Brevet FR2806757A1 — publié le 20010928

L'invention concerne un procédé et un dispositif de positionnement des organes mobiles d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt du moteur facilitant le démarrage. Les moteurs thermiques à combustion interne comportent au moins un piston mobile de manière alternative dans un cylindre et généralement plusieurs pistons montés mobiles chacun dans un cylindre, le piston ou cha- cun des pistons étant relié à un vilebrequin par une bielle entraînant le vile- brequin en rotation autour d'un axe. On a constaté, qu'après un arrêt d'un moteur thermique, la puissance nécessaire au redémarrage du moteur est essentiellement variable entre une puissance minimale de démarrage et une puissance maximale qui est d'environ 30 % supérieure à la puissance minimale. Bien entendu, afin d'op- timiser le fonctionnement des moteurs au démarrage et à solliciter le moins possible le démarreur et la batterie alimentant le démarreur, il serait souhai- table de régler les conditions de fonctionnement du moteur, de manière à pouvoir le démarrer dans tous les cas à une puissance voisine de la puis- sance minimale. L'inventeur de la présente demande de brevet a pu constater que la puissance de démarrage dépendait en particulier de la position des organes mobiles du moteur à l'arrêt avant le démarrage et tout particulièrement de la position angulaire du vilebrequin. Jusqu'ici, ce fait n'a jamais conduit à la conception d'un procédé per- mettant de faciliter le démarrage d'un moteur thermique. L'invention est donc relative à un procédé de positionnement des or- ganes mobiles d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt du moteur facilitant le démarrage, le moteur comportant au moins un piston mobile de manière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin par une bielle entraînant le vilebrequin en rotation autour d'un axe, caractérisé par le fait qu'on règle la position angulaire du vilebrequin autour de son axe de rota- tien, pour le placer dans une position angulaire prédéterminée, à l'aide d'une machine tournante électrique reliée en rotation au vilebrequin. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, deux modes de réalisation du procédé de positionnement suivant l'invention facilitant le dé- marrage d'un moteur thermique. La figure 1 est une vue schématique montrant les organes mobiles piston, bielle et vilebrequin d'un moteur thermique et des positions angulai- res d'arrêt du vilebrequin. La figure 2 est une vue en perspective montrant un dispositif permet- tant de mettre en ceuvre le procédé de l'invention. La figure 3 est un logigramme relatif à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation. La figure 4 est une représentation fonctionnelle de moyens pour la mise en ceuvre du procédé suivant l'invention et suivant un second mode de réalisation. Sur la figure 1 on a représenté de manière schématique un piston 1 d'un moteur à combustion interne qui se déplace, pendant le fonctionnement du moteur, dans un cylindre du moteur, comme représenté par la double flèche 2. Le piston 1 est relié par l'intermédiaire d'une bielle 3 à un vilebrequin 4 monté rotatif autour d'un axe 5. Bien entendu, les dimensions relatives des organes du moteur ont été figurées de manière tout à fait conventionnelle. En particulier, la section du vilebrequin 4 a été fortement exagérée pour montrer les positions angulaires d'arrêt du vilebrequin. Le vilebrequin 4 est entraîné en rotation autour de son axe 5 par la bielle 3 transformant le mouvement linéaire du piston 1 en mouvement de rotation. On a constaté que le vilebrequin tel que le vilebrequin 4 d'un moteur thermique, au moment de l'arrêt du moteur, s'arrête systématiquement en une position angulaire autour de son axe de rotation, située dans une zone angulaire s'étendant de part et d'autre d'une position moyenne Pm avec une amplitude angulaire respective A1 et A2. Sur la figure 1, on a représenté, sur un cercle en pointillés centré sur l'axe 5 du vilebrequin 4, la position d'arrêt moyenne Prn et les positions ex- trêmes d'arrêt Pm + A1 et Pm - A2. On a également constaté que le démarrage du moteur est réalisé plus facilement à partir de la position initiale moyenne Pm et que le démarrage est d'autant plus difficile que la position initiale du vilebrequin se rapproche des positions extrêmes Pm + A1 et Pm - A2. Lors d'un démarrage à partir d'un des deux points extrêmes Pm + A1 et Pm - A2, la puissance de démarrage nécessaire est d'environ 30 % supé- rieure à la puissance correspondant à la position initiale moyenne Pm. En partant de cette constatation, I'inventeur de la présente demande de brevet a conçu un procédé et un dispositif permettant de faciliter le dé- marrage d'un moteur thermique et de réaliser, dans tous les cas, le démar- rage du moteur, dans des conditions pratiquement optimales. L'invention concerne donc un procédé et un dispositif permettant de placer les organes mobiles du moteur et en particulier le vilebrequin, de ma- nière automatique, dans une position facilitant le démarrage du moteur et permettant un démarrage avec une puissance de démarrage minimale. Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique un dispositif permettant de mettre en ceuvre le procédé de l'invention, pour faciliter le démarrage d'un moteur thermique 6 représenté, de manière convention- nelle, sous la forme d'un parallélépipède. Le moteur thermique 6 comporte un vilebrequin monté rotatif suivant un axe longitudinal du moteur 6 et solidaire, à ses extrémités longitudinales. d'une poulie 7 et d'un volant 8, respectivement. Le dispositif de réglage de la position d'arrêt du moteur selon l'inven- tion comporte une machine électrique tournante 10 qui peut être, comme il sera expliqué plus loin, un alternateur ou un moteur électrique. Sur l'arbre de sortie rotatif 11 de la machine tournante 10 est calée une poulie 12. Une courroie d'entraînement 13 passant sur les poulies 7 et 12 permet de réaliser une liaison en rotation du vilebrequin du moteur ther- mique 6 et de l'arbre de sortie de la machine tournante 10. Bien entendu, la liaison en rotation du vilebrequin du moteur 6 et de l'arbre de la machine tournante 10 pourrait être obtenue par des moyens différents de poulies et d'une courroie. La machine tournante électrique 10 est reliée, par l'intermédiaire d'un module de commande électronique 9, à une batterie 14 qui peut être la bat- terie d'un véhicule automobile entraîné par le moteur thermique 6. Un capteur de position 15 permet de repérer de manière très précise la position angulaire du volant 8 et du vilebrequin du moteur 6. Le capteur de position 15 est relié au module de commande électronique 9, de manière à transmettre un signal de position représentatif de la position instantanée du vilebrequin du moteur thermique 6. Le module de commande électronique 9 reçoit également un signal de consigne 16 correspondant à un signal de po- sition représentatif de la position moyenne idéale Pm du vilebrequin du mo- teur thermique 6, pour laquelle le démarrage est obtenu avec une puissance de démarrage minimale. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on réalise le ré- glage de position angulaire du vilebrequin du moteur, pendant l'arrêt du moteur, pour obtenir une position de redémarrage favorable du moteur après Il'arrêt. Au moment o l'arrêt du moteur est demandé par le conducteur (fonction stop), un ordre est transmis au boîtier électronique de commande 9, de manière qu'il réalise l'acquisition d'un signal de position angulaire du vilebrequin du moteur thermique 6 transmis par le capteur de position 15. Le boîtier de commande électronique 9 réalise l'acquisition en continu de la po- sition angulaire instantanée du vilebrequin du moteur thermique 6. On peut réaliser également l'acquisition de la vitesse de rotation du vilebrequin. en temps réel, pendant la décélération du moteur. La machine électrique tournante 10, qui peut être constituée par l'al- ternateur du véhicule automobile, est réalisée et commandée de manière à pouvoir fonctionner de façon réversible. Pendant l'arrêt et la décélération du moteur thermique, la machine électrique réversible 10 permet de piloter la décélération du moteur pour for- cer son arrêt sur la position angulaire privilégiée Pm du vilebrequin du moteur thermique 6. La machine électrique est pilotée par le boîtier de commande électronique 9, de façon à créer un couple résistant permettant de freiner le moteur thermique 6. Le courant produit par la machine électrique réversible permet alors de recharger la batterie 14. La commande de la machine électrique 10 est adaptée pour tenir compte, à tous les régimes de fonctionnement du moteur thermique, de la valeur du couple produit, de manière à assurer une approche correcte de la position d'arrêt idéale du vilebrequin. Sur la figure 3, on a représenté, sous la forme d'un logigramme, la mise en ceuvre du procédé suivant l'invention et suivant le premier mode de réalisation. L'unité de commande électronique de la machine électrique consti- tuée par exemple par un alternateur de type réversible reçoit en entrée un signal de position du vilebrequin du moteur Omot. Le signal de position est traité dans une première unité 17 du module de commande. de manière à obtenir la vitesse du moteur exprimée en tour/minute sous la forme de la valeur N et comparé, comme représenté en 18a, 18b et 18c sur la figure 3, à la vitesse du moteur au ralenti Nr et à une vitesse N1 prédéterminée infé- rieure à la vitesse au ralenti N,. Lorsque la vitesse instantanée du moteur N est comprise entre NI et Nr, on commande l'alternateur par le boîtier électronique 9, de manière à réaliser un freinage continu du moteur thermique 6. Cette étape du procédé est représentée en19a. Lorsque la vitesse du moteur N est inférieure à la vitesse N1, avant l'arrêt du moteur thermique, on réalise un freinage périodique du moteur thermique 6 par l'alternateur, comme représenté en 19b. Le freinage pério- dique consiste à freiner le moteur thermique 6, lorsque le vilebrequin se trouve entre les deux positions extrêmes Pm + Ai et Pm - A2, c'est-à-dire dans la zone angulaire d'arrêt du vilebrequin. On module le couple résistant exercé sur le moteur thermique à partir de l'alternateur 10, de manière à augmenter le couple résistant à l'approche de la position idéale Pm du vile- brequin. Lorsqu'on a obtenu l'arrêt complet du moteur, comme représenté en 18c, on réalise une comparaison entre la position du vilebrequin mesurée par le capteur de position 15 et la position théorique idéale Pm. Si l'on dé- tecte un écart entre ces deux positions, on réalise un recalage statique comme figuré à l'étape 19c sur la figure 3. Le recalage statique du vilebre- quin consiste à alimenter l'alternateur fonctionnant en moteur, pour le faire tourner dans un sens ou dans l'autre jusqu'à obtenir la position idéale du vilebrequin. L'alternateur peut alors être utilisé en moteur pour réaliser le démar- rage du moteur thermique avec une puissance de démarrage réduite. La fonction de l'alternateur réversible réalisant, au moment de l'arrêt du moteur, son positionnement dans la position angulaire idéale et le démar- rage du moteur à partir de cette position idéale peut faciliter la mise en oeu- vre d'une fonction "stop and start". Le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre selon un se- cond mode de réalisation dans lequel on procède au recalage du moteur thermique 6 après son arrêt complet, pour placer le vilebrequin dans sa po- sition angulaire idéale. Les éléments de calcul et de commande mis en oeuvre dans ce mode de réalisation ont été représentés de manière schématique sur la figure 4. L'alternateur réversible 10 est relié à la batterie 14 d'alimentation, qui peut être la batterie d'un véhicule automobile, par l'intermédiaire du boîtier électronique de commande 9. Un capteur de position angulaire est associé à l'arbre de sortie 1 1 de l'alternateur réversible 10 et fournit un signal Oalt représentatif de la position angulaire de l'arbre de l'alternateur à un séquenceur de position 20. Le dispositif de calcul et de commande comporte un bloc de calcul 21 qui reçoit en entrée le signal de position angulaire Omot provenant du cap- teur de position angulaire du vilebrequin et qui prend en compte une valeur mise en mémoire représentative de la position idéale Pm du vilebrequin. Le bloc de calcul 21 élabore trois signaux de commande représentés par les flèches 22a, 22b et 22c qui sont transmises au séquenceur de position 20. Les signaux 22a, 22b et 22c définissent le déplacement nécessaire au recalage du moteur thermique en utilisant l'alternateur réversible 10 dans sa fonction moteur. Le signal 22a est représentatif du sens de rotation du déplacement nécessaire au recalage, le signal 22b est représentatif de l'angle du dépla- cement nécessaire au recalage et le signal 22c est représentatif du couple à exercer sur le vilebrequin du moteur pour obtenir le recalage. Le séquenceur de position 20 permet de commander l'alternateur ré- versible 10, par l'intermédiaire d'un boîtier électronique 23 reliant l'alterna- teur 10 à la batterie 14 et assurant la conversion courant continu/courant alternatif. Le couple nécessaire au recalage, qui est généré par alimentation de I'alternateur 10, par l'intermédiaire du boîtier électronique, est modulé en amplitude, de manière à placer rapidement et précisément le vilebrequin du moteur dans sa position angulaire idéale Pm. Le procédé suivant l'invention permet donc de placer ou de replacer rapidement les éléments mobiles du moteur au moment de l'arrêt ou après l'arrêt du moteur thermique, pour obtenir des conditions de démarrage idéa- les, lors d'une utilisation future du moteur. Dans le cas o l'on réalise la mise en oeuvre du procédé de l'invention en utilisant un alternateur réversible qui peut être l'alternateur du véhicule automobile dont le moteur thermique assure la traction, les moyens supplé- mentaires nécessaires pour cette mise en oeuvre sont constitués unique- ment par un capteur de mesure de position angulaire du vilebrequin et par une unité de calcul et de commande programmée. La mise en oeuvre du procédé de l'invention n'entraîne donc qu'un très faible surcoût dans le cadre de la production industrielle d'un véhicule automobile. Il est toutefois possible d'utiliser un moteur électrique indépendant de l'alternateur pour réaliser le recalage du moteur thermique, ou un système mécanique débrayable. La mise en oeuvre du procédé de l'invention selon le premier mode de réalisation permet d'autre part d'obtenir une économie d'énergie, du fait qu'on récupère de l'énergie de charge de la batterie, pendant le freinage du moteur thermique, lors de son arrêt. En outre, I'obtention de la position idéale d'arrêt du moteur est obtenue plus rapidement que lorsqu'on effectue un recalage consécutif à l'arrêt du moteur. Cependant, la mise en oeuvre du procédé de l'invention selon le premier mode de réalisation est relativement complexe et nécessite l'utilisation de moyens de calcul et de commande d'une assez grande complexité. La mise en oeuvre du procédé de l'invention par le second mode de réalisation est moins complexe. Cependant, cette mise en ceuvre est plus lente et nécessite l'utilisation de l'énergie électrique des batteries du véhi- cule. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été dé- crits. C'est ainsi qu'on peut utiliser à la place d'un alternateur réversible, un ensemble constitué par un alternateur et un moteur. On peut utiliser une machine électrique de tout type à alimentation continue ou alternative. L'invention s'applique à tout moteur thermique et en particulier aux moteurs thermiques assurant la traction des véhicules automobiles. REVENDICATIONS 1.- Procédé de positionnement des organes mobiles (2, 3, 4) d'un moteur thermique (6), dans une position d'arrêt du moteur (6) facilitant le démarrage, le moteur (6) comportant au moins un piston (2) mobile de ma- nière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin (4) par une bielle (3) entraînant le vilebrequin (4) en rotation autour d'un axe (5), caractérisé par le fait qu'on règle la position angulaire du vilebrequin (4) autour de son axe de rotation (5), pour le placer dans une position angulaire (Pm) prédétermi- née, à l'aide d'une machine tournante électrique (10) reliée en rotation au vilebrequin (4). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on freine le moteur thermique (6) à l'aide de la machine tournante électrique (10), pendant l'arrêt du moteur thermique (6), de manière qu'au moment de l'arrêt complet du moteur thermique (6), le vilebrequin (4) se trouve dans sa position angulaire (Pm) prédéterminée. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on mo- dule le freinage du moteur thermique (6) en fonction de la vitesse de rotation du moteur thermique (6) mesurée pendant l'arrêt du moteur thermique (6). 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on réalise un freinage continu du moteur thermique (6) en exerçant un couple résistant sur le vilebrequin (4) lorsque la vitesse du moteur thermique (6) est comprise entre une vitesse prédéterminée (N1) inférieure à la vitesse de ra- lenti (Nr) du moteur et la vitesse de ralenti, et qu'on réalise un freinage pé- riodique du moteur, lorsque sa vitesse est inférieure à la vitesse (N1) prédé- terminée inférieure à la vitesse de ralenti, le freinage du moteur étant réalisé au cours de périodes o le vilebrequin est dans une zone d'arrêt s'étendant de part et d'autre de la position angulaire prédéterminée (Pr). - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'on module le freinage périodique du moteur dans la zone angulaire d'arrêt du vilebrequin (4) en rendant le couple résistant de la machine électrique (10) maximal dans la position angulaire prédéterminée (Pm) du vilebrequin (4). 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, ca- ractérisé par le fait qu'après l'arrêt complet du moteur thermique (6), on ef- fectue un recalage statique de position du vilebrequin (4), en utilisant la ma- chine tournante électrique comme moteur. 7.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise un recalage de la position angulaire du vilebrequin (4) après l'arrêt complet du moteur thermique (6) en commandant le déplacement des orga- nes mobiles du moteur par la machine tournante électrique (10) fonctionnant en moteur. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7. ca- ractérisé par le fait qu'on mesure la position angulaire du vilebrequin (4) du moteur, qu'on compare cette position angulaire à la position angulaire pré- déterminée (Prn) et qu'on élabore à partir du résultat de la comparaison, un signal de commande de la machine tournante électrique (10) pour réaliser l'une au moins des fonctions de freinage et de recalage du moteur thermique (6). 9.- Dispositif de positionnement des organes mobiles (2, 3, 4) d'un moteur thermique (6), dans une position d'arrêt du moteur (6) facilitant le démarrage. le moteur thermique (6) comportant au moins un piston (2) mo- bile de manière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin (4) par une bielle (3) entraînant le vilebrequin en rotation autour d'un axe (5), ca- ractérisé par le fait qu'il comporte une machine électrique tournante (10) re- liée en rotation au vilebrequin (4) du moteur thermique (6) et des moyens de commande électronique (9, 23) de la machine électrique (10) pour freiner et arrêter le moteur thermique (6) avec son vilebrequin dans une position an- gulaire prédéterminée (Pm) ou pour recaler le vilebrequin (4) dans sa posi- tion angulaire prédéterminée (Pm) après l'arrêt complet du moteur (6). 10.- Dispositif suivant la revendication 9. caractérisé par le fait que la machine tournante électrique (10) est un alternateur réversible pouvant fonctionner en alternateur ou en moteur. 11.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 et 10. caractérisé par le fait que les moyens de commande de la machine tour- nante électrique (10) comportent des moyens de comparaison de la vitesse du moteur à des valeurs prédéterminées et des moyens de commande du freinage du moteur thermique (6) par la machine tournante électrique (10) en fonction des résultats de la comparaison de la vitesse du moteur et des va- leurs prédéterminées. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, ca- ractérisé par le fait que les moyens de commande de la machine tournante électrique (10) comportent un bloc de calcul (21) permettant d'élaborer, à partir d'un signal représentatif de la position angulaire du vilebrequin (4) du moteur thermique (6) et d'un signal représentatif de la position angulaire prédéterminée (Pm) du vilebrequin (4), des signaux de commande de reca- lage du moteur thermique (6) après son arrêt complet représentatifs, res- pectivement, du sens de rotation et de l'angle de rotation du vilebrequin (4) pour obtenir le recalage et du couple instantané à exercer sur le vilebrequin (4) du moteur thermique (6) pour effectuer le recalage.