EP2250360A1 - Systeme de controle d'un moteur thermique a recirculation des gaz d'echappement - Google Patents

Systeme de controle d'un moteur thermique a recirculation des gaz d'echappement

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EP2250360A1
EP2250360A1 EP09720949A EP09720949A EP2250360A1 EP 2250360 A1 EP2250360 A1 EP 2250360A1 EP 09720949 A EP09720949 A EP 09720949A EP 09720949 A EP09720949 A EP 09720949A EP 2250360 A1 EP2250360 A1 EP 2250360A1
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EP
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control system
exhaust
duct
valve
closed
Prior art date
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Withdrawn
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EP09720949A
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German (de)
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Laurent Jacquot
Laurence Zettwoog
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Original Assignee
Renault SAS
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Definitions

  • the present invention generally relates to combustion engines internal combustion for a motor vehicle, using an exhaust gas recirculation system, known as EGR system (EGR is the English initials set for "Exhaust Gas Recirculation” ).
  • EGR exhaust gas recirculation system
  • An internal combustion engine thus conventionally comprises one or more cylinders each forming a combustion chamber 1.
  • a piston 2 slides in a reciprocating rectilinear motion in a cycle which will be described in the following. This movement is then converted into a continuous rotational movement via a connecting rod 3 connecting the piston 2 to the crankshaft 4.
  • Each cylinder is further closed by a cylinder head 5 equipped with two types of valves: the valves 6 of intake connecting the intake duct 7 to the combustion chamber 1, and allowing the combustion chamber to be fed with an air / fuel mixture (in the case of a petrol engine with indirect injection), or with air (in the case of a diesel engine or gasoline direct injection), and a second exhaust valve 8, connecting the combustion chamber 1 to the exhaust duct 9, so as to allow the evacuation of exhausted flue gas to the exhaust.
  • the positioning of the valves is controlled by a camshaft (not shown) connected to the crankshaft 4.
  • the control of the spark plug 10 is performed by an electronic control unit 11 which also receives information corresponding to the angular position of the crankshaft 4 via an angle sensor 12.
  • the decomposition of a combustion cycle for a conventional diesel engine is quite similar to that described above, except the first and third time. Indeed, during the first time, only air is admitted into the combustion chamber 1.
  • the operation of the diesel engine is based on the auto-ignition of diesel. It is thus not necessary to provide a spark plug to cause combustion.
  • an injector 10 makes it possible to introduce into the combustion chamber fuel that mixes with the compressed air. Self-ignition is obtained as a result of the heating of the air under the effect of compression.
  • the injector 10 ' is also controlled by an electronic control unit 11 in relation to the angular position of the crankshaft 4.
  • HCCI engines In addition to the two major families of internal combustion engines previously described, the so-called HCCI engines (English initials for "Homogeneous Charge Compression Ignition”) are also known, exhibiting characteristics derived from both diesel engines of the same type. Conventional (ie self-ignition combustion), and indirect injection engines (ie, achieving a homogeneous mixture of air and fuel). In a combustion cycle for an HCCI engine, the third time corresponds only to the combustion of the homogeneous mixture compressed strongly enough to obtain the point of auto-ignition. Since there is no direct trigger for combustion (spark plug or injector type), combustion control for this type of HCCI engine is more difficult to achieve.
  • the amount of nitrogen oxides produced can be reduced by mixing the gas admitted by the engine with an inert gas which will slow down the rate of combustion and absorb the calories, which will result in a decrease in the temperature of the engine. combustion.
  • the principle of an EGR system is to take a part of the exhaust gases, including inert gases, to recirculate in the intake duct.
  • An EGR system is thus conventionally constituted of a gas recirculation duct interposed between the exhaust duct and the inlet duct, of a so-called EGR valve, allowing, under the control of the engine control electronic module, to adjust the flow of the burned gas that will be redirected to the intake duct.
  • the EGR system may also include a heat exchanger for cooling recirculated flue gas, thereby avoiding an undesirable increase in particle production.
  • the HCCI engines described above also include an EGR system, but for different reasons. Indeed, an HCCI engine has extremely low emissions of nitrogen oxides. However, the EGR system will be used here permanently to slow down the ignition conditions of the air / fuel mixture.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages. More specifically, the present invention relates to a control system of an internal combustion engine for a motor vehicle, comprising a combustion chamber, an intake duct to allow a gas mixture containing air to enter the combustion chamber. the combustion chamber, an exhaust duct for allowing the escape of burnt gases from the combustion chamber, and an exhaust gas recirculation system comprising an exhaust gas recirculation duct interposed between the exhaust duct; exhaust and the intake duct, and an EGR valve adapted to adjust the flow of exhaust gas which will be redirected to the intake duct via the recirculation duct, characterized in that it further comprises a valve exhaust back-pressure in the exhaust duct downstream of the exhaust gas recirculation duct, able to regulate the flow of the non-redirected exhaust gases; rs the recirculation duct, means for estimating the EGR rate, and a sensor for measuring the exhaust pressure, in that the operation of said EGR valve is slaved in a first closed-loop control system as a function
  • the system may further comprise a heat exchanger, adapted to cool the recirculating exhaust gas in the exhaust gas recirculation duct, and an intake temperature sensor, the operation of said heat exchanger being enslaved in a third closed-loop control system according to the difference between the intake temperature value measured by the temperature sensor and a set value of the predetermined intake temperature.
  • the system may also further comprise a valve or an intake butterfly in the intake duct upstream of the exhaust gas recirculation duct, able to regulate the flow of air entering the duct.
  • a complete system may therefore comprise up to four separate closed-loop control systems each acting on a particular member of the engine (valve or heat exchanger) according to a single observation parameter (temperature, pressure or EGR rate depending on the case).
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates a possible embodiment of a control system for an internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 3 diagrammatically represents the general principle of servocontrol of the different control loops present for the control system of FIG. 2;
  • FIG. 4 details a closed loop of proportional-integral type;
  • FIG. 5 illustrates simulation results obtained for the motor control system of FIG. 2.
  • FIG. 2 the components of a control system for an internal combustion engine according to a preferred embodiment of the invention, particularly suitable for an engine type HCCI, will now be described.
  • the combustion chamber 1 of one of the cylinders of the engine inside which can slide the piston 2 connected to the crankshaft (not shown) via the rod 3.
  • This chamber of combustion can be put in relation on the one hand, with the intake duct 7, and on the other hand, with the exhaust duct 9, according to the respective positions of the intake valve 6 and the valve of Exhaust 8.
  • the system further comprises an EGR system conventionally comprising an exhaust gas recirculation duct 13 interposed between the exhaust duct 9 and the duct intake 7, and an EGR valve 14 for adjusting the flow of gas recirculation.
  • the control system also comprises a counter pressure valve 15 located, as shown in Figure 2, in the exhaust duct 9 downstream of the inlet of the recirculation duct 13.
  • the operation on the one hand of the EGR valve 14, and on the other hand the backpressure valve 15, is controlled in two separate closed-loop control systems, one being controlled by an estimate of the EGR rate, and the other by a measurement of the exhaust pressure.
  • the control system comprises means 16 for estimating the EGR rate.
  • the control system comprises a sensor 17 for measuring the exhaust pressure.
  • the EGR system further comprises a heat exchanger 18 whose role is to cool the exhaust gas recirculation.
  • a heat exchanger 18 whose role is to cool the exhaust gas recirculation.
  • the control system advantageously comprises an intake valve 20 located in the intake duct 7 upstream of the outlet of the recirculation duct 13, this intake valve being suitable to control the flow of fresh air that will be mixed with the recirculating gases.
  • the operation of the intake valve is advantageously also controlled by a fourth closed-loop control system whose servocontrol is performed from a measurement of the intake pressure delivered by a sensor 21 for measuring the pressure of the pressure. 'admission.
  • the sensors 19 and 21 and the means 16 for estimating the EGR rate are preferably placed at an intake manifold 22 within which the gaseous mixture will be homogenized.
  • the sensor 17 for measuring the exhaust pressure is preferably placed at a reserve 23. For other embodiments that do not have an intake manifold 22 or a reserve 23 at the outlet, the Sensors or estimator will be placed directly at the intake and / or exhaust ducts.
  • Each closed-loop control system comprises an actuator (the exhaust back-pressure valve 15, the EGR valve 14, the exhaust valve 15 respectively). heat exchanger 18 and the inlet valve 20)), all four actuators having been schematized here in the form of an actuator block B 2 .
  • a variable will be observed (measured or estimated) by an appropriate sensor or estimating means.
  • the set of four sensors / estimators consisting respectively of the exhaust pressure measurement sensor 17, the EGR rate estimation means 16, the intake temperature measurement sensor 19 and the measurement sensor 21 of the inlet pressure, is schematized here in the form of a sensor block Bi.
  • the observed values are each compared to a setpoint value (respectively denoted PE_C, TEGR_C, TA C and PA_C).
  • each actuator will receive from its associated corrector a command that will be a function of the measured value and the set value, and act accordingly on the engine.
  • the set of control systems (including at least the first system for the control of the EGR valve and the second system for the control of the exhaust valve) will act under the control of a timing member C which samples and rhythm the flow of instructions coming out of the correctors.
  • the corrector of each closed-loop control system may be, by way of non-limiting example, of the proportional-integral (P1) or proportional-integral-derivative (PID) type.
  • P1 proportional-integral
  • PID proportional-integral-derivative
  • An ideal PID corrector is the sum of three terms, expressed according to the following Laplacian relation:
  • the first term represents the proportional action - the second term represents the integral action - -
  • the third term represents the derivative action K d - p
  • a corrector of type Pl contains only the first two terms of the preceding relation.
  • FIG. 4 illustrates a particularly advantageous embodiment of a discrete type P1 corrector which can be used for each closed loop of the regulation systems described above.
  • the corrector contains the following elements:
  • a first amplifier Ai which amplifies the difference c -m between the set value c and the measured value.
  • a second amplifier A 2 of gain Kp which represents the gain of the proportional action.
  • a third amplifier A 3 of gain K i which represents the gain of the integral action.
  • the corrector as shown in Figure 4 advantageously comprises a saturation block A ⁇ which allows to integrate the limits of the controls of the actuator considered.
  • a saturation block A ⁇ which allows to integrate the limits of the controls of the actuator considered.
  • the command u corresponding to the correction, is between the minimum value u m i n and the maximum value u max .
  • the corrector preferably comprises a second saturation block A 7 , similar in principle to the block A 1, and which saturates the action of the integral. Indeed, in the application considered, the actuators commands must be saturated. If an instruction unrealizable by the system is requested, it may be that the corrector imposes a command higher than the limits of the actuator. Then, the command applied is the limit command. However, the integral action continues to integrate and imposes a command more and more strong.
  • the second block A 7 is accordingly an "anti windup" device.
  • timing device C As indicated above, it is the timing device C that will sample and rhythm the flow of instructions coming out of the correctors.
  • the timing can be obtained:
  • the sampling period is fixed.
  • the sampling period is then set by the rotational speed of the motor. It is also possible to alternate the two types of timing as a function, for example, of the engine speed. Thus, when the engine is running at low speed, the calculations to be made are fewer. Synchronous sampling with the motor can therefore be used. For the strongest regimes, it is preferred to perform the calculations at a fixed rate, chosen so as to save the calculation time.
  • this same timing device will also make it possible to manage the priorities between the different (at least two) closed loop control systems and define in the case where the correctors are dependent on each other, to do these calculations in the most judicious order. Also, for each instruction on the variables delivered by a control unit not shown, commands for the actuators are advantageously developed in a predefined order.
  • FIG. 5 illustrates the simulation results obtained for a control system comprising the four closed-loop control systems described above. More precisely :
  • the first diagram starting from the top of the figure illustrates in dashed lines the time evolution of the setpoint value PA C associated with the closed-loop control system controlling the operation of the intake valve or butterfly, and in solid line temporal evolution of the measured value P A _ m ;
  • the second diagram illustrates the corresponding change in the opening rate of the intake valve or butterfly
  • the third diagram illustrates in dashed lines the time evolution of the setpoint value PE C associated with the closed-loop control system controlling the operation of the exhaust back-pressure valve, and in full line the time evolution of the measured value PE_ m ;
  • the fourth diagram illustrates the corresponding change in the opening rate of the backpressure valve
  • the fifth diagram illustrates in dashed lines the time evolution of the setpoint value EGR rate _c associated with the closed-loop control system controlling the operation of the EGR valve, and in full line the time evolution of the measured value EGR rate _m
  • the sixth diagram illustrates the corresponding evolution of the opening rate of the EGR valve
  • the seventh diagram illustrates in dashed lines the temporal evolution of the setpoint value TA C associated with the closed-loop control system controlling the operation of the heat exchanger, and the solid line with the time evolution of the measured value T A _ m ;
  • the control system according to the invention is used for an on-board real-time control. It constantly acts on the engine parameters so that it provides optimal performance at all times. Thus, the system is free to act properly to stabilize the engine.
  • control system is particularly indicated for conventional diesel engines or for HCCI engines.

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Abstract

L'invention concerne un système de contrôle d'un moteur thermique à combustion interne comprenant une chambre de combustion (1), un conduit d'admission (7), un conduit d'échappement (9) et un système EGR avec un conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement et une vanne EGR (14). Selon l'invention, le système comporte également une vanne (15) de contre- pression d'échappement dans le conduit d'échappement (9) en aval du conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement, des moyens (16) d'estimation du taux EGR, et un capteur (17) de mesure de la pression d'échappement;la vanne EGR (14) est contrôlée dans un premier système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur estimée de taux d'EGR délivrée par lesdits moyens (16) d'estimation et une valeur de consigne du taux EGR prédéterminée, et la vanne (15) de contre-pression est contrôlée dans un deuxième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de pression d'échappement mesurée par le capteur (17) de mesure et une valeur de consigne de la pression d'échappement prédéterminée. Avantage: Maîtrise et obtention d'un fort taux EGR

Description

SYSTEME DE CONTROLE D'UN MOTEUR THERMIQUE A RECIRCULATION DES GAZ
D'ECHAPPEMENT
La présente invention concerne de façon générale les moteurs thermiques à combustion interne pour véhicule automobile, utilisant un système à recirculation des gaz d'échappement, connu sous le nom de système EGR (EGR étant les initiales anglo-saxonnes mises pour « Exhaust Gas Recirculation »).
Les moteurs thermiques à combustion interne sont généralement classifiés en deux grandes familles : Les moteurs à essence et les moteurs Diesel. La figure 1 illustre de façon schématique les composants communs à ces deux types de moteurs.
Un moteur à combustion interne comporte ainsi classiquement un ou plusieurs cylindres formant chacun une chambre de combustion 1. Dans chaque cylindre, un piston 2 coulisse en un mouvement rectiligne alternatif selon un cycle qui sera décrit dans la suite. Ce mouvement est ensuite transformé en un mouvement de rotation continu par l'intermédiaire d'une bielle 3 reliant le piston 2 au vilebrequin 4. Chaque cylindre est en outre fermé par une culasse 5 équipée de deux types de soupapes : les soupapes 6 d'admission reliant le conduit d'admission 7 à la chambre de combustion 1 , et permettant l'alimentation de la chambre de combustion en mélange air/carburant (cas d'un moteur essence à injection indirecte), ou en air (cas d'un moteur diesel ou essence à injection directe), et une deuxième soupape 8 d'échappement, reliant la chambre de combustion 1 au conduit d'échappement 9, de façon à permettre l'évacuation des gaz brûlés détendus vers l'échappement. Le positionnement des soupapes est commandé par un arbre à cames (non représenté) relié au vilebrequin 4.
Dans les moteurs à essence à injection indirecte utilisés sur les véhicules automobiles, un cycle de combustion se décompose classiquement selon les quatre temps suivants, chaque temps correspondant à un quart d'une rotation complète du vilebrequin 4 :
- premier temps (admission) : Descente du piston 2 et ouverture de la soupape d'admission 6 pour permettre à un mélange homogène air/carburant, obtenu par un carburateur ou un système d'injection indirecte (non représentés), de pénétrer dans la chambre de combustion 1.
- deuxième temps (compression) : fermeture de la soupape d'admission 6 et remontée du piston 2 de façon à comprimer le mélange dans la chambre de combustion ;
- troisième temps (combustion, détente) : Génération d'une étincelle par une bougie d'allumage 10, et combustion du mélange dans la chambre de combustion 1 qui provoque la descente du piston 2 ;
- quatrième temps (échappement) : Ouverture de la soupape 8 d'échappement pour permette l'évacuation des gaz brûlés.
La commande de la bougie d'allumage 10 est réalisée par un boîtier électronique de commande 11 qui reçoit par ailleurs une information correspondant à la position angulaire du vilebrequin 4 par l'intermédiaire d'un capteur d'angle 12. La décomposition d'un cycle de combustion pour un moteur Diesel de type conventionnel (injection directe) est assez similaire à celle décrite précédemment, à l'exception du premier et du troisième temps. En effet, lors du premier temps, seul de l'air est admis dans la chambre de combustion 1. En outre, le fonctionnement du moteur Diesel repose sur l'auto-inflammation du gazole. Il n'est ainsi pas nécessaire de prévoir une bougie d'allumage pour provoquer la combustion. De manière différente, lors du troisième temps (injection - combustion - détente), un injecteur 10' permet d'introduire dans la chambre de combustion du carburant qui se mélange à l'air comprimé. L'auto- inflammation est obtenue à la suite de l'échauffement de l'air sous l'effet de la compression. Tout comme dans le cas de la bougie d'allumage 10 d'un moteur à essence, l'injecteur 10' est également commandé par un boîtier électronique de commande 11 en relation avec la position angulaire du vilebrequin 4.
Outre les deux grandes familles de moteurs à combustion interne précédemment décrites, on connait également les moteurs dits HCCI (initiales anglo-saxonnes mises pour "Homogeneous Charge Compression Ignition"), présentant des caractéristiques issues à la fois des moteurs Diesel de type conventionnel (à savoir combustion par auto inflammation), et des moteurs à injection indirecte (à savoir la réalisation d'un mélange homogène entre l'air et le carburant). Dans un cycle de combustion pour un moteur HCCI, le troisième temps correspond uniquement à la combustion du mélange homogène comprimé assez fortement pour obtenir le point d'auto-allumage. Comme il n'y a pas d'élément déclencheur direct de la combustion (de type bougie d'allumage ou injecteur), le contrôle de la combustion pour ce type de moteur HCCI est plus difficile à réaliser.
Par ailleurs, il est connu d'équiper un moteur thermique à combustion interne à essence et surtout Diesel de type conventionnel d'un système à recirculation de gaz d'échappement, ou système EGR, dans le but de réduire la production des polluants dont les oxydes d'azote, et de répondre ainsi aux exigences des normes anti-pollution. La production d'oxydes d'azote est essentiellement liée à la présence d'oxygène et à des températures de combustion élevées. Les moteurs Diesels sont donc plus particulièrement concernés par ce problème car ils fonctionnent à des températures de combustion supérieures à celles rencontrées dans les moteurs à essence.
On peut réduire la quantité d'oxydes d'azote produite en mélangeant le gaz admis par le moteur avec un gaz inerte qui va permettre de ralentir la vitesse de combustion et absorber les calories, ce qui va se traduire par une baisse de la température de combustion. Le principe d'un système EGR consiste à prélever une partie des gaz d'échappement, comportant des gaz inertes, pour la faire recirculer dans le conduit d'admission. Un système EGR est ainsi classiquement constitué d'un conduit de recirculation des gaz interposé entre le conduit d'échappement et le conduit d'admission, d'une vanne dite vanne EGR, permettant, sous la commande du module électronique de commande moteur, de régler le débit du gaz brûlé qui va être redirigé vers le conduit d'admission. Le système EGR peut comporter également un échangeur thermique pour refroidir les gaz brûlés en recirculation, et éviter ainsi une augmentation non souhaitable de production de particules. Les moteurs HCCI décrits précédemment comportent également un système EGR, mais pour des raisons différentes. En effet, un moteur HCCI présente des émissions d'oxydes d'azote extrêmement faibles. Néanmoins, le système EGR va être ici utilisé en permanence pour ralentir les conditions d'inflammation du mélange air/carburant.
De nombreux systèmes de contrôle ont déjà été proposés pour tenter un réglage optimum de différents paramètres du moteur de façon à réduire au mieux les émissions polluantes, tout en optimisant la consommation et les performances du moteur. Aucun système ne permet cependant d'une part, d'obtenir un taux d'EGR suffisamment important (typiquement de l'ordre 50%), et d'autre part, de maîtriser très précisément ce taux, cette maîtrise étant d'autant plus cruciale dans le cas d'un moteur HCCI pour les raisons explicitées ci-avant.
La présente invention a pour but de pallier à ces inconvénients. Plus précisément, la présente invention a pour objet un système de contrôle d'un moteur thermique à combustion interne pour véhicule automobile, comprenant une chambre de combustion, un conduit d'admission pour permettre à un mélange gazeux contenant de l'air de pénétrer dans la chambre de combustion, un conduit d'échappement pour autoriser l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre de combustion, et un système de recirculation des gaz d'échappement comprenant un conduit de recirculation de gaz d'échappement interposé entre le conduit d'échappement et le conduit d'admission, et une vanne EGR apte à régler le débit de gaz d'échappement qui va être redirigé vers le conduit d'admission via le conduit de recirculation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une vanne de contre-pression d'échappement dans le conduit d'échappement en aval du conduit de recirculation de gaz d'échappement, apte à réguler le débit des gaz d'échappement non redirigés vers le conduit de recirculation, des moyens d'estimation du taux EGR, et un capteur de mesure de la pression d'échappement, en ce que le fonctionnement de ladite vanne EGR est asservi dans un premier système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur estimée de taux d'EGR délivrée par lesdits moyens d'estimation et une valeur de consigne du taux EGR prédéterminée, et en ce que le fonctionnement de ladite vanne de contre-pression est asservi dans un deuxième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de pression d'échappement mesurée par le capteur de mesure et une valeur de consigne de la pression d'échappement prédéterminée.
L'utilisation d'une vanne de contre-pression d'échappement va permettre l'obtention d'un taux EGR beaucoup plus important que dans les systèmes connus. En outre, le fait de contrôler le fonctionnement de la vanne EGR et la vanne de contre-pression par deux systèmes de régulation distincts en boucle fermée, l'un, réalisant la régulation à partir d'une mesure de la pression de d'échappement, l'autre à partir d'une estimation du taux EGR, permet d'obtenir plus rapidement une stabilité dans le fonctionnement du moteur.
Le système peut comporter en outre un échangeur thermique, apte à refroidir les gaz d'échappement en recirculation dans le conduit de recirculation de gaz d'échappement, et un capteur de température d'admission, le fonctionnement dudit échangeur thermique étant asservi dans un troisième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de température d'admission mesurée par le capteur de température et une valeur de consigne de la température d'admission prédéterminée. En variante ou en combinaison, le système peut également comporter en outre une vanne ou un papillon d'admission dans le conduit d'admission en amont du conduit de recirculation de gaz d'échappement, apte à réguler le débit d'air entrant dans le conduit d'admission, et un capteur de mesure de la pression d'admission, le fonctionnement de ladite vanne ou papillon d'admission étant asservi dans un quatrième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de pression d'admission mesurée par le capteur de mesure et une valeur de consigne de la pression d'admission prédéterminée.
Un système complet selon un mode de réalisation préféré de l'invention pourra donc comprendre jusqu'à quatre systèmes distincts de régulation en boucle fermée agissant chacun sur un organe particulier du moteur (vanne ou échangeur thermique) en fonction d'un unique paramètre d'observation (température, pression ou taux EGR selon les cas).
La présente invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif préféré d'un système de contrôle d'un moteur thermique, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 déjà décrite représente schématiquement les composants classiques d'un moteur thermique à combustion interne ;
- la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation possible d'un système de contrôle pour moteur thermique à combustion interne selon l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement le principe général d'asservissement des différentes boucles de régulation présentes pour le système de contrôle de la figure 2 ; - la figure 4 détaille une boucle fermée de type proportionnelle- intégrale ;
- la figure 5 illustre des résultats de simulation obtenus pour le système de contrôle de moteur de la figure 2.
En référence à la figure 2, les éléments composant un système de contrôle pour un moteur thermique à combustion interne conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, particulièrement adapté à un moteur de type HCCI, vont maintenant être décrits. Par souci de clarté, les éléments communs à la figure 1 portent les mêmes références. On retrouve ainsi sur cette figure la chambre de combustion 1 de l'un des cylindres du moteur, à l'intérieur de laquelle peut coulisser le piston 2 relié au vilebrequin (non représenté) par l'intermédiaire de la bielle 3. Cette chambre de combustion peut être mise en relation d'une part, avec le conduit d'admission 7, et d'autre part, avec le conduit d'échappement 9, selon les positions respectives de la soupape d'admission 6 et de la soupape d'échappement 8. Le système comporte en outre un système EGR comprenant classiquement un conduit 13 de recirculation de gaz d'échappement interposé entre le conduit d'échappement 9 et le conduit d'admission 7, ainsi qu'une vanne EGR 14 permettant de régler le débit du gaz en recirculation.
Conformément à l'invention, le système de contrôle comporte également une vanne de contre-pression 15 située, comme le montre la figure 2, dans le conduit d'échappement 9 en aval de l'entrée du conduit de recirculation 13. En outre, le fonctionnement d'une part de la vanne EGR 14, et d'autre part de la vanne de contre-pression 15, est asservi dans deux systèmes de régulation en boucle fermée distincts, l'un étant contrôlé par une estimation du taux EGR, et l'autre par une mesure de la pression d'échappement. Pour le fonctionnement du premier système de régulation agissant sur la vanne EGR, le système de contrôle comporte des moyens 16 d'estimation du taux EGR. Pour le fonctionnement du deuxième système de régulation agissant sur la vanne de contre-pression 15, le système de contrôle comporte un capteur 17 de mesure de la pression d'échappement. Par ailleurs, dans le mode de réalisation préféré représenté ici, le système EGR comporte en outre un échangeur thermique 18 dont le rôle est de refroidir les gaz d'échappement en recirculation. Dans ce cas, il est prévu avantageusement de contrôler le fonctionnement de cet échangeur par un troisième système de régulation en boucle fermée dont l'asservissement est réalisé à partir d'une mesure de la température d'admission délivrée par un capteur 19 de mesure de la température d'admission.
Enfin, toujours dans le cadre du mode de réalisation préféré, le système de contrôle comporte avantageusement une vanne d'admission 20 située dans le conduit d'admission 7 en amont de la sortie du conduit de recirculation 13, cette vanne d'admission étant apte à contrôler le débit d'air frais qui va être mélangé avec les gaz en recirculation. Le fonctionnement de la vanne d'admission est avantageusement également contrôlé par un quatrième système de régulation en boucle fermée dont l'asservissement est réalisé à partir d'une mesure de la pression d'admission délivrée par un capteur 21 de mesure de la pression d'admission. Les capteurs 19 et 21 et les moyens 16 d'estimation du taux EGR sont de préférence placés au niveau d'un collecteur d'admission 22 à l'intérieur duquel le mélange gazeux va être homogénéisé. De même, le capteur 17 de mesure de la pression d'échappement est de préférence placé au niveau d'une réserve 23. Pour d'autres modes de réalisation ne disposant pas de collecteur d'admission 22 ou de réserve 23 en sortie, les capteurs ou estimateur seront placés directement au niveau des conduits d'admission et/ou d'échappement.
Le principe du contrôle par systèmes distincts de régulation en boucle fermée est résumé schématiquement sur la figure 3. Chaque système de régulation en boucle fermée comprend un actionneur (respectivement la vanne de contre-pression d'échappement 15, la vanne EGR 14, l'échangeur thermique 18 et la vanne d'admission 20,), l'ensemble des quatre actionneurs ayant ici été schématisé sous la forme d'un bloc actionneur B2. Pour chaque système, une variable va être observée (mesurée ou estimée) par un capteur ou un moyen d'estimation approprié. L'ensemble des quatre capteurs/estimateurs, constitué respectivement du capteur 17 de mesure de la pression d'échappement, des moyens d'estimation du taux EGR 16, du capteur 19 de mesure de la température d'admission et du capteur 21 de mesure de la pression d'admission, est schématisé ici sous la forme d'un bloc capteur Bi . Les valeurs observées (respectivement notées PE_ΓΠ, TEGR_m> TA m et PA_ΓΠ) sont comparées chacune à une valeur de consigne (respectivement notées PE_C, TEGR_C, TA C et PA_C).
L'écart entre la variable observée et la valeur de consigne est alors corrigé par un correcteur. Les quatre correcteurs nécessaires ici ont été regroupés dans un bloc correcteur B3. Ainsi, chaque actionneur va recevoir de son correcteur associé une commande qui va être fonction de la valeur mesurée et de la valeur de consigne, et agir en conséquence sur le moteur.
L'ensemble des systèmes de régulation (comprenant au minimum le premier système pour le contrôle de la vanne EGR et le deuxième système pour le contrôle de la vanne de contre-échappement) va agir sous la commande d'un organe de cadencement C qui échantillonne et rythme le flux de consignes sortant des correcteurs.
Le correcteur de chaque système de régulation en boucle fermée peut être, à titre d'exemple non limitatif, de type proportionnel-intégral (Pl), ou de type proportionnel-intégral-dérivé (PID).
Un correcteur PID idéal est la somme de trois termes, exprimée selon la relation Laplacienne suivante :
C{p) = K +^ + Kd - p dans laquelle P
- le premier terme représente l'action proportionnelle^ - le deuxième terme représente l'action intégrale — -
P
- le troisième terme représente l'action dérivée Kd - p
La représentation discrète de ce correcteur avec une fréquence d'échantillonnage Te peut s'exprimer selon la relation suivante : C{z) = Kp +Kr Te — 1— + ^(l-z-1) dans laquelle z"1 est l'opérateur retard.
Un correcteur de type Pl ne comporte que les deux premiers termes de la relation précédente.
La figure 4 illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux d'un correcteur discret de type Pl qui peut être utilisé pour chaque boucle fermée des systèmes de régulation décrits précédemment. Le correcteur comporte les éléments suivants:
- un premier amplificateur Ai qui amplifie l'écart c -m entre la valeur de consigne c et la valeur mesurée. - un deuxième amplificateur A2 de gain Kp qui représente le gain de l'action proportionnel.
- un troisième amplificateur A3 de gain Ki qui représente le gain de l'action intégrale.
- un multiplicateur A4 qui permet de faire intervenir la période d'échantillonnage Te dans le calcul de l'intégrale discrète, et
- un opérateur A5 de retard z"1 qui représente sous forme discrète la valeur précédemment calculée, qui intervient dans le calcul de l'intégrale.
En outre, le correcteur tel que représenté sur la figure 4 comporte avantageusement un bloc de saturation AÔ qui permet d'intégrer les limites des commandes de l'actionneur considéré. Typiquement,
Si M ≥ u max alors u = u max et si u ≤ u mi •n alors u = u mi •n
Ainsi la commande u, correspondant à la correction, est comprise entre la valeur minimum umin et la valeur maximum umax. Enfin, le correcteur comporte de préférence un deuxième bloc de saturation A7, similaire dans le principe au bloc A^, et qui sature l'action de l'intégrale. En effet, dans l'application considérée, les commandes des actionneurs doivent être saturées. Si une consigne irréalisable par le système est demandée, il se peut que le correcteur impose une commande supérieure aux limites de l'actionneur. Alors, la commande appliquée est la commande limite. Cependant, l'action intégrale continue d'intégrer et impose une commande de plus en plus forte. Si, soudainement, la consigne reprend une valeur réalisable par le système, la commande issue par le correcteur avant sa saturation est tellement forte qu'elle peut mettre assez longtemps avant de diminuer. Dans ce cas, la commande appliquée reste la commande limite et le système ne réagit pas. Ce phénomène d'emballement est connu sous le nom anglo-saxon de « windup ». Le deuxième bloc A7 est en conséquence un dispositif « anti windup ».
Comme cela a été indiqué précédemment, c'est l'organe de cadencement C qui va échantillonner et rythmer le flux de consignes sortant des correcteurs. Le cadencement peut être obtenu :
- soit, indépendamment de la position du moteur. Dans ce cas, la période d'échantillonnage est fixe.
- soit en fonction d'une ou plusieurs positions du vilebrequin. La période d'échantillonnage est alors fixée par la vitesse de rotation du moteur. II est également possible d'alterner les deux types de cadencement en fonction par exemple du régime moteur. Ainsi, lorsque le moteur tourne à faible régime, les calculs à effectuer sont moins nombreux. On peut donc utiliser un échantillonnage synchrone avec le moteur. Pour les plus forts régimes, on choisit de préférence de réaliser les calculs selon une cadence fixe, choisie de manière à économiser le temps de calcul.
En plus de cadencer les calculs des correcteurs, ce même organe de cadencement va également permettre de gérer les priorités entre les différents (au moins deux) systèmes de régulation en boucle fermée et définir dans le cas où les correcteurs sont dépendants les uns des autres, de faire ces calculs dans l'ordre le plus judicieux. Aussi, pour chaque consigne sur les variables délivrée par un boîtier de régulation non représenté, des commandes pour les actionneurs sont élaborées avantageusement selon un ordre prédéfini.
La figure 5 illustre les résultats de simulation obtenus pour un système de contrôle comportant les quatre systèmes de régulation en boucle fermée décrit précédemment. Plus précisément :
- le premier diagramme en partant du haut de la figure illustre en pointillés l'évolution temporelle de la valeur de consigne PA C associée au système de régulation en boucle fermée contrôlant le fonctionnement de la vanne ou papillon d'admission, et en trait plein l'évolution temporelle de la valeur mesurée PA_m ;
- le deuxième diagramme illustre l'évolution correspondante du taux d'ouverture de la vanne ou papillon d'admission,
- le troisième diagramme illustre en pointillés l'évolution temporelle de la valeur de consigne PE C associée au système de régulation en boucle fermée contrôlant le fonctionnement de la vanne de contre-pression d'échappement, et en trait plein l'évolution temporelle de la valeur mesurée PE_m ;
- le quatrième diagramme illustre l'évolution correspondante du taux d'ouverture de la vanne de contre-pression ; - le cinquième diagramme illustre en pointillés l'évolution temporelle de la valeur de consigne TauxEGR_c associée au système de régulation en boucle fermée contrôlant le fonctionnement de la vanne EGR, et en trait plein l'évolution temporelle de la valeur mesurée TauxEGR_m ; - le sixième diagramme illustre l'évolution correspondante du taux d'ouverture de la vanne EGR ;
- le septième diagramme illustre en pointillés l'évolution temporelle de la valeur de consigne TA C associée au système de régulation en boucle fermée contrôlant le fonctionnement de l'échangeur thermique, et en trait plein l'évolution temporelle de la valeur mesurée TA_m ;
- le huitième diagramme illustre l'évolution correspondante de la commande de l'échangeur
On constate d'après ces différents diagrammes que l'asservissement de chaque action permet d'atteindre la consigne sans erreur statique. En outre, la stabilité est maîtrisée. Comme pour tous les systèmes asservis, un compromis est cependant à faire entre la rapidité et la stabilité. Les commandes s'adaptent bien aux différents points de fonctionnement du moteur. Enfin, le système permet l'obtention d'un taux EGR de forte valeur et parfaitement maîtrisé.
D'autres simulations ont permis de montrer qu'une bonne maîtrise d'un taux EGR important pouvait être obtenue par la seule utilisation des deux systèmes distincts de régulation contrôlant le fonctionnement de la vanne EGR et de la vanne de contre-pression.
Le système de contrôle selon l'invention est utilisé pour un contrôle temps réel embarqué. Il agit en permanence sur les paramètres du moteur afin que celui-ci fournisse à tout moment des performances optimales. Ainsi, le système est libre d'agir convenablement afin de stabiliser le moteur.
L'utilisation d'un tel système de contrôle est particulièrement indiquée pour les moteurs Diesel de type conventionnel ou pour les moteurs HCCI.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de contrôle d'un moteur thermique à combustion interne pour véhicule automobile, comprenant une chambre de combustion (1 ), un conduit d'admission (7) pour permettre à un mélange gazeux contenant de l'air de pénétrer dans la chambre de combustion, un conduit d'échappement (9) pour autoriser l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre de combustion (1 ), et un système de recirculation des gaz d'échappement comprenant un conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement interposé entre le conduit d'échappement (9) et le conduit d'admission (7), et une vanne EGR (14) apte à régler le débit de gaz d'échappement qui va être redirigé vers le conduit d'admission via le conduit (13) de recirculation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une vanne (15) de contre-pression d'échappement dans le conduit d'échappement (9) en aval du conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement, apte à réguler le débit des gaz d'échappement non redirigés vers le conduit de recirculation, des moyens (16) d'estimation du taux EGR, et un capteur (17) de mesure de la pression d'échappement, en ce que le fonctionnement de ladite vanne EGR (14) est asservi dans un premier système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur estimée de taux d'EGR délivrée par lesdits moyens (16) d'estimation et une valeur de consigne du taux EGR prédéterminée, et en ce que le fonctionnement de ladite vanne (15) de contre-pression est asservi dans un deuxième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de pression d'échappement mesurée par le capteur (17) de mesure et une valeur de consigne de la pression d'échappement prédéterminée.
2. Système de contrôle selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur thermique (18), apte à refroidir les gaz d'échappement en recirculation dans le conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement, et un capteur (19) de température d'admission, le fonctionnement dudit échangeur thermique (18) étant asservi dans un troisième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de température d'admission mesurée par le capteur (19) de température et une valeur de consigne de la température d'admission prédéterminée.
3. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une vanne ou un papillon (20) d'admission dans le conduit d'admission (20) en amont du conduit (13) de recirculation de gaz d'échappement, apte à réguler le débit d'air entrant dans le conduit d'admission, et un capteur (21 ) de mesure de la pression d'admission, le fonctionnement de ladite vanne ou papillon (20) d'admission étant asservi dans un quatrième système de régulation en boucle fermée en fonction de l'écart entre la valeur de pression d'admission mesurée par le capteur (21 ) de mesure et une valeur de consigne de la pression d'admission prédéterminée.
4. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des systèmes de régulation en boucle fermée comporte un correcteur de type proportionnel-intégral- dérivé.
5. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des systèmes de régulation en boucle fermée comporte un correcteur de type proportionnel-intégral.
6. Système de contrôle selon la revendication 5, caractérisé en ce que le correcteur comporte un premier bloc de saturation (AÔ) pour limiter la correction entre une valeur minimum (umin) et une valeur maximum
(Umax)-
7. Système de contrôle selon la revendication 6, caractérisé en ce que le correcteur comporte un dispositif anti windup (A7).
8. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de cadencement (C) apte a cadencer les calculs de chaque correcteur.
9. Système de contrôle selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe de cadencement est apte à générer une période d'échantillonnage fixe indépendant de la position du moteur, et/ou une période d'échantillonnage fixée par la vitesse de rotation du moteur.
10. Système de contrôle selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe de cadencement (C) est également apte à gérer les priorités entre au moins deux systèmes de régulation en boucle fermée.
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