BR9907102B1

BR9907102B1 - dispositivo de estimativa de riqueza de sistema de injeção para motor à combustão interna e sistema de injeção de combustìvel.

Info

Publication number: BR9907102B1
Application number: BRPI9907102-9A
Authority: BR
Inventors: Claudio Carnevale; Mourad Hadji
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1999-01-15
Publication date: 2012-02-07
Also published as: BR9907102A; EP1049862B1; DE69902992D1; WO1999036690A1; JP2002527657A; FR2773847A1; FR2773847B1; EP1049862A1; US6357429B1; DE69902992T2

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITI- VO DE ESTIMATIVA DE RIQUEZA DE SISTEMA DE INJEÇÃO PARA MO- TOR À COMBUSTÃO INTERNA E SISTEMA DE INJEÇÃO DE COMBUS- TÍVEL".

A invenção refere-se aos sistemas de injeção do combustível nas câmaras de combustão de um motor à combustão interna, e notada- mente de um motor com ignição por centelha; ela refere-se particularmente a dispositivos que permitem estimar a relação ar/combustível admitido nas câmaras de combustão utilizáveis nesses sistemas.

Em particular, é conhecido um dispositivo que permite estimar a riqueza da mistura admitida em cada uma das n câmaras de combustão (n sendo um número inteiro superior a 1, e geralmente igual a 4, 6 ou 8) de um motor que tem injetores para injeção nos cilindros, compreendendo:

- um sensor que fornece um sinal de saída com variação sensi- velmente linear com a riqueza, colocado em um ponto de confluência dos escapamentos das n câmaras, e

- dispositivos de cálculo para:

- memorizar um modelo de comportamento do escapamento no ponto de confluência baseado na hipótese de a riqueza no ponto de conflu- ência, ou a relação ar/combustível, ser uma soma ponderada das contribui- ções dos escapamentos das câmaras individuais, o coeficiente de pondera- ção sendo tanto mais reduzido quanto mais antiga for a combustão na câ- mara, e

- estimar, depois de cada passagem no ponto morto superior, a relação ar/combustível a partir dos valores medidos e do modelo.

Esse dispositivo, por exemplo, está descrito na patente US 548 514 ou no documento EP-A-0 719 922, aos quais poder-se-á reportar.

Esse dispositivo é notadamente utilizável em um sistema de in- jeção do gênero mostrado esquematicamente na figura 1. O esquema mos- tra um motor 10 com n = 4 câmaras de combustão, munidas, cada uma, de um injetor 12. O ar admitido através de um filtro 14 atravessa um corpo de válvula 16, antes de chegar a um coletor de admissão 18. Os gases de es- capamento saem das câmaras por tubulações individuais que se juntam em um ponto de confluência para um coletor de escapamento 20.

As quantidades de combustível fornecidas a cada cilindro em instantes de injeção são fixadas por um calculador 21, a partir de parâme- tros de funcionamento que podem notadamente comportar:

- a posição angular da borboleta 16, medida por um sensor 22;

- a pressão no coletor de admissão, medida por um sensor 24;

- a temperatura Θ da água de arrefecimento e/ou dos gases de escapamento; e

- o sinal de saída de um sensor de medida de riqueza 26 colo- cado no ponto de confluência.

Os instantes de injeção são fixados com um avanço em relação à passagem pelo ponto morto superior de cada câmara de combustão, utili- zando-se um sinal de sincronização fornecido por um sensor 28 colocado diante do volante 30 do motor 10.

Um modelo simples de representação da riqueza medida no ponto de confluência consiste em associar, à medida feita pelo sensor 26 em diversas passagens sucessivas das câmaras de combustão no ponto morto superior, um coeficiente de ponderação que é unicamente função da antigüidade da passagem no ciclo de funcionamento do motor. A entrada do modelo é a riqueza admitida na câmara de combustão que acaba de passar pelo ponto morto superior (cilindro em curso). Os sopros de escapamento em direção ao ponto de confluência são combinados entre eles, para repre- sentar a mistura dos gases.

Por outro lado, existe uma dispersão de características entre os injetores, de modo que uma injeção de mesma duração determinada não corresponde às mesmas quantidades de combustível injetada nas diferentes câmaras.

No caso, por exemplo, de quatro câmaras de combustão, desti- na-se ao sensor um vetor de coeficiente Ci com i = (1, 2, 3, 4), C4 corres- pondendo ao cilindro em curso, e os outros coeficientes, menores, corres- pondendo aos outros cilindros, na ordem inversa da ignição. Essa solução não é, de fato, totalmente satisfatória, devido ao fato de as tubulações de escapamento serem geralmente assimétricas.

A presente invenção visa, notadamente, a fornecer um dispositi- vo de estimativa que responda melhor que os anteriores conhecidos às exi- gências da prática, pelo fato de reduzir bastante a incidência das assimetri- as e, no caso precisamente de assimetria, a invenção melhora a correção das dispersões de características dos injetores.

Nesse objetivo, a invenção propõe notadamente um dispositivo no qual o modelo de comportamento contém um submodelo particular por câmara de combustão que tem, para a câmara de ordem i, um filtro de Kal- man, possuindo uma matriz m x n de coeficientes Cy e uma matriz de ga- nhos Kij próprias, i sendo igual a (1,.....,n) correspondendo ao número de

câmara, e j correspondendo ao número de coeficiente de ponderação, aqui, de 1 a m. Por outro lado, a invenção propõe um modelo diferente para cada câmara i, definido por um jogo {j} de m coeficientes, m podendo ser, aliás, igual a n.

Esse dispositivo, que permite afastar o efeito de assimetria de escapamento, apresenta, de resto, a vantagem de reduzir, de modo muito considerável, o efeito das dispersões de características entre os injetores e, em conseqüência, permitir o emprego de injetores que apresentam uma usi- nagem menos precisa.

O modelo pode ser representado por uma ou várias matrizes (Cijque correspondem, cada uma, a uma zona de funcionamento l do mo- tor, determinada por um ou vários parâmetros dentre o domínio de carga, a temperatura dos gases de escapamento, a temperatura da água de arrefe- cimento, a velocidade do motor e a pressão no coletor de admissão.

A matriz escolhida pode igualmente depender da riqueza de or- dem dada pelo calculador, e que pode depender das condições de funcio- namento do motor, de acordo com os esforços sobre a poluição ou o prazer de conduzir.

As características acima, bem como outras, aparecerão melhor com a leitura da descrição que segue, de um modo particular de realização, dado a título de exemplo não limitativo. A descrição se refere aos desenhos- que a acompanham, nos quais:

- a figura 1, já mencionada, mostra esquematicamente os ele- mentos de um motor referidos pela invenção;

- a figura 2 representa um esquema sinóptico, mostrando os subconjuntos principais de um dispositivo, de acordo com a invenção e, fun- ção desses subconjuntos, podendo ser realizado por via material ou por via lógica;

- a figura 3 representa um esquema funcional de meios de com- pensação do retardo de medida introduzido pelo sensor de riqueza;

- a figura 3A indica curvas de resposta tipo dos dispositivos da figura 3;

- a figura 3B mostra uma curva de resposta em fase, em função da freqüência;

- a figura 4 representa um esquema funcional de meios de aqui- sição síncrona das riquezas, câmara de combustão por câmara de combus- tão;

- a figura 5 representa um esquema de dispositivos de correção de riqueza;

- a figura 6 mostra um bloco de gestão de erro de riqueza, que incorpora os dispositivos da figura 5.

O dispositivo, de acordo com a invenção, apresenta a constitui- ção de princípio mostrada na figura 2. A maioria das funções são preenchi- das pelo calculador 21. Todavia, algumas dentre elas, e notadamente das funções de filtragem de características fixas, podem ser realizadas sob a forma analógica por circuitos de instalação elétrica cabeada.

O dispositivo comporta um compensador 32 destinado a com- pensar o retardo introduzido pelo sensor 26. Meios 34 de aquisição síncrona das riquezas podem ser olhados como tendo um observador 36 de filtragem de Kalman e meios de correção 38 que fornecem na saída as relações ar/combustível admitidas nas câmaras durante o ciclo que acaba de decor- rer. Para ligar as riquezas às câmaras apropriadas, os meios de correção recebem um sinal de sincronização constituído pela saída do sensor 28 se- guido de um circuito 40 de divisão módulo n, no caso igual a 4.

A sincronização deve ser inicializada, o sensor 28 não permitin- do saber que câmara de combustão acaba de passar no ponto morto alto.

Essa inicialização pode ocorrer por diversos métodos conhecidos.

Enfim, meios de gestão 42 determinam as durações de abertura dos injetores 12, a partir de informações elaboradas pelo calculador 21, constituído, por exemplo, pela vazão de ar admitida e pela riqueza requeri- da, e a partir das correções fornecidas pelos meios 38.

O modelo que permite aos meios de aquisição síncrona 34 de- terminar a riqueza da mistura admitida em cada câmara se baseia nas me- didas fornecidas pelo sensor único 26 situado no ponto de confluência. É importante dispor, após cada passagem no ponto morto alto, de uma medi- da representativa da riqueza enquanto que uma câmara de combustão vem exatamente passar no ponto morto alto. Ora, os sensores habituais, devido, notadamente, ao fato de comportarem uma tampa perfurada de proteção da sonda, introduzem um retardo de medida.

Conhecem-se diversas montagens destinadas a compensar o retardo de medida. Todavia, é vantajoso utilizar os meios de compensação esquematizados na figura 3, que são aplicáveis não somente aos meios de aquisição síncrona que são descritos mais abaixo, mas também a meios de aquisição síncrona de qualquer outro tipo anteriormente conhecido.

A estratégia adotada está representada funcionalmente na figu- ra 3. O sinal proveniente da sonda é submetido a uma filtragem passa alta 43, cujas características consideram a constante de tempo τ da tampa do sensor de várias dezenas de ms. Para que a filtragem seja estável, o valor considerado no filtro passa alta estará ligado à constante de tempo a menor dentre todas aquelas que se podem encontrar nas diversas condições de funcionamento do motor.

A filtragem passa alta 43 amplifica o ruído que é atenuado ou eliminado por um circuito de contra-reação, compreendendo uma filtragem passa baixa 44, um adicionador 46 que recebe a saída da filtragem passa baixa e um sinal de entrada e um subtração 48.

Conseguem-se assim informações de riqueza medidas e com- pensadas que podem ser armazenadas em uma memória viva 50, podendo eventualmente ser organizada em registro de defasagem.

Na prática, as funções representadas na figura 3 serão imple- mentadas de forma numérica. A corrente de saída do sensor 26 é mostrada, a uma cadência que pode ser da ordem de 2 ms. A filtragem em seu conjun- to pode ser prevista para implementar uma função de inversão da forma: G(s)=[1+tampa-1 (s). Passa baixa (s)]/[1+ passa baixa (s)].

Nessa expressão, a função de inversão tampa-1 (s) pode ser da seguinte forma, β designando um polo:

<formula>formula see original document page 7</formula>

As filtragens passa alta e passa baixa introduzem ganhos e são previstas para que esses ganhos variem em função da freqüência seguinte das leis que podem ser aquelas indicadas respectivamente pelas curvas em traços cheios e em traços mistos da figura 3A. A filtragem passa baixa pode- rá ser simplesmente da primeira ordem.

A compensação sendo assegurada sob a forma numérica, sobre valores discretos, pode-se limitar a efetuar uma transformação de Euler.

Podem-se utilizar as anotações habituais:

X(k): variável de estado

u(k): valor medido

y(k): valor de saída

k: instante considerado (amostra 2 ms por exemplo) a função de inversão da tampa é:

<formula>formula see original document page 7</formula>

e a filtragem passa baixa se torna: <formula>formula see original document page 8</formula>

Na segunda fórmula, θ designa o ganho de filtragem passa bai- xa, destinado a afastar o ruído alta-freqüência gerado ou amplificado pela filtragem passa alta de inversão.

À saída do compensador 32, dispõe-se de um mapa das rique- zas que permite encontrar as riquezas instantâneas, em função do sinal compensado instantâneo.

As riquezas assim medidas e compensadas são utilizadas como entradas pelo observador 36 de filtragem de Kalman.

No momento atual, essa filtragem de Kalman é geralmente feita, adotando-se o ganho de Kalman e os mesmos coeficientes de ponderação, independentemente da câmara de combustão para a qual se quer determi- nar a riqueza.

De acordo com um aspecto da invenção, determina-se um ga- nho Kij de Kalman ótimo de antecipação e uma folga de coeficiente C de ponderação para cada uma das câmaras de combustão.

O esquema funcional do observador pode, então, ser aquele representado esquematicamente na figura 4. Esse observador pode ser considerado como constituído de n = 4 observadores elementares.

Cada um desses observadores elementares pode ter uma cons- tituição relativamente tradicional. O cálculo que permite, por exemplo, de- terminar a riqueza do cilindro 1 corresponde à orientação de comutadores 52 dada na figura 4, os comutadores sendo, na realidade constituídos por um programa que permite efetuar a permuta dos ganhos e coeficientes com vistas ao cálculo.

As medidas sucessivas ymes (k) no ponto de confluência são a- cumuladas em 54 e tratadas por um operador z-1 em 56, cuja saída é leva- da, por um circuito 58 de ganho A, ao acúmulo 54.

Os dados obtidos à saída dos pontos mortos altos de n = 4 ci- clos sucessivos são multiplicados pelos coeficientes de ponderação (Cij) cor- respondentes ao cilindro i. O valor yest (k) obtido à saída 60 é representativo tivo da riqueza no ponto de confluência. Ela é reintroduzida em subtrator de entrada 62, de forma a gerar um sinal de erro e(k) que é aplicado à entrada da filtragem de Kalman.

As equações representativas da estimativa, para um cilindro de- terminado, são então as seguintes, com as anotações utilizadas na figura 4, e se X(k) designar a variável de estado.

<formula>formula see original document page 9</formula>

Os coeficientes de ponderação Cij podem ser obtidos experi- mentalmente por identificação, por meio de um banco de medida, utilizando um jogo de sondas capaz de medir as riquezas sobre cada tubulação e a riqueza no ponto de confluência.

A riqueza do cilindro comum está, então, disponível à saída 64 do acumulador 54.

Para um mesmo cilindro, prever-se-ão vários conjuntos que têm, cada um, um ganho de Kalman Ky e uma folga de coeficientes de pondera- ção Cij, cada conjunto sendo ligado a uma zona particular de funcionamento do motor.

A elaboração das correções pode ser efetuada segundo o es- quema funcional da figura 5. Os meios de correção recebem, como entra- das:

- o sinal de riqueza medido e compensado, no ponto de conflu- ência, proveniente da memória 50;

- sinais que indicam a riqueza estimada do cilindro comum, pro- veniente da saída 64 do observador; e - o sinal de sincronização proveniente do divisor 40 módulo 4.

A correção de riqueza a ser fornecida a um cilindro a ser deter- minada é calculada sob a forma de um produto de dois termos:

- um termo 1 + λg, λg sendo uma percentagem de correção geral referente à riqueza medida no ponto de confluência;

- um termo 1 + λi, particular ao cilindros de ordem i no qual a injeção vai ser comandada.

O primeiro termo é elaborado a partir de um sinal de erro forne- cido por um subtrator 66 que recebe, por um lado, um sinal representativo da senha de riqueza (que depende das condições de funcionamento do mo- tor) e, por outro lado, o sinal de saída proveniente da memória 50. Um mó- dulo 68 de gestão de erro elabora um termo de correção, que é tratado por um filtro proporcional-integral 70 destinado a estabilizar o sistema. Obtém-se assim λg.

Os termos λi são elaborados, cada um, como auxílio de um sub- trator 72 que recebe, por um lado, o sinal de saída 64 módulo 4, elaborado por um comutador 52 e, por outro lado, um sinal convencionado de riqueza próprio ao cilindro.

Esse sinal convencionado de riqueza pode ser o mesmo para todos os cilindros. A convenção de riqueza poderia também ser diferente, segundo o cilindro.

O sinal de erro obtido é submetido ainda a uma filtragem pro- porcional-integral 74, dito PI, para obter um termo corretor λi. Um circuito 76 permitirá elaborar o produto (1 + λi) (1 + λg) que constitui um fator de corre- ção sobre a duração de injeção do cilindro i.

A filtragem PI tem um papel de compensação do tempo de per- curso dos gases entre os pontos de injeção e o ponto de confluência.

O módulo 68 de gestão de erro e riqueza tem notadamente por papel tornar mais rápida as comutações do sensor agindo sobre o erro inje- tado no filtro PI 70. Ele introduz, além de um amplificação do erro de rique- za, uma histeresis que só provoca uma oscilação do sensor além da este- quiometria, quando se vai para uma mistura rica, aquém da estequiometria, quando se volta para uma mistura pobre. Além das oscilações, o módulo de gestão tem uma resposta sensivelmente proporcional.

Os fatores de ganho proporcional Kp e integral K, dos filtros de correção 74 são escolhidos em função do retardo de percurso entre os inje- tores e o sensor de riqueza, computado em número de PMH.

Kp será geralmente inferior a 1 para atenuar as elevadas fre- qüências.

Κ, pode ser da forma:

Ki = Kp x P x (2/tempo de retardo), para um motor com 4 cilin- dros. P é uma constante ajustável para regular a dinâmica.

Enfim, o circuito de gestão 42 (figura 2) permite, a partir de um sinal de entrada 78, que indica a quantidade de ar admitida no cilindro e do termo corretor recebido dos meios 36, modificar um tempo de injeção de base correspondente à convenção de riqueza para fixar o tempo de abertura de cada um dos injetores 12 e comandar o injetor. Esse circuito pode, na realidade, compreender uma parte numérica de cálculo incorporada ao cal- culador 21, e uma parte analógica e de potência que elabora a corrente pul- sada de alimentação dos injetores.

O circuito de gestão de riqueza pode corresponder ao sinóptico da figura 6. A convenção de riqueza para o injetor i é aplicada à entrada 80 e multiplicada por um sinal 82 representativo da quantidade de ar admitida. O produto é multiplicado pelo ganho do injetor em 84 para conseguir um tempo de injeção de base Ti. No módulo 86 o sinal de correção fornecido pelos meios da figura 5 é utilizado para fornecer Ti (1 + λ,) (1 + λ9).

O estabelecimento do modelo exige determinar os coeficientes de ponderação para um motor determinado. Essa determinação pode ser feita sobre um banco de teste, que equipa temporariamente o motor de son- das de riqueza à saída de cada cilindro, além do sensor definitivo.

A estratégia de estabelecimento da convenção de riqueza, a partir do acionamento a fundo, memorizada no calculador 21, pode ser a seguinte:

- imediatamente após lançamento do motor, riqueza superior à estequiometria, permitindo um fim de acionamento e uma partida ótima, a riqueza sendo função da temperatura do líquido de resfriamento será tanto mais importante quanto mais baixa for a temperatura;

- no final de um período inicial (21 segundos por exemplo) cálcu- lo de uma relação R/combustível correspondente a um "limite" pobre e da duração de um grau de manutenção a esse valor, unicamente em função da temperatura do líquido de resfriamento suposta representativa do estado catalisador);

- diminuição quase exponencial para o limite pobre, para reduzir a poluição, seguida de um patamar;

- à saída do patamar, durante o qual há aquecimento do catali- sador, elevada em direção a estequiometria, segundo uma lei que pode ser linear para assegurar uma boa aprovação de condução, a inclinação de au- mento sendo calibrável.

Claims

1. Dispositivo de estimativa da riqueza da mistura admitida em cada uma das η câmaras de combustão (n sendo um número inteiro superi- or a 1) de um motor que tem injetores de injeção nos cilindros, compreen- dendo: - um sensor (26) que fornece um sinal de saída de variação sensivelmente linear com a riqueza, instalado a um ponto de confluência dos escapamentos das η câmaras; e - meios de cálculo para: - memorizar um modelo de comportamento do escapamento no ponto de confluência baseado na hipótese de que a riqueza no ponto de confluência, que é a relação ar/combustível, é uma soma ponderada das contribuições dos escapamentos das câmaras individuais, o coeficiente de ponderação sendo tanto menor quanto mais antiga for a combustão na câ- mara; e - estimar, após cada passagem no ponto morto alto, a relação ar/combustível a partir dos valores medidos e do modelo, caracterizado pelo fato de o modelo de comportamento compor- tar um submodelo particular por câmara de combustão tendo, para a câmara de ordem i, um filtro de Kalman com uma matriz m χ n, de coeficientes Oy e uma matriz de ganhos Kij própria, i sendo igual a {1, ...,n} e correspondente ao número de câmara, e j indo de 1 a m e correspondendo ao número do coeficiente de ponderação.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada submodelo ser ligado a vários jogos de matriz e ganho correspondendo, cada um, a zonas de funcionamento do motor determina- das por um ou vários parâmetros dentre o domínio de carga, a temperatura dos gases de escapamento, a temperatura da água de resfriamento, a velo- cidade do motor e a pressão no coletor de admissão.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteri- zado pelo fato de o sensor de riqueza compreender, além de uma sonda (26) instalada no ponto de confluência, meios de compensação do retardo de resposta da sonda, compreendendo um filtro passa alta (43) seguido de uma faixa de curva-reação com um filtro passa baixa (44), um adicionador (46) que recebe a saída do filtro passa baixa e o sinal de entrada provenien- te da sonda e um subtrator (48) que recebe o sinal de saída do adicionador e o sinal de saída do filtro passa alta, alimentando o filtro passa baixa.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de os meios de compensação serem numéricos, pelo fato de as funções de filtragem passa alta serem da forma: <formula>formula see original document page 14</formula> enquanto que a filtragem passa baixa é da forma: <formula>formula see original document page 14</formula> na qual: χ (k): variável de estado u (k): valor medido y (k): valor de saída k: instante considerado θ = ganho de filtragem passa baixa β = polo do filtro

5. Sistema de injeção do combustível nas câmaras de combus- tão de um motor à combustão interna, caracterizado pelo fato de compre- ender: - um dispositivo, como definido em qualquer uma das reivindica- ções 1 a 4; - um módulo de gestão de erro de riqueza que recebe o sinal de saída do sensor de riqueza e o submete a uma filtragem proporcional- integral, para formar um termo de correção geral λg, - um filtro (74) ajustável ligado a cada câmara de combustão, recebendo a diferença entre a saída dos meios de estimativa corresponden- te a essa câmara e uma convenção própria ao cilindro, de forma a fornecer um fator de correção λ, próprio à câmara; - um multiplicador (76) que fornece o produto de (1+λg) e (1+λi); e - um circuito de gestão que comanda os injetores a partir de um sinal que representa a quantidade de ar aspirado e da saída do multipli- cador.