Brevet FR3056643A1 — publié le 20180330

Correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant d'un moteur La présente invention concerne un dispositif et un procédé de correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant pour moteur à combustion interne. Les normes de dépollution obligent les constructeurs concevoir des moteurs de plus en plus performants pour améliorer le remplissage en air frais dans les cylindres du moteur. Ces normes visent à réduire au maximum les gaz résiduels, lesquels sont issus d'une combustion imparfaite, et provoquent des risques de cliquetis et d'auto-allumage du mélange air-combustible dans les cylindres. Les techniques développées sur des moteurs à essence respectant ces nouvelles normes, notamment ceux équipés d'un système de distribution variable, rendent plus compliqué l'accès à la mesure ou à l'estimation de la valeur de la richesse du mélange air- combustible qui est primordiale dans un moteur à essence. Malheureusement, la richesse du mélange air-combustible doit être entièrement maîtrisée dans les cylindres du moteur pour assurer une bonne combustion et un bon fonctionnement du système de post- traitement des gaz d'échappement. Il est connu d'utiliser une sonde à oxygène (02) proportionnelle de mesure d'une concentration d'oxygène (02) en amont du catalyseur pour estimer la valeur de la richesse du mélange air-combustible. Cependant, un des inconvénients des techniques développées pour les moteurs à essence est qu'elles créent du balayage, acheminant directement de l'air frais depuis l'admission vers l'échappement sans passer par le mode combustion. 3056643 2 Ce phénomène introduit une quantité supplémentaire d'oxygène (02) dans l'échappement. Par conséquent, la concentration d'oxygène mesurée par la sonde dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur n'est plus 5 représentative de la composition des gaz brûlés durant la phase de combustion. La richesse du mélange air-combustible estimée par cette sonde est alors biaisée en cas de balayage. En particulier, la richesse estimée est dans ce cas plus faible que la richesse réelle du mélange air-combustible. 10 Un calculateur classique capable d'estimer ou d'enregistrer une mesure de débit d'air Qair, d'estimer le débit du carburant injecté Qinj permet de donner une estimation classique, mais imprécise, d'une richesse R du mélange air-carburant grâce à la formule : R = * PCO Qair 15 dans laquelle PCO est le pouvoir comburivore qui dépend du type de carburant utilisé. Le problème que se propose de résoudre la présente invention est celui de corriger cette estimation de richesse du mélange air-carburant en cas de balayage. 20 Le document US 2002108367 décrit une première méthode de correction de la mesure de l'oxygène dans les gaz d'échappement consistant à réaliser cette correction à partir d'une première sonde d'oxygène (02) proportionnelle en amont du catalyseur, couplée à une seconde sonde d'oxygène (02) proportionnelle située en aval dudit 25 catalyseur. Ce document décrit une seconde méthode de correction de la mesure de l'oxygène dans les gaz d'échappement comprenant la modélisation de la valeur de richesse à partir de la seconde sonde d'oxygène (02) située en aval du catalyseur. 30 Le document US 2015114374 divulgue une méthode pour la réduction de la consommation de carburant ou l'augmentation de la puissance d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Cette méthode nécessite la mesure par une sonde d'oxygène (02) 3056643 3 proportionnelle de la concentration d'oxygène en amont des cylindres du moteur. La mesure n'est reproduite qu'à chaque ouverture des soupapes de chaque cylindre. Cette mesure est alors corrigée à partir d'une mesure, ou d'un modèle stocké dans une unité de contrôle, d'une 5 valeur de pression des gaz d'échappement. Le document US 20130152584 décrit un procédé pour corriger un débit total d'air pour ajuster la quantité d'air piégé dans les cylindres, et la quantité d'air de balayage. Ces informations permettent d'ajuster les actionneurs de la 10 chaine d'air tels que la vanne papillon, le calage d'une distribution variable, ou la wastegate pour avoir un meilleur contrôle sur la quantité d'air frais piégé dans les cylindres. L'invention porte donc sur un dispositif de correction de l'estimation de la richesse d'un mélange air-carburant admis en entrée 15 d'un moteur à combustion interne, comprenant : - un calculateur embarqué configuré pour calculer une valeur adimensionnelle (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et pour estimer une valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur ; et 20 - une sonde à oxygène (02) proportionnelle de mesure de la concentration en oxygène des gaz d'échappement du moteur en amont d'un catalyseur, à partir de laquelle le calculateur détermine une première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur. 25 Le calculateur est configuré pour estimer une valeur (R5gaz corrigée) représentative de la richesse du mélange air-carburant régnant dans les cylindres du moteur à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, et d'une valeur f(Ruego,TRAP,EAL) représentative d'une correction de balayage de la 30 richesse du mélange air-carburant déterminée à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, de la valeur (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et de la valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur. 3056643 4 En particulier, le moteur est soumis au phénomène de balayage, ce qui est notamment le cas des moteurs à essence équipés d'un système de distribution variable. Selon un mode de réalisation du dispositif de correction de 5 l'estimation de la richesse du mélange air-carburant, le calculateur comporte un modèle de calcul de la richesse du mélange air-carburant à partir de la première valeur (Rue") représentative de la richesse du mélange air-carburant et de la valeur (f) représentative de la correction de balayage. 10 Un calculateur embarqué traditionnel comporte généralement une cartographie qui modélise la richesse du mélange air-carburant à partir d'une mesure de la concentration en oxygène (02) en L'invention porte également sur un procédé de mise en oeuvre de la correction de l'estimation de la richesse du mélange air- 15 carburant admis en entrée d'un moteur à combustion interne, comprenant : - une première étape dans laquelle on détermine une première valeur (Rue") représentative de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur à partir d'une sonde à oxygène 20 proportionnelle de mesure de la concentration en oxygène (02) des gaz d'échappement du moteur en amont d'un catalyseur ; - une deuxième étape dans laquelle on mesure la composition du mélange air-carburant ; - une troisième étape dans laquelle on calcule une deuxième 25 valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air- carburant ; - une quatrième étape dans laquelle on compare la première valeur (Rue") représentative de la richesse du mélange air-carburant avec la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du 30 mélange air-carburant ; - une cinquième étape dans laquelle on configure un calculateur embarqué pour calculer une valeur adimensionnelle (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et pour 3056643 5 estimer une valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur ; - une sixième étape dans laquelle on modélise par une valeur fmod(Ruego,TRAP,EAL) la différence entre la première valeur (Rtiego) 5 représentative de la richesse du mélange air-carburant et la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant ; - une septième étape dans laquelle on valide expérimentalement la modélisation réalisée à la cinquième étape ; et 10 - une huitième étape dans laquelle on configure le calculateur pour estimer une troisième valeur (R5gaz corrigée) représentative de la richesse corrigée du mélange air-carburant régnant dans les cylindres du moteur à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, et de la valeur 15 fmod(Ruego,TRAP,EAL) représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant, on mesure la composition du mélange air-carburant au moyen d'une baie d'analyse 20 configurée pour déterminer une deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. Selon une autre caractéristique du procédé de correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant, la baie d'analyse comprend des moyens de mesure des concentrations de dioxygène (02), 25 d'oxyde d'azote (NO'), de dioxyde de carbone (CO2), d'hydrocarbures imbrûlées (HC), et d'oxyde de carbone (CO) du mélange air-carburant, pour calculer la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. Selon le procédé de correction, on peut modéliser la différence 30 entre la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant et la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant par une valeur f(Ruego,TRAP,EAL) représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant déterminée à partir de la première 3056643 6 valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, de la valeur (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et de la valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur : 5 f (RuegolTRAP,EAL)= R5gaz - Ruego La modélisation à la cinquième étape peut être réalisée à partir d'un polynôme de degré 2 à 3 indéterminées : imod (Ruego EAL, TRAP) = al + a2 * EAL + a3 * EAL2 +a4 * TRAP + a5* EAL* TRAP + a6 * TRAP2 + a7 * Ruego + a8 * Ruego * EAL + a9 * Ruego * TRAP + a10 * Ruego 2 On peut enfin valider expérimentalement la valeur 10 fmod(Ruego,TRAP,EAL) modélisée si, statistiquement, cette valeur est correcte à +-1% dans 95% des cas. D' autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, non limitatif, illustré sur les dessins 15 annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un moteur combustion doté d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un organigramme des étapes d'un procédé de correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant 20 conforme à l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne de véhicule automobile 1 ainsi que son circuit d'air G d'un moteur 1 à combustion interne, notamment un moteur de véhicule automobile. L'air s'écoule dans le circuit dans un sens défini par les flèches 22. Le 25 moteur 1 est un moteur à injection directe ou indirecte. De manière non limitative, il peut être à aspiration naturelle, ou de type suralimentée au moyen, par exemple, d'un turbocompresseur 2. Il peut aussi présenter d'autres particularités, comme par exemple être associé 3056643 7 à au moins un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à l'admission, sans nuire à la généralité de l'invention. Un filtre à air frais 3 servant à retirer les particules indésirables du flux d'air entrant dans le circuit d'air est situé en 5 amont de ce circuit. L'air G admis passe par un turbocompresseur 2 associé à une soupape de décharge 4 et à un refroidisseur d'air suralimenté 5. Une vanne papillon 6 contrôlée par un système électronique de commande, ou calculateur embarqué, non représenté sur la figure 1, 10 permet d'augmenter ou réduire le débit Qamg, d'air G entrant dans le collecteur 7 du moteur 1. La pression 13,01 et la température Loi du collecteur 7 sont mesurées grâce à, respectivement, un capteur de pression 11, et un capteur de température 12 situés dans le collecteur 7. Ces deux 15 capteurs sont reliés au calculateur qui stocke les valeurs de pression Pcol et de température T,01 du collecteur 7. Le calculateur pilote également la quantité de carburant injectée Qemg, dans les cylindres, et est configuré selon une loi de proportionnalité propre à chaque moteur pour déterminer une valeur de 20 richesse cylindre Rcy1 représentative du rapport entre la quantité de carburant injecté Qemgc, et d'une masse Mtrap d'air enfermée dans les cylindres. Cette loi utilise la relation de proportionnalité liant une mesure d'une concentration d'un traceur d' oxyde de carbone (CO) 25 représentatif de la production de CO, et la richesse cylindre Rcyl. Une ligne d'échappement 8 permet l'évacuation des gaz G du moteur 1 vers l'atmosphère extérieur. Un dispositif de post-traitement destiné à purifier les gaz d'échappement G est interposé dans la ligne 3. Il comporte principalement un catalyseur 9 de type trois voies. 30 Le catalyseur 9 permet de traiter plusieurs substances polluantes telles que les oxydes d'azote (NO'), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les oxydes de carbone (CO) présents dans les gaz de combustion du moteur 1. 3056643 8 De façon non limitative, la distribution du moteur est variable, et comprend trois modes de distributions : - un mode VVT (variable valve timing) dans lequel les soupapes d'admission et d'échappement des cylindres ont un phasage 5 variable ; - un mode VVL (variable valve lift) dans lequel les soupapes d'admission et d'échappement des cylindres ont une hauteur de levée variable ; - un mode VVA (variable valve actuation) dans lequel les 10 soupapes d'admission et d'échappement des cylindres ont un phasage et une hauteur de levée variable ; - un mode électromagnétique dans lequel chaque soupape d'admission et d'échappement des cylindres est commandée par un actionneur électromagnétique permettant un phasage et une hauteur de 15 levée variable. Ces quatre modes de distribution permettent de satisfaire aux normes de rejets de gaz, mais présentent l'inconvénient d'accroître le phénomène de balayage. Une sonde 10 d'oxygène (02) proportionnelle de mesure de la 20 concentration en oxygène des gaz d'échappement du moteur est située en amont d'un catalyseur 9, et en aval du turbocompresseur 2 et d'une wastegate 21. Le calculateur permet de calculer une valeur adimensionnelle EAL représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et d'estimer une valeur TRAP représentative d'une quantité 25 d'air frais piégé dans les cylindres du moteur. La valeur EAL est calculée à partir du débit Qamgc d'air G entrant dans le collecteur 7, des valeurs de pression 13,01 et de température T,01, de la constante des gaz parfaits r, et du volume de la cylindrée du moteur 1 cylindrée, selon la relation suivante : Qamgc * cylindrée EAL= Pcol r "'col 30 3056643 9 La valeur EAL correspond à la masse d'air que l'on pourrait enfermer dans les cylindres dans les conditions de pression et de température du collecteur pour une admission donnée. La valeur TRAP est calculée à partir de la masse Mtrap d'air G, 5 et le débit Qamgc d'air G : TRAP 11' En référence à la figure 2, on va décrire plus en détail le procédé de mise en oeuvre de la correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant admis en entrée du moteur. 10 Le procédé débute par une première étape 13 dans laquelle on détermine une première valeur Ruego représentative de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur à partir d'une sonde à oxygène proportionnelle de mesure de la concentration en oxygène (02) des gaz d'échappement du moteur en amont d'un 15 catalyseur. Lors d'une deuxième étape 14, on mesure la composition du mélange air-carburant. On calcule ensuite une deuxième valeur R5gaz représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant (étape 15). 20 Lors d'une quatrième étape 16, on compare la première valeur Ruego représentative de la richesse du mélange air-carburant avec la deuxième valeur R5gaz représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. Plus précisément, on établit la différence R5gaz- Ruego pour 25 estimer la valeur de correction à ajouter à Ruego, et on pose : f (RuegolTRAP,EAL)= R5gaz - Ruego Le procédé se poursuit par une cinquième étape 17, dans laquelle on configure un calculateur embarqué pour calculer une valeur adimensionnelle EAL représentative du remplissage d'air des cylindres 30 du moteur, et pour estimer une valeur TRAP représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur. Le procédé comprend ensuite une sixième étape 18 dans laquelle on modélise la différence f(Ruego,TRAP,EAL) entre la 3056643 10 première valeur Ruego représentative de la richesse du mélange air-carburant et la deuxième valeur R5gaz représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. Empiriquement, on modélise cette valeur par un polynôme de 5 degré 2 comprenant 3 variables indéterminées, à savoir Ruego, EAL et TRAP : J mod(Ruego,EAL,TRAP) = ai +a2 * EAL +a3 * EAL2 +a4*TRAP+a5* EAL* TRAP ±a6* TRAP2 c17* Ruego + a8 * Ruego * EAL + a9 * Ruego * TRAP +am *Ruego 2 Le calculateur détermine alors, au moyen de la méthode d'ajustement des moindres carrés, les 10 coefficients ai, az, a3, a4, a5, 10 a6, a7, a8, a9, aio de manière à ce que la modélisation fmod(Ruego, TRAP ,EAL) soit la plus proche de la réalité f(Ruego,TRAP,EAL), et permette de décrire le plus fidèlement les mesures réalisées. Cette étape est réalisée à l'aide d'un banc d'essais moteur. Plus 15 particulièrement, le moteur du banc d'essai tourne à un régime stabilisé. Durant ces essais, on mesure les valeurs Ruego, R5gaz, EAL et TRAP pour chaque régime stabilisé, et notamment pour chaque plage de régime induisant du balayage. L'ensemble des mesures réalisées pour chaque moteur permet d'établir, au moyen de la méthode 20 d'ajustement des moindres carrés. Cette étape est à réaliser pour chaque différent moteur, ou après chaque modification importante de celui-ci. Le procédé comprend encore une septième étape 19 dans laquelle on valide expérimentalement la modélisation réalisée à la 25 cinquième étape. La validation a lieu, si, statistiquement, la valeur modélisée est correcte à +-1% dans 95% des cas. Le procédé se termine par une huitième étape 20, dans laquelle on configure le calculateur pour estimer une troisième valeur R5 gaz corrigée représentative de la richesse corrigée du mélange air-carburant 3056643 11 régnant dans les cylindres du moteur à partir de la première valeur Ruego représentative de la richesse du mélange air-carburant, et de la valeur frued(Ruegu,TRAP,EAL), validée au préalable, représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant. REVENDICATIONS1. Dispositif de correction de l'estimation de la richesse d'un mélange air-carburant admis en entrée d'un moteur à combustion interne, comprenant : - un calculateur embarqué configuré pour calculer une valeur adimensionnelle (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et pour estimer une valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur ; et - une sonde à oxygène (02) proportionnelle de mesure de la concentration en oxygène des gaz d'échappement du moteur en amont d'un catalyseur, à partir de laquelle le calculateur détermine une première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur ; caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour estimer une valeur (R5gaz corrigée) représentative de la richesse du mélange air- carburant régnant dans les cylindres du moteur à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, et d'une valeur (f(Ruego,TRAP,EAL)) représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant déterminée à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, de la valeur (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et de la valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le calculateur comporte un modèle de calcul de la richesse du mélange air-carburant à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant et de la valeur (f(Ruego,TRAP,EAL)) représentative de la correction de balayage. 3. Procédé de mise en oeuvre de la correction de l'estimation de la richesse du mélange air-carburant admis en entrée d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend : 3056643 13 - une première étape dans laquelle on détermine une première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant admis dans les cylindres du moteur à partir d'une sonde à oxygène proportionnelle de mesure de la concentration en oxygène (02) des gaz 5 d'échappement du moteur en amont d'un catalyseur ; - une deuxième étape dans laquelle on mesure la composition du mélange air-carburant ; - une troisième étape dans laquelle on calcule une deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air- 10 carburant ; - une quatrième étape dans laquelle on compare la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant avec la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant ; 15 - une cinquième étape dans laquelle on configure un calculateur embarqué pour calculer une valeur adimensionnelle (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et pour estimer une valeur (TRAP) représentative d'une quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur ; 20 - une sixième étape dans laquelle on modélise par une valeur fmod(Ruego,TRAP,EAL) la différence entre la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant et la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant ; 25 - une septième étape dans laquelle on valide expérimentalement la modélisation réalisée à la cinquième étape ; et - une huitième étape dans laquelle on configure le calculateur pour estimer une troisième valeur (R5gaz corrigée) représentative de la richesse corrigée du mélange air-carburant régnant dans les cylindres 30 du moteur à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, et de la valeur fmod(Ruego,TRAP,EAL) représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant. 3056643 14 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on mesure la composition du mélange air-carburant au moyen d'une baie d'analyse configurée pour déterminer une deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. 5 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la baie d'analyse comprend des moyens de mesure des concentrations de dioxygène (02), d'oxyde d'azote (NO'), de dioxyde de carbone (CO2), d'hydrocarbures imbrûlées (HC), et d'oxyde de carbone (CO) du mélange air-carburant, pour calculer la deuxième valeur (R5gaz) 10 représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant. 6. Procédé selon l'une des revendication 3 à 5, dans lequel on modélise la différence entre la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant et la deuxième valeur (R5gaz) représentative de la richesse réelle du mélange air-carburant par une 15 valeur f(Ruego,TRAP,EAL) représentative d'une correction de balayage de la richesse du mélange air-carburant déterminée à partir de la première valeur (Ruego) représentative de la richesse du mélange air-carburant, de la valeur (EAL) représentative du remplissage d'air des cylindres du moteur, et de la valeur (TRAP) représentative d'une 20 quantité d'air frais piégé dans les cylindres du moteur : f (RuegolTRAP , EAL) = R5 gaz - Ruego 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel la modélisation à la cinquième étape est un polynôme de degré 2 à 3 indéterminées : fmod (Ruego EAL ,TRAP) = al + a2 * EAL + a3 * EAL2 +a4* TRAP + a5* EAL * TRAP * TRAP2 a7 * Ruego + a8 * Ruego * EAL + a9 * Ruego * TRAP + am* Ruego 2 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel on valide expérimentalement la valeur fmod(Ruego,TRAP,EAL) modélisée si, statistiquement, cette valeur est correcte à +-1% dans 95% des cas. 25