FR2659114A1 - Procede et dispositif de commande de la richesse du melange air/carburant d'alimentation d'un moteur a combustion interne. - Google Patents
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Abstract
On calcule un remplissage en air de consigne (Rc ) à partir d'une consigne affichée (theta) de la position d'une pédale d'accélérateur, on tire d'un modèle de comportement du moteur (15) stimulé en temps réel par le remplissage de consigne (Rc ) une valeur de remplissage de référence (Rr ), on mesure une valeur de remplissage en air du moteur (Rm ) et on commande à partir de l'écart (Rc -Rm ) l'ouverture (PHI) d'un papillon d'admission d'air du moteur (15) de manière que le remplissage en air (Rm ) de ce moteur suive étroitement celle du remplissage de référence (Rr ) calculé par le modèle de comportement. Application à la commande d'un moteur propulsant un véhicule automobile.
Description
La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de commande de la richesse d'un mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne et, plus particulièrement, à un tel procédé et un tel dispositif faisant appel à un modèle de comportement du moteur.
On connaît du document EP-A-115.868 un procédé et un dispositif de commande prédictive de l'injection d'essence dans un tel moteur. Ce procédé fait appel à deux modèles mathématiques. Un premier modèle mathématique permet de définir la quantité d'air réellement absorbée par chaque cylindre du moteur en fonction d'une variable d'entrée caractéristique de la mesure de la quantité d'air entrant dans le collecteur d'admission du moteur (angle d'ouverture du papillon d'admission d'air, capteur de pression, etc...) et de paramètres expérimentaux caractéristiques du circuit admission d'air du moteur, obtenu par des mesures au banc réalisées sur un prototype du moteur.Ce modèle permet aussi, dans un système échantillonné, de prédire les quantités d'air qui seront absorbées avec une avance d'une période d'échantillonnage, en se basant sur une hypothèse de variation linéaire de cette quantité d'air. Le deuxième modèle mathématique utilisé sert à définir la quantité d'essence à injecter in ecter réellement dans le cylindre en fonction des quantités théoriques propres à maintenir une richesse prédéterminée, calculées pour les instants précédents et l'instant suivant sur la base des quantités d'air absorbées établies par le modèle précédent.
Il est à remarquer que les deux modèles utilisés sont indépendants l'un de l'autre et, en particulier, que le procédé du document précité est sans contrôle sur la quantité d'air entrant dans le moteur, paramètre qui est ainsi "subi" par le système.
Le document précité décrit aussi une variante permettant d'adapter le système à différents cas de fonctionnement pour lesquels un modèle unique de chaque caractéristique "air" ou "essence" ne suffit pas. Des capteurs sont alors ajoutés (température, angle du papillon etc...) pour définir des zones de fonctionnement (à chaud, à froid, à pleine charge etc...) et un dispositif complémentaire commute, suivant une cartographie prédéterminée, les paramètres de description des modèles pour adapter la réaction du système aux conditions de fonctionnement. Ainsi, par exemple, une variation brutale de l'angle du papillon peut provoquer la sélection de modèles définissant une richesse plus grande (accélération) ou plus faible (décélération).
Les calculs prédictifs mis en oeuvre dans le procédé du document précité peuvent cependant être mis en défaut lors de brutales accélérations ou décélérations commandées par le conducteur, du fait de l'absence d'asservissement des paramètres calculés à des mesures réelles, comme cela est inhérent à tout système prédictif. La dérive que l'on note alors se traduit par une erreur sur la richesse du mélange, erreur dommageable tant au point de vue de la pollution par les gaz d'échappement que du point de vue du confort de conduite.
La présente invention a donc pour but de fournir un procédé, et de réaliser un dispositif, de commande de la richesse d'un mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne, qui ne présente pas ces inconvénients des systèmes prédictifs.
La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif dans lesquels la quantité d'air absorbée par le moteur est un paramètre commandé.
On atteint ces buts de 1 invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un procédé de commande de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne, suivant lequel on calcule un remplissage en air de consigne (Rc) à partir d'une consigne affichée (o) de position d'une pédale d'accélérateur, on tire d'un modèle de comportement du moteur stimulé en temps réel par le remplissage de consigne (Rc) du moteur, une valeur de remplissage de référence (Rr) on mesure une valeur du remplissage en air du moteur (R,) et on commande à partir de l'écart (R -R) l'ouverture (9) d'un papillon d'admission d'air du moteur de manière que l'évolution du remplissage en air (riz) du moteur suive étroitement celle du remplissage de référence (Rr) calculé par le modèle de comportement.
Ainsi le procédé suivant l'invention permet de contrôler parfaitement les masses d'air et d'essence entrant dans le moteur, de manière à contraindre celui-ci à suivre le comportement défini par le modèle. Celui-ci étant parfaitement connu, au contraire du comportement du moteur laissé à lui-même, il devient possible d'optimiser la réponse du moteur en fonction de tel ou tel objectif pollution minimale, réponse mécanique optimale du moteur dans des conditions transitoires d'accélération demandées, etc... Il est possible aussi d'accroître le rendement du moteur tout en minimisant la quantité de polluant émis par unité de masse de carburant brûlé.
Suivant 1 invention, en régime statique, on calcule la quantité d'essence à injecter dans le mélange à partir du remplissage mesuré (Rm) et d'une richesse de consigne (rc) prédéterminée.
En régime transitoire, on réalise une estimation de la masse d'essence à injecter sur un horizon de temps (t) prédéterminé, à partir d'une estimation du remplissage en air du moteur sur le même horizon, obtenu à l'aide du modèle de comportement du moteur, et on règle la quantité d'essence à injecter en fonction de cette estimation et d'une richesse de consigne (rc) prédéterminée.
Suivant une caractéristique du procédé selon l'invention, on applique une fonction de saturation à la vitesse d'évolution du remplissage estimé.
Suivant encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, on applique une loi de commande prédéterminée à l'angle (o) de position de la pédale d'accélérateur, pour en déduire le remplissage de consigne (R ). On applique un filtrage dynamique au remplissage de consigne pour introduire, par exemple, un retard pur.
On applique au modèle de comportement un signal (Rc-
Rr) préalablement mis en forme à l'aide d'une fonction de saturation. On soustrait le remplissage en air mesuré (rua) du remplissage de référence (Rr) délivré par le modèle de comportement et on met en forme la différence (Rr-Rm) pour former un signal ( ha).
Rr) préalablement mis en forme à l'aide d'une fonction de saturation. On soustrait le remplissage en air mesuré (rua) du remplissage de référence (Rr) délivré par le modèle de comportement et on met en forme la différence (Rr-Rm) pour former un signal ( ha).
Suivant l'invention, encore, on forme un signal (Rc R1), on met ce signal en forme à l'aide d'une fonction de saturation, on ajoute le signal mis en forme au signal (hR) et on applique à cette somme un procédé de linéarisation par retour d'état pour en tirer un signal de commande de l'ouverture (ç) du papillon d'admission d'air du moteur.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on fournit un dispositif qui comprend un capteur de position d'une pédale d'accélérateur associée au moteur pour délivrer un signal permettant d'élaborer un remplissage (Rc) de consigne, un capteur fournissant un signal permettant d'atteindre une mesure (Rm ) du remplissage du moteur, un calculateur, un modèle de comportement du moteur implanté dans ce calculateur pour calculer un remplissage en air de référence (RI). un papillon de réglage de l'admission d'air dans le moteur et un actionneur de commande de l'ouverture de ce papillon alimenté par un signal élaboré à l'aide du modèle de comportement, du remplissage de consigne (Rc ) et du remplissage mesuré (R=) à l'aide du capteur, de manière que le remplissage mesuré (rua) soit asservi au remplissage de référence (Rr) calculé par le modèle de comportement.
Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple:
- la figure 1 représente schématiquement un moteur associé à un calculateur et des capteurs et actionneurs nécessaires à la mise en oeuvre de la présente invention,
- la figure 2 est un diagramme fonctionnel du dispositif de commande suivant l'invention,
- la figure 3 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'élaboration d'une consigne de remplissage en air formant partie du dispositif de la figure 2,
- la figure 4 est un diagramme fonctionnel d'un bloc du dispositif de la figure 2, comportant un modèle de comportement du moteur,
- la figure 5 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'élaboration de la consigne d'ouverture du papillon du moteur, formant partie du dispositif de la figure 2, et
- la figure 6 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'estimation de la quantité d'essence à injecter dans le moteur, formant partie du dispositif de la figure 2.
- la figure 1 représente schématiquement un moteur associé à un calculateur et des capteurs et actionneurs nécessaires à la mise en oeuvre de la présente invention,
- la figure 2 est un diagramme fonctionnel du dispositif de commande suivant l'invention,
- la figure 3 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'élaboration d'une consigne de remplissage en air formant partie du dispositif de la figure 2,
- la figure 4 est un diagramme fonctionnel d'un bloc du dispositif de la figure 2, comportant un modèle de comportement du moteur,
- la figure 5 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'élaboration de la consigne d'ouverture du papillon du moteur, formant partie du dispositif de la figure 2, et
- la figure 6 est un diagramme fonctionnel d'un bloc d'estimation de la quantité d'essence à injecter dans le moteur, formant partie du dispositif de la figure 2.
Le procédé de commande suivant l'invention est plus particulièrement destiné à être mis en oeuvre avec un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé pour décrire les organes essentiels qui doivent être associés à un tel moteur 15 pour autoriser cette mise en oeuvre.
Une pédale d'accélérateur 1 permet au conducteur du véhicule de régler le couple disponible sur l'arbre de sortie du moteur 15, en fonction des conditions de conduite. Dans un moteur classique, la pédale d'accélérateur 1 est couplée mécaniquement à un papillon 5 de réglage de l'admission d'air placé dans une tubulure d'admission 4.
Suivant l'invention, et pour des buts qui seront décrits en détail dans la suite, la pédale d'accélérateur l est découplée du papillon 5. Un capteur 2 de position de la pédale 1 délivre à un calculateur 14 un signal représentatif de la position de la pédale. On sait que le couple moteur est directement lié au remplissage en air du moteur. On entend classiquement par "remplissage" ou plus correctement, par "taux de remplissage" en air la grandeur sans dimension définie par le rapport entre la masse d'air frais emprisonnée par un cylindre durant une admission et la masse d'air qu'il pourrait théoriquement aspirer entre les points morts haut et bas dans les conditions normales de température et de pression.
Ainsi le signal transmis par le capteur 2 au calculateur est-il représentatif d'une valeur de consigne du remplissage en air Rc, telle qu'elle est fixée par le conducteur. Cette consigne est traitée par le calculateur (comme on le verra plus loin) suivant le procédé de commande selon l'invention de manière à produire un signal de commande d'un actionneur tel qu'un moteur 6 électrique de réglage de l'ouverture du papillon 5. Le calculateur 14 reçoit classiquement d'autres signaux venus de capteurs tels qu'un capteur de pression d'admission 7 placé dans la tubulure d'admission 4, en aval du papillon 5 (lui-même placé en aval d'un filtre à air 3), une sonde à oxygène 11 placée dans la tubulure d'échappement 12 du moteur, et un capteur 10 de régime du moteur, à réluctance variable par exemple.A l'aide des signaux ainsi reçus le calculateur élabore, outre des signaux de commande du papillon 5, des signaux de commande d'actionneurs tels qu'un injecteur 8 de carburant placé dans la tubulure d'admission et de bougies 9 d'allumage associées chacune à un cylindre du moteur 15.
On notera que le capteur de pression d'admission 7 pourrait être remplacé par un débimètre massique, par exemple, pour la mesure du remplissage en air du moteur, comme cela est bien connu. Le capteur 2 peut être du type potentiométrique. Le moteur 6 peut être du type pas à pas ou à courant continu. Il permet de régler précisément la position du papillon 5.
Le calculateur 14 est équipé pour assurer l'acquisition et la numérisation des différents paramètres énoncés ci-dessus et pour élaborer des commandes des différents actionneurs, grâce aux stratégies suivant 1 invention, qui y sont implantées. Ces stratégies permettent, comme on le verra dans la suite, l'estimation, la prédiction et le contrôle des paramètres "moteur" et, plus particulièrement, le contrôle des masses d' air et de carburant entraînées dans le moteur. Plus particulièrement, les stratégies développées permettent, à partie d'une consigne donnée par le conducteur grâce à la pédale d'accélérateur, et de contraintes de comportement du moteur dans les phases transitoires ( accélérations/décélArations par exemple), de contrôler parfaitement les masses d'air et d'essence entrant dans le moteur.
Ces stratégies mettent en oeuvre un modèle de comportement du moteur décrivant l'évolution de paramètres moteur tels que le remplissage en air. A titre d'exemple, le modèle de comportement peut être choisi de manière que la vitesse d'évolution du couple moteur ( proportionnelle au remplissage en air) soit d'autant plus grande que l'écart entre la consigne émanant du conducteur et la réalisation de cette consigne est grand. Ce modèle est implicitement utilisé pour contraindre le moteur à un comportement aussi proche que possible de celui choisi comme référence.
Le modèle est stimulé en temps réel par une consigne de remplissage en air Rc élaboré par le dispositif suivant l'invention, à partir de la position de la pédale d'accélérateur 1 fixée par le conducteur. Le modèle permet l'estimation, dans les phases transitoires, de la quantité d'essence à injecter. Il joue un rôle correctif vis-à-vis des stratégies de commande de position du papillon en permettant l'ajustement de ladite commande de manière que le comportement du moteur 15 soit parfaitement conforme à celui du modèle de comportement choisi comme référence.
On se réfère à la figure 2 du dessin annexé où l'on a représenté le diagramme fonctionnel du procédé de commande suivant l'invention. Pratiquement, ce procédé est mis en oeuvre grâce à un logiciel adéquat implanté dans le calculateur 14 de l'ensemble représenté à la figure 1. Le diagramme fonctionnel comporte plusieurs modules 20 à 23 qui seront détaillés dans la suite.A partir d'une consigne de position e de la pédale d'accélérateur 1 donnée par le conducteur, mesurée par le capteur de position 2 et numérisée, un module 20 élabore une consigne de remplissage en air du moteur Rc Cette consigne Rc pilote un module 21 comportant un modèle de comportement du moteur, qui délivre en temps réel, en fonction de Rc et d'un remplissage en air mesuré RX du moteur, un remplissage de référence Rr Le module 21 délivre aussi un signal 6 R homogène à l'erreur entre le remplissage mesuré Rm et le remplissage de référence Rr
Un module 23 sert à calculer une quantité d'essence estimée mc à délivrer au moteur.Dans les phases de fonctionnement stabilisé de ce moteur, la quantité de carburant à injecter est estimée par le module 23 à partir de la consigne e affichée par le conducteur et de la mesure Rm du remplissage du moteur. Dans les phases transitoires, comme on le verra plus loin, le module 23 réalise une estimation de la masse d'essence à injecter sur un horizon de temps prédéterminé, pour compenser des problèmes de retard liés à divers phénomènes physiques intervenant dans le moteur.
Un module 23 sert à calculer une quantité d'essence estimée mc à délivrer au moteur.Dans les phases de fonctionnement stabilisé de ce moteur, la quantité de carburant à injecter est estimée par le module 23 à partir de la consigne e affichée par le conducteur et de la mesure Rm du remplissage du moteur. Dans les phases transitoires, comme on le verra plus loin, le module 23 réalise une estimation de la masse d'essence à injecter sur un horizon de temps prédéterminé, pour compenser des problèmes de retard liés à divers phénomènes physiques intervenant dans le moteur.
Le régime moteur N et le remplissage mesuré R1 sont obtenus à l'aide de signaux délivrés par le capteur de vitesse 10 et le capteur de pression d'admission 7, respectivement. Ces variables, en combinaison avec les variables Rc et R élaborées par les modules 20 et 21 sont traitées dans un module 22 consacré à l'élaboration de la consigne d'ouverture b du papillon 5. Cette consigne est fonction des contraintes imposées à l'ensemble composé du module 22 et du moteur 15 car le comportement de cet ensemble est déterminé de manière à ce qu'il soit le plus proche possible de celui d'un moteur défini par le modèle de comportement 21. Tout écart entre le comportement de l'ensemble constitué par le module 22 et le moteur 15 et celui défini par le modèle 21 est corrigé par le terme R.
On se réfère maintenant plus particulièrement au module 20 et à la figure 3 qui représente ce module en plus de détails. Comme on l'a vu plus haut ce module a pour fonction, à partir de la consigne e fixée par le conducteur, d'élaborer une valeur de consigne dynamique Rc du taux de remplissage en air du moteur. Comme il apparaît sur la figure 3, le signal e est traité dans un bloc 201 définissant une loi de commande et le signal élaboré dans ce bloc est ensuite traité par un bloc de filtrage dynamique 202.
La loi de commande convertit l'information e délivrée par le capteur de position 2 en une valeur de consigne homogène au remplissage en air du moteur. Cette consigne est par conséquent sensiblement proportionnelle à un couple moteur. Le traitement de l'information 6 par la loi de commande est défini en fonction de critères ergonomiques prenant en compte les souhaits des conducteurs quant aux réactions du véhicule. On peut concevoir par exemple une commande dont la sensibilité est croissante avec l'enfoncement de la pédale d'accélérateur 1. Cette loi de commande assure ainsi en somme une conversion semblable à celle exécutée par les "escargots mécaniques" existant dans les systèmes moteur classiques.
Le bloc de filtrage dynamique 202 prévu dans le module 20 peut par exemple introduire un simple retard pur
D dans la commande. Ce retard permet, notamment, de compenser les temps de calcul, d'acquisition, d'injection, ainsi que les délais liés à la dynamique du flux d'essence. I1 doit être imperceptible pour le conducteur.
D dans la commande. Ce retard permet, notamment, de compenser les temps de calcul, d'acquisition, d'injection, ainsi que les délais liés à la dynamique du flux d'essence. I1 doit être imperceptible pour le conducteur.
Dans des situations extrêmes mettant en jeu, par exemple, la sécurité du conducteur et du véhicule (patinage, dérapage, etc...), les intentions du conducteur peuvent être minimisées ou même ignorées grâce à un filtrage dynamique approprié, au profit d'une commande prioritaire (par exemple contrôle du couple élaboré à partir de la vitesse des roues).
On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente en plus de détails le module 21. Sur cette figure il apparaît que ce module comprend essentiellement un bloc 211 de mise en forme du signal d'erreur, un bloc 212 définissant un modèle de comportement du moteur, et un bloc 213 constituant un circuit de correction. Le bloc 212 délivre un signal de remplissage de référence Rr à sa sortie, cette sortie étant bouclée sur l'entrée du bloc 211 de manière que celui-ci soit alimenté par un signal (RC-Rr). Un signal de sortie U du bloc 211, défini cidessous, alimente le bloc 212. La sortie du bloc 212 est combinée au signal Rt pour alimenter le circuit de correction 213 avec un signal (Rr-R,), le circuit de correction délivrant le signal ss R.
Le modèle de comportement défini par le bloc 212, qui est directement implanté dans le calculateur, permet de fixer la dynamique d'évolution du remplissage en air du moteur.
Ainsi le modèle délivre en permanence, en fonction de la consigne Rc fixée par le conducteur, un remplissage en air de référence Rr Le signal R délivré par le circuit de correction 213 permet de corriger en temps réel des erreurs de comportement du système moteur réel.
Le modèle de comportement de référence du moteur peut par exemple être décrit par le système d'équations suivant
dRr/dt = K(N).U, (I) où K(N) est une fonction du régime N, avec
U = G.(RC-Rr) ou G = cte, si U,i, < U > Umax (Il)
U = Umin si U s Umin (III)
U = Umax Si U > Umax (IV)
De la première (I) et de la deuxième (II) des expressions données ci-dessus, il resulte que la vitesse d'évolution du remplissage en air de référence est d'autant plus grande que l'écart entre le remplissage en air de consigne Rc et le remplissage en air de référence
Rr est grand.Dans ce cas le terme K(N).G fixe la constante de temps d'évolution du remplissage de référence Rr Toutefois, comme il ressort des expressions (III) et (1V) de la fonction U données ci-dessus, lorsque l'écart devient trop important en valeur absolue, on applique une fonction de saturation à la fonction U et la vitesse d'évolution du remplissage en air de référence devient constante, fixée par le terme K(N).Umin ou K(N)-U,x
Le circuit de correction 213 délivre une information #R homogène à l'erreur entre le remplissage en air de référence Rr et le remplissage en air réel mesuré sur le moteur R1 = = f(Rr-Rm)
Ce circuit de correction a ainsi une fonction de mise en forme.On peut utiliser à cet effet un circuit correcteur du type proportionnel-intégral (PI).
dRr/dt = K(N).U, (I) où K(N) est une fonction du régime N, avec
U = G.(RC-Rr) ou G = cte, si U,i, < U > Umax (Il)
U = Umin si U s Umin (III)
U = Umax Si U > Umax (IV)
De la première (I) et de la deuxième (II) des expressions données ci-dessus, il resulte que la vitesse d'évolution du remplissage en air de référence est d'autant plus grande que l'écart entre le remplissage en air de consigne Rc et le remplissage en air de référence
Rr est grand.Dans ce cas le terme K(N).G fixe la constante de temps d'évolution du remplissage de référence Rr Toutefois, comme il ressort des expressions (III) et (1V) de la fonction U données ci-dessus, lorsque l'écart devient trop important en valeur absolue, on applique une fonction de saturation à la fonction U et la vitesse d'évolution du remplissage en air de référence devient constante, fixée par le terme K(N).Umin ou K(N)-U,x
Le circuit de correction 213 délivre une information #R homogène à l'erreur entre le remplissage en air de référence Rr et le remplissage en air réel mesuré sur le moteur R1 = = f(Rr-Rm)
Ce circuit de correction a ainsi une fonction de mise en forme.On peut utiliser à cet effet un circuit correcteur du type proportionnel-intégral (PI).
On se réfère maintenant à la figure 5 où l'on a représenté le module 22 d'élaboration de la consigne d'ouverture # du papillon 5 des gaz. Le module 22 comprend essentiellement un bloc 221 de mise en forme d'un signal d'erreur (RC-R=), et un bloc 222 de linéarisation par retour d'état. Ce dernier bloc est alimenté par un signal U+ # R constitué par l'addition du signal U' délivré par le bloc 221 et du signal # R délivré par le module 21.Le remplissage en air RD du moteur tel qu'il peut être mesuré à partir du signal fourni par le capteur de pression d'admission 7 (voir figure 1) alimente soustractivement l'entrée du bloc 221 où il se combine au signal Rc pour délivrer à ce bloc un signal (R,-R, )r la sortie U' du bloc 221 se combinant additivement au signal # R pour alimenter l'entrée du bloc 222 qui délivre un signal de réglage de l'angle d'ouverture du papillon des gaz 5, signal qui commande le moteur 6 de réglage de l'ouverture de ce papillon. Le signal Rm alimente aussi le bloc 222. Le module 22 permet d'assurer avec une grande précision le ralliement du remplissage en air du moteur à une consigne de remplissage Rc émanant du conducteur, par une action sur l'angle d'ouverture du papillon des gaz 5.
Suivant une caractéristique essentielle du procédé selon la présente invention, en agissant sur l'ouverture du papillon des gaz, on contraint le remplissage en air réel (R), mesuré sur le moteur à un comportement aussi proche que possible du comportement défini par le modèle de référence, stimulé par la même consigne de remplissage Rc.
Suivant une autre caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, on utilise pour atteindre cet objectif, un procédé de linéarisation par "retour d'état" mis en oeuvre par le bloc 222, procédé dont le principe est exposé ci-apres.
L'équation d'évolution du remplissage en air du système moteur peut s'exprimer par la relation
dR/dt = F (Rm,b,M) qui exprime que la vitesse d'évolution du remplissage dRm/dt est une fonction non linéaire complexe de l'angle d'ouverture du papillon, du régime moteur N et du remplissage R, dont on sait que la pression régnant dans le collecteur d'admission du moteur est une image.
dR/dt = F (Rm,b,M) qui exprime que la vitesse d'évolution du remplissage dRm/dt est une fonction non linéaire complexe de l'angle d'ouverture du papillon, du régime moteur N et du remplissage R, dont on sait que la pression régnant dans le collecteur d'admission du moteur est une image.
On rappelle en outre l'équation d'évolution du modèle de comportement cité plus haut
dRr/dt = K (N).U
En posant comme objectif à atteindre que le remplissage réel R, mesuré sur le moteur évolue à tout instant comme le remplissage de référence, il vient
RX = Rr et dR1/dt = dRr/dt soit, en identifiant les deux équations données ci-dessus
F (R,,, +, M) = K(N).U
En résolvant en 9 ltéquation ci-dessus on obtient l'expression de la commande d'ouverture du papillon qui permet à l'ensemble composé du module 22 et du moteur 15 de suivre le comportement du modèle 212. La transformation opérée ci-dessus est appelée linéarisation par "retour d'état".Elle permet de fixer la dynamique d'évolution du remplissage en air tout en compensant les non-linéarités de fonctionnement du moteur.
dRr/dt = K (N).U
En posant comme objectif à atteindre que le remplissage réel R, mesuré sur le moteur évolue à tout instant comme le remplissage de référence, il vient
RX = Rr et dR1/dt = dRr/dt soit, en identifiant les deux équations données ci-dessus
F (R,,, +, M) = K(N).U
En résolvant en 9 ltéquation ci-dessus on obtient l'expression de la commande d'ouverture du papillon qui permet à l'ensemble composé du module 22 et du moteur 15 de suivre le comportement du modèle 212. La transformation opérée ci-dessus est appelée linéarisation par "retour d'état".Elle permet de fixer la dynamique d'évolution du remplissage en air tout en compensant les non-linéarités de fonctionnement du moteur.
Afin de limiter la dynamique d'évolution du remplissage en air R., le circuit 221 de mise en forme de l'erreur (R,-RI) a pour but d'amplifier l'erreur tout en la contenant entre une valeur maximum et une valeur minimum par l'application à la variable U' de sortie du circuit 220, d'une fonction de saturation identique à celle décrite plus haut en liaison avec la variable U de sortie du bloc 211 (voir figure 4). A cet égard on remarquera que, si le système est parfait, Rm = Rrt ce qui entraîne U' = U.
Il faut remarquer encore que le processus de linéarisation n'est jamais parfait, par exemple à cause des erreurs ou des imprécisions des modèles utilisés ou du fait que certains paramètres n'ont pas été pris en compte.
Si on désire néanmoins conserver la dynamique de l'ensemble constitué par le module 22 et le moteur 15, aussi proche que possible de celle du modèle de comportement 212, il est nécessaire d'ajouter à l'entrée du bloc de linéarisation 222 le terme de correction R issu du module 21 incorporant le modèle de comportement.
L'entrée du bloc de linéarisation 222 est alors constituée par la somme des signaux issus du bloc 221 du module 22 et du bloc 213 du module 21.
On se réfère maintenant à la figure 6 du dessin annexé où l'on a représenté en plus de détails le module 23 d'estimation de la quantité d'essence formant partie du dispositif de la figure 2. Le module 23 comprend essentiellement un bloc 231 d'estimation du remplissage en air et un bloc 232 d'estimation de la quantité d'essence.
Le bloc 231 d'estimation du remplissage en air est alimenté par les signaux e et Rm et délivre un signal de remplissage estimé R au bloc 232 d'estimation de la quantité d'essence, lui-même alimenté par un signal rc représentatif d'une richesse de consigne, ce bloc délivrant un signal mc représentatif d'une quantité d'essence à injecter dans le moteur. La richesse de consigne r0 peut être fixée par une cartographie, dans un système "pression-vitesse" par exemple. Le module 23 permet alors de calculer la quantité d'essence à injecter afin que les consignes de richesse du mélange air/carburant soient respectées à tout instant.
Dans les phases transitoires (accélération/décélération par exemple), il est nécessaire de compenser des retards. De tels retards sont liés à la dynamique du flux de carburant, au temps d'acquisition des signaux nécessaires, au problème bien connu de l'injection soupape fermée" correspondant à une anticipation de l'injection par rapport au moment de l'admission. Pour compenser ces retards il faut disposer d'une estimation de la masse d'essence à injecter sur un horizon de temps x pouvant être supérieur à un demi cycle du moteur. Cette estimation est réalisée par le bloc 231 du module 23. Elle passe par l'estimation du remplissage en air sur le même horizon de temps. Pour réaliser cette estimation on utilise la consigne instantanée fournie par le conducteur (l'angle e de la position de la pédale d'accélérateur).
Cette information permet de calculer très rapidement le taux de remplissage estimé t (t+t), sans le retard D dû au filtrage dynamique opéré dans le module 20. On peut poser alors A A
= f(R(t), e(t+r), e'(t+r))
Cette formule exprime que le remplissage estimé à l'instant (top), soit R < t+t), est une fonction du remplissage estimé à l'instant t, de la position pédale à l'instant (t+x) et de l'estimation de la vitesse d'évolution de la position pédale à l'instant (t+t), soit e' (t+t).
= f(R(t), e(t+r), e'(t+r))
Cette formule exprime que le remplissage estimé à l'instant (top), soit R < t+t), est une fonction du remplissage estimé à l'instant t, de la position pédale à l'instant (t+x) et de l'estimation de la vitesse d'évolution de la position pédale à l'instant (t+t), soit e' (t+t).
Connaissant l'équation d'évolution du remplissage en air du moteur donnée plus haut en liaison avec la description du modèle de comportement, il est facile de déterminer à l'instant (t+t) ce que sera le remplissage en air du moteur.
En régime stabilisé du moteur, on utilise directement le remplissage mesuré R, pour obtenir R quelle que soit la phase de fonctionnement (transitoire ou statique). Le taux de remplissage en air étant alors évalué, la quantité d'essence mc à injecter est directement déduite de la consigne de richesse re du mélange air/carburant telle qu'elle est fixée, par exemple, par une cartographie comme on l'a vu plus haut.
I1 apparaît maintenant que la présente invention permet effectivement de résoudre les problèmes posés par les régimes transitoires imposés par le conducteur, grâce à une commande du remplissage en air du moteur au moyen d'un papillon actionné par moteur électrique, tout comme l'injecteur 8 permet de commander le réglage du remplissage en essence. Le procédé de commande suivant l'invention permet de maîtriser la vitesse d'évolution du remplissage en air de manière à autoriser notamment une compensation du retard pur du aux injecteurs. On agit ainsi sur une variable déterminante quant à la précision du suivi de la richesse de consigne, éventuellement fixée par cartographie, le couple moteur étant par ailleurs proportionnel, à une constante près, à cette variable.
Ainsi, la commande simultanée des masses d'air et d'essence admises dans le moteur permet de s'assurer une maîtrise complète des régimes transitoires du moteur. En découplant la pédale d'accélérateur du papillon d'admission, on peut introduire un retard dynamique intermédiaire en vue d'amortir des transitoires rapides.
Le système étant non linéaire, l'invention propose d'appliquer localement la technique de linéarisation par retour d'état, qui a donné expérimentalement de bons résultats.
Suivant l'invention on suit ainsi un modèle de référence, avec correction de l'erreur en boucle fermée, dont les paramètres constituent autant de moyens de réglage du retard entre l'ordre du conducteur et la réponse du moteur. La commande du remplissage en essence utilise de manière prédictive le modèle de référence à partir de l'ordre instantané du conducteur, en vue de compenser partiellement le retard pur de la procédure de préparation du mélange.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.
Claims (17)
1. Procédé de commande de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'on calcule un remplissage en air de consigne (Rc) à partir d'une consigne affichée (e) de position d'une pédale d'accélérateur, on tire d'un modèle de comportement du moteur stimulé en temps réel par le remplissage de consigne (Rc) une valeur de remplissage de référence (Rr) on mesure une valeur de remplissage en air du moteur (R,) et on commande à partir de l'écart (R0-R,,) l'ouverture (c) d'un papillon d'admission d'air du moteur de manière que l'évolution du remplissage en air (R,,) du moteur suive étroitement celle du remplissage de référence (Rr) calculé par le modèle de comportement.
2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, en régime statique, on calcule la quantité d'essence à injecter dans le mélange à partir du remplissage mesuré (R,) et d'une richesse de consigne (rc) prédéterminée.
3. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, en régime transitoire, on réalise une estimation de la masse d'essence à injecter sur un horizon de temps (t) prédéterminé, à partir d'une estimation du remplissage en air du moteur sur le même horizon, obtenu à l'aide du modèle de comportement du moteur, et on règle la quantité d'essence à injecter en fonction de cette estimation et de la richesse de consigne (rc) prédéterminée.
4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'on applique une fonction de saturation à la vitesse d'évolution du remplissage en air estimé.
5. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'on utilise une richesse de consigne (toc) cartographiée.
6. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique une loi de commande prédéterminée à l'angle (e) de position de la pédale d'accélérateur, pour en déduire le remplissage de consigne (R0).
7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'on applique un filtrage dynamique au remplissage de consigne (ru).
8. Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le filtrage introduit un retard pur.
9. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on applique au modèle de comportement un signal (RC-Rr) préalablement mis en forme.
10. Procédé conforme à la revendication 9, caractérisé en ce qu'on applique une fonction de saturation audit signal (RoRr) pour assurer sa mise en forme.
11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que le remplissage (R) en air mesuré du moteur est soustrait du remplissage de référence (Rr) délivré par le modèle de comportement et en ce qu'on met en forme la différence (Rr-Rm) pour délivrer un signal de correction ( R).
12. Procédé conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que la différence (Rr-Rm) est mise en forme dans un circuit du type proportionnel-intégral.
13. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'on forme un signal (RC-R ), on met ce signal en forme à l'aide d'une fonction de saturation, on ajoute le signal mis en forme au signal de correction ( R) et on applique à cette somme un procédé de linéarisation par retour d'état pour en tirer un signal de commande de l'ouverture (b) du papillon d'admission d'air du moteur.
14. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (2) de position d'une pédale d'accélérateur (1) associée au moteur (15) pour délivrer un signal permettant d'élaborer un remplissage (Rc) de consigne, un capteur (7) fournissant un signal permettant d'atteindre une mesure (R) du remplissage du moteur, un calculateur (14), un modèle de comportement (212) du moteur implanté dans ce calculateur pour calculer un remplissage en air de référence (Rr) un papillon (5) de réglage de l'admission d'air dans le moteur et un actionneur (6) de commande de l'ouverture de ce papillon (5) alimenté par un signal élaboré à l'aide du modèle de comportement (212), du remplissage de consigne (roc) et du remplissage (R,,) mesuré à l'aide du capteur (7), de manière que le remplissage mesuré (R,, > soit asservi au remplissage de référence (Rr) calculé par le modèle de comportement (212).
15. Dispositif conforme à la revendication 14, caractérisé en ce que l'actionneur est un moteur électrique pas à pas.
16. Dispositif conforme à la revendication 14, caractérisé en ce que l'actionneur est un moteur électrique à courant continu.
17. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que sont implantés dans le calculateur, un module (20) d'élaboration de la consigne de remplissage (Rc) alimenté par un signal (o) venu du capteur (2) de position de la pédale d'accélérateur, un module (21) incorporant le modèle de comportement (212) du moteur, un module (22) d'élaboration de la consigne (ç) d'ouverture du papillon, et un module (23) d'estimation de la quantité d'essence à injecter dans le moteur, le capteur (2) de position de la pédale alimentant aussi ce dernier module tandis que le signal (Rc) fourni par le module (20) alimente les modules (21) et (22) en parallèle, le module (21) étant en outre alimenté par le signal (Rm) délivré par le capteur (7) pour fournir au module (22) un signal de correction (b ss R) homogène à l'écart séparant le remplissage (Rm) en air mesuré et le remplissage (Rr ) de référence pour permettre au module (22) d'élaborer le signal de commande de l'actionneur (6) du papillon d'admission d'air (5) du moteur,le module (23) délivrant à au moins un injecteur (8) un signal de commande de la quantité de carburant à injecter dans le moteur.
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