Brevet FR2850710A1 — publié le 20040806

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de commande d'un moteur thermique selon lequel le carburant est injecté dans la chambre de combustion par un injecteur, l'injecteur comportant un ac5 tionneur piézoélectrique commandé, et on génère une valeur de consigne de commande préalable pour commander l'actionneur piézoélectrique. L'invention concerne également un programme d'ordinateur, un support de mémoire, un appareil de commande et/ou 10 de régulation ainsi qu'un moteur thermique notamment appliqué à un véhicule automobile. Etat de la technique On connaît un tel procédé selon le document DE 101 48 217.5. Ce document décrit un injecteur pour injecter du 15 carburant. L'aiguille de l'injecteur est associée à un actionneur piézoélectrique. Lorsqu'une tension est appliquée à l'actionneur piézoélectrique, celui-ci change de longueur et cette variation est transmise à l'aiguille de l'injecteur. Celle-ci se soulève ainsi du siège de soupape de sorte que le carburant est injecté à pression élevée par l'injecteur dans 20 la chambre de combustion du moteur thermique. Pour la commande de l'actionneur piézo-électrique, une commande préalable génère une valeur de consigne qui non seulement dépend de la masse ou de la quantité de carburant que l'on souhaite injecter mais également d'autres grandeurs d'influence qui peuvent 25 fausser la valeur de consigne. De telles grandeurs d'influence sont par exemple la température de l'injecteur ou son vieillissement ou des paramètres analogues. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro30 cédé du type ci-dessus permettant une injection encore plus précise du carburant. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on combine la valeur de consigne de commande préalable à une régulation de charge de la quantité de charge fournie à l'actionneur piézo-électrique. Ce problème est également résolu par un programme d'ordinateur, un support de mémoire, un appareil de commande et/ou 5 de régulation ainsi qu'un moteur thermique, mettant en oeuvre le procédé. Partant de la régulation de charge, l'actionneur piézoélectrique et ainsi la quantité de carburant à injecter peuvent être réglés d'une manière extrêmement précise par le procédé de l'invention. Cela 10 se répercute, d'une part, avantageusement sur la consommation de carburant par le moteur thermique, et, d'autre part, cela se traduit par de meilleures caractéristiques d'émission d'un moteur thermique ainsi commandé. Selon un développement particulièrement avantageux de 15 l'invention, dans le cas de la régulation de charge, on combine une course de consigne et une course réelle de l'aiguille de l'injecteur en formant de préférence une différence. La course réelle se détermine notamment en fonction de la quantité de charge fournie à l'actionneur piézo-électrique, en particulier en fonction de la tension d'un condensateur 20 qui reçoit une partie du courant alimentant l'actionneur piézoélectrique. Cette régulation de charge permet une commande extrêmement précise et fiable de l'actionneur piézo-électrique de sorte que les erreurs que l'on ne peut compenser uniquement par la commande préalable seront compensées par la régulation de charge. Par exemple on détermine la course de consigne à partir d'une valeur de consigne de débit correspondant à la masse de carburant ou à la quantité de carburant qui doit être injectée par unité de temps. Avantageusement on détermine la valeur de consigne de 30 commande préalable en fonction de la course de consigne, et la régulation de charge comporte un régulateur proportionnel intégral PI. Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, la régulation de charge est combinée à une régulation de tension. De manière préférentielle, la valeur de consigne générée par la 35 commande préalable est combinée à la tension appliquée à l'actionneur piézo- électrique. Ainsi, en particulier si la régulation de charge n'est pas suffisamment rapide, cela permet d'atteindre une précision élevée avec le procédé de l'invention. L'invention concerne également un programme 5 d'ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé développé ci-dessus, ce programme étant exécuté sur un ordinateur. D'une manière particulièrement préférentielle, le programme d'ordinateur est enregistré sur un support de mémoire, en particulier une mémoire flash. La présente invention concerne également un appareil de 10 commande et/ou de régulation pour un moteur thermique. Pour faire fonctionner le moteur thermique de manière optimale du point de vue de la puissance et de l'émission de matières polluantes, il est proposé que l'appareil de commande et/ou de régulation comporte une mémoire contenant un programme d'ordinateur du type défini ci-dessus. L'invention concerne en outre un moteur thermique avec une chambre de combustion et un dispositif d'injection de carburant, ce dernier ayant un actionneur piézo-électrique par lequel le carburant arrive dans la chambre de combustion. Pour faire fonctionner le moteur thermique de manière optimale du point de vue de la puissance et de 20 l'émission de matières polluantes, il comporte un appareil de commande et/ou de régulation du type défini ci-dessus. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schémati25 quement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un exemple de réalisation d'un moteur thermique selon l'invention, - la figure 2 est une vue partiellement coupée d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'injection de carburant d'un moteur thermique 30 selon la figure 1, - la figure 3 montre un exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention selon lequel fonctionne le moteur thermique de la figure 1 ou le dispositif d'injection de carburant de la figure 2, - la figure 4 montre un exemple de réalisation d'un complément au 35 procédé de la figure 3. La figure 1 montre un moteur thermique 10 installé dans un véhicule. Le moteur thermique 10 comprend plusieurs cylindres dont un seul cylindre 12 est représenté à la figure 1. Le cylindre est équipé d'un piston 14 entraînant un vilebrequin 16. Un capteur de vi5 tesse de rotation 18 détecte la vitesse de rotation du vilebrequin 16. Une chambre de combustion 20 du cylindre 12 reçoit l'air comburant par une conduite d'aspiration 22 et à travers une soupape d'admission non représentée à la figure 1. Les gaz de combustion sont évacués de la chambre de combustion 20 par une conduite 10 d'échappement 24 reliée à la chambre de combustion 20 par une soupape d'échappement qui n'est pas non plus représentée à la figure 1. Le carburant est injecté par un dispositif d'injection de carburant en forme d'injecteur 26 dans la chambre de combustion 20 par injection directe. L'injecteur 26 est relié à un système d'alimentation en carburant 28 qui 15 n'est représenté que schématiquement à la figure 1. Ce système comprend un réservoir de carburant, une pompe d'alimentation, une pompe principale et une conduite collectrice de carburant (rampe commune) dans laquelle le carburant est stocké à pression élevée. L'injecteur 26 est raccordé à la rampe commune et il débouche dans le cylindre 12 du 20 moteur thermique 10. Le carburant de la chambre de combustion 20 est allumé par une bougie d'allumage 30. Cette bougie reçoit l'énergie nécessaire à l'allumage par un système d'allumage 32. Le système d'allumage 32 est commandé par un appareil de commande et/ou de graduation 34. Cet 25 appareil est relié en sortie par un étage de puissance 35 également à l'injecteur 26 pour le commander. En entrée, l'appareil de commande et/ou de régulation 34 reçoit des signaux d'un capteur de température 36 qui saisit la température de l'injecteur 26. De plus, le capteur de vitesse de rotation 18 est relié à l'appareil de commande et/ou de régula30 tion 34. Un capteur de position 38 détecte la position de la pédale d'accélérateur 40 et fournit également des signaux à l'appareil de commande et/ou de régulation 34. L'appareil de comma de et/ou de régulation 34 peut être réalisé sous la forme d'un circuit électronique analogique. L'appareil de 35 commande et/ou de régulation 34 comprend de préférence un calcula- teur tel qu'un microprocesseur avec une mémoire flash. L'appareil de commande et/ou de régulation 34 est relié aux capteurs et actionneurs décrits ci-dessus pour traiter les signaux qu'il reçoit et générer des signaux de commande. La mémoire flash contient un programme s d'ordinateur avec de multiples ordres de programme. Le programme d'ordinateur est destiné à exécuter le procédé décrit ci-après lorsqu'il est déroulé dans un microprocesseur. La figure 2 montre de manière détaillée l'injecteur 26. L'injecteur comprend un corps 42 recevant de manière coulissante une io aiguille d'injecteur 46 entourée par une collerette annulaire 48. L'aiguille d'injecteur 46 s'ouvre vers " l'extérieur " c'est-à-dire dans la chambre de combustion. A son extrémité libre, l'aiguille d'injecteur 46 a une forme conique et s'appuie sur un siège de soupape correspondant. En position ouverte de l'aiguille d'injecteur 46, le système 15 d'alimentation en carburant 28 est relié par la chambre annulaire 48 à la chambre de combustion. A l'état ouvert, on a ainsi un jet conique de carburant dirigé dans la chambre de combustion. L'extrémité de l'aiguille d'injecteur 46 à l'opposé de sa forme conique est couplée solidairement en un actionneur piézo20 électrique 50. Le cas échéant on peut également avoir un couplage hydraulique. L'actionneur piézo-électrique 50 est une colonne de forme stratifiée composée d'un grand nombre d'éléments piézo-électriques séparés. L'extrémité de l'actionneur piézo-électrique 50, à l'opposé de celle de l'aiguille 46, est serrée sur le boîtier 52 de l'injecteur. L'actionneur 25 piézoélectrique 50 est relié à l'étage de puissance 35 par des lignes de commande 54. Ces lignes de commande fournissent l'énergie de commande nécessaire aux mouvements de l'actionneur piézo-électrique 50 d'une manière qui sera décrite ensuite. Le moteur thermique 10 fonctionne par injection directe 30 d'essence de sorte qu'il peut fonctionner à la fois en mode stratifié et en mode homogène. En mode stratifié, il n'y a un mélange inflammable de carburant qu'au niveau de la bougie 30 alors que la partie restante de la chambre de combustion 20 est tout d'abord dégagée de carburant. POur cela, l'injecteur 26 injecte du carburant pendant une course de 35 compression du piston 14. Mais il est également possible d'injecter le carburant avec l'injecteur 26 pendant une course d'aspiration du piston 14 si bien que le carburant est réparti d'une manière très homogène dans la chambre de combustion 20 du moteur thermique 10. On peut également envisager des combinaisons quelconques. Pour réaliser une injection on fournit de l'énergie électrique de commande à l'injecteur 26 par l'étage de puissance 35 à partir de l'appareil de commande et de régulation 34. Ainsi, l'actionneur piézoélectrique 5 s'allonge dans la direction longitudinale. L'aiguille d'injecteur 46 est de ce fait soulevée du siège de soupape du corps 10 d'injecteur 42 et ainsi l'aiguille 46 se met en position ouverte. Pour terminer l'injection on coupe l'énergie fournie à l'actionneur piézoélectrique 50 qui reprend sa longueur initiale et l'aiguille 46 revient en appui contre son siège. Ce mouvement de fermeture peut être accentué par un ressort 44. La variation de longueur de l'actionneur piézo-électrique 50, que celui-ci exécute lorsqu'on lui applique une tension électrique, dépend non seulement de l'amplitude de la tension électrique mais également de différents autres paramètres. Ces paramètres ou grandeurs influencent le comportement en fonctionnement de l'actionneur 20 piézo- électrique 50 et sont appelés pour cette raison grandeurs d'influence. Une telle grandeur d'influence est par exemple la température T de l'actionneur piézo-électrique 50. Cette température est détectée par un capteur de température 36 pour être transmise à l'appareil de commande et/ou de régulation 34. En variante on peut également 25 déterminer la température en utilisant un modèle. Une autre grandeur d'influence est l'âge de l'actionneur piézo-électrique 50. Il s'agit non seulement de l'âge réel de celui-ci qui peut se mesurer par exemple en jour, mois et/ou année mais également du nombre de courses exécutées par l'actionneur piézo-électrique 50 au 30 cours de sa durée de vie. De plus, les tolérances de fabrication de l'actionneur piézoélectrique 50 représentent également une grandeur d'influence. Du fait des conditions différentes de fabrication de l'actionneur piézo- électrique 50, il peut arriver que pour une même énergie de commande et pour des actionneurs piézo-électriques identi35 ques, les courses résultantes sont néanmoins différentes. Les grandeurs d'influence ci-dessus peuvent être prises en compte et compensées si à l'aide d'une commande préalable individuelle par cylindre on génère une valeur de consigne de commande préalable Uconspré pour la tension de commande de l'actionneur piézo5 électrique 50. La figure 3 montre un procédé de régulation de la tension de commande de l'actionneur piézo-électrique 50 de manière individuelle par cylindre. A la figure 3 on a indiqué la valeur de consigne de commande préalable Uconspré déjà évoquée pour la tension de com10 mande de l'actionneur piézo-électrique 50. La figure 3 montre la valeur de consigne de débit QKcons de carburant. Cette valeur se détermine par exemple en fonction de la vitesse de rotation et/ou de la charge appliquée au moteur thermique 10, selon une détermination individuelle par cylindre. La valeur de con15 signe du débit QKcons caractérise la quantité ou masse de carburant qui doit être injectée par unité de temps actuel dans le cylindre respectif 12 du moteur thermique 10. Cette valeur de consigne de débit QKcons est corrigée de manière individuelle par cylindre à l'aide d'un coefficient d'équilibrage 20 de cylindre. Cet équilibrage des cylindres tient compte des accélérations du vilebrequin 16 après l'allumage du mélange dans les différents cylindres. A partir des déviations entre les différents cylindres on peut fixer des quantités de carburant différentes à injecter et pour cela des courses différentes pour les divers actionneurs piézo-électriques 50 25 pour une même énergie de commande. Ces différences se compensent en corrigeant l'énergie de commande des différents actionneurs piézoélectriques 50 pour avoir, dans un cycle de fonctionnement du vilebrequin 16, une courbe de couple aussi régulière que possible. Cette correction se fait à l'aide du coefficient fzg qui est combiné par 30 multiplication au débit de consigne QKcons. Il est clair que l'équilibrage des cylindres tels que décrits peut également se faire différemment ou même être supprimé. La valeur de consigne de débit QKcons, corrigée, est transformée par une courbe caractéristique 60 en une course d'aiguille 35 nécessaire pour injecter la quantité souhaitée de carburant dans la chambre de combustion 20 à l'aide de l'injecteur 26. Cette course d'aiguille est combinée par addition à une valeur dépendant de la pression et qui se détermine par une courbe caractéristique 62 en fonction de la pression mesurée PRréel dans la rampe commune du système 5 d'alimentation en carburant 28. Cette dernière représente une correction de la course d'aiguille de l'injecteur 26 en fonction de la pression. De cette manière on génère une course de consigne Hcons pour l'aiguille 46 de l'injecteur 26. Cette course de consigne Hcons s'utilise entre autre également pour la commande préalable déjà 10 évoquée de sorte que la valeur de consigne de la commande préalable Uconspré peut également être une fonction de cette course de consigne Hcons. Une partie du courant fourni à l'actionneur piézoélectrique 50 de l'injecteur 26 est appliquée d'une manière non repré15 sentée à un condensateur par exemple dans un montage en parallèle. Pendant le temps de passage du courant, c'est-à-dire pendant le temps d'alimentation de l'actionneur piézo-électrique 50, on charge ainsi le condensateur. Après chaque durée de branchement la tension aux bornes du condensateur représente une valeur de la quantité de charge 20 fournie à l'actionneur piézo-électrique 50. Cette valeur est représentée à la figure 3 comme valeur réelle de la quantité de charge QCréel. Cette mesure de charge est effectuée successivement pour chaque durée de branchement de l'actionneur piézo-électrique 50 de sorte que pour chaque alimentation on aura une valeur réelle de quantité de charge QCréel 25 associée à la quantité de charge de l'actionneur piézo-électrique 50. La valeur réelle de la quantité de charge QCréel est transformée par calcul d'une courbe caractéristique 64 pour donner une course réelle Hréel. La caractéristique 64 représente la relation entre la quantité de charge fournie et la course qui en résulte pour 30 l'aiguille 46 de l'injecteur 26 en fonction de la température T de l'injecteur 26. La température T se mesure avec le capteur de température 36 et le signal de sortie généré par la courbe caractéristique 64 est combiné de manière multiplicative à la valeur réelle de la quantité de charge QCréel. La différence entre la course de consigne Hcons et la course réelle Hréel est appliquée à un régulateur PI 66 (régulateur proportionnel, intégral). Ce régulateur PI 66 effectue une régulation de charge individuelle par cylindre. Pour cela, on combine le signal de sor5 tie du régulateur PI 66 de manière additive à la commande préalable décrite. On ajoute ainsi le signal de sortie du régulateur PI 66 à la valeur de consigne de commande préalable Uconspré pour la tension de commande de l'actionneur piézoélectrique 50. Comme résultat on obtient une valeur de consigne Ucons 10 pour commander l'actionneur piézo-électrique 50. Cette commande se fait comme décrit par l'intermédiaire d'un étage de puissance avec conversion entre autre de la valeur de consigne Ucons en une valeur d'intensité, notamment en un seuil pour le courant alimentant l'actionneur piézo-électrique 50. Par le signal de sortie du régulateur PI 66 on influence ainsi la valeur de consigne Ucons, ce qui modifie le courant fourni à l'actionneur piézoélectrique 50. Cela représente en même temps une variation de la quantité de charge fournie à l'actionneur piézo-électrique 50. Cette situation est constatée à l'aide du condensateur évoqué sous 20 la forme d'une valeur réelle de quantité de charge suivante. Le circuit de régulation est ainsi bouclé. Globalement, le procédé représenté à la figure 3 représente ainsi une commande préalable pour commander l'actionneur piézo-électrique 50. Cette commande est complétée par une régulation de 25 charge. Le procédé décrit est individuel pour chaque cylindre et en plus on peut avoir un équilibrage des cylindres. Une hypothèse pour le procédé décrit à l'aide de la figure 3 est que la mesure de la charge, c'est-à-dire la détermination de la valeur réelle de la quantité de charge QCréel, puisse se faire d'une ma30 nière suffisamment précise et rapide. Si la mesure de la charge n'est pas suffisamment précise il est possible de la compenser en faisant une moyenne des mesures de charge successives, c'est-à-dire des valeurs réelles successives de la charge. Si la mesure de la charge n'est pas suffisamment rapide, on peut compenser à l'aide du procédé décrit se35 lon la figure 4. La figure 4 montre un complément du procédé de la figure 3. Comme à la figure 3, dans le cas de la figure 4 on combine le signal de sortie du régulateur PI 66 à la valeur de consigne de commande préalable Uconspré de la tension de commande de l'actionneur 5 piézo-électrique 50 en procédant à une combinaison par addition. Le résultat de cette addition est une tension UZ. A partir de la tension UZ et d'une tension UA on forme ensuite une différence. La tension UA est la valeur réelle de la tension appliquée à l'actionneur piézo-électrique 50; cette dernière dépend elle-même du courant ou de la quantité de 10 charge fourni à l'actionneur piézo-électrique 50. La différence des tensions UZ et UA est appliquée à un autre régulateur PI 68. Ce régulateur PI 68 exécute une régulation de tension individuelle pour chaque cylindre. Pour cela, le signal de sortie du régulateur PI 68 est combiné de manière additive à la commande 15 préalable telle que décrite. Pour cela, on ajoute le signal de sortie du régulateur PI 68 à la tension UZ. Le résultat est la valeur de consigne Ucons avec laquelle on commande l'actionneur piézo-électrique 50 comme cela a été décrit. Le signal de sortie du régulateur PI 68 influence ainsi la 20 valeur de consigne Ucons si bien que le courant alimentant l'actionneur piézoélectrique 50 change. Cela représente en même temps une variation de la tension UA appliquée à l'actionneur piézo-électrique 50. Le circuit de régulation est ainsi bouclé. Globalement, le procédé représenté à la figure 3 corres25 pond à une commande préalable pour l'actionneur piézo-électrique 50 qui est complétée par une régulation de charge et par une régulation de tension en aval. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de commande d'un moteur thermique (10) selon lequel le carburant est injecté dans la chambre de combustion (20) par un injecteur (26), l'injecteur (26) comportant un actionneur piézo-électrique (50) commandé, et on génère une valeur de consigne de commande préalable (Uconspré) pour commander l'actionneur piézo-électrique (50), caractérisé en ce qu' on combine la valeur de consigne de commande préalable (Uconspré) à 10 une régulation de charge de la quantité de charge fournie à l'actionneur piézo-électrique (50). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on combine un signal de sortie de la régulation de charge de manière additive à la valeur de consigne de commande préalable (Uconspré). 3 ) Procédé selon la revendication 1, la commande de l'actionneur piézoélectrique (50) déplaçant une aiguille d'injecteur (46), 20 caractérisé en ce que dans la régulation de charge on combine une course de consigne (Hcons) et une course réelle (Hréel) de l'aiguille (46) de l'injecteur (26), de préférence en formant une différence. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on détermine la course réelle (Hcons) en fonction de la quantité de charge fournie à l'actionneur piézo-électrique (50). 5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' on détermine la quantité de charge fournie à l'actionneur piézoélectrique (50) en fonction de la tension aux bornes d'un condensateur recevant une partie du courant fournie à l'actionneur piézo-électrique 35 (50). 60) Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu' on détermine la course de consigne (Hcons) à partir d'une valeur de consigne de débit (QKcons) correspondant à la masse de carburant ou à la quantité de carburant qui doit être injectée par unité de temps. 70) Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu' on détermine la valeur de consigne de commande préalable (Uconspré) 10 en fonction de la course de consigne (Hcons). 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation de charge comporte un régulateur proportionnel intégral PI If (66). 90) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation de charge est combinée à une régulation de tension. 20 100) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la régulation de tension est en aval de la régulation de charge. 110) Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu' on combine la tension (UZ) générée par la régulation de charge à la valeur réelle de la tension (UA) appliquée à l'actionneur piézo- électrique (50) notamment en formant une différence. 30 120) Procédé selon la revendication i1, caractérisé en ce que la régulation de tension comporte un régulateur PI (68). 4 - a 130) Appareil de commande et/ou de régulation (34) destiné à l'application d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 12. 14 ) Moteur thermique (10) notamment pour un véhicule automobile, 5 comportant un appareil de commande et/ou de régulation (34) destiné à l'application d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 12.