Brevet FR2862091A1 — publié le 20050513

Procédé de régulation des variations de richesse pour un moteur Diesel L'invention concerne les moteurs Diesel, et plus particulièrement dans de tels moteurs, un procédé pour réguler la richesse des mélanges gazeux dans les cylindres d'un moteur à combustion interne de type Diesel suralimenté par un turbocompresseur et comprenant un volet d'admission d'un mélange air / carburant et d'une vanne de recirculation des gaz d'échappement. Un tel moteur est représenté schématiquement sur la figure 1. De l'air frais est amené dans la partie haute du turbocompresseur par l'intermédiaire d'un filtre à air et d'un débitmètre. L'air frais est comprimé (et nécessairement échauffé) dans la partie haute du turbocompresseur puis refroidi dans un échangeur de chaleur. La quantité d'air souhaitée est ajustée par le volet d'admission; une partie des gaz d'échappement, dont la quantité est ajustée par un dispositif de recyclage des gaz d'échappement (vanne EGR), est mélangée à la quantité d'air admise; le mélange air + gaz d'échappement est finalement injecté dans les cylindres du moteur avec une quantité appropriée de carburant. Le mélange carburant + gaz est ensuite brûlé dans les cylindres. Enfin, les gaz résultant de la combustion sont, pour une partie, rejetés dans une partie basse du turbocompresseur puis dans un bloc de post-traitement des gaz d'échappement (comprenant notamment un filtre à particules, un piège à oxydes d'azote, etc.) puis finalement dans une ligne d'échappement. L'autre 2862091 2 partie des gaz d'échappement est réinjectée dans le moteur par l'intermédiaire de la vanne EGR. L'utilisation d'un dispositif de recyclage des gaz d'échappement (vanne EGR) permet de recycler une partie des gaz d'échappement dans le moteur lui-même, et donc de diminuer la quantité d'air (et donc d'oxygène) consommée. C'est un dispositif de dépollution efficace car il permet de réduire la formations d'oxydes d'azotes (NOx). Toutefois, pour répondre aux normes de plus en plus sévères en matière dépollution des moteurs Diesel, ce dispositif de recyclage des gaz d'échappement n'est plus suffisant. La composition des gaz d'échappement est un facteur d'ordre 1 dans les émissions de polluants (en particulier les émissions de particules) et elle joue un rôle primordial dans la commande des systèmes de traitement des gaz d'échappement tels que le piège à NOx ou le filtre à particules. Traditionnellement, dans les moteurs essence, la composition des gaz d'échappement est régulée en ajustant la quantité de carburant injectée dans les cylindres. Dans les moteurs Diesel au contraire, la quantité de carburant injectée dépend directement du couple moteur demandée par le conducteur et la composition des gaz d'échappement n'est généralement pas surveillée. La composition du mélange gazeux à l'échappement dépend surtout du rapport entre la masse de carburant et la masse des gaz admis dans les 2862091 3 cylindres du moteur. Le rapport stoechiométrique entre l'air et le carburant sert de référence. On appelle richesse R du mélange carburant / air le rapport entre la masse de carburant admise Qcarb et la masse d'air Qair admise multiplié par le rapport stoechiométrique Ks. Cette richesse se retrouve également dans la composition des gaz d'échappement. R = Ks. Qcarb Qair On connaît par le document JP11280525 un procédé de régulation de la richesse d'échappement par la commande de la vanne EGR ou le volet d'admission. On connaît également du document EP1146216 un procédé régulation de la richesse par la commande du volet d'admission en fonction de la température des gaz d'échappement. Dans ces deux documents, une sonde de mesure de richesse est placée en sortie du moteur, plus précisément en sortie de la partie basse du turbocompresseur. La mesure de richesse est fournie à un régulateur classique de type proportionnel intégral dérivée (PID), qui produit une commande pour le volet d'admission. On constate dans la pratique qu'une telle régulation n'est pas efficace et des variations de la richesse non négligeables sont encore observées après régulation (phénomènes d'oscillation dans la boucle de régulation), pour les raisons suivantes. L'une des particularités du système physique composé du moteur et de la sonde de mesure de 2862091 4 richesse est la présence d'un retard variable entre la richesse (que l'on commande) à l'entrée des cylindres, et la richesse (que l'on souhaite réguler) des gaz d'échappement mesurée par la sonde. Ce retard correspond au temps de combustion dans les cylindres et au temps d'écoulement des gaz vers la sonde. Comme cet écoulement dépend notamment du débit des gaz et donc de la charge du moteur, le retard varie en fonction du point de fonctionnement du moteur. Or, cette variation du retard n'est pas prise en compte dans un correcteur PID. Outre le retard variable entre la richesse à l'entrée des cylindre et la richesse mesurée par la sonde, l'ensemble des caractéristiques du système physique composé du moteur et de la sonde de mesure de richesse dépendent fortement du point de fonctionnement et des dispersions/ dérives du moteur. La présente invention a pour but de proposer un procédé de régulation de la richesse plus stable et plus efficace que les procédés connus. Cet objectif est atteint avec un procédé selon l'invention, utilisant un correcteur de type Hoc pour la régulation de la richesse. La commande fournie par le correcteur Hoc est utilisée pour commander le volet d'admission et / ou la vanne EGR, en fonction d'une erreur entre la richesse mesurée et une richesse souhaitée. Ainsi, l'invention concerne un procédé de régulation des variations de richesse des gaz 2862091 5 d'échappement d'un moteur Diesel comprenant un volet d'admission d'un mélange air / carburant et un dispositif de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes consistant à : (c) mesurer la richesse (Rmes) des gaz d'échappement à la sortie du moteur, (d) comparer la richesse mesurée avec une richesse souhaitée (Rcons) et en déduire une erreur 10 (E), et (e) produire, à l'aide d'un correcteur de type Hoc, une commande globale déduite de l'erreur, la dite commande globale incluant un signal de commande d'ouverture du volet d'admission et / ou un signal de commande d'ouverture de la vanne de recirculation. Par rapport à un correcteur PID classique, un correcteur Ha permet une régulation plus efficace de la richesse des gaz d'échappement, car il permet de prendre en compte, simultanément, des objectifs de performance, de marge de stabilité et de robustesse. L'invention concerne également un moteur Diesel comprenant des moyens de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de mise en uvre d'un procédé de régulation des mélanges gazeux dans un moteur Diesel, selon l'invention. La description est à lire en relation aux dessins annexés dans lesquels: 2862091 6 - la figure 1, déjà décrite, est un schéma simplifié d'un moteur régulé connu, et - la figure 2 est un schéma simplifié d'une boucle de régulation connue, - la figure 3 est un schéma détaillé d'un correcteur selon l'invention pour la régulation du moteur de la figure 1. Avant de détailler plus longuement la mise en pratique de l'invention, il convient de revenir brièvement sur les aspects théoriques des correcteurs de type Hoc. On considère une boucle de régulation classique et la plus générale possible, telle que représentée sur la figure 2. Rmes est une mesure du paramètre que l'on souhaite réguler, dans notre cas, la richesse des gaz d'échappement. Rcons est une valeur théorique souhaitée pour ce même paramètre. G est un modèle numérique du système réel à asservir, dans notre exemple, le système physique composé du moteur et de la sonde de mesure de richesse. C est le correcteur. E est une erreur, égale à la différence entre la valeur mesurée et la valeur souhaitée du paramètre. U est le signal de commande produit par le correcteur en fonction de l'erreur, et P une perturbation quelconque interférant sur la commande U. Pour un tel système bouclé, la matrice de transfert entre les signaux d'entrée Rcons et P, et les signaux de sortie E et U s'écrit: 2862091 7 rE(s)l "R(s)" "S(s) S(s)G(s) "R(s)" 3(s)) - M(s)\ P(s)) - C(s) C(s)S(s) G(s)) B(s)1 où S = (1+G.C)-1 est la fonction de stabilité de l'asservissement. La matrice G(s) est un modèle mathématique du système réel moteur + sonde. La matrice G(s) étant donnée, construire un correcteur Hoc revient à déterminer les caractéristiques du correcteur C(s), c'est-à-dire les coefficients de la matrice M(s), qui vérifient les deux conditions suivantes: - le système bouclé est stable, IIM(s)II Cette deuxième condition est la caractéristique essentielle qui différencie un correcteur Ha d'un correcteur PID classique. Concrètement, la majoration de la norme infinie de la matrice M par le paramètre y se traduit des contraintes sur les signaux intermédiaires du système ces contraintes permettent de fixer, en plus de la condition de stabilité, des conditions de: 1. performance du système: c'est le temps de réponse du système en boucle fermé ou dit autrement le temps nécessaire pour que la valeur mesurée du paramètre soit égale à la valeur souhaitée. En pratique, le système en boucle fermé ne peut pas être plus rapide que le système en boucle ouverte. On choisira donc un temps de réponse maximum pour le 2862091 8 système en boucle fermée de l'ordre de grandeur du temps de réponse du système en boucle ouverte. 2. robustesse du système bouclé : le système bouclé doit rester stable même si certains paramètres du système à réguler sont différents; ceci permet de prendre en compte notamment les différences entre le système réel à réguler et le modèle de ce système utilisé pour déterminer le correcteur. Ceci permet de prendre en compte également les effets du vieillissement dans le temps du système réel. 3. précision: c'est la différence entre la valeur de consigne et la valeur obtenue après régulation du paramètre régulé (ici la richesse). Cette différence est appelée également erreur statique et doit être la plus petite possible. La détermination mathématique de la matrice M est réalisée par l'approche par équation de Ricatti appelée également algorithme de Glover-Doyle. La valeur de y est recherchée par dichotomie, puis les paramètres du correcteur sont calculés à partir d'équations algébriques. Les correcteurs correspondant à la plus petite valeur de y possible sont considérés comme optimaux. De plus amples informations sur la synthèse des correcteurs de type Hoc peuvent être trouvées dans le document "Commande Hoc et p-analyse", ajouter les références: auteur, éditeur et date d'édition au moins. Dans la pratique, en considérant le cadre théorique développé ci-dessus, le problème consiste à 2862091 9 rechercher un nombre y > 0 et un correcteur C(s) stabilisant le système bouclé et assurant: "S(s) S(s)G(s) C(s) C(s)S(s)G(s)) cette condition assurant des contraintes sur 5 les variations des signaux intermédiaires E et U (entrée et sortie du correcteur Hcc). Dans ce problème on tient compte en effet de 2 signaux d'entrée (R et P) appliqués à 2 endroits différents de l'asservissement et on surveille l'évolution de 2 signaux de sortie (E et U) ; on veut en effet que l'erreur reste faible mais au prix de commandes raisonnables, condition que la majoration de la norme infinie doit permettre d'assurer. Le problème ci-dessus se présente donc comme la recherche d'un compromis entre l'objectif recherché et les moyens nécessaires. Par transposition de la représentation mathématique continue en une représentation discrète, on obtient la représentation suivante du correcteur: représentation discrète que l'on peut décomposer en la somme d'un terme constant K, d'un terme intégral I(z) et d'un terme polynomial D(z), qu'on appellera dérivée généralisée. Soit: C(z) = K + I(z) + D(z), avec K une constante et Une fois déterminé, le correcteur Ha va être ensuite utilisé pour la régulation de la richesse des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, tel que par exemple celui de la figure 1. Le correcteur selon l'invention est installé dans un calculateur du véhicule. Une richesse de consigne Rcons souhaitée est appliquée à une entrée positive d'un soustracteur. Une sonde de mesure de richesse, placée en sortie du moteur, fournit sur une entrée négative du soustracteur une mesure de la richesse des gaz d'échappement à réguler. Le soustracteur fournit au correcteur une erreur relative entre la richesse souhaitée Rcons et la richesse effective Rmes. De cette différence, le correcteur déduit une commande appropriée. 2862091 11 Selon le mode de réalisation envisagé, la commande pourra comprendre un signal de commande du volet d'admission ou un signal de commande de la vanne EGR, ou bien les deux pour une meilleure régulation. Sur la figure 3, le correcteur C(z) est représenté sous la forme d'un terme proportionnel Kp, d'un terme intégral I et d'un terme dérivé généralisé D, selon la décomposition qui a été faite précédemment. De préférence, on ajoute en sortie du correcteur C(z) un saturateur (voir figure 3), qui a pour fonction de limiter la valeur de la commande entre 0 (correspondant à une ouverture minimale du volet et / ou de la vanne) et 100% (correspondant à une ouverture maximale du volet et / ou de la vanne). Le saturateur limite la valeur de la commande simplement en écrêtant sa valeur si cette dernière est en dessous de 0% ou en dessus de 100%. An noter que les valeurs 0 et 100% sont des valeurs idéales données à titre d'exemple. Dans la pratique, ces valeurs minimale / maximale seront choisies en fonction des possibilités d'ouverture / fermeture de la vanne et / ou du volet utilisé. On pourra choisir aussi bien 10% - 95 % ou 20% - 80% ou toute autre valeur, selon les propriétés mécaniques du volet et / ou de la vanne. La richesse souhaitée Rmes dépend du point de fonctionnement du moteur et éventuellement de la quantité de carburant injectée dans le moteur. L'ensemble des valeurs de consigne de richesse en 2862091 12 fonction du régime sont par exemple stockées sous la forme d'une matrice à deux entrées, dans une mémoire du calculateur à laquelle le correcteur a accès. Ces valeurs peuvent aussi être calculées en fonction d'une formule mathématique. Sur la figure 3 sont représentées quelques améliorations possibles d'un correcteur selon l'invention. Une première amélioration possible consiste à ajouter un filtre sur la valeur de la consigne Rcons, avant de l'appliquer à l'entrée du soustracteur. Lorsque le moteur fonctionne sur des rapports de boîte de vitesse faibles (rapports 1 et 2 notamment) et à un régime peu élevé, les évolutions du régime moteur (en fonction de l'enfoncement de la pédale d'accélération) et donc les variations de la consigne de richesse sont bien plus rapides que le temps de réponse du système bouclé. Afin de ne pas trop dégrader les effets de la régulation et de permettre au système de suivre la consigne, on filtre ces valeurs particulières de consignes de richesse par un filtre du ler ordre, afin d'atténuer ces variations trop rapides pour le système bouclé. Cette fonction de filtrage est représentée par le filtre inséré en amont du soustracteur figure 3. Une autre amélioration possible, notamment intéressante pour les phases de fortes accélération, consiste à prendre en compte au niveau du correcteur Hoc, des variations de la quantité Qsys de carburant 2862091 13 injectée dans les cylindre du moteur. Cette fonction est représentée par le bloc Action dérivée sur la figure 3. En cas d'accélération rapide, c'est-à-dire d'augmentation rapide de la demande de couple moteur, il est préférable de supprimer le recyclage des gaz d'échappement dans les cylindres (et donc d'utiliser plus l'air) afin d'obtenir une combustion optimale. Pour cela, il nécessaire de fermer le plus rapidement possible la vanne EGR. Pour fermer la vanne EGR, on abaisse la valeur de la consigne de richesse Rcons pour que le correcteur fournisse un signal de commande ayant tendance à fermer la vanne EGR. En effet, puisque R =- Ks.Qcarb/Qair, diminuer la consigne Rcons va avoir tendance à fermer la vanne EGR pour augmenter la quantité d'air Qair injecté et faire diminuer la valeur réelle Rmes de la richesse R. En complément, pour accélérer encore la fermeture de la vanne EGR, selon l'invention, on ajoute à la commande fournie par le correcteur C(z) de base une action dérivée de la quantité de carburant admise, de la forme: Cd = Kd. dQsys dt Ainsi, lors d'une forte demande de couple, la quantité de carburant Qsys injecté dans les cylindres augmente fortement puisqu'elle est directement liée à la demande de couple. Il s'ensuit que la correction 2862091 14 Cd = Kd. dQsys/dt est importante et vient s'additionner à la correction apportée par le correcteur C(z) de base, pour fermer encore plus vite la vanne EGR. A noter que, en régime stable, c'est-à-dire à couple constant, la quantité de carburant injecté est constante et en conséquence la correction Cd est nulle. Une autre amélioration possible, permet de compenser l'erreur induite par le bloc saturation. Cette fonction est traduite par le bloc antiemballement sur la figure 3. Comme on l'a dit précédemment, le volet ou la vanne ont une plage d'ouverture limitée, au mieux entre 0 et 100% et plus souvent environ entre 10 et 80%. La commande globale produite par le correcteur C(z) varie quant à elle dans une plage plus importante et est ramenée dans la plage de variation du volet ou de la vanne par le bloc saturation (simple écrêtage). Le bloc saturation va ainsi par exemple produire une commande de 80% d'ouverture pour la vanne ou le volet, alors que le correcteur C(z) a préconisé une commande de 90% pour rapprocher la valeur réelle de la richesse de la valeur de consigne. Cette différence (limite 80% au lieu des 90% souhaitables) risque d'entraîner l'emballement du terme intégral I du correcteur Hoc. 2862091 15 Pour éviter cet emballement, et limiter l'influence du terme intégral I dans la commande E fournie par le correcteur C(z), on enlève, à l'entrée du terme intégral I, une correction proportionnelle à la différence entre la commande saturée U (produite en sortie du bloc saturation) et la commande globale C (produite en sortie du correcteur C(z) . Cae = Kae. d(U - E' ) dt Tant que la commande globale n'est pas limitée par le bloc saturation, la différence entre la commande saturée et la commande globale est nulle, et le bloc anti-emballement est sans effet sur le terme intégral I du correcteur C(z). Par contre, lorsque la saturation se produit, c'est-à-dire lorsque la commande globale est en dehors de la plage de fonctionnement du volet ou de la vanne EGR (donc U - E' différent de zéro), alors une contreréaction négative de cette différence, multipliée par le gain Kae (négatif) vient agir sur l'entrée du terme intégral I du correcteur C(z). Le terme intégral est ainsi diminué d'une certaine quantité proportionnelle à l'amplitude du dépassement de la plage d'ouverture du volet ou de la vanne. Cette correction supplémentaire permet de ramener plus rapidement la valeur réelle de la richesse vers la valeur de consigne. 2862091 16 Le procédé peut être complété par une étape d'initialisation (a0) au cours de laquelle on détermine la richesse souhaitée en fonction du régime du moteur. Par exemple, au cours de l'étape (a0) d'initialisation, on lit la richesse souhaitée dans une table contenant une valeur de richesse souhaitée pour chaque valeur du régime moteur. Dans un autre exemple, au cours de l'étape (a) d'initialisation, on lit la richesse souhaitée dans une table contenant une valeur de richesse souhaitée pour chaque valeur du régime moteur et chaque valeur de quantité de carburant injecté dans le moteur. Le procédé peut également être complété par une deuxième étape d'initialisation (al), consistant à (al) déterminer des coefficients du correcteur Hoc en fonction du régime moteur et / ou du couple moteur. Par exemple, au cours de la deuxième étape d'initialisation, on lit les coefficients du correcteur Hoc dans une table associant à chaque valeur ou plage du régime moteur et / ou à chaque valeur ou plage du couple moteur, une valeur des paramètres. 2862091 17 REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation des variations de richesse des gaz d'échappement d'un moteur Diesel comprenant un volet d'admission d'un mélange air / carburant et un dispositif de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes consistant à : (c) mesurer la richesse (limes) des gaz d'échappement à la sortie du moteur, (d) comparer la richesse mesurée avec une richesse souhaitée (Rcons) et en déduire une erreur (E), et (e) produire, à l'aide d'un correcteur de type Ha, une commande globale déduite de l'erreur, la dite commande globale incluant un signal de commande d'ouverture du volet d'admission et / ou un signal de commande d'ouverture de la vanne de recirculation. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l'étape (e), on utilise un correcteur Hoc, comprenant un bloc proportionnel, un bloc intégral et un bloc dérivé généralisé, chaque bloc produisant une commande partielle en fonction de l'erreur, les commandes partielles de chaque bloc étant ensuite additionnées pour former la commande globale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel on réalise également l'étape 25 (g) suivante (saturateur), consistant à : (g) produire une commande saturée en écrêtant la commande globale lorsque sa valeur dépasse une valeur maximale ou lorsque la commande globale chute en dessous 2862091 18 d'une valeur minimale, pour produire une commande variant entre la valeur minimale et la valeur maximale. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la valeur minimale et la valeur maximale sont fonction de caractéristiques techniques du volet et / ou du dispositif de recirculation. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on réalise, entre les étapes (e) et (g), l'étape (f) suivante, consistant à : (f) ajouter à la commande globale une commande proportionnelle à la dérivée de la quantité de carburant injecté dans le système (action dérivée). 6. Procédé selon l'une des revendication 1 à 5, dans lequel on réalise également, l'étape (h) suivante, 15 consistant à : (h) ajouter à l'erreur, à l'entrée du bloc intégral (I), une correction proportionnelle à l'écart entre la commande globale et la commande saturée (antiemballement). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on réalise également, avant l'étape de comparaison, une étape (b) consistant à : (b) lisser les variations de la richesse souhaitée au moyen d'un filtre du premier ordre (filtrage). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape(b) de lissage est exécutée lorsque le moteur fonctionne sur des rapport de boîte de vitesse petits et à un régime faible. 2862091 19 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réalise également une étape d'initialisation (a0) au cours de laquelle on détermine la richesse souhaitée en fonction du régime du moteur. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, au cours de l'étape (a0) d'initialisation, on lit la richesse souhaitée dans une table contenant une valeur de richesse souhaitée pour chaque valeur du régime moteur. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, au cours de l'étape (a) d'initialisation, on lit la richesse souhaitée dans une table contenant une valeur de richesse souhaitée pour chaque valeur du régime moteur et chaque valeur de quantité de carburant injecté dans le moteur. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, au cours duquel on réalise une deuxième étape d'initialisation (a1), consistant à : (a1) déterminer des coefficients du correcteur Hoc en fonction du régime moteur et / ou du couple moteur. 13. Procédé selon la revendication 12, au cours duquel, au cours de la deuxième étape d'initialisation, on lit les coefficients du correcteur Hoc dans une table associant à chaque valeur ou plage du régime moteur et / ou à chaque valeur ou plage du couple moteur, une valeur des paramètres.