Brevet FR3026138A1 — publié le 20160325

Dispositif et procédé de contrôle de l'état de fonctionnement d'un système d'admission d'air à géométrie variable L'invention concerne, de manière générale, la régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne le contrôle de l'état de fonctionnement d'un système d'admission d'air à géométrie variable. Comme on le sait, un moteur à combustion interne fonctionne avec un mélange d'air et de carburant dont les proportions sont définies par un calculateur de gestion du moteur pour chaque point de fonctionnement du moteur. Pour une quantité d'air frais admise dans le répartiteur d'admission du moteur, le calculateur définit une quantité de carburant injecté, pour un point de fonctionnement donné du moteur. La quantité de carburant à injecter dans le moteur est définie par la richesse, qui est le rapport entre la quantité d'air admise et la quantité de carburant injecté dans chaque cylindre. Certains moteurs sont équipés d'un système d'admission d'air à géométrie variable, qui possède des conduits de longueurs variables. On pourra à cet égard se référer au document US 7,270,103 qui décrit un système d'admission variable dans lequel la longueur des conduits d'admission d'air frais est modifiée selon les conditions de fonctionnement du moteur, en particulier sa charge et sa vitesse. Le diamètre du conduit est également modifié lorsque la longueur varie. On pourra également se référer au document EP 0 747 584. Les systèmes d'admission variables sont généralement dotés d'un actionneur qui permet de raccourcir la longueur des conduits à haut régime du moteur et à les allonger à bas régime, pour optimiser le remplissage des cylindres du moteur en air. Le raccourcissement de la longueur des conduits d'admission d'air, à haute vitesse, permet d'augmenter la richesse et la puissance du moteur. Il est toutefois nécessaire d'éviter, et par conséquent, de diagnostiquer, toute défaillance du système d'admission d'air afin de maîtriser finement les écarts de richesse à l'échappement et limiter de la sorte les émissions polluantes dans l'environnement. Dans l'état de la technique, le contrôle de l'état de fonctionnement des systèmes d'admission variables est fondé sur l'utilisation de capteurs permettant à chaque instant de connaître la longueur exacte des conduits d'admission. Dès qu'un écart est constaté entre une valeur de consigne et la position mesurée, le système d'admission est considéré comme défaillant. Comme on le conçoit, cette solution nécessite de prévoir un capteur spécifique. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de permettre de diagnostiquer l'état de fonctionnement d'un système d'admission d'air variable destiné à l'injection d'air frais dans les cylindres d'un moteur avec une précision accrue. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un dispositif de contrôle de l'état de fonctionnement d'un système à géométrie variable d'admission d'air dans les cylindres d'un moteur à combustion interne comportant des moyens de comparaison pour comparer la valeur d'un signal représentatif de la richesse d'un mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur et au moins une valeur de seuil de détection d'un dysfonctionnement du système d'admission d'air. Dans un mode de réalisation, les moyens de comparaison sont constitués par des moyens pour comparer un signal de mesure de la concentration en oxygène des gaz d'échappement du moteur avec au moins une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement. Le dispositif selon l'invention peut également comporter des moyens de régulation en boucle fermée de la richesse du mélange air-carburant. Dans ce cas, les moyens de comparaison peuvent comporter des moyens pour comparer un signal élaboré par la boucle de régulation avec au moins une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement. Selon encore une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, le signal élaboré par la boucle de régulation est la valeur moyenne d'un terme de correction du temps d'injection de carburant dans les cylindres. L'invention a également pour objet, selon un second aspect, un procédé de contrôle de l'état de fonctionnement d'un système à géométrie variable d'admission d'air dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, dans lequel on compare la valeur d'un signal représentatif de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur avec au moins une valeur de seuil de détection d'un dysfonctionnement du système d'admission d'air. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant l'architecture générale d'un moteur à combustion interne doté d'un dispositif de contrôle selon l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent le principe de la régulation de la richesse du mélange admis dans les cylindres du moteur ; - les figures 3a et 3b illustrent le principe du contrôle de l'état de fonctionnement du système à géométrie variable d'admission d'air ; et - la figure 4 est un organigramme illustrant les principales phases d'un procédé de contrôle conforme à l'invention. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre de façon schématique la structure générale d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, désigné par la référence numérique générale 1. Dans l'exemple de réalisation considéré, le moteur 1 est pourvu de quatre cylindres 2 disposés en lignes. Les cylindres 2 sont alimentés en air par l'intermédiaire d'un répartiteur d'admission 3, lui-même alimenté par une conduite d'admission 4 pourvue d'un filtre à air 6 et d'un turbocompresseur 7 de suralimentation du moteur en air. Le répartiteur d'admission est ici un répartiteur à géométrie variable et comporte des conduits dont la longueur peut être modifiée grâce à un actionneur, par exemple un moteur électrique, non représenté. Un collecteur d'échappement 8 récupère les gaz d'échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l'extérieur, en passant par une turbine 9 du turbocompresseur 7, par exemple une turbine à géométrie fixe, associée à un circuit 10 de dérivation équipée d'une vanne de réglage 11, et par un système 12 de traitement des effluents gazeux, par exemple un catalyseur, un filtre à particules, ou tout autre dispositif de traitement approprié pour assurer une dépollution des gaz d'échappement. Comme on le voit, la conduite d'admission 4 est équipée, en amont du répartiteur 3, d'un refroidisseur d'air 13 et d'un papillon de gaz, c'est-à-dire une vanne 14 de réglage du débit des gaz admis dans le moteur. L'ensemble est complété par des capteurs de mesure de paramètres de fonctionnement du moteur, tels que des capteurs 15 et 16 de mesure de la température Tsural de suralimentation et de la pression Psural de suralimentation. Des capteurs 17 assurent en outre la mesure de la pression Pcoll et de la température Tcoll des gaz dans le répartiteur d'admission. L'ensemble des capteurs ainsi que les divers éléments pilotables du moteur sont raccordés à une unité centrale de commande 20. En ce qui concerne la régulation de la richesse, l'unité centrale de commande 20 calcule, pour chaque point de fonctionnement du moteur, une valeur de consigne de richesse à partir de signaux de mesure de la concentration en oxygène présente dans les gaz brûlés délivrés par une sonde lambda 21 montée en amont du système 12 de traitement des effluents gazeux. A cet effet, le calculateur 20 est programmé de manière à mettre en oeuvre une régulation de la richesse du mélange. Dans le but d'améliorer la précision de la régulation, une deuxième sonde lambda 22, optionnelle, est placée en aval du système de traitement 12. Pour chaque point de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire pour chaque couple régime/charge, et connaissant la position des différents actionneurs de la chaîne d'alimentation en air frais, et en particulier du papillon de gaz 14, de la vanne 11 et de la longueur des conduits 18 à longueur variable du répartiteur 3, l'unité centrale de commande 20 détermine le remplissage en air du moteur et en déduit la masse d'air enfermée dans chaque cylindre. Il peut par exemple s'agir d'extraire la masse d'air enfermée dans les cylindres à partir d'une cartographie stockée en mémoire. A partir de la masse d'air enfermée dans les cylindres, et à partir d'une consigne de richesse, par exemple égale à 1 dans le cas d'un moteur à allumage commandé (moteur à essence), l'unité centrale 20 détermine la quantité de carburant à injecter. Il peut également s'agir, par exemple, d'extraire ces données d'une cartographie. La sonde lambda 21 permet, à partir de la mesure de la quantité d'oxygène présente dans les gaz brûlés, de contrôler que la consigne de richesse est atteinte. Ce contrôle peut être effectué en mettant en oeuvre une régulation soit en boucle ouverte, soit en boucle fermée. Dans le cas où l'unité centrale 20 met en oeuvre une régulation en boucle ouverte, le signal de mesure de la quantité d'oxygène présente dans les gaz brûlés permet de contrôler que la consigne de richesse est atteinte. Dans le cas où l'unité centrale 20 met en oeuvre une régulation en boucle ouverte, le signal de mesure de la quantité d'oxygène présente dans les gaz brûlés, représentatif de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur, est comparé à une valeur de consigne de richesse. L'écart entre la richesse mesurée et la consigne de richesse est alors comparé à une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement du système d'admission d'air à géométrie variable. Par exemple, si l'unité centrale 20 impose au système d'admission d'air une longueur de conduit d'admission égale à Li et que le système est défaillant et est bloqué à une longueur L2, alors que la longueur Li est la position du système d'admission variable pour laquelle le rendement de remplissage est optimal pour le point de fonctionnement considéré, le blocage du système à la position L2 entraîne une dégradation du rendement de remplissage. Par exemple, si la longueur L2 est inférieure à la longueur Li, la quantité d'air enfermée dans le cylindre est plus faible que la quantité attendue et la richesse, mesurée au niveau de la ligne d'échappement, est augmentée dans la mesure où la consigne d'injection reste inchangée par rapport au fonctionnement nominal imposé par le calculateur 20. Le signal délivré par la sonde lambda 21 est utilisé pour calculer l'écart entre la valeur de richesse attendue et la valeur de richesse mesurée. Au-delà d'un certain seuil d'écart de richesse, on considère que le système d'admission variable est défaillant, dans la mesure où des diagnostics sont par ailleurs mis en oeuvre pour confirmer que le fonctionnement du système d'injection de carburant correspond à l'état nominal imposé par le calculateur. L'erreur de richesse mesurée en fonction de l'erreur de remplissage des cylindres est donnée par les relations suivantes : M ess M ess Erreur de richesse = Ri mesurée - Ri consigne = K x K x M air_réalis ée air consigne soit Erreur de richesse = K xM ess X air réalisée consigne avec : K= Rapport stoechiométrique Mess = Masse de carburant Mair = Masse d'air frais admis R mesurée = Richesse mesurée Ri consigne = Consigne de richesse Mair réalisée = Masse d'air frais mesurée Mair consigne = Consigne de masse d'air frais. On se référera maintenant aux figures 2a, 2b, 3a et 3b pour expliquer la détection d'un dysfonctionnement du système d'admission d'air dans le cas d'une régulation de la richesse en boucle fermée. Sur la figure 2a, le signal S correspond au signal de mesure de richesse délivré par la sonde lambda 21. Dans l'exemple considéré, la tension de sortie de la sonde 21 évolue en fonction du temps entre des phases telles que I correspondant à un mélange riche et II correspondant à un mélange pauvre. En référence à la figure 2b, la boucle de régulation mise en oeuvre par l'unité centrale 20 élabore un signal S' de correction du temps d'injection de carburant dans les cylindres. Le signal de sortie de la sonde lambda 21, qui est une tension représentative de la richesse du mélange, est soustrait à une tension de consigne représentative de la consigne de richesse, par exemple égale à 1 pour un mélange stoechiométrique air-carburant. Sur la figure 2a, la tension de consigne est ici égale à 450 millivolts. Si la tension est inférieure à la consigne, les gaz sont considérés comme pauvres, ce qui nécessite d'enrichir le mélange. Dans le cadre d'une régulation en boucle fermée, cet enrichissement est réalisé par un régulateur, par exemple de type proportionnel-intégral PI qui reçoit en entrée une valeur d'erreur correspondant à l'écart entre la tension réelle de sortie de la sonde lambda et une tension de consigne et applique l'intégralité du terme proportionnel du régulateur à l'erreur, puis le terme intégral. Il en déduit en sortie le signal S' de correction à ajouter à la durée d'injection de base prédéterminée lors de la mise au point du moteur. Si la tension est supérieure à la consigne, les gaz sont considérés comme riches, ce qui, au contraire, nécessite d'appauvrir le mélange. Dans ce cas, l'appauvrissement est réalisé en diminuant, de la même façon, la quantité d'essence injectée. En se référant aux figures 3a et 3b, qui illustrent respectivement l'évolution de la tension de sortie S de la sonde lambda 21 et le signal S' de correction de la durée d'injection de carburant gérée par le calculateur 20, on voit que lors des phases 1 et 2, qui correspondent respectivement à un mélange riche et à un mélange pauvre, le signal de correction du temps d'injection de carburant dans les cylindres est utilisé pour annuler la dérive de richesse à l'échappement. La valeur moyenne de ce terme correctif est normalement égale à 0. L'unité centrale 20 calcule la valeur moyenne de ce terme correctif et la compare avec une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement. Ainsi, si lors de la phase III, le signal S' dépasse la valeur de seuil A de détection de dysfonctionnement, le système d'admission d'air 18 est considéré comme défectueux. On notera que la procédure qui vient d'être décrite s'applique aussi bien à un système d'admission d'air variable de façon continue ou de façon discontinue, c'est-à-dire pouvant prendre un nombre limité de positions prédéterminées. Le procédé qui vient d'être décrit s'applique également à une application différente du système d'admission d'air variable. Par exemple, pour un moteur à allumage commandé, le système d'admission d'air variable peut être utilisé afin de pénaliser le remplissage en air du moteur. On ouvrira ainsi davantage le papillon de gaz 14 pour conserver une même performance, ce qui permet de diminuer les pertes par pompage et d'optimiser ainsi le rendement global du moteur. Dans ce cas, tant en boucle ouverte qu'en boucle fermée, les seuils de détection de défaut sont dupliqués. On utilisera ainsi des seuils relativement haut et bas de détection de dysfonctionnement. On se référera enfin à la figure 4 pour décrire les principales phases d'un procédé de contrôle de l'état de fonctionnement du système d'admission d'air 18 selon l'invention. Sur cette figure, l'étape 23 correspond au démarrage du moteur. L'étape 24 correspond à la phase de fonctionnement du moteur au cours de laquelle on vérifie l'intégrité du système d'injection de carburant. Lors de l'étape 25 suivante, on acquiert la valeur de la tension de sortie de la sonde lambda 21 qui correspond à la richesse à 1 ' échappement. Dans le cas où l'unité centrale 20 met en oeuvre une régulation en boucle ouverte, lors de l'étape 26 suivante, le calculateur 20 mesure la richesse à l'échappement via l'amplitude du signal acquis. Il compare ensuite la richesse mesurée à la richesse attendue pour obtenir une valeur de mesure d'écart (étape 27). Au contraire, dans le cas d'une régulation boucle fermée, après l'étape d'acquisition 25, le calculateur 20 assure une régulation en boucle fermée du temps d'injection (étape 26a) et calcule la valeur moyenne du terme correctif du temps d'injection (étape 27a). Lors de l'étape 28 suivante, le calculateur 20 compare l'écart retenu à l'issue de l'étape 27 où la valeur moyenne du terme correctif obtenu à l'issue de l'étape 27a à des valeurs de seuil de détection de dysfonctionnement respectives. Si les valeurs de seuil sont dépassées, il est considéré que le système d'admission variable est défaillant (étape 29). Si tel n'est pas le cas, on considère que le fonctionnement du système d'admission est correct (étape 30) avant de mettre fin au diagnostic du système d'admission (étape 31). REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle de l'état de fonctionnement d'un système d'admission d'air à géométrie variable dans les cylindres (2) d'un moteur (1) à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de comparaison (20) pour comparer la valeur d'un signal (S') représentatif de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur et au moins une valeur de seuil de détection d'un dysfonctionnement du système d'admission d'air. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de comparaison sont constitués par des moyens pour comparer un signal de mesure de la concentration en oxygène du gaz d'échappement du moteur avec au moins une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement. 3. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens (20) de régulation en boucle fermée de la richesse du mélange air/carburant. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel des moyens de comparaison comportent des moyens pour comparer un signal élaboré par la boucle de régulation avec au moins une valeur de seuil de détection de dysfonctionnement. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit signal élaboré par la boucle de régulation est la valeur moyenne d'un terme de correction du temps d'injection de carburant dans les cylindres. 6. Procédé de contrôle de l'état de fonctionnement d'un système d'admission d'air à géométrie variable dans les cylindres (2) d'un moteur (1) à combustion interne, dans lequel on compare la valeur d'un signal (S') représentatif de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur avec au moins une valeur de seuil de détection d'un dysfonctionnement du système d'admission d'air.