EP1445458A1 - Procédé d'estimation du rapport air/carburant d'un moteur procédé de contrôle d'un moteur utilisant celui-ci et dispositif correspondant - Google Patents

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EP1445458A1
EP1445458A1 EP04290240A EP04290240A EP1445458A1 EP 1445458 A1 EP1445458 A1 EP 1445458A1 EP 04290240 A EP04290240 A EP 04290240A EP 04290240 A EP04290240 A EP 04290240A EP 1445458 A1 EP1445458 A1 EP 1445458A1
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EP
European Patent Office
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engine
air
oxygen
exhaust
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04290240A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jamil Abida
Emmanuel Buis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP1445458A1 publication Critical patent/EP1445458A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1458—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with determination means using an estimation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control

Definitions

  • the invention relates to a method for estimating the ratio. air / fuel of an internal combustion engine having exhaust gas recirculation means. It relates to also a method of controlling an engine using the method estimation, and a control device for the implementation of these processes.
  • the pollutant emission standards impose a increasingly fine control of combustion and of the air circuit internal combustion engines, in particular through the control of the exhaust gas recirculation (EGR) circuit, turbocharger, intake heat exchanger, flap admission, etc. Pollutant emissions are directly linked to the richness of the cylinder of the air / fuel mixture entering the engine. Knowledge of this parameter therefore appears essential for check the engine.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • UEGO sensor universal exhaust gas oxygen sensor
  • oxidants mainly oxygen
  • reducing agents carbon monoxide, hydrocarbons unburnt
  • the signal delivered by the probe can be picked up as a voltage.
  • engine control strategies often use dilution of the engine intake air by some of the gases exhaust that is recirculated to the intake (EGR).
  • EGR exhaust that is recirculated to the intake
  • This process has already shown its interest in reducing emissions of nitrogen oxides in engine exhaust, in particular particularly in the case of operation with a mixture air / fuel with excess air (lean mixture). This is the general case of operation of the diesel or petrol engine in mixture poor ("lean burn").
  • the richness value R obtained by the calculation or by the measurement only takes into account the "fresh" air supplied by the circuit intake and ignores the air, and therefore oxygen, supplied via the EGR circuit. Therefore, the error between this wealth value R and the true cylinder richness value can be important, especially on engine operating points with a high EGR rate (fraction of EGR flow in the total gas flow admitted into the engine).
  • the exhaust probe measures a richness of 0.384 while the cylinder wealth is only 0.237, or more than 61% error.
  • R cyl K ' s Q carb Q O 2 word or K s ' : ratio of oxygen flow rate to fuel flow rate in the case of stoichiometry, Q carb : flow rate of fuel injected into the cylinders, Q O 2mot : flow of oxygen admitted into the cylinders, sum of the oxygen coming from the "fresh" air and that brought back by the EGR gases.
  • Document FR-2 793 846 provides an estimate of the air flow total at engine inlet, sum of fresh air and air supplied by EGR.
  • the solution exposed uses complex calculations which require many sensor measurements, so that measurement uncertainties penalize the accuracy of the result.
  • the invention aims to overcome these drawbacks by proposing a simple method of determining cylinder richness via a estimate, and of the oxygen content of the gases admitted into the engine. It also proposes a method for controlling an engine using the cylinder richness obtained in order to obtain a fine adjustment of the conditions of combustion of the engine.
  • the invention has the advantage of not requiring the calculation of the recirculation gas flow.
  • the oxygen rate in the engine exhaust is measured by means of a proportional probe placed at the level of the gas exhaust system.
  • Such engine control as a function of cylinder richness has many advantages. It allows for example to homogenize the control of the various actuators of the air intake circuit.
  • the different set point maps usually used for control the EGR valve, the turbocharger or the shutter the air intake can then be replaced by a single mapping, thus simplifying the development of the engine.
  • transition problems occur when switching from a normal operating mode to a wealth regulation mode used during the phases of regeneration of exhaust gas treatment systems.
  • a permanent control of the actuators according to the cylinder richness helps to remove these problems.
  • two or more motor actuators are controlled independently of each other.
  • two or more motor actuators are controlled by taking into account the states of the other actuators in order to reduce the difference between the setpoint and the estimated value. This variant allows not to dissociate the controls of the different actuators and favor, depending on the situation, the use of one over another, in order to obtain optimal combustion conditions.
  • Another object of the invention relates to a device for controlling an internal combustion engine, said engine comprising at least one air intake circuit, a gas exhaust circuit comprising means for recirculating gas from exhaust in the intake circuit, means for injecting fuel into the engine and an engine control system, said device further comprising a proportional oxygen measurement probe [ O 2 ec ] located on the circuit exhaust and a computer connected to the control system, said computer being able to receive and record the measured value and being programmed to estimate the cylinder richness by implementing the estimation method described above.
  • the engine control system is programmed for the implementation of the engine control process.
  • a combustion engine is represented internal 10, its air intake circuit and its evacuation circuit exhaust gas.
  • the air Before entering the engine 10, the air follows the intake circuit described below. It passes through an air filter 12, then a compressor 14 of a turbocharger 16 in order to be compressed. He is then cooled by an exchanger 18 and arrives at the air intake manifold 20 before being introduced into the cylinders of the engine 10 (not shown).
  • a means for measuring the air flow such as a flow meter 22, is placed at the outlet of the air filter 12 and before the intake manifold 20. Before the intake manifold 20, and after the heat exchanger 18, a control valve (or intake flap) 24 is placed in order to control the quantity of fresh air introduced into the intake manifold 20. Means for measuring the temperature and the pressure 25 are also provided for measure the temperature T coll (K) and the absolute pressure P coll (Pa) in the intake manifold 20.
  • the exhaust gases are directed to a turbine 15 of turbocharger 16, then to a device for treatment 26, such as a nitrogen oxide trap (Nox-trap) and a particles, before being released into the atmosphere.
  • a device for treatment 26 such as a nitrogen oxide trap (Nox-trap) and a particles
  • Part of the gases engine exhaust is redirected to the intake manifold 20, via an EGR recirculation circuit 28 comprising a valve regulation 30.
  • a proportional probe 32 such as a UEGO probe, is placed on the exhaust gas circuit to measure the rate of oxygen they contain. This probe is preferably placed after the turbine 15 of the turbocharger for a more precise measurement.
  • a control system 34 controls the various actuators of the engine, such as for example the valves 24 and 30 of the device, as well as the turbocharger 16. It is connected to a computer 36 which receives the information coming from the flow meter 22, from the measuring means of temperature and pressure 25, of the proportional probe 32. It also receives the engine operating data, such as the engine rotation speed (N word , in rpm) and the injected fuel flow rate (Q carb , in kg / s).
  • Fuel is injected into the engine cylinders by means of fuel injection 38 connected to the reservoir of vehicle fuel (not shown). They are controlled by the control system 34 and possibly connected to the computer 36.
  • the oxygen rate at the engine exhaust [ O 2 ec ] is measured by means of the proportional probe 32.
  • the latter provides a voltage value Us which is translated into oxygen rate by means of a memorized pre-calibrated table.
  • the oxygen rate thus obtained is then stored.
  • the engine speed ( N word ) can be measured or calculated in a known manner.
  • this solution is implemented in the following manner: the values (P coll , T coll ) are measured by the temperature and pressure measurement means 25 of the intake manifold, the operating data N word and Q carb are determined as described above, then the mass flow rate of oxygen admitted into the engine is determined from these values recorded by means of equation (5).
  • the computer 36 is for example programmed for this purpose.
  • the values (P coll , T coll ) are measured by the temperature and pressure measurement means of the intake manifold 25 and the value Q air is measured by the flow meter 22. These values, as well as the operating data (N word , Q carb ) are recorded. Then, the mass flow of oxygen admitted into the engine is determined by means of the system of differential equations (6). The recording and the calculations are for example carried out by the computer 36 programmed for this purpose.
  • K ' s represents the ratio of the oxygen / fuel flow rates under the stoichiometric conditions of the combustion equation
  • the cylinder richness estimation process R cyl can be implemented for any engine comprising a gas recirculation circuit.
  • the engine can be a lean mixture diesel or gasoline engine. It can also be used for engines not comprising a turbocharger 16 and a heat exchanger 18.
  • other means of determination, by calculation or measurement, can be used to determine the values of the various parameters to be each step.
  • the computer 36 can be an integral part of the control system 34 or be separate.
  • An example of application of this estimate of the cylinder richness R cyl is its use for a method of controlling an internal combustion engine, as described below.
  • a method for controlling an engine comprising at least one air intake circuit, a gas exhaust circuit comprising means for recirculating the exhaust gases in the intake circuit. , fuel injection means 38 into the engine and a control system 34 of the engine connected to the various actuators of the engine.
  • two or more motor actuators are controlled independently of each other. This variant is the simplest since we do not take into account relationships between the different actuators. Each actuator is then controlled following a loop which performs the steps cylinder wealth estimation, comparison with the value of setpoint and control cylinder richness of this actuator if a deviation is noted.
  • the states of the other actuators are taken into account in order to reduce the difference between the set value and the estimated value, so as to consider these relationships and improve the combustion of the engine. Not all actuators are then necessarily ordered at the same time.
  • the process can control the said actuator (s) chosen from the shutter 24 of the air intake manifold, the turbocharger 16, the EGR control valve 30, the fuel injection means 38. This command is carried out via the control system 34.
  • valves 24 and 30 are controlled by the control system 34 which controls their opening percentage.
  • the control system 34 which controls their opening percentage.
  • the control is performed by the control system 34 which controls the percentage opening of this valve.
  • cylinder wealth estimation and engine control can be considered without departing from the scope of the invention.
  • the device can be simplified or include other actuators.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation du rapport air/carburant d'un moteur à combustion interne comportant des moyens de recirculation des gaz d'échappement. Ce procédé permet d'estimer la richesse cylindre du moteur, en prenant en compte la totalité de l'oxygène admis dans le moteur : Rcyl = Ks' Qcarb QO2mot où
Figure 80000001
Ks' : rapport débit d'oxygène sur débit carburant dans le cas de la stoechiométrie,
Qcarb : débit de carburant injecté dans les cylindres,
QO2mot : débit d'oxygène admis dans les cylindres, somme de l'oxygène provenant de l'air "frais" et de celui ramené par les gaz EGR.
L'invention propose également un procédé de contrôle d'un moteur utilisant la richesse cylindre obtenue afin d'obtenir un réglage fin des conditions de combustion du moteur, ainsi qu'un dispositif de contrôle pour la mise en oeuvre de ces procédés.

Description

L'invention concerne un procédé d'estimation du rapport air/carburant d'un moteur à combustion interne comportant des moyens de recirculation des gaz d'échappement. Elle concerne également un procédé de contrôle d'un moteur utilisant le procédé d'estimation, et un dispositif de contrôle pour la mise en oeuvre de ces procédés.
Les normes relatives aux émissions de polluants imposent un contrôle de plus en plus fin de la combustion ainsi que du circuit d'air des moteurs à combustion interne, notamment par l'intermédiaire de la commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (EGR), du turbocompresseur, de l'échangeur thermique à l'admission, du volet d'admission, etc. Or, les émissions de polluants sont directement liées à la richesse cylindre du mélange air/carburant entrant dans le moteur. La connaissance de ce paramètre apparaít donc essentielle pour contrôler le moteur.
La définition classique de la richesse R est traduite par le rapport des masses (ou des débits massiques) du carburant et de l'air, normalisé par le coefficient Ks, qui traduit ce même rapport déterminé dans le cas d'une combustion complète d'un mélange stoechiométrique de carburant et d'air : R = Ks . Qcarb Qair où
Figure 00010001
Qcarb : débit de carburant injecté dans le moteur,
Qair : débit d'air admis dans le moteur.
Pour déterminer la valeur de la richesse lors du fonctionnement d'un moteur propulsant un véhicule, différentes solutions peuvent être envisagées.
Une première solution consiste à calculer ou à mesurer les différents termes de la formule (1) :
  • Le débit d'air peut être mesuré à l'aide d'un débitmètre d'air (par exemple à fil ou à film chaud), généralement implanté dans le conduit d'admission d'air du moteur. Ou bien, il peut être calculé à partir d'un modèle ou d'une table de caractérisation du remplissage du moteur en air et de la mesure du régime de rotation du moteur, de la pression absolue et de la température dans le collecteur d'admission du moteur.
  • Le débit de carburant peut être calculé à partir d'un modèle ou de tables de caractérisation des injecteurs, en fonction du nombre d'injections par tour du moteur et de la durée de l'injection.
  • Le coefficient Ks est calculé en faisant une hypothèse sur la composition moyenne du carburant et de l'air. En supposant le carburant de formule chimique CmHn avec h = n/m et en supposant l'air de composition molaire équivalente à une fraction molaire fmO2 d'oxygène (fmO2=0.21) et une fraction molaire fmN2 d'azote (fmN2=1-fmO2), le coefficient Ks est déterminé par la formule :
    Figure 00020001
    Mx : masse molaire de l'élément chimique ou du gaz X.
Une autre solution consiste à mesurer la richesse à l'aide d'une sonde proportionnelle implantée à un endroit approprié dans le conduit d'échappement du moteur. On peut par exemple utiliser une sonde proportionnelle, appelée "UEGO sensor" (universal exhaust gas oxygen sensor), sensible aux pressions partielles des oxydants (principalement l'oxygène) et des réducteurs (le monoxyde de carbone, les hydrocarbures imbrûlés) présents dans les gaz d'échappement du moteur. Le signal délivré par la sonde peut être capté sous forme d'une tension. Des essais spécifiques permettent de construire une relation entre la tension de sortie de la sonde et la valeur de richesse R de la formule (1).
Toutefois, les stratégies de contrôle moteur ont souvent recours à la dilution de l'air d'admission du moteur par une partie des gaz d'échappement que l'on fait recirculer vers l'admission (EGR). Ce procédé a déjà montré tout son intérêt dans la diminution des émissions d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs, en particulier dans les cas de fonctionnement avec un mélange air/carburant avec excès d'air (mélange pauvre). C'est le cas général de fonctionnement du moteur diesel ou du moteur essence en mélange pauvre ("lean burn").
Cependant, la valeur de richesse R obtenue par le calcul ou par la mesure ne tient compte que de l'air "frais" apporté par le circuit d'admission et ignore l'air, et donc l'oxygène, apporté via le circuit EGR. Par conséquent, l'erreur entre cette valeur de richesse R et la vraie valeur de richesse cylindre peut s'avérer importante, en particulier sur les points de fonctionnement du moteur à fort taux d'EGR (fraction du débit EGR dans le débit total des gaz admis dans le moteur). Par exemple, pour un point de fonctionnement à 50 % de taux d'EGR, la sonde à l'échappement mesure une richesse de 0.384 alors que la richesse cylindre n'est que 0.237, soit plus de 61 % d'erreur.
Il convient donc de déterminer la richesse cylindre Rcyl en prenant en compte la totalité de l'oxygène admis dans le moteur : Rcyl = K's Qcarb Q O2mot où
Figure 00030001
Ks' : rapport débit d'oxygène sur débit carburant dans le cas de la stoechiométrie,
Qcarb : débit de carburant injecté dans les cylindres,
Q O 2mot : débit d'oxygène admis dans les cylindres, somme de l'oxygène provenant de l'air "frais" et de celui ramené par les gaz EGR.
Pour tenir compte de l'oxygène apporté par les gaz EGR et donc connaítre la teneur en oxygène des gaz admis dans le moteur, on pourrait envisager l'utilisation d'une sonde proportionnelle (sonde UEGO) à l'admission, tel que décrit dans le document FR-2 805 567. Toutefois, ce type de sonde fournit une mesure peu précise dans des zones à fort taux d'oxygène, telles qu'à l'admission.
D'autres documents, tels que par exemple les documents EP-892 124, US-5 150 694 et WO-01 88360 décrivent des procédés de contrôle en fonction de la richesse. Toutefois, la richesse calculée ou mesurée ne correspond pas à la richesse cylindre, et des écarts importants peuvent être constatés entre cette richesse et la richesse cylindre, de sorte que le procédé de contrôle du moteur n'est pas précis.
Le document FR-2 793 846 propose une estimation du débit d'air total en entrée du moteur, somme de l'air frais et de l'air amené par l'EGR. Toutefois, la solution exposée utilise des calculs complexes qui nécessitent de nombreuses mesures de capteur, de sorte que les incertitudes sur les mesures pénalisent la précision du résultat.
L'invention vise à pallier à ces inconvénients en proposant un procédé simple de détermination de la richesse cylindre via une estimation, et de la teneur en oxygène des gaz admis dans le moteur. Elle propose également un procédé de contrôle d'un moteur utilisant la richesse cylindre obtenue afin d'obtenir un réglage fin des conditions de combustion du moteur.
A cet effet, un premier objet de l'invention concerne un procédé d'estimation du rapport air/carburant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, le procédé comprenant les étapes consistant à :
  • déterminer le taux d'oxygène à l'échappement du moteur, noté [O 2 éch ]' et enregistrer la valeur obtenue,
  • déterminer le débit molaire d'oxygène admis dans le moteur, noté Q O 2 mot , et enregistrer la valeur obtenue,
  • déterminer le rapport air/carburant dans les cylindres du moteur, appelé richesse cylindre Rcyl, au moyen de la formule (3) citée plus haut.
L'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter le calcul du débit de gaz de recirculation.
Dans une variante, le taux d'oxygène à l'échappement du moteur est mesuré au moyen d'une sonde proportionnelle placée au niveau du circuit d'échappement des gaz.
Un deuxième objet de l'invention concerne un procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, des moyens d'injection de carburant dans le moteur et un système de contrôle du moteur relié aux différents actionneurs du moteur, le procédé comprenant les étapes consistant à :
  • estimer la richesse cylindre Rcyl du mélange air/carburant en entrée du moteur en utilisant le procédé d'estimation déjà décrit,
  • comparer la valeur de richesse cylindre estimée avec une valeur de richesse cylindre de consigne,
  • commander au moins l'un des actionneurs du moteur afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée.
Un tel contrôle du moteur en fonction de la richesse cylindre présente de nombreux avantages. Il permet par exemple d'homogénéiser la commande des différents actionneurs du circuit d'admission d'air. Les différentes cartographies de consigne utilisées habituellement pour commander la vanne EGR, le turbocompresseur ou le volet à l'admission d'air peuvent alors être remplacées par une seule cartographie, simplifiant ainsi la mise au point du moteur.
De plus, dans les systèmes actuels, des problèmes de transition se produisent lors du passage d'un mode normal de fonctionnement à un mode de régulation de richesse utilisé lors des phases de régénération des systèmes de traitement des gaz d'échappement. Un contrôle permanent des actionneurs en fonction de la richesse cylindre permet de supprimer ces problèmes.
Enfin, les émissions polluantes étant fonction de la richesse cylindre lors du fonctionnement du moteur, le procédé selon l'invention permet un contrôle plus précis de ces émissions.
Dans une variante, deux ou plusieurs actionneurs du moteur sont commandés indépendamment les uns des autres. Dans une autre variante, deux ou plusieurs actionneurs du moteur sont commandés en tenant compte des états des autres actionneurs afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée. Cette variante permet de ne pas dissocier les commandes des différents actionneurs et de privilégier, selon la situation, l'utilisation de l'un plutôt que d'un autre, afin d'obtenir des conditions optimales de combustion.
Un autre objet de l'invention concerne un dispositif de contrôle d'un moteur à combustion interne, ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, des moyens d'injection de carburant dans le moteur et un système de contrôle du moteur, ledit dispositif comprenant en outre une sonde proportionnelle de mesure du taux d'oxygène [O 2 éch ] située sur le circuit d'échappement et un calculateur relié au système de contrôle, ledit calculateur étant apte à recevoir et enregistrer la valeur mesurée et étant programmé pour estimer la richesse cylindre en mettant en oeuvre le procédé d'estimation décrit précédemment.
La simplicité de la méthode de calcul de la richesse cylindre selon l'invention permet de diminuer le nombre de valeurs mesurées ainsi que les incertitudes qui en découlent.
Dans une variante, le système de contrôle du moteur est programmé pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle du moteur.
D'autres modes de réalisation et avantages de l'invention seront décrits en référence au dessin annexé, non limitatif, dans lequel :
  • la figure unique est une représentation schématique d'un dispositif de contrôle pour la mise en oeuvre des procédés de l'invention.
Sur la figure unique, sont représentés un moteur à combustion interne 10, son circuit d'admission d'air et son circuit d'évacuation des gaz d'échappement.
Avant d'entrer dans le moteur 10, l'air suit le circuit d'admission d'air décrit ci-après. Il traverse un filtre à air 12, puis un compresseur 14 d'un turbocompresseur 16 afin d'être comprimé. Il est ensuite refroidi par un échangeur 18 et arrive au collecteur d'admission d'air 20 avant d'être introduit dans les cylindres du moteur 10 (non représentés).
Un moyen de mesure du débit d'air, tel qu'un débitmètre 22, est placé en sortie du filtre à air 12 et avant le collecteur d'admission 20. Avant le collecteur d'admission 20, et après l'échangeur de chaleur 18, une vanne de régulation (ou volet d'admission) 24 est placée afin de contrôler la quantité d'air frais introduite dans le collecteur d'admission 20. Des moyens de mesure de la température et de la pression 25 sont également prévus pour mesurer la température Tcoll (K) et la pression absolue Pcoll (Pa) dans le collecteur d'admission 20.
Après la combustion, les gaz d'échappement sont dirigés vers une turbine 15 du turbocompresseur 16, puis vers un dispositif de traitement 26, tel qu'un piège à oxydes d'azote (Nox-trap) et un filtre à particules, avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Une partie des gaz d'échappement du moteur est redirigée vers le collecteur d'admission 20, via un circuit de recirculation EGR 28 comportant une vanne de régulation 30.
Une sonde proportionnelle 32, telle qu'une sonde UEGO, est placée sur le circuit d'échappement des gaz afin de mesurer le taux d'oxygène qu'ils contiennent. Cette sonde est de préférence placée après la turbine 15 du turbocompresseur pour une mesure plus précise.
Un système de contrôle 34 commande les différents actionneurs du moteur, tel que par exemple les vannes 24 et 30 du dispositif, ainsi que le turbocompresseur 16. Il est relié à un calculateur 36 qui reçoit les informations provenant du débitmètre 22, des moyens de mesure de température et de pression 25, de la sonde proportionnelle 32. Il reçoit également les données de fonctionnement du moteur, telles que le régime de rotation du moteur (Nmot, en tr/min) et le débit de carburant injecté (Qcarb, en kg/s).
L'injection du carburant dans les cylindres du moteur est réalisée grâce à des moyens d'injection du carburant 38 reliés au réservoir de carburant du véhicule (non représenté). Ils sont commandés par le système de contrôle 34 et éventuellement reliés au calculateur 36.
Le calculateur 36 est programmé afin de mettre en oeuvre le procédé d'estimation de la richesse cylindre selon l'invention. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
  • déterminer le taux d'oxygène à l'échappement du moteur, noté [O 2 éch ], et enregistrer la valeur obtenue,
  • déterminer le débit molaire d'oxygène admis dans le moteur, noté Q O 2 moteur , et enregistrer la valeur obtenue,
  • déterminer le rapport air/carburant dans les cylindres du moteur, appelé richesse cylindre Rcyl , en tenant compte de l'air provenant de la recirculation des gaz d'échappement.
Lors de la première étape, le taux d'oxygène à l'échappement du moteur [O 2éch ] est mesuré au moyen de la sonde proportionnelle 32. Cette dernière fournit une valeur de tension Us qui est traduite en taux d'oxygène au moyen d'une table pré-calibrée mémorisée. Le taux d'oxygène ainsi obtenu est ensuite mémorisé. Ces mémorisations sont par exemple effectuées dans le calculateur 36.
Deux modes de réalisation de la détermination du débit molaire d'oxygène admis dans le moteur lors de la deuxième étape sont décrits ci-après.
Un premier mode de réalisation comprend les étapes consistant :
  • à déterminer les valeurs de température (Tcoll) et de pression absolue (Pcoll ) du collecteur d'admission (20), et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb), et enregistrer les valeurs obtenues,
  • et à déterminer le débit massique d'oxygène admis dans le moteur au moyen de l'équation suivante :
    Figure 00080001
dans laquelle :
  • M O 2 est la masse molaire de l'oxygène,
  • [O 2éch ] est la valeur du taux d'oxygène à l'échappement déterminé dans l'étape précédente,
  • ηvol est un rendement de remplissage du moteur, il est généralement cartographié en fonction du régime de rotation du moteur (Nmot) et du quotient de la pression sur température dans le collecteur d'admission (Pcoll /Tcoll ), cette cartographie est par exemple enregistrée dans le calculteur 36,
  • Vcyl est le volume total des cylindres du moteur (m3),
  • r est la constante des gaz parfaits.
Le débit de carburant Qcarb peut être calculé par le calculateur 36 en fonction d'une consigne carburant enregistrée. Il peut être calculé à partir d'un modèle ou de tables de caractérisation des injecteurs, indiquant le débit de carburant en fonction de la durée d'injection et du nombre d'injections dans le moteur. Par exemple : Qcarb = Ninj Nmot 60 Kinj (Dinj - D 0 )
Dans cette formule :
  • Ninj est le nombre d'injections par tour du moteur,
  • Nmot est le régime de rotation du moteur (en tr/min),
  • Kinj est le débit unitaire de l'injecteur, cette quantité est souvent extraite d'une table en fonction de la pression d'injection et la tension électrique aux bornes de l'injecteur,
  • Dinj est la durée de commande de l'injecteur,
  • D0 est la durée minimale de commande de l'injecteur qui permet l'ouverture de l'injecteur.
Le régime du moteur (Nmot ) peut être mesuré ou calculé d'une manière connue.
Dans un mode de réalisation particulier, cette solution est mise en oeuvre de la manière suivante : les valeurs (Pcoll, Tcoll) sont mesurées par les moyens de mesure de température et de pression 25 du collecteur d'admission, les données de fonctionnement Nmot et Qcarb sont déterminées tel que décrit précédemment, puis, le débit massique d'oxygène admis dans le moteur est déterminé à partir de ces valeurs enregistrées au moyen de l'équation (5). Le calculateur 36 est par exemple programmé à cet effet.
Il n'est alors pas nécessaire d'installer un débitmètre 22 en sortie du filtre à air 12, ce qui permet de simplifier la réalisation du circuit.
Cette solution présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre, toutefois, elle suppose que le système est statique, identique aux temps t et t+1.
Un deuxième mode de réalisation tend à considérer la dynamique du système. Il consiste à calculer le débit massique d'oxygène à partir d'un modèle dynamique approché. Ce modèle ne prend pas en compte la variation du nombre de moles d'oxygène provenant du circuit EGR, mais est constitué par un observateur du nombre de moles d'oxygène dans le collecteur d'admission. Il est représenté par le système d'équations différentielles ordinaires (6) suivant :
Figure 00090001
dans lequel, α = ηvol Nmot Vcyl 120 Vcoll , Q O 2 mot = M O2 α n O 2 col , et
  • z1 représente une estimation du taux d'oxygène à l'échappement,
  • z2 représente l'intégrale des écarts entre l'estimation et la mesure du taux d'oxygène à l'échappement [O 2éch ] '
  • τsonde est un coefficient qui caractérise le temps de réponse de la sonde proportionnelle 32,
  • Mair est la masse molaire de l'air,
  • fm O2 est la fraction molaire de l'oxygène dans l'air, supposée égale à 0,21,
  • nO2col est le nombre de moles d'oxygène contenues dans le collecteur d'admission,
  • Qair est le débit d'air frais admis dans le collecteur.
Les paramètres ηvol ' Vcyl et r, sont les mêmes que ceux décrits dans la solution précédente, Qcarb et Nmot peuvent également être obtenus tel que décrit précédemment.
Les coefficients C1, ..., C4 sont réglés lors de la mise au point du moteur, au cours d'essais de fonctionnement, de sorte que l'estimation du taux d'oxygène z1 se rapproche de la mesure à l'échappement de ce même taux faite par la sonde proportionnelle 32. Ils peuvent par exemple être déterminés de la manière suivante : C 1 = 1+ε2 2τsonde Pcoll Vcoll rTcoll C 2 = αC 1 C 3 = 1τ sonde C 4 = 1+ε2 2τ2 sonde    où ε est un coefficient constant, par exemple pris égal à 1, et représente l'obtention d'un compromis entre la rapidité et la stabilité du système. Ce choix des coefficients permet d'obtenir la convergence de manière stable et précise de l'estimation du taux d'oxygène à l'échappement z1 vers la mesure de ce même taux par la sonde proportionnelle 32.
Bien entendu, ces coefficients peuvent être calculés différemment.
Ce mode de réalisation comprend les étapes consistant à :
  • déterminer les valeurs de température (Tcoll ) et de pression absolue (Pcoll ) du collecteur d'admission (20), la valeur du débit d'air (Qair ) avant le collecteur d'admission et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb), et enregistrer les valeurs obtenues,
  • déterminer le débit massique d'oxygène admis dans le moteur au moyen du modèle dynamique représenté par le système d'équations différentielles ordinaires (6) décrit plus haut.
Dans un mode de réalisation particulier, elle est mise en oeuvre de la manière suivante : les valeurs (Pcoll, Tcoll) sont mesurées par les moyens de mesure de température et de pression du collecteur d'admission 25 et la valeur Qair est mesurée par le débitmètre 22. Ces valeurs, ainsi que les données de fonctionnement (Nmot, Qcarb) sont enregistrées. Puis, le débit massique d'oxygène admis dans le moteur est déterminé au moyen du système d'équations différentielles (6). L'enregistrement et les calculs sont par exemple effectués par le calculateur 36 programmé à cet effet.
Enfin, lors de la dernière étape du procédé d'estimation, le calculateur 36 détermine la richesse cylindre au moyen de la formule : Rcyl = k's QCarb QO2moteur , où
Figure 00110001
K's représente le rapport des débits oxygène/ carburant dans les conditions stoechiométriques de l'équation de combustion, MO2, MC et MH sont les masses molaires de l'oxygène (gaz), du carbone et de l'hydrogène, respectivement, et h = n/m, le carburant étant supposé de composition chimique CmHn.
Le procédé d'estimation de la richesse cylindre Rcyl selon l'invention peut être mis en oeuvre pour tout moteur comportant un circuit de recirculation des gaz. Le moteur peut être un moteur diesel ou essence à mélange pauvre. Il peut également être utilisé pour des moteurs ne comportant pas de turbocompresseur 16 et d'échangeur de chaleur 18. Bien entendu, d'autres moyens de détermination, par le calcul ou la mesure, peuvent être utilisés pour déterminer les valeurs des différents paramètres à chaque étape. Par ailleurs, le calculateur 36 peut faire partie intégrante du système de contrôle 34 ou être distinct.
Un exemple d'application de cette estimation de la richesse cylindre Rcyl est son utilisation pour un procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne, tel que décrit ci-après. Un tel procédé peut être utilisé avec un dispositif de contrôle d'un moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, des moyens d'injection de carburant 38 dans le moteur et un système de contrôle 34 du moteur relié aux différents actionneurs du moteur.
Ce procédé de contrôle comprend les étapes consistant à :
  • estimer la richesse cylindre Rcyl du mélange air/carburant en entrée du moteur en utilisant le procédé d'estimation décrit précédemment,
  • comparer la valeur de richesse cylindre estimée avec une valeur de richesse cylindre de consigne,
  • commander au moins l'un des actionneurs du moteur afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée.
   le système de contrôle 34 du moteur est par exemple programmé afin de mettre en oeuvre le procédé.
Dans une variante, deux ou plusieurs actionneurs du moteur sont commandés indépendamment les uns des autres. Cette variante est la plus simple dans la mesure où l'on ne tient pas compte des relations existant entre les différents actionneurs. Chaque actionneur est alors commandé suivant une boucle qui effectue les étapes d'estimation de la richesse cylindre, de comparaison avec la valeur de richesse cylindre de consigne et de commande de cet actionneur si un écart est constaté.
Dans une autre variante, les états des autres actionneurs sont pris en compte afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée, de manière à considérer ces relations et à améliorer la combustion du moteur. Tous les actionneurs ne sont alors pas forcément commandés en même temps.
Lorsque le circuit d'admission d'air comprend un collecteur d'admission d'air 20 équipé d'un volet d'admission 24 et le cas échéant un turbocompresseur 16, et que les moyens de recirculation de gaz d'échappement comprennent une vanne de régulation EGR 30, le procédé peut commander le ou lesdits actionneurs choisis parmi le volet d'admission 24 du collecteur d'admission d'air, le turbocompresseur 16, la vanne de régulation EGR 30, les moyens d'injection de carburant 38. Cette commande est réalisée via le système de contrôle 34.
Par exemple, les vannes 24 et 30 sont commandées par le système de contrôle 34 qui contrôle leur pourcentage d'ouverture. Dans le cas d'un turbocompresseur 16 à géométrie variable, ce dernier peut être commandé en contrôlant le pourcentage d'ouverture de ses ailettes. Dans le cas d'un turbocompresseur 16 à géométrie fixe, comprenant une vanne de dérivation ou waste-gate (non représentée), la commande est réalisée par le système de contrôle 34 qui contrôle le pourcentage d'ouverture de cette vanne. On peut envisager le contrôle d'autres actionneurs du moteur au moyen du procédé de contrôle de l'invention.
Bien entendu, d'autres modes de réalisation des procédés d'estimation de la richesse cylindre et de contrôle de moteur peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. Le dispositif peut être simplifié ou comporter d'autres actionneurs.

Claims (14)

  1. Procédé d'estimation du rapport air/carburant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne (10), ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
    déterminer le taux d'oxygène à l'échappement du moteur, noté [O 2 éch ], et enregistrer la valeur obtenue,
    déterminer le débit molaire d'oxygène admis dans le moteur, noté Q O 2 mot , et enregistrer la valeur obtenue,
    déterminer le rapport air/carburant dans les cylindres du moteur, appelé richesse cylindre Rcyl, au moyen de la formule : Rcyl = K's Qcarb Q O2mot où :
    Figure 00140001
    et représente le rapport des débits oxygène/ carburant dans les conditions stoechiométriques de l'équation de combustion,
    MO2, MC et MH sont les masses molaires de l'oxygène O2, du carbone C et de l'hydrogène H, respectivement,
    h = n m , le carburant étant de composition CmHn,
    Q carb est le débit de carburant injecté dans le moteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux d'oxygène à l'échappement du moteur [O2éch ] est mesuré au moyen d'une sonde proportionnelle (32) placée au niveau du circuit d'échappement des gaz.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, le moteur comprenant en outre un collecteur d'admission (20) dans le circuit d'admission d'air, caractérisé en ce que l'étape de détermination du débit molaire d'oxygène admis dans le moteur comprend les étapes consistant à :
    à déterminer les valeurs de température (Tcoll ) et de pression absolue (Pcoll ) du collecteur d'admission (20), et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb ), et enregistrer les valeurs obtenues,
    déterminer le débit massique d'oxygène admis dans le moteur au moyen de l'équation suivante :
    Figure 00150001
    dans laquelle :
    [O 2 éch ] est la valeur du taux d'oxygène à l'échappement déterminé dans l'étape précédente,
    ηvol est un rendement de remplissage du moteur,
    Nmot est le régime de rotation du moteur,
    Vcyl est le volume total des cylindres du moteur,
    r est la constante des gaz parfaits,
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, le moteur comprenant en outre un collecteur d'admission (20) dans le circuit d'admission d'air, caractérisé en ce que l'étape de détermination du débit molaire d'oxygène admis dans le moteur comprend les étapes consistant à :
    à déterminer les valeurs de température (Tcoll ) et de pression absolue (Pcoll ) du collecteur d'admission (20), la valeur du débit d'air (Qair ) avant le collecteur d'admission et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb), et enregistrer les valeurs obtenues,
    déterminer le débit massique d'oxygène admis dans le moteur au moyen d'un modèle dynamique représenté par le système d'équations différentielles ordinaires suivant :
    Figure 00150002
       dans lequel, α = ηvol Nmot Vcyl 120 Vcoll , Q O 2 mot = M O2 α n O 2 col , et
    z1 représente une estimation du taux d'oxygène à l'échappement,
    z2 représente l'intégrale des écarts entre l'estimation et la mesure du taux d'oxygène à l'échappement,
    τsonde est un coefficient qui caractérise le temps de réponse de la sonde,
    [O 2éch ] est la valeur du taux d'oxygène à l'échappement déterminé dans l'étape précédente,
    C1, ..., C4 sont des coefficients réglés lors de la mise au point du moteur de façon que l'estimation du taux d'oxygène z1 se rapproche de la mesure à l'échappement du taux [O 2éch ],
    Mair est la masse molaire de l'air,
    fmO 2 est la fraction molaire de l'oxygène dans l'air,
    n O 2 col est le nombre de moles d'oxygène contenues
       dans le collecteur d'admission,
    ηvol est un rendement de remplissage du moteur,
    Nmot est le régime de rotation du moteur,
    Vcyl est le volume total des cylindres du moteur,
    r est la constante des gaz parfaits.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les coefficients C1, C2, C3, C4 sont déterminés de la manière suivante : C 1= 1 + ε2 2τsonde Pcoll Vcoll r Tcoll C 2 = αC 1 C 3 = 1τ sonde C 4 = 1 + ε2 2τ2 sonde    où ε est un coefficient constant.
  6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le débit d'air est déterminé par un moyen de mesure de débit d'air (22) placé avant le collecteur d'admission (20).
  7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la température et la pression du collecteur d'admission sont déterminés par des moyens de mesure de température et pression (25) placés dans le collecteur d'admission (20).
  8. Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, des moyens d'injection de carburant (38) dans le moteur et un système de contrôle (34) du moteur relié aux différents actionneurs (24, 30, 38, 16) du moteur, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à :
    estimer la richesse cylindre (Rcyl ) du mélange air/carburant en entrée du moteur en utilisant le procédé d'estimation selon l'une des revendications 1 à 7,
    comparer la valeur de richesse cylindre estimée avec une valeur de richesse cylindre de consigne,
    commander au moins l'un des actionneurs (24, 30, 38, 16) du moteur afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée.
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux ou plusieurs actionneurs (24, 30, 38, 16) du moteur sont commandés indépendamment les uns des autres, ou en tenant compte des états des autres actionneurs afin de réduire l'écart entre la valeur de consigne et la valeur estimée.
  10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, le circuit d'admission d'air comprenant en outre un collecteur d'admission (20) équipé d'un volet d'admission (24), le cas échéant, un turbocompresseur (16), et les moyens de recirculation de gaz d'échappement comprenant une vanne de régulation EGR (30), caractérisé en ce que le ou lesdits actionneurs commandés sont choisis parmi le volet d'admission (24) du collecteur d'admission d'air, le turbocompresseur (16), la vanne de régulation EGR (30), les moyens d'injection de carburant (38).
  11. Dispositif de contrôle d'un moteur à combustion interne, ledit moteur comportant au moins un circuit d'admission d'air, un circuit d'échappement des gaz comprenant des moyens de recirculation des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, des moyens d'injection de carburant (38) dans le moteur et un système de contrôle (34) du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend :
    une sonde proportionnelle (32) de mesure du taux d'oxygène [O 2 éch ] située sur le circuit d'échappement,
    un calculateur (36) relié au système de contrôle (34), ledit calculateur étant apte à recevoir et enregistrer la valeur mesurée et étant programmé pour estimer la richesse cylindre en mettant en oeuvre le procédé d'estimation selon les revendications 1 ou 2.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collecteur d'admission (20) équipé de moyens de mesure (25) de la pression absolue (Pcoll ) et de la température (Tcoll ), ledit calculateur étant apte à recevoir et enregistrer les valeurs mesurées et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb ), et étant programmé pour estimer la richesse cylindre en mettant en oeuvre le procédé d'estimation selon la revendication 3.
  13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collecteur d'admission (20) équipé de moyens de mesure de la pression absolue (Pcoll ) et de la température (Tcoll ) et des moyens de mesure du débit d'air (22) avant le collecteur d'admission pour mesurer le débit d'air (Qair), ledit calculateur étant apte à recevoir et enregistrer les valeurs mesurées et des données de fonctionnement du moteur (Nmot, Qcarb), et étant programmé pour estimer la richesse cylindre en mettant en oeuvre le procédé d'estimation selon la revendication 4 ou 5.
  14. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le système de contrôle (34) du moteur est programmé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 8 à 10.
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