Brevet FR2959276A1 — publié le 20111028

PROCEDE DE COMMANDE D'UNE VANNE EGR, ROBUSTE CONTRE LES DISPERSIONS [0001] L'invention concerne l'admission d'air dans un moteur à combustion interne, et en particulier les dispositifs de répartition d'air d'admission introduisant de l'air frais et de l'air provenant du circuit d'échappement dans la chambre de combustion du moteur. [0002] Le recyclage des gaz d'échappement permet de diminuer le niveau des oxydes d'azote émis dans les gaz d'échappement. Le recyclage de gaz d'échappement consiste à introduire de l'air frais et des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur. Pour des moteurs diesels, il est courant de voir des taux de recyclage de l'ordre de 50 %, ce qui signifie que la moitié des gaz aspirés par un cylindre d'un moteur à combustion interne sont des gaz d'échappement recirculés. Des normes d'émission de gaz polluants de plus en plus strictes ont conduit à la généralisation de circuits de recyclage de gaz d'échappement EGR pour les moteurs diesel. Cependant, l'utilisation de l'EGR pour les moteurs à allumage commandé est également en plein développement. [0003] Le recyclage de gaz d'échappement est contrôlé par l'intermédiaire d'une valve. La valve permet de prélever une quantité variable de gaz d'échappement pour les mélanger à l'air frais à introduire dans la chambre de combustion. La valve permet de réguler le débit de recyclage des gaz d'échappement vers l'entrée du moteur à chaque cycle de combustion. [0004] Ce recyclage nécessite d'asservir le débit de gaz d'échappement réinjecté, et donc la position de l'obturateur de la vanne EGR à une valeur de consigne qui varie dans le temps. La valeur de consigne est fournie par le calculateur moteur pour contrôler un moteur électrique actionnant l'obturateur. [0005] Il est techniquement délicat de procéder à un asservissement de position de l'obturateur de façon précise sur toute la plage de fonctionnement requise. Les différences de pression entre l'amont et l'aval de la vanne EGR ont ainsi une forte influence sur la précision de l'asservissement. Par ailleurs, les vannes incluent généralement des ressorts de rappel ramenant l'obturateur vers une position d'équilibre intermédiaire entre l'ouverture et la fermeture totale. L'action de ces ressorts perturbe le fonctionnement dynamique de la vanne. De plus, le fonctionnement de l'obturateur est fortement non linéaire. [0006] Des imperfections d'asservissement ont généralement les conséquences suivantes: une augmentation du temps de réponse de l'obturateur induisant une dégradation des performances du moteur, ou la génération d'oscillations importantes de l'obturateur induisant son inefficacité. Ces conséquences se traduisent généralement par une augmentation de la consommation de carburant et de la production d'oxydes d'azote. [0007] Un certain nombre de solutions proposées jusqu'ici synthétisent la loi de commande de l'obturateur par l'intermédiaire d'un correcteur par rétroaction appelée « PID » (pour Proportionnel, Intégral, Dérivé). La méthode de synthèse consiste principalement à déterminer l'erreur entre la position mesurée de l'obturateur et la position de consigne (action proportionnelle), à calculer la vitesse de changement de l'erreur (action dérivée) et l'intégrale temporelle de l'erreur (action intégrale) et à élaborer un signal de contrôle de position somme de ces trois actions. [0008] De telles solutions s'avèrent peu robustes vis-à-vis des perturbations externes rencontrées ou des variations des caractéristiques des composants. De telles solutions nécessitent en outre des méthodes de calibration longues et délicates à mettre au point. [0009] Le document FR2881536 décrit un procédé d'asservissement présentant une robustesse accrue, c'est-à-dire une moindre sensibilité aux perturbations extérieures. Ce document propose de réaliser un pré- positionnement de la vanne EGR en boucle ouverte, en fonction d'une valeur de consigne, d'une variation de pression entre l'amont et l'aval et de propriétés du ressort de rappel. [0010] Cette solution présente également des inconvénients. Cette solution nécessite un certain nombre de capteurs qui augmentent le coût de la vanne EGR. De plus, le positionnement de l'obturateur n'est pas très robuste face à des erreurs sur les paramètres pris en compte, notamment la variation de pression ou les propriétés du ressort de rappel. Par ailleurs, la loi de commande proposée par cette solution n'est valable que pour la régulation autour d'une unique position d'équilibre. Pour assurer une régulation satisfaisante sur toute la course de l'obturateur, cette solution suppose l'utilisation d'un grand nombre de lois de commandes distinctes pour les différentes positions de l'obturateur. En effet, chaque loi de commande est linéaire et ne s'avère juste que sur une faible partie de la course de l'obturateur dont le comportement est non linéaire. Cette solution est donc délicate à mettre au point du fait du nombre de points de fonctionnement à tester et du fait du nombre de permutations à réaliser en temps réel entre les différentes lois de commandes. [0011] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé de commande d'un moteur électrique d'entraînement d'un obturateur rotatif d'une vanne de recyclage de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes de : - déterminer la position angulaire e de l'obturateur ; - générer une consigne de position angulaire Oc de l'obturateur en fonction de l'actionnement d'une commande d'accélérateur du moteur à combustion interne ; - générer une consigne d'alimentation du moteur électrique basée sur une intensité de commande de référence Iref déterminée par : ( J* Cc^Ks*(O^^~) ^ Kr Iref ^ Km [0012] avec Ks une constante strictement supérieure à 0, J l'inertie de rotation des éléments mobiles de la vanne, Km le couple du moteur électrique, et Kr une valeur modélisant des dispersions de fonctionnement de la vanne. [0013] Selon une variante, un ressort de rappel qui rappelle l'obturateur vers une position de repos obturant l'écoulement de gaz d'échappement recyclé en l'absence d'excitation du moteur électrique. [0014] Selon encore une variante, ladite consigne d'alimentation est calculée en transformant ladite intensité de commande de référence en un signal à modulation de largeur d'impulsion appliquée sur une entrée de commande du moteur électrique. [0015] Selon une autre variante, la transformation comprend un écrêtage de l'intensité de commande de référence. [0016] Selon encore une autre variante, la transformation comprend la multiplication du signal écrêté par le couple moteur Km. [0017] Selon une variante, Ks est une valeur de gain pour l'ajustement du fonctionnement de la vanne. [0018] L'invention porte également sur un moteur à combustion interne, comprenant : - un circuit de recyclage de gaz d'échappement comprenant une vanne commandée pour réguler le débit de gaz d'échappement recyclés la traversant, la vanne comprenant un élément d'obturation monté à rotation dans un passage des gaz d'échappement et comprenant un moteur électrique entraînant l'élément d'obturation ; - un module de commande du moteur électrique apte à : - générer une consigne de position angulaire 6c de l'obturateur en fonction de l'actionnement d'une commande d'accélérateur du moteur à combustion interne ; - obtenir une valeur de position angulaire e de l'obturateur; - générer une consigne d'alimentation du moteur électrique basée sur une intensité de commande de référence Iref déterminée par : i J* ^~ ^ Ks * (O^ ^~) ^ Kr Iref ^ Km [0019] avec Ks une constante strictement supérieure à 0, J l'inertie de rotation des éléments mobiles de la vanne, Km le couple du moteur électrique, et Kr une valeur modélisant des dispersions de fonctionnement de la vanne. [0020] Selon une variante, le moteur comprend un ressort de rappel rappelant l'obturateur vers une position d'interruption de l'écoulement des gaz d'échappement à travers la vanne. [0021] Selon encore une variante, le module de commande génère une consigne d'alimentation du moteur électrique en transformant ladite intensité de commande de référence en un signal à modulation de largeur d'impulsion, et le module de commande applique le signal à modulation de largeur d'impulsion sur une entrée de commande du moteur électrique. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 illustre le principe de détermination de la position de consigne de la vanne EGR en fonction de l'appui sur une pédale d'accélérateur ; • la figure 2 est une représentation schématique d'une vanne EGR ; • la figure 3 représente un diagramme de traitement générant une consigne d'intensité du moteur de la vanne EGR ; • la figure 4 est un diagramme illustrant la conversion de l'intensité pour commander le moteur de la vanne EGR en modulation de largeur d'impulsion ou en modulation d'impulsions en durée. [0023] La figure 1 illustre le principe de détermination d'une position de consigne d'une vanne EGR. L'utilisateur applique une commande d'accélération, par exemple par l'intermédiaire d'une pédale. Cette commande est mesurée sous forme d'un niveau d'enfoncement d'une pédale d'accélérateur identifié par une valeur Ac et traduit une demande de couple au moteur à combustion interne. Une première cartographie 21 de contrôle moteur transforme cette valeur en une consigne de débit de carburant à injecter Qin] pour un régime moteur donné Nmot. Une deuxième cartographie 22 transforme cette valeur de consigne en une consigne de débit d'air d'admission Qac. [0024] La figure 2 illustre de façon schématique une vanne EGR 10. De façon connue en soi, la vanne EGR comporte un corps de vanne 11 délimitant un passage de fluide. Un élément d'obturation 13 est disposé dans ce passage de fluide pour réguler le débit des gaz d'échappement recyclés. L'élément d'obturation 13 est monté pivotant autour d'un axe 15 dans le passage de fluide. La position angulaire de cet élément d'obturation dans le passage permet de fermer ou ouvrir le passage, partiellement ou complètement. L'élément d'obturation peut être une soupape comportant une tête coopérant avec un siège dans le passage de fluide et fixé sur un arbre d'entraînement. Dans l'exemple de la figure 2, l'arbre d'entraînement 12 d'un moteur électrique 14 entraîne l'élément d'obturation 13 en rotation autour de l'axe 15. [0025] Le moteur électrique 14 et son arbre 12 constituent ainsi des moyens de positionnement de l'élément d'obturation 13. Le moteur électrique 14 est alimenté par un signal d'intensité variable dans le temps, délivré par un système d'asservissement. Le système d'asservissement est par exemple intégré dans un calculateur de contrôle moteur. Le système d'asservissement comprend un capteur de position angulaire 16 détectant la position angulaire de l'arbre 12 et générant un signal 8 correspondant sur sa sortie 18. [0026] Des ressorts de rappel (non illustrés) sollicitent l'élément d'obturation vers une position de repos. Le couple de rappel exercé par le ressort est opposé au couple exercé par le moteur électrique durant le fonctionnement. La position de repos de l'élément de rappel correspond à une obturation totale du passage de fluide par celui-ci. Ainsi, en cas de dysfonctionnement de la vanne EGR, le recyclage de gaz d'échappement cessera. [0027] Le comportement électrique et mécanique de la vanne 10 peut généralement être modélisé au moyen des équations suivantes : U=R*I+L*(1) J*(6)=Km*IùKr (2)30 [0028] L'équation 1 correspond à une modélisation électrique du moteur électrique 14 de la vanne. L'équation 2 correspond à une modélisation mécanique de l'élément d'obturation de la vanne. [0029] U correspond à la tension aux bornes du moteur électrique, R 5 correspond à sa résistance électrique, I correspond à l'intensité le traversant et L correspond à son inductance. [0030] J correspond à l'inertie de rotation globale de la vanne, 8 correspond à la position angulaire de l'arbre du moteur (soit mesurée par le capteur 16, soit déterminée numériquement par un calculateur), Km correspond au couple 10 moteur, et Kr correspond au couple résistant (incluant notamment le couple visqueux, le couple de rappel du ressort, le couple de butées...) et représente également un ensemble de dispersions sur le système formé par la vanne (frottements, bruits, estimation d'erreur du modèle...). [0031] On définit préalablement les valeurs suivantes : 15 • d(9ù6c) er = dt [0032] correspondant respectivement à l'erreur de poursuite et à la dérivée 20 temporelle de l'erreur de poursuite, Oc correspondant à la position angulaire de consigne de l'arbre d'entraînement. [0033] On considère une variable dynamique d'erreur S définie par la relation suivante : S = er+ Ks er 25 [0034] avec Ks une constante strictement supérieure à 0, correspondant à une valeur de gain calibrable. Cette valeur de gain est calibrable pour ajuster la commande appliquée au moteur 14. 30 [0035] Si la variable dynamique S est égale à 0 ou tend vers zéro, alors l'erreur de poursuite er tend vers 0, ce qui est le but recherché pour la régulation de la position angulaire de l'arbre d'entraînement. [0036] Des calculs permettent de déterminer l'intensité minimale Iref à appliquer au moteur électrique pour annuler la variable dynamique S. L'intensité Iref s'exprime comme suit : ( s' J* OcùKs*(er) +Kr Iref = Km [0037] La régulation de la vanne étant effectuée avec une rétroaction, on peut remplacer cette valeur d'intensité dans l'équation (2), pour aboutir à la 10 relation : er =ù Ks er [0038] Cette relation se résout avec une valeur de poursuite de la forme : 15 er=Eo*e Ks t [0039] EO étant une constante et t le temps. [0040] L'erreur de poursuite converge donc vers 0 dans le temps. Par 20 ailleurs, cette convergence est obtenue indépendamment du paramètre Kr de couple résistant. Ainsi, la commande avec l'intensité Iref déterminée s'avère robuste vis-à-vis de ce paramètre Kr. Le paramètre Kr peut être déterminé par des essais sur la vanne 10. [0041] De plus, une telle commande peut être générée avec un nombre 25 réduit de capteur, renforçant la fiabilité et abaissant le coût de la boucle de recyclage de gaz d'échappement. Par ailleurs, une telle commande peut être utilisée pour l'ensemble de la course de l'élément obturant, sans nécessiter l'utilisation d'une multiplicité de modèles. En outre, une telle commande peut être mise en oeuvre avec des méthodes de calibration relativement courtes et 30 simples à mettre au point via un seul paramètre Ks. [0042] La figure 3 est un diagramme illustrant les paramètres et les opérations mises en oeuvre pour le calcul de l'intensité de commande Iref du moteur 14. [0043] Le module 31 calcule la différence entre e et 6c. Le module 32 calcule la dérivée temporelle du signal de sortie du module 31. Le module 33 multiplie le signal de sortie du module 32 pas un facteur (-Ks). Le module 38 calcule la dérivée seconde temporelle de 6c. Le module 34 additionne les signaux de sortie des modules 33 et 38. Le module 35 multiplie le signal de sortie du module 34 par le facteur J. Le module 36 additionne le signal de sortie du module 35 à la valeur Kr. Le module 37 multiplie le signal de sortie du module 36 par un facteur (1/Km) pour générer le signal de commande en intensité Iref. [0044] La figure 4 est un diagramme illustrant la transformation de la commande d'intensité Iref en une commande à modulation de largeur d'impulsion, pour appliquer un rapport cyclique de tension entre les bornes d'alimentation du moteur 14, et ainsi disposer d'une commande simplifiée et adapté au HW du CMM. [0045] Le module 41 réalise une saturation de la valeur Iref calculée. Le module 42 multiplie le signal de sortie du module 41 par le facteur Km pour convertir l'intensité en tension, le module 43 multiplie la sortie du module 42 par une valeur UBat correspondant à une tension de batterie (par exemple 12V correspondant à une tension de batterie connectée au réseau de bord), le module 44 multiplie la sortie du module 43 par une valeur de gradation (par exemple 1/100) du signal de commande, pour générer le signal de commande Upwm. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur électrique (14) d'entraînement d'un obturateur (13) rotatif d'une vanne (10) de recyclage de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes de: - déterminer la position angulaire e de l'obturateur (13) ; - générer une consigne de position angulaire 6c de l'obturateur (13) en fonction de l'actionnement d'une commande d'accélérateur du moteur à combustion interne ; -générer une consigne d'alimentation du moteur électrique basée sur une intensité de commande de référence Iref déterminée par : i J* 6cùKs*(6ù6c) +Kr Iref = Km i avec Ks une constante strictement supérieure à 0, J l'inertie de rotation des éléments mobiles de la vanne, Km le couple du moteur électrique, et Kr une 20 valeur modélisant des dispersions de fonctionnement de la vanne. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel un ressort de rappel rappelle l'obturateur (13) vers une position de repos obturant l'écoulement de gaz d'échappement recyclé en l'absence d'excitation du 25 moteur électrique (14). 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite consigne d'alimentation est calculée en transformant ladite intensité de commande de référence en un signal à modulation de largeur d'impulsion 30 (Upwm) appliqué sur une entrée de commande du moteur électrique (14). 4. Procédé de commande selon la revendication 3, dans lequel la transformation comprend un écrêtage de l'intensité de commande de référence. 5. Procédé de commande selon la revendication 4, dans lequel la transformation comprend la multiplication du signal écrêté par le couple moteur Km. 40 6. Procédé de commandes sur l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel Ks est une valeur de gain pour l'ajustement du fonctionnement de la vanne (10). 35 7. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend : - un circuit de recyclage de gaz d'échappement comprenant une vanne commandée pour réguler le débit de gaz d'échappement recyclés la traversant, la vanne (10) comprenant un élément d'obturation (13) monté à rotation dans un passage des gaz d'échappement et comprenant un moteur électrique entraînant l'élément d'obturation ; - un module de commande (17) du moteur électrique apte à : - générer une consigne de position angulaire Oc de l'obturateur (13) en fonction de l'actionnement d'une commande d'accélérateur du moteur à combustion interne ; - obtenir une valeur de position angulaire e de l'obturateur (13) ; - générer une consigne d'alimentation du moteur électrique (14) basée sur une intensité de commande de référence Iref déterminée par : i J* 6cùKs*(6ù6c) +Kr Iref = Km avec Ks une constante strictement supérieure à 0, J l'inertie de rotation des éléments mobiles de la vanne, Km le couple du moteur électrique, et Kr une valeur modélisant des dispersions de fonctionnement de la vanne. 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, comprenant un ressort de rappel rappelant l'obturateur (13) vers une position d'interruption de l'écoulement des gaz d'échappement à travers la vanne. 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le module de commande (17) génère une consigne d'alimentation du moteur électrique (14) en transformant ladite intensité de commande de référence en un signal à modulation de largeur d'impulsion (Upwm), et dans lequel le module de commande (17) applique le signal à modulation de largeur d'impulsion sur une entrée de commande du moteur électrique.