FR2772079A1 - Procede et dispositif de controle de l'injection d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

On place au moins une sonde non linéaire (SD1) en amont du pot catalytique apte (CAT) à délivrer un signal de mesure (Vs) représentatif de la proportion de l'un des composants des gaz d'échappement du moteur à l'entrée du pot catalytique. On effectue une calibration préalable de la sonde (SD1) au cours de laquelle on détermine une valeur d'un courant de pompage constant (Is) à faire circuler dans la sonde de façon à corriger le décalage moyen de la richesse de basculement de la sonde par rapport à la valeur nominale égale à 1, et lors du fonctionnement du moteur on fait circuler dans ladite sonde ledit courant électrique de pompage (Is) et on corrige la quantité (QY) de carburant injectée à partir de la valeur du signal de mesure (Vs) délivré par ladite sonde et d'un signal de décalage secondaire (OFS) dépendant du point de fonctionnement du moteur.

Description

Procédé et dispositif de contrôle de l'injection
d'un moteur à combustion interne
L'invention concerne les moteurs à combustion interne du type à injection et reliés à au moins un pot d'échappement catalytique et plus particulièrement le contrôle de l'injection de tels moteurs en utilisant le signal délivré par une sonde non linéaire placée en amont du pot catalytique
L'invention s'applique avantageusement aux moteurs à combustion interne fonctionnant au gaz naturel comprimé (GNC) ou aux moteurs du type à injection directe et allumage commandé.

I1 est connu d'utiliser des systèmes pour modifier la quantité de carburant qui est injectée dans un moteur en fonction de la composition des gaz d'échappement et, plus particulièrement, de la teneur en oxygène de ces gaz. A cet effet, la teneur en oxygène est mesurée à l'aide d'une sonde non linéaire dite "sonde lambda" ou sonde EGO, EGO étant l'abréviation de la dénomination anglaise "Exhaust Gas Oxygen". Une telle sonde est disposée en amont du pot d'échappement catalytique qui traite les gaz d'échappement et le signal fourni par cette sonde sert à modifier, par l'intermédiaire d'une première boucle de contre-réaction, la quantité de carburant qui est injectée dans les cylindres du moteur.

Le comportement des sondes "lambda" est sensible au type de composition gazeuse des gaz d'échappement. Les sondes actuellement utilisées sont conçues pour fonctionner avec des moteurs à essence traditionnels dont les chambres de combustion sont optimisées pour fonctionner en mélange homogène à la stoechiométrie. Ces sondes sont ainsi conçues pour présenter une richesse de basculement égale à 1.

Or, des essais pratiqués sur des moteurs fonctionnant au GNC et associés à de telles sondes classiques, ont montré que la richesse de basculement de ces sondes est décalée vers une valeur pauvre, typiquement 0,98. En outre, ce décalage de la richesse de basculement varie avec le point de fonctionnement du moteur et il est généralement d'autant plus grand que le point est chargé.

Par ailleurs, les moteurs à injection directe essence ont une chambre de combustion optimisée pour une combustion en mélange stratifié, mais non pour le fonctionnement du moteur en mélange homogène stoechiométrique, notamment lorsque le moteur est froid ou lors des phases de fortes charges. I1 en résulte donc, lors de ce fonctionnement en mélange homogène stoechiométrique, une combustion moins complète que pour un moteur traditionnel essence dont la chambre de combustion est optimisée pour fonctionner en mélange homogène à la stoechiométrie. En conséquence, la composition gazeuse d'échappement possède plus d'hydrocarbure à brûler et plus d'oxygène que dans le cas d'un moteur à essence traditionnel. Le fonctionnement de la sonde lambda s'en trouve perturbé et la richesse de basculement de celle-ci est alors décalée vers une valeur plutôt riche, typiquement 1,01.

Or, les systèmes actuels de contrôle d'injection, prévoyant une boucle d'asservissement utilisant le signal délivré par la sonde, ne permettent pas de corriger de façon efficace ce décalage.

L'invention vise à apporter une solution à ce problème tout en minimisant les modifications matérielles des systèmes de contrôle existants.

L'analyse des phénomènes intervenant dans la sonde ont montré que le décalage observé était dû essentiellement au fait que le gaz d'échappement des moteur GNC contenait d'importantes concentrations d'hydrogène et d'hydrocarbures légers (CH4 notamment). Ces espèces ayant des vitesses de diffusion nettement plus grandes que l'oxygène, la sonde "voit" alors plus de réducteurs que d'oxygène. Par conséquent, pour des mélanges gazeux légèrement pauvres ou stoechiométriques, la sonde "voit" une composition riche, et la tension à ces bornes se trouve au niveau haut. A l'inverse, pour un moteur traditionnel dont la combustion est incomplète, le mélange gazeux possède plus d'hydrocarbures lourds ayant une vitesse de diffusion faible par rapport à celle de l'oxygène. La sonde "voit" alors plus d'oxygène que de réducteurs. Par conséquent, pour des mélanges gazeux légèrement riches ou stoechiométriques, la sonde "voit" une composition pauvre et la tension à ces bornes se trouve au niveau bas.

L'une des caractéristiques de l'invention est d'appliquer un courant électrique, dit "courant de pompage", constant aux bornes de la sonde de façon à amener ou à retirer de l'oxygène sur l'électrode de mesure. Ceci est possible grâce à la propriété de semi-perméabilité de l'électrolyte d'une sonde lambda. On compense ainsi le flux des réducteurs ou le flux de l'oxygène à travers la sonde, et, ainsi, la richesse de basculement de cette dernière se trouve décalée vers une valeur plus riche ou plus pauvre que sa valeur initiale.

Ce courant de pompage constant représente le décalage moyen de la caractéristique tension/richesse de la sonde pour les différents points de fonctionnement du moteur. Le battement de sonde est alors parfaitement centré ce qui permet une optimisation du contrôle de richesse dans la fenêtre catalytique qui est particulièrement étroite pour les systèmes de post-traitement utilisés pour les moteurs GNC.

Par ailleurs, outre cette correction primaire du décalage, on peut encore optimiser le contrôle de la richesse en contrôlant finement cette dernière à partir d'un signal de décalage secondaire dépendant du point de fonctionnement du moteur.

Plus précisément, l'invention propose un moyen matériel de centrage de la richesse de basculement dans la fenêtre catalytique, par application d'un courant de pompage constant et un moyen logiciel du centrage secondaire de la richesse moyenne du mélange à injecter dans la fenêtre catalytique en fonction du point de fonctionnement moteur (régime, charge).

En d'autres termes, telle que revendiquée, l'invention propose un procédé de contrôle de l'injection de moteur à combustion interne relié à au moins un pot d'échappement catalytique, en particulier un moteur fonctionnant au gaz naturel comprimé ou du type à injection directe et allumage commandé. Selon ce procédé, on place au moins une sonde non linéaire en amont du pot catalytique apte à délivrer un signal de mesure représentatif de la proportion de l'un des composants des gaz d'échappement du moteur à l'entrée du pot catalytique, en pratique l'oxygène. Selon une caractéristique générale de l'invention, on effectue une calibration préalable de la sonde au cours de laquelle on détermine une valeur d'un courant de pompage constant à faire circuler dans la sonde de façon à corriger le décalage moyen de la richesse de basculement de la sonde par rapport à la valeur nominale égale à 1, et, lors du fonctionnement du moteur, on fait circuler dans ladite sonde ledit courant de pompage et on corrige la quantité de carburant injectée à partir de la valeur du signal de mesure délivré par ladite sonde et d'un signal de décalage secondaire dépendant du point de fonctionnement du moteur.

On peut effectuer de façon simple la calibration de la sonde sur un banc-moteur avec le moteur en fonctionnement. Dans ce cas, on calibre la sonde avec la boucle de contre-réaction ouverte en ce qui concerne le signal de décalage secondaire (offset), c'est-à-dire qu'on ne tient pas compte de ce signal de décalage secondaire pour la correction de la quantité de carburant injectée. On fait alors varier le courant de pompage, par exemple au moyen d'un générateur de courant relié à la sonde, jusqu'à obtenir une richesse de basculement moyenne égale à 1.

Le signal de mesure délivré par la sonde est la différence de potentiel aux bornes de celle-ci. Dans ce cas, l'étape de correction comprend la comparaison de ladite différence de potentiel mesuré avec une tension de seuil prédéterminée qui est en fait la tension de basculement de la sonde (typiquement 450 mV) augmentée du produit de la résistance interne de la sonde par ledit courant de pompage.

Cette différence de potentiel mesurée est, lorsque la sonde possède une première électrode en contact avec l'air et une deuxième électrode recevant les gaz d'échappement, la différence entre la tension de la première électrode et la tension de la deuxième électrode. On fait alors circuler entre les deux électrodes de la sonde un courant de pompage négatif dans le cas d'un moteur fonctionnant au gaz naturel comprimé et une courant de pompage positif dans la cas d'un moteur à injection directe essence.

L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle de l'injection d'un moteur à combustion interne relié à au moins un pot d'échappement catalytique, comprenant une sonde non linéaire en amont du pot catalytique, apte à délivrer un signal de mesure représentatif de la proportion de l'un des composants des gaz d'échappement du moteur à l'entrée du pot catalytique, et des moyens de contrôle reliés à la sonde pour contrôler la quantité de carburant injectée dans le moteur. Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif comprend des moyens de calibration de la sonde pour déterminer une valeur d'un courant de pompage constant à faire circuler dans la sonde de façon à corriger le décalage moyen de la richesse de basculement de la sonde par rapport à la valeur nominale égale à 1.

Les moyens de contrôle comportent par ailleurs des moyens de pompage pour faire circuler ledit courant de pompage dans la sonde lors du fonctionnement du moteur, et au moins une boucle de contre-réaction pour corriger la quantité de carburant injectée à partir de la valeur du signal de mesure délivré par ladite sonde et d'un signal de décalage secondaire dépendant du point de fonctionnement du moteur.

Ces moyens de pompage peuvent par exemple comporter une résistance de polarisation connectée entre la sonde et une tension de polarisation prédéterminée.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est un synoptique schématique d'un dispositif selon l'invention
- la figure 2 illustre schématiquement différentes caractéristiques d'une sonde,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une sonde utilisée dans l'invention,
- la figure 4 représente un schéma électrique équivalent de cette sonde équipée de moyens de pompage,
- les figures Sa et 5b illustrent une variation temporelle du signal délivré par une sonde équipée de moyens de pompage et la variation temporelle d'un signal de correction de quantité de carburant injectée, et,
- la figure 6 illustre une autre variation temporelle possible d'un tel signal de correction.

Sur la figure 1, la référence CLC désigne d'une façon générale un calculateur électronique embarqué commandant la quantité QY de carburant à injecter dans le moteur MOT. Les gaz d'échappement de ce moteur sont filtrés par un pot d'échappement de type catalytique CAT, duquel ils s'échappent vers l'air libre. Une première sonde SD1 est disposée à l'entrée du pot catalytique et mesure la teneur de l'un des composants principaux des gaz d'échappement, ce composant étant habituellement l'oxygène. Cette sonde est du type non linéaire et est souvent appelée par l'homme du métier sonde "lambda" ou sonde EGO.

Le calculateur CLC comporte des moyens de contrôle en boucle ouverte MCBO, de réalisation connue en soi, déterminant la quantité de carburant à injecter en fonction du point de fonctionnement du moteur (régime Rg et charge Ch). A cette quantité fournie par les moyens en boucle ouverte MCBO, s'ajoute une valeur de correction KCL délivrée par des premiers moyens de correction COR1 incorporés dans une première boucle de contre-réaction B1 reliée à la sortie de la sonde SD1.

Tous les moyens incorporés dans le calculateur et décrits ciaprès sont avantageusement réalisés de façon logicielle.

Comme illustré plus particulièrement sur la figure 3, la sonde SD1 comporte, de façon classique, une électrolyte ELY, par exemple en zircone, et deux électrodes EL1 et EL2, par exemple en platine. L'une des électrodes, à savoir l'électrode EL1 est en contact avec l'air extérieur.

C'est l'électrode de référence. L'autre électrode EL2 est en contact avec les gaz d'échappement (H2, CH4, 2 dans le cas d'un moteur GNC) par l'intermédiaire d'une couche de protection poreuse CPR, communément appelée par l'homme du métier SPINEL.

La sonde SD1 fournit en sortie un signal de mesure électrique VS qui est ici la différence de potentiel entre l'électrode de référence EL1 et l'électrode EL2. En l'absence de courant de pompage circulant dans la sonde, cette différence de potentiel Vs est en fait égale à la force électromotrice Es de la sonde.

La caractéristique CAl d'une telle sonde classique habituellement utilisable avec un moteur à essence traditionnel est illustrée schématiquement sur la figure 2. La tension de basculement Vb de la sonde, typiquement 450 mV, dépend des caractéristiques de celle-ci et correspond à la tension de la sonde lorsque les conditions de stoechiométrie sont remplies. La sonde bascule donc pour une richesse égale à 1.

Par contre, dans le cas d'un moteur fonctionnant au gaz naturel comprimé, il a été observé que la caractéristique CA2 de cette sonde était décalée vers des valeurs de richesse plus pauvres, la richesse de basculement étant alors typiquement de l'ordre de 0,98.

De même, la caractéristique CA3 de cette sonde utilisée avec des moteurs à injection directe essence fonctionnant en mélange homogène stoechiométrique est décalée vers des valeurs plus riches, la richesse de basculement étant typiquement de l'ordre de 1,01.

L'invention prévoit à cet égard, d'adjoindre à la sonde SD1 des moyens de pompage MP aptes à délivrer un courant de pompage Is constant qui va circuler entre les électrodes de la sonde. Le signe de ce courant dépend du sens de décalage de la sonde. Son intensité est obtenue par une calibration préalable de la sonde.

Les moyens de pompage MP peuvent par exemple consister en un générateur de courant ou, comme illustré sur la figure 4, en une résistance de polarisation Rp connectée entre l'une des électrodes de la sonde et une tension de polarisation Vp. Ainsi, si la sonde possède une résistance interne Rs de 100 ohm environ, le choix d'une tension de polarisation de 12 volts et d'une résistance de polarisation grande devant Rs permet de tenir un courant de pompage constant très peu dépendant de la force électromotrice Es. A titre d'exemple, pour obtenir un courant Is de lmA, on prendra une résistance de polarisation de l'ordre de 12 kQ.

Bien entendu, la présence de ce courant de pompage constant a une incidence sur la tension Vs délivrée par la sonde et représentative de la richesse, en raison de la loi d'ohm. Habituellement, la tension délivrée par la sonde est comparée dans un comparateur CMP à la tension de basculement de la sonde correspondant aux conditions de stoechiométrie (typiquement 450 mV). Dans le cas présent, on comparera la tension Vs délivrée par la sonde à une tension Vref égale à la tension de basculement nominale (450 mV) augmentée du produit RsIs.

La sortie du comparateur CMP fournit un signal binaire SGN représentatif du signe de la différence entre Vs et Vref. Ce signal SGN est alors délivré à des premiers moyens de correction COR1 comportant un correcteur de type proportionnel de gain Kp et intégral de gain Ki. Les moyens de correction COR 1 fournissent alors un signal KCL qui a la forme représentée sur la figure 5b et qui est représentatif de la valeur corrective de quantité de carburant. Cette valeur corrective est ajoutée à la quantité délivrée par les moyens de commande en boucle ouverte MCBO. Ainsi, comme illustré plus particulièrement sur la figure Sa, dès que la tension Vs délivrée par la sonde est inférieure à la sonde Vref, cela signifie que le mélange est pauvre en carburant et qu'il faut augmenter la quantité de carburant ce qui est réalisé par le saut + Kp suivi d'une pente positive de valeur Ki jusqutau moment où la tension Vs dépasse la tension Vref ce qui signifie que le mélange devient riche en carburant et qu'il faut en diminuer la quantité. Ceci est réalisé par le saut - Kp suivi d'une pente négative de valeur- Ki.

En pratique, la valeur du signal KCL est modifiée par un signal de décalage secondaire OFS (offset) qui est relié directement ou indirectement au point de fonctionnement du moteur.

Plus précisément, sur le mode de réalisation illustré sur la figure 1, on prévoit d'installer une deuxième sonde lambda SD2 en aval du pot catalytique CAT. Cette sonde SD2 délivre un signal électrique de mesure
Va auquel est soustraite une tension aval de consigne Vac issue par exemple d'une table TAB mémorisée dans une mémoire du calculateur.

Cette tension de consigne dépend de la valeur du régime et de la charge du moteur. La différence de tension est alors délivrée à des seconds moyens de correction COR2 incluant également un circuit correcteur de type proportionnel et intégral et délivrant le signal de décalage secondaire OFS au circuit correcteur COR 1. On a ainsi réalisé une seconde boucle de contre-réaction B2.

Alors que les moyens de pompage permettent de façon matérielle, de centrer la richesse de basculement de la sonde SD1 dans la fenêtre catalytique, le signal de décalage secondaire OFS permet de réaliser un contrôle plus fin de la quantité de carburant injecté, en tenant notamment compte du vieillissement de la sonde amont, et en permettant également d'éliminer les erreurs de la boucle B1.

La présence du signal OFS permet de réaliser un décentrage secondaire de la richesse moyenne. On peut réaliser un tel décentrage secondaire en dissymétrisant le battement de la sonde soit en décalant l'erreur soit en dissymétrisant les gains proportionnel et intégral du correcteur contenu dans les moyens de correction COR1. A titre d'exemple, on peut ajouter la valeur du signal OFS à la valeur du signal
SGN avant d'attaquer le correcteur proportionnel intégral des moyens COR1. On obtiendra alors une évolution du signal KCL conforme à celle illustrée sur la figure 6 correspondant à une fonction de transfert donnée par la formule
Kps + Ki
(SGN + OFS)
s
La détermination du courant de pompage Is peut s'effectuer de différentes façons.

A cet égard, il a été observé que si la caractéristique statique d'une sonde bascule à une richesse Ri0, on peut décaler cette caractéristique de façon à faire basculer la caractéristique de la sonde autour de la richesse 1 en appliquant un courant Is égal à (l-Ri0) /K ou K est un coefficient qui dépend de la géométrie de la sonde et des matériaux la composant. Ainsi on peut en pratique déterminer la richesse moyenne
Rio correspondant aux basculements de la sonde pour différents points de fonctionnement du moteur puis en déterminer le courant Is à appliquer.

Ceci étant, la calibration de la sonde peut s'effectuer aisément sur un banc moteur avec le moteur MOT en fonctionnement et en travaillant uniquement avec la boucle B1 c'est-à-dire en "boucle ouverte d'offset" (valeur OFS = O). Dans ce cas, les moyens de calibration comportent un générateur de courant. On règle alors la valeur du courant
Is de façon à obtenir en moyenne pour différents points de fonctionnement un basculement de la sonde autour de la valeur de richesse 1.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de contrôle de l'injection d'un moteur à combustion interne relié à au moins un pot d'échappement catalytique, dans lequel on place au moins une sonde non linéaire (SD 1) en amont du pot catalytique (CAT) apte à délivrer un signal de mesure (Vs) représentatif de la proportion de l'un des composants des gaz d'échappement du moteur à l'entrée du pot catalytique, caractérisé par le fait qu'on effectue une calibration préalable de la sonde(SDl) au cours de laquelle on détermine une valeur d'un courant de pompage constant (Is) à faire circuler dans la sonde de façon à corriger le décalage moyen de la richesse de basculement de la sonde par rapport à la valeur nominale égale à 1, et lors du fonctionnement du moteur on fait circuler dans ladite sonde ledit courant électrique de pompage (Is) et on corrige la quantité (QY) de carburant injectée à partir de la valeur du signal de mesure (Vs) délivré par ladite sonde et d'un signal de décalage secondaire (OFS) dépendant du point de fonctionnement du moteur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on effectue la calibration de la sonde sur un banc-moteur avec le moteur en fonctionnement et en ne tenant pas compte du signal de décalage secondaire (OFS=O) pour la correction de la quantité de carburant injectée.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, le signal de mesure étant la différence de potentiel aux bornes de la sonde, l'étape de correction comprend la comparaison de ladite différence de potentiel mesurée avec une tension de seuil prédéterminée (Vb) augmentée du produit de la résistance interne (Rs) de la sonde par ledit courant de pompage (Is).

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour le contrôle d'un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz naturel comprimé (GNC) ou du type à injection directe et allumage commandé, caractérisé par le fait que la sonde possède une première électrode (EL1) en contact avec l'air et une deuxième électrode (EL2) recevant les gaz d'échappement, par le fait que le signal de mesure est la différence de potentiel mesurée égale à la différence entre la tension de la première électrode et la tension de la deuxième électrode, et par le fait qu'on fait circuler entre les deux électrodes de la sonde un courant de pompage (Is) négatif dans le cas d'un moteur fonctionnant au gaz naturel comprimé et un courant de pompage (Is) positif dans le cas d'un moteur à injection directe essence.

5. Dispositif de contrôle de l'injection d'un moteur à combustion interne relié à au moins un pot d'échappement catalytique, comprenant une sonde non linéaire (SD1) en amont du pot catalytique (CAT), apte à délivrer un signal de mesure (Vs) représentatif de la proportion de l'un des composants des gaz d'échappement du moteur à l'entrée du pot catalytique, et des moyens de contrôle reliés à la sonde pour contrôler la quantité de carburant injectée dans le moteur, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de calibration de la sonde pour déterminer une valeur d'un courant de pompage constant (Is) à faire circuler dans la sonde de façon à corriger le décalage moyen de la richesse de basculement de la sonde par rapport à la valeur nominale égale à 1, et par le fait que les moyens de contrôle comportent des moyens de pompage (MP) pour faire circuler ledit courant de pompage dans la sonde lors du fonctionnement du moteur, et au moins une boucle de contre-réaction (B 1) pour corriger la quantité de carburant injectée à partir de la valeur du signal de mesure (Vs) délivré par ladite sonde et d'un signal de décalage secondaire (OFS) dépendant du point de fonctionnement du moteur.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de calibration comportent un banc-moteur pour faire fonctionner le moteur avec la boucle de contre-réaction (B 1) ouverte en ce qui concerne le signal de décalage secondaire (OFS), et un générateur de courant relié à la sonde.

7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que les moyens de pompage (MP) comportent une résistance de polarisation (Rp) connectée entre la sonde (SD1) et une tension de polarisation prédéterminée (Vp).

8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que le signal de mesure étant la différence de potentiel aux bornes de la sonde, la boucle de contre-réaction comporte un comparateur (CMP) apte à comparer ladite différence de potentiel mesurée avec une tension de seuil prédéterminée (Vb) augmentée du produit de la résistance interne (Rs) de la sonde par ledit courant de pompage (Is).

9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, pour le contrôle d'un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz naturel comprimé ou du type à injection directe et allumage commandé, caractérisé par le fait que la sonde possède une première électrode (EL1) en contact avec l'air et une deuxième électrode (EL2) recevant les gaz d'échappement, par le fait que le signal de mesure est la différence de potentiel mesurée égale à la différence entre la tension de la première électrode et la tension de la deuxième électrode, et par le fait que les moyens de pompage (MP) font circuler entre les deux électrodes de la sonde un courant de pompage négatif dans le cas d'un moteur fonctionnant au gaz naturel comprimé et un courant de pompage positif dans le cas d'un moteur à injection directe essence.

10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une autre sonde non linéaire (SD2) disposée en aval du pot catalytique et par le fait que les moyens de contrôle comporte une autre boucle de contre-réaction (B2) pour élaborer le signal de décalage (OFS) à partir du signal de mesure (Va) délivré par ladite autre sonde.