Contrôle moteur, stratégies

Voici une liste des stratégies les plus courrament utilisées sur les moteurs à allumage commandé:

 


 

La détection de cliquetis

Nécessité d’une détection du cliquetis

Une détection efficace du cliquetis permet, indirectement, de réduire la consommation des moteurs. En effet le rendement d’un moteur dépend directement de son taux de compression, malheureusement un taux de compression élevé favorise aussi l’apparition du cliquetis. Les moteurs récents ont des taux de compression les plus élevés possibles ce qui tend à réduire la marge de sécurité entre l’avance à l’allumage optimale et celle qui provoque l’apparition du cliquetis.

 graphe1antik

Cette marge étant aujourd’hui très faible, il est possible que dans certains cas de fonctionnement, du cliquetis apparaisse (forte chaleur, mauvais carburant…). Si on veut pouvoir travailler au plus proche de cette limite (et donc au meilleur rendement), le système de contrôle moteur doit être capable déceler son apparition et de diminuer l’avance à l’allumage afin d’éviter toute détérioration du moteur.

Caractéristiques du cliquetis

Le phénomène appelé cliquetis est une inflammation en masse du mélange air/carburant en amont du front de flamme. Cette inflammation incontrôlée et violente provoque des ondes de pression destructrices dans la chambre de combustion à une fréquence caractéristique de 5-15kHz. C’est par la mesure de ces vibrations caractéristiques que va s’effectuer sa détection. Pour plus de détails a propos du cliquetis cliquez ici

 

Remarque : C’est généralement à bas régime et toujours à forte charge que le cliquetis apparaît. Diminuer l'avance à l'allumage permet d'éliminer le cliquetis car retarder la combustion permet de diminuer les températures et pressions maximales atteintes pendant la combustion.

 

Le capteur de cliquetis

Le capteur est en fait un accéléromètre qui va mesurer les vibrations du bloc moteur. Les capteurs piézoélectriques sont particulièrement efficaces en ce qui concerne les mesures a haute fréquence. Lorsqu’on applique une contrainte à un élément en quartz des électrons sont chassés de sa structure cristalline, il apparaît donc une tension aux bornes de l’élément. Dans le cas du capteur de cliquetis, un élément en quartz est monté en sandwich entre une pièce solidaire du bloc moteur et une masse sismique. Les vibrations vont donc engendrer des efforts de compression et de traction à l’élément sensible par l’intermédiaire de la masse sismique (voir fig2). Le signal du capteur sera alors l’image des vibrations du bloc moteur, en analysant la fréquence de celui-ci on peut déterminer s’il y a ou non présence de cliquetis.

Remarque : Il existe des stratégies basées sur l'analyse du courant d'éteincelle mais elles sont très peu utilisées et sont difficiles  a mettre en oeuvre.

signalantik

 

capteurantik

 

Implantation
L’endroit d’implantation doit être choisi de manière à permettre la détection du cliquetis sur n’importe lequel des cylindres. Pour les moteurs ayant plus de quatre cylindres il est parfois nécessaire de monter plusieurs capteurs à différents endroits du bloc pour assurer une détection fiable sur chacun des cylindres. Les moteurs en V par exemple sont souvent équipés de deux capteurs de cliquetis (un par rangée de cylindres)
 

Stratégie de détection/correction

Suppression du cliquetis
Lorsque le controle moteur détecte grâce aux vibrations du bloc la présence de cliquetis il va appliquer des retraits d'avances et des enrichissement qui vont dépendre de la fréquence des détections. Les stratégies sont relativement complexes. On va par exemple d'abord faire un retrait d'avance très elevé sur quelques cycles (boucle rapide) puis remettre progressivement de l'avance sur ce cylindre sans pour autant revenir à l'avance intiale (boucle lente) même si le cliquetis ne semble pas réapparaitre. Si un cylindre cliquette fortement on choisira d'appliquer un offset sur tous les cylindres car il est possible que les autres soient sujet à du cliquetis que le capteur serait incapable de détecter (particulièrement à haut régime). En effet a haut régime les vibrations parasites du bloc moteur ont tendance à masquer celles du cliquetis (souvent les bruits de distribution sont problématiques, l'accostage d'une soupape sur son siège peut à certains régimes générer des vibrations semblables au cliquetis). Le fait d'appliquer des retraits d'avance fait augmenter la tempérrature des gaz en fin de détente car on retarde la combustion, lorsque les offsets d'avance sont élevés le calculateur applique aussi des enrichissements dits "thermiques" pour refroidir les gaz à l'aide de la chaleur latente du carburant. 

algorithme anti k 

Fausses détections
Pour éviter les fausses détections on utilise ce qu’on appelle des fenêtres de détection. Le signal de capteur ne sera pris en compte que pendant les phases du cycle ou se déroulent les combustions. Cela évite qu’un choc (soupape qui se ferme, piston qui bascule...) ne soit interprété comme du cliquetis malgré tout il arrive que ces bruit soient phasés avec la combustion ce qui pose des problèmes.
 
Apprentissage adaptatif
Sur les moteurs équipés d'un allumage capable d'appliquer une avance particulière sur chaque cylindre (la plupart aujourd’hui, il faut noter qu'un allumage a bobines jumostatiques n'empèche pas d'appliquer une avance différente à chaque cylindre du moment que le moteur est phasé) le calculateur va déterminer sur quel cylindre apparaît le cliquetis et corriger l’avance uniquement sur celui-ci. Cette méthode permet une optimisation de l’avance sur chacun des cylindres. Leurs températures de fonctionnement, remplissage, richesse… étant légèrement différentes leur avance optimale le sera aussi.

La valeur nominale de l’avance de chacun des cylindres est mémorisée dans le calculateur et évolue avec le vieillissement du moteur au cours du temps en fonction de leur sensibilité au cliquetis.

boucle antik

 

Autre application des accéléromètres

On peut s’étonner de voir sur les moteurs Diesel ces mêmes capteurs. Ils ont en fait un rôle tout à fait différent. Ils permettent de corriger l’évolution dans le temps du délai d’ouverture des injecteurs (usure). Lors d’un « pied levé » le calculateur coupe l’injection et ensuite augmente le temps d’activation des injecteurs jusqu'à mesurer les vibrations dues à une combustion. Il peut ainsi déterminer le délai d’ouverture (en fait ouverture+inflammation) de chaque injecteur (permet aussi de déceler une défaillance d’un injecteur)

 


 

Stratégie de chauffe du catalyseur
Aujourd’hui les cycles d’homologation commencent à comptabiliser les polluants dès que le moteur a démarré or c’est dans cette phase de fonctionnement à froid que sont émis une part importante des polluants du cycle. On comprend donc l’importance d’avoir un catalyseur efficace le plus tôt possible. De plus en plus souvent les véhicules sont équipés d’un second petit catalyseur (à faible inertie thermique) placé très près de la culasse nommé « light off ». On va s’efforcer de réveiller ce catalyseur le plus vite possible en retardant l’avance à l’allumage (diminuer l’avance augmente la température des gaz à l’échappement car la combustion ayant lieu plus tard dans le cycle les gaz subissent une détente beaucoup plus courte, on en extrait moins de travail il reste donc plus de chaleur). Une fois que ce petit catalyseur est suffisamment chaud pour amorcer une catalyse on va lancer une seconde stratégie plus subtile. On va se servir de ce petit catalyseur pour réchauffer le cata principal d’où son nom « light off » pour allumage comme pour les fusées 3…2…1…light off ! Pour que ce petit catalyseur se transforme presque en lance flamme on va lui faire parvenir de l’air et de l’essence en faisant tourner deux cylindres en mélange pauvre et deux autres en mélange riche. Le light off est traversé par de l’air et de l’essence il est donc le siège d’une puissante catalyse exothermique. Les difficultés sont de ne pas lancer la stratégie trop tôt car si le light off n’est pas suffisamment chaud l’essence va le traverser sans réagir, et que s’il fait vraiment froid les cylindres fonctionnant en mélange pauvre risquent d’avoir des ratés.

Remarque : enrichir simplement le mélange sur tous les cylindres n’aurait eu aucun effet car s’il n’y a que de l’essence en excès le catalyseur ne fera absolument rien, il faut de l’air !.

 


 

 

La régulation du régime de ralenti

Le respect des normes, la recherche d'une consommation et d'émissions de bruit minimale impose d'avoir un régime de ralenti le plus faible possible. Or beaucoup de paramètres on un influence sur la charge du moteur lorsque le vehicule est à l'arrêt. L'alternateur, la clim, le froid qui rend l'huile visqueuse, la direction assistée, le master vac, sont autant d'éléments qui font que la charge du moteur au ralenti n'est pas fixe. Il faut donc un système capable de faire varier le débit de mélange air/carburant pour conserver un régime fixe malgré la mise en route de ces consommateurs. Il existe deux système capables de faire varier le débit de mélange air/carburant. Si le moteur est équipé d'un papillon motorisé, c'est celui ci qui va s'occuper de la régulation en s'ouvrant plus ou moins en fonction de la demande de couple. Si la commande d'accélérateur est assurée par un cable c'est un circuit séparé avec une petite électrovanne qui va assurer la régulation.

Bien sur l'information du régime moteur est donnée par le capteur inductif utilisant la cible du volant moteur

 capteur régime

Dans le cas du papillon commandé par cable lorsque le moteur est au ralenti celui ci est complètement fermé et c'est l'electrovanne placée sur le by pass qui régule de débit d'air. Schéma ci dessous:

by pass

 Agir sur le débit de mélange air carburant permet de réguler le couple délivré par le moteur mais l'effet n'est pas immédiat. Lorsqu'un consommateur est mis en route et que la chute de régime est détectée il faut tout de même un certain temps pour ouvrir le papillon ou la vanne en conséquence. De plus l'augmentation de couple n'est pas immédiate il faudra attendre plusieurs cycles avant que le moteur produise plus de couple et que le régime moteur se rétablisse. Il existe un moyen plus rapide pour augmenter le couple moteur en jouant sur l'avance à l'allumage. En effet on peut faire fonctionner le moteur au ralenti avec une avance qui n'est pas l'avance optimale. En faisant cela on se donne une marge de maneuvre sur le couple délivrable. Il suffit, lorsqu'on détecte une chute de régime, d'appliquer l'avance optimale pendant quelque instants le temps que l'ouverture du papillon ou de la vanne prenne effet. C'est ce que l'on appelle une boucle de régulation rapide.

 avance ral


La detection de ratés ou "misfires"

La présence de catalyseurs sur les vehicules essence impose d'avoir une stratégie capable de détecter la présence de ratés de combustion (pb d'allumage par exemple). En effet a chaque fois qu'un raté de combustion a lieu l'essence imbrulée se retrouve à l'echappement et est oxydée dans le catalyseur en libérant beaucoup de chaleur. Si les ratés apparaisent trop souvent le catalyseur va monter en température au point que le pain à l'interieur va fondre et se détruire. Il est possible de protéger celui ci en coupant l'injection sur le cylindre qui sur lequel apparaissent les ratés. Le moteur tournera sur 3 cylindres sans détruire le catalyseur car le cylindre en panne ne fera que pomper de l'air.

Afin de détecter les raté c'est encore une fois le signal du capteur de régime qui est analysé afin de surveiller l'apparition d'acyclismes excessifs, c'est a dire des variation trop grandes de vitesse de rotation au cours d'un tour. Sur un quatre cylindres le volant moteur doit accélérer sous l'effet d'un temps moteur deux fois par tour, si ça n'est pas le cas c'est qu'il y a eu un raté.

 



La détection du phasage moteur sans capteur d'arbre a came



diagramme des remps


diagramme des remps 2
 

 Qu'est ce que la structure couple?

La structre couple (par opposition à la structure débit) est une architecture du contrôle moteur qui permet un contrôle plus précis du couple demandé par le conducteur.
Elle améliore l'agrément de conduite, facilite la régulation de vitesse, est utile pour les boites de vitesses automatiques et l'ESP qui peuvent envoyer des requètes en couple au moteur.
Anciennement pour une position sur la pédale d'accélérateur correspondait une quantité injectée donnée. Le couple réellement produit par le moteur pouvait varier en fonction des accessoires en route (clim, consommateurs électriques, direction assistée, frottements plus elevés à froid etc...). Dans un systeme à structure couple le couple prélevé par  les accessoires est en permanence modelisé et pris en compte dans la quantité à injecter afin de garantir un couple réel identique pour une position pedale donnée.
Ce système oblige donc à calibrer des modèles de couple prélevé par les accessoires (l'alternateur en fonction du courant d'excitation, du compresseur de clim en fonction des T° habitacle et extérieur, des frottements du moteur f(T°huile)) mais aussi de calibrer précisément la conversion débit injecté/couple produit par le moteur sans accessoires (c'est la calibration de base de la structure couple que l'on nomme la FMTC pour "fuel mass to torque conversion"). 

La régulation de richesse et pourquoi la réguler?

Le catalyseur d'un moteur essence est d'une efficacité redoutable pour le traitement des polluants du moment que la richesse à l'echappement est comprise dans une fenêtre très proche de la stoechiométrie. En effet, dans ces conditions le catalyseur est capable de terminer l'oxydation du CO et des HC ou la réduction des NOX de manière très efficace (proche de 100%).



Comme son efficacité chute très vite en dehors de la stoechiométrie, une calibration des quantités injectées en boucle ouverte (sans régulation) ne permettrait pas d'obtenir la précision nécessaire à son bon fonctionnement. On a donc recours à un systeme de régulation en boucle fermée via une sonde de richesse souvent appellée sonde "lambda". Cette sonde n'est pas vraiment capable de donner la valeur de la richesse au contrôle moteur mais se contente de l'informer sur le caractère riche ou pauvre du mélange à l'échappement. Sa tension chute brusquement lorsque le melange passe du coté pauvre.

Tension
1/Richesse

Chaque fois que la sonde relève un basculement du coté riche, le contrôle moteur réduit la quantité injectée. Chaque fois qu'elle bascule coté pauvre, la quantité est augmentée. La richesse oscille ainsi en permanence dans une fenêtre proche de 1. 
Voici comment evolue le temps d'injection en fonction du signal de la sonde:

La régulation est proche d'un systeme PI (pas de terme D).
Le temps d'injection de base est lu dans une cartographie (partie boucle ouverte) et ce temps est corrigé du terme correctif (offset + pente)

 
 



Créer un site
Créer un site