Brevet FR2784944A1 — publié le 20000428

Groupe motopropulseur hybride L'invention concerne un groupe motopropulseur hybride dans lequel la machine électrique est utilisée pour compenser un écart de couple du moteur thermique au cours d'un changement de mode de fonctionnement de ce dernier. L'invention se rapporte plus particulièrement à un groupe motopropulseur pour un véhicule automobile, du type comportant un moteur à combustion interne susceptible d'entraîner au moins une roue motrice du véhicule et une machine électrique 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 le moteur à combustion fonctionne avec un mélange carburé dont le rapport air/carburant est variable. L'invention va plus particulièrement tre décrite dans le cadre d'un groupe motopropulseur hybride particulier. Ce groupe motopropulseur est constitué d'un moteur à combustion interne muni d'une machine électrique intégrée au volant d'inertie. Dans un tel groupe, la machine électrique ne peut 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 I'arbre moteur du moteur thermique, et il est généralement interposé entre le moteur thermique et un organe de transmission tel qu'une boîte 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 I'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. Toutefois, Invention n'est en aucun cas limitée à un tel groupe motopropulseur, et pourra donc tre appliquée dans tous les cas de motorisation hybride dans lesquels le moteur thermique est susceptible d'entraîner à lui seul le véhicule. L'invention est destinée à s'appliquer notamment aux groupes motopropulseurs dans lesquels le 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. Toutefois, dans certaines conditions, notamment lorsque la demande de couple est trop importante, on ne peut plus alimenter le moteur avec un mélange pauvre car il ne pourrait par exemple pas fournir un couple suffisant. Dans ce cas, il est nécessaire de basculer le fonctionnement du moteur vers un mode dans lequel il est alimenté avec un mélange carburé présentant le rapport stoechiométrique d'air et de carburant, voire mme présentant un excès de carburant. Or, comme on le verra dans la description, ce basculement de mode de fonctionnement s'accompagne d'un mode transitoire au cours duquel le rendement du moteur à combustion est sensiblement détérioré. Dans un moteur à allumage commandé, cette détérioration provient notamment du fait que l'on est oblige de faire varier t'avance à I'allumage pour que le basculement ne mode de fonctionnement ne soit pas accompagné d'une brutale variation du couple fourni par le moteur. Ainsi, chaque basculement de mode de fonctionnement est à l'origine d'une surconsommation de carburant qui n'est pas justifiée par une modification de la prestation apportée au conducteur. Aussi, pour apporter une solution à ce problème, t'invention propose un groupe motopropulseur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que lorsque le rapport air/carburant du mélange varie de manière discontinue d'une première valeur à une seconde valeur, la machine électrique est commandée pour compenser les variations du couple fourni par le moteur à combustion de manière que le couple fourni par le groupe motopropulseur varie de manière continue pour correspondre à une demande de couple du conducteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : -lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue, le moteur à combustion est alimenté, pendant une phase transitoire, avec un mélange carburé tel qu'il est susceptible de fournir un couple supérieur au couple demandé par le conducteur, et la machine électrique est commandée de manière à absorber le surcroît de couple et à produire un courant électrique stocke dans une batterie d'accumulateurs ; -lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue dans le sens d'une augmentation, la phase transitoire pendant laquelle la machine électrique est commandée pour absorber un surcroît de couple intervient après la variation discontinue du rapport air/carburant ; et -lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue dans le sens d'une diminution, la phase transitoire pendant laquelle la machine électrique est commandée pour absorber un surcroît de couple intervient après la variation discontinue du rapport air/carburant. 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 t'invention ; -les figures 2A à 2E sont des graphes illustrant le fonctionnement d'un moteur selon l'état de la technique ; et -les figures 3A à 3E sont des graphes illustrant, dans les mmes conditions, le fonctionnement d'un groupe motopropulseur selon l'invention. On a représenté sur la figure 1 de manière schématique un groupe motopropulseur 10 de type hybride, plus particulièrement 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 I'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 agissant sur un organe d'interface tel qu'une pédale d'accélérateur. 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 algébrique des couples 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 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 l'invention, le moteur thermique 12 est un moteur susceptible de fonctionner avec un mélange pauvre, c'est-à-dire un mélange carburé dans lequel I'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 égales 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 réalisation 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 carbures 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 regroupe 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'à l'instant t4, la demande de couple Cd émanant du conducteur augmente pour atteindre un couple maximal C2. Entre les instants t1 et t4, 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. On va se placer dans t'hypothèse dans laquelle le moteur thermique est susceptible de délivrer le couple C1 en étant alimenté avec un mélange pauvre stratifié et que, audelà 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. 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 I'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 délivré l'instant précédent. Bien entendu, de l'instant t2 à l'instant t3, au fur et à mesure que le fonctionnement du moteur se stabilise, et notamment au fur et à mesure que l'effet de la fermeture du papillon devient réellement effective, on est amené à réduire le retrait d'avance ainsi que le temps d'injection. Dans l'exemple illustré, on considère qu'à partir de l'instant t3, le moteur a atteint son rendement optimal en mode stoechiométrique. Aussi, à partir de cet instant, I'angle d'ouverture du papillon et le temps d'injection augmentent proportionnellement à la demande de couple Cd. On a illustré sur les figures 3A à 3E le fonctionnement d'un groupe motopropulseur conforme aux enseignements de l'invention, dans les mmes conditions d'utilisation que ce qui vient d'tre vu en rapport aux figures 2A à 2E. Ainsi, les figures 3A à 3D qui illustrent respectivement le couple demandé par le conducteur Cd, le mode de fonctionnement du moteur, le temps d'injection et l'angle d'ouverture apap du papillon d'admission des gaz en fonction du temps, reprennent sans modification les courbes 2A à 2D correspondantes. Cela signifie que, pour une mme demande de couple du conducteur Cd, le groupe motopropulseur selon l'invention va tre commandé de manière identique en ce qui concerne le temps d'injection et t'ouverture du papillon d'admission des gaz, ce dont il va résulter bien entendu le mme basculement à l'instant t2 d'un mode de fonctionnement avec un mélange pauvre stratifié vers un mode de fonctionnement avec un mélange stoechiométrique. Cependant, à la différence de t'état de la technique, le groupe motopropulseur selon l'invention va permettre d'utiliser de manière rationnelle le surcroît de couple susceptible d'tre produit entre les instants t2 et t3 du fait du basculement de mode de fonctionnement. Ainsi, au lieu de compenser le risque de surcoupe par un retrait d'avance, nuisible au rendement du moteur, on voit à la figure 3E que l'unité de gestion 22 du groupe motopropulseur va commander, à partir de l'instant t2, la machine électrique 14 de telle sorte que celle-ci absorbe un couple Cme correspondant au surcroît de couple fourni à ce moment-là par le moteur à combustion interne 12. Sur la figure 3E, on a donc considéré que la machine électrique 14 était commandée pour"fournir"un couple négatif. Bien entendu, la machine électrique 14 convertit le couple ainsi prélevé sur I'arbre moteur 18 en un courant électrique qui est stocké dans la batterie d'accumulateurs. De cette manière, le surcroît de carburant qui est injecté dans le moteur au moment du basculement du mode de fonctionnement n'est pas brute en pure perte mais, au contraire, transformé par la machine électrique en de l'énergie électrique qui est stockée et qui est susceptible d'tre restituée à d'autres moments de fonctionnement du véhicule. Sur la figure 3E 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. Dans un tel cas, t'unité de gestion serait donc amenée, au moment d'un basculement de mode de fonctionnement du moteur, à modifier la commande de la machine électrique 14. Dans l'exemple ci-dessus, on vient de décrire le cas où, suite à un basculement de fonctionnement du moteur, le moteur est alimenté avec un mélange carburé présentant un premier rapport air/carburant, puis avec un second rapport air/carburant, plus faible. En termes de richesse du mélange carburé, ce basculement correspond donc à une augmentation soudaine de la richesse à l'instant t2. Dans ce cas, le basculement de mode de fonctionnement rendait nécessaire l'absorption d'un couple excédentaire après l'instant de basculement. Au contraire, lorsque l'on bascule le mode de fonctionnement dans le sens d'une augmentation soudaine du rapport air/carburant, ou encore d'une diminution soudaine de la richesse du mélange carburé, on est amené au contraire à absorber un surcroît de couple avant le basculement réel, ce dernier devant bien entendu tre anticipé par l'unité centrale de gestion 22. REVENDICATIONS 1. Groupe motopropulseur pour un véhicule automobile, du type comportant un moteur à combustion interne (12) susceptible d'entraîner au moins une roue motrice du véhicule et une machine électrique (14) 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 le moteur à combustion (12) peut fonctionner avec un mélange carburé dont le rapport air/carburant est variable, caractérisé en ce que, lorsque le rapport air/carburant du mélange varie de manière discontinue d'une première valeur à une seconde valeur, la machine électrique (14) est commandée pour compenser les variations du couple fourni par le moteur à combustion de manière que le couple fourni par le groupe motopropulseur varie de manière continue pour correspondre à une demande de couple (Cd) du conducteur. 2. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue, le moteur à combustion (12) est alimenté, pendant une phase transitoire, avec un mélange carburé tel qu'il est susceptible de fournir un couple supérieur au couple demandé (Cd) par le conducteur, et en ce que la machine électrique est commandée de manière à absorber le surcroît de couple et à produire un courant électrique stocké dans une batterie d'accumulateurs. 3. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue dans le sens d'une augmentation, la phase transitoire pendant laquelle la machine électrique (14) est commandée pour absorber un surcroît de couple intervient après la variation discontinue du rapport air/carburant. 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque le rapport air/carburant varie de manière discontinue dans le sens d'une diminution, la phase transitoire pendant laquelle la machine électrique (14) est commandée pour absorber un surcroît de couple intervient après la variation discontinue du rapport air/carburant.