SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE REPOSITIONNEMENT DE ROTOR DE MOTEUR THERMIQUE

Abstract

 L'invention se rapporte à un procédé de positionnement en rotation d'un vilebrequin (3) de moteur thermique se trouvant dans une position d'arrêt (θ_A) en une position cible (θ₀), comprenant les étapes suivantes :
- un dispositif de détection de position angulaire du vilebrequin (3) détermine un écart angulaire (Δθ) à la position cible (θ₀),
- une consigne de vitesse (Ω_c(θ)) en fonction de la position angulaire (θ) du vilebrequin (3) est établie à partir de l'écart angulaire (Δθ), avec une pente montante inférieure à une valeur prédéterminée (a) suivie jusqu'à atteindre une valeur de vitesse haute inférieure à une valeur prédéterminée (Ω₀), et une pente descendante inférieure à une valeur prédéterminée (b),
- le vilebrequin (3) est mis en mouvement en suivant la consigne de vitesse (Ω_c(θ)).

Description

[0001] La présente invention concerne un système de repositionnement de rotor de moteur à combustion, par exemple de véhicule automobile ainsi que le procédé associé.

[0002] Afin de réduire la consommation en carburant des véhicules automobiles à moteur thermique, il est connu d'utiliser des systèmes de mise en veille automatique du moteur, systèmes dits "stop and start" (arrêt et redémarrage) qui coupent automatiquement le moteur lors d'un arrêt du véhicule, par exemple à une intersection, un feu de circulation ou dans un embouteillage. Le système de mise en veille relance le moteur lorsque le conducteur relâche une pédale de frein, embraie ou appuie sur une pédale d'accélérateur pour repartir, de sorte que la coupure du moteur se fait de façon transparente pour le conducteur.

[0003] Les véhicules équipés de tels systèmes voient ainsi le nombre de leurs cycles de démarrage augmenter fortement, de sorte que la moindre économie de puissance lors desdits cycles de démarrage se traduit par une économie substantielle en carburant.

[0004] Les moteurs thermiques comportent généralement un vilebrequin formant un rotor, qui est mis en rotation par rapport à une culasse formant un stator.

[0005] Il a été établi que selon la position angulaire relative du vilebrequin et de la culasse lorsque le moteur est à l'arrêt, le redémarrage nécessite plus ou moins d'énergie, avec une différence d'énergie requise pouvant aller jusqu'à environ 30 %.

[0006] Il est connu d'utiliser un moteur électrique, par exemple un démarreur électrique du moteur thermique, pour amener le vilebrequin dans une position proche de la position correspondant à un minimum de puissance requise au démarrage lorsque le moteur est à l'arrêt.

[0007] Dans les dispositifs précédemment mentionnés, le repositionnement du vilebrequin est rapide afin d'atteindre la position cible de redémarrage en un temps court, ce qui engendre des contre-réactions du moteur. En particulier les pistons étant entraînés rapidement compressent l'air dans les cylindres. Cette compression entraîne des oscillations du vilebrequin, en particulier autour de la position cible, ce qui gêne lors du positionnement précis du vilebrequin à la position cible pour le redémarrage du moteur.

[0008] Or il se trouve que la position optimale de redémarrage est une position instable pour la majorité des moteurs. Un écart à cette position optimale peut donc se traduire par un entraînement du vilebrequin vers une position stable, différente de ladite position optimale (généralement la position d'arrêt initialement adoptée).

[0009] En outre, les moteurs électriques des démarreurs n'ont qu'un sens de rotation possible, ce qui signifie que tout dépassement de la position de redémarrage optimale nécessite l'accomplissement d'un tour complet supplémentaire du vilebrequin.

[0010] Il est donc nécessaire de trouver un procédé de repositionnement du vilebrequin qui permette un retour rapide et précis en position optimale de redémarrage de façon répétable.

[0011] Afin de résoudre au moins partiellement le problème précédemment mentionné, l'invention a pour objet un procédé de positionnement en rotation d'un rotor de moteur thermique se trouvant dans une position d'arrêt en une position cible, comprenant les étapes suivantes :

• un dispositif de détection de position angulaire du rotor détermine un écart angulaire à la position cible,
• une consigne de vitesse en fonction de la position angulaire du rotor est établie à partir de l'écart angulaire, avec une pente montante inférieure à une valeur prédéterminée suivie jusqu'à atteindre une valeur de vitesse haute inférieure à une valeur prédéterminée, et une pente descendante inférieure à une valeur prédéterminée,
• le rotor est mis en mouvement en suivant la consigne de vitesse.

[0012] Le procédé ainsi réalisé permet de repositionner rapidement et efficacement le rotor du moteur thermique.

[0013] Ledit procédé peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.

[0014] Les valeurs prédéterminées de vitesse haute, de pente montante, et de pente descendante sont stockées dans une mémoire électronique d'une unité de contrôle.

[0015] Les valeurs prédéterminées de vitesse haute, de pente montante, et de pente descendante sont déterminées en fonction du moment d'inertie du rotor pour limiter le couple exercé sur ledit rotor à des valeurs inférieures à une valeur de couple prédéterminée.

[0016] Le moteur est un moteur de voiture et la valeur de couple prédéterminée est inférieure ou égale à 20 Nm.

[0017] Le moteur est un moteur de poids lourd, ou bien d'engin de chantier ou agricole, et la valeur de couple prédéterminée est inférieure ou égale à 40 Nm.

[0018] Il comporte une étape supplémentaire de freinage par mise en court-circuit du moteur électrique déclenchée à une distance angulaire prédéterminée calculée en fonction du moment inertiel du rotor, de la vitesse de rotation du rotor, des frottements subis par le rotor et de la puissance dissipative du moteur électrique en court-circuit pour permettre un arrêt complet du rotor en une position proche de la position optimale de redémarrage.

[0019] L'invention a aussi pour objet le dispositif associé de positionnement en rotation d'un rotor de moteur thermique se trouvant dans une position d'arrêt en une position cible, comportant :

∘ un dispositif de détection de position angulaire du rotor,

∘ une unité de contrôle,

∘ un moteur électrique piloté par l'unité de contrôle configuré pour entraîner en rotation le rotor,

caractérisé en ce que l'unité de contrôle est configurée pour :

∘ interroger le dispositif de détection de position angulaire du rotor pour déterminer un écart angulaire à la position cible,

∘ établir une consigne de vitesse en fonction de la position angulaire à partir de l'écart angulaire, avec une pente montante inférieure à une valeur prédéterminée suivie jusqu'à atteindre une valeur de vitesse haute inférieure à une valeur prédéterminée, et une pente descendante inférieure à une valeur prédéterminée,

∘ contrôler la mise en mouvement du rotor par le moteur électrique en suivant la consigne de vitesse.

[0020] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :

• la figure 1 montre schématiquement un dispositif de positionnement de rotor de moteur thermique selon l'invention,
• la figure 2 reprend sous forme d'organigramme les étapes du procédé de repositionnement de rotor selon l'invention,
• la figure 3 est un graphe de la consigne en vitesse en fonction de la position angulaire du rotor,
• la figure 4 est un graphe de la vitesse de rotation du rotor au cours du temps pour un rotor mis en rotation en suivant la consigne de la figure 3,
• la figure 5 est un graphe de la position angulaire du rotor au cours du temps pour le rotor de la figure 4,
• la figure 6a est un graphe de la position angulaire du rotor au cours du temps dans le cas d'un mode de réalisation alternatif du procédé de positionnement,
• la figure 6b reprend sous forme d'organigramme les étapes du procédé de repositionnement de rotor associé à la figure 6a.

[0021] Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.

[0022] Les réalisations décrites en faisant référence aux figures sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations.

[0023] En figure 1 est montré de façon schématique un dispositif de positionnement 1 d'un rotor 3 de moteur thermique. Le rotor 3 est mobile en rotation par rapport à un stator 5 du moteur thermique. Le rotor 3 peut notamment être un vilebrequin entraînant un ou plusieurs pistons du moteur thermique. Le stator 5 est alors la culasse dans laquelle ledit vilebrequin est monté.

[0024] Lorsque le moteur est à l'arrêt, le rotor 3 est mis en mouvement par un moteur électrique 7, au moyen d'un dispositif d'entraînement 9. Dans un mode de réalisation particulier, ledit moteur électrique 7 est un démarreur ou alterno-démarreur du moteur thermique, et le dispositif d'entraînement 9 comporte une courroie d'entraînement ou un ensemble de pignons.

[0025] Par alterno-démarreur, on entend ici un moteur électrique qui fonctionne comme un démarreur lorsqu'il est alimenté en courant électrique et comme un alternateur convertissant une part de l'énergie cinétique du rotor 3 en énergie électrique pour recharger une batterie, par exemple la batterie du véhicule lorsqu'il n'est pas alimenté.

[0026] Le moteur électrique 7 est piloté par un courant de consigne i_c que délivre une unité de contrôle 11. Pour pouvoir ajuster la position du rotor 3, l'unité de contrôle 11 est reliée à un capteur de position 13, configuré pour capter la position angulaire θ du rotor 3 par rapport au stator 5. Un tel capteur 13 peut comprendre des moyens de détection électromagnétiques, capacitifs, optiques ou à contacts électriques.

[0027] En particulier, le capteur 13 peut comporter des capteurs analogiques à effet Hall et une cible magnétique, les capteurs à effet Hall étant disposés sur le stator 5 et la cible magnétique sur le rotor 3.

[0028] La figure 2 illustre un exemple de procédé de repositionnement associé au dispositif de repositionnement 1 de rotor 3 de moteur thermique selon l'invention. La figure 2 est un organigramme montrant l'enchaînement des étapes aboutissant au repositionnement du rotor 3 du moteur thermique 1.

[0029] Dans une première étape 101, l'unité de contrôle 11 détermine l'écart angulaire Δθ entre la position cible θ₀ et la position de départ θ_A mesurée par le capteur de position 13. Pour ce faire, l'unité de contrôle 11 interroge le détecteur de position 13 pour obtenir une valeur de la position angulaire θ_A dans laquelle le moteur thermique s'est arrêté.

[0030] L'unité de contrôle 11 est reliée à ou comporte des moyens de calcul configurés pour établir la différence Δθ entre la position de départ mesurée θ_A dans laquelle le rotor 3 de moteur thermique s'est arrêté et la position cible de redémarrage θ₀. Ces moyens de calcul comportent typiquement un processeur et une ou plusieurs unités de mémoire électronique, qui sont soit dédiés, soit intégrés dans un réseau électronique global du véhicule.

[0031] Les étapes 103, 105 et 107 qui suivent sont discutées ici en regard des figures 3, 4 et 5.

[0032] La figure 3 est un graphe représentant la consigne de vitesse de rotation Ω_c(θ) du rotor 3 selon sa position angulaire θ. L'axe des abscisses s'étend d'une position de départ θ_A à une position cible θ₀. La position de départ θ_A correspond à la position dans laquelle le rotor 3 s'est arrêté lors de l'arrêt du moteur thermique, par exemple à une intersection. La position cible θ₀ correspond à la position dans laquelle le redémarrage nécessite le moins d'énergie.

[0033] Le domaine angulaire Δθ entre la position d'arrêt θ_A et la position cible θ₀ est divisé en trois parties correspondant aux trois étapes suivantes 103, 105, 107 du procédé 100.

[0034] Le procédé associé au dispositif 1 tel que précédemment décrit est initié lors de l'arrêt du moteur thermique, par exemple à une intersection pour un moteur équipé d'un système "arrêt-redémarrage."

[0035] La consigne de vitesse Ω_c(θ) de rotation du rotor 3 du moteur thermique est de forme trapézoïdale, avec une pente montante correspondant à la deuxième étape 103, un plateau de vitesse à une valeur haute Ω₀ correspondant à la troisième étape 105, et une pente descendante correspondant à la quatrième étape 107. La valeur haute Ω₀ de vitesse peut notamment être stockée dans une mémoire électronique de l'unité de contrôle 11. En particulier, la mémoire de l'unité de contrôle 11 peut contenir une valeur maximale de vitesse haute Ω₀ à ne pas dépasser, la valeur utilisée dans la consigne Ω_c(θ) étant ajustée en fonction de l'écart angulaire mesuré Δθ et d'un temps cible d'exécution du procédé 100.

[0036] La deuxième étape 103 correspond à une phase d'accélération du rotor 3, selon une pente montante prédéterminée a ici fixe. La pente a montante est limitée en valeur absolue pour éviter d'exercer un couple trop important sur le rotor 3 au moyen du moteur électrique 7. En particulier, la pente a reste suffisamment basse pour que le couple exercé reste en dessous de 20 Nm pour un moteur de taille réduite ou usuelle, typiquement pour une voiture, et en dessous de 30 à 40 Nm pour des moteurs de véhicules de taille plus importante (autobus, camion, engin agricole ou de chantier, bateau).

[0037] La limitation de la pente a permet ainsi au moteur d'évacuer l'air contenu dans les cylindres grâce à l'aspect progressif de l'accélération. La limitation du couple accélérateur exercé qui en découle réduit en outre les bruits et vibrations du moteur et du dispositif 1. En conséquence, le procédé 100 peut alors être exécuté sans que l'utilisateur ne ressente de vibrations ou n'entende de bruit qui seraient alors perçu comme parasite puisque le moteur thermique est éteint.

[0038] Lors de la troisième étape 105, la vitesse est maintenue constante, en particulier inférieure ou égale à une valeur haute Ω₀. La limitation en terme de vitesse maximale à la valeur Ω₀ permet à nouveau au moteur thermique d'évacuer l'air contenu dans les cylindres lors de la remontée des pistons vers leur point mort haut.

[0039] Lors de la quatrième étape 107, le rotor 3 est ralenti, à nouveau de manière progressive, avec une pente descendante inférieure ou égale en valeur absolue à une valeur prédéterminée b. La limitation en valeur absolue de la pente descendante b correspond à une limitation du couple de freinage permettant à nouveau de limiter les bruits et vibrations.

[0040] Le rotor 3 subit lors de ses mouvements des frottements solides, dus à la friction avec le stator 5. Lorsque le moteur électrique 7 est coupé, le rotor 3 continue de tourner du fait de son moment inertiel, mais son mouvement est freiné puis stoppé par lesdits frottements.

[0041] Les valeurs de pente montante a et descendante b sont déterminées pour un moteur thermique donné en tenant compte du moment inertiel du rotor 3 pour limiter le couple à exercer sur ledit rotor 3. Des valeurs maximales de pente a et b peuvent en particulier être stockées dans une mémoire électronique de l'unité de contrôle 11, la valeur utilisée dans le procédé 100 étant ajustée en fonction d'un temps cible d'exécution et l'écart angulaire Δθ mesuré.

[0042] Le rotor 3 est mis en rotation par actionnement du moteur électrique 7. L'unité de contrôle 11 module alors le courant d'alimentation i_c avec une éventuelle rétro-action prenant compte de la mesure de la position θ en temps réel obtenue par le capteur de position 13 du rotor 3.

[0043] Pour un arrêt précis en position optimale de redémarrage θ₀, la consigne de vitesse Ω_c(θ) est établie en prenant en compte le moment inertiel du rotor 3, et la valeur du couple engendré par les frottements solides.

[0044] La figure 4 montre la vitesse au cours du temps qui résulte d'un suivi de la consigne de vitesse Ω_c(θ) de la figure 3.

[0045] La courbe de vitesse en fonction du temps Ω(t) peut être divisée en trois portions qui correspondent aux trois étapes 103, 105, 107 d'accélération, de plateau de vitesse à la valeur Ω₀ et de décélération.

[0046] Lors de l'étape 103 d'accélération, la vitesse Ω(t) augmente selon une parabole montante. Lors de l'étape 105 de plateau de vitesse, la vitesse Ω(t) est constante et vaut Ω₀. Lors de l'étape 107 de décélération, la vitesse Ω(t) diminue selon une parabole descendante.

[0047] Les paraboles montante et descendante des étapes 103, 107 d'accélération et de décélération résultent du changement de variable entre la position angulaire θ et le temps t sur les pentes montante et descendante rectilignes de la figure 3.

[0048] La figure 5 est un graphe de la position angulaire θ en fonction du temps t, illustrant la cinématique du positionnement en position idéale de redémarrage θ₀ du rotor 3.

[0049] L'intervalle temporel représenté en figure 5 peut de nouveau être divisé en trois intervalles correspondant aux étapes 103, 105, 107 précédemment mentionnées.

[0050] Dans le premier intervalle correspondant à l'étape d'accélération 103, la position angulaire θ augmente progressivement, ce qui correspond à l'accélération progressive en début de procédé 100.

[0051] Dans le deuxième intervalle, la position angulaire θ augmente de façon linéaire, avec comme coefficient directeur Ω₀. Cet intervalle correspond à l'étape de vitesse constante 105 à la valeur Ω₀.

[0052] Dans le troisième intervalle correspondant à l'étape de décélération 107, la position angulaire θ augmente de plus en plus lentement et se stabilise à la valeur θ₀ correspondant à la position cible recherchée.

[0053] Un mode de réalisation alternatif de procédé 100 est illustré en figure 6a et 6b. La figure 6a est un graphe de la position angulaire θ du rotor 3 au cours du temps t, dans lequel le domaine temporel représenté est subdivisé en quatre intervalles correspondant à quatre étapes 103 à 109, et dont les trois premières correspondent aux étapes d'accélération 103, de plateau de vitesse 105 et de décélération 107 telles que précédemment décrites. Une cinquième étape 111 à position angulaire θ constante est aussi prévue. La figure 6b reprend sous forme d'organigramme les étapes 101 à 111 associées au graphe de la figure 6a.

[0054] Le mode de réalisation des figures 6a, 6b comporte en outre une étape supplémentaire de freinage 109, au cours de laquelle le moteur électrique 7, qui est dans la majorité des véhicules un moteur synchrone à courant continu prélevé sur la batterie du véhicule, est placé en court circuit.

[0055] Lors de cette étape 109, la mise en court-circuit du moteur électrique 7 engendre un couple de freinage par dissipation de flux magnétique. Le court-circuit est en particulier déclenché lorsque le rotor 3 est à une distance angulaire δθ prédéterminée de la position optimale de redémarrage θ₀.

[0056] La distance angulaire δθ prédéterminée est en particulier calculée en fonction du moment inertiel du rotor 3, de sa vitesse, des frottements subis par celui-ci et de la puissance dissipative du moteur électrique 7 en court-circuit pour permettre un arrêt complet en une position aussi proche que possible de la position optimale de redémarrage θ₀.

[0057] L'étape suivante 111 est une étape de maintien du court-circuit, pendant au moins quelques centièmes à quelques dixièmes de seconde, pendant lesquels l'unité de contrôle 11 vérifie en particulier que la position angulaire θ reste constante. Ce maintien du court-circuit, et donc du freinage en rotation, permet d'assurer qu'aucune réaction, éventuellement retardée, des pistons ou du moteur 1 ne modifie la position finale du rotor 3, proche de la position cible θ₀.

[0058] Une telle réaction retardée peut notamment résulter de l'air s'échappant des cylindres à un débit faible. Le maintien du freinage 111 permet aussi aux forces de frottement statiques, plus élevées que les forces de frottement dynamiques, d'entrer en vigueur.

[0059] Le fait que le moteur électrique 7 soit maintenu en court-circuit permet aussi d'augmenter l'énergie nécessaire au rotor 3 pour parcourir une ouverture angulaire considérée. Le rotor 3 est ainsi moins susceptible de dépasser la position de redémarrage optimale θ₀ et d'adopter ensuite spontanément une position plus stable (point mort haut ou bas des pistons). On évite ainsi un dépassement important de la position cible θ₀ par le rotor 3 (« overshoot » en anglais), ce qui permet d'utiliser des moteurs électriques 7 à sens de rotation unique, comme implémentés dans la plupart des démarreurs et alternodémarreurs.

[0060] La consigne de vitesse Ω_c(θ) peut en particulier être calculée en prenant en outre en compte le rapport de poulie entre le moteur électrique 7 et le moteur thermique et la mise en tension de la courroie ou poulie du dispositif d'entraînement 9.

[0061] Le procédé selon l'invention permet donc de positionner de façon précise et répétable le rotor 3 d'un moteur thermique dans une position θ₀ permettant un redémarrage du moteur thermique à moindre énergie. Le procédé selon l'invention utilise en outre essentiellement des dispositifs déjà présents dans la plupart des véhicules (capteur de position 13 du rotor 3, alternodémarreur comme moteur électrique 7) et peut donc aisément être mis en oeuvre dans la majorité des véhicules.

Revendications

1. Procédé de positionnement en rotation d'un rotor (3) de moteur thermique se trouvant dans une position d'arrêt (θ_A) en une position cible (θ₀), comprenant les étapes suivantes :

- un dispositif de détection de position angulaire du rotor (3) détermine un écart angulaire (Δθ) à la position cible (θ₀),

- une consigne de vitesse (Ω_c(θ)) en fonction de la position angulaire (θ) du rotor (3) est établie à partir de l'écart angulaire (Δθ), avec une pente montante inférieure à une valeur prédéterminée (a) suivie jusqu'à atteindre une valeur de vitesse haute inférieure à une valeur prédéterminée (Ω₀), et une pente descendante inférieure à une valeur prédéterminée (b),

- le rotor (3) est mis en mouvement en suivant la consigne de vitesse (Ω_c(θ)).

2. Procédé de positionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les valeurs prédéterminées de vitesse haute (Ω₀), de pente montante (a), et de pente descendante (b) sont stockées dans une mémoire électronique d'une unité de contrôle (11).

3. Procédé de positionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs prédéterminées de vitesse haute (Ω₀), de pente montante (a), et de pente descendante (b) sont déterminées en fonction du moment d'inertie du rotor (3) pour limiter le couple exercé sur ledit rotor à des valeurs inférieures à une valeur de couple prédéterminée.

4. Procédé de positionnement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur est un moteur de voiture et en ce que la valeur de couple prédéterminée est inférieure ou égale à 20 Nm.

5. Procédé de positionnement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur est un moteur de poids lourd, ou bien d'engin de chantier ou agricole, et en ce que la valeur de couple prédéterminée est inférieure ou égale à 40 Nm.

6. Procédé de positionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de freinage (109) par mise en court-circuit du moteur électrique (7) déclenchée à une distance angulaire (δθ) prédéterminée calculée en fonction du moment inertiel du rotor (3), de la vitesse de rotation du rotor (3), des frottements subis par le rotor (3) et de la puissance dissipative du moteur électrique (7) en court-circuit pour permettre un arrêt complet du rotor (3) en une position proche de la position optimale de redémarrage (θ₀).

7. Dispositif de positionnement en rotation d'un rotor (3) de moteur thermique se trouvant dans une position d'arrêt (θ_A) en une position cible (θ₀), comportant :

∘ un dispositif de détection de position angulaire du rotor (3),

∘ une unité de contrôle (11),

∘ un moteur électrique (3) piloté par l'unité de contrôle (11) configuré pour entraîner en rotation le rotor (3)

caractérisé en ce que l'unité de contrôle (11) est configurée pour :

∘ interroger le dispositif de détection de position angulaire du rotor (3) pour déterminer un écart angulaire (Δθ) à la position cible (θ₀),

∘ établir une consigne de vitesse (Ω_c(θ)) en fonction de la position angulaire (θ) à partir de l'écart angulaire (Δθ), avec une pente montante inférieure à une valeur prédéterminée (a) suivie jusqu'à atteindre une valeur de vitesse haute inférieure à une valeur prédéterminée (Ω₀), et une pente descendante inférieure à une valeur prédéterminée (b),

∘ contrôler la mise en mouvement du rotor (3) par le moteur électrique (3) en suivant la consigne de vitesse (Ω_c(θ)).

Dessins