AIR FLOW CONTROL METHOD AND DEVICE FOR IDLING THERMAL ENGINE

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE DU DEBIT D'AIR D'UN MOTEUR THERMIQUE AU RALENTI

Abrégé français

ABREGE DESCRIPTIF
Procédé de commande du débit d'air à l'admis-
sion d'un moteur thermique alimenté par injection de
carburant, le débit d'air étant régulé en fonction de
la vitesse de rotation du moteur, notamment au voisi-
nage de sa vitesse nominale de ralenti, caractérisé par
le fait que la valeur de consigne de la régulation est
constituée par le résultat d'un filtrage effectué sur
une grandeur liée à la valeur instantanée de la vitesse
de rotation du moteur, suivi d'une moyenne pondérée
entre la valeur filtrée et une grandeur liée à la
vitesse minimale de ralenti. Le dispositif de commande
pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte d'autre
part un dispositif permettant de faire varier le
débit d'air dans le conduit d'admission, un actionneur
lié au dispositif permettant la variation du débit
d'air pour commander ce dernier, un système asservi
à l'actionneur introduisant une correction proportion-
nelle intégrale au signal d'entrée de l'actionneur,
et un régulateur recevant un signal fonction de la
vitesse de rotation du moteur thermique et produisant
un signal possédant une fonction de transfert du type:
<IMG>
lequel constitue le signal d'entrée du système asservi,
p étant l'opérateur de Laplace, T et k étant des cons-.
tantes. Ce système a l'avantage d'amélioler le fonc-
tionnement de la régulation du débit d'air à l'admission
en particulier lors des phénomènes transitoires en
apportant une anticipation dans la commande de l'action-
neur de la vanne de régulation.

Revendications

Les réalisations de l'invention, au sujet
desquelles un droit exclusif de propriété ou de privi-
lège est revendique, sont définies comme il suit:
1. Procédé de commande du débit d'air à
l'admission d'un moteur thermique alimenté par injection
de carburant, le débit d'air étant régulé en fonction
de la vitesse du moteur, caractérisé en ce que
l'on effectue un filtrage sur une grandeur
liée à la valeur instantanée de la vitesse de rotation
du moteur de façon à obtenir une valeur filtrée;
l'on obtient une moyenne pondérée entre la
valeur filtrée et une grandeur liée à la vitesse
nominale de ralenti du moteur;
l'on détermine une valeur de consigne de
régulation à partir du résultat obtenu de la moyenne
pondérée.
2. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé par le fait que le filtrage est effectué par un
système du premier ordre.
3. Procédé selon la revendication 2, caracté-
risé par le fait que le gain et la constante de temps du
système du premier ordre sont choisis de façon que la
fonction de transfert globale apporte une avance de
phase maximale aux alentours de la fréquence maximale
des oscillations du moteur thermique à sa vitesse de
ralenti.
4. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la vitesse de rotation du moteur se situe
au voisinage de la vitesse nominale de ralenti du moteur.
5. Procédé de commande selon l'une quelconque
des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que
la régulation est du type proportionnel-intégral.

6. Dispositif de commande du débit d'air dans un
conduit d'admission d'un moteur thermique alimenté par
injection de carburant, comprenant:
un moyen de variation du débit d'air dans le
conduit d'admission;
un moyen actionneur lié audit moyen de
variation pour commander ce dernier;
un système asservi lié audit moyen actionneur,
ledit système asservi introduisant une correction propor-
tionnelle-intégrale au signal d'entrée du moyen action
neur;
un régulateur recevant un signal fonction de
la vitesse de rotation du moteur thermique et produisant
un signal possédant une fonction de transfert du type:
? = <IMG>,
lequel constitue le signal d'entrée du système asservi,
p étant l'opérateur de Laplace, T et k étant des
constantes.

Description

S2~4
La présente invention a pour objet un procédé et un dispo-
sitif de commande du débit d'air à l'admission d'un moteur ther-
mique alimente par injection de carburant dans lequel le debit
d'air es-t regule en fonction de la vitesse de rotation du mo-teur.
L'invention s'applique en particulier à la regulation du debit
d'air au voisinage de la vitesse nominale de rotation au ralenti
d'un moteur thermique de vehicule automobile.
On sait que le régime de ralenti d'un moteur thermique est
principalement réglé par le débit d'air dans le conduit d'admis-
sion. En reglant correctement la richesse et l'avance, on par~
vient à obtenir un regime stable en l'absence de perturbations
extérieures au moteur thermique. Par contre, lorsqu'on demande
au moteur thermique une puissance supplémentaire pour actionner
par e~emple un élement périphérique tel qu'une direction assistée
ou un autre organe, l'équilibre du ralenti se trouve perturbé et
le réglage statique du régime ne peut compenser la variation de
charge imposée.
On a déjà prévu pour retablir alors le régime de ralenti
d'un tel moteur thermique d"ltiliser un actionneur capable de
modifier le debit d'air dans la conduite d'admission. La commande
de cet actionneur permet de conserver un régime de ralenti indé-
pendant des conditions extérieures du moteur thermique et d'obte-
nir un ralenti plus stable en compensant les petites variations
inevitables sur un moteur. L'action sur le debit d'air peut être
réalisee de differentes manières. C'est ainsi que l'on peut
commander une vanne indépendante disposée en by pass sur le cir-
cuit d'admission principal du moteur. On peut également agir
directement sur le papillon relié à la commande d'accélerateur du
véhicule.
Dans les dispositifs connus de ce type, la commande de l'action-
neur peut donc etre assimilee à un asservissement du debit d'air à
l'admission au regime moteur ou vitesse de rotation du moteur ther-
mique. On constate cependant dans la pratique des difficultes
d'application, en particulier lors des phenomènes transitoires. Il
est en effet difficile pour les régulations de type classique d'ef;fec-
tuer une différence entre une action de stabilisation du ralenti et
les phenomènes transitoires mal definis pouvant exister dans un
~ ~$
. . .
..

l~S25f~
moteur ther~lque. Il el~ e6t a~8i e~ p~rtic~lier lor~ dlu~e decel~ra~lun
raplde d~t ~oteur thenniqu~ qui peut entr~ner un sou~-regime trop lmpor~an1:
du moteur ou me~e un c~lage ~ p1e~ a~sc a~et d~ c)teUr.
1~ presente inventlol~ a pour ob~et d~ame1iorer le ~onctionDement de la
re~ul~tlon du deblt d'a~r ~ dm~ on, en ~r~io~ Yr lor~ dF~ phenailèn~
tre~nsltolre~ en apportant une ant lcipat~n dans 1~ t:aumande de 1 ' aot io~n~urd~ lR v~nne de regul~tion.
~e pr~cede de ~ommande du debl~ d~alr ~ 1~ad~s~10~ d'un ~oteur
thennique alimeote par ~n~ection de carburant, ~elon 17 ~nvell~loo,~ dani lequelle dkblt d'R;lr e6t r~gule en fon~ti~ de la vltes~e ~e ~ro~a~lon du ~notRl~r, eDpartlc~l~er au voisinage de ~a vite~e ~omlnale de r~lentl, con~is~e ~
prendre c~nme valeur de conçligne d~ la re~u1~ti~, le ~e6ult~t dluu f~.ltrage
effectu~ ~ur une graDdeur ll~e à la yaleur instan~all~e de 1~ vltes~e de
rotatlon du ~noteur thenmique 6~1vl d'une mo~enDe ponderee entre 1~ valeur
filtr~e ;lio6i obtenue et une f~ra~dour l~e ~ la ~i~e~se Damin~le de ralenti.
Le ~iltrage est d~ l)re~re~Ce e~'~ectu~ U~ sy~tem~ du pr~i~r o~drà
analogue ~ u~ ~lltre pa6se-ba~.
Le galn ~t la cca~stanta d~! tl~npB d~ ~y8t~e du premier t~rdre utillse
p~ur le f lltrage ~ont dæ pr~f~ran~e ~hul~ de ~açon que la fon&tlon de
tr~rl6~ert globale appo~te l~e a~rano~ de phase max~nal~ aux alen~o~lr~ de l~.
frequeùcc ~ nale dea os~lllgltiolls d~ eu1e à 6~51 vlte~e de ralentl.
L~lnvention ~er~ miell7c ccloprl~e ~ t~d~ d~ l~ descr~ption de~Laillee
d'un exetnpl~ de re~lisati~n decri~ a tltre ~ llement linllta~lf ee lllu~;tre
par 1e8 defl~lna a~ne~e~ aur le~quelB;
~' ln f i8ur~ 1 e~t u~l s~h~ onetio~ a-.:ly~x ~l~me~ d~m
s~temé fl~e~vi ca~pre~nt le r~gulateur de l'inventloD;
la f ~ure 2 illustr~ c~rtalne~ courb~ permettan~ dP co~nprendre le
fonctionu~nent dc 1~ InYenticm; at
le6 fi~ure8 3 et 4 repr~B~s~tel~t re~pectiv~men~ m~dule et la phese de
1~ fonetion de tran~fert d'un exemple de rea~i~ation d~ xegul~teur uti1i6e
d~ns la presente lnv~tion~
LQ r~gu1s.tion du deblt d'air ~ d~ ion d~n~ un n~oteu~ ~henniq~
n~ce~it~ llo~ ~ti~ conve~able~nt as8ervie ~r l~ir admi~ dan~ le hloteur
thermlqt~e. Danfi le ca~ d~une r~gulatlon ~U maye~ d~e v~nne~ a~It donc
d`ou~rr~r cette vanne lor~que 1~ reg~e ou vite6~e de ro~ion du ~nc)t~ur
.
'
.
:

3~5259~
ther~lque e~t tr~ ~alble e~ au ~ontraire de la fermer lor8que le re~im~ ou
vlte6~3e de rnta~ion du moeeur ~hermlque e6~ ~rop eleve. P~r ef fectuer ~Ine
regulation convP~able dan~ le e~ d~ul~ ph~naDa~e tr~n~l'coi~e, il ne ~uffit
pll8 d~ouvrlr 1~ ~nt~e au-deg~ous du r~g~me de ralerlti, c~e~ dl~e eu-
de~ou~ de la ~ ite~ nale d6! raleoti du ~oteur therm~que~ c~r l'ac~ion
~ur l'air à l'ad~is~ion intervlendr~t nlor$i t~op t~rd pcr~r eamp~er une
chute r~pide de reg~ne du ~oteur th~nnique entra~ ev~n~uellement un arrêt
bru~que du mot~ur . ~ r i ~ c
Sur la figure 1 o~ ~ repreger~te ~ t~t~ d'el~emple de façon tr~~
sch~tlque u~ne Y~nne de canmaDde 1 eapable d'eg~r sur l'slr ~dml~ dan~ un
~notenr the~nlque t~on rep~e8en~e. Le ~iign~Ll de c~ande de la va~ne, referen~
V, e~t i~Ru d~uD ~;y~tem~ ;ervl reere~é 2 dans ~ion e~iem~le, effectuant à
partir du 6ignal d'entree 6, une correc~ion prop~rt~omlelle par l'org~ne 3 et
une corre~tic~n lut~:~r~le par l'orga~e 40
i5 Dall~ un sy~3tème cla~slque, l~entre,e ~ d~l ~y~teme a6~ervi 2 ser~itconstltu~e par 1' ecart entre ulle grandeur P liee à la valeur ~3tantaaee de
la vltes~e de rotaticm du moteur thenaique et utle gr~YIdeur R liee au regime
de ralenti I~U vites~e d~ ro~atl~n n~nale du 3~0teur ther~ique au ralenti,
cette valeur etan~ pred~ter~lnee p~ur Ull ~oteur thermique ~onnc.
~0 Selon l'lnventio~, cet ecart e ~ P - R, est tout dlabord soumls ~ unetransfo~atlon danY 1~ regul~eur 5. ~n d'autre~ ter~e6. la ccmms~lde de 1~
vanne 1 n'est ps~ reali6ee en prenan~ direc~e~ent eanne ~raleur de conslgne le
reglme de ~lenti con~tant ~ouhal~é li~: ~ la ~rande~r R, m~ u contraire, à
p~rtir d'un regi~ne de con~igne ficti~ varisble et d~p~ndant du regime ln~ n~
~an~.
Le r~g~ teur selon 1~ l~vention c~prend l~ne pre~ère br~llebe 6 munle
d'uù o~ane 7 ~e c~portant ~c~me ~n sys~eme du premier ordre et dtuù o~gane
8 pr oport ~ onnel ~
On vs m~ enent, ~ ti~re d'ex~mple, pr~el~e~ l'actlon d~ diffe~ente
cr~oe~a du ~y~te~ne de 1~ inv~nti~n dan~ le ca~ o~ lee g~nd~urfi m~ur~es liee-4
JIUX vale~l~fi de~ vi~e~6e6 de rotati~n du ~Do~eur ~her~lqu~ 60nt des p~r~odel3,~est-~-dlre l'inverse de~ ~e~imes ~u ~flte~;6e~; de rot~tlon.
D~n~ ce6 conditlon~, le r~gl~e ln6tantan~ d~ moteur e~t repr~ente par
la valel~r de la p~riode ln~t~nt~nee P. Le ~gime d~ raleQti~ e~t une
~ t~nte, e~t repx~6ente psr 1~ de di~ r~lentiR. :
.: ~

~25~59L4
Selo~ l'lnvention~ on effectue tOUt d~abord u~ filtr~ge de la periade
ln6tantanee P de fa~o~ 8 obtenlr une v~leur f ll~ree P' . Ce f iltrage eE~e
effectue par le ays~eme de premier ordre 7 dont l'entree P e~t llee ~ la
~ortle P~ par l'equa~ian differentielle du ~re~er de8r~:
P P I ~P T dP
dt
D8n6 le cas du ~e~3ulRteur d~ 1~ fl~re 1, ~'entree du f:(ltre 7 e~t
l~ec~t P - R. 1~ r~i60n d~, fa;i~ que 1~ p~rl~de ~e r~lent~ t con~tante,
la 60rtie du f ~ltre 7 eBt danc P' - R.
Selon l'inventio~, la vale~ de consig~le cho~s~ pour l'a~3f3en~ elDen~
de 1~ vaODe de c~ma~lde 1 e6t une p~ri~de de conRigne C qui e~ con~ltu~e
p~r la moyenne po~der~e entre la val~ur ~il tree de la p~lcde ~nsS~nt~nee P~
ct la p~lode de rAlentl R. ~ette valeur de ~on6igne e6t dor~e choi61e par
d~lnit~on de la ~nl~re ~ulv~nte:
C ~ I~P' ~ R) R
I)~D6 ce6 condltlo~ 8~gn81 d~eotr~e ~ de l~a~sen~issement 2 qui e~t
l~cnrt entr~ la p~ricd~ lns~ntan~ P et 1A p~riode de confil~ne C est obtenu ~ -
par 1~ equation ~uivante
P - C - P - R - K tP' -- R)
Cette e~uation peut ee lire: ~ ~ e - Ke
eo adoptant le~i &ymbole6 f!i~ur~nt ~ur l~ f~ure 1 ~ù e represente le ~ignal
d'entr~e du regul~te~lr 5, e' repr~sente l~ 80rtie du f~ltre 7 et ~ repre~ente
la sortle du re~u1at~ur 5~
D~n~ ces condlt~on6 et ~elon l~lnverlt10~, le ~ l'en~r~e du
~5 r~gulateu~ 5 eBt 80umi~ da~6 nns preuliere br~nche ~ premier ~ lltra~e 7
~ournis~nt le sig~ iltr~ e~ qul est ensuite 60uD~ a un orgs~e p7~0por~ :
t~o~llel 8 ~d8 coeff~ nt K. Læ ~e~e si~;nal d!~nt~ee e est soumi~ dan6 ~
dcu~l~ branche ~ du ~glllateur 5 a l'action dtun org~me prnp~rtiorm~l 10 de~:
~; co~f~ nt l. La 80rtic de la premie~e br~ he 6 e~ ~ou~t~ite ~e la ~rti~
de l~ deu~lame ~ranche 9 de f~çon à fo~irnir le ~$nal de ~o~tle
~n vQlt que la ~onctlon de traDsfert du ~s~t~lateur 5 eat de 1~ Eor~e
t"
La fonction de tra~lsfert de l~as&ervi~6e~eslt 2 placA en a~al et erl ~e~i~ du
regulateur S est de la for~
3S :,. $2 ~ ~ KP ~ P
. _ .
. _ _
.~ .
.

S~4 - -
oi~ l;p a~t le coef~lclent de l'organe pr~portio~nel 3, tandl~ que Kl e~;t le
coeff lclent de 1' or~ane lnte~ral 4~ L~ fs)llction de trAnsf~rt ~lob~l du ~y~-
t~m~ t alor~ s~ ~crlre:
K (Kp
S ' l~l`p P
t)D 6e reportera ma~nten~nt a ~ i$ure 2 sllr laqllelle ~n a repre~;ente e~
ordol~Dee~; les v~leur~ de~ vl~eliseF~ de rot~tlon ln~ nlanees N s~un moteur
t~erml~lue, e~aat-~-d~re le~ v~leur~; ~nversea de8 periode~ P et eQ abacis6e~
le 2emps ~. Dans le c~ d~url ph~naDene tr~n~tolre ulateriAll~;e par tlDe dece-
lU leratlorl rap~te du s~gime du moteu~ the~ ue vialble f~ur la c~urbe refe-
rencee 1~, on voit que dan~ uu ~se;e~vlRse~eut d~ ~ype el~ e, la vanne dQ
com~ande d~a~mis~on d~ir seral~ ouverte au t~mp6 t2 lor~que le reg~
inst~nt~ne N de~ient ~gal a~ im~ de rAlentl NR enn~t~t et prede~er~l~e
(inter~ection B de~ cour~6 ~ ~ NR)~ .
~5 Selon l'inven~19 lc re8i~e in~un~an~ N e~t filtr~ de ~on a obtenir
~n re8ime filtr~ N' v~riable dont l'evolueion est repre~e~tee ~u~ 1~ courb~
de la fi~ure 2 refere~e N~. 0~ tr~sfor~e encore la valeur ~ ree eP
effec~ua~t la ~cgen~e po~deree qui a ~t~ explieltee pre~edemment de fa~on a
obtenir une valeur de con~igne pour le reg~e du moteur dont l'evoluti~n est
repre~entee par 1~ cvurbe refere~cee Nc C~e~t ~tte v~leur de consigne qul
est ut~ ee co~me entree du ~ster~ ~servl, OAn~ ces cond~tion~ uotion
~ur la vanne de com~nde int~rvient au temp~ tl, r'e~t-a dlre au ~omen~ o`u
l~ecQrt entre 1~ v~leur de con~i~ne ~c et 1~ ur ln~ta~a~ee N ~6t nul, 8U
point A~
~5 ~'lnvention penmee donc d'ant-lciper l~actio~ sur 1N ~om~nde de lavAnne, ~vitant ~insi en cn~ de chute ~apld~ du ~e~lme in~t~nt~e du ~ote~lr
thenmique, que le moteur ne ~'Arrete brut~le~q~t, ``
Dan~ un a~er~i~6ement ~e t~pe cla~æique~ le signal d~e~r~e e~t c~n~-
tlt~ par l'~cart e~tre le r~glme ln tantane ~N ou P~ e~ le re~i~e de ralentl
(NR ou R) t~ndi~ que selon l~lnve~tio~, la valeur de. ~sig~e e~t constltuee :~
pAr la Bortle ~ d~l re~ teur 5, c~st~~-dire la d~ff8renoe en~re le regil~e
de cons~ene Nc ou ~a periode C et le r~gim~ d~ r~lenti (~R ~n
On ~ ùstr~ ~ titre ~exe~ple le~ ~epon~e~ f~eguentlellçs en a~plitud~
et en pha~e ~u re~ul~teur 5 te la fig~re 1. La flgu~ 3 rep~e~ente les varla-
ti~ du mo~ule ou r~pport d'a~pllt~de~ du ~gn~l de ~orti~ au ~ignal d~e~-
: tsee exprlm~a en déclbel~ en fonct~n de 1~ pul&a~i~n e~prlmee e~ He~tz
: ' ~

:a252~
et ~epr~6entee cur une ~ehelle lo~ arl~ que, Sl 1~ on de~lr~ attenuer ln
dlminution de gnin au vol~inage de6 b~se~ fr~quence~, 11 est pD~sible d'a~l~
sur le6 Gar~cteri~t:ique~ de l'a~3ser~ n~ Z9 p~r e~e~ple par u~e aug-
ulentation d~l ~erme Integr~
' 1.~ re 4 r~pr~6,~te led ~ ri~iong de la ~hu6c e:~prlmee e~ degreli; en
fonction de 1~ pu~tlon exprim~e e~ ~er~z ~ur une echelle logarlth~ique~
Canme on peut le Yoir~ le re~ulateur de 1~ inventlon ~ppor~te lme ~vance de
pha6e avec un maxlmu~ qul ~e gltue nnx ~'~eD~ours de 0.7 ~ 0,8 ~, DnnR ce~
canditions, l'a~t~nc~ de phase ~a~i2ale se trcuve a~ Al~ntou~; de 1~
frequenee ~axlmale des oscill~tion~ du ~qoteu~ a sa ~te~e de rlllelltl qui e~t
en general de l'ordre de 0,5 à 1 ~
En def initlve c 1~ ~dJ onct ion du re~;ulateur de 1~ ~ven~ pe nnet d ' ag lr
sur l~a~erv~;6elDent et p~r e~emple d'ouvrir la vanne d~ camm~nde d~adml~ion
d'nir dan~ le moteuI~ the~mlque en r~gi~ tran~itolrey par e:~emple dan~ le ca6
i5 dlune d~celeration à vide avallt que le re~lme du n~oteur the~nique ~ol~ `-
lnferi~ur au re~lme du rAlent~.