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WO1998019062A1 - Systeme de regulation de la richesse d'un moteur thermique a injection avec consigne de richesse adaptative - Google Patents

Systeme de regulation de la richesse d'un moteur thermique a injection avec consigne de richesse adaptative Download PDF

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WO1998019062A1
WO1998019062A1 PCT/FR1997/001931 FR9701931W WO9819062A1 WO 1998019062 A1 WO1998019062 A1 WO 1998019062A1 FR 9701931 W FR9701931 W FR 9701931W WO 9819062 A1 WO9819062 A1 WO 9819062A1
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WO
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varia
insta
val
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Application number
PCT/FR1997/001931
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English (en)
Inventor
Stéphan BEURTHEY
Xavier Moine
Jean-Claude Mollet
Original Assignee
Renault
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Publication date
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Priority to EP97912271A priority patent/EP0948711B1/fr
Priority to DE69717491T priority patent/DE69717491T2/de
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    • F02D2250/28—Control for reducing torsional vibrations, e.g. at acceleration

Definitions

  • Heat engines of the electronic controlled injection type operate with air-fuel ratios, called wealth, varying from 0.4 for so-called poor mixtures to 1.3 for so-called rich mixtures, the value 1 corresponding to the stoichiometric mixture for which the the quantity of oxygen contained in the air-fuel mixture is exactly equal to that necessary for the complete oxidation of the fuel.
  • the aim of richness regulation is to enslave the richness of the injected mixture to a variable setpoint richness in the presence of possible disturbances and transient phases due, for example, to a pressure change collector, a change in operating mode from the poor regime to the rich regime and vice versa ....

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Abstract

L'invention concerne un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur thermique à injection commandée, constitué par une boucle de régulation rapide comprenant un prédicteur de Smith et par une boucle de régulation lente adaptant la richesse de consigne aux instabilités de couple moteur estimées à chaque point mort haut en fonction des valeurs respectives du couple aux points morts hauts précédents calculées par un couplemètre logiciel. Il élabore un estimateur d'instabilités invariant aux phases transitoires et aux cylindres, et comprend un système expert pour la détermination de la richesse de consigne de type heuristique.

Description

SYSTEME DE REGULATION DE LA RICHESSE
D'UN MOTEUR THERMIQUE A INJECTION AVEC CONSIGNE DE RICHESSE ADAPTATIVE
L'invention concerne un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant qui est injecté dans les cylindres d'un moteur thermique à injection commandée, afin que le moteur fonctionne à la limite de la richesse la plus faible acceptable par le moteur.
Les moteurs thermiques du type à injection électronique contrôlée fonctionnent avec des rapports air-carburant, appelés richesses, variant de 0,4 pour les mélanges dits pauvres à 1,3 pour les mélanges dits riches, la valeur 1 correspondant au mélange stoechiometrique pour lequel la quantité d'oxygène contenue dans le mélange air-carburant est exactement égale à celle nécessaire à l'oxydation complète du carburant. Dans de tels moteurs, la régulation de richesse a pour but d'assurer l'asservissement de la richesse du mélange injecté à une richesse de consigne variable en présence d'éventuelles perturbations et de phases transitoires dues, par exemple, à un changement de pression collecteur, un changement de mode de fonctionnement du régime pauvre vers le régime riche et inversement... . Pour une combustion correcte du mélange air-carburant, la richesse du mélange ne doit pas être inférieure à un seuil critique dépendant des conditions de fonctionnement. De plus, afin d'assurer une combustion complète pendant toute la durée de vie du moteur, la richesse de consigne choisie doit être supérieure à la limite mesurée pour s'affranchir des éventuelles dispersions entre les moteurs d'une même famille d'une part et du vieillissement des moteurs d'autre part.
En outre, cette régulation de richesse doit prendre en compte d'autres contraintes relatives au confort et à l'agrément de conduite et à des normes concernant les émissions de gaz polluants issus de la combustion du mélange air-carburant.
La régulation de richesse peut être réalisée par un dispositif de commande en boucle fermée du type "prédicteur de Smith", faisant appel à la notion de suivi de consigne et dont la fonction est par exemple décrite au chapitre 5 du livre intitulé "CONTROL OF TIME DELAY SYSTEMS" de J.E. MARSHALL et édité en 1979 par PETER PEREGRINOS LTD et THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS .
L'effet essentiel d'un tel dispositif "prédicteur de Smith" est de tenir compte du temps de transfert introduit par le moteur en calculant une richesse prédite retardée, qui est comparée à la richesse mesurée à la sortie du moteur pour obtenir une erreur de prédiction sur la valeur de la richesse, erreur de prédiction qui est introduite dans la boucle de réaction du système de régulation à l'entrée du régulateur du système. Un tel dispositif de régulation, qui permet d'obtenir un meilleur comportement du contrôleur dans les phases transitoires, est décrit dans la demande de brevet N° 96 06810 déposée au nom de la Demanderesse.
Le but de la présente invention est de développer une commande adaptative directe de la richesse de consigne du mélange air-carburant injecté dans un moteur à combustion interne, à partir d'une boucle de régulation principale, utilisant un prédicteur de Smith par exemple. Cette adaptation est faite en fonction des instabilités du couple moteur pour rester à la valeur limite de la richesse la plus faible qui soit tolérable par le moteur sans dégrader le confort de conduite, et quel que soit l'état du moteur ou le type de moteur, grâce à une estimation des instabilités de combustion qui entraînent des instabilités de couple. Cette régulation permet de réaliser un bon compromis entre la rapidité, la précision et la robustesse dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur.
Pour cela, l'objet de l'invention est un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur thermique à injection commandée comportant un nombre N de cylindres, constitué d'une part par une boucle de régulation rapide comprenant :
- une sonde de mesure de concentration en oxygène des gaz d'échappement à partir de laquelle on calcule la richesse RI du mélange air-carburant, - un dispositif de régulation de la richesse RI du mélange air-carburant injecté dans le moteur à partir d'une consigne de richesse RIC, constitué d'un prédicteur de Smith par exemple, caractérisé en ce qu'il est constitué d'autre part par une boucle de régulation lente réalisant des moyens de calcul de la richesse de consigne RIC adaptée aux instabilités de combustion dans les N cylindres du moteur et comprenant :
- un dispositif de mesure du couple moteur C^, à chaque point mort haut d'ordre k, k étant un entier positif; un dispositif d'estimation des instabilités du couple moteur délivrant, à chaque point mort haut , un estimateur VAL, dont l'expression VAL^-^, au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1 à k-2P(4,N) est :
1=1/2. P(4,N)
VALk-l ∑ =ι (-ι^+ι. {c^j - c[k_j_N] +
C[k-2P(4,N)+j-l+N] " C[k-2P(4,N)+j-l] >
avec P(4,N) étant le plus petit commun multiple de 4 et de N, et j étant un entier positif;
- un filtre du premier ordre de l'estimateur VAL, délivrant un signal INSTA ;
- un système expert calculant une correction VARIA, de type heuristique, de la richesse ; - un dispositif de détermination de la richesse souhaitée RIS, en fonction de paramètres moteur ;
- un circuit additionneur, destiné à ajouter à la richesse souhaitée RIS la correction VARIA pour délivrer la richesse de consigne RIC.
Selon une autre caractéristique du système de régulation de la richesse du mélange air-carburant selon l'invention, constitué d'une part par une boucle de régulation rapide comprenant : - une sonde 2 de mesure de concentration en oxygène des gaz d'échappement à partir de laquelle on calcule la richesse RI du mélange air-carburant,
- un dispositif 5 de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur, à partir d'une richesse de consigne RIC, il est constitué d'autre part par une boucle de régulation lente réalisant des moyens de calcul de la richesse de consigne RIC adaptée aux instabilités de combustion des N cylindres du moteur et comprenant : - un dispositif 8 de mesure du couple moteur C^, à chaque point mort haut d'ordre k, k étant un entier positif; un dispositif 9 d'estimation des instabilités du couple moteur délivrant, à chaque point mort haut, un estimateur VAL, dont l'expression VAL^_1, au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1 à k-4P(4,N) est la suivante, en valeur absolue : ^
j=P(4,N)
VALk-1 Σ (-1)^ +1. {Ck-j C [k-j-N; j=l C[k-4P(4,N)+j-l+N] C[k-4P(4,N)+j-l] >
avec P(4,N) étant le plus petit commun multiple de 4 et de N, et j étant un entier positif;
- un filtre 10 du premier ordre de l'estimateur VAL, délivrant un signal INSTA ;
- un système expert 11 calculant une correction VARIA, de type heuristique, de la richesse ;
- un dispositif 13 de détermination de la richesse souhaitée RIS, en fonction de paramètres moteur ; - un circuit additionneur 12, destiné à ajouter à la richesse souhaitée RIS la correction VARIA, pour délivrer la richesse de consigne RIC.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation du système, illustrée par les figures suivantes qui sont :
- la' figure 1 : le schéma fonctionnel d'un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans un moteur thermique, selon l'invention ; - la figure 2 : un diagramme de variation des instabilités du couple moteur dans le temps ;
- les figures 3a, 3b et 4a, 4b: des diagrammes respectifs de variation temporelle de la correction à„ apporter à la richesse en fonction des instabilités du couple.
Selon l'invention, le système de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans un moteur thermique 1 comprend^ comme le montre la figure 1, une première boucle dite rapide qui permet de déterminer une valeur de richesse à suivre RS à partir de la valeur de richesse de consigne RIC grâce à un dispositif 2 de modélisation de la fonction de transfert du moteur 1. La richesse de consigne RIC est déterminée par une seconde boucle dite lente, caractéristique essentielle de l'invention, qui sera décrite ultérieurement. Une sonde proportionnelle 3, de type UEGO, qui est disposée sur le conduit d'échappement des gaz, mesure la concentration d'oxygène des gaz d'échappement à partir de laquelle on déduit la richesse réelle RI du mélange air-essence enflammé dans les cylindres. Un comparateur 4 compare la richesse RI ainsi mesurée à la valeur de la richesse à suivre RS et fournie une valeur d'erreur e égale à la différence entre la richesse à suivre et la richesse mesurée : e = RS - RI .
La boucle rapide comprend ensuite un régulateur 5 de type Proportionnel Dérivé Intégral PID par exemple ou qui réalise une fonction dite "prédicteur de • Smith", à la borne d'entrée duquel est appliquée la valeur e et qui fournit en sortie la correction U^ à apporter à la' richesse de consigne RIC, par l'intermédiaire d'un additionneur 6. A la sortie de ce dernier, on obtient la valeur Uffl de la richesse du mélange air-carburant à injecter dans les cylindres du moteur. Un convertisseur 7 transforme la valeur Um en une durée d'injection de carburant m dans les cylindres du moteur.
Le système complet de régulation selon l'invention comprend, en plus de cette boucle rapide, de constante de temps de l'ordre de quelques millisecondes, une boucle dite lente d'adaptation de la consigne de richesse en fonction des Instabilités de combustion, dont la constante de temps est de l'ordre de la seconde (figure 1) . Cette boucle lente est constituée tout d'abord d'un dispositif 8 de mesure du couple moteur, notamment un couple-mètre logiciel TRZ , qui délivre la valeur du couple moteur Ck à chaque point mort haut (PMH) d'ordre k, k étant un entier positif. Pour un moteur à N cylindres, un dispositif 9 d'estimation des instabilités du couple va calculer les valeurs d'un estimateur d'instabilité VAL, représentatif des instabilités de combustion des N cylindres du moteur à chaque point mort haut. Selon l'invention, cet estimateur a pour expression VAL^_1, au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1 à k-2P(4,N) :
:1/2.P(4,N)
VALk-1 Σ (-l) +l.{Ck_j - C [k-j-N] + j=l C[k-2P(4,N)+j-l+N] C[k-2P(4,N)+j-l] }
avec P(4,N) étant le plus petit commun multiple de 4 et de N, et j étant un entier positif'. Dans le cas particulier d'un moteur à quatre cylindres, un cycle de combustion complet étant réalisé sur 8 points morts hauts consécutifs, donc c'est sur 8 valeurs de. couple allant de Ck_7 à Ck aux 8 points morts hauts consécutifs précédents d'ordre k-7 à k que le dispositif 9 d'estimation calcule l'estimateur d'instabilités VAL^. selon l'expression :
VALk" ck"ck-l ck-2+ck-3 ck-4+ck-5+ck-6"ck-
Cet estimateur VAL a une va-leur nulle pour une entrée constante et est particulièrement bien représentatif des instabilités de combustion car il est insensible : aux écarts de couple entre les cylindres provenant d'un écart de remplissage de ces derniers ;
- aux variations linéaires et paraboliques du couple ;
- aux alternances naturelles de bonnes et mauvaises combustions pour un même cylindre, quand le nombre N de cylindres est impair.
Pour obtenir cette même caractéristique avec un nombre pair de cylindres, l'estimateur d'instabilités peut avoir pour expression préférentielle, au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1, k-4P(4,N) :
j=P(4,N)
VAL 'k-1 Σ (-1) J+l.{C k_- j [k-j-N] j=l
[k-4P(4,N)+j-l+N] - C [k-4P(4 ,N) +j-l]
Cet estimateur d'instabilité est représentatif même pendant les phases transitoires de régime moteur et de pression ' dans le collecteur d'admission, les accélérations et les décélérations. Le signal de sortie VAL du dispositif 9 d'estimation des instabilités est filtré dans un filtre 10 du premier ordre, réalisant un filtrage de constante de temps d'une seconde environ, pour délivrer un signal INSTA garantissant une bonne stabilité du système.
Un système expert 11 détermine ensuite, à chaque point mort haut, à partir du signal d'instabilités filtré INSTA, la valeur VARIA de la correction à ajouter, par l'intermédiaire d'un circuit additionneur 12, à la richesse souhaitée RIS pour obtenir la richesse de consigne RIC utilisée dans la boucle de régulation rapide précédemment décrite. Au démarrage, la valeur VARIA est nulle. La richesse souhaitée RIS est déterminée par un dispositif 13 en fonction de paramètres moteur tels que la pression Pco]_τ_ dans le collecteur d'admission d'air, le régime moteur N, ou les températures d'eau Θeau et d'air Θa^r par exemple, et calibrée pour obtenir un niveau constant d'instabilités de couple moteur, proche d'un objectif fixé. Le fonctionnement du système expert, qui effectue une correction de type heuristique, est le suivant : si le niveau des instabilités du couple moteur est très élevé, de sorte que le signal INSTA est supérieur à un premier seuil INSTA-, donné, le système expert délivre un signal de correction égal à la valeur VARIA augmentée d'une valeur VARIA-, correspondant à une augmentation de la richesse de consigne RIC de 0.03 par exemple ; - si le niveau des instabilités du couple moteur est très faible, de sorte que le signal INSTA est inférieur à un second seuil INSTA2 donné, de valeur inférieure au premier seuil INSTA-^ le système expert délivre un signal de correction égal à la valeur VARIA diminuée d'une valeur VARIA2 correspondant à une diminution de la richesse de consigne RIC de 0.01 par exemple ; si le niveau des instabilités du couple moteur est moyen, de sorte que le signal INSTA est inférieur au premier seuil INSTA-^ mais supérieur à un troisième seuil INSTA., donné, de valeur comprise entre les deux seuils précédents INSTA-^ et INSTA2 , le système expert délivre un signal de correction égal à la valeur VARIA augmentée d'une valeur VARIA-, correspondant à une augmentation de 0.02 de la richesse de consigne
RIC par exemple.
De plus, cette correction additive est saturée à
[-0.1, +0.1] pour ne pas dégrader l'agrément de conduite.
Les trois seuils INSTA1, INSTA2 et INSTA3 sont choisis pour que la correction VARIA soit stable et assure un confort de conduite même à faible richesse. La figure 2 qui est un diagramme de variation des instabilités du couple moteur dans le temps, montre les évolutions du signal INSTA dans le temps. Entre les second et troisième seuils INSTA2 et INSTA^ , il y a une bande morte dans laquelle aucune correction n'est effectuée.
Les figures 3a et 3b sont des diagrammes respectifs de variation temporelle de la correction VARIA, ajoutée à la richesse souhaitée pour augmenter la richesse de consigne, en fonction de la valeur du signal INSTA par rapport aux seuils, dans le cas particulier où les deux seuils INSTA1 et INSTA3 sont égaux.
Les figures 4a et 4b sont des diagrammes respectifs de variation temporelle de la correction VARIA, ajoutée à la richesse souhaitée pour diminuer la richesse de consigne, en fonction de la valeur du signal INSTA par rapport aux seuils, pour le même cas particulier.
Le circuit additionneur 12 délivre alors la richesse de consigne RIC appliquée à la boucle de régulation rapide.
Cette boucle de régulation lente, objet de l'invention, permet de déterminer la richesse de consigne utilisée dans la boucle de régulation rapide, qui est basée sur un régulateur de Smith. Ainsi, la richesse de consigne est adaptée aux instabilités de combustion du moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de régulation de la richesse du mélange air- carburant dans un moteur thermique à injection commandée comportant un nombre N de cylindres, constitué d'une part par une boucle de régulation rapide comprenant :
- une sonde (2) de mesure de concentration en oxygène des gaz d'échappement à partir de laquelle on calcule la richesse RI du mélange air-carburant,
- un dispositif (5) de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur, à partir d'une richesse de consigne (RIC) , caractérisé en ce qu'il est constitué d'autre part par une boucle de régulation lente réalisant des moyens de calcul de la richesse de consigne (RIC) adaptée aux instabilités de combustion des N cylindres du moteur et comprenant :
- un dispositif (8) de mesure du couple moteur (Ck) , à chaque point mort haut d'ordre k, k étant un entier positif; - un dispositif (9) d'estimation des instabilités du couple moteur délivrant, à chaque point mort haut, un estimateur (VAL), dont l'expression (VAL^_-L) , au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1 à k-2P(4,N) est, en valeur absolue :
j=l/2.P(4,N)
VA k-1 Σ (-1)3+1. {Cj- -: _
C[k-j-N]+C[k-2P(4,N)+j-l+N]~C[k-2P(4,N)+j-l] } avec P(4,N) étant le plus petit commun multiple de 4 et de N, et j étant un entier positif;
- un filtre (10) du premier ordre de l'estimateur (VAL) , délivrant un signal (INSTA) ; .. - un système expert (11) calculant une correction (VARIA) , de type heuristique, de la richesse ;
- un dispositif (13) de détermination de la richesse souhaitée (RIS) , en fonction de paramètres moteur ;
- un circuit additionneur (12), destiné à ajouter à la richesse souhaitée (RIS) -J.a correction (VARIA) , pour délivrer la richesse de consigne (RIC) .
2. Système de régulation de la richesse du mélange air- carburant dans un moteur thermique à injection commandée comportant N cylindres, constitué d'une part par une boucle de régulation rapide comprenant :
- une sonde (2) de mesure de concentration en oxygène des gaz d'échappement à partir de laquelle on calcule la richesse RI du mélange air-carburant, - un dispositif (5) de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur, à partir d'une richesse de consigne (RIC) , caractérisé en ce qu'il est constitué d'autre part par une boucle de régulation lente réalisant des moyens de calcul de la richesse de consigne (RIC) adaptée aux instabilités de combustion des N cylindres du moteur et comprenant :
- un dispositif (8) de mesure du couple moteur (Ci,), à chaque point mort haut d'ordre k, k étant un entier positif; un dispositif (9) d'estimation des instabilités du couple moteur délivrant, à chaque point mort haut, un estimateur (VAL), dont l'expression (VALk-1) , au point mort haut d'ordre k-1, en fonction des valeurs respectives du couple moteur aux points morts hauts consécutifs d'ordre k-1 à k-4P(4,N) est :
j=P(4,N)
VALk-l ∑ M)3+ι.{ck_j - c[k_j_N] +
C[k-4P(4,N)+j-l+N] " C[k-4P(4,N)+j-l] >
avec P(4,N) étant le plus petit commun multiple de 4 et de N, et j étant un entier positif;
- un filtre (10) du premier ordre de l'estimateur (VAL) , délivrant un signal (INSTA) ;
- un système expert (11) calculant une correction (VARIA), de type heuristique, de la richesse ; - un dispositif (13) de détermination de la richesse souhaitée (RIS) , en fonction de paramètres moteur ;
- un circuit additionneur (12), destiné à ajouter à la richesse souhaitée (RIS) la correction (VARIA) , pour délivrer la richesse de consigne (RIC) .
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système expert (11) délivre une correction (VARIA) à ajouter à la richesse souhaitée (RIS) telle que : - quand le signal (INSTA) est supérieur à un premier seuil (INSTA- , la valeur (VARIA) est augmentée d'une valeur (VARIA-^) correspondant à une augmentation de 0.03 de la richesse de consigne; quand le signal (INSTA) est inférieur à un second seuil (INSTA2) de valeur inférieure à celle du seuil (INSTAR , la valeur (VARIA) est diminuée d'une valeur (VARIA2) correspondant à une diminution de 0.01 de la richesse de consigne; quand le signal (INSTA) est compris entre le premier seuil (INSTAR et un troisième seuil (INSTAR de valeur comprise entre le premier et le second seuils, la valeur (VARIA) est augmentée d'une valeur (VARIA3) correspondant à une augmentation de 0.02 de la richesse de consigne; - quand le signal (INSTA) est compris entre les second et troisième seuils (INSTA2) et (INSTA3), aucune correction n'est effectuée sur la valeur (VARIA) .
4. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (5) de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur est constitué par un prédicteur de Smith.
5. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (8) de mesure du couple moteur (Ck) est un couple-mètre logiciel TRZ .
6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (9) d'estimation des instabilités du couple d'un moteur à quatre cylindres, délivre un estimateur (VAL) dont l'expression (VALk) , au point mort haut d'ordre k en fonction des valeurs respectives (Ck_γ) à (Ck) du couple aux points morts hauts consécutifs précédents d'ordre k-7 à k, est :
Valk = ck ck-l ck-2+ck-3 ck-4+ck-5+ck-6 ck-7
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