Brevet FR2909722A1 — publié le 20080613

PROCEDE ET SYSTEME DE REGULATION DES PARAMETRES DE FONTIONNEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE A INJECTION REDUISANT LES EMISSIONS POLLUANTES La présente invention concerne un procédé et un système de régulation du fonctionnement d'un moteur à combustion interne permettant d'en réduire les émissions polluantes. Dans le but d'une réduction générale des émissions polluantes, il faut réduire les émissions de manière directe, c'est-à-dire les émissions à la source, en sortie du cylindre, et de manière indirecte, en optimisant le fonctionnement d'un dispositif catalyseur situé sur le parcours des gaz d'échappement. En effet, un tel dispositif, couramment appelé catalyseur ou pot catalytique, ne fonctionne qu'au dessus d'une certaine température, couramment plus de 400 C. On rappelle ici que le catalyseur est un dispositif de réduction des émissions polluantes utilisant le principe de la catalyse pour transformer le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés et les oxydes d'azote (NOx) en eau, azote et dioxyde de carbone. Ainsi, tant que le catalyseur n'est pas amorcé du fait qu'il n'a pas atteint sa température de fonctionnement optimal, les émissions polluantes restent élevées. Il est estimé qu'actuellement, sur un cycle normalisé, un véhicule émet 2909722 2 jusqu'à 90% du total des émissions polluantes pendant les premières dizaines de secondes de fonctionnement du moteur. L'invention poursuit donc un double objectif : réduire les émissions polluantes brutes, c'est-à-dire en sortie de 5 cylindre, et accélérer la chauffe catalyseur afin de minimiser le temps pendant lequel celui-ci est inactif. Le but de l'invention est donc de réduire au maximum les émissions brutes tout en ayant une puissance thermique à l'échappement la plus élevée possible afin d'amorcer le 10 catalyseur très rapidement. Les moteurs à combustion interne à injection présentent de nombreux paramètres de fonctionnement ayant une influence sur les émissions polluantes à la source d'une part, et d'autre part, sur l'énergie thermique à l'échappement. Ces 15 paramètres sont par exemple : - la richesse moteur, qui traduit la proportion du mélange air/carburant injecté dans le moteur. On la définit comme le rapport entre les quantités d'air et de carburant du mélange injecté dans 20 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 - l'avance à l'allumage, qui permet d'influer sur l'énergie thermique à l'échappement. L'avance à l'allumage est définie par la distance, mesurée au vilebrequin et exprimée en degrés d'angle, entre l'allumage déclenché par la bougie et le point mort haut (PMH). - le croisement de distribution, qui correspond à la période pendant laquelle les soupapes 2909722 3 d'admission et d'échappement sont ouvertes en même temps. Actuellement, les calculateurs qui équipent les moteurs de grande série intègrent la plupart de ces paramètres, 5 dont les valeurs sont définies de manière à obtenir le meilleur compromis entre robustesse du moteur et niveau d'émissions polluantes. Cependant, il s'agit pour la plupart de réglages figés au moyen d'une cartographie. Ces paramètres ont des influences différentes sur le 10 fonctionnement du moteur, notamment sur le rendement, et sur la stabilité. En particulier, le fait d'agir sur l'un ou l'autre de ces paramètres peut dégrader fortement la stabilité moteur, ce qui est nuisible à la fois au confort de l'automobiliste et au bon fonctionnement et à la durée de vie du moteur. Pour un 15 fonctionnement optimal du moteur, la stabilité de celui-ci doit donc être prise en compte par le système de gestion selon l'invention. La présente invention propose donc un système de gestion des paramètres de fonctionnement d'un moteur thermique à 20 injection, permettant à la fois de réduire les émissions polluantes brutes et d'optimiser la chauffe du dispositif catalyseur, les corrections effectuées étant déterminées en fonction de la stabilité réelle du moteur. Ainsi, l'invention concerne un procédé de régulation 25 des paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection, comprenant les étapes suivantes : - élaboration d'une consigne de stabilité, - calcul d'un indice de stabilité moteur, - calcul de l'écart de stabilité égal à la 30 différence entre la consigne de stabilité et l'indice de stabilité, - traitement de l'écart de stabilité par un régulateur qui fournit la correction à appliquer sur un des paramètres de fonctionnement du 35 moteur, ce paramètre étant choisi par un 2909722 4 calculateur contrôlant la régulation de manière que l'action corrective appliquée optimise le niveau d'émission de polluants et/ou l'énergie thermique disponible à l'échappement. 5 Ainsi, grâce à l'invention, l'ensemble des paramètres de fonctionnement du moteur, et en particulier ceux décrits plus hauts, peuvent être déterminés en prenant en compte le comportement réel du moteur. Cela permet d'agir sur tous les paramètres disponibles pour diminuer le niveau d'émissions 10 polluantes à la source et pour réduire le temps de chauffe du catalyseur grâce à l'optimisation de l'énergie thermique disponible à l'échappement. La condition de stabilité garantit le bon fonctionnement du moteur en tenant compte des disparités de fabrication des moteurs, des différentes qualités de 15 carburant, de l'usure du moteur, etc. Dans une réalisation, chaque paramètre varie dans un intervalle défini par deux valeurs seuils. Dans une réalisation, lorsqu'un paramètre atteint une valeur seuil sous l'effet d'une première action corrective, le 20 calculateur contrôlant la régulation choisit alors un autre paramètre pour lequel va être déterminé de manière similaire une consigne à appliquer. Dans une réalisation, le calculateur contrôlant la régulation choisit l'un après l'autre l'ensemble des paramètres 25 de fonctionnement du moteur sur lesquels une action corrective peut être effectuée, l'ordre du choix des paramètres étant déterminé par l'influence de chacun de ces paramètres sur les émissions polluantes et/ou l'énergie thermique disponible à l'échappement. 30 Dans une réalisation, le régulateur est un régulateur de type PID. Dans une réalisation, le superviseur peut, pour chaque paramètre considéré, mettre en oeuvre stratégie de secours en cas de non respect de la consigne de stabilité. 2909722 5 Dans une réalisation, le paramètre considéré est choisi dans le groupe comprenant : la richesse moteur, l'avance à l'allumage, le croisement de la distribution. L'invention concerne également un système de commande 5 d'un moteur à combustion interne à injection, mettant en oeuvre le procédé défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée d'un exemple de réalisation, faite en référence aux figures parmi lesquelles : 10 - la figure 1 est un schéma-bloc général du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente un mode de réalisation particulier de l'invention, la figure 3 représente un exemple de stratégie de 15 régulation mise en oeuvre par le système selon l'invention, - les figures 4 et 5 représentent chacune un module de calcul du régulateur de la figure 2. La figure 1 décrit, à l'aide de schémas blocs, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La stabilité du moteur 10 20 est déterminée par une fonction 12 qui fournit comme résultat un indicateur de stabilité Is. Un calculateur 14 fournit une consigne de stabilité Cs, notamment par le biais d'une cartographie propre au moteur. Un comparateur 16, calcule la différence entre les deux valeurs Cs et Is, pour fournir en 25 sortie un signal Es, appelé écart ou erreur de stabilité. L'écart de stabilité Es est ensuite fourni à un régulateur 18, dans l'exemple un régulateur de type P.I.D. (proportionnel intégral dérivé), mais celui-ci peut être de tout autre type (LQ, Hinfini, etc.) Un calculateur 20, appelé 30 superviseur, indique au régulateur 18 le paramètre p de fonctionnement moteur pour lequel une action corrective doit être effectuée. Le régulateur prend alors en compte l'écart de stabilité pour calculer une consigne Cp du paramètre p. Cette consigne est transmise à l'organe de commande du moteur pour être appliquée. 2909722 6 La stabilité du moteur est déterminée par plusieurs indicateurs qui estiment la qualité de la combustion : ^ ter cas : il est fait un calcul du couple moyen indiqué CMI CMI =J mo~ x dWmot +CMF(carto) dt défini par la formule suivante : Avec : - Jmot : inertie du moteur (kg.m) w mot : régime moteur (rad. s-1) - CMF: couple de frottement du moteur déterminé par le contrôle moteur en fonction du régime, des températures d'eau, d'huile et de la pression. A partir de ce calcul il peut être fait plusieurs tests afin de vérifier que la combustion est correcte, on vérifie par exemple que : - la dérivée de la CMI est supérieure à un seuil 15 - la consigne de CMI demandée par le contrôle moteur est respectée ^ 2e cas : Une valeur Ind stab est déterminée par la formule suivante : PeriodeMoteur û PeriodeMoteu n_, PeriodeMoteur Ce calcul peut être avantageusement moyenné sur 20 plusieurs points afin de réaliser un filtrage passe-bas. Ces différents tests permettent de définir l'indicateur de stabilité Is qui sera utilisé par le régulateur agissant sur la consigne d'avance, la consigne de richesse et la valeur de croisement de la distribution... 25 On a vu que le superviseur 20 est l'élément qui détermine le paramètre sur lequel on va engager une action corrective. Ce paramètre est choisi en fonction de son influence sur la diminution des émissions polluantes brutes et sur l'énergie thermique disponible à l'échappement. Or, tous les 30 paramètres susceptibles d'être choisis n'ont pas la même influence, ce qui va constituer un premier critère de choix. Le 5 10 Ind stab = 2909722 7 superviseur a donc pour rôle de choisir dans une liste les paramètres par ordre d'influence, du plus influent au moins influent, puis, lorsque l'action corrective n'est pas possible par exemple parce qu'elle est déjà au maximum), de choisir le 5 paramètre suivant dans la liste. L'ordre des paramètres dans cette liste sera différent selon que l'on veut privilégier la diminution des émissions brutes, l'augmentation de la puissance thermique disponible à l'échappement, ou encore un compromis entre les deux. 10 La figure 2 décrit un mode de réalisation du système décrit à la figure 1, dans lequel le régulateur peut effectuer un régulation des paramètres suivant : niveau de richesse, dégradation de l'avance à l'allumage, le croisement de la distribution étant dans l'exemple déterminé par cartographie en 15 fonction de la valeur d'avance à l'allumage. Dans la figure 2, on retrouve les mêmes éléments que dans la figure 1. Toutefois, on voit que le régulateur 18 comprend plusieurs modules 181, 182, chacun de ces modules étant affectés au calcul de la consigne d'un des deux paramètres régulés. Dans l'exemple, le 20 régulateur 18 comprend deux modules de calcul, mais, dans l'invention, le régulateur 18 comprend autant de modules de calcul que de paramètres devant être régulées. Le superviseur doit déterminer sur quel paramètre agir en fonction du niveau de stabilité, mais également de 25 l'historique de stabilité. Le superviseur donne l'ordre d'agir sur les différents paramètres de manière séquentielle : on commence par agir sur le paramètre dont la correction aura l'impact le plus important sur le niveau d'émissions polluantes brutes et/ou sur l'énergie thermique disponible à l'échappement. 30 Les trois paramètres utilisés dans l'exemple ont des influences différentes, que l'on peut évaluer de la manière suivante : niveau de richesse Ri : si la richesse est supérieure à 1, on influe principalement sur 35 l'émission d'hydrocarbures imbrûlés (HC). Si la 2909722 8 richesse est inférieure à 1, celle-ci influe sur les émissions d'oxydes d'azote (NOx). Le compromis réside donc dans une valeur proche de 1, avec toutefois l'inconvénient qu'une valeur 5 supérieure à 1 est en défaveur de la puissance thermique disponible à l'échappement. dégradation de l'avance à l'allumage : ce paramètre a une influence prépondérante sur l'énergie thermique disponible à l'échappement, 10 mais, en revanche, a peu d'impact sur les émissions à la source. croisement de la distribution : ce paramètre influe sur la stabilité de la combustion, et également, dans une moindre mesure, sur les 15 émissions polluantes à la source. La figure 3 montre un exemple de déroulement de la stratégie de contrôle du moteur mise en oeuvre grâce au système selon l'invention. On se place dans le cas où le moteur est stable 20 immédiatement après le démarrage. Le superviseur 20 demande donc au module de régulation 181, affecté au calcul de la consigne de richesse, de déterminer un niveau de richesse mieux adapté, c'est-à-dire plus faible, ce qui permettra de diminuer les émissions d'hydrocarbures imbrûlés HC et d'optimiser la chauffe 25 du catalyseur pour accélérer sa mise en fonctionnement. Tant que le moteur reste stable (par rapport à la consigne de stabilité), la régulation va diminuer la consigne de richesse jusqu'à atteindre une valeur limite, par exemple égale à 1. Lorsque la consigne de richesse est en butée, il n'est plus 30 possible d'agir sur celle-ci et le superviseur va donner l'ordre au module 182 de déterminer l'avance à l'allumage la mieux adaptée, de façon à augmenter encore l'énergie disponible à l'échappement. Le croisement de distribution (via déphaseurs d'arbre à cames) est dans l'exemple déterminé simplement par 35 cartographie en fonction de la valeur d'avance. 2909722 9 Si le moteur devient alors très instable, on peut imaginer que le système active des stratégies de secours, impliquant par exemple un reset de l'avance à l'allumage, et, si ce n'est pas suffisant, une augmentation importante de la 5 consigne de richesse. Lorsque la mise en oeuvre des stratégies de secours a permis de retrouver un niveau de stabilité acceptable, le système applique de nouveau une régulation normale. La figure 4 décrit la fonction de régulation de la consigne de richesse Cri mise en oeuvre dans le module 181. Ce 10 module de calcul 181 intègre une fonction sommatrice 40. Celui-ci comporte également trois fonctions 42, 44 et 46, chargées de déterminer respectivement une consigne de richesse de base, une correction de richesse (fonction de l'écart de stabilité), ainsi qu'une consigne de secours. Ainsi une ou plusieurs de ces 15 fonctions 42, 44 et 46 sont actives selon la stratégie déterminée par le superviseur 20. En fonction des ordres envoyés par le superviseur 20, la consigne de richesse Cri, en sortie de la fonction 40, peut être déterminée : par une simple boucle ouverte (cartographie en fonction 20 de la température d'eau par exemple). Dans ce cas le sommateur 40 ne prend en compte que le signal de sortie de la fonction 42, c'est-à-dire la consigne de richesse de base par une boucle ouverte ajoutée à une régulation de type 25 PID par exemple, qui détermine une correction en fonction de l'erreur de stabilité. La régulation est assurée par la fonction 44, qui peut être par exemple de type PID. Dans ce cas, le sommateur 40 prend en compte les signaux de sortie fournis par les deux fonctions 42 30 et 44 (consigne de richesse de base et correction de richesse). par une stratégie de secours (incrément important sur la boucle ouverte par exemple). Dans ce cas, le sommateur 40 prend en compte les signaux de sortie des fonctions 2909722 10 42 et 46 (consigne de richesse de base et consigne de secours). La figure 5 montre le fonctionnement du module 182, affecté au calcul d'une consigne d'avance à l'allumage. Son 5 fonctionnement est identique, mutatis mutandis, à celui du module 181. L'invention est mise en oeuvre avec autant de modules de ce type que de paramètres devant être régulés. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation des paramètres de fonctionnement d'un moteur (10) à combustion interne à injection, comprenant les étapes suivantes : -élaboration d'une consigne de stabilité Cs, - calcul d'un indice de stabilité moteur Is, - calcul de l'écart de stabilité Es égal à la différence entre la consigne de stabilité Cs et l'indice de stabilité Is. - traitement de l'écart de stabilité Es par un régulateur (18) qui fournit une consigne à appliquer pour un des paramètres de fonctionnement du moteur, ce paramètre étant choisi par un calculateur (20), ou superviseur, contrôlant la régulation de manière que l'action corrective appliquée optimise le niveau d'émission de polluants et/ou l'énergie thermique disponible à l'échappement tout en respectant la consigne de stabilité Cs. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque 20 paramètre varie dans un intervalle défini par deux valeurs seuils. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, lorsqu'un paramètre atteint une valeur seuil sous l'effet d'une première action corrective, le calculateur (20) contrôlant la 25 régulation choisit alors un autre paramètre pour lequel va être déterminé de manière similaire une consigne à appliquer 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le calculateur (20) contrôlant la régulation choisit l'un après l'autre l'ensemble des paramètres de fonctionnement du moteur 30 sur lesquels une action corrective peut être effectuée, l'ordre du choix des paramètres étant déterminé par l'influence de chacun de ces paramètres sur les émissions polluantes et/ou l'énergie thermique disponible à l'échappement. 10 15 2909722 12 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le régulateur (18) comprend un régulateur de type PID. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le calculateur (20) peut, pour chaque paramètre 5 considéré, mettre en œuvre stratégie de secours en cas d'écart de stabilité trop important. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le paramètre considéré est choisi dans le groupe comprenant : la richesse moteur, l'avance à l'allumage, le croisement de la distribution. 8. Système de commande d'un moteur à combustion interne à injection, mettant en œuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7.