EP4234909A1 - Procédé de contrôle de la richesse du mélange carburé d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile - Google Patents

Procédé de contrôle de la richesse du mélange carburé d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile Download PDF

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EP4234909A1
EP4234909A1 EP23156550.8A EP23156550A EP4234909A1 EP 4234909 A1 EP4234909 A1 EP 4234909A1 EP 23156550 A EP23156550 A EP 23156550A EP 4234909 A1 EP4234909 A1 EP 4234909A1
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    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow

Definitions

  • the present invention relates to the control of an internal combustion engine and more particularly of a controlled ignition engine, during a transient operating phase of the engine.
  • This difference in richness is due to a poor estimation of the air flow entering the engine and can lead to an increase in polluting emissions, an increase in engine noise and/or a driving pleasure problem due to jerks.
  • the driver of the vehicle determines, by actuating the accelerator pedal, a vehicle acceleration setpoint. From the acceleration setpoint and the engine speed, a computer defines an engine torque setpoint to be obtained in order to reach this acceleration setpoint.
  • the torque setpoint is translated into a mass air flow setpoint Qair, into an ignition advance value AA which is chosen preferably so as to optimize the combustion efficiency, and in a richness setpoint generally equal to 1, which corresponds to the flow rate of the fuel that must be burned in stoichiometric proportions to obtain the torque while making operate a three-way catalyst of the engine in its catalytic operating range in which it is able to treat unburnt hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides.
  • AA ignition advance value
  • a recirculated gas mass flow setpoint Qegr is also defined which corresponds to the recirculation rate to be applied to comply with the target fuel consumption.
  • the sum of the air flow Qair and the recirculated gas flow Qegr represents the total gas mass flow Qmot entering the engine, which is generally regulated by adjusting the position of a throttle body in the air intake circuit of the engine, so as to obtain a pressure value Pcol in the engine intake manifold corresponding to the total gas flow rate sought, the recirculated gas flow rate Qegr being obtained by adjusting the position of a valve in the partial recirculation circuit, the desired air flow Qair being obtained indirectly as the difference between the total gas flow Qmot and the recirculated gas flow Qegr.
  • An engine computer uses an air filling model, which makes it possible to determine the value of the minimum pressure of the intake manifold to meet the engine torque setpoint.
  • filling is defined as being equal to the ratio between the mass of air actually sucked in and the mass of air which could have entered by considering only the total volume of the cylinders.
  • the value of the efficiency ⁇ rdvl depends at least on the speed N and the pressure in the intake manifold Pcol.
  • variable valve timing system also called VVT system, from the English acronym for: Variable Valve Timing
  • VVT system from the English acronym for: Variable Valve Timing
  • the efficiency ⁇ rdvl also depends on the position of this VVT system at the intake, which determines the instants of opening and closing of the intake valves in the engine's combustion cycle.
  • the efficiency also depends on the position of this exhaust VVT system, which determines the times of opening and closing exhaust valves, although the sensitivity of the efficiency value to the position of the exhaust VVT system is much less than in the case of an intake VVT system.
  • volumetric efficiency is mapped by preliminary tests on the bench according to these parameters: engine speed; couple ; and, position of the VVT system on intake, and the map is stored in the memory of the engine computer. It is possible for example not to take into account the position of the VVT system on the exhaust, if the engine has such a system.
  • the computer determines a current value of the speed N, of the pressure in the intake manifold Pcol and of a value of the position of the VVT system at intake, then it uses the mapping to calculate the volumetric efficiency value.
  • the computer also determines a current value of the temperature Tcol in the exhaust manifold. It then uses the filling model to calculate a value of the total gas flow Qmot, then a value of the air flow Qair by subtracting the flow of recirculated gases Qegr from the total gas flow Qmot.
  • the recirculated gas flow Qegr can be determined, for its part, for example in a manner known per se from a Barré Saint Venant equation at the terminals of the valve of the recirculation circuit.
  • the richness adjustment is generally carried out in a closed loop on a set value.
  • the system measures, for example, the actual richness of the combustion gases leaving the engine using a proportional oxygen sensor located upstream of a three-way catalytic converter in the engine.
  • the value of the difference in richness between the measured value and the setpoint value is sent as input to a regulator, for example of the PID (proportional, integral, derivative) type, the output value of which is a flow rate correction value of fuel which is added to a fuel flow value calculated for the open-loop servo-control, to correspond to the theoretical fuel flow allowing combustion in stoichiometric proportions.
  • a regulator for example of the PID (proportional, integral, derivative) type, the output value of which is a flow rate correction value of fuel which is added to a fuel flow value calculated for the open-loop servo-control, to correspond to the theoretical fuel flow allowing combustion in stoichiometric proportions.
  • the richness adjustment is obtained by adjusting the quantity of fuel injected by imposing the duration of opening of the fuel injectors of the engine.
  • the quantity of fuel is the sum of a first quantity of fuel calculated in open loop from the current air flow at the rate of one gram of fuel for 14.7 grams of air, to correspond to the proportions stoichiometric, and a corrective term used for closed-loop control. THE values of the corrective term are all the smaller as the first calculated quantity is right.
  • the current airflow used in the calculation of the current airflow estimate is obtained from the filling model of equation 1, which depends in particular on the pressure in the intake manifold and the position of the intake VVT system.
  • the pressure Pcol in the intake manifold and the position of the VVT system at the intake generally no longer correspond to the values measured and which are used to calculate the volumetric efficiency, then the total gas flow Qmot and the air flow Qair.
  • the estimate of the current air flow is distorted, and the quantity of fuel to be injected determined by open-loop calculation from the air flow no longer corresponds to the pressure measured in the intake manifold or to the measured position of the VVT system at intake and at the corresponding intake valve opening and closing times. It is then observed that the regulator, which slaves the richness value to a setpoint value (generally equal to 1) must use higher fuel quantity corrective terms to compensate for the air flow calculation error.
  • the object of the invention is to improve control of the richness of the fuel mixture in the transient phases of engine operation during which the position of a variable valve timing system, and more particularly of a variable intake valve timing system, evolves between the beginning and the end of the transient phases.
  • the subject of the invention is a method for controlling the richness of a fuel mixture for an internal combustion engine of a motor vehicle equipped with a variable timing system for the engine intake valves.
  • the richness control method is configured to improve the precision of calculation of the quantity of fuel to be injected during transient phases of engine operation.
  • the predictive calculation of the position of the variable valve timing system of the intake valves at the moment of the start of the opening of the fuel injectors makes use of a model of response to a setpoint of the valves.
  • the response model of the variable valve timing system is characterized by a dead time parameter and a maximum speed of movement of the system.
  • the response model of the variable valve timing system takes into account an anticipation to obtain an anticipated real position with respect to the measured position.
  • the anticipation is between 30 ms and 70 ms, and is preferably equal to 50 ms.
  • the engine comprises at least one partial exhaust gas recirculation circuit at the intake.
  • the estimate of the fresh air flow anticipates the variation in EGR flow, by calculating the position of the EGR valve from the EGR flow setpoint and the response time in order to obtain a flow of anticipated EGR in relation to the EGR flow calculated from the position measurement of the EGR valve.
  • the subject of the invention is a system for controlling the richness of a fuel mixture for an internal combustion engine of a motor vehicle equipped with a variable timing system for the valves of the engine, in particular a timing system variable at the intake of the intake valves.
  • the richness control system comprises means for detecting a change in the operating point of the engine, means for calculating at least one position setpoint of the variable valve timing system, means for predicting calculation of a position the variable valve timing system, the means for estimating the air flow and the means for calculating the quantity of fuel to be injected for operation of the engine at richness 1.
  • the internal combustion engine 10 is of the spark ignition type (gasoline) and comprises, in a non-limiting manner, three cylinders 12 in line, a fresh air intake manifold 14, an exhaust manifold 16, a system turbo-compression or turbocharger 18, a variable timing system 50 of the intake valves 51 of the engine and possibly also a variable timing system 52 of the exhaust valves 53 of the engine.
  • the Variable Valve Timing System 50 intake valve is equipped with a sensor 54 which makes it possible to know its angular position at all times, which corresponds to determined times of opening and closing of the intake valves 51 in the combustion cycle of the engine (these times being usually measured in crankshaft degrees from a top dead center position).
  • the variable timing system 52 of the exhaust valves if present, is also equipped with a sensor 55 which allows its angular position to be known at all times, which also corresponds to determined times of opening and closing. exhaust valves 53 in the engine combustion cycle.
  • the cylinders 12 are supplied with air via the intake manifold 14, or distributor, itself supplied by a pipe 20 provided with an air filter 22 and a compressor 18a of the turbocharger 18 of the engine 10.
  • the turbocharger 18 essentially comprises a turbine 18b driven by the exhaust gases and the compressor 18a mounted on the same shaft as the turbine 18b and providing compression of the air distributed by the air filter 22 or air box, in the purpose of increasing the quantity (mass flow) of air admitted into the cylinders 12 of the engine 10 for an identical volume flow.
  • the internal combustion engine 10 comprises an intake circuit Ca and an exhaust circuit Ce.
  • the compressor is associated with a bypass circuit equipped with an inlet relief valve 56 which opens in the event of sudden closing of the throttle valve 30, to prevent the compressed air, located between the compressor 18a and the throttle body 30 passes through the compressor 18a and does not damage it when, for example, the driver of the vehicle suddenly lifts his foot from the accelerator pedal.
  • the latter recovers the exhaust gases resulting from combustion and evacuates the latter to the outside, via a gas exhaust duct 34 opening out at the entry of the turbine 18b of the turbocharger 18 and by an exhaust line 36 mounted downstream of the turbine 18b.
  • the engine 10 further comprises a circuit 38 for partial recirculation of the exhaust gases at the intake, called the “EGR” circuit (“exhaust gas recirculation” in Anglo-Saxon terms).
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the engine 10 need not be equipped with an EGR circuit, without departing from the scope of the invention.
  • This circuit 38 is here in a non-limiting manner a low pressure exhaust gas recirculation circuit. It is connected to the exhaust line 36, downstream of said turbine 18b, and in particular downstream of the gas pollution control system and returns the exhaust gases to the fresh air supply pipe 20, upstream of the compressor 18a of the turbocharger 18, in particular downstream of the flow meter 26.
  • the flow meter 26 only measures the flow of fresh air alone.
  • this recirculation circuit 38 comprises, in the direction of circulation of the recycled gases, a cooler 38a, a filter 38b, and a valve 38c configured to regulate the flow rate of the low-pressure exhaust gases.
  • Valve 38c is disposed downstream of cooler 38a and filter 38b and upstream of compressor 18a.
  • the engine is associated with a fuel circuit comprising, for example, fuel injectors (not referenced) injecting gasoline directly into each cylinder from a fuel tank (not shown).
  • the engine comprises an electronic control unit 70 configured to control the various elements of the internal combustion engine from data collected by sensors at various locations of the engine.
  • the electronic control unit 70 comprises a calculation module 72, a measurement module 73 and a control module 74.
  • Such a method is in particular implemented by the computer 70 from the measurements delivered by the various sensors of the engine and by controlling the various elements of the engine.
  • the method 60 comprises a preliminary step 61 of detecting a change in the operating point of the engine 10, or operating point setpoint, in which the computer 70 detects a new operating point corresponding to a variation in the operating point of the engine 10.
  • An operating point of the engine 10 is characterized by a rotational speed, a load of the engine 10 and an operating temperature, generally corresponding to the temperature of the water in the engine 10.
  • a change in operating point corresponds to a variation of at least one of these parameters, for example, without limitation, by a relative value of 5%.
  • a change in operating point may come from a sufficient modification of the depression of the accelerator pedal of the vehicle, which modifies the torque setpoint.
  • the computer 70 calculates according to the new operating point setpoint detected in step 61, an optimal position setpoint of the variable timing system 50 of the intake valves 51, and possibly in besides the variable timing system 52 of the exhaust valves 53.
  • This position setpoint of the variable timing system 50 of the intake valves corresponds to the value that the position of the variable timing system 50 of the intake valves will take on this new operating point in stabilized operation, but this position is not not reached instantaneously because there is a time necessary for the movement of the variable timing system of the intake valves from their old position to their new set value.
  • the actual or current position of the variable timing system 50 of the intake valves 51 (and to a lesser extent, that of the system variable timing 52 of the exhaust valves 53) has a first-order influence on the air filling of the engine 10 because it determines the moments of opening and closing of the intake valves, which allow the introduction of air in the engine cylinders.
  • the quantity of fuel to be injected depends on the quantity of air actually admitted into the cylinders 12, therefore predominantly on the instant of opening of the intake valves 51 corresponding to the position of the system variable timing 50 of the intake valves 51.
  • the variation in air flow must be estimated as precisely as possible so that the quantity of fuel injected corresponds to the mass of air enclosed in the cylinders 12 at each engine revolution. .
  • a non-zero period necessarily elapses, generally between 30 and 70 milliseconds, for example of the order of 50 milliseconds, between the moment when the position of the variable timing system 50 of the intake valves is measured and the moment when the computer actuates the fuel injectors and begins to open them in order to inject the fuel flow, after having calculated the air flow then said fuel flow to be injected in open loop, it is understood that the flow of fuel actually injected risks no longer corresponding to the flow rate that should be injected, because the actual air flow rate no longer corresponds to the air flow rate corresponding to the measured position of the variable timing system.
  • the computer 70 does not use, according to the invention, the position of the variable timing system 50 of the intake valves 51 measured by the sensor 54, but it proceeds during the following step 64 to the predictive calculation of the position that the variable timing system 50 of the intake valves 51 will have at the instant of the start of opening of the fuel injectors by the engine computer.
  • this step can also include a predictive calculation of the position that a variable timing system 52 of the exhaust valves 53 will have during the opening order of the injectors.
  • the computer 70 uses maps constituting a model 63 of response to a position setpoint of the variable timing system 50 of the intake valves 51 (respectively of the variable timing system 52 of the exhaust valves), preprogrammed and contained in its memory, which allow it to estimate trajectories of the positions of the variable timing system 50.
  • the estimates of the trajectories of the positions of the variable timing system 50 of the intake valves 51 take place at a time horizon which corresponds to the time between the moment when the position of the variable timing system 50 of the intake valves is measured and the moment when the flow of fuel begins to be injected (i.e. say: the instant of the start of opening of the fuel injectors).
  • the response model to a setpoint of the variable timing system 50 of the intake valves 51 can be characterized by two parameters, namely a dead time and a maximum speed movement of said wedging system.
  • the dead time accounts for the period of time during which a variable timing system 50,52 remains in position, and therefore the opening and closing times of the valves are not yet modified, after the establishment of a new setpoint position of this valve by computer 70.
  • the maximum travel speed corresponds to the maximum angular position variation that a variable valve timing system can follow.
  • FIG. 3 illustrates the actual trajectory 82 of a variable valve timing system, in particular intake valves, subject to a position setpoint 80, and an anticipated trajectory 81 used to estimate the quantity of air admitted into the combustion chamber and the amount of fuel when the fuel injectors open.
  • FIG. 4 illustrates a construction diagram of an anticipated trajectory of a position of a variable valve timing system.
  • the dead time 87 between the setpoint 83 and the real position 86 is reduced by the anticipation 85 to the reduced dead time 88 which corresponds to the dead time between the setpoint 83 and the anticipated real position 84.
  • the response model 63 uses for the anticipated actual position 84 the same position gradient as that of setpoint 83, until the value of setpoint 83 is reached. However, in the case where the position gradient of setpoint 83 is greater than the maximum displacement speed of the variable valve timing system, the gradient of the anticipated actual position 84 is limited to this maximum speed.
  • the reduced dead time 88 can also be applied during changes of direction of the variable valve timing system (that is to say: passage from a rotation from clockwise to counter-clockwise or vice versa) without there was no stabilization of the position.
  • the computer 70 estimates the necessary air flow from the results obtained in step 64 of predictive calculation of the position of the variable timing system 50 of the intake valves (and possibly also of the variable exhaust valve timing system 52).
  • the method 60 continues at step 66 with the calculation of the quantity Q of fuel to be injected into the cylinders 12, for an operation of the engine 10 at richness equal to 1, and by the opening of the fuel injectors by the computer in order to inject the calculated fuel flow.
  • the quantity Q of fuel to be injected is calculated from the estimated air flow, and in particular, in the case where the richness setpoint is equal to 1, the fuel flow is calculated in proportion to 1 g of fuel for 14 .7g of air.

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Abstract

Ce procédé de contrôle de la richesse d'un mélange carburé pour moteur (10) à combustion interne d'une automobile équipé d'un système de calage variable (50) des soupapes du moteur, comprend des étapes de :- détection d'un changement du point de fonctionnement du moteur;- calcul d'au moins une consigne de position dudit système;- mesure d'une position courante dudit système;- calcul prédictif d'une position dudit système;- estimation du débit d'air à partir dudit calcul prédictif;- calcul à partir de l'estimation du débit d'air, de la quantité de carburant à injecter pour un fonctionnement du moteur à richesse 1, et ouverture d'injecteurs de carburant du moteur pour injecter ladite quantité de carburant.Le calcul prédictif de la position du système de calage variable des soupapes (50) correspond à la position dudit système à l'instant de l'ouverture des injecteurs de carburant.

Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne le contrôle d'un moteur à combustion interne et plus particulièrement d'un moteur à allumage commandé, lors d'une phase de fonctionnement transitoire du moteur.
    • Techniques antérieures
  • Lors d'un changement de point de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comme un changement de régime de rotation ou un changement de consigne de couple par exemple, il est observé que la richesse réelle des gaz d'échappement s'écarte de la consigne de richesse. La richesse d'un mélange est évaluée par rapport à une richesse 1, qui correspond à une combustion du carburant dans des conditions stoechiométriques.
  • Cet écart de richesse est dû à une mauvaise estimation du débit d'air qui entre dans le moteur et peut engendrer une augmentation d'émissions polluantes, une augmentation du bruit du moteur et/ou un problème d'agrément de conduite à cause d'à-coups.
  • Classiquement, pour un moteur monté sur un véhicule automobile, le conducteur du véhicule détermine, en actionnant la pédale d'accélérateur, une consigne d'accélération du véhicule. A partir de la consigne d'accélération et du régime du moteur, un calculateur définit une consigne de couple moteur à obtenir pour atteindre cette consigne d'accélération.
  • Dans le cas d'un moteur à allumage commandé (fonctionnant notamment à l'essence), la consigne de couple est traduite en une consigne de débit massique d'air Qair, en une valeur d'avance à l'allumage AA qui est choisie de préférence de façon à optimiser le rendement de combustion, et en une consigne de richesse généralement égale à 1, qui correspond au débit du carburant qu'il faut brûler dans les proportions stoechiométriques pour obtenir le couple tout en faisant fonctionner un catalyseur trois voies du moteur dans sa plage de fonctionnement catalytique dans laquelle il est apte à traiter les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote.
  • Il est à noter que dans le cas d'une motorisation hybride composée d'un moteur thermique et d'au moins une machine électrique, les variations de couple demandées au moteur thermique ne sont pas nécessairement corrélées uniquement avec la pédale d'accélérateur, car le couple est réparti sur l'ensemble des sources motrices disponibles.
  • Par ailleurs, lorsque le véhicule est doté d'un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à l'admission du moteur, on définit aussi une consigne de débit massique de gaz recirculés Qegr qui correspond au taux de recirculation à appliquer pour respecter la consommation de carburant visée.
  • La somme du débit d'air Qair et du débit de gaz recirculés Qegr représente le débit massique gazeux total Qmot entrant dans le moteur, qui est généralement réglé en ajustant la position d'un boîtier-papillon dans le circuit d'admission d'air du moteur, de manière à obtenir une valeur de pression Pcol dans le collecteur d'admission du moteur correspondant au débit gazeux total recherché, le débit de gaz recirculés Qegr étant obtenu en ajustant la position d'une vanne dans le circuit de recirculation partielle, le débit d'air Qair recherché étant quant à lui obtenu indirectement comme la différence entre le débit gazeux total Qmot et le débit de gaz recirculés Qegr.
  • Un calculateur du moteur utilise un modèle de remplissage en air, qui permet de déterminer la valeur de la pression minimale du collecteur d'admission pour répondre à la consigne de couple du moteur.
  • Ce modèle de remplissage suit l'équation suivante : η rdvl = Q mot × 120 N × Cylindr é e × P col T col × R
    Figure imgb0001
  • Dans laquelle :
    • ηrdvl désigne le rendement volumétrique ou « remplissage », adimensionnel ;
    • Qmot désigne le débit massique total rentrant réellement, en kg/s ;
    • N désigne le régime, en tours/min ;
    • Cylindrée désigne la cylindrée du moteur, en m3 ;
    • Pcol désigne la pression dans le collecteur d'admission, en Pa ;
    • Tcol, désigne la température dans le collecteur d'admission, en K ; et
    • R désigne la constante massique des gaz parfaits pour l'air égale à environ 287,058 J kg × K
      Figure imgb0002
      .
  • Le terme « remplissage » est défini comme étant égal au rapport entre la masse d'air réellement aspirée et la masse d'air qui aurait pu rentrer en considérant uniquement le volume total des cylindres.
  • Dans tous les cas de figure, la valeur du rendement ηrdvl dépend au moins du régime N et de la pression dans le collecteur d'admission Pcol.
  • Or, si le moteur est équipé en outre d'un système de calage variable des soupapes (dit aussi système VVT, de l'acronyme anglais pour : Variable Valve Timing), notamment à l'admission, ce qui est le cas de nombreux moteurs modernes, le rendement ηrdvl dépend également de la position de ce système VVT à l'admission, qui détermine les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission dans le cycle de combustion du moteur.
  • On notera aussi que dans le cas où le moteur est équipé en outre d'un système VVT à l'échappement, le rendement dépend également de la position de ce système VVT à l'échappement, qui détermine les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'échappement, quoique la sensibilité de la valeur du rendement à la position du système VVT à l'échappement soit nettement moindre que dans le cas d'un système VVT à l'admission.
  • Le rendement volumétrique est cartographié par des essais préalables au banc en fonction de ces paramètres : régime ; couple ; et, position du système VVT à l'admission, et la cartographie est stockée dans la mémoire du calculateur du moteur. On peut par exemple ne pas tenir compte de la position du système VVT à l'échappement, si le moteur dispose d'un tel système.
  • Ainsi, selon l'état de la technique, lors de l'utilisation du véhicule, le calculateur détermine une valeur courante du régime N, de la pression dans le collecteur d'admission Pcol et d'une valeur de la position du système VVT à l'admission, puis il utilise la cartographie pour calculer la valeur du rendement volumétrique. Le calculateur détermine aussi une valeur courant de la température Tcol dans le collecteur d'échappement. Il utilise alors le modèle de remplissage pour calculer une valeur du débit gazeux total Qmot, puis une valeur du débit d'air Qair en soustrayant le débit de gaz recirculés Qegr au débit gazeux total Qmot. Le débit de gaz recirculés Qegr peut être déterminé, quant à lui, par exemple de manière connue en soi à partir d'une équation de Barré Saint Venant aux bornes de la vanne du circuit de recirculation.
  • Le réglage de la richesse est généralement effectué en boucle fermée sur une valeur de consigne. Le système mesure par exemple la richesse réelle des gaz de combustion sortant du moteur grâce à une sonde à oxygène proportionnelle située en amont d'un catalyseur trois voies du moteur.
  • La valeur de l'écart de richesse entre la valeur mesurée et la valeur de consigne est envoyée en entrée à un régulateur, par exemple de type PID (proportionnel, intégral, dérivé) dont la valeur de sortie est une valeur de correction de débit de carburant qui s'ajoute à une valeur de débit de carburant calculé pour l'asservissement en boucle ouverte, pour correspondre au débit théorique de carburant permettant la combustion en proportions stoechiométriques.
  • Le réglage de la richesse est obtenu par l'ajustement de la quantité de carburant injectée en imposant la durée d'ouverture des injecteurs de carburant du moteur.
  • Par exemple, la quantité de carburant est la somme d'une première quantité de carburant calculée en boucle ouverte à partir du débit d'air courant à raison d'un gramme de carburant pour 14,7 grammes d'air, pour correspondre aux proportions stoechiométriques, et d'un terme correctif utilisé pour l'asservissement en boucle fermée. Les valeurs du terme correctif sont d'autant plus petites que la première quantité calculée est juste.
  • Le débit d'air courant employé dans le calcul de l'estimation du débit d'air courant est obtenu à partir du modèle de remplissage de l'équation 1, qui dépend notamment de la pression dans le collecteur d'admission et de la position du système VVT à l'admission. Cependant, à cause de la dynamique rapide des processus concernés, au moment où est donné l'ordre d'ouverture des injecteurs par un calculateur du moteur, la pression Pcol dans le collecteur d'admission et la position du système VVT à l'admission ne correspondent généralement déjà plus aux valeurs mesurées et qui servent au calcul du rendement volumétrique, puis du débit total gazeux Qmot et du débit d'air Qair.
  • Ainsi l'estimation du débit d'air courant est faussée, et la quantité de carburant à injecter déterminée par calcul en boucle ouverte à partir du débit d'air ne correspond déjà plus à la pression mesurée dans le collecteur d'admission ou à la position mesurée du système VVT à l'admission et aux instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission correspondants. On observe alors que le régulateur, qui asservit la valeur de la richesse sur une valeur de consigne (généralement égale à 1) doit utiliser des termes correctifs de quantité de carburant plus élevés pour compenser l'erreur de calcul du débit d'air.
  • On peut cependant estimer que les variations de la pression dans le collecteur d'admission Pcol sont nettement moins dynamiques que les variations de la position du système VVT à l'admission et donc que les variations correspondantes des instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission, et qu'elles ont ainsi une moindre influence sur le réglage de la richesse. Cette moindre influence est particulièrement vraie pour des moteurs fonctionnant selon des cycles asymétriques d'Atkinson ou de Miller, dans lesquels on tend à laisser le boîtier-papillon grand ouvert de manière à augmenter la pression dans le collecteur d'admission pour diminuer les pertes par pompage. Dans les deux cas, on ajuste la masse d'air admise dans la chambre de combustion par le contrôle des soupapes d'admission, avec des valeurs de retard de fermeture à l'admission (RFA) très décalées par rapport au point mort bas (PMB). L'actionneur principal de contrôle de la charge en air du moteur est alors le système de calage variable des soupapes d'admission dans les deux cas de figure, à la place du boitier-papillon dans les moteurs traditionnels qui n'utilisent pas l'un de ces cycles.
    • Exposé de l'invention
  • Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est d'améliorer le contrôle de la richesse du mélange carburé dans les phases transitoires de fonctionnement du moteur durant lesquelles la position d'un système de calage variable de soupapes, et plus particulièrement d'un système de calage variable des soupapes d'admission, évolue entre le début et la fin des phases transitoires.
  • L'invention a pour objet un procédé de contrôle de la richesse d'un mélange carburé pour moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un système de calage variable des soupapes d'admission du moteur.
  • Ce procédé comprend les étapes suivantes :
    • détection d'un changement du point de fonctionnement du moteur ;
    • calcul d'au moins une consigne de position dudit système de calage variable (50), correspondant à la nouvelle consigne de point de fonctionnement ;
    • mesure d'une position courante dudit système de calage variable ;
    • calcul prédictif d'une position dudit système de calage variable (50) ;
    • estimation du débit d'air à partir dudit calcul prédictif ;
    • calcul à partir de l'estimation du débit d'air, de la quantité de carburant à injecter pour un fonctionnement du moteur à richesse 1, et ouverture d'injecteurs de carburant du moteur pour l'injection de ladite quantité de carburant
    caractérisé en ce que le calcul prédictif de la position du système de calage variable correspond à la position dudit système à l'instant de début d'ouverture des injecteurs de carburant.
  • Le procédé de contrôle de la richesse est configuré pour améliorer la précision de calcul de la quantité de carburant à injecter lors des phases transitoires de fonctionnement du moteur.
  • Avantageusement, le calcul prédictif de la position du système de calage variable des soupapes d'admission au moment du début de l'ouverture des injecteurs de carburant, fait appel à un modèle de réponse à une consigne des soupapes.
  • Par exemple, le modèle de réponse du système de calage variable des soupapes est caractérisé par un paramètre de temps mort et une vitesse maximale de déplacement du système.
  • Avantageusement, le modèle de réponse du système de calage variable des soupapes prend en compte une anticipation pour obtenir une position réelle anticipée par rapport à la position mesurée.
  • Par exemple, l'anticipation est comprise entre 30 ms et 70 ms, et est de préférence égale à 50ms.
  • Selon une autre caractéristique, le moteur comprend au moins un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à l'admission.
  • Avantageusement, l'estimation du débit d'air frais anticipe la variation de débit d'EGR, en calculant la position de la vanne EGR à partir de la consigne de débit d'EGR et du temps de réponse afin d'obtenir un débit d'EGR anticipé par rapport au débit d'EGR calculé à partir de la mesure de position de la vanne EGR.
  • Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un système de contrôle de la richesse d'un mélange carburé pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un système de calage variable des soupapes du moteur, notamment un système de calage variable à l'admission des soupapes d'admission.
  • Le système de contrôle de la richesse comprend des moyens de détection d'un changement du point de fonctionnement du moteur, des moyens de calcul d'au moins une consigne de position du système de calage variable soupapes, des moyens de calcul prédictif d'une position du système de calage variable des soupapes, des moyens d'estimation du débit d'air et des moyens de calcul de la quantité de carburant à injecter pour un fonctionnement du moteur à richesse 1.
    • Brève description des dessins
  • D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • [Fig 1] illustre, de manière très schématique, un exemple de structure d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile équipé d'un système de contrôle de richesse selon l'invention ;
    • [Fig 2] illustre un organigramme du procédé de contrôle de richesse selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ;
    • [Fig 3] illustre un exemple de consigne de position, de position réelle et de position réelle anticipée d'un système de calage variable des soupapes d'admission du moteur de la figure 1 selon l'invention ;
    • [Fig 4] illustre un schéma de construction d'une trajectoire anticipée d'une position du système de calage variable des soupapes d'admission selon l'invention ; et
    • [Fig 5] illustre l'application selon l'invention d'un temps mort réduit lors des changements de direction du système de calage variable des soupapes d'admission.
    Exposé détaillé d'au moins un mode de réalisation
  • Dans l'exemple illustré dans la figure 1, le moteur à combustion interne 10 est du type à allumage commandé (essence) et comprend, de manière non limitative, trois cylindres 12 en ligne, un collecteur d'admission d'air frais 14, un collecteur d'échappement 16, un système de turbo-compression ou turbocompresseur 18, un système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 du moteur et éventuellement en outre un système de calage variable 52 des soupapes d'échappement 53 du moteur. Le système de calage variable 50 des soupapes d'admission est équipé d'un capteur 54 qui permet de connaître à chaque instant sa position angulaire, qui correspond à des instants déterminés d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission 51 dans le cycle de combustion du moteur (ces instants étant généralement mesurés en degrés de vilebrequin par rapport à une position de point mort haut). Le système de calage variable 52 des soupapes d'échappement, s'il est présent, est aussi équipé d'un capteur 55 qui permet de connaître à chaque instant sa position angulaire, qui correspond aussi à des instants déterminés d'ouverture et de fermeture des soupapes d'échappement 53 dans le cycle de combustion du moteur.
  • Les cylindres 12 sont alimentés en air par l'intermédiaire du collecteur d'admission 14, ou répartiteur, lui-même alimenté par une conduite 20 pourvue d'un filtre à air 22 et d'un compresseur 18a du turbocompresseur 18 du moteur 10.
  • Le turbocompresseur 18 comporte essentiellement une turbine 18b entraînée par les gaz d'échappement et le compresseur 18a monté sur le même arbre que la turbine 18b et assurant une compression de l'air distribué par le filtre à air 22 ou boîte à air, dans le but d'augmenter la quantité (débit massique) d'air admise dans les cylindres 12 du moteur 10 pour un débit volumique identique.
  • Le moteur à combustion interne 10 comprend un circuit d'admission Ca et un circuit d'échappement Ce.
  • Le circuit d'admission Ca comprend, d'amont en aval dans le sens de circulation de l'air :
    • le filtre à air 22;
    • un débitmètre 26 disposé dans la conduite d'admission 20 en aval du filtre à air 22 pour mesurer la valeur réelle du débit d'air entrant dans le moteur 10 ;
    • une vanne d'admission d'air 28 ;
    • le compresseur 18a du turbocompresseur 18 ;
    • un boîtier papillon 30 ou une vanne d'admission des gaz dans le moteur ;
    • un échangeur thermique 32 configuré pour refroidir les gaz d'admission correspondant à un mélange d'air frais et de gaz recirculés après leur compression dans le compresseur 18a ;
    • des capteurs de pression et température 33 pour mesurer la pression et la température dans le collecteur d'admission 14 ; et
    • le collecteur d'admission 14.
  • Le compresseur est associé à un circuit de contournement équipé d'une vanne de décharge à l'admission 56 qui s'ouvre en cas de fermeture brutale du boîtier papillon 30, pour éviter que l'air comprimé, se trouvant entre le compresseur 18a et le boîtier papillon 30, ne traverse le compresseur 18a et ne le dégrade, lorsque par exemple, le conducteur du véhicule lève brutalement le pied de la pédale d'accélération.
  • Le circuit d'échappement Ce comprend, d'amont en aval dans le sens de circulation des gaz brûlés :
    • le collecteur d'échappement 16 ;
    • la turbine 18b du turbocompresseur 18 ; et
    • un système de dépollution des gaz de combustion du moteur (non représenté), comprenant notamment un catalyseur trois voies.
  • En ce qui concerne le collecteur d'échappement 16, celui-ci récupère les gaz d'échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l'extérieur, par l'intermédiaire d'un conduit d'échappement des gaz 34 débouchant à l'entrée de la turbine 18b du turbocompresseur 18 et par une ligne d'échappement 36 montée en aval de la turbine 18b.
  • Le moteur 10 comprend en outre un circuit de recirculation partielle 38 des gaz d'échappement à l'admission, dit circuit « EGR » (« exhaust gas recirculation » en termes anglo-saxons).
  • Le moteur 10 peut ne pas être doté de circuit EGR, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
  • Ce circuit 38 est ici de manière non limitative un circuit de recirculation des gaz d'échappement à basse pression. Il est raccordé à la ligne d'échappement 36, en aval de ladite turbine 18b, et notamment en aval du système de dépollution des gaz et renvoie les gaz d'échappement vers la conduite 20 d'alimentation en air frais, en amont du compresseur 18a du turbocompresseur 18, notamment en aval du débitmètre 26. Le débitmètre 26 ne mesure que le débit d'air frais seul.
  • Tel qu'illustré, ce circuit 38 de recirculation comprend, dans le sens de circulation des gaz recyclés, un refroidisseur 38a, un filtre 38b, et une vanne 38c configurée pour réguler le débit des gaz d'échappement à basse pression. La vanne 38c est disposée en aval du refroidisseur 38a et du filtre 38b et en amont du compresseur 18a.
  • Le moteur est associé à un circuit de carburant comprenant, par exemple, des injecteurs de carburant (non référencés) injectant de l'essence directement dans chaque cylindre à partir d'un réservoir à carburant (non représenté).
  • Par ailleurs, le moteur comprend une unité électronique de commande 70 configurée pour commander les différents éléments du moteur à combustion interne à partir de données recueillies par des capteurs à différents endroits du moteur.
  • L'unité électronique de commande 70 comporte un module de calcul 72, un module de mesure 73 et un module de commande 74.
  • On va maintenant décrire en référence à la figure 2 un procédé 60 de contrôle de la richesse en phase transitoire de fonctionnement du moteur 10.
  • Un tel procédé est notamment mis en oeuvre par le calculateur 70 à partir des mesures délivrées par les divers capteurs du moteur et en pilotant les divers éléments du moteur.
  • Le procédé 60 comprend une étape préalable 61 de détection d'un changement de point de fonctionnement du moteur 10, ou consigne de point de fonctionnement, dans laquelle le calculateur 70 détecte un nouveau point de fonctionnement correspondant à une variation du point de fonctionnement du moteur 10. Un point de fonctionnement du moteur 10 est caractérisé par un régime de rotation, une charge du moteur 10 et une température de fonctionnement, généralement correspondant à la température de l'eau du moteur 10. Ainsi, un changement de point de fonctionnement correspond à une variation d'au moins l'un de ces paramètres, par exemple, de manière non limitative, d'une valeur relative de 5%. Par exemple, un changement de point de fonctionnement peut provenir d'une modification suffisante de l'enfoncement de la pédale d'accélérateur du véhicule, qui modifie la consigne de couple.
  • Lors de l'étape 62 suivante, le calculateur 70 calcule en fonction de la nouvelle consigne de point de fonctionnement détectée à l'étape 61, une consigne de position optimale du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51, et éventuellement en outre du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement 53.
  • Cette consigne de position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission correspond à la valeur que prendra la position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission sur ce nouveau point de fonctionnement en fonctionnement stabilisé, mais cette position n'est pas atteinte instantanément car il y a une durée nécessaire au déplacement du système de calage variable des soupapes d'admission depuis leur ancienne position jusqu'à leur nouvelle valeur de consigne.
  • Or, comme déjà mentionné plus haut et notamment en référence à l'équation (1) du modèle de remplissage, la position réelle ou courante du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 (et dans une moindre mesure, celle du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement 53) a une influence de premier ordre sur le remplissage en air du moteur 10 car elle détermine les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission, qui permettent l'introduction de l'air dans les cylindres du moteur.
  • Afin de fonctionner à richesse 1, la quantité de carburant à injecter dépend de la quantité d'air réellement admise dans les cylindres 12, donc de manière prépondérante de l'instant d'ouverture des soupapes d'admission 51 correspondant à la position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51.
  • Lors d'un changement de point de fonctionnement du moteur 10, la variation de débit d'air doit être estimée le plus précisément possible afin que la quantité de carburant injectée corresponde à la masse d'air enfermée dans les cylindres 12 à chaque tour moteur.
  • Or, plus les gradients de débits d'air sont importants, plus le calcul du débit d'air est induit en erreur lorsque les calculs utilisent des informations fournies par des capteurs qui possèdent eux-mêmes des temps de réponse intrinsèques.
  • Comme il s'écoule nécessairement une durée non nulle, généralement comprise entre 30 et 70 millisecondes, par exemple de l'ordre de 50 millisecondes, entre l'instant où la position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission est mesurée et l'instant où le calculateur actionne les injecteurs de carburant et commence à les ouvrir afin d'injecter le débit de carburant, après avoir calculé le débit d'air puis ledit débit de carburant à injecter en boucle ouverte, on comprend que le débit de carburant réellement injecté risque de ne plus correspondre au débit qu'il faudrait injecter, car le débit d'air réel ne correspond déjà plus au débit d'air correspondant à la position mesurée du système de calage variable.
  • Pour améliorer la précision de calcul du débit d'air et du débit de carburant à injecter lors des phases transitoires, le calculateur 70 n'utilise pas, selon l'invention, la position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 mesurée par le capteur 54, mais il procède lors de l'étape 64 suivante au calcul prédictif de la position qu'aura le système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 à l'instant du début d'ouverture des injecteurs de carburant par le calculateur du moteur. Eventuellement, cette étape peut aussi comprendre un calcul prédictif de la position qu'aura un système de calage variable 52 des soupapes d'échappement 53 lors de l'ordre d'ouverture des injecteurs.
  • A ce stade, le calculateur 70 utilise des cartographies constitutives d'un modèle 63 de réponse à une consigne de position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 (respectivement du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement), préprogrammées et contenues dans sa mémoire, qui lui permettent d'estimer des trajectoires des positions du système de calage variable 50.
  • Les estimations des trajectoires des positions du système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 (et éventuellement en outre du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement 53) se font à un horizon temporel qui correspond à la durée entre l'instant où la position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission est mesurée et l'instant où le débit de carburant commence à être injecté (c'est-à-dire : l'instant de début d'ouverture des injecteurs de carburant).
  • Le modèle de réponse à une consigne de système de calage variable 50 des soupapes d'admission 51 (et éventuellement du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement) peut être caractérisé par deux paramètres, à savoir un temps mort et une vitesse maximale de déplacement dudit système de calage.
  • Le temps mort rend compte du laps de temps pendant lequel un système de calage variable 50,52 reste en position, et donc les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes ne sont pas encore modifiés, après l'établissement d'une nouvelle consigne de position de cette soupape par le calculateur 70.
  • La vitesse maximale de déplacement correspond à la variation de position angulaire maximale que peut suivre un système de calage variable des soupapes.
  • La figure 3 illustre la trajectoire réelle 82 d'un système de calage variable de soupapes, notamment de soupapes d'admission, soumis à une consigne de position 80, et une trajectoire anticipée 81 utilisée pour estimer la quantité d'air admise dans la chambre de combustion et la quantité de carburant au moment de l'ouverture des injecteurs de carburant.
  • La figure 4 illustre un schéma de construction d'une trajectoire anticipée d'une position d'un système de calage variable de soupapes.
  • Lorsque la consigne 83 de position change de valeur, il est possible d'estimer une position réelle anticipée 84 du système de calage variable en anticipation 85 par rapport à la position réelle 86.
  • Le temps mort 87 entre la consigne 83 et la position réelle 86 est réduit par l'anticipation 85 au temps mort réduit 88 qui correspond au temps mort entre la consigne 83 et la position réelle anticipée 84.
  • Après la prise en compte par anticipation 85 du temps mort réduit 88, le modèle de réponse 63 utilise pour la position réelle anticipée 84 le même gradient de position que celui de la consigne 83, et ce jusqu'à l'atteinte de la valeur de la consigne 83. Toutefois, dans le cas où le gradient de position de la consigne 83 est supérieur à la vitesse maximale de déplacement du système de calage variable des soupapes, le gradient de la position réelle anticipée 84 est limité à cette vitesse maximale.
  • Tel qu'illustré dans la figure 5, le temps mort réduit 88 peut également être appliqué lors des changements de direction du système de calage variable des soupapes (c'est-à-dire : passage d'une rotation du sens horaire vers le sens anti-horaire ou réciproquement) sans qu'il n'y ait eu de stabilisation de la position.
  • Lors de l'étape 65 suivante, le calculateur 70 estime le débit d'air nécessaire à partir des résultats obtenus à l'étape 64 de calcul prédictif de position du système de calage variable 50 des soupapes d'admission (et éventuellement en outre du système de calage variable 52 des soupapes d'échappement).
  • Ce débit d'air est estimé à partir de la relation : η rdvl = Q mot × 120 N × Cylindr é e × P col T col × R
    Figure imgb0003
  • Dans laquelle :
    • ηrdvl désigne le rendement volumétrique ou « remplissage », adimensionnel ;
    • Qmot désigne le débit massique total rentrant réellement, en kg/s ;
    • N désigne le régime, en tours/min ;
    • Cylindrée désigne la cylindrée du moteur, en m3 ;
    • Pcol désigne la pression dans le collecteur d'admission, en Pa ;
    • Tcol, désigne la température dans le collecteur d'admission, en K ; et
    • R désigne la constante massique des gaz parfaits pour l'air égale à environ 287,058 J kg × K
      Figure imgb0004
      .
  • Le procédé 60 se poursuit à l'étape 66 par le calcul de la quantité Q de carburant à injecter dans les cylindres 12, pour un fonctionnement du moteur 10 à richesse égale à 1, et par l'ouverture des injecteurs de carburant par le calculateur afin d'injecter le débit de carburant calculé.
  • La quantité Q de carburant à injecter est calculée à partir du débit d'air estimé, et en particulier, dans le cas où la consigne de richesse est égale à 1, le débit de carburant est calculé à proportion de 1 g de carburant pour 14,7 g d'air.
  • Pour les moteurs avec au moins un circuit EGR, il est encore possible d'anticiper la variation de débit d'EGR Qegr qui entre dans le calcul du débit d'air frais Qair, en calculant la position de la vanne EGR 38c à partir de la consigne de débit d'EGR et du temps de réponse afin d'obtenir un débit d'EGR anticipé par rapport au débit d'EGR calculé à partir de la position de la vanne EGR 38c.

Claims (8)

  1. Procédé de contrôle de la richesse d'un mélange carburé pour moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un système de calage variable (50) des soupapes d'admission (51) du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - détection d'un changement du point de fonctionnement du moteur (10) ;
    - calcul d'au moins une consigne de position dudit système de calage variable (50) correspondant à la nouvelle consigne de point de fonctionnement ;
    - mesure d'une position courante dudit système de calage variable ;
    - calcul prédictif d'une position dudit système de calage variable (50)
    - estimation du débit d'air à partir dudit calcul prédictif ;
    - calcul à partir de l'estimation du débit d'air, de la quantité de carburant à injecter pour un fonctionnement du moteur (10) à richesse 1, et ouverture d'injecteurs de carburant du moteur pour l'injection de ladite quantité de carburant
    caractérisé en ce que le calcul prédictif de la position du système de calage variable correspond à la position dudit système à l'instant de début d'ouverture des injecteurs de carburant.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le calcul prédictif de la position du système de calage variable (50) des soupapes d'admission (51) fait appel à un modèle de réponse à une consigne de position du système.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le modèle de réponse du système de calage variable des soupapes est caractérisé par un paramètre de temps mort et une vitesse maximale de déplacement du système.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le modèle de réponse du système de calage variable des soupapes prend en compte une anticipation pour obtenir une position réelle anticipée par rapport à une position mesurée.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'anticipation est comprise entre 30 et 70 millisecondes, et est de préférence égale à 50ms.
  6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le moteur comprend au moins un circuit de recirculation partielle (38) des gaz d'échappement à l'admission.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'estimation du débit d'air frais anticipe la variation de débit d'EGR, en calculant la position de la vanne EGR (38c) à partir de la consigne de débit d'EGR et du temps de réponse afin d'obtenir un débit d'EGR anticipé par rapport au débit d'EGR calculé à partir de la mesure de position de la vanne EGR (38c).
  8. Système de contrôle de la richesse d'un mélange carburé pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un système de calage variable des soupapes du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection d'un changement du point de fonctionnement du moteur (10), des moyens de calcul d'au moins une consigne de position du système de calage variable des soupapes, des moyens de calcul prédictif de la position du système de calage variable des soupapes à , des moyens d'estimation du débit d'air et des moyens de calcul de la quantité de carburant à injecter pour un fonctionnement du moteur (10) à richesse 1.
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