Brevet FR2905988A1 — publié le 20080321

PROCEDE ET SYSTEME DE REGULATION DE LA STABILITE DU REGIME D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention est relative à un système de régulation de la stabilité du régime d'un moteur à combustion interne. L'invention part de la constatation qu'en régime permanent, c'est-à-dire à vitesse et charge constantes, la stabilité du moteur est fonction de la richesse, c'est-à-dire du rapport entre les quantités d'air et de carburant du mélange injecté dans chaque cylindre. La richesse est une valeur généralement comprise entre 0.8 et 1.2, la valeur 1 correspondant au mélange stoechiométrique pour lequel la quantité d'oxygène contenue dans le mélange air/carburant est exactement égale à celle nécessaire à l'oxydation complète du carburant. Un indicateur de stabilité indic stab peut être défini 15 comme suit : 1P-PA indic stab = Où Pi est la période moteur mesurée entre deux points morts hauts (PMH) consécutifs et Pi_1 la période moteur mesurée entre les deux PMH consécutifs précédents. 2905988 2 Un moteur parfaitement stable en régime stabilisé, fournit un indicateur de stabilité nul. La figure 1 montre les variations d'un tel indicateur en fonction de la richesse : lorsque le mélange est pauvre (i.e. 5 d'une richesse inférieure à 1), la combustion est mauvaise et l'on obtient un fonctionnement instable du moteur ; à l'opposé, une richesse trop élevée entraîne également un fonctionnement dégradé du moteur. A l'intérieur de cet intervalle de variation de la richesse, l'indicateur de stabilité passe par un minimum, 10 qui correspond à la richesse optimale Rapt, pour laquelle la stabilité du moteur est la meilleure. Il est intéressant, dans le cadre de moteurs à injection, d'optimiser la stabilité moteur en régime constant, car cela permet d'améliorer de nombreux paramètres de fonctionnement du moteur, tels que la consommation, les émissions polluantes ou encore le confort ressenti par l'utilisateur (bruits et vibrations). L'invention fournit un procédé et un système de régulation de la stabilité moteur. La présente invention fournit un système de régulation de la stabilité du régime moteur par modification de la consigne de richesse, assurant une action corrective sur la richesse permanente et adaptée, de manière à obtenir l'écart le plus faible possible entre la stabilité de consigne et la stabilité mesurée. Ainsi l'invention concerne un Procédé de régulation de la stabilité de la période de rotation du régime d'un moteur à combustion interne en régime stabilisé, comprenant les étapes suivantes : ù Elaboration d'une consigne de stabilité, ù Calcul d'un indice de stabilité moteur basé sur la mesure de la période de rotation du moteur, ù Calcul d'un écart de stabilité égal à la différence entre la consigne de stabilité et l'indice de stabilité, 30 2905988 3 ù Traitement de l'écart de stabilité par un régulateur qui fournit la correction à appliquer sur la consigne de richesse du mélange air/carburant alimentant le moteur. 5 Selon une réalisation, le régulateur est un correcteur de type PID (proportionnel intégral dérivé). Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la consigne de stabilité est fonction du régime et du taux de remplissage, représentatif du couple moteur. 10 Selon une réalisation, la consigne de stabilité est pondérée par un coefficient fonction de la température du moteur, en particulier la température d'eau du moteur. Selon une réalisation, la régulation de la stabilité est activée ou non en fonction de conditions prédéterminées. 15 Selon une réalisation, l'activation de la régulation peut dépendre d'au moins l'un des paramètres suivants : o Température d'eau o Stabilité du régime moteur o Stabilité de la charge 20 o Régime moteur o Couple moteur o Temps de fonctionnement moteur depuis le démarrage du moteur Selon une réalisation, l'indice de stabilité est une 25 fonction de la stabilité instantanée Si, définie par la formule : Î'. -P_1 P. où Pi est la période moteur mesurée entre deux points morts hauts (PMH) consécutifs et Pi_1 la période moteur mesurée entre les deux PMH consécutifs précédents. Selon une réalisation, le calcul de l'indice de stabilité peut être une fonction de la moyenne de la stabilité instantanée, cette moyenne étant calculée sur un nombre 2905988 4 prédéterminé de valeurs consécutives de la stabilité instantanée. L'invention concerne également un système de régulation mettant en oeuvre le procédé défini ci-dessus. 5 L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée d'un exemple de réalisation, faite en référence aux figures parmi lesquelles : - la figure 1 représente une modélisation de l'instabilité moteur en fonction de la richesse ; 10 - la figure 2 représente le modèle global du procédé de régulation selon l'invention ; û la figure 3 représente une fonction de calcul de la consigne de stabilité ; û la figure 4 représente une fonction de calcul de 15 l'indicateur de stabilité ; û la figure 5a représente une fonction de calcul de la correction de la consigne de richesse ; û la figure 5b représente une variante de la fonction de la figure 5a ; 20 û la figure 6 représente le détail d'un bloc de calcul 30 de la figure 4. La figure 2 montre le fonctionnement global de la régulation de la stabilité selon l'invention. Le système de régulation prend en compte des paramètres d'entrée, dont a 25 minima la consigne de richesse du mélange air/carburant injecté dans le (les) cylindres(s) Ri, le régime moteur N, la température d'eau du moteur Te et le taux de remplissage du cylindre Tr, qui est représentatif de la charge (ou couple) du moteur. Un premier bloc de calcul A fournit une consigne de 30 stabilité Cs, à partir des paramètres d'entrée Te, Tr et N. Parallèlement, un bloc de calcul B commande l'activation ou non de la régulation, via un signal de sortie Sa, qui représente un signal d'activation. La commande de l'activation dépend de conditions prédéterminées. Dans l'exemple, le bloc de calcul B prend en compte les paramètres 2905988 5 Tr, Te et N. Le bloc de calcul permet alors de soumettre l'activation de la régulation aux conditions suivantes : - le temps de fonctionnement du moteur depuis le démarrage: cela permet de ne pas utiliser la régulation dès le 5 démarrage du moteur afin de ne pas perturber celui-ci (notamment car le mélange doit être réglé particulièrement riche au démarrage). La régulation ne peut donc être activée qu'après un délai prédéterminé après le démarrage. - la température d'eau, représentée par la variable 10 Te : deux seuils haut et bas de température sont programmés, et la régulation n'est utilisée ni en dessous du seuil inférieur ni au-delà du seuil supérieur. - la stabilité du régime moteur : la régulation de stabilité n'est activée qu'en régime stabilisé , ou 15 permanent. Pour vérifier cette condition, on compare la valeur moyenne du régime moteur sur deux points distants d'un certain nombre de PMHs à un seuil de variation de régime. La distance entre les deux points de mesure, par exemple de 15 PMHs, est réglable. 20 - la stabilité sur la charge : le principe est similaire à celui de la condition sur la stabilité du régime. - La zone de fonctionnement du moteur : une cartographie ayant pour variables le régime moteur et la charge permet de n'activer la régulation que dans les zones de faibles 25 régimes et de faibles charges. En sortie du bloc de calcul B, le signal d'activation Sa est égal à 1 lorsque toutes les conditions d'activation prises en compte par le bloc de calcul B sont vérifiées, et est égal à 0 si au moins l'une des conditions d'activation de la 30 régulation n'est pas vérifiée. En sortie du bloc de calcul B, on obtient donc un signal autorisant ou non la régulation, mais également une valeur Np, représentant le nombre de points de mesure, c'est-à- dire le nombre de stabilités instantanées Si consécutives devant 35 être prises en compte dans le calcul de l'indice de stabilité 2905988 6 Is. Ce calcul est effectué par un bloc de calcul C, qui prend en entrée la valeur Np ainsi que le régime moteur N. En sortie du bloc de calcul C, on obtient l'indice de stabilité Is. Un bloc de calcul D final prend en entrée les 5 paramètres Sa, Cs, Is, et Ri pour effectuer la régulation de la richesse, il fournit en sortie une valeur représentant la correction Cri a effectuer sur la richesse. Ce bloc de calcul effectue en fait une régulation sur l'écart de stabilité Es, égal à la différence entre la consigne de stabilité Cs et la 10 stabilité mesurée Is. La figure 3 montre le calcul effectué par le bloc de calcul A. Les valeurs de taux de remplissage Tr et de régime N et de température d'eau Te sont chacune filtrées dans un filtre passe bas 20,22 et 24. Chacun de ces filtres prend un compte un 15 taux de filtrage lié à la variable filtrée Txtr, Txn et Txte. Les valeurs ainsi filtrées de taux de remplissage et de régime sont entrées dans un bloc de calcul 26, qui, sur la base d'une cartographie à deux variables, fournit en sortie une valeur qui est ensuite multipliée, dans le multiplicateur 28, par un 20 coefficient Cte. Ce coefficient Cte est déterminée à partir de la valeur filtrée de température d'eau Te par un bloc de calcul 27. Le résultat du produit donné par le multiplicateur 28 est la consigne de stabilité Cs. La consigne de stabilité est ensuite entrée dans un commutateur 29 qui prend en compte un indice 25 d'erreur le et une valeur constante prédéterminée Csc. Cette valeur est une consigne de stabilité constante destinée à être utilisée en remplacement de la consigne de stabilité calculée Cs pour faciliter la mise au point du système de régulation. Ainsi, un technicien peut modifier la valeur de l'indice de sélection 30 Ie1 afin que le commutateur 29, alors en mode manuel, fournisse en sortie un signal correspondant à Csc. Le technicien peut, de plus, affecter à la constante Csc la valeur qu'il souhaite. Dans le cas contraire, en mode automatique, l'indice le est tel que le commutateur 29 fournit en sortie un signal égal à la consigne 35 de stabilité calculée Cs. 2905988 7 La figure 4 décrit le mode de calcul de l'indice de stabilité Is. Un bloc de calcul 30 détermine la période moteur à partir du régime, et à chaque point mort haut calcule une valeur Si, représentative de la stabilité instantanée du moteur, et 5 égale à : P. où Pi est la période moteur mesurée entre deux points morts hauts (PMH) consécutifs et Pi_1 la période moteur mesurée entre les deux PMH consécutifs précédents. Ce bloc de calcul 30 garde en mémoire les 100 dernières valeurs calculées de Si. Le 10 bloc de calcul fournit en sortie un signal Suc représentant ces 100 dernières valeurs de Si, signal qui est appliqué en entrée d'un bloc de calcul 32. Le bloc de calcul 32 extrait de ces 100 valeurs un contingent formé par les Np dernières valeurs consécutives 15 stockées. Celles-ci sont ensuite sommées, et un bloc de calcul 34, à partir de cette somme et du nombre de points de mesure Np, fournit une moyenne. Cette moyenne est ensuite normalisée, c'est-à-dire multipliée par un coefficient de normalisation Cn, dans un multiplicateur 36. La valeur obtenue est ensuite filtrée 20 par un filtre passe bas 38, qui prend en compte un taux de filtrage Tis, pour fournir l'indicateur de stabilité Is. Cette valeur Is est ensuite entrée dans un commutateur 40 comportant deux autres entrées, un indice de sélection Ie2 et un indicateur de stabilité constant Isc. Le but de ce commutateur, est, sur le 25 même principe que pour le commutateur 29, de proposer un mode de mise au point (ou manuel) dans lequel le commutateur fournit en sortie la valeur constante Isc (cette valeur étant modifiable manuellement), et un mode automatique dans lequel le commutateur fournit en sortie la valeur calculée Is de l'indicateur de 30 stabilité. Sur la figure 6, on peut voir en détail le fonctionnement du bloc de calcul 30. Celui-ci comprend deux sous-ensemble 301 et 302. Le premier sous-ensemble 301 calcule la 2905988 8 valeur instantanée Si à chaque point mort haut. Un bloc de calcul 302 divise une valeur égale à 120/Nc, où Nc est le nombre de cylindres du moteur, par la valeur du régime N, pour obtenir la période instantanée Pi. Cette valeur est stockée dans une 5 mémoire 304. Parallèlement, la valeur Pi est entrée dans un comparateur à 306, qui compare la valeur Pi à la valeur précédente de la période instantanée Pi_1, qui a été précédemment stockée dans la mémoire 304. Un bloc de calcul 308 fournit la valeur absolue du résultant de cette comparaison, donc la 10 valeur : 1P û P11. Cette valeur est ensuite divisée par la période instantanée Pi pour fournir la valeur Si PûP1 égale à , qui est le résultat du calcul effectué par le sous-ensemble 301r et également la valeur appliquée à l'entrée du sous-ensemble 302. Ce deuxième sous-ensemble, au moyen d'une 15 mémoire 314 et d'un vecteur de sortie, stocke les 100 dernières valeurs de Si, et fournit à sa sortie la valeur S1H. La figure 5a montre le bloc de calcul D, qui effectue la régulation proprement dite. En entrée du bloc de calcul D, les valeurs suivantes sont utilisées : la consigne de richesse 20 Ri, la consigne de stabilité Cs, la stabilité mesurée Is, et le signal d'activation de la régulation Sa. Un comparateur 42 fournit la différence entre la consigne de stabilité Cs et l'indice de stabilité Is. Cette comparaison donne l'erreur ou écart de stabilité Es. Cette valeur est entrée dans un 25 régulateur 48, par exemple un régulateur de type PID. Ce régulateur 48 fournit à sa sortie un signal de correction, qui est ensuite filtré au moyen d'un filtre passe-bas 50. Le signal de correction filtré Cri ainsi obtenu est appliqué à l'entrée d'un multiplicateur 52, qui effectue le produit du signal Cri 30 par le signal Sa. Si les conditions d'activation de la régulation sont toutes vérifiées, Sa est égal à 1, et le signal de sortie du multiplicateur 52 est égal à Cri. Si au moins une des conditions d'activation n'est pas vérifiée, Sa est égal à zéro, et le bloc de calcul D fournit une valeur de correction 2905988 9 sur la consigne de richesse nulle : le système de régulation est inopérant. A la sortie du filtre 52, le signal est appliqué à l'entrée d'un commutateur 54, ce commutateur comportant sur deux autres entrées un indice de sélection Ie3 et une valeur 5 constante de correction de richesse Cric. Le principe de fonctionnement de ce commutateur est analogue aux commutateurs précédemment décrits, permettant l'utilisation d'un mode de mise au point.. Le signal obtenu en sortie du commutateur est la correction de richesse Cri, qui est la correction à ajouter à 10 une consigne de richesse du moteur. Dans une variante représentée à la figure 5b, le signal Es peut être saturé avant d'entrer dans le régulateur 48. Cette saturation s'effectue dans un bloc de calcul 46 qui possède deux entrées. La première entrée est le produit du 15 signal Es par le signal Sa, effectué par un multiplicateur 44, qui fournit donc, selon la valeur de Sa, un signal de sortie égal à Es ou à zéro. La deuxième entrée est la somme du signal de sortie du filtre 52, égale à Cri et de la consigne de richesse moteur Ri, calculée par un sommateur 56. Cette deuxième 20 entrée permet de définir le seuil de correction de richesse au delà duquel l'écart de stabilité Es sera saturé. Cette saturation permet de limiter le calcul de l'écart de stabilité dans le cas où, dans certaines zones de fonctionnement, celui-ci dérive vers des valeurs non 25 représentatives. Le signal de sortie du bloc de calcul 46 est appliqué à l'entrée du régulateur 48, et le fonctionnement de la boucle est alors identique à celle de la figure 5a. Les avantages d'une régulation selon l'invention sont nombreux. En effet, plus le moteur est stable plus les émissions 30 polluantes à la source (i.e. à la sortie des cylindres) sont faibles. On peut alors optimiser le choix des composants de la ligne d'échappement (par exemple quantité moindre de métaux précieux dans le catalyseur, système anti-pollution moins complexe...) L'amélioration de la stabilité entraîne également une 35 amélioration du confort et de l'agrément pour l'usager (moins de 2905988 10 bruit et de vibrations sont émis et remontent dans l'habitacle du véhicule). Le procédé et le système de régulation selon l'invention peuvent être utilisé pour tous types de moteurs 5 injectés, essence ou diesel, que l'injection soit directe ou indirecte. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la stabilité du régime d'un moteur à combustion interne en régime stabilisé, comprenant les étapes suivantes : ù Elaboration d'une consigne de stabilité (Cs), ù Calcul d'un indice de stabilité moteur (Is) basé sur la mesure de la période de rotation du moteur, ù Calcul d'un écart de stabilité (Es) égal à la différence entre la consigne de stabilité (Cs) et l'indice de stabilité (Is), ù Traitement de l'écart de stabilité (Es) par un régulateur (48) qui fournit la correction (Cri) à appliquer sur la consigne de richesse (Ri) du mélange air/carburant alimentant le moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le régulateur (48) est un correcteur de type PID (proportionnel intégral dérivé). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la consigne de stabilité (Cs) est fonction du régime moteur (N) et du taux de remplissage (Tr), représentatif du couple moteur. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la consigne de stabilité (Cs) est pondérée par un coefficient (Cte) fonction de la température du moteur, en particulier la température d'eau (Te) du moteur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la régulation de la stabilité est activée ou non en fonction de conditions prédéterminées. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'activation de la régulation dépend d'au moins l'un des 30 paramètres suivants : o Température d'eau o Stabilité du régime moteur o Stabilité de la charge o Régime moteur 2905988 12 o Couple moteur o Temps de fonctionnement moteur 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'indice de stabilité (Is) est une fonction de la 5 stabilité instantanée (Si), définie par la formule : Î'. -P_1 P. où Pi est la période moteur mesurée entre deux points morts hauts (PMH) consécutifs et Pi_1 la période moteur mesurée entre les deux PMH consécutifs précédents. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le 10 calcul de l'indice de stabilité (Is) est une fonction de la moyenne de la stabilité instantanée, cette moyenne étant calculée sur un nombre Np prédéterminé de valeurs consécutives de la stabilité instantanée (Si). 9. Système de régulation mettant en oeuvre le procédé 15 selon l'une des revendications 1 à 8.