Brevet FR2816365A1 — publié le 20020510

Procédé de commande d'un moteur Stirling utilisé pour la propulsion d'un véhicule automobile, et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention se rapport à un procédé de commande d'un moteur Stirling utilisé pour la propulsion d'un véhicule automobile, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le moteur Stirling est un moteur thermique à combustion externe fonctionnant suivant le cycle thermo-dynamique dit de Stirling. Le cycle idéal de Stirling est un cycle thermo-dynamique composé de compressions et expansions isothermes à températures différentes accompagnées d'un processus de régénération à volume constant. Dans un moteur Stirling, un fluide de travail (gaz, liquide ou vapeur) subit périodiquement une compression et une détente à différentes températures dans l'espace de travail du moteur Stirling. Ce dernier comprend un piston de déplacement ou piston balayeur qui est caractérisé par un faible poids et par une grande différence de température, mais une différence négligeable de pressions entre ses deux faces opposées, et un piston de puissance ou piston de travail qui est caractérisé par un poids plus important et par une plus grande différence de pressions, mais une différence négligeable de températures entre ses deux faces, les deux pistons étant animés d'un mouvement réciproque dans un cylindre. Dans la configuration"piston double effet", les fonctions piston balayeur et piston de puissance sont assurées par un seul piston. Le moteur Stirling comprend, en outre, un échangeur source chaude ou réchauffeur qui permet le transfert de l'énergie thermique d'une source extérieur au fluide de travail, un échangeur source froide ou refroidisseur permettant le transfert de l'énergie thermique du fluide de travail vers un milieu extérieur de refroidissement (eau, air ou autre fluide de refroidissement), et un régénérateur qui est un échangeur de chaleur dans lequel les fluides chauds et froids passent alternativement dans les mêmes et uniques passages pour les fluides, le flux étant périodique, ou un récupérateur qui est un échangeur de chaleur dans lequel les fluides chauds et froids passent dans des passages séparés pour les fluides, le flux étant en général continu. Il est par ailleurs connu de faire fonctionner un moteur suivant le cycle Stirling avec régénération, qui est un cycle thermodynamique dans lequel la chaleur du fluide de travail rejeté lors de la phase refroidissement isochore est utilisée pour réchauffer le fluide de travail lors de la phase échauffement isochore. Un régénérateur ou un récupérateur peut également être utilisé pour réchauffer l'air comburant par le produit de combustion à l'échappement afin de réduire la quantité de chaleur"nouvelle"à apporter au cycle et, par conséquent, d'améliorer le rendement du cycle. Par le document FR-A-2 742 100, on connaît un véhicule automobile à motorisation hybride, le véhicule étant propulsé par l'intermédiaire de deux sources d'énergie, à savoir un moteur thermique via une boîte de vitesses et un accumulateur électrique via un moteur électrique. Les deux sources d'énergie permettent de récupérer de l'énergie dans les phases de freinage avec rechargement de l'accumulateur, de fonctionner en mode tout électrique (moteur thermique arrêté), en mode hybride avec rechargement de l'accumulateur et en mode hybride avec déchargement de l'accumulateur ("boost"électrique). Ces différents modes sont déterminés en fonction du seuil d'accélération ou de vitesse. Ce mode de motorisation hybride implique donc l'utilisation d'un moteur électrique en plus d'un moteur thermique, et d'un accumulateur d'énergie électrique pour pouvoir récupérer de l'énergie pendant les phases de freinage. La décision concernant le démarrage du moteur thermique s'effectue en fonction de seuils d'accélération et de vitesse utilisés indépendamment de la capacité de l'accumulateur, ce qui interdit une optimisation de lå consommation de carburant. Le document DE-A-197 45 168 révèle un procédé pour réduire le temps de démarrage à froid d'un moteur Stirling, comprenant les étapes suivantes : a) on fait fonctionner le moteur Stirling en pompe à chaleur de sorte que l'échangeur source chaude s'échauffe ; b) on démarre l'alimentation en air de la chambre de combustion de sorte que l'air traverse l'échangeur et réchauffe le catalyseur de gaz d'échappement ; c) on démarre la combustion dans la chambre de combustion ; d) on démarre le moteur Stirling en mode d'opération. Un démarreur électrique ou un générateur électrique qui peut aussi fonctionner comme moteur d'entraînement est utilisé pour entraîner le moteur Stirling dans l'étape a). Ce procédé ne prévoit ni récupération d'énergie par le moteur Stirling pendant le freinage du véhicule, ni une gestion du démarrage et de l'arrêt de la combustion du moteur en vue d'une économie de la consommation de carburant. Or, il s'est avéré qu'une commande judicieuse d'un moteur Stirling pour la propulsion d'un véhicule automobile permet, par une gestion du démarrage et de l'arrêt de la combustion et par une gestion de la course de piston, faisant intervenir en particulier la différence de températures entre la source chaude et la source froide, de donner à un moteur Stirling un fonctionnement similaire à celui d'une motorisation hybride, l'écart de températures entre la source chaude et la source froide pouvant être assimilé à un stockage d'énergie analogue à celui d'un accumulateur de traction, et la chambre de combustion pouvant être assimilée au système de rechargement (générateur électrique), les deux sources d'énergie pouvant être gérées en réalisant les points suivants : - satisfaction de la demande du conducteur du véhicule - contrôle de la différence de températures - optimisation de la consommation - gestion des limites composants - commande de la course de piston moteur - commande de la combustion. Suivant le procédé conforme à l'invention de commande d'un moteur Stirling utilisé pour la propulsion d'un véhicule automobile, en phase de propulsion, on commande : - le démarrage et l'arrêt de la combustion et après démarrage de la combustion le débit de carburant en fonction de la différence de températures entre la source chaude et la source froide, du régime moteur et du couple demandé, et - la course de piston en fonction du couple demandé et de la puissance de sortie du moteur, estimée en fonction de la différence de températures entre la source chaude et la source froide. Pendant les phases de freinage, on commande la course de piston de manière à faire fonctionner le moteur en récupération avec stockage d'énergie par augmentation de la différence de températures entre source chaude et source froide. Pendant le fonctionnement sans combustion, le seul apport d'énergie provient de l'exploitation de la différence de températures entre la source froide et la source chaude. Etant donné que le fonctionnement sans combustion qui se fait sans recourir à l'allumage et l'extinction de la combusion, la consommation de carburant et les émissions de polluants se trouvent réduites. Le contrôle de la puissance de sortie du moteur Stirling s'effectue alors par variation de la course de piston. Pour toute puissance mécanique (donc couple à la roue) fournie par le moteur Stirling, la différence de température entre source chaude et source froide diminue. Pendant les phases de décélération, un couple négatif est fourni au mécanisme du moteur, et le moteur Stirling fonctionne alors en mode entraîné, ce qui engendre une augmentation de la différence de températures entre la source chaude et la source froide, donc une récupération d'énergie par stockage d'énergie calorifique, la fonction de"frein moteur"étant réalisée par contrôle de la course de piston. La différence de températures entre la source chaude et la source froide doit être gérée pour satisfaire la demande du conducteur et utiliser le moteur thermique dans sa meilleure zone de fonctionnement, afin d'optimiser les émission de polluants et la consommation. Les arrêts et démarrages de la combustion sont gérés en fonction de la différence de températures, du couple demandé par le conducteur et de la vitesse du véhicule. En se référant aux dessins annexés, on va décrire ci-après plus en détail un exemple de réalisation du procédé de commande suivant l'invention ainsi que du dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé ; sur les dessins : la figure 1 représente le schéma général du moteur Stirling et de sa commande ; la figure 2 représente le schéma fonctionnel de la commande. Selon la figure 1, un superviseur 1 commande un moteur Stirling formé d'un échangeur source chaude 2, d'un échangeur source froide 3, d'un régénérateur 4, d'un piston moteur 5, d'un piston balayeur 6, d'une chambre de combustion 7 et d'une ligne d'arrivée de carburant 8. Le superviseur 1 commande, en fonction de la demande du conducteur (signal 9), de la vitesse du moteur Stirling (signal 10) et de l'écart de températures (signal 11) entre l'échangeur source chaude 2 et l'échangeur source froide 3, le contrôle de carburant par la ligne 8 (signal 12) et le contrôle de la course de piston (signal 13). Le schéma fonctionnel du superviseur 1 concernant l'arrêt/démarrage de la combustion, la détermination du débit de carburant et la détermination de la commande de course de piston, est illustré par la figure 2. On reconnaît sur la figure 2 que le superviseur comprend : un bloc de détermination d'arrêt/démarrage de la combustion, qui reçoit les signaux 9,10, Il correspondant au couple demandé par le conducteur, au régime moteur et à la différence de températures entre source chaude et source froide, - un bloc de détermination de débit de carburant qui reçoit les signaux 9,10, 11 correspondant au couple demandé par le conducteur, au régime moteur et à la différence de températures entre source chaude et source froide, - un bloc d'estimation de la puissance de sortie du moteur, qui reçoit le signal 11 correspondant à la différence de températures entre source chaude et source froide, et - un bloc de détermination de la commande de course de piston qui reçoit le signal de sortie du bloc d'estimation de la puissance de sortie du moteur et le signal 9 correspondant au couple demandé par le conducteur. En mode combustion, la combustion fournit de la puissance calorifique au système, qui est utilisée pour maintenir la différence de températures à des niveaux différents prédéterminés entre la source chaude et la source froide. Lors de forts appels de puissance à la roue, la différence de températures peut diminuer pour apporter une puissance supplémentaire. En mode sans combustion, seule la différence de température entre la source chaude et la source froide permet de fournir de l'énergie pour l'avancement du véhicule. Dans ce mode sans combustion, on commande la course du piston pour réguler le couple sur l'arbre moteur et satisfaire le couple à la roue demandée par le conducteur. Sur lâcher de la pédale d'accélérateur, le véhicule passe en phase de freinage régénératif. Le moteur Stirling fonctionne alors en mode entraîné, grâce à l'inertie du véhicule. Une partie de l'énergie disponible aux roues est transformée en énergie thermique avec augmentation de la différence de températures entre la source chaude et la source froide. Le moteur thermique fournit alors un frein moteur. La course du piston permet de réguler le couple négatif demandé par le conducteur. L'énergie maximale récupérable dépend de la taille des échangeurs de source chaude et de source froide, de l'écart de température maximale admissible de l'échangeur source chaude ainsi que de la température de fonctionnement avant le passage en mode régénératif. Le démarrage de combustion peut être décidé sur détection d'une différence de températures insuffisante (température de source froide trop élevée ou température de source chaude trop faible), situation dans laquelle il convient de ne plus diminuer l'écart de températures. La combustion est alors démarrée pour éventuellement augmenter la différence de températures. Le démarrage de combustion peut également être décidé sur détection de seuils fonction du couple à la roue demandée et de la vitesse du véhicule. Pour minimiser la consommation, la combustion peut être démarrée. Le seuil de démarrage est défini par des tables en fonction de la différence de températures, du couple à la roue et de la vitesse du véhicule. Enfin, la combustion peut être décidée sur sélection manuelle, le conducteur pouvant forcer manuellement la combustion. Pour l'arrêt de la combustion, il en est de même, les différents paramètres étant comparés à des seuils. La gestion de l'énergie peut se faire sur la base de tables calculées pour optimiser un critère de rendement global du véhicule, calculé dans des conditions de fonctionnement normales, c'est-à-dire avec des composants qui ne sont pas limités par un dysfonctionnement. Ces tables déterminent à partir de la vitesse mesurée sur la roue, du couple demandé à la roue via la pédale d'accélérateur et de la différence de températures, la course de piston et le débit de carburant désirés. La différence de températures permet de limiter soit un accroissement, soit une diminution de cette différence. Le couple et la vitesse à la roue permettent de déterminer la puissance donnée par la combustion et/ou la variation de la différence de températures. La combustion ainsi que la variation de températures sont définies de manière à maximiser le rendement global de la chaîne de propulsion. Les consignes de combustion et de la variation de la différence de températures peuvent conduire à plusieurs types de répartition de flux d'énergie : - hybride avec combustion et diminution de la différence de températures, - hybride avec combustion et augmentation de la différence de températures, - avec combustion et aucune variation de la différence de températures, - sans combustion et avec diminution de la différence de températures (dans les phases motrices). En vue de la gestion de la différence de températures par variation de la combustion, il est possible, en mode"avec combustion" de moduler l'accroissement-diminution de la différence de températures en fournissant une combustion plus ou moins importante suivant la différence de températures, le couple demandé à la roue et la vitesse du véhicule. La différence entre la puissance à la roue et la puissance fournie à la combustion (au rendement près) correspondant à la puissance calorifique (augmentation ou diminution de la différence de températures). Cela peut être pris en compte dans un jeu de tables supplémentaires. Selon le schéma fonctionnel de la figure 2, la demande de couple par le conducteur est interprétée à partir de la position de la pédale. On détermine alors le mode de fonctionnement sans combustion ou avec combustion, sur seuil de couple, de vitesse de véhicule, seuil de puissance à la roue, seuil de différence de températures, les tables combinant couple, vitesse et différence de températures, ou sur sélection manuelle de mode. Les tables peuvent prendre en compte plusieurs critères afin de satisfaire la demande du conducteur. Si, en mode sans combustion, le couple à la roue demandé par le conducteur ne peut être réalisé, c'est le démarrage de la combustion qui sera demandé. Par conséquent, en fonction du couple à la roue demandé, de la vitesse du véhicule et de la différence de températures, les limites en couple du moteur thermique sont prises en compte pour décider du démarrage/arrêt de la combustion. Si la demande du conducteur peut être satisfaite dans les deux modes, (avec ou sans combustion), c'est l'optimisation de la consommation de carburant qui permet de choisir le mode désiré. La détermination du débit de carburant s'effectue suivant la différence de températures désirées selon une table prédéfinie. Une telle table de gestion d'énergie permet, en circuit urbain, de rester à une différence de températures relativement constante. Lorsque celleci devient inférieure à sa valeur définie, on augmente le débit de carburant, et inversement on diminue le débit de carburant lorsque la différence de températures est trop élevée. Pour une différence de températures donnée, la puissance moyenne de sortie du moteur peut être estimée. Cette puissance peut être aussi bien positive que négative. Il s'agit de la valeur nécessaire pour satisfaire au mieux la demande du conducteur. Cette estimation peut être effectuée par exemple par un modèle interne du moteur Stirling. La commande de course du piston est déterminée pour fournir un couple sur l'arbre moteur susceptible de satisfaire le couple à la roue demandé par le conducteur. En fonction de la puissance de sortie estimée et du couple demandé, la course de piston peut être calculée. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur Stirling utilisé pour la propulsion d'un véhicule automobile, caractérisé par le fait qu'en phase de propulsion, on commande : - le démarrage et l'arrêt de la combustion et après démarrage de la combustion le débit de carburant en fonction de la différence de températures entre la source chaude et la source froide, du régime moteur et du couple demandé, et - la course de piston en fonction du couple demandé et de la puissance de sortie du moteur, estimée en fonction de la différence de températures entre la source chaude et la source froide. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en phase de freinage, on commande la course de piston de manière à faire fonctionner le moteur en récupération avec stockage d'énergie par augmentation de la différence de températures entre source chaude et source froide. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un superviseur (1) recevant des signaux (9, 10, 11) correspondant au couple demandé par le conducteur, au régime moteur et à la différence de températures entre source chaude et source froide et commandant, en fonction de ces signaux, l'arrêt et démarrage de la combustion, le débit de carburant et la course de piston. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le superviseur comprend : - un bloc de détermination d'arrêt/démarrage de la combustion, qui reçoit les signaux (9,10, 11) correspondant au couple demandé par le conducteur, au régime moteur et à la différence de températures entre source chaude et source froide, - un bloc de détermination de débit de carburant qui reçoit les signaux (9, 10, 11) correspondant au couple demandé par le conducteur, au régime moteur et à la différence de températures entre source chaude et source froide, - un bloc d'estimation de la puissance de sortie du moteur, qui reçoit le signal (11) correspondant à la différence de températures entre source chaude et source froide, et - un bloc de détermination de la commande de course de piston qui reçoit le signal de sortie du bloc d'estimation de la puissance de sortie du moteur et le signal (9) correspondant au couple demandé par le conducteur.