FR2739142A1

FR2739142A1 - Procede de controle de la richesse d'un melange air / carburant alimentant un moteur a combustion interne et dispositif correspondant

Info

Publication number: FR2739142A1
Application number: FR9511429A
Authority: FR
Inventors: Alain Aubourg
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1997-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: FR2739142B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la richesse d'un mélange air/carburant alimentant un moteur à combustion interne (10) et un dispositif correspondant. Selon l'invention, on provoque des variation de la richesse du mélange en apportant au moteur une quantité d'air additionnelle prédéterminée. On détermine le signe de la variation de régime produit, par cet apport en air et on détermine la quantité d'air totale à apporter au moteur, en régime permanent, pour minimiser la pollution créée par le moteur lorsque celui-ci fonctionne à son couple et son régime maximal. L'invention s'applique plus particulièrement à des petits moteurs du type de ceux équipants les outils de jardinage, tondeuses, débroussailleuses, etc..

Description

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la richesse d'un mélange air I carburant alimentant un moteur à combustion interne et un dispositif correspondant. Plus particulièrement ces moteurs à combustion interne sont appelés à équiper par exemple, des outils de jardinage (tronçonneuses débroussailleuses, ...), des groupes électrogènes, etc...

A ce jour il existe des normes limitant les émissions de polluants, applicables aux moteurs des véhicules automobiles. Dans les années à venir ces normes seront imposées aux moteurs ci-dessus évoqués et les constructeurs de petits moteurs devront équiper ceux-ci de systèmes électroniques de controle de richesse de combustion ou même d'injection.

En effet le contrôle de la richesse du carburant alimentant un moteur permet d'optimiser la combustion de ce carburant et de ce fait, de réduire les émissions de polluants. Ainsi le maintien de la richesse du mélange autow d'une valeur de consigne, permet d'assurer un niveau correct des émissions de polluants du moteur. Ces produits polluants sont essentiellement constitués par des hydrocarbone HC, des oxydes de carbone CO, et des oxydes d'azote NOx.

En outre le contrôle de la richesse du mélange permet de diminuer la température de fonctionnement du moteur, ce qui permet de rester en deçà de la température critique des composants du moteur.

Le but de la présente invention est donc de créer un procédé et un dispositif de contrôle de la richesse du mélange alimentant un motew à combustion interne, peu onéreux (le coût des outils utilisant ces petits moteurs est faible) et ne nécessitant pas de capteurs spécifiques.

A cet effet la présente invention concerne un procédé de contrôle de la richesse d'un mélange air/carburant alimentant un moteur à combustion interne, le dit procédé étant du type consistant à faire varier la richesse du mélange et à mesurer des variations de régime moteur correspondantes, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
- faire varier la quantité d'air apportée au moteur en régime
permanent au moyen d'un injecteur d'air comprimé calibré afin de
créer une pluralité de sauts de richesse dans le mélange,
- détecter si une variation de régime concomitante apparaît, et dans
ce cas déterminer son signe,
- en déduire que le moteur ne fonctionne pas à la richesse
correspondante au couple optimal et déterminer la quantité d'air à
injecter en régime permanent afin de minimiser la pollution créée par
le moteur.

Ainsi le procédé selon l'invention, utilise un générateur d'air additionnel pour créer des sauts de richesse dans le mélange alimentant le moteur. Lorsque ces sauts de richesse provoquent une variation du régime de rotation du moteur, on en déduit que celui-ci n'est pas à son régime optimal, et on détermine la quantité d'air à injecter en régime permanent pour que le fonctionnement du moteur soit optimal.

Selon l'invention on conserve le carburateur originellement associé au petit moteur, afin d'obtenir un débit de carburant proportionnel au débit d'air, pow un bon fonctionnement du moteur en régime stabilisé et en régime transitoire.

Cependant selon l'invention afin d'affiner le réglage de la richesse du mélange en régime stabilisé, on établit un court circuit d'air qui contourne le papillon d'admission des gaz, et débouche directement dans le collecteur d'admission du moteur. Ce circuit d'air additionnel permet d'injecter des surplus d'air dans le mélange alimentant le moteur (c'est à dire d'effectuer des sauts de richesse).

Avantageusement ces surplus d'air sont réalisés par de l'air comprimé délivré par une électrovanne. Cette électrovanne est commandée par un calculateur électronique associé de manière classique au petit moteur.

Selon l'invention l'électrovanne est une vanne trois voies. Une première voie reçoit de l'air à la pression atmosphérique et est utilisée pour ajuster la quantité d'air alimentant le moteur en régime permanent, une seconde voie reçoit de l'air comprimé et est utilisée pour créer les sauts de richesse. La troisième voie délivre l'air à pression atmosphérique, ou l'air comprimé, vers le collecteur d'admission du moteur.

De manière avantageuse, toutes ces fonctions sont réalisées par b me me vanne. En outre l'utilisation d'air comprimé pour la réalisation des sauts de richesse, permet de créer des variations sensiblement instantanées de la richesse, ce qui améliore la sensibilité de la courbe liant le couple en fonction de la richesse.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de b description qui suit, à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- La figure I est une vue schématique, montrant un petit moteur équipé
d'un dispositif selon l'invention,
- La figure 2 est une vue schématique, illustrant les variations de
couple en fonction de la richesse du mélange,
- Les figures 3a et 3b sont des vues schématiques, illustrant la mise en
oeuvre du procédé selon l'invention respectivement, lorsque le
mélange initial en régime permanent est pauvre et lorsqu'il est riche,
- Les figures 4a et 4b sont des vues schématiques montrant une
électrovanne selon l'invention, respectivement, en phase d'alimentation
en air à pression atmosphérique et en phase d'alimentation en air
comprimé, selon un premier mode de réalisation de cette électrovanne,
et
- Les figures 5a à 6b sont des vues analogues aux figures 4a et 4b
montrant respectivement une seconde et une troisième variante de
réalisation de l'électrovanne selon l'invention.

Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, un petit moteur 10, est associé de manière classique à un carburateur 11. Ce carburateur est alimenté d'une part, en air à la pression atmosphérique par l'intermédiaire d'un filtre 12, et d'autre part en carburant par l'intermédiaire d'une cuve de carburateur 13.

De manière classique le carburateur Il opère le mélange, dans des proportions déterminées, de l'air et du carburant en régulant la proportion de chacun de ces éléments selon la position d'un papillon des gaz 14. Le mélange ainsi effectué est ensuite amené vers le collecteur d'admission 15 du petit moteur 10. Ce petit moteur est par ailleurs muni, de manière connue, d'un calculateur électronique 16 adapté pour recevoir et gérer une pluralité de paramètres de fonctionnement du moteur.

Selon l'invention un circuit additionnel d'air 17 est disposé entre le filtre à air 12 et le collecteur d'admission 15. Ce circuit additionnel comporte une pompe 18, mue par les variations de la dépression régnant dans le carter, un réservoir d'air comprimé 19, et une électrovanne trois voies 20. Cette électrovanne est commandée via une bobine classique 21, par le calculateur 16.

Le circuit additionnel comporte égalernent une conduite 22 d'alimentation de l'électrovanne 20, en air à la pression atmosphérique et une conduite 24 reliant l'électrovanne et le collecteur d'admission 15 du petit moteur.

Comme cela est nettement visible à la figure 1, le circuit additionnel d'air 17 court circuite le carburateur 11 et amène de l'air soit comprimé, soit à la pression atmosphérique directement au collecteur d'admission 15.

On notera que la pompe 18 permet de comprimer l'air en provenance du filtre 12 et de le stocker dans un réservoir d'air comprimé 19. Lorsque ceb est nécessaire cet air comprimé est envoyé vers l'électrovanne 20.

L'électrovanne 20 est une vanne trois voies. Une première voie reçoit de l'air à la pression atmosphérique par la conduite 22 et est utilisée pour ajuster la quantité d'air alimentant le moteur en régime permanent, une seconde voie 23 reçoit de l'air comprimé et est utilisée pour créer les sauts de richesse. La troisième voie 24 délivre l'air à pression atmosphérique, ou l'air comprimé, vers le collecteur d'admission 15 du moteur.

Selon l'invention on provoque des variations de la richesse r pour déterminer le couple maximum du moteur. Comme on le voit sur la figure 2, aux alentours de la valeur de couple maximum, les variations de richesse ne modifient que très peu la valeur du couple. Selon l'invention, on provoque donc des variations de la richesse et l'on observe les variations de couple correspondantes.

Si ces variations de richesse ne provoquent pas, ou peu, de variations de couple, on peut en déduire que le point de fonctionnement du moteur est situé au maximum de couple.

Sur la figure 2, la courbe en trait plein représente le variations du couple en fonction de la richesse pour un moteur alimenté par un carburateur classique. La courbe en pointillés représente, quant à elle, les variations du couple en fonction de la richesse du mélange dans le cas où l'on utilise un débit d'air additionnel.

On notera que si le mélange est riche, par exemple, si le point de fonctionnement du moteur se situe en A, si l'on provoque une diminution de b richesse du mélange par un envoi d'air supplémentaire (on suit la courbe en pointillés) on arrive au point de fonctionnement B. Si cette même richesse avait été atteinte uniquement à l'aide d'un carburateur classique (courbe en trait plein), le point de fonctionnement C aurait été atteint. Or la variation de couple ACAg entre les points de fonctionnement A et B est nettement plus importante que la variation de couple entre les points A et C.

II résulte de cette constatation que lorsque que l'on provoque des variations de richesse dans un mélange riche par envoie d'air comprimé, on provoque des variations de couple nettes et facilement décelables.

Par contre lorsque des variations de richesse par apport d'air supplémentaire ont lieu dans un mélange pauvre, on provoque des variations de couples beaucoup moins importantes que celles obtenues avec un carburateur classique. A cet effet il suffit de remarquer que la variation de ACAge entre le point A' et le point B' est nettement moins importante, que celle apparaissant entre les points A' et C.

On en conclue que lorsque que l'on utilise un dispositif selon l'invention, c'est à dire un apport d'air comprimé supplémentaire, il est préférable de toujours travailler avec un mélange initial riche.

De ce fait, dans le cas où l'on détecte qu'un mélange initial est pauvre on aura intérêt à diminuer de manière importante la quantité d'air additionnelle apportée en régime permanent, afin de se retrouver avec un mélange riche. En travaillant avec un mélange riche et avec des variations de richesse provoquées par de l'air comprimé, on augmente la sensibilité de réponse en couple.

Le fonctionnement du dispositif constitué du circuit d'air additionnel sera détaillé en même temps que le procédé de contrôle de la richesse du mélange.

Ce procédé est mis en oeuvre de la manière ci après décrite.

Tout d'abord le petit moteur 10 est mis en marche. De manière classique, le carburateur opère le mélange de l'air et du carburant en fonction de la position du papillon des gaz. Le circuit additionnel d'air fourni au moteur un faible débit d'air additionnel, par l'intermédiaire de la conduite 22 et de l'électrovanne 20. On établit ainsi un débit d'air minimal par défaut.

Un régime permanent s'établit.

Pour vérifier si le moteur fonctionne bien à son régime optimal, c'est à dire à son point de pollution minimal, le calculateur 16 provoque une pluralité de sauts de richesse SI (figure 3a) dans le mélange alimentant le moteur. Pour ce faire, I'électrovanne 19 envoie dans la conduite 24 des surplus d'air comprimé prélevés dans le réservoir 19. Le mélange présent dans le collecteur d'admission 15 reçoit donc une pluralité de bouffées d'air supplémentaires. Ces sauts de richesse appauvrissent momentanément et sensiblement instantanément le mélange alimentant le petit moteur. Si le moteur ne fonctionne pas à son régime optimal ces appauvrissements provoquent des variations du régime moteur N.

En se reportant à la figure 3a on remarque que les quantités d'air supplémentaires Oa apportées au moteur provoquent de manière concomitante des variations V1 du régime moteur. On remarque même que ces variations sont négatives et correspondent à des diminutions du régime moteur. On en conclue donc, qu'en appauvrissant momentanément le mélange, on a diminué la vitesse de rotation du moteur, donc le mélange initial était déjà pauvre. On en conclue également que le mélange initial n'était pas optimal, puisqu'il a permis de créer des variations de régimes détectables. En conséquence on impose une diminution D de l'apport en air en régime permanent, de manière à se retrouver en régime permanent dans le cas d'un mélange riche (comme cela a été expliqué plus haut).On effectue une nouvelle fois une pluralité de sauts de richesse S2 en apportant, comme précédemment décrit, des bouffées d'air supplémentaire au moteur.

On remarque que ces sauts de richesse provoquent maintenant des variations V2 du régime de rotation du moteur correspondantes à des augmentations de ce régime.

Puisque ces variations sont détectées et sont positives, on continue à appliquer le procédé selon l'invention en augmentant légèrement, de manière prédéterminée, b quantité d'air A apportée au moteur en régime permanent. On effectue de nouveau des sauts de richesse jusqu'à ce que les variations concomitantes du régime de rotation N du moteur soient indécelables. On en conclue alors que la quantité d'air apportée en régime permanent est optimale et que le moteur est à son point minimal d'émission de polluants. On alimente alors le moteur en régime permanent avec un mélange respectant les proportions air / carburant ainsi déterminées.

Comme le montre la figure 3b, le régime permanent initial du motew, peut très bien, être trop riche. Cela se détecte facilement car la première pluralité S'1 de sauts de richesse, imposés au mélange, provoquent alors des variations V1' de régime moteur positives. Dans ce cas il n'est pas nécessaire de provoquer une diminution D de l'apport d'air en régime permanent (puisque l'on se trouve déjà en mélange riche), au contraire on impose une augmentation prédéterminée
A à ce mélange en régime permanent. Le reste du procédé de détermination de la richesse optimale est effectué de la même manière qu'à la figure 3a.

Le procédé selon l'invention consiste donc à:
- faire varier la quantité d'air Qa apportée au moteur 10 en régime
permanent au moyen d'un injecteur d'air comprimé 20, calibré afin
de créer une pluralité de sauts de richesse S dans le mélange,
- détecter si une variation V, de régime concomitante apparait, et
dans ce cas déterminer son signe,
- en déduire que le moteur ne fonctionne pas à la richesse
correspondante au couple maximum et déterminer la quantité d'air
A, à injecter en régime permanent, afin de minimiser la pollution
créée par le moteur.

On notera que l'on peut tenir compte, non seulement du signe de la variation de régime, mais aussi de son amplitude. Dans ce cas le calculateur permet de déterminer, en une seule fois, qu'elle est la quantité d'air idéale à fournir au moteur en régime permanent, pour qu'il fonctionne à son régime optimal. Ceci évite d'avoir à augmenter, petit à petit, la quantité d'air apportée en régime permanent, pour obtenir le régime idéal de rotation et donc le point minimal de pollution.

L'invention concerne également l'électrovanne 20. Comme représenté aux figures 4a à 6b, trois variantes sont envisagées. Pour l'ensemble de ces variantes les références des éléments présentant des fonctions analogues sont les mêmes.

La figure 4a montre une électrovanne 20, en phase d'alimentation du collecteur 15 avec de l'air à pression atmosphérique. Dans cette figure on remarque qu'une tige de piston 30 sur laquelle sont montés deux clapets respectivement, supérieur 31a et inférieur 31b, est maintenue en position basse (tirée vers le bas sur le dessin), par la bobine 21. Cette bobine est commandée par le calculateur 16 de manière connue en soi, non détaillée sur le dessin. Dans cette phase d'alimentation en air à pression atmosphérique, il y a communication directe de la conduite 22 et de la conduite 24. La dimension de la section du passage de l'air (au niveau du clapet 31a) est commandée par la bobine.

L'alimentation en air comprimé est, quant à elle, rendue impossible par b fermeture du clapet inférieur 31 b.

Dans la phase de fonctionnement suivante la bobine 21 n'exerce aucune force sur la tige de piston (figure 4b) qui revient en position neutre, sous l'action des ressorts associés à chaque clapet 3ira, 3nib. La conduite d'air comprimé 23 est alors en communication avec la conduite 24 d'évacuation vers le collecteur. De ce fait le collecteur d'admission 15 reçoit des bouffées d'air comprimé. L'alimentation en air à pression atmosphérique est alors impossible puisque le clapet supérieur 31a est fermé.

Dans cette forme de réalisation la vanne 20, est donc commandée par le calculateur, via la bobine 21, et la tige de piston est mobile entre une position haute et une position neutre. On remarque que dans le cadre de ce mode de réalisation le clapet 31 b, est soit totalement ouvert, soit totalement fermé, tandis que la dimension de l'ouverture du clapet 31 a est pilotée par la bobine.

Selon le deuxième mode de réalisation de la vanne 20 (figures 5a et 5b), la bobine 21 actionne la tige de piston entre deux positions modulables ce qui permet d'ouvrir plus ou moins chacun des clapets 31a, 31 b. Cette ouverture proportionnelle de chacun des clapets permet de moduler la quantité d'air injectée lors des sauts de richesse. Cependant cela implique que la tige de piston puisse êt-e ac':orrée dars 'es de=x ser,s. 'es ressors associés à cacr des c'apex doivent dans ce cas être placés de la manière représentée. On notera que dans ce mode de réalisation, la vanne comporte en fait deux bobines agissant en sens opposé.

Selon la troisième forme de réalisation de l'invention représentée aux figures 6a et 6b, I'ouverture des clapets supérieur et inférieur est également modulable, alors que la tige de piston n'est actionnée que dans un sens (tirée vers le bas par la bobine). En effet la bobine 21 permet en tirant plus ou moins sur la tige de piston 30 d'ouvrir le clapet supérieur de manière modulée, dans le même temps, un mécanisme de liaison du clapet 31b sur la tige 30 se positionne en position débrayée. II n'y a donc pas de solidarisation entre la tige 30 et le clapet inférieur 31b. De ce fait le mouvement de la tige 30 n'est pas répercuté au clapet 31a qui reste fermé. On permet ainsi la fermeture du clapet 31b et le libre mouvement du clapet 31a.

Lorsque la bobine 21 (figure 6b) n'est plus commandée on provoque en fait, la solidarisation de la tige 30 et du clapet 31b, par arc-boutement d'une pièce de liaison 32 sw la tige. L'action des différents ressorts permet alors l'ouverture du clapet 31b avec une course correspondante à celle du clapet 31a (en fait le déplacement du clapet 31a avant l'arrêt de la commande de la bobine est répercuté au clapet 31b dés que la bobine n'est plus commandée).

La section du passage découvert par le clapet 31b est ainsi proportionnel à celle découverte par le clapet 31a. II est ainsi possible de commander l'amplitude des variations de richesse imposées au moteur.

On remarquera que dans ce mode de réalisation les clapets supérieur et inférieur peuvent être solidaires de la tige de piston. Dans tous les autres modes de réalisation les deux clapets étaient montés coulissants sur la tige de piston.

On remarquera que, dans le cadre de ce troisième mode de réalisation,
I'ouverture du clapet d'air comprimé 31b est proportionnelle à l'ouverture du clapet d'admission d'air à la pression atmosphérique 31a.

Dans tous les modes de réalisation de la vanne selon l'invention, la tige de piston 30 est adaptée pour provoquer de manière sélective la fermeture de l'un ou de l'autre des clapets 3ira, 31b.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-dessus décrits. Ainsi, le circuit additionnel d'air peut très bien ne pas comprendre de réservoir d'air comprimé. Dans ce cas l'air comprimé est réalisé à la demande du calculateur 16, par la pompe 18, lorsque le calculateur désire effectuer des sauts de richesse. De même si l'on n'utilise pas le circuit additionnel d'air à la mise en marche du moteur, on crée un effet "starter" due à b suralimentation en carburant du moteur, lors d'un démarrage à froid.

Claims

REVENDICATIONS le moteur. injecter en régime permanent afin de minimiser la pollution créée par correspondant au couple maximal et déterminer la quantité d'air à - en déduire que le moteur ne fonctionne pas à la richesse dans ce cas, déterminer son signe et, - détecter si une variation de régime (V) concomitante apparaît, et de créer une pluralité de sauts de richesse (S) dans le mélange, permanent au moyen d'un injecteur d'air comprimé calibré (20), afin - faire varier la quantité d'air (Qa) apportée au moteur en régime

1] Procédé de contrôle de la richesse d'un mélange air / carburant alimentant un moteur à combustion interne (10), le dit procédé étant du type consistant à faire varier la richesse du mélange et à mesurer des variations (V) de régime moteur correspondantes, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:

2] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à tenir compte de l'amplitude de la variation de régime (V) détectée pour déterminer la quantité d'air à injecter en régime permanent.

3] Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les variations (S) de la quantité d'air sont sensiblement instantanées.

4] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise un apport minimum d'air en régime permanent au moyen d'un circuit additionnel d'air (17) court-circuitant le papillon (14) d'admission des gaz, afin d'établir un débit d'air minimal par défaut.

5] Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit additionnel (17) d'air, génère également les sauts de richesse (S).

6] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détermination du couple maximum est réalisée par appauvrissement d'un mélange air I carburant riche.

- une électrovanne (20) commandée par un calculateur (16) recevant du moteur une pluralité de paramètres de fonctionnement et étant adaptée pour délivrer sur commande dans un collecteur d'admission (15) du moteur une quantité d'air prédéterminée d'une part, à la pression atmosphérique et d'autre part, de manière comprimée.

- des moyens de compression d'air (18), et

7] Dispositif de contrôle de la richesse d'un mélange air I carburant, alimentant un moteur à combustion interne (10), du type mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte:

81 Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la dite électrovanne (19) comporte une arrivée d'air à la pression atmosphérique (22), une arrivée d'air comprimé (23), une tige de piston (30) associée à une paire de clapets (31a, 3nib) d'admission associés chacun à une des arrivées, la dite tige étant adaptée pour provoquer de manière sélective la fermeture de l'une des dites arrivées (21, 23).

9l Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que chacun des deux clapets d'admission (3ira, 31b) est en position soit totalement ouverte, soit totalement fermée.

10l Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'ouverture du clapet d'admission d'air comprimé (31 b) est proportionnelle à l'ouverture du clapet d'admission d'air à la pression atmosphérique (31a).