WO1997047868A1 - Systeme de regulation de la richesse dans un moteur a combustion interne - Google Patents

Systeme de regulation de la richesse dans un moteur a combustion interne Download PDF

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WO1997047868A1
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richness
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risuiv
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Pierre Anthoine
Bernard Demaya
Stéphan BEURTHEY
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Renault
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    • F02D2041/1434—Inverse model

Definitions

  • the invention relates to a system for regulating the richness of the air / fuel mixture which is injected into the cylinders of an internal combustion engine so that the richness of the injected air / fuel mixture follows a set value.
  • the injection-type internal combustion engines operate with air / fuel ratios, called riches, ranging from 0.4 for a so-called lean mixture to 1.3 for a so-called rich mixture, the value 1 corresponding to the stoichiometric mixture for which the the amount of oxygen contained in the air / fuel mixture is exactly equal to that required for the complete oxidation of the fuel.
  • the purpose of the richness control is to ensure the control of the richness of the mixture injected at a variable setpoint in the presence of possible disturbances and transient phases due, for example, to a pressure change. collector, a change of mode of operation from the poor diet to the rich diet and vice versa ...
  • the richness regulation is generally carried out by a closed-loop control device of the type Proportional-Integral-Derivative, better known by the acronym PID.
  • PID Proportional-Integral-Derivative
  • Such a PID device has the drawback of only taking into account certain aspects of engine operation and, consequently, of being unsatisfactory on other aspects such as: that the operating point, the aging of the motor, the "robustness", that is to say the maintenance of the operating point within determined limits whatever the disturbances, the treatment of the delay between the instant of injection and the measure of wealth ...
  • An object of the present invention is therefore to provide a system for regulating the richness of the air / fuel mixture injected into an internal combustion engine which does not have the disadvantages of PID type regulators, of the type controlled by internal model or of the indirect adaptive control type.
  • Another object of the present invention is to provide a system for regulating the richness of the air / fuel mixture injected into a combustion engine. internal combustion which takes into account the delay between the moment of injection and the measurement of the richness in the exhaust gases.
  • the invention relates to a system for controlling the richness of the air-fuel mixture in a transfer function injection type internal combustion engine Gp comprising:
  • a transfer function regulating device Gc for calculating the Ud value of correction of the richness of the air-fuel mixture injected into the engine as a function of the error value e
  • an adder for adding the calculated value Ud of correction of the richness to the value RICONS of the setpoint richness so as to provide a value Um of the richness of the air-fuel mixture to be injected into the engine, characterized in that the device of regulation is a Smith predictor device that includes at least a first servo loop which calculates a first estimated value of the RISUIV richness correction from the calculated value Um supplied by the adder, said first estimated correction value taking into account the delay introduced by the engine measured in number d of elementary time separating two successive High Death Points.
  • FIG. 1 is a conventional block diagram of a system for regulating the richness of the air / fuel mixture injected into an internal combustion engine and
  • FIGS. 2 and 3 are functional diagrams of a system for regulating the air / fuel mixture richness injected into an internal combustion engine in which the control device is of the "Smith predictor" type.
  • the system for regulating the richness of the air / fuel mixture injected into an internal combustion engine 10 (FIG. 1) with a transfer function Gp conventionally comprises:
  • a measurement probe 20 of the proportional type which is arranged on the gas exhaust duct and which measures the richness R1 of the exhaust gases
  • the regulator 18 is of conventional type, that is to say for example of the Proportional-
  • Integral-Derived which does not take into account the delay existing between the moment of injection of the fuel and the moment when the richness RI corresponding to this injection is measured. This delay is denoted by the formula, in which u is the elementary time separating two consecutive High Dead Points and d is an integer.
  • the regulator 18 and the comparator 16 are replaced by a device 30 ( Figure 2) which performs a function called "Smith predictor".
  • a function is for example described in Chapter 5 of the book entitled “CONTROL OF TIME-DELAY SYSTEMS” J.E.MARSHALL and published in 1979 by PETER PEREGRINOS LTD and THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS.
  • the device 30 comprises:
  • the transfer function G (p) of the motor 10 is of the form: B (z -1 )
  • a second comparator 40 which compares the value ⁇ 5 supplied by the first comparator 38 with the value RISUIV supplied by the modeling device 14 so as to obtain a value ⁇
  • a third comparator 42 to compare the value 0 with the value ⁇ provided by the first estimator 34 so as to obtain a difference ( ⁇ - ⁇ ) which is applied to the regulator 32.
  • control system of FIG. 2 The operation of the control system of FIG. 2 is the following with respect to that of FIG.
  • the value of RISUIV is corrected by two values ⁇ "and ⁇ in the comparators 40 and 42 respectively, one 6 representing an error between the measured value RI of the wealth and an estimated value ⁇ which takes into account the delay of the and the other ⁇ representing an estimated value of the measured wealth RI which does not take into account the delay of the
  • the Smith predictor device which has just been described in connection with FIG. 2 can be modified according to the diagram of FIG. 3 in which the regulating device 18 of the diagram of FIG. 1 is replaced by the elements 50, 52, 54 and 56 (rectangle 60).
  • Such a predictor device 60 is known to be a Smith predictor of the Vogel and Edgar type.
  • the value e provided by the comparator 16 is applied to a first input terminal of an adder 50 whose second input terminal receives an ec value which is an estimated value of the the engine output taking into account the delay of the This estimate is calculated by the device 56 whose input terminal is connected to the input terminal of the adder 22.
  • the value (e + ec) is applied to the input terminal of a transfer function regulator Gm whose output terminal is connected to a device
  • the device 56 performs the estimation function P (z -1 ) .z ⁇ d is: Befz ' j-) .z ⁇ d Ae (z _1 ) while the device 54 performs the function of estimate 1 / P (z -1 ) is:

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Abstract

L'invention concerne un régulateur de la richesse du mélange air-carburant injecté dans un moteur. L'invention réside dans le fait que le dispositif de régulation est du type 'prédicteur de Smith' (30) qui comprend au moins une boucle d'asservissement (36, 38) qui calcule une première valeur estimée de correction δ de la richesse RISUIV qui tient compte du retard introduit par le moteur (10). L'invention est applicable aux moteurs à combustion interne à injection.

Description

SYSTEME DE REGULATION DE LA RICHESSE DANS UN MOTEUR A
COMBUSTION INTERNE
L'invention concerne un système pour réguler la richesse du mélange air/carburant qui est injecté dans les cylindres d'un moteur à combustion interne de manière que la richesse du mélange air/carburant injecté suive une valeur de consigne.
Les moteurs à combustion interne du type à injection fonctionnent avec des rapports air/carburant, appelés richesses, variant de 0,4 pour un mélange dit pauvre à 1,3 pour un mélange dit riche, la valeur 1 correspondant au mélange stoechiométrique pour lequel la quantité d'oxygène contenue dans le mélange air/carburant est exactement égale à celle nécessaire à l'oxydation complète du carburant.
Dans de tels moteurs, la régulation de richesse a pour but d'assurer l'asservissement de la richesse du mélange injecté à une richesse de consigne variable en présence d'éventuelles perturbations et de phases transitoires dues, par exemple, à un changement de pression collecteur, un changement de mode de fonctionnement du régime pauvre vers le régime riche et inversement...
En outre, cette régulation de richesse doit prendre en compte d'autres contraintes relatives au confort et à l'agrément de conduite et à des normes concernant les émissions de gaz polluants issus de la combustion du mélange air/carburant.
La régulation de richesse est généralement réalisée par un dispositif de commande en boucle fermée du type Proportionnel-Intégral-Dérivé, plus connu sous l'acronyme P.I.D. Un tel dispositif P.I.D. présente l'inconvénient de ne prendre en compte que certains aspects de fonctionnement du moteur et, en conséquence, de n'être pas satisfaisant sur d'autres aspects tels que le point de fonctionnement , le vieillissement du moteur, la "robustesse" , c'est-à-dire le maintien du point de fonctionnement dans des limites déterminées quelles que soient les perturbations, le traitement du retard entre l'instant d'injection et la mesure de la richesse... .
Pour remédier aux lacunes des régulateurs P.I.D., il a été proposé d'utiliser des procédés mis en oeuvre dans le domaine de l'automatisme du type commande par modèle interne ou commande adaptative indirecte. Ces procédés font appel à une identification en ligne des paramètres du moteur qui est basée sur l'utilisation d'un observateur du type filtre de Kalman. La mise en oeuvre de ces procédés d'automatisme conduit à effectuer de nombreux calculs et algorithmes qui nécessitent l'utilisation d'un calculateur électronique puissant dont l'industrialisation, le réglage et la maintenance sont difficiles à réaliser dans le domaine de l'automobile. Un but de la présente invention est donc de réaliser un système de régulation de la richesse du mélange air/carburant injecté dans un moteur à combustion interne qui ne présentent pas les inconvénients des régulateurs du type P.I.D., du type à commande par modèle interne ou encore du type à commande adaptative indirecte.
Un autre but de la présente invention est de réaliser un système de régulation de la richesse du mélange air/carburant injecté dans un moteur à combustion interne qui tient compte du retard entre l'instant d'injection et la mesure de la richesse dans les gaz d'échappement.
Ces buts et d'autres sont atteints en réalisant le dispositif de régulation à l'aide d'un "prédicteur de Smith".
L'invention concerne un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne du type à injection de fonction de transfert Gp comprenant :
- un dispositif de calcul de la valeur de la richesse de consigne RICONS du mélange air-carburant à injecter dans le moteur,
- un dispositif de modélisation de la fonction de transfert Gp du moteur qui calcule une valeur de richesse à suivre RISUIV à partir de la valeur de la richesse de consigne RICONS,
- une sonde de mesure pour mesurer la valeur RI de la richesse des gaz d'échappement, - un comparateur pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur RI de la richesse mesurée par la sonde de mesure de manière à fournir une valeur d'erreur e = RISUIV - RI,
- un dispositif de régulation de fonction de transfert Gc pour calculer la valeur Ud de correction de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur en fonction de la valeur d'erreur e, et
- un additionneur pour additionner la valeur calculée Ud de correction de la richesse à la valeur RICONS de la richesse de consigne de manière à fournir une valeur Um de la richesse du mélange air-carburant à injecter dans le moteur, caractérisé en ce que le dispositif de régulation est un dispositif prédicteur de Smith qui comprend au moins une première boucle d'asservissement qui calcule une première valeur estimée de correction de la richesse RISUIV à partir de la valeur calculée Um fournie par l'additionneur, ladite première valeur estimée de correction tenant compte du retard introduit par le moteur mesuré en nombre d de temps élémentaires séparant deux Points Morts Hauts successifs.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation , ladite description étant faite en relation avec le dessin joint dans lequel :
- la figure 1 est un schéma fonctionnel classique d'un système de régulation de la richesse du mélange air/carburant injecté dans un moteur à combustion interne et
- les figures 2 et 3 sont des schémas fonctionnels d'un système de régulation de la richesse mélange air/carburant injecté dans un moteur à combustion interne dans lequel le dispositif de régulation est du type "prédicteur de Smith".
Le système de régulation de la richesse du mélange air/carburant injecté dans un moteur à combustion interne 10 (figure i) de fonction de transfert Gp comprend de manière classique :
- une sonde de mesure 20 du type proportionnel qui est disposée sur le conduit d'échappement des gaz et qui mesure la richesse RI des gaz d'échappement,
- un dispositif de calcul 12 de la valeur de la richesse de consigne RICONS en fonction de paramètres tels que la pression du collecteur d'admission de l'air, le régime du moteur, les températures de l'eau et de l'air, la "loi" régissant la pédale d'accélération appelée "loi pédale", - un dispositif de modélisation 14 de la fonction Gp du moteur et dont la fonction de transfert sera notée Gs, ce dispositif 14 ayant une borne d'entrée qui reçoit la valeur RICONS et une borne de sortie qui fournit une valeur de richesse RISUIV qui est une reproduction calculée de la richesse RI mesurée par la sonde 20,
- un comparateur 16 qui compare les valeurs des richesses RISUIV (calculée) et RI (mesurée) appliquées sur ses bornes d'entrée pour fournir une valeur différence e sur sa borne de sortie telle que e = (RISUIV-RI)
- un régulateur 18 de fonction de transfert Gc à la borne d'entrée duquel est appliquée la valeur e et qui fournit sur sa borne de sortie une valeur Ud = Gc (e),
- un additionneur 22 dont les bornes d'entrée sont connectées respectivement à la borne de sortie du dispositif de calcul 12 et à la borne de sortie du régulateur 18 et qui additionne à la valeur Ud la valeur RICONS = Uf fournie par le dispositif de calcul 12, soit Um = Ud + Uf, et
- un convertisseur 24 de la valeur Um en une durée d'injection de carburant Tm.
La fonction de régulation qui est réalisée par les éléments 16,18,22,24,10 et 20 est donnée par la relation
Gc . Gp 1 + Gc.Gp
Dans un tel système de régulation selon le schéma de la figure 1, le régulateur 18 est de type classique, c'est-à-dire par exemple du genre Proportionnel-
Intégral-Dérivé, qui ne tient pas compte du retard existant entre l'instant d'injection du carburant et l'instant où l'on mesure la richesse RI correspondant à cette injection. Ce retard est noté d.u, formule dans laquelle u est le temps élémentaire séparant deux Points Morts Hauts consécutifs et d est un nombre entier.
Pour tenir compte de ce retard, le régulateur 18 et le comparateur 16 sont remplacés par un dispositif 30 (figure 2) qui réalise une fonction dite "prédicteur de Smith". Un telle fonction est par exemple décrite au chapitre 5 du livre intitulé : "CONTROL OF TIME-DELAY SYSTEMS" de J.E.MARSHALL et édité en 1979 par PETER PEREGRINOS LTD et THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS.
Le dispositif 30 comprend :
- un régulateur 32 de fonction de transfert Gr telle que
Gr (z -1'
Gc (z-1)
1+ Gr (z-1) P(z-1) . (l-z_d) . formule dans laquelle z-1 indique une variable z retardée d'un temps élémentaire u, z~d indique alors la variable z retardée de d.u et P (z-1) est la valeur estimée de Gp (z-1) .
La fonction de transfert G(p) du moteur 10 est de la forme : B (z-1)
Gp(z"1) =
A (z-1) de sorte que la valeur estimée P(z-1) de Gp(z-1) s'écrit : Be(z-1)
Pfz"1) =
Ae(z-1) avec Ae(z-1) = 1 - a, z"1 ... - a_ z-n et B (z-1) = bQ + b1 z-1 + b z-1"-1 avec n > m pour qu'il y ait convergence.
- un premier dispositif d'estimation 34 qui calcule la valeur β estimée de Gp(z-1), c'est à dire P (z-1) , à partir de la valeur Um = Ud + Uf fournie par l'additionneur 22; un deuxième dispositif d'estimation 36 qui calcule la valeur estimée Θ de Gp (z~d) , c'est-à-dire P(z_1) .z~d, à partir de la valeur Um = Ud + Uf fournie par l'additionneur 22, c'est-à-dire la valeur de
P (z-1) d instants plus tard;
- un premier comparateur 38 qui compare la valeur estimée θ à la valeur RI fournie par la sonde 20 de manière à fournir une valeur 6" =(RI - Θ) ;
- un deuxième comparateur 40 qui compare la valeur <5 fournie par le premier comparateur 38 à la valeur RISUIV fournie par le dispositif de modélisation 14 de manière à obtenir une valeur φ, et - un troisième comparateur 42 pour comparer la valeur 0 à la valeur β fournie par le premier dispositif d'estimation 34 de manière à obtenir une différence (φ - β ) qui est appliquée au régulateur 32.
Le fonctionnement du système de régulation de la figure 2 est le suivant par rapport à celui de la figure 1.
La valeur de RISUIV est corrigée par deux valeurs ό" et β dans les comparateurs 40 et 42 respectivement, l'une 6 représentant une erreur entre la valeur mesurée RI de la richesse et une valeur estimée Θ qui tient compte du retard d.u et l'autre β représentant une valeur estimée de la richesse mesurée RI qui ne tient pas compte du retard d.u.
Le dispositif prédicteur de Smith qui vient d'être décrit en relation avec la figure 2 peut être modifié selon le schéma de la figure 3 dans lequel le dispositif régulateur 18 du schéma de la figure 1 est remplacée par les éléments 50, 52, 54 et 56 (rectangle 60) . Un tel dispositif prédicteur 60 est connu comme étant un prédicteur de Smith du type Vogel et Edgar.
Dans ce dispositif prédicteur de Smith modifié, la valeur e fournie par le comparateur 16 est appliquée à une première borne d'entrée d'un additionneur 50 dont la deuxième borne d'entrée reçoit une valeur ec qui est une valeur estimée de la richesse à la sortie du moteur en tenant compte du retard d.u. Cette estimation est calculée par le dispositif 56 dont la borne d'entrée est connectée à la borne d'entrée de l'additionneur 22.
La valeur (e + ec) est appliquée à la borne d'entrée d'un régulateur 52 de fonction de transfert Gm dont - la borne de sortie est connectée à un dispositif
54 d'estimation du modèle "inverse" de la fonction Gp du moteur. Un tel modèle inverse anticipe la réponse du moteur par une richesse mesurée proche de la richesse à suivre RISUIV.
De manière plus précise, le dispositif 56 réalise la fonction d'estimation P(z-1).z~d soit : Befz'j-) .z~d Ae(z_1) tandis que le dispositif 54 réalise la fonction d'estimation 1/P(z-1) soit :
Aefz"1) Be(z_1)
Une telle fonction d'estimation peut présenter des pôles instables et pour pallier ce défaut, il est prévu de calculer Aefz"1) . Be(l) Avec de telles fonctions d'estimations, la fonction de transfert Gm est telle que :
Gm(z-1) .Ae(z-1) /Be(l) Gc(z-1) =
1 - Gm(z-1) .Be(z_1) /Ae(l) z~d
Si l'on choisit Ae(z-1) 1 - c^z-1 Be(z-1) = 1
Gm ≈
1 - hz_1 On obtient :
1-h λ ~cι z_1
Gc(z_1) λ~cι 1-hz-1 - (l-h)z-d
Cette dernière formule conduit à une loi de commande directe de la valeur de Ud(k) pour le Point Mort Haut de rang k qui s'écrit : Ud(k) = hUd. (k-l)+(l-h) .Ud(k-d)+l-h/l-c1[e (k)-a1e (k-1) ]
- d dépendant de la pression collecteur ;
- Cη dépendant de la température d'eau ;
- h dépendant de la température d'eau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne (10) du type à injection de fonction de transfert Gp comprenant : - un dispositif de calcul (12) de la valeur de la richesse de consigne RICONS du mélange air-carburant à injecter dans le moteur (10) ,
- un dispositif de modélisation (14) de la fonction de transfert Gp du moteur (10) qui calcule une valeur de richesse à suivre RISUIV à partir de la valeur de la richesse de consigne RICONS,
- une sonde de mesure (20) pour mesurer la valeur RI de la richesse des gaz d'échappement,
- un comparateur (16) pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur RI de la richesse mesurée par la sonde de mesure (20) de manière à fournir une valeur d'erreur e = RISUIV - RI,
- un dispositif de régulation (18) de fonction de transfert Gc pour calculer la valeur Ud de correction de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur (10) en fonction de la valeur d'erreur e, et
- un additionneur (22) pour additionner la valeur calculée Ud de correction de la richesse à la valeur RICONS de la richesse de consigne de manière à fournir une valeur Um de la richesse du mélange air- carburant à injecter dans le moteur (10) , caractérisé en ce que le dispositif de régulation (18) est un dispositif prédicteur de Smith (30, 60) qui comprend au moins une première boucle d'asservissement (36, 38, 40 ou 56, 50) qui calcule une première valeur estimée de correction ( S ou ec) de la richesse RISUIV à partir de la valeur calculée Um fournie par l'additionneur (22) , ladite première valeur estimée de correction tenant compte du retard introduit par le moteur (10) mesuré en nombre d de temps élémentaires séparant deux Points Morts Hauts successifs.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première boucle d'asservissement comprend un dispositif d'estimation (36, 56) qui calcule une valeur estimée de la fonction de transfert Gp du moteur (10) un nombre d de temps élémentaires plus tard selon la fonction :
P(z-1)z~d = z"d [Be(z-1) /Ae(z_1) ] dans laquelle :
Ae(z_1) = l-a1z-1 ... - anz~n Be(z-1) = b0+b1z-1+ ... -f b^-™-1 &l t ..., aR, bQ, ..., bm étant des coefficients z-1 étant une variable z retardée d'un temps élémentaire, z~d étant la variable z retardée de d temps élémentaires.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première valeur estimée de correction (ec) est appliquée à une première borne d'entrée d'un additionneur (50) dont la deuxième borne d'entrée reçoit la valeur d'erreur e, la valeur résultant de l'addition étant appliquée à un dispositif de régulation (52, 54) de fonction de transfert Gm telle que :
Gm(z .-_i1) .Ae(z~ --1L)> /Be(l)
GC(Z_1) =
1-Gm(z-1) .Be(z_1)/Ae(l)z-d la fonction Ae(z-1) /Be(l) étant réalisée par un dispositif d'estimation inverse (54) tandis que la fonction Gm(z-1) est réalisée par un dispositif de régulation 52.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fonction de transfert Gm est telle que :
1-h 1_cι z-1 Gc(z-1) = l-Cj 1-hz-1 - (l-h)z-d pour des valeurs de Ae, Be et Gm telles que :
Figure imgf000014_0001
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur Ud (k) de correction du mélange air/carburant pour le Point Mort Haut de rang k est donnée par :
Ud(k) = hUd. (k-l)+(l-h) .Ud(k-d)+l-h/A-c1[e(k)-a1e(k-l) ] formule dans laquelle :
- d dépend de la pression collecteur,
- a, et h dépendent de la température d'eau.
6. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif prédicteur de Smith (30) comprend une deuxième boucle d'asservissement (34, 42) qui calcule une deuxième valeur estimée de correction β de la richesse RISUIV à partir de la valeur calculée Um fournie par l'additionneur (22) , ladite deuxième valeur estimée tenant compte du temps de retard élémentaire entre deux Points Morts Hauts successifs.
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que :
- la deuxième valeur de correction β est fournie par un dispositif d'estimation (34) de la valeur RI tenant compte du temps de retard élémentaire (u) entre deux
Points Morts Hauts successifs, et le régulateur (32) a une fonction de transfert Gr telle que :
Gr(z-l) Gc(z_1) = l+Gr(z-1)P(z-1) . (l-z-d) formule dans laquelle :
- z-1 indique une variable z retardée d'un temps élémentaire u,
- P(z-1) est la valeur estimée de Gp(z-1) telle que :
Be(z_1)
P(z-l) = — Ae(z-1/
Be et Ae étant des polynômes linéaires.
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