Brevet FR2849111A1 — publié le 20040625

La présente invention concerne un procédé de régulation de la richesse du mélange air/carburant admis dans un moteur thermique de véhicule automobile à allumage et injection pilotés électroniquement, équipé d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement Ce dispositif de traitement est plus particulièrement 5 constitué d'un catalyseur, notamment de type "trois voies", associé à une sonde tout ou rien de type "lambda", dans le but de filtrer les émissions de polluants en sortie du pot des gaz d'échappement. En effet, pour répondre aux normes internationales concernant les émissions 10 de substances polluantes, telles que les oxydes d'azote, les hydrocarbures imbrlés et les oxydes de carbone, il est nécessaire de traiter les gaz d'échappement de façon à provoquer une réaction des substances polluantes qu'ils contiennent qui va diminuer les émissions nocives Or, dans certaines conditions de fonctionnement du moteur et notamment lors de son démarrage à froid, I'efficacité du catalyseur placé 15 dans la ligne d'échappement est très réduite, voire nulle car il nécessite une température minimale d'amorçage pour traiter les substances polluantes qui le traversent Tant que cette température minimale d'amorçage n'est pas atteinte, la quasi-totalité des substances polluantes, produites lors de la combustion du mélange air-carburant dans le moteur, est rejetée dans l'atmosphère. 20 Une solution pour diminuer cette température d'amorçage du catalyseur et réduire les émissions de base en hydrocarbures et en oxyde de carbone consiste à faire fonctionner le moteur en mélange pauvre, soit avec une richesse inférieure à la richesse stoechiométrique. La richesse du mélange air/carburant admis dans un moteur à combustion interne correspond au rapport entre la masse de carburant et la masse d'air La richesse est dite stoechiométrique quand elle correspond au mélange de 1 gramme de carburant pour 14,7 grammes d'air, mélange permettant théoriquement de réaliser 30 la combustion complète du carburant Lorsque le mélange air/carburant présente un excès de carburant, le mélange est qualifié de riche car la richesse est supérieure à la richesse stoechiométrique égale à 1 Inversement, quand le mélange présente un excès d'air, la richesse est inférieure à 1 et le mélange est qualifié de pauvre. Grâce à une stratégie de régulation de la richesse en mélange pauvre, les quantités de polluants produites lorsque le catalyseur n'est pas encore efficace, car pas assez chaud, sont réduites d'une part et le catalyseur devient efficace plus tôt et traite donc davantage d'émissions nocives d'autre part. Actuellement, pour réguler la richesse du mélange sur tout point de 5 fonctionnement du moteur, il est possible d'utiliser une sonde de type proportionnel, mais elle cote beaucoup plus cher qu'une sonde tout ou rien lambda et elle suppose l'adaptation de l'étage d'entrée du calculateur électronique d'injection. Une autre solution connue, utilisant une sonde de type lambda, consiste à 10 réaliser une régulation "en fréquence-amplitude", à partir de l'envoi d'un signal d'excitation sur le temps d'injection et d'en déduire l'information sur la richesse grâce à l'analyse de la réponse de la sonde lambda Cette solution est difficile à mettre en oeuvre et à calibrer. Une troisième solution consiste à réguler la richesse sur les instabilités du moteur A partir du signal dent, on détermine une grandeur caractéristique de la stabilité du moteur et on régule ensuite la richesse du mélange sur une consigne de stabilité Cette solution a pour inconvénients de ne pas pouvoir choisir la consigne de richesse voulue et de manquer de robustesse en régime transitoire De plus, il est 20 nécessaire de prendre en compte dans le régulateur d'autres paramètres, tels que l'avance à l'allumage par exemple, dont dépend la stabilité du moteur. L'invention se propose d'assurer la régulation de la richesse du mélange aircarburant par commande du temps d'injection de carburant dans les cylindres, au 25 moyen d'une boucle fermée comprenant une sonde tout ou rien à oxygène sensible à la richesse en oxygène des gaz d'échappement, qui délivre un signal au calculateur électronique d'injection contrôlant le temps d'injection Le signal délivré par la sonde lambda oscille ou "bat" entre un niveau haut représentatif d'un mélange riche et un niveau bas représentatif d'un mélange pauvre A partir de ce signal oscillant entre 30 deux valeurs, le calculateur d'injection contrôle le temps d'injection du carburant en l'augmentant, quand il détecte un mélange pauvre, jusqu'à ce que le signal de la sonde bascule vers le niveau haut représentatif d'un mélange riche A ce moment là, le calculateur diminue le temps d'injection jusqu'à ce qu'il détecte que le mélange est à nouveau pauvre La fréquence de battement de la sonde lambda entre ces deux 35 niveaux haut et bas est déterminée pour assurer une régulation fine de la richesse. Au démarrage, le moteur est alimenté en mélange riche, afin d'assurer une bonne combustion du mélange peu après le démarrage, la qualité de cette combustion étant vérifiée par mesure des instabilités du régime moteur Puis lorsque les conditions de stabilité le permettent, le calculateur d'injection fait passer le fonctionnement en mélange pauvre jusqu'à ce que le catalyseur soit complètement efficace. Le but de l'invention étant d'assurer une régulation de la richesse en mélange pauvre, I'objet de l'invention est un procédé de la régulation de la richesse du mélange air/carburant dans un moteur thermique à injection contrôlée électroniquement par un calculateur, dont le circuit des gaz d'échappement comporte un catalyseur trois voies et une sonde à oxygène, placée entre le moteur et le 10 catalyseur et dont le signal représentatif de la richesse du mélange air/carburant est délivré au calculateur de contrôle qui assure une régulation en boucle fermée par détermination du temps d'injection, caractérisé en ce qu'il consiste à réguler la richesse en mélange pauvre de façon dissymétrique selon le sens de basculement de la sonde par variation des corrections proportionnelle et intégrale appliquées au 15 coefficient dit de correction de boucle de régulation de richesse intervenant dans le calcul du temps d'injection. Selon une autre caractéristique du procédé de régulation, le calculateur électronique de contrôle de l'injection applique: lors du basculement de la sonde à oxygène de l'état bas représentatif d'un mélange pauvre vers l'état haut représentatif d'un mélange riche, une correction proportionnelle supérieure à la correction proportionnelle appliquée dans le cas d'une richesse stoechiométrique, déterminée pour diminuer fortement et plus rapidement la richesse, suivie d'une correction intégrale spécifique; lors du basculement de ladite sonde de l'état haut à l'état bas, une correction proportionnelle inférieure à celle appliquée dans le cas d'une richesse stoechiométrique, déterminée pour augmenter plus lentement la richesse et rester plus longtemps en mélange pauvre que lors d'une phase de richesse stoechiométrique. Selon une autre caractéristique du procédé de régulation, les corrections proportionnelles appliquées au coefficient de correction de boucle de régulation de richesse sont déterminées de telle sorte que la richesse moyenne de fonctionnement est d'autant plus faible que la valeur de la correction proportionnelle dans le sens de l'appauvrissement du mélange est plus élevée et que sa valeur dans le sens de 35 I'enrichissement du mélange est plus faible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du procédé de régulation de la richesse, illustrée par les figures suivantes qui sont: la figure 1: les variations temporelles du coefficient de correction de boucle de régulation de richesse, selon l'art antérieur; la figure 2: l'état binaire d'une sonde à oxygène en fonction de la richesse du mélange air-carburant; la figure 3: le signal de tension aux bornes d'une sonde à oxygène au cours du fonctionnement du moteur; la figure 4: les variations temporelles du coefficient de correction de boucle de régulation de richesse, selon l'invention; la figure 5: les variations temporelles de la richesse du mélange air-carburant, après application du procédé de régulation selon l'invention la figure 6: un exemple de battement intempestif de la sonde à oxygène, 15 appelé "glitch"; les figures 7 a, 7 b et 7 o: le signal binaire délivré par une sonde à oxygène, l'état d'un compteur associé à la sonde et les variations temporelles du coefficient de correction de boucle de régulation de richesse qui en résultent; les figures 8 a et 8 b: le signal binaire délivré par une sonde à oxygène et les 20 variations temporelles du coefficient de correction de boucle de régulation de richesse en phase d'instabilités du moteur. Le calculateur de contrôle de l'injection traite le signal délivré par une sonde à oxygène, dite lambda, et représentatif de la richesse en carburant pour régler le 25 temps d'injection Le calcul du temps d'injection Ti fait intervenir un modèle de la forme: Ti = A + F * (P + Po) o A, F et Po sont des coefficients et P est la pression d'admission de l'air dans le moteur Le coefficient F est constitué par un ensemble de termes 30 multiplicatifs dont un terme OCF est un coefficient de richesse, intervenant lors d'une régulation en boucle fermée Pour maintenir la richesse du mélange à la valeur stoechiométrique, il est possible de faire varier ledit coefficient c LCL en fonction de l'état S de la sonde à oxygène, qui est représenté sur la figure 2, pour un fonctionnement en boucle standard Lors du basculement de la sonde de l'état haut 35 ou 1, correspondant à un mélange riche, à l'état bas ou 0, correspondant à un mélange pauvre, comme lors d'un basculement inverse, le coefficient CECL reçoit tout d'abord une correction de type proportionnelle Cp puis une correction de type intégrale Ci pour diminuer, respectivement augmenter, la richesse jusqu'à provoquer un nouveau basculement de l'état binaire de la sonde, comme le montre la figure 1. La richesse moyenne ainsi obtenue peut être égale à 1. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le procédé de régulation consiste à réguler la richesse en mélange pauvre de façon dissymétrique selon le sens de basculement de la sonde déterminé par la tension Vs à ses bornes représentée sur la figure 3 Cette tension peut varier entre O et 900 m V environ et son changement d'état correspond au passage par la valeur de 450 m V Pour cela, les 10 corrections proportionnelle Cp et intégrale Ci appliquées au coefficient c LCL sont différentes selon que la sonde bascule d'un état riche vers un état pauvre et inversement, comme le montre la figure 4 Ainsi, lors du basculement de la sonde lambda d'un état bas ou 0, représentatif d'un mélange pauvre, vers un état haut ou 1, représentatif d'un mélange riche, le calculateur d'injection applique une correction 15 proportionnelle Cp dont la valeur est très supérieure à celle qu'il aurait appliqué pour obtenir une richesse stoechiométrique, associée à une correction intégrale C, spécifique La valeur de la correction proportionnelle Cp est destinée à diminuer fortement et plus rapidement la richesse qu'avec la valeur d'obtention d'une richesse stoechiométrique. Lors du basculement de la sonde lambda d'un état haut ou 1, représentatif d'un mélange riche, vers un état bas correspondant à un mélange pauvre, le calculateur électronique applique une correction proportionnelle Cp dont la valeur est très inférieure à celle qu'il aurait appliqué pour l'obtention d'une richesse 25 stoechiométrique, cette valeur pouvant même être nulle Cette correction, à laquelle est associée une correction intégrale Ci spécifique, est déterminée pour enrichir le mélange très lentement et rester ainsi en mélange pauvre plus longtemps qu'avec une correction classique pour richesse stoechiométrique. Comme le montre les variations temporelles de la richesse R sur la figure 5, la richesse Rm moyenne de fonctionnement est d'autant plus faible que la valeur de la correction proportionnelle dans le sens de l'appauvrissement du mélange en carburant est plus élevée et qu'inversement, dans le sens de l'enrichissement du mélange, la valeur est plus faible. La valeur minimale de la correction proportionnelle, appliquée au coefficient ar CL de correction de boucle de régulation de richesse, dans le sens d'un appauvrissement du mélange, est limitée par la variation de couple ressentie par le conducteur du véhicule, c'est-à-dire par l'agrément de conduite Les valeurs de la correction intégrale n'ont pas d'influence sur la valeur de la richesse moyenne, mais sont déterminées par le calculateur de contrôle pour obtenir la fréquence de battement de la sonde à oxygène, c'est-à-dire celle de la richesse du mélange. Le procédé de régulation selon l'invention doit tenir compte du phénomène de "glitch", qui est un battement intempestif de la sonde lambda, se produisant plus particulièrement à froid Dès que la tension Vs aux bornes de la sonde descend en 10 dessous du seuil Sm de basculement prédéfini, voisin de 450 m V, le signal de sortie S passe de la valeur 1 à la valeur 0, et dès que la tension remonte au dessus dudit seuil le signal de sortie bascule en sens inverse de O à 1, même si cela se produit avec une fréquence élevée, comme le montre le schéma de la figure 6. En cas de "glitch", le procédé selon l'invention n'applique pas, à chaque transition entre un mélange pauvre et un mélange riche survenant de façon successive et rapprochée, la correction proportionnelle Cp décrite auparavant, sur le coefficient correctif de richesse, car cela provoquerait une richesse du mélange trop faible. Selon une caractéristique de l'invention, le calculateur d'injection initialise un compteur lors du premier basculement de la sonde à oxygène de l'état pauvre à l'état riche, compteur edont la valeur est décrémentée selon une durée D prédéfinie, comme le montre la figure 7 b, la figure 7 a représentant les différents basculements de 25 la sonde entre les deux états binaires 1 et 0 On remarque sur la figure 7 , représentant le coefficient de correction OECL, que lors de ce premier basculement à l'instant to, le procédé applique une correction proportionnelle Cp puis une correction intégrale Ci jusqu'à ce que la sonde détecte un basculement de l'état riche vers l'état pauvre à l'instant tl, le compteur se décrémentant jusqu'à l'instant t 2 Si la sonde 30 détecte deux basculements consécutifs de l'état O vers l'état 1, par exemple aux instants t 3 et t 5, alors que le compteur n'a pas atteint la valeur nulle, le calculateur d'injection applique les deux corrections proportionnelle à l'instant t 3 et intégrale à l'instant t 4 concernant le premier de ces deux basculements, mais à l'instant t 5 o la sonde bascule à nouveau de l'état O à l'état 1, le calculateur interdit l'application d'une 35 nouvelle correction proportionnelle dans le sens de l'appauvrissement Seule une correction intégrale Ci est appliquée à l'instant t 5 jusqu'à l'instant t 6 o la sonde bascule du niveau 0 au niveau 1. On constate que le sens d'application de la correction intégrale dépend de l'état riche ou pauvre du mélange détecté par la sonde à oxygène Cette décrémentation d'un compteur interdisant l'application d'une deuxième correction proportionnelle dans le sens de l'appauvrissement du mélange a pour but d'éviter la sur-correction de richesse liée au glitch. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé de régulation de richesse tient compte du phénomène d'instabilités dans le fonctionnement du moteur, alors que ce dernier est en phase d'enrichissement du mélange air-carburant Le 10 calculateur d'injection comporte un estimateur d'instabilités, basé sur l'analyse du signal dent pour éviter d'atteindre des niveaux de richesse trop faibles Lorsque la sonde a détecté un mélange pauvre et que le calculateur d'injection réalise une phase d'enrichissement du mélange en carburant, il vérifie simultanément le niveau d'instabilités et si ce dernier dépasse un seuil maximal prédéterminé lors de la mise 15 au point de la stratégie de régulation, le calculateur augmente la valeur de la correction intégrale Ci pour provoquer une augmentation plus rapide de la richesse dans le but de revenir au plus vite à un niveau de richesse compatible avec les contraintes d'agrément de conduite. La figure 8 b qui représente le coefficient de correction de richesse o CL, présente un changement de pente lors de la deuxième phase d'enrichissement du mélange entre les instants t 7 et t 8 au cours desquels la sonde lambda a détecté un mélange pauvre (figure 8 a), précisément à l'instant t 9 o le calculateur a détecté au dépassement du seuil d'instabilités autorisé. 25 Cette stratégie de régulation en mélange pauvre décrite ayant pour objectifs essentiellement de réduire les émissions polluantes du moteur tant que le catalyseur n'en assure pas le traitement et d'accélérer la montée en température dudit catalyseur en augmentant le débit du moteur, elle n'est généralement pas utilisée sur 30 toute la plage de fonctionnement du moteur thermique mais plutôt quand le catalyseur n'est pas efficace. Cette stratégie peut n'être donc appliquée que pendant la période durant laquelle la température du catalyseur n'est pas suffisamment élevée pour traiter les 35 émissions de polluants, c'est-à-dire tant qu'elle n'a pas atteint la valeur seuil de 400 C Cette température est soit mesurée par un capteur, soit modélisée dans le calculateur d'injection Lorsque la température du catalyseur dépasse ce seuil de 400 C environ, le calculateur électronique applique une régulation de richesse classique Cela permet en outre de traiter équitablement les trois types de polluants HC, CO, N Ox. REVENDICATIONS 1 Procédé de régulation de la richesse du mélange air/carburant dans un moteur thermique à injection contrôlée électroniquement par un calculateur, dont le circuit des gaz d'échappement comporte un catalyseur trois voies et une sonde à 5 oxygène, placée entre le moteur et le catalyseur et dont le signal représentatif de la richesse du mélange air/carburant est délivré au calculateur de contrôle qui assure une régulation en boucle fermée par détermination du temps d'injection, caractérisé en ce qu'il consiste à réguler la richesse en mélange pauvre de façon dissymétrique selon le sens de basculement de la sonde par variation des 10 corrections proportionnelle (Cp) et intégrale (CI) appliquées au coefficient (OCL) dit de correction de boucle de régulation de la richesse intervenant dans le calcul du temps d'injection. 2 Procédé de régulation de la richesse selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le calculateur électronique de contrôle de l'injection applique: lors du basculement de la sonde à oxygène de l'état bas représentatif d'un mélange pauvre vers l'état haut représentatif d'un mélange riche, une correction proportionnelle supérieure à la correction proportionnelle appliquée dans le cas d'une richesse stoechiométrique, déterminée pour diminuer fortement et plus rapidement la 20 richesse, suivie d'une correction intégrale spécifique; lors du basculement de ladite sonde de l'état haut à l'état bas, une correction proportionnelle inférieure à celle appliquée dans le cas d'une richesse stoechiométrique, déterminée pour augmenter plus lentement la richesse et rester plus longtemps en mélange pauvre que lors d'une phase de richesse 25 stoechiométrique. 3 Procédé de régulation de la richesse selon la revendication 2, caractérisé en ce que, les corrections proportionnelles (Cp) appliquées au coefficient (OCL) de correction de boucle de régulation de richesse sont déterminées de telle sorte que la 30 richesse moyenne de fonctionnement est d'autant plus faible que la valeur de la correction proportionnelle dans le sens de l'appauvrissement du mélange est plus élevée et que sa valeur dans le sens de l'enrichissement du mélange est plus faible. 4 Procédé de régulation de la richesse selon la revendication 3, caractérisé 35 en ce que la valeur minimale de la correction proportionnelle appliquée au coefficient (a OCL) de correction de boucle de régulation de richesse, dans le sens de l'appauvrissement du mélange en carburant, est limitée par la variation de couple ressentie par le conducteur du véhicule. Procédé de régulation de la richesse selon la revendication 2, caractérisé 5 en ce que les corrections intégrales appliquées au coefficient (c CL) de correction de boucle de régulation de richesse sont déterminées par la fréquence de battement de la sonde à oxygène. 6 Procédé de régulation de la richesse selon l'une des revendications 1 à 5, 10 caractérisé en ce que, lors du premier basculement de la sonde à oxygène de l'état de mélange pauvre à l'état de mélange riche, le calculateur d'injection initialise un compteur qui est décrémenté selon une durée (D) prédéfinie au cours de laquelle une seule correction proportionnelle (Cp) sera appliquée dans le sens de l'appauvrissement du mélange, quelque soit le nombre de basculements de la sonde, 15 une correction intégrale (Ci) étant appliquée à chaque basculement de la sonde dans le sens d'un appauvrissement ou d'un enrichissement du mélange en carburant. 7 Procédé de régulation de la richesse selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le calculateur de contrôle de l'injection comportant un 20 estimateur d'instabilités du moteur, lors d'une phase d'enrichissement du mélange en carburant après détection d'un mélange pauvre par la sonde lambda, il vérifie le niveau d'instabilités et en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé par une mise au point du procédé, il augmente la valeur de la correction intégrale (Ci) appliquée au coefficient (OCL) de correction de boucle de régulation de richesse, de façon à 25 augmenter rapidement la richesse du mélange. 8 Procédé de régulation de la richesse selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est appliqué pendant la période durant laquelle la température du catalyseur à trois voies est inférieure au seuil prédéfini de traitement des 30 émissions polluantes du moteur. 9 Procédé de régulation de la richesse selon la revendication 8, caractérisé en ce que la température du catalyseur est soit mesurée par un capteur, soit modélisée par le calculateur d'injection.