Brevet FR3064030A1 — publié le 20180921

- 1 - PROCEDE DE REGLAGE DE LA RICHESSE DANS UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A ALLUMAGE COMMANDE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de réglage de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne du type à allumage commandé (fonctionnant notamment à l'essence). Elle trouve une application avantageuse dans le domaine automobile. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans les moteurs à combustion interne du type à allumage commandé (fonctionnant à l'essence), plus particulièrement ceux des véhicules automobiles, il est connu de déterminer la richesse du mélange air-carburant en fonction d'un ensemble de paramètres de fonctionnement du moteur comprenant au moins le régime du moteur et le couple requis pour l'entraînement du véhicule. La charge, ou quantité d'air admise dans le moteur, est réglée notamment par le degré d'ouverture d'un boîtier- papillon du moteur, et la richesse est réglée en fonction de ladite charge en ajustant le temps d'injection du carburant dans le moteur. Il est connu en soi de régler la valeur de richesse d'un tel moteur autour de la valeur stoechiométrique, c'est-à-dire autour de la richesse 1, sur la plupart des points de fonctionnement du moteur, de manière à permettre la dépollution des gaz de combustion du moteur par un catalyseur du type à trois voies monté à l'échappement du moteur. Par exemple en réglant la richesse en boucle fermée grâce à l'utilisation des indications d'au moins une sonde à oxygène montée à l'entrée du catalyseur, on fait fonctionner ledit catalyseur dans sa fenêtre catalytique, dans laquelle il réduit les oxydes d'azote (N0x) produits dans les gaz de combustion du moteur, et il oxyde les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO). Toutefois, il est aussi connu qu'au voisinage de la pleine charge, les pièces qui composent le circuit d'échappement du moteur peuvent atteindre des températures très élevées qui peuvent amoindrir leur résistance mécanique et mettre en péril la fiabilité du véhicule. Pour limiter la température à l'échappement, on enrichit généralement le mélange air-carburant, par exemple à des valeurs de richesse qui peuvent être supérieures à 1,20 , lorsque l'on détecte qu'une valeur de couple (ou une 3064030 - 2 - charge) supérieure à un seuil prédéterminé est requise pour l'entraînement du véhicule. La valeur de richesse à régler pour obtenir une température maximale à l'échappement donnée, par exemple une valeur de température de collecteur 5 d'échappement donnée ou une valeur de température d'une turbine de turbocompresseur donnée (dans le cas d'un moteur suralimenté), peut être déterminée par des essais préalables réalisés au banc moteur en mode stabilisé, c'est-à-dire en maintenant constants le régime et le couple. On règle en fait la valeur de la richesse de sorte que la température des gaz d'échappement elle-même soit 10 égale à une valeur prédéterminée donnée, cette valeur devenant celle des composants du circuit d'échappement du moteur après un certain laps de temps qui est lié à l'inertie de la matière. On connaît de l'état de la technique plusieurs procédés de réglage de la richesse d'un moteur de véhicule automobile dans lesquels la richesse est augmentée 15 à une valeur supérieure à 1 lorsque la charge du moteur atteint une valeur proche de la pleine charge. Par exemple, la publication JP-S-6043144 divulgue un procédé de réglage du temps d'injection de carburant, selon les conditions de fonctionnement d'un moteur, qui vise à éviter la surchauffe du circuit d'échappement. Lorsqu'une charge supérieure 20 à un seuil est détectée, un capteur de température mesure la température des gaz d'échappement, et la richesse est augmentée après un temps de retard prédéterminé qui est une fonction décroissante de ladite température des gaz. Le retard vise à éviter une surconsommation inutile de carburant. En effet, il n'est pas nécessaire d'augmenter immédiatement la richesse dès qu'une charge 25 élevée est détectée, car les pièces qui composent le circuit d'échappement ont une certaine capacité calorifique et ne sont donc pas instantanément portées à des températures-limites pour leur fiabilité par la chaleur provenant des gaz d'échappement lorsque le moteur fonctionne à charge élevée. On peut ainsi mettre cette propriété à profit pour retarder l'augmentation de la richesse sans mettre en péril 30 la fiabilité du moteur, ce qui permet en principe d'économiser du carburant. Toutefois, ce procédé est imprécis car la température mesurée par le capteur après la détection d'une charge élevée ne représente pas correctement la température des pièces du circuit d'échappement du moteur au même instant. Plus précisément, la température des pièces dépend de la quantité de chaleur qui a été fournie auxdites 35 pièces avant que la charge élevée soit détectée, et elle est d'autant plus élevée qu'une 3064030 - 3 - quantité élevée d'énergie calorifique a été fournie auxdites pièces. Ainsi, si le temps de retard est diminué lorsque la température des gaz mesurée est plus élevée, on peut rencontrer une situation dans laquelle la richesse est augmentée presque immédiatement, bien que la température des pièces du circuit 5 d'échappement n'ait pas encore augmenté jusqu'à la valeur de la température mesurée des gaz, et qu'il ne soit donc pas nécessaire de modifier la richesse à ce moment-là. On dégrade donc inutilement la consommation de carburant. On connaît aussi de la publication US-A-5239965 un procédé de réglage de la richesse dans lequel on retarde l'application d'une valeur augmentée de la richesse 10 pendant un temps de retard qui est une fonction des conditions thermiques des pièces du circuit d'échappement, lesdites conditions étant mesurées par des moyens de mesure dédiés. Plus précisément, on détecte si la charge du moteur est supérieure à une charge élevée de référence (désignée par l'acronyme PMOTP1), qui sert à déterminer 15 si les pièces du circuit d'échappement se trouvent dans des conditions thermiques de charge élevée. Si le test est positif, cela indique que la température des pièces augmente en raison de la chaleur provenant des gaz d'échappement, et que les pièces peuvent être amenées à surchauffer en l'absence d'une augmentation de la richesse. 20 Dans ces conditions de charge élevée, on incrémente régulièrement la valeur d'un compteur de retard (désigné par l'acronyme COTPCY), qui représente les proportions dans lesquelles la température des pièces du circuit d'échappement a été élevée, du fait de la chaleur des gaz, avant à la détection de la charge élevée, et on compare la valeur dudit compteur avec un seuil de retard de référence (désigné par 25 l'acronyme QAOTP), qui est pré-calibré en fonction du débit d'air dans le moteur. Le seuil de retard est une fonction décroissante du débit. Tant que la valeur du compteur est inférieure au seuil, on considère que les pièces du circuit d'échappement ne surchaufferont pas à très brève échéance, et on ne met en oeuvre aucune mesure d'enrichissement. En revanche, lorsque la valeur du 30 compteur est supérieure au seuil, on fige la valeur du compteur sur la valeur qu'il prend au moment précis où le seuil est dépassé, et on augmente immédiatement la richesse. Un tel procédé nécessite un travail important de pré-calibration des seuils de retard. En outre, seul le débit d'air dans le moteur est pris en compte pour les fixer. 35 Les imprécisions sur les seuils retenus se traduisent soit par un risque de 3064030 - 4 - dépassement de la température admissible (cas d'un seuil trop élevé, qui entraîne un enrichissement trop tardif), soit par une consommation de carburant trop élevée (cas d'un seuil trop faible, qui entraîne un enrichissement trop précoce). On connaît encore de la publication US-A-4400944 un procédé de réglage de 5 la richesse qui vise à éviter les défaillances thermiques du turbocompresseur d'un moteur, plus particulièrement à haut régime et charge élevée où le moteur est réglé avec une avance à l'allumage très retardée, ce qui favorise des températures élevées du turbocompresseur. Selon ce document, lorsque la température des gaz d'échappement traversant 10 le turbocompresseur est inférieure à une valeur cible (désignée par Ti) prédéterminée, et que ladite température augmente dans le temps, la richesse est réglée en boucle ouverte, en ajoutant une correction de temps d'injection de carburant au temps d'injection correspondant à un mélange stoechiométrique, la correction étant une fonction de l'écart entre la température et la cible de température. 15 D'autre part, lorsque la température est inférieure à la cible, que le mélange est riche, et que la température diminue dans le temps, la richesse est réglée en retranchant une correction de temps d'injection de carburant au temps d'injection correspondant au mélange stoechiométrique. Un tel procédé, dans lequel la richesse est variable, permet un pilotage de la 20 température des gaz d'échappement sur une valeur cible, et ne nécessite pas de travail de choix d'un temps de retard pour augmenter la richesse à une valeur supérieure à 1. Mais il comprend des phases dans lesquelles la cible est dépassée, ce qui peut entraîner des pertes de fiabilité des pièces composant le circuit d'échappement, une surconsommation de carburant et une augmentation des 25 émissions polluantes du moteur. RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de remédier aux défauts des procédés connus de réglage 30 de la richesse. Elle vise plus particulièrement à proposer un procédé de réglage de richesse apte à protéger le circuit d'échappement du moteur contre des températures excessives qui soit simple à mettre en oeuvre, et qui limite la surconsommation de carburant du moteur sans dégrader notablement les émissions polluantes. 35 Elle propose pour cela un procédé de réglage de la richesse d'un moteur à 3064030 - 5 - combustion interne à allumage commandé, la valeur de la richesse étant réglée autour de la valeur stoechiométrique lorsque le moteur ne fonctionne pas au voisinage de la pleine charge, et autour d'une valeur plus élevée que la valeur stoechiométrique lorsque le couple du moteur est supérieur à un seuil de couple inférieur ou égal au 5 couple maximal du moteur. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte, quand ledit couple est supérieur audit seuil de couple : - Une étape au cours de laquelle ladite valeur de richesse est réglée à une première valeur de richesse supérieure à la valeur stoechiométrique, lorsqu'une valeur de 10 température des gaz d'échappement du moteur est inférieure à un premier seuil de température ; - Une étape au cours de laquelle ladite valeur de richesse est immédiatement réglée à une seconde valeur de richesse supérieure à la première valeur de richesse, lorsque ladite valeur de température est supérieure à un second seuil de 15 température, ledit second seuil de température étant supérieur audit premier seuil ; et, - Une étape au cours de laquelle on augmente progressivement ladite valeur de richesse depuis la première valeur de richesse jusqu'au maximum la seconde valeur de richesse, lorsque ladite valeur de température est comprise entre ledit 20 premier seuil et ledit second seuil. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture 25 d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : 101 la figure 1 représente un exemple de moteur à combustion interne à allumage commandé apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et, 30 la figure 2 est un organigramme des étapes du procédé de réglage de la richesse selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES 35 Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne du type à 3064030 - 6 - allumage commandé (fonctionnant notamment à l'essence), plus précisément une coupe d'un cylindre 1 du bloc moteur. Un circuit d'admission 2 et un circuit d'échappement 3 communiquent respectivement avec un conduit d'admission 4 et un conduit d'échappement 5 du cylindre 1. 5 Le circuit d'admission 2 comporte de manière non limitative, d'amont en aval dans le sens de circulation de l'air, le compresseur 6 d'un turbocompresseur 7 de suralimentation du moteur, une vanne de réglage du débit d'air 8, ou boîtier-papillon 8, et un collecteur d'admission 9, ou répartiteur 9. Ici, le moteur se présente de manière non limitative sous la forme d'un moteur 10 à injection indirecte : un injecteur de carburant 10 débouche dans le conduit d'admission 4 de manière à injecter de l'essence dans ledit conduit 4. En variante non représentée, le moteur peut être du type à injection directe. Le cylindre 1 est coiffé par une culasse 11 du moteur. La culasse 11 loge une soupape d'admission 12 qui sert à ouvrir et à fermer le conduit d'admission 4 et une 15 soupape d'échappement 13 qui sert à ouvrir et à fermer le conduit d'échappement 5. Le cylindre 1 renferme un piston 14 apte à se déplacer à l'intérieur d'un alésage 15 du cylindre 1 alternativement entre une position de point mort bas (PMB) et de point mort haut (PMH), et une chambre de combustion 16 est formée dans l'espace défini entre le piston 14 et la culasse 11. Une bougie d'allumage 17 est montée sur la culasse 11, 20 dont les électrodes débouchent dans la chambre de combustion 16. Le circuit d'échappement 3 comporte de manière non limitative, d'amont en aval dans le sens de circulation des gaz de combustion, un collecteur d'échappement 18, la turbine 19 du turbocompresseur 7, qui est montée sur un arbre 20 commun au compresseur 6 et à la turbine, ainsi qu'un dispositif de dépollution 21 des gaz de 25 combustion du moteur, par exemple un catalyseur trois voies 21. Un capteur de température 22 est monté dans le circuit d'échappement 3 à l'entrée de la turbine 19. Il est apte à mesurer la valeur de la température des gaz d'échappement en amont de la turbine. Un capteur de richesse 23, ou sonde à oxygène 23, est monté dans le circuit 30 d'échappement 3 du moteur, en amont du catalyseur trois voies 21. Il est apte à mesure la valeur de la concentration en oxygène dans les gaz de combustion du moteur. De manière connue en soi, un calculateur du moteur (non représenté), comprend des moyens aptes à déterminer au moins une valeur de charge (ou débit 35 d'air) Qair, une valeur de débit de carburant injecté Qcarb et de phasage du débit de 3064030 - 7 - carburant par rapport au point mort haut, ainsi qu'une valeur d'avance à l'allumage AA en fonction d'un ensemble de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, comprenant au moins le couple C et le régime N du moteur. De manière classique, le calculateur règle la charge Qair en ajustant le degré 5 d'ouverture du boîtier-papillon 8 et/ou la puissance de la turbine via le degré d'ouverture d'une vanne de décharge à l'échappement de la turbine, dite aussi vanne waste-gate (non représentée). Il règle le débit de carburant Qcarb et le phasage de son injection en réglant le temps d'injection Ti de l'injecteur 10, plus précisément l'instant de début d'ouverture et l'instante de fin d'ouverture, par rapport au point mort 10 haut. Il règle l'avance à l'allumage AA en faisant jaillir une étincelle aux bornes des électrodes de la bougie 17 à un angle donné du cycle du moteur par rapport au point mort haut du cylindre 1. En référence à la figure 2, un procédé de réglage de la richesse selon l'invention peut comprendre les étapes suivantes, mises en oeuvre par le calculateur 15 du moteur et réalisées de manière itérative à chaque instant tr,.1 séparé du précédent instant tr, par un pas de temps dt constant : Le procédé débute par une étape 100 au cours de laquelle le calculateur du moteur détermine une valeur de régime N du moteur et de consigne de couple C requis pour l'entraînement du véhicule. La valeur de régime peut provenir d'un capteur 20 (non représenté sur la figure 1) monté en bout de vilebrequin du moteur, et la valeur de couple peut être déduite de la valeur de l'enfoncement de la pédale d'accélération du véhicule par le conducteur. A la première étape de test 200, on vérifie si le couple du moteur est proche de la pleine charge ou non. En d'autres termes, on vérifie si le couple C est compris entre 25 un seuil de couple Cs qui est inférieur ou égal au couple maximal Cmax que peut développer le moteur, et le couple maximal Cmax. Le seuil de couple Cs et le couple maximal Cmax dépendent du régime N. Ils délimitent une plage de points de fonctionnement dans laquelle, si la richesse r du mélange air-carburant était égale à 1, la température eech des gaz de combustion du moteur en amont de la turbine 30 (mesurée par le capteur 22) serait supérieure à un seuil qui correspond à une limite de fiabilité (typiquement une température de l'ordre de 950°C à 980°C). Si le test est négatif, c'est-à-dire si le couple n'est pas proche de la pleine charge (en d'autres termes si il est inférieur au seuil de couple Cs), alors le procédé oriente vers l'étape 300 dans laquelle la richesse r du mélange air - carburant est 35 réglée autour de la richesse stoechiométrique (richesse 1), puis il reprend à l'étape 100. 3064030 - 8 - Dans le cas contraire, le procédé oriente vers une étape 400 dans laquelle la richesse r est réglée à une première valeur de richesse ri correspondant à un mélange légèrement riche, par exemple une richesse comprise entre 1,00 et 1,05. De préférence, la première valeur de richesse est sensiblement égale à 1,01 , 5 de manière à permettre un pré-refroidissement immédiat des gaz d'échappement du moteur sans dégrader significativement les émissions d'oxydes d'azote du véhicule, et la richesse est réglée immédiatement à cette première valeur de richesse égale à 1,01. En variante non représentée, la première valeur de richesse peut être sensiblement égale à 1,05 , le réglage de la richesse à cette première valeur de richesse étant 10 réalisé progressivement, par exemple de manière linéaire en fonction du temps depuis la valeur stoechiométrique jusqu'à ladite première valeur de richesse sensiblement égale à 1,05. Le procédé se poursuit par une étape 500 dans laquelle on mesure la température des gaz d'échappement eech , par exemple grâce au capteur de 15 température 22. En variante non représentée, on peut intervertir l'ordre des étapes 400 et 500. A l'étape de test 600, ladite température eech est comparée à un premier seuil de température ei , par exemple une température de l'ordre de 900°C. Si ladite température est inférieure audit premier seuil, le procédé reprend à l'étape 100. En 20 d'autres termes, la richesse reste réglée sur la valeur stoechiométrique. Dans le cas contraire, i.e. si la température est supérieure au premier seuil, le procédé se poursuit par une nouvelle étape de test 700, dans laquelle la température eech est comparée à un second seuil de température 02 , par exemple de l'ordre de 950° à 980°C, et correspondant à la limite de résistance thermomécanique du circuit d'échappement. 25 Le procédé se propose de ne pas dépasser ce second seuil de température e2. Si la température des gaz d'échappement eech est supérieure au second seuil 02 , le procédé oriente vers une étape 800 dans laquelle la richesse est immédiatement réglée à une seconde valeur de richesse r2. Cette seconde valeur de richesse r2 est supérieure à la première valeur de richesse ri . Elle est déterminée de 30 manière à obtenir une température maximale donnée des pièces composant le circuit d'échappement, par exemple une valeur de température de collecteur d'échappement donnée ou une valeur de température d'une turbine de turbocompresseur donnée (dans le cas d'un moteur suralimenté). La seconde valeur de richesse r2 peut être déterminée par des essais préalables réalisés au banc moteur en mode stabilisé, 35 c'est-à-dire en maintenant constants le régime et le couple. On règle en fait la valeur 3064030 - 9 - de la richesse de sorte que la température des gaz d'échappement elle-même soit égale à une valeur prédéterminée donnée, cette valeur devenant celle des composants du circuit d'échappement du moteur après un certain laps de temps qui est lié à l'inertie de la matière. 5 Pour chaque valeur de régime N donné, il existe une plage de couple C, proche de la pleine charge, sur laquelle la richesse doit effectivement augmentée pour que la température des gaz d'échappement soit limitée. Il faut donc déterminer la une seconde valeur de richesse r2 en fonction du régime et du couple. Dans le cas contraire, i.e. si la température des gaz d'échappement EL!, est 10 inférieure au second seuil 02 , le procédé se poursuit par une étape 900 dans laquelle la richesse est augmentée progressivement, c'est-à-dire par itérations successives à chaque pas de temps dt à chaque fois que la température des gaz d'échappement est comprise entre le premier et le second seuil ei , 02 , depuis la première valeur de richesse ri jusqu'au maximum la seconde valeur de richesse r2 . 15 De préférence, la richesse est augmentée de manière linéaire en fonction du temps, tout en étant limitée par une valeur maximale égale à la seconde valeur de richesse r2 , c'est-à-dire suivant une équation du type (Equ.1) rr,.1 = max ( r2 ; rr, + k*(r2 - ri )*dt ) , 20 équation dans laquelle : - rr,.1 désigne la valeur de richesse calculée à l'instant tr,.idu procédé ; - rr, désigne la valeur de richesse calculée à l'instant tr, du procédé ; et, - k désigne un coefficient constant positif, qui est représentatif de la 25 vitesse d'augmentation de la richesse. A l'issue de l'étape 800 ou de l'étape 900, le procédé reprend ensuite à l'étape 100. On comprend de ce qui précède, et plus particulièrement de la succession des étapes 600 à 900, que lorsque le moteur entre dans des conditions voisines de la 30 pleine charge, la température des gaz d'échappement commence à augmenter de manière continue vers des valeurs qui s'approchent de plus en plus du second seuil de température 02 . Dès que la température atteint le premier seuil de température ei , qui peut être considéré comme un seuil d'alerte, on commence à augmenter la richesse. On n'applique aucun temps de retard, mais les richesses mises en oeuvre 35 sont toutes inférieures à la seconde valeur de richesse r2 qui correspond à la limite 3064030 - 10 - thermomécanique du circuit d'échappement. On a donc une augmentation ralentie de la température des gaz d'échappement, qui laisse généralement le temps à la température des pièces composant le circuit d'échappement de rattraper la température des gaz, dans la mesure où la vitesse d'augmentation de la richesse 5 (représentée par le coefficient constant positif k) est assez faible. Cette valeur peut être déterminée par des essais préalables pour tenir compte de l'inertie de montée en température des pièces du circuit d'échappement ou empiriquement en fonction des valeurs des capacités calorifiques de leurs matériaux. Dans le cas où, sur certains cycles de roulage particulièrement sévères, la 10 température des gaz d'échappement atteint néanmoins le second seuil de température 02 avant que la richesse ait atteint la seconde valeur de richesse r2, le procédé prévoit de manière conservatoire d'augmenter immédiatement la richesse r jusqu'à cette seconde valeur de richesse r2, ce qui empêche instantanément la température des gaz d'échappement d'augmenter encore davantage et ne permet pas à la température des 15 pièces composant le circuit d'échappement de dépasser le second seuil de température 02 , ce qui permet de garantir leur fiabilité. 20 REVENDICATIONS1. Procédé de réglage de la richesse (r) d'un moteur à combustion interne à allumage commandé, la valeur de la richesse étant réglée autour de la valeur stoechiométrique lorsque le moteur ne fonctionne pas au voisinage de la pleine charge, et autour d'une valeur plus élevée que la valeur stoechiométrique lorsque le couple du moteur (C) est supérieur à un seuil de couple (Cs) inférieur ou égal au couple maximal (Cmax) du moteur, CARACTERISE EN CE QU'il comporte, quand ledit couple (C) est supérieur audit seuil de couple (Cs) : Une étape (400) au cours de laquelle ladite valeur de richesse (r) est réglée à une première valeur (ri) de richesse supérieure à la valeur stoechiométrique, lorsqu'une valeur de température (8.ch) des gaz d'échappement du moteur est inférieure à un premier seuil de température (el), Une étape (800) au cours de laquelle ladite valeur de richesse (r) est immédiatement réglée à une seconde valeur (r2) de richesse supérieure à la première valeur de richesse (ri), lorsque ladite valeur de température (8,e) est supérieure à un second seuil de température (82), ledit second seuil (82) étant supérieur audit premier seuil (81) ; et, Une étape (900) au cours de laquelle on augmente progressivement ladite valeur de richesse depuis la première valeur de richesse (ri) jusqu'au maximum la seconde valeur de richesse (r2), lorsque ladite valeur de température (8ech) est comprise entre ledit premier seuil (el) et ledit second seuil (82). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première valeur de richesse (r1) est comprise entre 1,00 et 1,05. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première valeur de richesse (ri) est sensiblement égale à 1,01 . 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la seconde valeur de richesse (r2) est réglée en fonction du régime (N) et du couple (C) du moteur de sorte que la température (8e) des gaz d'échappement du moteur soit égale au second seuil de température (82) lorsque le moteur fonctionne sur un point de fonctionnement stabilisé audit 3064030 - 12 - régime (N) et audit couple (C). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second seuil de température (02) est compris entre 950°C et 980°C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 5 l'augmentation progressive de la richesse (r) depuis la première valeur de richesse (ri) jusqu'au maximum la seconde valeur de richesse (r2) est une augmentation linéaire en fonction du temps. 10 15