dispositif d'injection et/ou du moteur à combustion interne. Dans le même but, I'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif d'injection, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes consistant à détecter une grandeur de mesure reproduisant le comportement de fonctionnement du moteur à combustion interne et/ou du dispositif d'injection, à calculer la masse de carburant devant être envoyé par la pompe, en fonction de la grandeur de mesure, et à commander la valve en fonction de la masse de carburant devant être envoyé au moyen de la pompe. L'invention correspond à l'enseignement technique général consistant à effectuer la commande de la valve, disposée entre la pompe haute pression et l'accumulateur de pression, en fonction d'une grandeur de mesure. En conséquence, I'unité de commande ou de régulation servant à commander la valve est reliée du côté entrée à au moins un capteur qui détecte une grandeur de mesure reproduisant le comportement de fonctionnement du moteur et/ou du dispositif d'injection. C'est ainsi que l'unité de commande ou de régulation peut par exemple être reliée du côté entrée à un capteur de pression détectant la pression de carburant dans l'accumulateur de pression, à un capteur de vitesse de rotation mesurant la vitesse de rotation d'un arbre du moteur et/ou à un capteur de température qui mesure la température du carburant et/ou de l'accumulateur de pression. Toutefois, à la place des grandeurs de mesure indiquées ci-dessus, il est également possible de faire appel à d'autres grandeurs de mesure pour commander la valve. Le terme unité de commande ou de régulation doit être compris d'une manière générale dans le cadre de l'invention et englobe des commandes sans rétroaction, ainsi que des régulations dans lesquelles le signal de sortie fait l'objet d'une rétroaction à des fins de régulation. Toutefois, dans la forme préférée de réalisation de l'invention, l'unité de commande ou de régulation comporte deux régulateurs à comportements -3dynamiques de régulation différents. Cela offre l'avantage que l'unité de commande et de régulation peut réagir d'une part d'une manière précise et d'autre part d'une manière rapide à des conditions limites modifiées. Le dispositif d'injection conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - I'unité de commande ou de régulation est reliée du côté entrée à un capteur de pression qui mesure la pression de carburant dans un accumulateur de pression disposé à la suite, en aval, de la pompe, - I'unité de commande et de régulation est reliée du côté entrée à un capteur de vitesse de rotation qui mesure la vitesse de rotation d'un arbre du moteur à combustion interne, - I'unité de commande ou de régulation est reliée du côté entrée à un capteur de température qui mesure la température de carburant, - I'unité de commande ou de régulation comporte deux régulateurs présentant des comportements dynamiques de régulation différents, afin de pouvoir réagir d'une part d'une manière précise et d'autre part d'une manière rapide à des conditions limites modifiées, lors de la commande de la valve, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de calcul qui calcule la masse de carburant de consigne dans l'accumulateur de pression à partir d'une pression de carburant de consigne préfixée et de la température mesurée par le capteur de température, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de calcul qui est reliée du côté entrée au capteur de vitesse de rotation et calcule la pression de carburant de consigne à partir de la vitesse de rotation mesurée et de la masse de carburant injecté, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de calcul qui calcule la masse théorique de carburant dans l'accumulateur de pression à partir de la masse de carburant injectée préfixée et de la masse de carburant refoulée par la pompe, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de comparaison ou un soustracteur qui compare la masse de carburant de consigne à la masse théorique de carburant calculée, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte un élément de temps mort, afin de tenir compte du temps mort de la valve, -4- - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus faible comporte une unité de calcul qui est reliée du côté entrée au capteur de température et au capteur de pression et calcule la masse de carburant dans l'accumulateur de pression à partir de la pression de carburant mesurée et de la température mesurée, - le régulateur présentant la dynamique de régulation la plus faible comporte une unité de comparaison ou un soustracteur qui compare la masse de carburant dans l'accumulateur de pression, calculée à partir des valeurs de mesure, à la masse théorique de carburant. Le procédé de mise en oeuvre conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - la masse de carburant devant être refoulée par la pompe fait l'objet d'une régulation, - la masse de carburant devant être refoulée par la pompe fait l'objet d'une régulation au moyen de deux régulateurs présentant des comportements dynamiques de régulation différents, - la masse de carburant devant être refoulée par la pompe fait l'objet d'une régulation en fonction de la vitesse de rotation, de la température de carburant, de la masse de carburant injectée et/ou de la pression de carburant, - la pression de carburant dans l'accumulateur de pression est mesurée, la masse de carburant devant être refoulée par la pompe étant déterminée en fonction de l'écart de la pression de carburant mesurée par rapport à une pression de carburant de consigne préfixée, - la température du carburant est mesurée et la masse de carburant devant être refoulée par la pompe est déterminée en fonction de la température mesurée du carburant et de la pression de carburant mesurée. D'autres développements avantageux de l'invention ressortiront de la description de son exemple préféré de réalisation qui est faite ci-après en regard des dessins. On voit: à la figure 1, un dispositif d'injection conforme à l'invention, à la figure 2, sous forme d'un schéma-blocs, I'unité de commande ou de régulation du dispositif d'injection représenté à la figure 1 et, aux figures 3a et 3b, sous forme d'ordinogramme, le procédé de mise en oeuvre du dispositif d'injection représenté à la figure 1. Le dispositif d'injection représenté à la figure I en tant qu'exemple préféré de réalisation de l'invention comprend, pour l'acheminement du -5carburant à partir d'un réservoir de carburant 1, une pompe basse pression 2 qui est entraînée par un arbre 3 du moteur à combustion interne. Toutefois, en variante à ce type d'entraînement, la pompe basse pression 2 peut également être entraînée par un moteur électrique séparé. Du côté sortie, la pompe basse pression est reliée à un régulateur basse pression 4 qui, lorsqu'une pression de carburant préfixée est, dans la zone à basse pression du dispositif d'injection, franchie vers le haut ou dépassée, dérive une partie du flux de carburant refoulé par la pompe basse pression 2 et le renvoie dans le réservoir de carburant 1. Par contre, lorsque la pression de carburant préfixée est, dans la zone à basse pression du dispositif d'injection, franchie vers le bas, le régulateur basse pression 4 provoque un blocage, de sorte qu'aucune partie du carburant provenant de la zone à basse pression n'est renvoyée dans le réservoir de carburant 1, ce qui doit entraîner une montée rapide de la pression de carburant dans cette zone à basse pression du dispositif d'injection. Du côté aval, la pompe basse pression 2 est reliée à une pompe haute pression 5 qui produit la pression d'injection nécessaire pour l'injection du carburant dans les chambres de combustion du moteur et est reliée du côté sortie à un accumulateur de pression 8 (en anglais: common rail, signifiant rampe commune) par I'intermédiaire d'une valve de dérivation 6 et d'une valve antiretour 7. Tous les injecteurs du moteur sont alimentés en carburant à partir de l'accumulateur 8, les raccordements d'entrée aux injecteurs n'étant représentés ici que schématiquement. La valve antiretour 7 a pour rôle d'empêcher un reflux de carburant à partir de l'accumulateur de pression 8 en direction de la valve de dérivation 6. Contrairement à cela, la valve de dérivation 6 sert à commander la pression de carburant régnant dans l'accumulateur de pression 8. Si la pression de carburant régnant dans l'accumulateur 8 franchit par exemple vers le bas la pression voulue de carburant, la valve de dérivation 6 dirige la totalité du flux de carburant, refoulé par la pompe haute pression 5, dans l'accumulateur de pression 8 en lui faisant traverser la valve antiretour 7, de sorte que la pression de carburant dans l'accumulateur 8 croît relativement rapidement. Par contre, si la pression de carburant régnant dans I'accumulateur 8 franchit vers le haut ou dépasse la pression voulue de carburant, la valve de dérivation 6 dirige totalement ou en partie le flux de carburant, refoulé par la pompe haute pression 5, dans la zone à basse -6- pression du dispositif d'injection, de sorte que la pression de carburant dans l'accumulateur 8 diminue de nouveau rapidement. La commande de la valve de dérivation 6 s'effectue au moyen d'une unité de commande ou de régulation 9 qui est reliée du côté entrée à la commande électronique de moteur ECU (de l'anglais "electronic control unit, signifiant unité de commande électronique), la commande électronique de moteur commandant par exemple les injecteurs du dispositif d'injection, ce qui n'est représenté que schématiquement aux dessins. En outre, I'unité de commande ou de régulation 9 est reliée à un capteur de pression 1 1 qui détecte la pression de carburant PMESS régnant dans l'accumulateur de pression 8. Par ailleurs, I'unité de commande ou de régulation 9 est reliée à un capteur de vitesse de rotation 12 qui mesure la vitesse de rotation de l'arbre de moteur 3. Enfin, il est encore prévu un capteur de température 13 qui mesure la température TF du carburant dans l'accumulateur de pression 8 et transmet la valeur de mesure à l'unité de commande ou de régulation 9. Le procédé de mise en oeuvre de l'unité de commande 9 est exposé ci-après, en se référant à la représentation détaillée de l'unité de commande ou de régulation 9 qui est présentée à la figure 2, ainsi qu'à l'ordinogramme présenté aux figures 3a et 3b. Pour l'essentiel, I'unité de commande ou de régulation 9 est constituée de deux régulateurs 14, 15, le régulateur 15 présentant un comportement dynamique ou une dynamique de régulation qui est lent et devant régler de la manière la plus précise possible la pression de carburant régnant dans l'accumulateur 8, tandis que le régulateur 14 sert de commande pilote et présente par conséquent un comportement dynamique ou une dynamique de régulation qui est rapide, afin de pouvoir adapter le plus rapidement possible la quantité refoulée à des conditions limites modifiées. Le processus de régulation du régulateur 15 est présenté pour l'essentiel à la figure 3a, tandis que le processus de régulation du régulateur 14 ressort pour l'essentiel de la figure 3b. On va d'abord décrire ci-après le comportement de régulation du régulateur 14. Du côté entrée, le régulateur 14 comporte deux unités de calcul 16, 17 qui reçoivent du capteur de vitesse de rotation 12 la vitesse de rotation n et -7- de la commande électronique de moteur 10 la masse de carburant injectée mINJ et calcule la valeur de consigne PSOLL1 ou PSOLL2 de la pression de carburant en fonction de ces deux valeurs de mesure, les deux valeurs de consigne PSOLL1 et PSOLL2 correspondant à des types de fonctionnement du moteur différents. C'est pourquoi il est prévu, pour la sélection de la valeur de consigne voulue correspondant au type de fonctionnement chaque fois actuel du moteur, un élément de commutation 18 pouvant être commandé qui est disposé à la suite des deux unités de calcul 16, 17 et qui sélectionne le signal de sortie de l'une de ces deux unités de calcul 16, 17, l'élément de commutation 18 étant commandé par la commande électronique de moteur par l'intermédiaire d'une ligne de commande ECU2. Du côté sortie, l'élément de commutation 18 est relié à un autre élément de commutation 19 qui sélectionne au choix la valeur de consigne calculée PSOLL1 ou PSOLL2 ou une valeur de consigne PSOLL, TEST préfixée servant à des fins d'essai, la commande de l'élément de commutation 19 s'effectuant au moyen de la commande électronique de moteur 10 par l'intermédiaire d'une ligne de commande ECU1. C'est donc la valeur de consigne chaque fois voulue pour la pression de carburant régnant dans l'accumulateur de pression 8 qui apparaît à la sortie de l'élément de commutation. Cette valeur de consigne PSOLL est ensuite envoyée à une unité de calcul 20 qui est reliée du côté entrée au capteur de température 13 et calcule, en fonction de la valeur de consigne PSOLL de la pression de carburant et de la température TF du carburant, la valeur de consigne msoLL de la masse de carburant qui devrait se trouver dans l'accumulateur de pression. Cette valeur de consigne mSOLL est ensuite envoyée à un soustracteur 21 qui soustrait de cette valeur de consigne msOLL une valeur réelle calculée théorique mCALC. La différence obtenue de cette manière est ensuite envoyée à un additionneur 22 qui lui ajoute la masse de carburant à injecter mlNJ, de sorte qu'apparaît à la sortie de l'additionneur 22 la différence Am entre la valeur de consigne msoLL de la masse de carburant et la valeur réelle calculée théorique mCALC de la masse de carburant addition faite de la masse de carburant injectée mINJ. Le régulateur 14 comporte en outre une unité de calcul 23 qui, à partir de la valeur Am, de la masse de carburant à injecter mINJ et de la masse de carburant mpUMP refoulée par la pompe haute pression 5 vers l'accumulateur de pression 8, calcule la valeur réelle théorique mCALc de la masse de carburant se trouvant dans l'accumulateur 8. Cette valeur calculée théorique est ensuite -8- encore envoyée à une unité de correction 24, afin de tenir compte de l'échantillonnage ECU. Le signal mCALc est ensuite encore envoyé à un autre élément de correction 25 qui tient compte du temps mort de la valve de dérivation 6. C'est donc la masse calculée théorique mCALc se trouvant dans l'accumulateur 8 qui apparaît à la sortie de l'élément de correction 25. On décrit maintenant ci-après le comportement de régulation du régulateur 15, en se référant notamment à l'ordinogramme de la figure 3b. Le régulateur 15 comporte du côté entrée une unité de calcul 26 qui, à partir de la température TF du carburant et de la pression de carburant PMESS mesurée par le capteur de pression 11, calcule la masse de carburant mMESS se trouvant dans l'accumulateur de pression 8. Cette valeur de mesure mMESs est ensuite envoyée à un soustracteur 27 qui calcule la différence entre la valeur de masse calculée théorique mCALC et la valeur de masse mMESs résultant de la mesure. Du côté sortie, le soustracteur 27 est relié à un élément de formation de valeur moyenne 28 (MV) qui, à partir de la différence calculée au moyen du soustracteur 27, calcule la valeur moyenne glissante sur l'étendue d'un pas de temps du moteur. Le signal soumis à la formation de valeur moyenne est alors envoyé par un régulateur proportionnel-intégral 29 (PI) qui définit le comportement de régulation et fournit du côté sortie une grandeur de régulation qui est jointe dans un additionneur 30 à la grandeur calculée par le régulateur 14, de sorte que c'est la masse de carburant mpuMP devant être refoulée par la pompe haute pression 5 qui apparaît à la sortie de l'additionneur 30. Du côté sortie, I'additionneur 30 est relié à un convertisseur 31 qui commande d'une manière appropriée la valve de dérivation 6 en fonction de la masse de carburant mpuMp appliquée du côté entrée. L'invention n'est pas limitée à l'exemple préféré de réalisation décrit précédemment. Bien au contraire, il est possible d'imaginer un certain nombre de variantes et modifications qui utilisent le concept conforme à I'invention et entrent donc également dans le cadre de protection. -REVIENuICA T IONS 1. Dispositif d'injection, pour moteur à combustion interne, comprenant: une pompe (2), servant à Facheminement du carburant, une valve (6) pouvant être commandée, disposée à ia suite, en aval, de la pompe (2) et servant au réglage de la pression de carburant, et une unité de commande ou de régulation (9) reliée du côté sortie à la valve (6) et servant à commander la valve (6), caractérisé en ce que l'unité de commande ou de régulation (9) est ]o reliée du côté entrée à au moins un capteur (i 1, i2, i3), afin de commander la valve (6) en fonction d'une grandeur de mesure (PMESS, n) reproduisant le comportement de fonctionnement du dispositif d'injection et/ou du moteur a combustion interne. 2. Dispositif d'injection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande ou de régulation (9) est reliée du côté entrée à un capteur de pression (11) qui mesure la pression de carburant dans un accumulateur de pression (8) disposé à la suite, en aval, de la pompe (2). 3. Dispositif d'injection suivant i'une quelconque des revendications i et 2, caractérisé en ce que lunité de commande et de régulation (9) est reliée du coté entrée à un capteur de vitesse de rotation (12) qui mesure la vitesse de rotation d'un arbre (3) du moteur à combustion interne. 4. Dispositif d'injection suivant l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que l'unité de commande ou de régulation (9) est reliée du côté entrée à un capteur de température (13) qui mesure la température de carburant. 5. Dispositif d'injection suivant l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que l'unité de commande ou de régulation (9) comporte deux régulateurs (14, 15) présentant des dynamiques de régulation différentes, afin de pouvoir réagir d'une part d'une manière précise et d'autre part d'une manière rapide à des conditions limites modifiées, lors de la commande de la valve (6). 6. Dispositif d'injection suivant les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le régulateur (14) présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unite de calcul (20) qui calcule la masse de carburant de consigne (msOLL) dans i'accumulateur de pression (8) à partir d'une pression de carburant de consigne (PsoLL) préfixée et de la température (TF) mesurée par le capteur de température (13). 7. Dispositif d'injection suivant les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que le régulateur (14) présentant la dynamique ie régulation la plus grande comporte une unité de calcul (16, i7) qui est reliée du côté entrée au capteur de vitesse de rotation (12) et calcule la pression de carburant de consigne (PsoLL) a partir de la vitesse de rotation (n) mesurée et de la masse de carburant injectée (mINJ). 8. Dispositif d'injection suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le régulateur (14) présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de calcul (23) qui calcule la masse théorique de io carburant (mCALC) dans i'accumulateur de pression (8) à partir de la masse de carburant injectée (mINJ) préfixée et de la masse de carburant (mpuMp) refoulée par la pompe. 9. Dispositif d'injection suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le régulateur (i4) présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte une unité de comparaison ou un soustracteur (21) qui compare ia masse de carburant de consigne (msOLL) à la masse théorique de carburant (mCALC) calculée. 10. Dispositif d'injection suivant i'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le régulateur (14) présentant la dynamique de régulation la plus grande comporte un élément de temps mort (25), afin de tenir compte du temps mort de la valve (6). ii. Dispositif d'injection suivant les revendications 2, 4 et 5 prises ensemble, caractérisé en ce que le régulateur (15) présentant la dynamique de régulation la plus faibie comporte une unité de calcul (26) qui est reliée du côté entrée au capteur de température (13) et au capteur de pression (1i) et calcule la masse de carburant (mMEss) dans l'accumuiateur de pression (8) à partir de la pression de carburant mesurée (PMESS) et de la température mesurée (TF). 12. Dispositif d'injection suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le régulateur (15) présentant la dynamique de régulation la plus faible comporte une unité de comparaison ou un soustracteur (27) qui compare ia masse de carburant (mMEss) dans i'accumulateur de pression (8), calculée à partir des valeurs de mesure, à la masse théorique de carburant (mCALC). 13. Procéde de mise en oeuvre d'un dispositif d'injection suivant i'une quelconque des revendications i a i2, caractérisé en ce qu'ii comporte les opérations suivantes consistant: - 11 - - à détecter une grandeur de mesure reproduisant le comportement de fonctionnement du moteur à combustion interne et/ou du dispositif d'injection, - à calculer la masse de carburant devant être envoyée par la pompe (2), en fonction de la grandeur de mesure, et - à commander la valve (6) en fonction de la masse de carburant devant être envoyée au moyen de la pompe (2). 14. Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la masse de carburant devant être refoulée par la pompe (2) fait l'objet d'une régulation. 15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que la masse de carburant devant être refoulée par la pompe (2) fait l'objet d'une régulation au moyen de deux régulateurs (14, 15) présentant des dynamiques de régulation différentes. 16. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la masse de carburant devant être refoulée par la pompe (2) fait l'objet d'une régulation en fonction de la vitesse de rotation, de la température de carburant, de la masse de carburant injectée et/ou de la pression de carburant. 17. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la pression de carburant dans l'accumulateur de pression (8) est mesurée, la masse de carburant devant être refoulée par la pompe (2) étant déterminée en fonction de l'écart de la pression de carburant mesurée par rapport à une pression de carburant de consigne préfixée. 18. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que la température du carburant est mesurée et la masse de carburant devant être refoulée par la pompe (2) est déterminée en fonction de la température mesurée du carburant et de la pression de carburant mesurée.