FR2672087A1

FR2672087A1 - Procede et dispositif d'evaluation du debit d'air admis dans un moteur a combustion interne, en regime transitoire.

Info

Publication number: FR2672087A1
Application number: FR9100956A
Authority: FR
Inventors: Boverie Serge; Lequellec Jean-Michel
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1991-01-29
Publication date: 1992-07-31
Also published as: FR2672087B1; WO1992013184A1

Abstract

On réalise une mesure Dm e s , (n) du débit d'air admis à l'aide d'un débitmètre (5), on tire un débit d'air estimé De s t , (n) d'un modèle de référence (7) et on tire un terme additif de correction DELTAD(n) de la mesure Dm e s , (n) d'un modèle d'erreur (8) commandé par le débit d'air estimé De s t (n). Les variables d'entrée du modèle de référence sont l'angle d'ouverture (a) d'un papillon de réglage du débit d'air et le régime (N) du moteur. Application à un dispositif de commande de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile.

Description

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif d'évaluation du débit d'air entrant dans un moteur à combustion interne équipé d'un système d'injection électronique et, plus particulièrement, à un tel procédé et un tel dispositif permettant d'évaluer avec précision ce débit d'air pendant des phases transitoires du fonctionnement du moteur telles qu'une accélération ou une décélération brusques.

Le conducteur d'un véhicule automobile propulsé par un moteur à combustion interne fait varier la vitesse du véhicule en agissant sur une pédale d'accélérateur qui est classiquement couplée mécaniquement à un papillon de réglage du débit d'air admis dans le moteur. Celui-ci varie alors instantanément alors que la quantité d'essence injectée n' est modifiée qu'avec un certain retard pour rejoindre le rapport air/carburant correspondant à la stoechiométrie. Il en résulte, en régime transitoire, un écart de ce rapport par rapport à la stoechiométrie.Sur les véhicules modernes équipés de dispositifs antipollution constitués par un pot d'échappement "catalytique", cet écart est particulièrement dommageable car un tel pot est conçu pour fonctionner avec un moteur alimenté par un mélange air/carburant aussi rigoureusement stoechiomêtrique que possible.

Pour tenter de réduire cet écart, il faut d'une part disposer de moyens permettant de connaître avec précision le débit d'air admis dans le moteur en régime transitoire, à tout instant et d'autre part, faire en sorte que la quantité d'essence fournie au mélange air/carburant suive alors sans retard les variations du débit d'air admis.

Pour évaluer instantanément le débit d'air entrant dans un moteur, on connaît un procédé basé sur l'hypothèse suivant laquelle ce débit est proportionnel au produit d'une mesure de l'ouverture angulaire a du papillon (assimilée à une perte de charge variable) par le régime de rotation du moteur (assimilé à une pompe dont la pression d'aspiration dépend de la vitesse de rotation).

Ce procédé est rapide car il est basé sur les causes de variation du débit mais il est aussi très imprécis (en particulier, la pression de l'air varie avec l'altitude) et ne peut être mis en oeuvre que dans des dispositifs d'injection de bas de gamme pour lesquels les normes de performances et les normes antipollution sont les moins sévères. En outre ce procédé n'est pas adaptatif et les résultats peuvent alors être affectés par l'encrassement de l'ensemble d'admission du moteur, y compris le filtre à air.

On connaît aussi des moyens de mesure directs du débit massique d'air tels que des débitmètres à palette ou à fil chaud qui, associés à d'autres capteurs, permettent d'évaluer avec une bonne précision le débit d'air admis dans le moteur. ~ ~-
Ces moyens de mesure présentent cependant l'inconvénient d'introduire des retards temporels importants. Avec les débitmètres à palette, ces retards sont dus à des constantes de temps d'origine mécanique et à des temps de traitement d'informations. Avec les débitmètres à fil chaud, les retards résultent d'un nécessaire filtrage du signal délivré (ce signal étant fortement pulsé et affecté de dépassement lors des transitions) ainsi que de temps de traitement d'informations. Ces constantes de temps retardent la mesure par rapport à la variation effective du débit, ce retard pouvant atteindre plusieurs tours "moteur".

Pour limiter ces retards, le document EP-A-115 868 décrit un procédé de commande de l'alimentation en carburant d'un moteur à combustion interne, suivant lequel on évalue préalablement la quantité d'air entrant dans le moteur à l'aide d'échantillons d'un signal fourni par un débitmètre d'air, d'un modèle dynamique de l'entrée d'air dans le moteur et de calculs récurrents sur les quantités d'air calculées basées sur une hypothèse de variation linéaire entre deux échantillons de cette quantité. Ce procédé est donc basé sur des quantités d'air calculées, qui ne sont disponibles qu'avec retard. En outre, l'hypothèse de variation linéaire est génératrice d'imprécision en cas de variations brusques (à forte pente), comme c'est souvent le cas en régime transitoire.

La présente invention a donc pour but de fournir un procédé et un dispositif permettant d'évaluer, en régime transitoire, le débit d'air entrant dans un moteur à combustion interne, qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus des procédés et dispositifs de la technique antérieure et qui, par conséquent, assurent une évaluation rapide et précise de ce débit d'air.

La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif qui soient autoadaptatifs.

On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un procédé d'évaluation du débit d'air entrant dans un moteur à combustion interne lors d'un fonctionnement en régime transitoire de celui-ci, suivant lequel on réalise une mesure de ce débit et on corrige cette mesure par un terme additif de correction. Selon l'invention, on tire un débit d'air estimé d'un modèle de référence de ce débit et on tire le terme additif de correction d'un modèle d'erreur commandé par le débit d'air estimé.

Suivant un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les variables d'entrée du modèle de référence sont l'angle d'ouverture d'un papillon de réglage du débit d'air admis et le régime du moteur. Un tel modèle de référence permet une estimation rapide du débit d'air admis et donc une disponibilité non moins rapide du terme additif de correction fourni par le modèle d'erreur.

Suivant une variante du procédé selon l'invention, on corrige des paramètres du modèle de référence en fonction de l'écart observé, en régime stabilisé, entre les débits d'air mesurés et estimés. On assure ainsi l'autoadaptativité du procédé et du dispositif suivant l'invention.

Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, l'invention fournit un dispositif comprenant un- capteur de débit d'air entrant dans le moteur et des moyens alimentés par le signal de sortie de ce capteur pour calculer un terme additif de correction du débit mesuré par le capteur de manière à évaluer précisément le débit d'air entrant dans le moteur. Suivant l'invention, les moyens de calcul comprennent des moyens pour mémoriser et mettre en oeuvre un modèle de calcul d'un débit d'air de référence et un modèle d'erreur commandé par la sortie du modèle de débit d'air de référence pour fournir un terme de correction, et des moyens pour ajouter ce terme de correction au débit mesuré, cette somme étant représentative du débit d'air entrant effectivement dans le moteur en régime transitoire.

Suivant un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, celui-ci comprend en outre un capteur de position d'un papillon de réglage du débit d'air admis, un capteur de régime du moteur, et des moyens d'entrée des signaux délivrés par ces capteurs dans le modèle de référence pour le calcul du débit d'air estimé.

Suivant une variante, les moyens de calcul du dispositif selon 1'invention comprennent en outre des moyens sensibles à un écart observe, en régime stabilisé, entre les débits d'air mesuré et estimé pour corriger en retour des paramètres de réglage du modèle de référence.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
- la figure 1 représente un ensemble de graphes utiles à la compréhension du procédé suivant l'invention,
- la figure 2 est un schéma synoptique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, et
- la figure 3 est un schéma synoptique d'une partie d'une variante du dispositif suivant l'invention, assurant une autoadaptation du modèle de référence utilisé dans ce dispositif.

On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où les graphes 1 et 2 représentent respectivement l'évolution de l'ouverture a(n) du papillon des gaz d'un moteur à combustion interne et du régime N(n) de ce moteur dans une phase transitoire du fonctionnement de ce moteur correspondant, à titre d'exemple non limitatif, à une accélération brusque. Les instants n-l, n, n+1, ... etc sont des instants d'échantillonnage de mesures opérées par des capteurs d'angle de papillon et de régime du moteur.

Dans un moteur à combustion interne, ces instants d'échantillonnage peuvent correspondre aux instants de passage des pistons au point mort haut, comme cela est classique dans les dispositifs numériques de commande d'injection de carburant et/ou d'allumage. Le graphe 3 représente la quantité d'air moyenne D(n) entrant effectivement dans le moteur. D'une manière générale dans la suite, le symbole D désigne un débit d'air moyen, filtré de fluctuations parasites. Le graphe 4 représente le débit d'air admis Dmes (n) dans le moteur tel qu'on le déduit d'un signal délivré par un débitmètre d'air à fil ou film chaud, par exemple.De la comparaison des graphes 3 et 4 il ressort que le débit d'air ainsi mesuré grâce au débitmètre (graphe 4) évolue parallèlement au débit réel
D(n) (graphe 3) mais avec retard dû, comme on l'a vu plus haut, au filtrage et aux temps d'acquisition et de traitement des signaux fournis par le débitmètre. Dans l'exemple représenté, on a choisi le cas d'un moteur à quatre cylindres et quatre temps pour lequel la période d'échantillonnage (1/4 du cycle moteur) correspond à une demi-révolution de l'arbre de transmission (ou 1/2 tour "moteur"). Comme illustré, la mesure de débit fournie par le débitmètre peut souffrir classiquement d'un retard supérieur à 1 tour moteur.C'est le but de la présente invention que de réduire sensiblement l'importance de ce retard, de manière à rendre celui-ci inférieur à la période d'échantillonnage des paramètres du système, soit un 1/2 tour moteur. A partir d'une connaissance plus instantanée et plus précise ainsi obtenue du débit d'air admis, on peut régler alors la quantité d'essence injectée dans le moteur de manière à respecter la stoechiométrie plus constamment que cela est possible avec les moyens de la technique antérieure. On en tire avantageusement un meilleur ajustement aux nécessités du fonctionnement des pots "catalytiques" et un meilleur confort de conduite.

Suivant l'invention, pour atteindre ces résultats, on utilise un modèle de référence fournissant une estimation Dest(n) du débit d'air admis. Selon un mode de mise en oeuvre dkl rocédésuivant l'invention, ce modèle prend la forme
Dest(n) = f(a(n), N(n))
Comme on l'a vu plus haut en préambule de la présente description, un tel modèle est en effet susceptible de fournir une estimation du débit d'air admis. On notera que le graphe 5 (Dc,,(n)) est ainsi tiré des échantillons de a(n) et N(n) figurant sur les graphes 1 et 2. Ce modèle suit de très près dans le temps les variations du débit réel, grâce notamment au paramètre a(n) dont les évolutions sont rapides.

Suivant une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention, on utilise un modèle d'erreur commandé par le débit estimé Dest(n) pour tirer (voir graphe 7) un terme de correction D(n) qui, ajouté au débit mesuré Dmes (n) représente le débit corrigé Dcor (graphe 6), ce graphe correspondant à l'addition des graphes 4 et 7.

Grâce à l'estimation rapide du débit et au modèle d'erreur utilisés dans l'invention, le débit corrigé Dcor (graphe 6) est très proche du débit réel (graphe 4), le retard dont il est affecté étant en particulier notablement réduit (inférieur à 1/2 tour moteur) par rapport au retard de la mesure D...(n) sur le débit réel
D(n).

L'invention est ainsi essentiellement basée sur l'utilisation de deux modèles, un modèle de référence décrivant le comportement de l'ensemble d'admission du moteur et un modèle d'erreur.

Le modèle de référence explicité ci-dessus n'est donné qu'à titre d'exemple. Plus généralement, ce modèle de référence peut s'exprimer sous la forme
De.t(n) = fEa(n), N(n), etc...)
Des paramètres tels que la température et la pression de l'air atmosphérique peuvent être pris en compte, outre l'angle d'ouverture du papillon et le régime du moteur. Le modèle est établi à partir de mesures réalisées au banc sur le moteur. On pourra utiliser un modèle dynamique du comportement de l'ensemble d'admission. En variante ce comportement pourrait être enregistré dans une table comprenant par exemple deux entrées (régime moteur, angle papillon) et une sortie (débit d'air estimé). Entre deux points de fonctionnement étudiés au banc, la table est parcourue par interpolation linéaire, par exemple.

L'estimation De,,(n) de la masse d'air entrant dans le moteur ainsi obtenue est utilisée à tout instant pour calculer l'évolution, dans les phases transitoires du fonctionnement du moteur, de l'erreur qui sépare la mesure Dmes(n), du débit d'air effectivement admis dans le moteur à cet instant. Ce calcul est réalisé à l'aide d'un modèle d'erreur dont on va donner dans la suite une des expressions possibles, à titre d'exemple. L'estimation de l'erreur prend en compte d'une part l'existence d'un retard pur entre une valeur mesurée et une valeur réelle, dû au système d'acquisition et, d'autre part, le filtrage exercé par l'ensemble d'admission sur la masse d'air entrante, du fait d'un effet capacitif développé dans cet ensemble.

De manière générale, le modèle d'erreur peut s'exprimer sous la forme
hD(n) = FE AD(n-l), Deat(n), D.,t(n 1) N(n)) qui exprime que l'erreur sur la quantité d'air admis à l'instant n est une fonction de l'erreur sur la quantité d'air à l'instant (n-l), de la quantité d'air estimée aux instants n et (n-l) et du régime moteur à l'instant n.

L'expression de l'erreur pourrait tenir compte éventuellement d'autres paramètres tels que la température de l'air d'admission par exemple.

A titre d'exemple non limitatif, un modèle d'erreur utilisable peut prendre la forme suivante ##(n)=##(n-1) + T/#' N(n)[#est(n)-#est(n-1)]- dt/#' N(n)##(n-1),
où
t' est une constante de temps fonction des caractéristiques de l'ensemble d'admission (capacité, etc...) et
#T est l'horizon d'estimation de l'erreur, égal à un nombre entier de périodes d'échantillonnage dt, par exemple trois périodes.

L'estimation finale du débit d'air moyen entrant dans le moteur à l'instant n est obtenue en faisant la somme du débit moyen mesuré et de l'erreur sur le débit moyen soit
Dcor (n) = Dme(n) + hD(n)-
On se réfère maintenant à la figure 2 du dessin annexé où l'on a représenté un schéma synoptique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. L'admission d'air dans un moteur 1 est réglée par un papillon des gaz 2 dont la position angulaire est commandée par le conducteur d'un véhicule automobile, au moyen d'une pédale d'accélérateur 3.Le moteur 1 reçoit des signaux de commande d'un calculateur 4 (temps d'injection, instant d'allumage, etc...) et délivre, par l'intermédiaire de capteurs adéquats, des informations de mesure concernant son fonctionnement (régime moteur N, température d'eau de refroidissement essu, etc...). Un débitmètre 5 mesure le débit d'air dans l'ensemble d'admission 6 du moteur. Le calculateur comprend des moyens d'acquisition et de traitement de cette mesure qui délivrent le signal Dmes (n) affecté d'un retard important qui peut etre de plusieurs tours "moteur" par exemple, comme on l'a vu plus haut. Suivant l'invention, ce retard est corrigé à l'aide d'un modèle de référence 7 et d'un modèle d'erreur 8 enregistrés dans des moyens de mémoire adéquats prévus dans le calculateur 4.Le modèle de référence est alimenté par un signal a(n) originaire d'un capteur de position de papillon 10 et par un signal N originaire d'un capteur de régime moteur (non représenté), tel qu'un capteur à réluctance électromagnétique par exemple. Le modèle de référence calcule un débit d'air estimé Des t qui commande le modèle d'erreur 8. Celui-cidélivre un signal de correction OD(n) combiné dans un additionneur 11 au signal Dmes(n) pour fournir un signal
Dcor représentatif du débit d'air effectivement admis dans le moteur. Ce signal alimente des moyens de calcul et de commande 12 qui élaborent notamment, à partir du débit d'air ainsi connu, la quantité d'essence à injecter dans chacun des cylindres du moteur de manière à respecter la stoechiométrie du mélange air/carburant, pendant les phases transitoires de fonctionnement du moteur.Hors de ces phases tran-si-toires, ces moyens 12 calculent classiquement la quantité d'essence à injecter dans le moteur, pour assurer la stoechiométrie du mélange air/carburant.

On a représenté à la figure 3 une partie du schéma synoptique d'une variante du dispositif de la figure 2, permettant de donner à celui-ci une caractéristique d'autoadaptativité.

On observe en effet que les différents paramètres caractérisant le moteur sont susceptibles d'évoluer au cours du temps. La valeur du débit estimé calculé grâce au modèle de référence peut s'écarter à la longue de la valeur réelle, du fait d'un encrassement du filtre à air, de l'encrassement des soupapes, de l'usure des cames, etc ... D'autres phénomènes peuvent affecter la validité du modèle de référence, une variation de la pression atmosphérique due à une variation d'altitude par exemple.

Suivant l'invention, on utilise un algorithme d'adaptation 13 permettant de corriger les valeurs des paramètres utilisés dans le modèle de référence pour que la précision de l'estimation soit conservée. Cet algorithme est mis en jeu dans des phases de fonctionnement stables du moteur pendant lesquelles on compare, à ouverture de papillon et à régime moteur donnés, les valeurs du débit d'air moyen mesuré D5 e s et du débit estimé De s t . En fonction de l'écart observé, on corrige les valeurs des différents paramètres (a) intervenant dans le modèle de référence à l'aide d'un algorithme de la forme
ai = a,, + assai
où ai = ieme paramètre du modèle de référence,
8a. = valeur de la correction, et
a = coefficient de pondération (a 1).

Comme on l'a vu plus haut, la valeur de la correction Sai est une fonction du débit mesuré et du débit estimé, pour un angle d'ouverture du papillon, un régime moteur et, éventuellement, une température d'air donnés. Le coefficient de pondération peut être constitué par un certain pourcentage de la dérivée du paramètre pris en compte.

Il apparaît maintenant que la présente invention permet d'atteindre les buts recherchés. Grâce à l'utilisation d'un modèle d'erreur commandé par une estimation rapide du débit d'air admis, il est possible de fournir au calculateur de temps d'injection de carburant une évaluation instantanée rapide et précise du débit d'air admis, qui permet d'ajuster sans retard la stoechiométrie du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, nécessaire au confort de conduite et au bon fonctionnement des dispositifs antipollution fondés sur une catalyse de certains gaz d'échappement.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'évaluation du débit d'air admis dans un moteur à combustion interne lors d'un fonctionnement en régime transitoire de celui-ci, suivant lequel on réalise une mesure Da,s(n) de ce débit et on corrige cette mesure par un terme additif de correction D(n), caractérisé en ce qu'on tire un débit d'air estimé (D55(n)) d'un modèle de référence de ce débit et on tire le terme additif de correction D(n) d'un modèle d'erreur commandé par le débit d'air estimé Dest(n).

2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les variables d'entrée du modèle de référence sont l'angle d'ouverture (a) d'un papillon de réglage du débit d'air et le régime (N) du moteur.

3. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le modèle d'erreur est de la forme

D(n) = F E D(n-1), Dest (n), Dest (n-1), N(n)] où (n-1) et (n) sont deux instants d'échantillonnage successifs.

4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle d'erreur de la forme ##(n)=##(n-1) + #T/#' N(m)[#est(n)-#est(n-1)] dt/#' N(n) . #(n-1) où dt est la période d'échantillonnage, t' une constante de temps fonction des caractéristiques de l'admission d'air du moteur, et #T l'horizon d'estimation de l'erreur.

5. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on corrige des paramètres du modèle de référence en fonction de l'écart observé, en régime stabilisé, entre les débits d' air mesuré (Dmes (n)) et estimé (Dest(fl))

6.Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'on tire une valeur actualisée (ai1) d'un paramètre du modèle de référence de la relation

ail = aiO + assai où aiO est la valeur précédente du paramètre considéré, Oa i t la valeur d'un terme de correction de ce paramètre, tirée de l'écart observé en régime transitoire entre les débits d'air mesuré et estimé, a, un coefficient de pondération.

7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que la correction Eas du paramètre est fonction de l'angle d'ouverture du papillon, du régime moteur et de la température de l'air.

8. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le coefficient de pondération a est constitué par un pourcentage prédéterminé de la dérivée du paramètre (ai).

9. Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que le coefficient de pondération a est tel que a 1.

10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, du type qui comprend un capteur du débit d'air admis dans le moteur et des moyens alimentés par le signal de sortie de ce capteur pour calculer un terme additif de correction bD(n) du débit mesuré Dme.(n) par le capteur, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent des moyens pour mémoriser et mettre en oeuvre un modèle de calcul d'un débit d'air de référence et un modèle d'erreur commandé par la sortie Dest(n) du modèle de débit d'air de référence pour fournir un terme de correction AD(n) et des moyens pour ajouter le terme dD(n) au débit mesuré Dmes (n), cette somme étant représentative du débit d'air entrant effectivement dans le moteur en régime transitoire.

11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de position d'un papillon de réglage du débit d'air admis, un capteur de régime du moteur, et des moyens d'entrée des signaux délivrés par ces capteurs dans le modèle de référence pour le calcul du débit d'air estimé De st (n).

12. Dispositif conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent des moyens sensibles à un écart observé en régime stabilisé, entre les débits d'air mesuré D.,(n) et estimé D,t(n) pour corriger en retour des paramètres de réglage du modèle de référence.