Dispositif de régulation de la richesse en carburant du melange air/carburant admis dans un moteur à combustion interne

Abstract

 Le dispositif comprend a) des moyens (10) d'évaluation d'une valeur (M_eval) de la masse de carburant à injecter dans le moteur en fonction du régime (n) du moteur et du débit d'air admis (D_a) dans le moteur ,b) des moyens (11) de mesure du couple (C_k) délivré par le moteur, à chaque point mort haut ,c) des moyens (12) d'estimation d'une grandeur (VAL_k) représentative de l'instabilité du couple, et d) des moyens (13) de calcul de la masse de carburant (M_inj) à injecter réellement dans le moteur par correction de ladite valeur évaluée (M_eval), en fonction de l'écart entre ladite instabilité (VAL_k) et une instabilité de consigne (INSTACONS) fonction du régime (n) et du débit d'air admis (D_a).

Description

[0001] La présente invention est relative à dispositif de régulation de la richesse en carburant d'un mélange air/carburant d'alimentation des cylindres d'un moteur à combustion interne, et, plus particulièrement, à un tel dispositif du type qui comprend a) des moyens d'évaluation d'une valeur de la masse de carburant à injecter dans le moteur en fonction du régime dudit moteur et du débit d'air admis dans le moteur, b) des moyens de mesure du couple délivré par le moteur, à chaque point mort haut des pistons desdits cylindres, et c) des moyens d'estimation d'une grandeur représentative de l'instabilité dudit couple.

[0002] On connaît un tel dispositif de la demande de brevet français n° 96 13369 (n° de publication 2 755 184) déposée par la demanderesse. Dans ce dispositif, la grandeur représentative des instabilités du couple est utilisée, après filtrage, par un système expert qui détermine, à chaque point mort haut des pistons des cylindres du moteur, une valeur de correction à ajouter à une richesse "souhaitée" pour définir la richesse de consigne suivie par le dispositif.

[0003] Un tel dispositif permet d'alimenter le moteur avec un mélange air/carburant dont la richesse en carburant peut être réglée à un niveau bas, inférieur à celui correspondant à la stoechiométrie et néanmoins compatible avec un fonctionnement correct du moteur, ce qui minimise évidemment la pollution de l'environnement due aux gaz d'échappement du moteur.

[0004] Comme on le sait, cette pollution provient actuellement, pour une part importante, des moteurs à combustion interne propulsant les véhicules automobiles. Pour réduire cette pollution, on développe actuellement des moteurs à combustion interne susceptibles de fonctionner soit en mélange air/carburant "pauvre" en carburant soit en mélange à composition stoechiométrique, ou plus riche encore.

[0005] La régulation de la richesse en carburant d'un mélange air/carburant alimentant un tel moteur a pour but d'adapter celle-ci à l'apparition d'éventuelles perturbations dues aux conditions de roulement du véhicule et à tenir compte de divers facteurs tels que les éventuelles dispersions des caractéristiques des moteurs d'une même famille, les variations de ces caractéristiques dues au vieillissement des moteurs, les contraintes en matière de confort de conduite et le respect des normes de pollution.

[0006] Le dispositif décrit dans la demande de brevet précitée répond généralement à ce que l'on en attend mais présente cependant des inconvénients. En particulier, il exige la présence d'une sonde de mesure de la richesse du mélange air/carburant, organe très coûteux qui grève lourdement le prix du dispositif. En outre la stratégie de régulation exécutée par ce dispositif ne permet pas de réguler, cylindre par cylindre, la quantité d'essence injectée dans ces cylindres par les injecteurs commandés couramment utilisés aujourd'hui à cet effet. Une telle commande cylindre par cylindre permettrait cependant d'abaisser encore la quantité du carburant utilisée par le moteur, et donc les émissions polluantes qui en découlent.

[0007] On connaît par ailleurs de la demande de brevet européen n° 490 392 un appareil de commande du couple délivré par un moteur à combustion interne conçu pour évaluer globalement les instabilités de couple de tous les cylindres du moteur, dans une zone de fonctionnement particulière de ce moteur, à partir des instabilités observées lors d'un certain nombre de combustions successives du mélange air/carburant dans ces cylindres. Cette stratégie présente l'inconvénient majeur d'être à réaction lente du fait qu'il faut attendre l'exécution d'un nombre important de combustions successives pour évaluer l'instabilité du couple et en déduire une correction de la richesse du mélange. En outre, la correction obtenue n'est pas optimale à tous les points de fonctionnement d'une même zone de fonctionnement du moteur.

[0008] La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif de régulation de la richesse en carburant d'un mélange air/carburant d'alimentation des cylindres d'un moteur à combustion interne, en fonction des instabilités du couple délivré par le moteur, qui ne présente pas les inconvénients évoqués ci-dessus des dispositifs de la technique antérieure et qui, en particulier, n'exige pas l'utilisation d'une sonde de mesure de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, soit peu sensible aux changements de points de fonctionnement du moteur, et soit susceptible d'assurer une régulation cylindre par cylindre de l'alimentation en carburant de ce moteur.

[0009] On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de réguiation de la richesse en carburant du mélange air/carburant d'alimentation des cylindres d'un moteur à combustion interne comprenant a) des moyens d'évaluation d'une valeur (M_eval) de la masse de carburant à injecter dans le moteur en fonction du régime dudit moteur et du débit d'air admis dans le moteur, b) des moyens de mesure du couple délivré par le moteur, à chaque point mort haut des pistons desdits cylindres, c) des moyens d'estimation d'au moins une grandeur représentative de l'instabilité dudit couple, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend d) des moyens de calcul de la masse de carburant (M_inj) à injecter réellement dans le moteur par correction de ladite valeur évaluée (M_eval), en fonction de l'écart entre ladite instabilité et une instabilité de consigne elle-même fonction dudit régime et dudit débit d'air,

[0010] Suivant un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, lesdits moyens de calcul tirent la masse de carburant (M_inj) de la relation :

où a est un coefficient de régulation fonction de l'écart précité.

[0011] Suivant un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les moyens d'estimation délivrent, pour chaque cylindre du moteur, une grandeur représentative de l'instabilité du couple moteur délivré par ledit cylindre, et lesdits moyens de calcul délivrent, pour chacun de ces cylindres, la masse de carburant à injecter réellement dans le cylindre, par correction d'une masse de carburant évaluée (Mⁱ_eval) pour chaque cylindre à partir du régime du moteur et du débit d'air admis dans le moteur, en fonction de l'écart entre ladite instabilité et l'instabilité de consigne.

[0012] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel :

• les figures 1 et 2 sont respectivement des diagrammes fonctionnels de premier et deuxième modes de réalisation du dispositif suivant l'invention, et
• la figure 3 est un graphe utile à la description du fonctionnement du dispositif suivant l'invention.

[0013] On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où il apparaît que le mode de réalisation représenté du dispositif suivant l'invention comprend :

• des moyens 10 d'évaluation d'une valeur M_eval de la masse de carburant à injecter dans les cylindres d'un moteur à combustion interne (non représenté), en fonction du régime n et du débit d'air D_a admis dans le moteur,
• des moyens 11 de mesure du couple C_k délivré par le moteur, à chaque point mort haut d'ordre k des pistons des cylindres de ce moteur,
• des moyens 12 d'estimation, à chacun de ces points morts haut, d'une grandeur VAL_k représentative des instabilités de ce couple, et
• des moyens de calcul 13 de la masse de carburant à injecter réellement dans le moteur par correction de la masse évaluée M_eval, en fonction d'un écart entre l'instabilité estimée VAL_k et une instabilité de consigne INSTACONS tirée d'une mémoire 14 dont les entrées sont le régime n et le débit d'air admis D_a précités.

[0014] Les moyens décrits ci-dessus sont intégrés à un calculateur numérique (non représenté) de gestion du moteur, classiquement associé à celui-ci, et ceci y compris les moyens 11 de mesure du couple dont on sait qu'ils peuvent prendre la forme d'un logiciel (voir par exemple sur ce point le couplemètre "logiciel" décrit dans le document US-A-4 691 288) . Les mémoires du calculateur peuvent accueillir d'autre part les données relatives à l'instabilité de consigne et à la masse M_eval évoquées ci-dessus, tabulées en fonction de n et D_a.

[0015] Les moyens 12 d'estimation de l'instabilité du couple, alimentés par les informations fournies par le couplemètre logiciel 11 sont, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, constitués par un logiciel d'exécution de la stratégie d'estimation décrite dans la demande de brevet français n° 96 13369 précitée, demande à laquelle on se reportera pour plus de détails sur ce point.

[0016] A chaque point mort haut d'un piston d'un des cylindres du moteur, on calcule une grandeur dont l'expression, au point mort d'ordre k - 1 est la suivante :

avec P(4,N) plus petit commun multiple de 4 et de N, nombre de cylindres du moteur, et j entier positif.

[0017] L'instabilité de couple ainsi chiffrée par VAL_k-1 est une estimation "globale", non attachée à un cylindre particulier du moteur.

[0018] Les moyens de calcul 13 constituent, à proprement parler, un régulateur qui corrige la valeur M_eval délivrée par les moyens 10 de manière à fournir au calculateur précité la quantité de carburant M_inj qui doit être réellement fournie aux cylindres du moteur, cette correction s'opérant comme suit :

où a est un coefficient de régulation dont la valeur a_k à chaque point mort haut d'ordre k est calculée à l'aide de la relation suivante :

où INSTACONS est l'instabilité de consigne précitée, stockée dans la mémoire du calculateur en fonction de la vitesse de rotation du moteur et du débit d'air, et où α est un coefficient positif. Lorsque l'instabilité de combustion VAL_k est supérieure à l'instabilité de consigne INSTACONS, la masse de carburant à injecter augmente en faisant ainsi diminuer l'instabilité de combustion. Cette diminution apparaît sur le graphe de la figure 3 qui représente les variations de VAL_k en fonction de la masse de carburant injectée M_inj, pour un débit d'air admis D_a constant. La valeur de M_eval étant proche de la valeur optimale, on fixe à a₀ = 0 la valeur de départ de a.

[0019] Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres i (i de 1 à N = 4) l'expression donnée ci-dessus de VAL_k-1, rapportée au point mort haut d'ordre k , se simplifie et devient :

[0020] On se réfère maintenant à la figure 2 du dessin annexé pour décrire un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, conçu pour assurer une régulation cylindre par cylindre,de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation de ces cylindres.

[0021] Comme représenté, ce deuxième mode de réalisation comprend des moyens 10',11',12',13' et 14' analogues aux moyens 10,11,12,13 et 14 correspondants du mode de réalisation de la figure 1, à ceci près que les moyens 10',12' et 13' calculent chacun des groupes de i valeurs de grandeurs Mⁱ_eval, CYLⁱ_k et Mⁱ_inj respectivement, rapportées chacune à l'un des cylindres i du moteur (i de 1 à N, nombre de cylindres du moteur).

[0022] Plus précisément, les moyens 12' calculent à chaque point mort haut du cylindre i, et ceci pour chacun des cylindres du moteur, une grandeur CYLⁱ_k dont l'expression, au point mort haut d'ordre k est :

[0023] Le régulateur 13 calcule la masse d'essence Mⁱ_inj à injecter réellement dans le cylindre i à l'aide de la valeur évaluée Mⁱ_eval délivrée par les moyens 10', et de la relation :

où bⁱ est un coefficient de régulation concernant le cylindre i, calculé après chaque combustion dans ce cylindre par la relation :

où INSTACONS est l'instabilité de consigne de la régulation, stockée dans la mémoire du calculateur en fonction de la vitesse n de rotation du moteur et du débit d'air D_a et β est un coefficient positif. On fixe bⁱ₀ à 0. Lorsque l'instabilité de combustion CYLⁱ_k est supérieure à l'instabilité de consigne INSTACONS, la masse d'essence à injecter augmente en faisant ainsi diminuer l'instabilité de combustion, comme cela apparaît sur le graphe de la figure 3.

[0024] Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres (N = 4), on a :

[0025] CYLⁱ_k a une valeur nulle quand le couple délivré par le moteur est constant. La valeur CYLⁱ_k est particulièrement bien représentative des instabilités de combustion car elle est insensible à la fois aux variations linéaires du couple et aux alternances de bonnes et de mauvaises combustions dans un même cylindre du moteur.

[0026] Lorsque la combustion du mélange air/carburant est trop instable, les régulations établies par les dispositifs décrits ci-dessus sont lentes et le conducteur d'un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne ainsi régulé en richesse ressent alors des à-coups désagréables du point de vue du confort de conduite du véhicule. En outre, comme cela apparaît sur le graphe de la figure 3, lorsque la masse de carburant injectée est trop faible par rapport à la masse d'air entrant dans le cylindre (soit en dessous du seuil S), le mélange ne brûle plus et une régulation faisant intervenir les instabilités de combustion n'est alors plus possible.

[0027] Pour surmonter ces difficultés, l'invention prévoit de substituer une régulation dite "rapide" à l'une ou l'autre des deux régulations décrites ci-dessus, lorsque le couple C_k tombe en dessous d'une valeur de couple minimale C_mini stockée dans la mémoire du calculateur en fonction de la vitesse n de rotation du moteur et du débit d'air D_a entrant dans celui-ci. Ainsi, à chaque point mort haut k, si C_k est inférieur à C_mini, la valeur a_k du coefficient a utilisé par le régulateur 13 du mode de réalisation de la figure 1 est tirée de l'expression :

où max représente la plus grande valeur entre (a_k-1 + C₁) et C₂, C₁ et C₂ étant des constantes stockées dans la mémoire du calculateur.

[0028] Dans le cas du dispositif de régulation cylindre par cylindre de la figure 2, à chaque point mort haut k, si Cⁱ_k est inférieur à C_mini, le coefficient b_i attaché au cylindre i où vient de s'opérer une combustion du mélange air/carburant, est tiré de l'expression :

[0029] Il apparaît maintenant que le dispositif suivant l'invention permet bien d'atteindre les buts annoncés, à savoir assurer l'optimisation de la consommation en carburant d'un moteur par un suivi étroit des instabilités du couple qu'il délivre, et ceci dans toutes les zones de fonctionnement du moteur, ce dispositif restant cependant de réalisation économique du fait qu'il permet de se passer d'une sonde à oxygène.

[0030] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est ainsi qu'on pourrait combiner les deux régulations "globale " et "cylindre par cylindre" en calculant la masse de carburant à injecter réellement dans le cylindre i par une relation du type:

Revendications

1. Dispositif de régulation de la richesse en carburant d'un mélange air/carburant admis dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, du type qui comprend :

a) des moyens (10;10') d'évaluation d'une valeur (M_eval) de la masse de carburant à injecter dans le moteur en fonction du régime (N) dudit moteur et du débit d'air admis (D₀) dans le moteur ,

b) des moyens (11;11') de mesure du couple (C_k) délivré par le moteur, à chaque point mort haut des pistons desdits cylindres,

c) des moyens (12;12') d'estimation d'au moins une grandeur (VAL_k;CYL_k) représentative de l'instabilité dudit couple,

   caractérisé en ce qu'il comprend :
   d) des moyens (13;13') de calcul de la masse de carburant (M_inj) à injecter réellement dans le moteur par correction de ladite valeur évaluée (M_eval), en fonction de l'écart entre ladite instabilité (VAL_k;CYL_k) et une instabilité de consigne (INSTACONS) elle-même fonction dudit régime (n) et dudit débit d'air (D_a).

2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de calcul (10) tirent la masse de carburant (M_inj) de la relation :

où a est un coefficient de régulation.

3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de calcul (10) tirent, à chaque point mort haut (k), la valeur a_k dudit coefficient de régulation (a) de la relation :

où a est un coefficient positif.

4. Dispositif conforme à la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que la grandeur (VAL_k) représentative de l'instabilité globale du couple au point mort haut d'ordre k est tirée de l'expression :

avec P(4,N) plus petit commun multiple de 4 et de N, nombre de cylindres du moteur et j entier positif.

5. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (12') d'estimation délivrent, pour chaque cylindre (i) du moteur, une grandeur (CYLⁱ_k) représentative de l'instabilité du couple moteur délivré par ledit cylindre (i) et en ce que lesdits moyens (13') de calcul délivrent, pour chacun desdits cylindres (i), ;la masse de carburant Mⁱ_inj à injecter réellement dans ledit cylindre (i), par correction d'une masse de carburant évaluée (Mⁱ_eval) pour chaque cylindre (i) à partir du régime (n) et du débit d'air admis (D_a) du moteur, en fonction de l'écart entre ladite instabilité (CYLⁱ_k) et une instabilité de consigne (INSTACONS), elle-même fonction dudit régime et dudit débit d'air.

6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation tirent la masse de carburant (Mⁱ_inj) à injecter réellement dans le cylindre (i) de la relation :

où bⁱ est un coefficient de régulation attaché au cylindre i.

7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de calcul (13') tirent, après chaque combustion d'ordre k dans le cylindre (i), la valeur du coefficient (bⁱ) de la relation suivante :

où β est un coefficient positif et N le nombre de cylindres du moteur.

8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite grandeur (CYLⁱ_k) représentative des instabilités du couple délivré par le cylindre (i) est tiré de l'expression :

9. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que, quand le couple (C_k) délivré par les moyens (11) de mesure du couple est inférieur à une valeur (C_mini) prédéterminée, lesdits moyens de calcul (13) tirent la valeur a_k du coefficient (a) de la relation :

C₁ et C₂ étant des constantes.

10. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que, quand le couple (C_k) délivré par les moyens (11') de mesure du couple est inférieur à une valeur (C_mini) prédéterminée, lesdits moyens de calcul (13') tirent la valeur (bⁱ_k) du coefficient (bⁱ) au point mort haut k de la relation :

C₁ et C₂ étant des constantes.

11. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation produisent une grandeur (VAL_k) représentative de l'instabilité globale du couple délivré par le moteur et une pluralité de (N) grandeurs (CYLⁱ_k) représentatives chacune de l'instabilité du couple délivré par un cylindre (i) particulier du moteur, et en ce que lesdits moyens de calcul tirent la masse de carburant (M_inj) à injecter dans le cylindre (i) de la relation :

les coefficients bⁱ et a_k étant définis par les revendications 3 et 7 respectivement.

Dessins