Brevet FR2784714A1 — publié le 20000421

L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant une machine électrique intégrée au volant d'inertie. L'invention se rapporte plus particulièrement à un moteur à combustion interne pour un véhicule automobile, du type comportant une machine électrique qui est intégrée à un volant d'inertie et qui est susceptible d'tre utilisée selon un mode génératrice ou selon un mode moteur dans lequel elle participe à l'entraînement du véhicule, et du type dans lequel, pour certains états de fonctionnement du moteur, celui-ci est alimenté avec un mélange air/carburant dit pauvre dans lequel t'air est en excès par rapport au carburant. Dans un tel moteur, la machine électrique ne peut généralement délivrer qu'une part très faible de la puissance maximale du moteur thermique qui reste donc la source principale de puissance motrice du véhicule. La machine est liée au volant d'inertie du moteur thermique, c'est-à-dire que le volant d'inertie est en réalité constitué pour l'essentiel par le rotor de la machine électrique. Ce dernier est donc fié directement à l'arbre moteur du moteur thermique, et il est généralement interposé entre le moteur thermique et un organe de transmission tel qu'une botte de vitesses. Dans ce cadre, la machine électrique est généralement une machine qui peut tre utilisée soit en mode moteur, soit en mode génératrice. En mode génératrice, la machine électrique remplace alors I'alternateur pour fournir un courant électrique destiné à tre utilisé dans le circuit électrique du véhicule ou à tre stocké dans une batterie d'accumulateurs. Au contraire, en mode moteur, la machine électrique est alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie d'accumulateurs et elle fournit un couple moteur sur l'arbre moteur, ce couple moteur s'ajoutant donc à celui du moteur thermique pour tre transmis aux roues motrices du véhicule. Jusqu'à présent, il est connu d'utiliser la machine électrique en mode moteur pour démarrer le moteur thermique, pour réduire les cyclismes du moteur thermique lorsque celuici fonctionne au régime ralenti, ou pour fournir, pendant une brève période de temps, un complément de couple permettant par exemple de faciliter un démarrage en côte ou de faciliter un dépassement. L'invention est plus particulièrement destinée à s'appliquer aux groupes motopropulseurs dans lesquels le moteur à combustion interne est susceptible de fonctionner en mélange pauvre. Le fonctionnement en mélange pauvre du moteur permet, lorsque la demande de couple du conducteur n'est pas trop importante, de limiter la consommation de carburant Bien entendu, le moteur thermique ne peut pas délivrer son couple maximum lorsqu'il est alimenté en mélange pauvre. Pour délivrer son couple maximum, le moteur doit tre alimenté avec un mélange présentant au moins le rapport stoechiométrique, voire avec un mélange présentant un excès de carburant par rapport à l'air. Le moteur thermique ne peut donc fonctionner en mélange pauvre que si le couple demandé par le conducteur est inférieur à un couple de seuil au-delå duquel on est obligé de basculer I'alimentation du moteur vers un mé ! ange carburé au moins stoechiométrique. II est par ailleurs connu d'utiliser des à combustion interne pourvus d'un dispositif d'injection du carburant directement dans le cylindre. Ces moteurs, dits à injection directe, permettent d'optimiser encore la consommation en carburant du moteur du fait qu'ils peuvent fonctionner avec des mélanges particulièrement pauvres. En effet, t'injection directe de carburant permet de réaliser, à l'intérieur du cylindre, des charges stratifiées dans lesquelles la répartition du carburant dans le cylindre n'est pas homogène. Au contraire, dans le cas d'une charge stratifiée, on cherche à obtenir une concentration de carburant la plus élevée possible au voisinage du point d'allumage de la combustion, c'est-à-dire au voisinage de la bougie lorsqu'on se situe dans le cadre d'un moteur à combustion interne à allumage commandé. Dans ce cas, juste avant le début de la combustion, le mélange carburé qui se situe dans les parties du cylindre les plus éloignees de la bougie d'allumage est particulièrement pauvre en carburant. Toutefois, ta encore, le couple susceptible d'tre délivré par le moteur, lorsqu'il est alimenté en mélange pauvre avec une charge stratifiée, ne peut excéder une seconde valeur de seuil, généralement inférieure au couple de seuil défini plus haut. Ainsi donc, le moteur à combustion interne peut tre utilisé suivant au moins un mode en mélange pauvre dans lequel son rendement énergétique est particulièrement favorable, et dans lequel il ne peut délivrer sa pleine puissance. Aussi, lorsque le moteur est dans un mode de fonctionnement en mélange pauvre et lorsque le conducteur demande que celui-ci fournisse un couple important, il est nécessaire de faire basculer le mode de fonctionnement du moteur. Ainsi, si le moteur fonctionnait précédemment en mode pauvre homogène, il peut tre obligé de passer en mode stoechiométrique, ou s'il fonctionnait précédemment en mode pauvre stratifié, il peut tre nécessaire de le faire basculer en mode pauvre homogène ou en mode stoechiométrique. Dans tous les cas, cette condition suppose donc de passer d'un premier mode vers un second mode dans lequel le rendement énergétique du moteur est moins bon, et ce phénomène est de plus aggravé par le fait que le passage d'un mode à I'autre nécessite une phase transitoire au cours de laquelle le rendement du moteur est particulièrement dégradé. Ainsi, mme pour une demande de couple supplémentaire de très courte durée, le fonctionnement du moteur peut se trouver perturbé pendant une durée non négligeable au cours de laquelle son rendement n'est pas optimum. L'invention a donc pour objet une nouvelle conception d'un moteur à combustion interne qui permette de limiter les transitions de modes de fonctionnement de celui-ci. Dans ce but, t'invention propose un moteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que, pour certains états de fonctionnement du moteur, lorsqu'une demande de couple devient supérieure au couple maximum susceptible d'etre fourni par le moteur à combustion lorsqu'il est alimenté avec un mélange pauvre, une unité de gestion du moteur commande la machine électrique dans son mode moteur pour fournir un couple moteur de manière à repondre à la demande de couple tout en alimentant le moteur à combustion avec un mélange pauvre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : -le moteur est pourvu d'un système d'injection directe du carburant dans le cylindre grâce auquel, pour certains états de fonctionnement du moteur, celui-ci est alimenté avec un mélange air/carburant stratifié dans lequel la répartition du carburant dans le cylindre n'est pas homogène, et, pour certains états de fonctionnement du moteur, lorsqu'une demande de couple devient supérieure au couple maximum susceptible d'tre fourni par le moteur à combustion lorsqu'il est alimente avec un mélange stratifié, I'unite de gestion du moteur commande la machine électrique dans son mode moteur pour fournir un couple moteur de manière à répondre à la demande de couple tout en alimentant le moteur à combustion avec un mélange stratifié ; et -le moteur à combustion interne est à allumage commandé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : -la figure 1 est une vue schématique illustrant un groupe motopropulseur selon l'invention ; -les figures 2A à 2E sont des graphes illustrant le fonctionnement d'un moteur selon Ftât de la technique ; -les figures 3A à 3D sont des graphes illustrant, dans les mmes conditions, le fonctionnement d'un groupe motopropulseur selon l'invention, optimisé pour limiter la consommation de carburant. On a représenté sur la figure 1 de manière schématique un groupe motopropulseur 10 constitué d'un moteur thermique 12, par exemple un moteur à combustion interne à pistons alternés, qui est muni d'une machine électrique 14 intégrée à son volant d'inertie. Le rotor 16 de la machine électrique 14 est donc solidaire en rotation de l'arbre moteur 18 du moteur thermique 12 de sorte que la machine électrique 14 se trouve interposée entre le moteur thermique 12 et un organe de transmission 20 qui peut par exemple tre une boîte de vitesses munie d'un embrayage. Une unité centrale de gestion 22 commande le fonctionnement du moteur thermique 12 et de la machine électrique 14 en fonction de divers paramètres et notamment en fonction d'un couple Cd demandé par le conducteur. Le conducteur du véhicule manifeste sa demande de couple en appuyant sur un organe d'interface tel qu'une pédale d'accétérateur. Le moteur thermique 12 fournit un couple moteur Cmot tandis que la machine électrique 14 impose à l'arbre moteur Cme qui est positif lorsque la machine électrique est utilisée en tant que moteur et qui est négatif lorsque la machine électrique est utilisée en tant que génératrice. Ainsi, le groupe motopropulseur 10 fournit au dispositif de transmission un couple Cgmp qui est égale à la somme des couple Cmot et Cme. Lorsqu'elle est utilisée en tant que génératrice, la machine électrique 14, dont le rotor 16 est alors entraîné en rotation soit par I'arbre moteur 18, soit par la transmission 20, produit alors du courant qui est susceptible d'tre utilisé par un circuit électrique du véhicule ou d'tre stocké dans une batterie d'accumulateurs. Conformément aux enseignements de 1'invention, le moteur thermique 12 est un moteur susceptible de fonctionner avec un mélange pauvre, c'est-à-dire un mélange carburé dans lequel t'air se trouve en excès par rapport à la quantité de carburant. Bien entendu, le moteur n'est utilisé en mélange pauvre que pour des charges relativement faibles, c'est-à-dire des demandes de couple relativement faibles du conducteur, la puissance maximale du moteur ne pouvant tre obtenue qu'avec des richesses supérieures ou égaies à la richesse unitaire, c'est-à-dire lorsque le mélange carburé présente un excès de carburant par rapport à l'équilibre stoechiométrique de la réaction de combustion. Dans le mode de réahsation préféré de l'invention, le moteur à combustion interne 12 est un moteur à allumage commandé et à injection directe de carburant. L'injection directe de carburant permet d'utiliser des mélanges carburés particulièrement pauvres, I'inflammation du mélange étant favorisée par le fait que l'injection directe permet d'alimenter le moteur avec une charge pauvre stratifiée, c'est-à-dire une charge dans laquelle le carburant qui est injecté dans le cylindre n'est pas réparti de manière homogène dans celui-ci au moment de I'allumage, le carburant étant alors regroupé le plus possible au voisinage de la bougie d'allumage, de manière à présenter une concentration locale suffisante pour l'initiation de la combustion. Par rapport à un mélange pauvre homogène, un mélange pauvre stratifié peut donc permettre un fonctionnement correct du moteur avec encore moins de carburant, ceci au bénéfice de la consommation du groupe motopropulseur. On a représenté sur les figures 2A à 2E une série de graphes qui illustrent le fonctionnement d'un moteur à combustion interne commandé de manière classique lorsque le conducteur sollicite de celui-ci un couple relativement important, dépassant tout au moins le couple de seuil Cs correspondant au couple maximum susceptible d'tre fourni par le moteur thermique 12 lorsqu'il est alimenté avec un mélange pauvre. On se placera par exemple dans la situation illustrée à la figure 2A. Sur ce graphe, on peut voir que le conducteur sollicite du moteur un couple constant C1 jusqu'à l'instant t1. Ensuite, de l'instant t1 jusqu'a l'instant t3, la demande de couple Cd émanant du conducteur augmente pour atteindre un couple maximal C2. Entre les instants t1 et t3, à l'instant t2, le couple Cd demandé par le conducteur atteint donc le couple de seuil Cs, puis passe au-dessus de celui-ci. Au contraire, à partir de l'instant t3 jusqu'à l'instant t5, la demande de couple Cd du conducteur baisse de nouveau pour atteindre une nouvelle valeur de couple constante C3, ce dernier étant inférieur au couple de seuil Cs, mais par exemple supérieur au couple C1. De la sorte, entre les instants t3 et t5, la demande de couple Cd du conducteur atteint la valeur Cs à l'instant t4 et devient inférieure à cette valeur de seuil. On va se placer dans l'hypothèse dans laquelle le moteur thermique est susceptible de délivrer les couples C1 et C3 en étant alimenté avec un mélange pauvre stratifié et que, au-delà du couple Cs, on bascule directement d'un mode de fonctionnement en mélange pauvre stratifié vers un mode de fonctionnement en mélange stoechiométrique. De la sorte, comme on I'a illustré à la figure 2B, dans le cadre d'un moteur classique, on voit que, à partir de l'instant t2, lorsque la demande de couple Cd devient supérieure au couple de seuil Cs, il est nécessaire de faire basculer le mode de fonctionnement du moteur d'un mode pauvre stratifié vers un mode stoechiométrique, ceci jusqu'à t'instant t4 où l'on peut de nouveau passer en mode de fonctionnement en mélange pauvre stratifié. Or, on a illustré sur les figures 2C, 2D et 2E différents paramètres de fonctionnement du moteur qu'il est nécessaire de modifier pour permettre un tel basculement du fonctionnement du moteur. On a illustré sur la figure 2C le temps d'injection At, c'est-à-dire la durée d'ouverture de l'injecteur, qui commande bien entendu la quantité de carburant introduite dans le cylindre. Tant que l'on est en mode de fonctionnement en mélange pauvre stratifié, on voit que la durée d'injection At est proportionnelle à la demande de couple, ceci jusqu'à une durée d'injection Ats correspondant au couple de seuil Cs. La figure 2D illustre I'angle d'ouverture apap du papillon d'admission des gaz du moteur thermique 12. Jusqu'à l'instant t2, le papillon est grand ouvert de manière à laisser entrer dans le cylindre un maximum d'air à chaque cycle. A partir de l'instant t2, pour passer en mode stoechiométrique, on commence donc à fermer le papillon d'admission des gaz pour limiter l'air admis, mais cette fermeture, partielle, n'a pas un effet immédiat du fait de la colonne d'air qui est présente entre le papillon d'admission et le cylindre proprement dit. De la sorte, comme on peut le voir à la figure 2C, il est nécessaire, à l'instant t2, d'augmenter soudainement de manière très importante la quantité de carburant injectée dans le cylindre, ceci afin de respecter les proportions de la stoechiométrie de la réaction. Toutefois, alimenté avec un tel mélange carburé, le moteur thermique serait amené à délivrer un couple particulièrement important, de sorte que cela se traduirait par un à-coup qui serait ressenti par le conducteur. Aussi, pour éviter cette sensation d'à-coup, on modifie à l'instant t2, au moment du basculement en mode stoechiométrique, la valeur de t'avance à I'allumage, c'est-à-dire que l'on décale l'instant auquel est produite l'étincelle au niveau de la bougie par rapport au mouvement du piston dans le cylindre. Plus particulièrement, on effectue un retrait d'avance à I'allumage, en retardant ce dernier, de manière à diminuer le rendement énergétique du moteur de telle sorte que, bien qu'il soit alimenté avec une charge au potentiel énergétique particulièrement important, le couple effectivement délivré par la combustion de cette charge dans le cylindre ne soit pas trop différent du couple délivre l'instant précédent. Bien entendu, entre les instants t2 et t3, il s'établit un équilibre au cours duquel on peut réduire la durée d'injection At, c'est-à-dire la quantité de carburant injecté, du fait que faction de la fermeture du papillon d'admission devient effective. Simultanément, on peut bien entendu diminuer le retrait d'avance, c'est-à-dire augmenter de nouveau t'avance à I'allumage. On arrive ainsi à l'instant t3, à un point de fonctionnement correspondant par exemple à un régime stabilisé, instant auquel le couple délivré par le moteur est alors égal au couple C2 maximal demandé par le conducteur. Or, à partir de cet instant-là, le couple Cd demandé par le conducteur commence à diminuer puis, à t'instant t4, le couple Cd franchit de nouveau, cette fois dans le sens d'une diminution, le niveau du couple de seuil pour lequel le moteur peut de nouveau tre alimenté en mode stratifié. Aussi, à l'instant t4, le nouveau basculement de mode de fonctionnement du moteur nécessite, de la mme manière, d'intervenir sur la durée d'injection At, sur l'ouverture apap du papillon d'admission et sur le retrait d'avance, ce dernier paramètre étant de nouveau augmenté. Comme on le voit donc, chaque transition de mode s'accompagne d'un retrait d'avance qui a pour effet de diminuer, pendant une phase de transition, le rendement du moteur thermique. On va maintenant décrire, en fonction des figures à 3D, le fonctionnement d'un moteur conforme aux enseignements de l'invention. Comme on peut le voir à la figure 3A, on se place dans les mmes conditions de demande de couple du conducteur. Toutefois, grâce à l'invention, on peut voir à la figure 3B que le moteur va tre commandé de sorte à fournir l'intégralité du couple demandé par le conducteur, à chaque instant, sans toutefois qu'il soit nécessaire qu'il quitte son mode de fonctionnement en mélange pauvre stratifié. En effet, on voit à la figure 3C que jusqu'à l'instant t2, on adapte le fonctionnement du moteur à la demande de couple en augmentant la durée d'injection de carburant At de manière que le couple fourni par le moteur corresponde à la demande du conducteur. Au contraire, à partir de l'instant t2, on voit que l'on ne dépasse pas la durée d'injection Ats correspondant à la quantité maximale de carburant susceptible d'tre injectée dans le cylindre lorsque le moteur fonctionne avec un mélange pauvre stratifié. A partir de cet instant, comme on peut le voir sur la figure 3D, la machine électrique 14 qui équipe le moteur 12 est alors commandée de manière à fournir la différence entre le couple fourni par le moteur thermique, qui est alors plafonné à son niveau de seuil Cs, et le couple Cd demandé par le conducteur qui lui est supérieur. Bien entendu, tout au long de cette phase, la machine électrique 14 puise son énergie dans le courant stocké dans la batterie d'accumulateurs. Aussi, une telle phase ne sera possible que si t'état de charge de la batterie le permet. De mme, la machine électrique 14 ne peut fournir qu'un certain couple, pendant une certaine durée. Si la demande de couple Cd est trop importante, en valeur ou en durée, il faudra donc maigre tout procéder à un basculement de mode de fonctionnement du moteur à combustion 12. Au contraire, dès que la demande de couple Cd du conducteur redescend, à l'instant t4, en dessous du niveau de seuil Cs, la machine électrique 14 est de nouveau mise au repos puisque le moteur thermique 12 est alors susceptible de fournir, à lui seul, la quantité de couple demandé par le conducteur. Au-delà de l'instant t4, la demande de couple diminuant pour atteindre le couple constant C3, la durée d'injection At de carburant dans le moteur thermique est régulée de manière décroissante, puis de manière constante pour que le couple moteur fourni par le moteur thermique 12 soit égal au couple demandé Cd. Sur la figure 3D on a illustré un état de fonctionnement du moteur 10 dans lequel, en dehors de la période d'accélération, la machine électrique 14 est au repos. Cependant, pour d'autres états de fonctionnement du moteur, la machine électrique 14 pourrait tre utilisée en tant que génératrice, par exemple pour recharger la batterie d'accumulateurs, ou encore tre utilisée en tant que moteur, en fonction d'autres paramètres de fonctionnement du véhicule. L'invention réside dans le fait que l'unité de gestion 22 commande la machine électrique 14 dans le but d'éviter un basculement dans le mode de fonctionnement du moteur, sous réserve bien entendu qu'un tel basculement soit évitable en fonction d'autres paramètres. Dans l'exemple de réalisation de l'invention qui vient d'tre décrit, on a illustré plus particulièrement le cas où l'utilisation de la machine électrique 14 en mode moteur permettait d'éviter la transition d'un mode de fonctionnement du moteur thermique 12 en mélange pauvre stratifié vers un mode de fonctionnement en mélange riche. Toutefois, la mme stratégie d'utilisation de la machine électrique en mode moteur pourra tre utilisée pour éviter une transition d'un mode de fonctionnement en mélange pauvre homogène vers un mélange stoechiométrique, ou en évitant une transition d'un mode de fonctionnement en mélange pauvre stratifié vers un mélange pauvre homogène. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne pour un véhicule automobile, du type comportant une machine électrique (14) qui est intégrée à un volant d'inertie et qui est susceptible d'tre utilisée selon un mode génératrice ou selon un mode moteur dans lequel elle participe à l'entraînement du véhicule, et du type dans lequel, pour certains états de fonctionnement du moteur (12), celui-ci est alimenté avec un mélange air/carburant dit pauvre dans lequel I'air est en excès par rapport au carburant, caractérisé en ce que, pour certains états de fonctionnement du moteur, lorsqu'une demande de couple (Cd) devient supérieure au couple maximum (Cs) susceptible d'tre fourni par le moteur à combustion (12) lorsqu'il est alimenté avec un mélange pauvre, une unité de gestion (22) du moteur commande la machine électrique dans son mode moteur pour fournir un couple moteur de manière à répondre à la demande de couple tout en alimentant le moteur à combustion (12) avec un mélange pauvre. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur (12) est pourvu d'un système d'injection directe du carburant dans le cylindre grâce auquel, pour certains états de fonctionnement du moteur, celui-ci est alimenté avec un méiange air/carburant stratifié dans lequel la répartition du carburant dans le cylindre n'est pas homogène, et en ce que, pour certains états de fonctionnement du moteur, lorsque une demande de couple (Cd) devient supérieure au couple maximum susceptible d'tre fourni par le moteur à combustion (12) lorsqu'il est alimenté avec un mélange stratifié, l'unité de gestion (22) du moteur commande la machine électrique (14) dans son mode moteur pour fournir un couple moteur de manière à répondre à la demande de couple tout en alimentant le moteur à combustion (12) avec un mélange stratifié. 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (12) est à allumage commandé.