FR2844829A1 - Procede de controle du couple d'un moteur a combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimente - Google Patents

Procede de controle du couple d'un moteur a combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimente Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle du couple d'un moteur à combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimenté, ledit moteur comportant une chambre de combustion (16), au moins une soupape d'admission (20), au moins une soupape d'échappement (24) et un moyen d'injection de carburant (26), procédé dans lequel on détermine le couple souhaité que doit générer ce moteur, on détermine, à partir du couple souhaité, la valeur de consigne de la pression d'admission de l'air de suralimentation à admettre dans la chambre de combustion ainsi que le temps d'injection du carburant pour obtenir le mélange carburé permettant d'avoir le couple voulu.Selon l'invention, on conserve à une valeur constante le temps d'injection du carburant dés que la pression de l'air de suralimentation dépasse sa valeur de consigne et pendant toute la durée où cette pression est supérieure à cette valeur de consigne.

Description

i La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle du couple
d'un
moteur à combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimenté.
Elle vise plus particulièrement mais non exclusivement les moteurs
suralimentés à injection directe et à allumage commandé.
Le couple délivré par un moteur à combustion interne est fonction de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d'air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air. Cet air est mélangé avec un carburant pour produire un mélange carburé qui est
enflammé, par exemple par une étincelle produite par une bougie.
En cas de besoin d'un fort couple, il peut y être répondu, pour une même cylindrée et une même vitesse de rotation, au moyen d'une compression de l'air avant son admission dans le cylindre du moteur, plus communément appelée suralimentation. Cette suralimentation est généralement effectuée par un 15 turbocompresseur dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement du moteur. Une unité de calcul, que comporte habituellement ce moteur, détermine une valeur de consigne de la pression de l'air suralimenté à admettre dans la
chambre de combustion du moteur en fonction du couple demandé.
Généralement, ce turbocompresseur est mis en action que lorsqu'un fort couple est demandé. Plus précisément et à titre d'exemple, lorsqu'une action est exercée sur la pédale d'accélérateur jusqu'à sa mise en butée (pédale à fond), cette information est transmise à l'unité de calcul qui la traduit par une
demande de couple élevée.
Grâce à des calibrations prédéfinies dans la cartographie de cette unité de calcul, cette dernière détermine ensuite le couple que doit générer ce moteur
pour répondre à la demande.
Pour obtenir le couple souhaité, cette unité de calcul agit directement ou indirectement sur les unités de commande des différents actionneurs utilisés 30 pour le fonctionnement du moteur, tel que l'injecteur de carburant et/ou le turbocompresseur. En fonction du couple demandé, l'unité de calcul envoie des instructions à l'unité de commande du turbocompresseur pour qu'il délivre, pendant la phase d'admission du cycle de fonctionnement du moteur, un air de suralimentation dans la chambre de combustion avec une valeur de consigne prédéterminée de 5 pression. Cet air de suralimentation se mélange, au fur et à mesure de son introduction, avec un carburant injecté dans la chambre de combustion par un
injecteur de carburant pour obtenir un mélange carburé.
La quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion résulte d'un temps d'injection, c'est-à-dire d'une durée durant laquelle l'injecteur de 10 carburant est ouvert pour introduire directement ou indirectement du carburant
dans la chambre de combustion. Ce temps d'injection est fonction de la masse d'air injectée ou présente dans la chambre de combustion et permet d'obtenir la richesse souhaitée du mélange carburé nécessaire à une combustion répondant à la demande de couple ainsi qu'une utilisation pleine et entière du 15 carburant disponible.
Ce mélange carburé est ensuite comprimé par le piston du moteur, puis allumé, notamment par une bougie que comporte ce moteur. C'est donc la
combustion de ce mélange carburé comprimé qui procure le couple requis.
Pour réguler la valeur de consigne de pression désirée pour l'air de suralimentation, il est connu d'utiliser une soupape de décharge, dite " waste gate ", qui permet de contrôler la quantité de gaz d'échappement entraînant en rotation la turbine du turbocompresseur et, par conséquent, la pression de l'air
sortant du compresseur.
Cependant, malgré l'actionnement de la soupape de décharge lorsque la valeur de consigne de pression de l'air de suralimentation est atteinte, le turbocompresseur continue à augmenter la pression de cet air à cause de l'inertie inhérente à ce turbocompresseur et de cette soupape de décharge. La pression délivrée de l'air est donc supérieure à celle requise pour obtenir le 30 couple souhaité. De ce fait, la quantité d'air admise et le carburant injecté dans la chambre de combustion sont augmentés et l'on obtient un mélange carburé qui, durant la combustion, procure un couple supérieur à celui requis, ce qui est
néfaste au bon fonctionnement du moteur et peut entraîner sa dégradation.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients 5 mentionnés ci-dessus en proposant un procédé qui permet d'obtenir un couple désiré du moteur d'une manière simple, rapide et économique.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de contrôle du couple d'un moteur à combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimenté, ledit moteur 1 0 comportant une chambre de combustion, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et un moyen d'injection de carburant, procédé dans lequel - on détermine le couple souhaité que doit générer ce moteur, - on détermine, à partir du couple souhaité, la valeur de consigne de la 15 pression d'admission de l'air de suralimentation à admettre dans la chambre de combustion ainsi que le temps d'injection du carburant pour obtenir le mélange carburé permettant d'avoir le couple voulu, caractérisé en ce que - on conserve à une valeur constante le temps d'injection du carburant dés 20 que la pression de l'air de suralimentation dépasse sa valeur de consigne et
pendant toute la durée o cette pression est supérieure à la valeur de consigne.
Avantageusement, on peut admettre de l'air de suralimentation non carburé au début de chaque phase d'admission du moteur. 25 On peut admettre ledit air par un croisement des soupapes d'admission et d'échappement.
Préférentiellement, on peut produire l'air de suralimentation par un 30 turbocompresseur.
On peut contrôler la pression de l'air de suralimentation par la commande
de la soupape de décharge du turbocompresseur.
De manière alternative, on peut produire l'air de suralimentation par un compresseur mécanique entraîné. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la
lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre illustratif et
non limitatif, et à laquelle sont annexés des dessins sur lesquels: - la figure 1 montre un moteur à combustion interne et son dispositif de suralimentation; - la figure 2 illustre les différentes étapes de contrôle du couple du moteur; et
- la figure 3 est un graphique montrant l'évolution des différents 15 paramètres nécessaires au contrôle du couple du moteur.
La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 et un dispositif de
suralimentation 12, tel qu'un turbocompresseur.
Le moteur comprend au moins un cylindre 14 comportant une chambre de
combustion 16 dans laquelle se produit la combustion d'un mélange carburé.
Ce cylindre comporte des moyens d'admission d'air avec au moins une tubulure d'admission 18 associée à un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'admission 20, et des moyens d'échappement des gaz brlés, ici au moins une 25 tubulure d'échappement 22, commandée en ouverture/fermeture par un moyen
d'obturation, comme une soupape d'échappement 24.
Ce cylindre comprend en outre un dispositif d'introduction de carburant
dans la chambre de combustion, tel qu'un injecteur de carburant 26, et un dispositif d'allumage du mélange carburé présent dans cette chambre, ici une 30 bougie d'allumage 28.
Il est également prévu que le moteur comprenne, comme cela est connu en soi, un moyen de commande de passage de l'air d'admission dans la tubulure d'admission 18, tel qu'un volet de type papillon 30 contenu
habituellement dans un boîtier-papillon des gaz.
Les soupapes d'admission 20, les soupapes d'échappement 24, l'injecteur de carburant 26, la bougie 28, le volet-papillon 30 sont contrôlés par des unités de commande respectivement 32, 34,36, 38 et 40. Le turbocompresseur 12 comprend une turbine 42 qui entraîne un
compresseur 44 par l'intermédiaire d'un arbre de transmission 46.
La turbine 42 est entraînée en rotation par des gaz d'échappement 10 véhiculés par une conduite 48 issue de la tubulure d'échappement 22 et aboutissant à l'entrée de cette turbine. Une fois que les gaz ont traversé la turbine, ceux-ci sont évacués par une conduite 50 vers tout dispositif connu, tel
que la ligne d'échappement.
La conduite 48 porte, en amont de la turbine 42, une soupape de 15 décharge 52, dite " waste gate ", qui permet de faire circuler, en position d'ouverture, tout ou partie des gaz d'échappement en dehors de la turbine 42 grâce à un conduit de contournement 54 qui prend naissance à cette soupape
de décharge et qui aboutit en aval de la turbine.
Cette soupape de décharge est également contrôlée par une unité de 20 commande 56.
Le compresseur 44 comprend une entrée raccordée à une conduite
d'admission en air 58, cet air étant généralement de l'air extérieur, et une sortie reliée à une conduite 60, dite conduite d'alimentation en air de suralimentation, qui aboutit à la tubulure d'admission 18 après avoir traversé le boîtier-papillon 25 contenant le volet papillon 30.
La conduite d'alimentation 60 porte un capteur de pression 62 qui permet de connaître à tous moments la pression de l'air de suralimentation. Ce capteur
peut également être porté par la tubulure d'admission 18.
Les différentes unités de commandes 32, 34, 36, 38, 40 et 56 reçoivent des instructions de commande de la part d'une unité de calcul 64, telle qu'un
calculateur qui est généralement associé avec un moteur.
Ce calculateur reçoit également des informations de la part de capteurs que comporte le moteur, tels que par exemple le capteur de cliquetis, ainsi que
des informations de pression de l'air de suralimentation via le capteur 62.
Il reçoit aussi des informations sur un besoin de couple du moteur qui, dans l'exemple de la figure 1, est réalisé par un organe de commande, tel
qu'une pédale d'accélérateur 66 d'un véhicule automobile.
Ainsi, à titre d'exemple, lorsqu'un couple élevé est demandé au moteur en 10 appuyant sur la pédale d'accélérateur 66 de manière à ce qu'elle vienne en butée (pédale à fond), le capteur de déplacement 68 de cette pédale, comme un potentiomètre, envoie un signal à l'unité de calcul 64, signal qui permet de déterminer le niveau du couple demandé, notamment en fonction de la vitesse
d'enfoncement de cette pédale.
L'unité de calcul traduit ce signal en un couple à générer par le moteur et,
en fonction de cartographies contenues dans cette unité de calcul, traduit cette demande de couple par des actions à exercer sur les différents actionneurs du moteur, comme le temps d'injection du carburant, l'actionnement du volet papillon 30 et la pression de l'air de suralimentation à admettre dans la 20 chambre de combustion.
Plus précisément et en se référant en plus à la figure 2, dans l'étape a) l'unité de calcul va déceler qu'un fort couple est demandé et détermine la valeur
de ce couple.
Grâce à sa cartographie, l'unité de calcul détermine principalement que, 25 pour obtenir cette valeur de couple, la pression de suralimentation doit être à une valeur de consigne et le temps d'injection du carburant doit être à une valeur déterminée pour obtenir une richesse souhaitée du mélange carburé
dans la chambre de combustion.
Dans des étapes b) et c), cette unité de calcul détermine les paramètres de commande des différents actionneurs 20, 24, 26, 28, 30 et 52 à engager et envoie les instructions nécessaires à tout ou partie des unités de commande
32, 34, 36, 38, 40 et 56 associés à ces actionneurs.
Dans l'exemple décrit, cela consiste pour l'étape b) à fermer, en totalité ou
en partie, la soupape de décharge 52 par l'unité de commande 56 de façon à 5 ce que les gaz d'échappement passent dans la turbine 42 pour entraîner à plus grande vitesse le compresseur 40.
Durant cette même étape, des instructions sont envoyées, d'une part, aux unités de commandes 32 et 34 pour ouvrir ou fermer, à un moment donné et pendant une durée déterminée par l'unité de calcul 64, les soupapes 10 d'admission et d'échappement 20 et 24 et, d'autre part, à l'unité de commande pour commander une ouverture quasi totale de la vanne papillon 30 permettant de laisser le passage de l'air suralimenté dans la tubulure
d'admission 18.
Avantageusement, il est prévu de réaliser, au début de la phase 15 d'admission de chaque cycle de combustion, un croisement des soupapes,
c'est-à-dire une ouverture simultanée des soupapes d'échappement et d'admission afin d'évacuer par balayage les gaz brlés résiduels contenus dans le volume mort de la chambre de combustion pour les remplacer par de l'air frais suralimenté ne contenant pas de carburant, comme cela est décrit, à titre 20 d'exemple, dans le brevet français N0 2 781 011 du demandeur.
Dans l'étape c), de par la fermeture de la soupape de décharge, la pression de l'air de suralimentation sortant du compresseur 44 est augmentée et des instructions sont envoyées à l'unité de commande 36 de l'injecteur de 25 carburant 26 pour injecter du carburant dans la chambre de combustion avec un temps d'injection prédéterminé, de manière à obtenir un mélange carburé avec une richesse déterminée correspondant à celle contenue dans la
cartographie de l'unité de calcul.
Par l'intermédiaire du capteur 62, l'unité de calcul vérifie, dans l'étape d), 30 si la valeur de consigne de la pression de l'air de suralimentation, que l'unité de calcul 64 a déterminé pour obtenir le couple demandé, est atteinte pour obtenir le couple souhaité. Dans la négative, cette unité de calcul envoie des instructions à tout ou partie des unités de commande des actionneurs définis dans l'étape c), pour augmenter la pression de l'air afin d'obtenir cette valeur de consigne de pression, continuer à injecter du carburant selon le temps d'injection établi et maintenir le volet papillon 30 dans la position de pleine ouverture. Si la valeur de consigne de la pression est atteinte, ce qui signifie que la valeur du couple théorique demandé est obtenue, l'unité de calcul envoie des instructions à l'unité de commande 36 de l'injecteur 26 pour bloquer le temps d'injection de carburant, c'est-à-dire conserver à une valeur constante la durée 10 d'injection du carburant. Plus précisément, le temps d'injection reste à la même
durée que celle qu'il avait lorsque la pression d'air de suralimentation a atteint sa valeur de consigne V Ceci permet réaliser un débouclage de la richesse de façon à ne pas à ne pas rendre la quantité de carburant injecté tributaire de la quantité d'air admis. Des instructions sont également envoyées à l'unité de 15 commande 56 pour ouvrir, en partie, la soupape de décharge 52 (étape e)).
Grâce à cette action, la quantité de gaz d'échappement traversant la turbine 42 diminue de manière à ce que la pression d'air de suralimentation décroisse
pour atteindre à nouveau progressivement sa valeur de consigne (étape f)).
Une fois cette valeur de consigne atteinte, l'injection de carburant est à 20 nouveau gérée (étape g)) selon le temps d'injection contenu dans le calculateur
de façon à ce que la durée pendant laquelle l'injecteur est ouvert est à nouveau fonction de la masse d'air injectée ou présente dans la chambre de combustion.
La soupape de décharge est maintenue en position pour stabiliser la pression de l'air de suralimentation à la valeur de consigne tout au long de la demande 25 de couple.
Ainsi, il est obtenu un mélange carburé permettant d'obtenir le couple
souhaité lors de la phase de combustion de ce mélange.
Afin de mieux explicité ce qui précède, la figure 3 illustre l'évolution des 30 paramètres utilisés pour la combustion pendant une durée déterminée du fonctionnement du moteur. Ces paramètres sont notamment la pression d'admission de l'air suralimenté (courbe A), le couple du moteur (courbe B), le temps d'injection du carburant (courbe C), la richesse à l'admission (courbe D) et la richesse de combustion (courbe E), et cela en fonction du temps (en secondes, en abscisse) et de l'évolution de la valeur de consigne (en %, en
ordonné), cette valeur de consigne étant référencée V sur le graphique.
Cette figure illustre, à titre d'exemple, l'évolution des paramètres pendant le fonctionnement du moteur durant 2,3 secondes environ et à 6000tr/mn approximativement. Dés la demande de couple, la pression de l'air suralimenté d'admission et le temps d'injection de carburant sont établis de manière à obtenir un couple 10 croissant et une richesse admission (ou échappement) qui se situe à la valeur de consigne V et qui est sensiblement égale à la richesse de combustion, c'està-dire à la richesse du mélange carburé contenu dans la chambre de combustion. Entre l'instant To et Tl o se réalise l'ouverture de la vanne papillon 30 et 15 la fermeture de la soupape de décharge 52 permettant de laisser passer les gaz d'échappement à travers de la turbine 42, la pression d'admission passe à la valeur de la pression en sortie de compresseur qui est supérieure à la pression atmosphérique alors que la richesse admission (ou échappement) et
combustion reste à la valeur de consigne.
De par la fermeture de la soupape de décharge 52, la pression d'admission augmente jusqu'à la valeur de consigne V associé à la progression du temps d'injection et cela entre T1 et T2. Ceci permet d'obtenir, pendant la même période, une progression du couple jusqu'a la valeur de consigne V ainsi
qu'un maintien de la richesse admission à sa valeur de consigne.
A partir de l'instant Tl, il se produit un déphasage de la richesse admission (ou échappement) avec la richesse de combustion, déphasage o la richesse de combustion dépasse la richesse admission (ou échappement) en croissant de manière sensiblement régulière jusqu'à T2 alors que la richesse admission
(ou échappement) reste à sa valeur de consigne.
Ce phénomène est d au court-circuitage par de l'air frais suralimenté non carburé au début de chaque phase d'admission du moteur o se produit le croisement des soupapes lorsque la pression d'admission est supérieure à la pression d'échappement, phénomène que l'on rencontre sur les moteurs turbocompressés, notamment à bas régime et sur les moteurs à compresseur mécanique. Ce court-circuitage de l'air d'admission directement à l'échappement sans 5 passer par la combustion est rendu possible par l'absence de carburant dans l'air court-circuité grâce notamment à l'utilisation de l'injection directe de carburant, ce qui permet de découpler la richesse admission (ou échappement)
et la richesse de combustion.
Dés que la pression de l'air de suralimentation a atteint la valeur de 10 consigne à l'instant T2 pour obtenir le couple désiré, le temps d'injection est bloqué, c'est-à-dire qu'il est conservé à une valeur correspondante à la durée qu'il avait au moment o la pression de l'air de suralimentation a atteint sa
valeur de consigne.
A partir de cet instant, qui correspond à l'actionnement en ouverture de la 15 soupape de décharge pour réduire le passage des gaz d'échappement dans la turbine 42, la pression de l'air de suralimentation continue de croître pour dépasser la valeur de consigne et atteindre un maximum d essentiellement à l'inertie du turbocompresseur comme précédemment décrit, puis décroît de ce
maximum pour atteindre la valeur de consigne à l'instant T3.
Entre les instants T2 et T3, la durée du temps d'injection est conservée à la
valeur qu'il avait à l'instant T2, ce qui a pour effet de diminuer la richesse admission jusqu'à ce que la pression d'admission de l'air suralimenté ait atteint son maximum puis d'augmenter cette richesse d'admission pour arriver à sa valeur de consigne lorsque la pression admission décroît jusqu'à sa valeur de 25 consigne.
Simultanément, la richesse de combustion diminue progressivement de l'instant T2 jusqu'à arriver à sa valeur de consigne à l'instant T3 par les actions conjuguées de la soupape de décharge et de la diminution du croisement des soupapes, pendant la phase d'admission de chaque cycle, en restant 30 cependant supérieure à la valeur de consigne de la richesse admission (ou échappement). il A partir de l'instant T3 o la pression de l'air de suralimentation a atteint à nouveau sa valeur de consigne, le temps d'injection est rebouclé de manière à rendre à nouveau le temps d'injection du carburant fonction de la masse d'air injectée ou présente dans la chambre de combustion. Ceci permet d'obtenir 5 une richesse de combustion répondant à la valeur de consigne. La pression de l'air de suralimentation est stabilisée à cette valeur de consigne jusqu'à la fin de
la demande de couple.
De ce fait, on arrive, dans un laps de temps très court, à une situation o 10 le mélange carburé enfermé dans le cylindre répond à une richesse donnée de
manière à d'obtenir le couple souhaité.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe
toutes variantes.
Notamment, le turbocompresseur peut être remplacé par un compresseur entraîné mécaniquement qui a les mêmes inconvénients relatifs au
dépassement de la valeur de consigne de la pression d'air de suralimentation.
En outre, les unités de commandes 32 et 34 des soupapes d'admission 20
et d'échappement 24 peuvent faire l'objet d'un même dispositif tel qu'une 20 distribution variable de type électrohydraulique ou électromagnétique.
De plus, l'invention peut s'appliquer à un procédé de contrôle du couple
d'un moteur suralimenté à injection indirecte.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1) Procédé de contrôle du couple d'un moteur à combustion interne fonctionnant avec de l'air suralimenté, ledit moteur comportant une chambre de 5 combustion (16), au moins une soupape d'admission (20), au moins une soupape d'échappement (24) et un moyen d'injection de carburant (26), procédé dans lequel - on détermine le couple souhaité que doit générer ce moteur, - on détermine, à partir du couple souhaité, la valeur de consigne de la 10 pression d'admission de l'air de suralimentation à admettre dans la chambre de combustion ainsi que le temps d'injection du carburant pour obtenir le mélange carburé permettant d'avoir le couple voulu, caractérisé en ce que - on conserve à une valeur constante le temps d'injection du carburant dés 15 que la pression de l'air de suralimentation dépasse sa valeur de consigne et pendant toute la durée o cette pression est supérieure à cette valeur de consigne.
2) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on 20 admet de l'air de suralimentation non carburé au début de chaque phase
d'admission du moteur.
3) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce
que l'on admet ledit air par un croisement des soupapes d'admission (20) et 25 d'échappement (24).
4) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce
qu'on produit l'air de suralimentation par un turbocompresseur.
5) Procédé de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on contrôle la pression de l'air de suralimentation par la commande de la soupape
de décharge (52) du turbocompresseur.
6) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on produit l'air de suralimentation par un compresseur mécanique entraîné
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