Brevet FR2894290A1 — publié le 20070608

H~, L'invention concerne un procédé de commande d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile. Les moteurs diesel fonctionnent avec des mélanges carburés pauvres, c'est-à-dire avec un excès d'oxygène. La combustion des mélanges pauvres 5 produit des oxydes d'azote ou NOx qu'il est nécessaire de traiter par conversion catalytique. Pour réduire les émissions de NOx, une méthode consiste à stocker les NOx contenus dans les gaz d'échappement dans un piège à NOx encore appelé NOx-trap, et périodiquement, à traiter les NOx ainsi piégés en 10 injectant massivement des substances réductrices telles que du carburant au cours d'une phase dite de régénération du piège à NOx. Ce traitement des NOx nécessite l'obtention cyclique d'une richesse des gaz d'échappement supérieure à 1, c'est-à-dire qu'il est nécessaire de limiter la concentration d'espèces oxydantes par rapport à la concentration 15 d'espèces réductrices dans les gaz d'échappement. La richesse est une grandeur caractéristique du fonctionnement du moteur. Sa définition classique est traduite par le rapport des masses (ou des débits massiques) du carburant et de l'air, normalisé par le coefficient KS qui traduit ce même rapport déterminé dans le cas d'une combustion 20 complète d'un mélange stoechiométrique de carburant et d'air. La formule est donc la suivante : 1 R K Qcarb =ù= s. ~ Qair Avec : KS : coefficient de normalisation égal à l'inverse du rapport du débit de 25 carburant sur le débit d'air dans le cas de la stoechiométrie. Ce coefficient ne dépend que de la composition chimique du carburant et de l'air ; Qcarbb : débit de carburant injecté dans le moteur ; et Qair : débit d'air admis dans le moteur. Actuellement, le circuit d'air d'un moteur diesel est piloté par trois actionneurs : le turbocompresseur, la vanne de recirculation des gaz d'échappement ou vanne EGR, et le volet à l'admission. Le turbocompresseur est utilisé pour le contrôle de la pression collecteur. La waste-gate de la turbine à géométrie fixe ou les ailettes d'une turbine à géométrie variable sont pilotées de telle façon que la différence entre la pression de consigne du collecteur et la pression du collecteur mesurée par un capteur de pression soit nulle. La vanne EGR et le volet à l'admission sont utilisés pour contrôler d'autres grandeurs caractéristiques du circuit d'air. Les moteurs à essence assurent un fonctionnement moteur autour de la richesse 1 pour une régulation de richesse à l'échappement via la quantité d'essence injectée. Sur un moteur diesel, la richesse n'est pas souvent contrôlée alors qu'elle reste un facteur d'ordre 1 dans les émissions de polluants (en particulier des particules) et qu'elle joue également un rôle primordial dans le pilotage des systèmes de post-traitement tels que le piège à NOx ou le filtre à particules. Dans le document EP-1 386 656, on propose de réaliser des purges des pièges à oxydes d'azote par simple augmentation de la richesse à l'échappement, sans réguler la richesse pour la maintenir à une valeur fixe. Il en est de même dans le document EP-0 937 876. Dans les documents FR-2 755 184 et FR-2 749 350, on propose de réguler la richesse en utilisant un circuit PID avec un observateur ou bien 25 avec un prédicteur de Smith mais pour un moteur à essence. Dans la plupart de ces documents, les auteurs envisagent au mieux des régulateurs classiques de type proportionnel-intégral-dérivée (PID) alors que le système moteur+sonde est particulièrement difficile à contrôler pour deux raisons : 30 - la richesse est mesurée par une sonde UEGO placée à l'échappement qui introduit un retard dans la boucle de régulation ; et - les caractéristiques du système moteur+sonde dépendent fortement du point de fonctionnement et des dispersions ou des dérives du moteur. Un but de l'invention est d'améliorer les stratégies de contrôle du moteur en termes de régulation de la richesse. A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de commande d'un moteur de véhicule dans lequel : - on détermine une quantité de carburant à injecter, au moyen de paramètres résultant d'une synthèse de type Hoe ; et - on commande une injection de la quantité ainsi déterminée. L'invention propose ainsi une stratégie de contrôle moteur de la régulation de richesse à l'échappement en mélange riche, via la quantité de carburant injectée par un correcteur Hoe. L'avantage de la synthèse Hoe est de fournir une méthodologie simple pour la synthèse de correcteurs plus complexes mais plus efficaces que les correcteurs classiques envisagés dans les documents précités. L'invention est donc liée à la synthèse d'un correcteur permettant de prendre en compte, simultanément, des objectifs de performance (rapidité, précision, stabilité, rejets de perturbation d'entrée ou de sortie, amplification du bruit de mesure), de marge de stabilité et de robustesse vis-à-vis de l'incertitude de modélisation (dispersions). Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes : - on effectue la détermination au moyen d'un régulateur représenté sous forme discrète par une fonction du type : C(z) ù bo+b,z'+...+bäz " a0 +a,z ' +...+aäz ä où a; et b; sont des coefficients ; - on effectue la détermination au moyen d'un régulateur représenté sous forme discrète par une fonction du type : 1 -2 C(z)_ Kr +E b;o+b,,z +bJ.o+b,.,z 1 +bf2z 1ùz-' a,o +a,,z a~o +a,,z-' + af2z 2 où K;, anm et bnm sont des coefficients ; - on détermine des filtres de pondération d'au moins un signal d'entrée et/ou de sortie d'après des objectifs de performance prédéterminés, et on détermine les paramètres à partir des filtres ; - on effectue la détermination en fonction d'au moins une des valeurs 5 suivantes : - une valeur de consigne de richesse de mélange air-carburant ; - une valeur mesurée de richesse de mélange air-carburant ; - une différence entre la valeur de consigne et la valeur mesurée ; - on détermine une quantité de carburant de prépositionnement ; 10 - on effectue la détermination lors d'une phase de régénération des oxydes d'azote d'un piège à oxydes d'azote ; et - on effectue la détermination lors d'une phase de régénération des oxydes de souffre d'un piège à oxydes d'azote. On prévoit également selon l'invention un moteur de véhicule, 15 comprenant un organe pour déterminer une quantité de carburant à injecter, l'organe étant agencé pour mettre en oeuvre la détermination au moyen de paramètres résultant d'une synthèse de type Ho,. On prévoit enfin selon l'invention un véhicule comprenant un moteur selon l'invention. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma bloc illustrant le problème standard de régulation à la base de l'invention ; 25 la figure 2 est un schéma bloc du modèle du système mis en oeuvre dans l'invention ; la figure 3 est un schéma analogue à celui de la figure 2 complété au moyen de filtres ; la figure 4 illustre quatre courbes présentant les gabarits constituant 30 ces filtres ; - la figure 5 est un schéma du moteur dans le mode préféré de réalisation de l'invention mettant en oeuvre le procédé faisant l'objet des figures précédentes ; la figure 6 est un schéma bloc illustrant l'ensemble de la stratégie de contrôle moteur pour la richesse dans le moteur de la figure 5 ; les figures 7, 8 et 9 sont des schémas blocs illustrant l'implémentation des calculs intervenant dans le régulateur de la figure 6 ; la figure 10 est un schéma bloc présentant le détail de la fonction de régulation dans le schéma de la figure 6 ; - la figure 11 est un schéma bloc présentant le détail de la fonction de prépositionnement dans le schéma de la figure 6 ; et la figure 12 illustre des courbes obtenues lors de la mise en oeuvre expérimentale du procédé de l'invention. On va décrire en référence aux figures un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention dont on présentera tout d'abord les fondements théoriques. Dans ce mode de réalisation, le procédé est mis en oeuvre pour une purge de SOx. Contrairement à une purge de SOx, qui peut durer plusieurs minutes, une purge de NOx ne dure que quelques secondes. On a ainsi besoin d'atteindre la consigne de richesse plus rapidement que dans une purge de SOx. Les régulateurs de type PID ne sont donc pas satisfaisants. Mais la régulation obtenue par le procédé de l'invention s'applique aussi bien à une purge de NOx qu'à une purge de SOx. La description de la méthodologie H., est tirée du livre Commande Ho, et p-analyse de Gilles Duc et Stéphane Font, paru aux éditions Hermès dans la collection Hermès Science. a) Principe mathématique La synthèse H. utilise la notion de problème standard, qui est une 30 méthode de représentation d'un problème d'automatique. Ce problème a été illustré à la figure 1. Il met en oeuvre : une matrice P(s) qui modélise les interactions dynamiques entre deux ensembles d'entrées et deux ensembles de sorties : le vecteur w représente des entrées extérieures du système telles que des signaux de référence, des perturbations ou des bruits ; le vecteur v représente les commandes (sortie du correcteur) ; les signaux e sont choisis pour caractériser le bon fonctionnement de l'asservissement (signaux intermédiaires qui devront respecter certains critères) ; enfin y représente les mesures disponibles pour élaborer la commande (entrée du correcteur) ; et un correcteur K(s) à déterminer. On déduit par transformation fractionnaire linéaire la matrice de transfert entre w et e du système bouclé : Hew(s)=f(P(s),K(s)) qui est fonction à la fois de P(s) et de K(s). La synthèse H9 du correcteur est alors définie par le problème suivant standard : P(s) et y>0 étant donnés, déterminer K(s) qui stabilise le système bouclé de la figure précédente et assure IIHew(s) = f(P(s), K(s)I1.(y. Cette seconde condition est une caractéristique essentielle de la synthèse Hoe. En plus de trouver un correcteur qui stabilise le système, la synthèse Hoo impose des contraintes sur des signaux intermédiaires du système, qui permettront de fixer en plus divers objectifs de performance, de marge de stabilité et de robustesse. Les correcteurs assurant la plus petite valeur de y possibles seront dits 'optimaux'. Ce problème mathématique sera résolu par l'approche par équation de Ricatti appelée également algorithme de Glover-Doyle. La valeur de y est recherchée par dichotomie, puis le correcteur calculé à partir d'équations algébriques. b) Mise en oeuvre La mise en oeuvre prend en l'espèce comme point de départ le schéma bloc de la figure 2. Sur celui-ci, G(s) est un modèle du système moteur+sonde et K(s) le correcteur à déterminer pour asservir la sortie z sur la référence r. Le signal b est une perturbation et s est l'écart entre la consigne et la mesure. La matrice de transfert entre les signaux d'entrée r et b d'une part, l'erreur d'asservissement s et la commande u d'autre part est la suivante : (E(s)' (R(s) 1S(s) S(s)G(s) .\(R(s) = M(s) \U(s)) \B(s)i \K(s) K(s)S(s)G(s)) B(s où S=(1+GK)"' est la fonction de sensibilité de l'asservissement. En considérant le cadre standard introduit précédemment, un problème intéressant consiste à chercher un nombre y>0 et un correcteur K(s) stabilisant le système bouclé et assurant : (S SG 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. Toutefois cette formulation s'avère trop rigide car elle ne laisse aucun choix à l'utilisateur pour régler ce compromis. On introduit alors des pondérations sur les différents signaux, qui prendront la forme de filtres, permettant suivant le signal de privilégier un domaine de fréquence particulier. Considérons à cette fin le schéma de la wlw3SGL O et le correcteur K(s) stabilisant le système bouclé et assurant : rw,S w,SGw3 ~ \, w2KS w2KSGw3 J 10 En plus de désévériser le problème standard, les gabarits wi, w2 et w3 permettent le modelage des différents transferts S, KS, SG et KSG. En effet, les propriétés de la norme Hm assurent que si la condition précédente est vérifiée alors les quatre conditions suivantes le sont également : 15 IW2 (JW)W3 (Jw)l La figure 4 montre un choix de gabarits possible. Elle illustre respectivement en effet le choix du gabarit sur S, sur SG, sur KS et KSG. Le principal intérêt de cette méthode est le lien direct qui existe entre l'allure des gabarits et les objectifs de performance, de stabilité et de 20 robustesse choisis pour la boucle de régulation. En pratique, on choisit préalablement les filtres w,(s), w2(s) et w3(s) d'après des objectifs de performances souhaités, choix que l'homme du Vco ERS(jw)I dw E RIK(jw)S(jw)l Vo) E RIK(jco)S(jco)G(jw)l Bien entendu, la valeur de y n'est pas connue à l'avance, mais elle intervient dans les gabarits (de manière multiplicative). Afin d'obtenir un système bouclé respectant les gabarits choisis pour les objectifs d'asservissement, et non des gabarits multipliés par une certaine valeur de y, on oriente le choix des filtres de façon à avoir une valeur de y proche de 1. On remarquera que, dans une synthèse Hoo, l'ordre du correcteur est le suivant : ordreK(s) = ordreG(s) + E ordreWi (s ) Par transposition continu-discret, on obtient enfin le correcteur numérique équivalent C(z) : C(z) = bo +b,z-' +...+bäz-" ao +a~z +...+aäz " où a; et b; sont des coefficients. c) Intégration du correcteur H. dans une stratégie de contrôle du 20 moteur Le correcteur H, déterminé précédemment est ensuite intégré dans une stratégie de contrôle moteur codée dans le calculateur du moteur. La stratégie a pour objectif d'établir la quantité totale de carburant à injecter 25 pour suivre la consigne de richesse. Le moteur selon l'invention a à titre d'exemple été illustré à la figure 5. II comprend d'amont en aval dans le circuit d'air entrant un filtre à air 4, un débitmètre 6 et un compresseur 8 d'un turbocompresseur 10. L'air transite ensuite par un échangeur de chaleur 12, puis un volet 14 et une vanne 30 d'EGR 16 avant d'arriver dans le collecteur d'admission 18. Il est ensuite15 envoyé dans les chambres de combustion de la culasse 20 du moteur. (Ainsi, le moteur considéré est équipé d'un système de recirculation des gaz à l'échappement (EGR) et d'un système de vannage à l'admission). Le collecteur d'échappement 22 envoie une partie des gaz d'échappement en direction de la vanne d'EGR, et la partie résiduelle en direction de la turbine 24 du turbocompresseur. Une sonde UEGO 26 est prévue en aval de la turbine pour mesurer la richesse des gaz d'échappement. Les gaz traversent ensuite un organe de post-traitement 28 pour être enfin évacués. Le véhicule comprend un calculateur 30 qui commande la quantité de carburant à injecter, c'est-à-dire la richesse du mélange, à partir d'une mesure de la richesse des gaz d'échappement fournie par la sonde UEGO et une valeur de consigne fournie par cartographie. La stratégie complète de régulation de richesse a été illustrée sur le schéma bloc de la figure 6. Une cartographie de consigne dépendante du mode de régénération désiré donne une richesse d'échappement de consigne Ades. La sonde placée à l'échappement mesure par ailleurs la richesse de fonctionnement du moteur Ames. Le rôle du correcteur ou régulateur 40 est de calculer une commande Qcor de quantité totale de carburant à injecter qui annule la différence entre la richesse de consigne et la richesse mesurée. La stratégie de contrôle moteur met en oeuvre, en plus de la régulation par le régulateur 40, la détermination d'une valeur de prépositionnement Qpré au bloc 42 et enfin un étage de saturation au bloc 44. On va tout d'abord présenter le détail du régulateur 40. On considère la représentation discrète C(z) du régulateur Ho,. Le correcteur est décomposé en la somme d'un terme intégral et d'un terme D(z) polynomial, que l'on pourra par exemple appeler dérivée généralisée. Où: C(z) = I (z) + D(z) Ki 1ùz-1 b'0 + 13'1. z -1+...+b' . . .+b' n. z D(z) = a'0 + a'l. z -1+. ..+a' n. z Pour minimiser les risques d'instabilité numérique du régulateur, on décompose la partie dérivée en termes simples du premier ou du deuxième 5 ordre. On a alors : bo +b , z 1 + b~o +bl~Z ' +blzZ D(z) - 2 Eao +anz-1 a,o +az-1 +al2z - 2 Si on appelle s(k) l'entrée du régulateur C(z) et u(k) la sortie, on a : u(k) =Ki.s(k) + u, (k -1) (1) +(b;o.s(k) +b;1.s(k -1) û (k -1))l a;o (2) + ... +(bjo.s(k) +bj1.s(k -1) +bjZ.s(k -2) û aj1.uj (k -1) ûa j2.0 j (k û 2))l ajo (3) Le premier des termes de cette somme au niveau du signe (1) 10 correspond au terme intégral. Le terme figurant sur la ligne suivante (2) correspond à l'une des fonctions de transfert de premier ordre FT1 i et le terme développé sur l'une des lignes suivantes (3) correspond à une fonction de transfert du deuxième ordre FT2j. Matériellement, le régulateur est implémenté de la façon suivante au 15 sein du calculateur. Pour la partie intégrale, on met en oeuvre un circuit de calcul conforme au schéma bloc de la figure 7. Pour les fonctions de transfert du premier ordre, on met en oeuvre un schéma bloc tel que celui illustré à la figure 8 et enfin pour les fonctions de transfert du deuxième ordre, on met en oeuvre un schéma bloc du type de celui de la figure 9. Enfin, on fait la somme 20 de tous ces signaux pour obtenir le signal de contrôle du régulateur. Cette somme a été illustrée à la figure 10 qui montre le détail du bloc 40. Le détail du bloc 42 de prépositionnement a été illustré à la figure 11. Le prépositionnement est calculé à partir de la formule de la richesse. 11 R= 1= K G Qcarb Q _ Qat' S ca'b û ~K Qat' Il permet d'obtenir une valeur Qpré qui est la quantité théorique de carburant à injecter. Le débit d'air est filtré par un bloc PT1 car, lors d'un début de purge, le débit d'air est fortement perturbé par la fermeture du volet d'admission. De cette façon, on limite l'influence de cette perturbation sur le prépositionnement. Enfin, la commande de la quantité totale Qtot de carburant à injecter résultant de la somme des valeurs Q pré et Qcor obtenues aux blocs 40 et 42 est ensuite saturée au niveau du bloc 44 pour limiter la commande en cas de défaut sur la régulation (problème de sonde par exemple). On obtient donc la valeur finale Q'tot de carburant à injecter. C'est cette quantité qui sera effectivement injectée. Des courbes résultant de la mise en oeuvre expérimentale du procédé 15 de l'invention tel qu'il vient d'être présenté sont illustrées sur les diagrammes de la figure 12. On a ainsi présenté les courbes correspondant à la richesse désirée 50, la richesse mesurée 52, le signal de contrôle 54, le signal indiquant l'activation de la régulation 56 et le signal indiquant l'activation du 20 prépositionnement 58. Ont été indiquées en ordonnée la richesse et en abscisse le temps en secondes. Il est précisé qu'on active le prépositionnement avant la régulation. On active en plus la régulation quand la valeur e est inférieure au seuil calibrable. Enfin on désactive le prépositionnement et la régulation en 25 fonction de l'atteinte de certains critères, par exemple l'expiration d'un temps donné. On peut par exemple mettre en oeuvre l'invention pour réguler la richesse lors de la régénération d'un piège à oxydes d'azote que l'on réalise en passant à une richesse supérieure à 1, c'est-à-dire à un mélange riche. Il est tout à fait envisageable d'utiliser une structure similaire pour réguler la richesse en mélange pauvre. L'invention est applicable aux moteurs diesel ou à essence. Bien entendu on pourra apporter à l'invention de nombreuses 5 modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur de véhicule, caractérisé en ce que : -on détermine une quantité (Q'tot) de carburant à injecter, au moyen de paramètres (a;, b; ; k;, anm, bnm) résultant d'une synthèse de type H., ; et - on commande une injection de la quantité ainsi déterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la détermination au moyen d'un régulateur représenté sous forme discrète par une fonction du type : C(z) _ bo +bz-' +...+b z-" ao+a,z'+...+aäz où a; et b; sont des coefficients. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue la détermination au moyen d'un régulateur représenté sous forme discrète par une fonction du type : C(z) = K,. +v bic, +bäz-1 +v b~o +b~,z-' +bj2z-2 1ûz-' a,o +a,,z-' aio +ai,z-' +a12z-2 où K;, anm et bnm sont des coefficients. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine des filtres (w;) de pondération d'au moins un signal d'entrée et/ou de sortie d'après des objectifs de performance prédéterminés, et on détermine les paramètres à partir des filtres. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue la détermination en fonction d'au moins une des valeurs suivantes : 25- une valeur de consigne (Ades) de richesse de mélange air-carburant ; - une valeur mesurée (Ames) de richesse de mélange air-carburant ; - une différence (e) entre la valeur de consigne et la valeur mesurée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine une quantité de carburant de prépositionnement (Qpré). 10 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue la détermination lors d'une phase de régénération des oxydes d'azote d'un piège à oxydes d'azote. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'on effectue la détermination lors d'une phase de régénération des oxydes de souffre d'un piège à oxydes d'azote. 9. Moteur (2) de véhicule, comprenant un organe (30) pour déterminer une quantité (Q'tot) de carburant à injecter, caractérisé en ce que 20 l'organe est agencé pour mettre en oeuvre la détermination au moyen de paramètres résultant d'une synthèse de type H.. 10. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur selon la revendication précédente. 25