EP0953754B1 - Procédé d'annulation des variations de richesse du mélange gazeux issu des cylindres d'un moteur à combustion interne - Google Patents

Procédé d'annulation des variations de richesse du mélange gazeux issu des cylindres d'un moteur à combustion interne Download PDF

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EP0953754B1
EP0953754B1 EP99400985A EP99400985A EP0953754B1 EP 0953754 B1 EP0953754 B1 EP 0953754B1 EP 99400985 A EP99400985 A EP 99400985A EP 99400985 A EP99400985 A EP 99400985A EP 0953754 B1 EP0953754 B1 EP 0953754B1
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EP
European Patent Office
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signal
richness
injectors
cylinders
engine
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EP99400985A
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Dirk Von Wissel
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Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Publication date
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    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/0085—Balancing of cylinder outputs, e.g. speed, torque or air-fuel ratio

Definitions

  • the invention relates to internal combustion engines and more particularly in such engines, a process to cancel variations in wealth of gas mixtures from the cylinders of a internal combustion of the injection type.
  • the composition of the exhaust gas mixture depends especially the ratio between the fuel mass and the mass of air in each of the engine cylinders. This ratio is called the richness of the fuel / air mixture and this richness is measured using a oxygen placed in the exhaust pipe of cylinders before the catalytic converter.
  • an engine cycle breaks down into four U-turns and the ignition is so that there is, at each half-turn, a fuel / air mixture intake, compression of mixing, triggering and exhausting gases.
  • the compensation for the variation in gas richness exhaust requires precise regulation within half a turn.
  • One of the peculiarities of the compound physical system engine cylinders, exhaust pipe and oxygen sensor is the presence of a variable delay between the wealth setpoint at the entrance of the cylinders and the richness of the exhaust gases measured by the oxygen sensor.
  • this delay corresponds to the flow time gases towards the probe and as this flow depends on the gas flow and therefore the engine load, the delay varies from one operating point to another. So, if this variation in delay is not taken into account in the regulator, the closed loop may break destabilizing.
  • the determination of this delay corresponds to synchronize the regulator with the four stroke of the engine so that the first problem to solve is synchronization wealth regulator.
  • a second problem to be solved is the formalization of the effect of each cylinder.
  • this problem is solved by estimating wealth individual cylinders from the signal of richness provided by the oxygen sensor and by associating each cylinder has its own regulation.
  • the method implements an exhaust model associated with an estimate and a regulation of the individual wealth of the cylinders.
  • the exhaust model chosen implies that the richness exhaust gas, measured by a so-called probe proportional (known by the acronym Anglo-Saxon UEGO), is the weighted average wealth individual cylinders.
  • This model does not provide of dynamic process in the mixture of gases and assumes gas transport times exhaust from the cylinders to the UEGO probe are all equal.
  • European patent application EP670420 which is considered to represent the state of the art on closer, teaches a process for evaluating relationships air / fuel in the cylinders of an internal combustion engine from a single sensor installed at engine exhaust.
  • a mathematical model is first designed to describe behavior of the exhaust that accepts the output of the air / fuel ratio sensor.
  • An observer is designed to observe the internal state of the mathematical model and calculate the air / fuel ratios in each engine cylinders.
  • the object of the invention is therefore to implement a gas richness regulation process exhaust from an internal combustion engine which takes account of periodic phenomena and effects of each cylinder on the exhaust gases.
  • This goal is achieved by providing for synchronization of the signal supplied by the probe and regulation of the wealth by rejection of disturbances according to a model of disturbance.
  • Synchronization is obtained by the introduction of a adaptive delay between a proportional probe and a regulator of individual cylinder wealth according to a gradient optimization method and a variable delay in the wealth signal provided by the probe.
  • the regulation of wealth by rejection of disturbance is based on an internal model consisting in including in the regulator a model dynamics of the expected disturbance so as to create a periodic signal canceling the disturbance expected.
  • an internal combustion engine 10 of the injection type produced by an injection device 26 comprises, for example, four cylinders of which the exhaust gases, materialized by the four arrows 10 1 , 10 2 , 10 3 and 10 4 , are collected in a collector 12 to be directed to a catalytic exhaust 24 preceded by a proportional probe 16.
  • the element 14 materializes, functionally, a delay time e introduced by the length of the manifold 12 and corresponding to the transport time of the exhaust gases.
  • the proportional type probe 16 provides a signal y (t), representing the richness of the exhaust gases, which is applied to a synchronization circuit 20 introducing a variable delay.
  • the signal y (k) of output of synchronization circuit 20 is applied to a regulating device 22 which processes the signals of control of the injectors of the injection device 26 to from signal y (k) and a setpoint yc supplied by an injection computer 28 known by elsewhere.
  • the signal y (t) is sampled (circuit 30) at a frequency fe plus higher than the engine's U-turn, for example ten times, to create a signal y ( ⁇ ).
  • This last signal is applied, on the one hand, to a device estimating delay 32 and, on the other hand, to a delay device variable 34 under the control of the estimating device delay which provides an estimated delay ê.
  • T c is the duration of a motor cycle
  • ê is the delay estimated by the device 32.
  • the corrected signal is then resampled at the frequency of a half-turn of the motor (reference 36) to create the signal y (k).
  • the estimator device 32 calculates the estimated delay ê between the measured signal y ( ⁇ ) and a model signal s ( ⁇ ).
  • the model signal s ( ⁇ ) is a signal which is determined during the calibration of the synchronization device for a determined distribution of the wealth and for a known delay. It is in the form of a sample at the frequency fe, the values of which are recorded in a memory 38.
  • the signal y ( ⁇ ) must correspond to the same distribution of the wealth as for s ( ⁇ ) and, for this purpose, the regulating device 22 is provided for introducing this distribution at times determined by a signal Sy.
  • the estimated delay is calculated, at each appearance of the signal Sy, using a synchronization algorithm seeking to minimize the area ⁇ (FIG. 2) between the measured signal y ( ⁇ ) and the model signal s ( ⁇ ) by shifting the signal s ( ⁇ ) by a value (T c -ê) which is then expressed by the formula: s (tT vs + ê).
  • the determination of the minimum value of the area ⁇ is obtained by a gradient method.
  • a gradient method is for example described in the book “SYSTEM IDENTIFICATION THEORY FOR THE USER “by Lennart Ljung published by PRENTICE-HALL Inc in 1987.
  • This synchronization algorithm can be used from two different ways:
  • the gradient is calculated after each engine cycle and it is used for the calculation of the next cycle. For converge, this way of doing things requires that the distribution profile and average wealth be constant over several cycles: this is the average of e over several cycles which is calculated.
  • the signal y (k) is applied to the regulator 22.
  • This regulator is of the rejection type disturbances, that is, it cancels the disturbances or variations in gas richness exhaust due to a distribution of wealth individual cylinders.
  • Figures 3a, 3b, 3c and 3d show a model of perturbation P (q) (figure 4) with three modes (q being the shift operator), two real modes and one mode complex.
  • the three modes are located on the circle unit in order to be periodic.
  • Real mode at 1 Figure 3b
  • the second real mode -1 figure 3d
  • the complex mode (+ i, -i) Figure 3c
  • the three modes initialize with four initial conditions, which allows to have four different values on a cycle.
  • the perturbation model is used for the synthesis of the disturbance rejection regulator.
  • Point of start of the synthesis is figure 4 which shows the combination of the perturbation model P (q) (reference 40) with a model S (q) (reference 42) of mixing gas in the calculator and the application of a regulator R (q) (reference 44) to the combined model P (q) .S (q).
  • a noise signal ⁇ (k) is applied to the input of the perturbation model P (q) and describes the modification of the periodic disturbance w (k) at over time.
  • the periodic disturbance signal w (k) is applied to a comparator 46 which receives by elsewhere the output signal ⁇ u (k) of regulator 44.
  • the difference signal provided by comparator 46 is applied to the gas mixture model S (q) which provides a deviation signal ⁇ y (k). This deviation signal constitutes the regulator input signal R (q).
  • R1 (q), R2 (q) and P2 (q) are polynomials whose shift operator is q.
  • the polynomial P2 (q) is the characteristic equation of the perturbation model.
  • the modes of a dynamic model correspond to roots of its characteristic equation which determines its stability.
  • a dynamic model is stable if its modes, represented in the complex plane, are at inside the complex unit circle.
  • the regulator R (q) stabilizes the closed loop and cancels periodic disturbances if all modes controllable dynamic model corresponding to the closed loop are inside the unit circle.
  • the controllable modes of the closed loop are those that can be modified by the choice of R (q).
  • the trends uncontrollable closed loop are the ones that are invariants with respect to the choice of R (q). In the occurrence, they correspond to the modes of the model of disturbance included in the regulator.
  • the diagram in Figure 6 shows part of the regulator 22 ( Figure 1) including a comparator 50 to compare the output signal y (k) of the synchronization 20 at setpoint signal yc. He gives the deviation signal ⁇ y (k) which is applied to the regulator 44 whose output signal ⁇ u (k) is added in an adder circuit 52 to the setpoint signal yc to give the signal u (k) for controlling the injectors.
  • the four injector commands u1 (k), u2 (k), u3 (k) and u4 (k) are obtained by a device demultiplexing 60 of the signal u (k) as shown in the Figure 7. the demultiplexing device 60 ensures the update of the four injector controls at the motor cycle frequency.
  • the commands u1 (k), u2 (k), u3 (k) and u4 (k) are applied respectively to the injectors 26 1 , 26 2 , 26 3 and 26 4 each associated with a cylinder of the engine 10.
  • the summary calculations such regulators can be driven according to the LQG method (acronym for Linear Quadratic Gaussian) and Control Robust.
  • LQG The first method called LQG is for example described in the book “COMPUTER CONTROLLED SYSTEMS” by Karl J. Aström and Björn Wittenmark edited by PRENTICE-HALL International Inc. in 1984.
  • the second method is by example described in the book “ROBUST PROCESS CONTROL” by Manfred Morari and Evanghelos Zafiriou edited by PRENTICE-HALL Inc in 1989.
  • Regulation of individual wealth of the mixture inlet in each of the engine cylinders in the called "regulation of individual wealth", is possible as long as the engine remains at the point of operation for which the delay ê has been identified. Each transition between two operating points requires a new identification of the delay ê, so ensure good synchronization of the regulator.
  • Dispersions of injectors are manifested by the fact that an injector command applied to two injectors different provides two individual riches of different cylinder.
  • the injector gain is quotient between individual cylinder richness and the injector control.
  • the injector gains are identified during the regulation of individual wealth on the signal u (k).
  • the identification procedure is illustrated in Figure 8.
  • An example of the input signal u (k) of the gain identification device is shown in Figure 9.
  • the demultiplexing of u (k) gives four different signals u1 ( k), u2 (k), u3 (k) and u4 (k) corresponding to the injector commands.
  • Each of the signals u1 (k) to u4 (k) is then multiplied (multiplications 62 1 , 62 2 , 62 3 , 62 4 ) by 1 / u m , u m being the average over u1 (k) to u4 (k) and then filtered by a low-pass filter (64 1 , 64 2 , 64 3 , 64 4 ).
  • the four constants G1 to G4 correspond respectively to the inverses of the injector gains of cylinders 1 to 4.
  • the u1 (k), u2 (k), u3 (k) and u4 (k) commands ensure that the periodic gas richness disturbances engine exhaust are canceled.
  • the signal u (k) supplied by the regulator is applied as shown in figure 7.
  • a signal, Ug (k) provided by a wealth regulation medium is applied to the demultiplexer 60 as shown in FIG. 11.
  • the signal Ug (k) is demultiplexed for generate four injector commands Ug1 (k), Ug2 (k), Ug3 (k) and Ug4 (k). Before they are applied to injectors, they are respectively multiplied by the constants G1, G2, G3 and G4 in order to compensate for the injector gains.

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Description

L'invention concerne les moteurs à combustion interne et plus particulièrement dans de tels moteurs, un procédé pour annuler les variations de richesse des mélanges gazeux provenant des cylindres d'un moteur à combustion interne du type à injection.
La dépollution des moteurs à combustion interne exige une régulation du mélange des gaz d'échappement de plus en plus fine afin de répondre aux normes de plus en plus sévères. A cet effet, il n'est plus possible de se contenter de réguler la composition gazeuse des gaz d'échappement en moyenne sur un cycle moteur et il est donc nécessaire de maítriser le mélange gazeux à la sortie de chaque cylindre.
La composition du mélange gazeux à l'échappement dépend surtout du rapport entre la masse de carburant et la masse d'air dans chacun des cylindres du moteur. Ce rapport est appelé la richesse du mélange carburant/air et cette richesse est mesurée à l'aide d'une sonde à oxygène placée dans le conduit d'échappement des cylindres avant le pot catalytique. De manière plus précise, on parle de richesses individuelles des cylindres pour définir le mélange carburant/air dans les chambres de combustion et de la richesse des gaz d'échappement pour définir celle mesurée par la sonde à oxygène, cette dernière donnant une information combinée des richesses des cylindres.
Habituellement, dans un moteur à quatre cylindres, tous les cylindres évacuent les gaz à travers le même conduit d'échappement. Suivant l'ordre d'allumage des cylindres, la sonde à oxygène et les organes de dépollution voient successivement "défiler" les gaz d'échappement de chacun des cylindres. Ainsi, un écart entre les richesses individuelles provoque une variation périodique de la richesse des gaz d'échappement, et donc une chute de l'efficacité des stratégies de dépollution. Dans le cas d'un mélange stoechiométrique du mélange carburant/air, ces variations périodiques perturbent les organes de dépollution. Dans le cas d'un mélange pauvre carburant/air, la montée de la richesse d'un seul cylindre suffit pour augmenter l'émission des polluants, en particulier l'émission d'oxydes d'azote (NOx).
Dans un moteur à quatre cylindres, un cycle du moteur se décompose en quatre demi-tours et l'allumage est réalisé de manière qu'il y ait, à chaque demi-tour, une admission du mélange carburant/air, une compression du mélange, une détente et un échappement des gaz. La compensation de la variation de richesse des gaz d'échappement nécessite que la régulation soit précise au demi-tour près.
L'une des particularités du système physique composé des cylindres moteur, du conduit d'échappement et de la sonde à oxygène est la présence d'un retard variable entre la consigne de richesse à l'entrée des cylindres et la richesse des gaz d'échappement mesurée par la sonde à oxygène.
Il en résulte un déphasage entre les cycles du moteur et la richesse des gaz d'échappement mesurée par la sonde. Or, ce retard correspond au temps d'écoulement des gaz vers la sonde et comme cet écoulement dépend du débit des gaz et donc de la charge du moteur, le retard varie d'un point de fonctionnement à un autre. Ainsi, si cette variation du retard n'est pas prise en compte dans le régulateur, la boucle fermée risque de se déstabiliser.
Comme l'échappement est un phénomène périodique, la détermination de ce retard correspond à synchroniser le régulateur avec les quatre temps du moteur de sorte que le premier problème à résoudre est la synchronisation du régulateur de richesse.
Un deuxième problème à résoudre est la formalisation de l'effet de chaque cylindre. Dans l'art antérieur, ce problème est résolu en estimant les richesses individuelles des cylindres à partir du signal de richesse fourni par la sonde à oxygène et en associant à chaque cylindre une régulation propre.
Ainsi, dans le brevet US 4 962 741, l'effet de chaque cylindre est décrit par un modèle pour la richesse d'échappement sur un cycle du moteur. Comme la description ne contient pas d'algorithme d'adaptation du retard variable, le régulateur proposé ne peut tenir compte des variations des points de fonctionnement. La correction des richesses individuelles des cylindres repose sur la mesure de la richesse des gaz d'échappement.
Dans le brevet US 5 524 598, le procédé met en oeuvre un modèle d'échappement associé à une estimation et une régulation des richesses individuelles des cylindres. Le modèle d'échappement choisi implique que la richesse des gaz d'échappement, mesurée par une sonde dite proportionnelle (connue sous l'acronyme anglo-saxon UEGO), est la moyenne pondérée des richesses individuelles des cylindres. Ce modèle ne prévoit pas de processus dynamique dans le mélange des gaz et suppose que les temps de transport des gaz d'échappement des cylindres vers la sonde UEGO sont tous égaux.
La demande de brevet européen EP670420 qui est considéré comme représentant l'état de la technique le plus proche, enseigne un procédé pour évaluer des rapports air/carburant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne à partir d'un seul capteur installé à l'échappement du moteur. Un modèle mathématique est d'abord conçu pour décrire le comportement de l'échappement qui accepte la sortie du capteur de rapport air/carburant. Un observateur est conçu pour observer l'état interne du modèle mathématique et calcule les rapports air/carburant dans chaque cylindres du moteur.
Le but de l'invention est donc de mettre en oeuvre un procédé de régulation de la richesse des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui tient compte des phénomènes périodiques et des effets de chaque cylindre sur les gaz d'échappement.
Ce but est atteint en prévoyant une synchronisation du signal fourni par la sonde et une régulation de la richesse par un rejet des perturbations selon un modèle de perturbation.
La synchronisation est obtenue par l'introduction d'un retard adaptatif entre une sonde proportionnelle et un régulateur des richesses individuelles des cylindres selon une méthode d'optimisation du gradient et un retard variable dans le signal de la richesse fourni par la sonde.
La régulation de la richesse par rejet des perturbations est basée sur un modèle interne consistant à inclure dans le régulateur un modèle dynamique de la perturbation attendue de manière à créer un signal périodique annulant la perturbation attendue.
L'invention concerne donc un procédé d'annulation des variations de richesse du mélange gazeux issu des cylindres d'un moteur à combustion interne, selon la revendication 1, ledit moteur comprenant au moins un injecteur par cylindre, un collecteur de transport du mélange gazeux disposé à la sortie des cylindres et une sonde dite proportionnelle disposée dans ledit collecteur et fournissant un signal y(t) représentatif de la richesse du mélange gazeux, ledit signal y(t) étant appliqué à un régulateur, comprenant les étapes suivantes consistant à :
  • (a) synchroniser le signal y(t) pour tenir compte du temps de transport du mélange gazeux dans le collecteur,
  • (b) réguler la richesse individuelle du mélange d'entrée dans chacun des cylindres du moteur pour des points de fonctionnements stables en introduisant dans le régulateur un modèle de perturbation de manière à créer un signal périodique u(k) annulant la perturbation attendue.
  • (c) identifier des gains d'injecteurs sur le signal u(k) pendant la régulation pour des points de fonctionnement stables, et
  • (d) réguler la richesse individuelle du mélange d'entrée dans chacun des cylindres du moteur pendant les transitoires entre deux points de fonctionnement en multipliant les commandes des injecteurs par ces gains.
    • L'étape (a) consiste principalement à :
  • (a0) créer un signal y(τ) en échantillonnant le signal y(t) à une fréquence d'échantillonnage plus élevée que celle du demi-tour du moteur,
  • (a1) estimer un retard (ê) entre le signal échantillonné y(τ) et un signal modèle s(τ),
  • (a2) introduire ce retard estimé (ê) dans le signal échantillonné y(τ) pour créer un signal corrigé z(τ) selon des critères déterminés, et
  • (a3) créer un signal y(k) en rééchantillonnant le signal z(τ) à la fréquence du demi-tour du moteur.
    • L'étape (b) consiste à :
  • (b1) choisir un modèle de perturbation P(q) selon des critères déterminés,
  • (b2) combiner P(q) avec un modèle S(q) de mélange de gaz de telle manière qu'un signal de perturbation w(k), correspondant au signal de sortie de P(q), s'ajoute au signal d'entrée S(q),
  • (b3) choisir un régulateur R(q) pour le modèle combiné P(q).S(q) selon des critères déterminés,
  • (b4) comparer le signal échantillonné y(k) à un signal de consigne (yc) fourni par le calculateur d'injection pour créer un signal de différence δy(k) sous la forme (y(k) - yc),
  • (b5) appliquer le signal différence δy(k) au régulateur R(q) qui fournit un signal δu(k),
  • (b6) additionner le signal δu(k) au signal de consigne yc afin de créer le signal u(k),
  • (b7) démultiplexer la commande u(k) selon des critères déterminés pour générer quatre commandes indépendantes u1(k), u2(k) u3(k) et u4(k) des injecteurs, et
  • (b8) appliquer les quatre commandes aux injecteurs.
    • L'étape (c) consiste à :
  • (c1) démultiplexer la commande u(k) selon des critères déterminés pour générer quatre commandes indépendantes u1(k), u2(k) u3(k) et u4(k) des injecteurs,
  • (c2) créer quatre signaux g1(k), g2(k), g3(k) et g4(k) en divisant chacun des quatre signaux u1(k), u2(k), u3(k) et u4(k) par la moyenne sur u1(k) à u4(k),
  • (c3) filtrer les signaux g1(k) à g4(k) par un filtre passe-bas, et
  • (c4) remplacer les gains G1, G2, G3 et G4 respectivement par les valeurs g1(k), g2(k), g3(k) et g4(k) lorsque la régulation selon l'étape (b) n'est plus possible.
    • L'étape (d) consiste à :
  • (d1) calculer la commande globale Ug(k) des injecteurs par une régulation de la richesse moyenne,
  • (d2) créer quatre commandes d'injecteurs différentes en multipliant la commande globale Ug(k) respectivement par les gains G1, G2, G3 et G4, et
  • (d3) appliquer les quatre commandes aux injecteurs.
    • L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels :
    • la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un système mettant en oeuvre le procédé selon l'invention,
    • la figure 2 est un diagramme illustrant un aspect du procédé selon l'invention,
    • les figures 3a, 3b, 3c et 3d sont des diagrammes illustrant un modèle de perturbation utilisé dans le procédé selon l'invention,
    • la figure 4 est un schéma fonctionnel illustrant la formalisation du problème de contrôle pour la synthèse du régulateur de rejet de perturbation selon l'invention.
    • la figure 5 est un schéma fonctionnel mettant en oeuvre le dispositif de synchronisation du signal y(t) selon l'invention.
    • la figure 6 est un schéma fonctionnel mettant en oeuvre le dispositif de régulation selon l'invention.
    • la figure 7 est un schéma fonctionnel illustrant un aspect du procédé selon l'invention,
    • la figure 8 est un schéma fonctionnel illustrant un autre aspect du procédé selon l'invention,
    • la figure 9 est un diagramme illustrant l'évolution du signal u(k) dans le temps,
    • la figure 10 est un diagramme illustrant l'évolution des signaux g1(k) à g4(k) dans le temps, et
    • la figure 11 est un schéma fonctionnel illustrant un aspect du procédé selon l'invention.
    Sur la figure 1, un moteur à combustion interne 10 du type à injection réalisée par un dispositif d'injection 26 comprend, par exemple, quatre cylindres dont les gaz d'échappement, matérialisés par les quatre flèches 101, 102, 103 et 104, sont collectés dans un collecteur 12 pour être dirigés vers un pot d'échappement catalytique 24 précédé d'une sonde proportionnelle 16. L'élément 14 matérialise, sur le plan fonctionnel, un temps de retard e introduit par la longueur du collecteur 12 et correspondant au temps de transport des gaz d'échappement.
    La sonde 16 du type proportionnel fournit un signal y(t), représentant la richesse des gaz d'échappement, qui est appliqué à un circuit de synchronisation 20 introduisant un retard variable. Le signal y(k) de sortie du circuit de synchronisation 20 est appliqué à un dispositif régulateur 22 qui élabore les signaux de commande des injecteurs du dispositif d'injection 26 à partir du signal y(k) et d'une valeur de consigne yc fournie par un calculateur d'injection 28 connu par ailleurs.
    Dans le schéma de la figure 5, qui représente le circuit de synchronisation 20, le signal y(t) est échantillonné (circuit 30) à une fréquence fe plus élevée que celle du demi-tour du moteur, par exemple dix fois, pour créer un signal y(τ). Ce dernier signal est appliqué, d'une part, à un dispositif estimateur de retard 32 et, d'autre part, à un dispositif de retard variable 34 sous le contrôle du dispositif estimateur de retard qui fournit un retard estimé ê.
    Le signal y(τ), retardé d'une valeur (Tc - ê), fournit le signal corrigé selon la formule : z(τ)=y(τ-Tc+ê). Dans cette formule, Tc est la durée d'un cycle du moteur et ê est le retard estimé par le dispositif 32. Le signal corrigé est ensuite rééchantillonné à la fréquence d'un demi-tour du moteur (référence 36) pour créer le signal y(k).
    Le dispositif estimateur 32 calcule le retard estimé ê entre le signal mesuré y(τ) et un signal modèle s(τ). Le signal modèle s(τ) est un signal qui est déterminé pendant la calibration du dispositif de synchronisation pour une répartition déterminée des richesses et pour un retard connu. Il est sous la forme d'échantillon à la fréquence fe dont les valeurs sont enregistrées dans une mémoire 38. Pour calculer ce retard estimé, le signal y(τ) doit correspondre à la même répartition des richesses que pour s(τ) et, à cet effet, le dispositif régulateur 22 est prévu pour introduire cette répartition à des instants déterminés par un signal Sy. Le retard estimé est calculé, à chaque apparition du signal Sy, à l'aide d'un algorithme de synchronisation cherchant à minimiser l'aire Ω (figure 2) entre le signal mesuré y(τ) et le signal modèle s(τ) en décalant le signal s(τ) d'une valeur (Tc-ê) qui s'exprime alors par la formule : s(t-Tc + ê).
    Cette minimisation de l'aire est obtenue en minimisant sur un cycle l'écart entre y(τ) et s(τ-Tc+ê).
    La détermination de la valeur minimale de l'aire Ω est obtenue par une méthode des gradients. Une telle méthode est par exemple décrite dans le livre "SYSTEM IDENTIFICATION THEORY FOR THE USER" de Lennart Ljung édité par PRENTICE-HALL Inc en 1987.
    Cet algorithme de synchronisation peut être utilisé de deux manières différentes :
    - Récursion sur plusieurs cycles :
    Ceci correspond à un signal Sy qui dure plusieurs cycles du moteur.
    Le gradient est calculé après chaque cycle du moteur et il est utilisé pour le calcul du cycle suivant. Pour converger, cette manière de faire nécessite que le profil des répartitions et la richesse moyenne soient constants sur plusieurs cycles : c'est alors la moyenne de e sur plusieurs cycles qui est calculée.
    - Récursion sur un cycle :
    Ceci correspond à un signal Sy qui dure un seul cycle du moteur. Le retard estimé ê est évaluée par plusieurs itérations sur un cycle. Un nombre suffisant d'itérations est effectué pour assurer la convergence. Dans cette deuxième manière de faire, il suffit que le profil des répartitions et la richesse moyenne soient constants sur un cycle.
    La synchronisation du signal y(t) ayant été obtenue comme décrit ci-dessus, le signal y(k) est appliqué au régulateur 22. Ce régulateur est du type à rejet des perturbations, c'est-à-dire qu'il annule les perturbations ou variations de la richesse des gaz d'échappement dues à une répartition des richesses individuelles des cylindres.
    Pour annuler les perturbations, l'invention utilise un modèle de perturbation qui doit répondre aux trois critères suivants :
    • la perturbation de la richesse des gaz d'échappement due à une répartition des richesses individuelles est périodique sur un cycle,
    • les fréquences dominantes de la perturbation sont celles d'un cycle et d'un demi-cycle, et
    • le signal de perturbation peut avoir quatre valeurs différentes sur un cycle.
    Les figures 3a, 3b, 3c et 3d montrent un modèle de perturbation P(q) (figure 4) à trois modes (q étant l'opérateur de décalage), deux modes réels et un mode complexe. Les trois modes sont situés sur le cercle unité afin d'être périodiques. Le mode réel à 1 (figure 3b) permet de prendre en compte les erreurs constantes, le deuxième mode réel -1 (figure 3d) et le mode complexe (+i, -i) (figure 3c) prenant en compte les fréquences cycle et demi-cycle. Les trois modes s'initialisent avec quatre conditions initiales, ce qui permet d'avoir quatre valeurs différentes sur un cycle. Le modèle de perturbation est utilisé pour la synthèse du régulateur de rejet de perturbation. Le point de départ de la synthèse est la figure 4 qui montre la combinaison du modèle de perturbation P(q) (référence 40) avec un modèle S(q) (référence 42) de mélange de gaz dans le calculateur et l'application d'un régulateur R(q) (référence 44) au modèle combiné P(q).S(q). Un signal de bruit ε(k) est appliqué à l'entrée du modèle de perturbation P(q) et décrit la modification de la perturbation périodique w(k) au cours du temps. Le signal de perturbation périodique w(k) est appliqué à un comparateur 46 qui reçoit par ailleurs le signal de sortie δu(k) du régulateur 44. Le signal différence fourni par le comparateur 46 est appliqué au modèle S(q) de mélange de gaz qui fournit un signal d'écart δy(k). Ce signal d'écart constitue le signal d'entrée du régulateur R(q).
    Pour annuler la perturbation périodique w(k), le régulateur doit stabiliser la boucle fermée comprenant les éléments 42, 44 et 46. La méthode de modèle interne pour la synthèse du régulateur consiste à choisir le régulateur parmi le modèle dynamique ayant la forme suivante : R(q) = R1(q) / (R2(q).P2(q)).
    Dans cette formule R1(q), R2(q) et P2(q) sont des polynômes dont l'opérateur de décalage est q. Le polynôme P2(q) est l'équation caractéristique du modèle de perturbation. Le modèle de perturbation est défini par le quotient entre un polynôme P1(q) et le polynôme P2(q) selon la formule : P(q) = P1(q) / P2(q).
    Les modes d'un modèle dynamique correspondent aux racines de son équation caractéristique qui détermine sa stabilité. Un modèle dynamique est stable si ses modes, représentés dans le plan complexe, sont à l'intérieur du cercle complexe unité.
    Le régulateur R(q) stabilise la boucle fermée et annule les perturbations périodiques si tous les modes contrôlables du modèle dynamique correspondant à la boucle fermée sont à l'intérieur du cercle unité. Les modes contrôlables de la boucle fermée sont ceux qui peuvent être modifiés par le choix de R(q). Les modes incontrôlables de la boucle fermée sont ceux qui sont invariants par rapport au choix de R(q). En l'occurrence, ils correspondent aux modes du modèle de perturbation inclus dans le régulateur.
    Le schéma de la figure 6 montre une partie du régulateur 22 (figure 1) comprenant un comparateur 50 pour comparer le signal de sortie y(k) du circuit de synchronisation 20 au signal de consigne yc. Il fournit le signal d'écart δy(k) qui est appliqué au régulateur 44 dont le signal de sortie δu(k) est additionné dans un circuit additionneur 52 au signal de consigne yc pour donner le signal u(k) de commande des injecteurs. Les quatre commandes des injecteurs u1(k), u2(k), u3(k) et u4(k) sont obtenues par un dispositif de démultiplexage 60 du signal u(k) comme montré dans la figure 7. le dispositif de démultiplexage 60 assure la mise à jour des quatre commandes des injecteurs à la fréquence du cycle du moteur.
    Les commandes u1(k), u2(k), u3(k) et u4(k) sont appliquées respectivement aux injecteurs 261, 262, 263 et 264 associés chacun à un cylindre du moteur 10. Les calculs de synthèse de tels régulateurs peuvent être conduits selon la méthode LQG (acronyme anglo-saxon pour Linear Quadratic Gaussian) et Control Robust.
    La première méthode dite LQG est par exemple décrite dans le livre "COMPUTER CONTROLLED SYSTEMS" de Karl J. Aström et Björn Wittenmark édité par PRENTICE-HALL International Inc. en 1984. La deuxième méthode est par exemple décrite dans le livre "ROBUST PROCESS CONTROL" de Manfred Morari et Evanghelos Zafiriou édité par PRENTICE-HALL Inc en 1989.
    La régulation des richesses individuelles du mélange d'entrée dans chacun des cylindres du moteur, dans la suite appelée "régulation des richesses individuelles", est possible tant que le moteur reste au point de fonctionnement pour lequel le retard ê a été identifié. Chaque transition entre deux points de fonctionnement nécessite une nouvelle identification du retard ê, afin d'assurer la bonne synchronisation du régulateur.
    En conséquence, la régulation des richesses individuelles est impossible pendant une transition. Elle doit être substituée par une régulation de la richesse moyenne qui est plus robuste vis-à-vis des transitions.
    Néanmoins, l'identification des gains d'injecteurs pendant la régulation des richesses individuelles permet d'annuler les perturbations périodiques dues aux dispersions des injecteurs pendant les transitions. Des dispersions d'injecteurs se manifestent par le fait qu'une commande d'injecteur appliquée à deux injecteurs différents fournit deux richesses individuelles de cylindre différentes. Le gain d'injecteur est le quotient entre la richesse individuelle de cylindre et la commande d'injecteur.
    La multiplication de la commande d'injecteur avec l'inverse de son gain annule les répartitions des richesses individuelles des cylindres et annule par conséquence les perturbations périodiques sur la richesse des gaz d'échappement due aux dispersions de gains.
    Les gains d'injecteurs sont identifiés pendant la régulation des richesses individuelles sur le signal u(k). La procédure d'identification est illustrée sur la figure 8. Un exemple du signal d'entrée u(k) du dispositif d'identification des gains est montré sur la figure 9. Le démultiplexage de u(k) donne quatre signaux différents u1(k), u2(k), u3(k) et u4(k) correspondant aux commandes des injecteurs. Chacun des signaux u1(k) à u4(k) est ensuite multiplié (multiplications 621, 622, 623, 624) par 1/um, um étant la moyenne sur u1(k) à u4(k) et puis filtrés par un filtre passe-bas (641, 642, 643, 644). Il en résulte quatre signaux g1(k), g2(k), g3(k) et g4(k) respectivement convergents vers quatre constantes G1, G2, G3 et G4, comme représenté dans la figure 10. Les quatres constantes G1 à G4 correspondent respectivement aux inverses des gains d'injecteurs des cylindres 1 à 4.
    Pendant la régulation des richesses individuelles, les commandes u1(k), u2(k), u3(k) et u4(k) assurent que les perturbations périodiques sur la richesse des gaz d'échappement du moteur sont annulées. Dans ce cas, le signal u(k) fourni par le régulateur est appliqué comme montré dans la figure 7.
    Pendant la régulation de la richesse moyenne, un signal, Ug(k) fourni par une régulation de la richesse moyenne, est appliqué au démultiplexeur 60 comme montré sur la figure 11. Le signal Ug(k) est démultiplexé pour générer quatre commandes d'injecteurs Ug1(k), Ug2(k), Ug3(k) et Ug4(k). Avant qu'elles soient appliquées aux injecteurs, elles sont respectivement multipliées par les constantes G1, G2, G3 et G4 afin de compenser les gains d'injecteurs.
    Dès que le moteur est de nouveau dans un point de fonctionnement stable, la régulation des richesses individuelles prend le relais.

    Claims (4)

    1. Procédé d'annulation des variations de richesse du mélange gazeux issu des cylindres d'un moteur à combustion interne (10), ledit moteur comprenant au moins un injecteur (26) par cylindre, un collecteur (12) de transport du mélange gazeux disposé à la sortie des cylindres et une sonde (16) dite proportionnelle disposée dans ledit collecteur (12) et fournissant un signal y(t) représentatif de la richesse du mélange gazeux, ledit signal y(t) étant appliqué à un régulateur (22),
      ce procédé comprenant l'étape consistant (a) à synchroniser le signal y(t), pour tenir compte du temps de transport du mélange gazeux dans le collecteur,
      le procédé étant d'autre part caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à :
      (b) réguler la richesse individuelle du mélange d'entrée dans chacun des cylindres du moteur pour des points de fonctionnements stables en introduisant dans le régulateur (22) un modèle de perturbation de manière à créer un signal périodique u(k) annulant la perturbation attendue.
      (c) identifier des gains d'injecteurs sur le signal u(k) pendant la régulation pour des points de fonctionnement stables, et
      (d) réguler la richesse individuelle du mélange. d'entrée dans chacun des cylindres du moteur pendant les transitoires entre deux points de fonctionnement en multipliant les commandes des injecteurs par ces gains.
      la synchronisation du signal y(t) comprend les étapes intermédiaires suivantes consistant à :
      (a0) créer un signal y(τ) en échantillonnant le signal y(t) à une fréquence d'échantillonnage (fe) plus élevée que celle du demi-tour du moteur,
      (a1) estimer un retard (ê) entre le signal échantillonné y(τ) et un signal modèle s(τ),
      (a2) introduire ce retard estimé (ê) dans le signal échantillonné y(τ) pour créer un signal corrigé z(τ) selon des critères déterminés, et
      (a3) créer un signal y(k) en rééchantillonnant le signal z(τ) à la fréquence du demi-tour du moteur.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (b) comprend les étapes intermédiaires suivantes consistant à :
      (b1) choisir un modèle de perturbation P(q) selon des critères déterminés,
      (b2) combiner P(q) avec un modèle S(q) de mélange de gaz de telle manière qu'un signal de perturbation w(k), correspondant au signal de sortie de P(q), s'ajoute au signal d'entrée S(q),
      (b3) choisir un régulateur R(q) pour le modèle combiné P(q).S(q) selon des critères déterminés,
      (b4) comparer le signal échantillonné y(k) à un signal de consigne (yc) fourni par le calculateur d'injection pour créer un signal de différence δy(k) sous la forme (y(k) - yc),
      (b5) appliquer le signal différence δy(k) au régulateur R(q) qui fournit un signal δu(k),
      (b6) additionner le signal δu(k) au signal de consigne yc afin de créer le signal u(k),
      (b7) démultiplexer la commande u(k) selon des critères déterminés pour générer quatre commandes indépendantes (u1(k), u2(k) u3(k) et u4(k)) des injecteurs, et
      (b8) appliquer les quatre commandes aux injecteurs.
    3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 2, caractérisé en ce que l'étape (b) comprend les étapes intermédiaires suivantes consistant à :
      (c1) démultiplexer la commande u(k) selon des critères déterminés pour générer quatre commandes indépendantes (u1(k), u2(k) u3(k) et u4(k)) d'injecteurs,
      (c2) créer quatre signaux g1(k), g2(k) g3(k) et g4(k) en divisant chacun des quatre signaux u1(k), u2 (k) u3(k) et u4(k) par la moyenne sur u1(k) à u4(k),
      (c3) filtrer les signaux g1(k) à g4(k) par un filtre passe-bas, et
      (c4) remplacer les gains G1, G2, G3 et G4 respectivement par les valeurs g1(k), g2(k), g3(k) et g4(k) lorsque la régulation selon l'étape (b) n'est plus possible.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape (d) comprend les étapes intermédiaires suivantes consistant à :
      (d1) calculer la commande globale Ug(k) des injecteurs par une régulation de la richesse moyenne classique,
      (d2) créer quatre commandes d'injecteurs différentes en multipliant la commande de la richesse moyenne um respectivement par les gains G1, G2, G3 et G4, et
      (d3) appliquer les quatre commandes aux injecteurs.
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