Brevet FR2875264A1 — publié le 20060317

La présente invention se rapporte à la commande d'un actionneur électromécanique, et en particulier à la commande d'un dispositif électromécanique d'actionnement des soupapes pour moteur à combustion interne et à un moteur à combustion interne comprenant un tel dispositif et commandé de telle façon, notamment pour commander une soupape au moyen d'un actionneur électromécanique muni de ressort et d'un ou plusieurs aimants. Il est connu d'utiliser un actionneur électromécanique comportant des ressorts antagonistes et une armature métallique oscillant entre deux électroaimants pour contrôler l'ouverture et la fermeture des soupapes d'un moteur à combustion interne. Un tel actionneur comprend par exemple une armature métallique liée à une tige disposé dans le même axe que la soupape et actionnant celle-ci. Les deux électro-aimants situés de part et d'autre de l'armature métallique permettent de bloquer celle-ci en deux positions correspondants l'une à la position dans laquelle la soupape est fermée, et l'autre à la position dans laquelle la soupape est pleinement ouverte. La commande du courant dans les électroaimants permet de déclencher l'ouverture ou la fermeture de la soupape, et de bloquer la dite soupape dans l'une des deux positions extrêmes (soupape fermée ou soupape ouverte). Il est connu que l'utilisation d'un ou plusieurs aimants permanents dans un tel actionneur permet de modifier le fonctionnement des électroaimants et apporte des avantages d'amélioration du rendement énergétique de l'actionneur et de possibilité plus importantes de contrôle de la soupape (variations des vitesses d'ouverture et de fermeture, maîtrise accrue des vitesses d'impact par exemple). Il est également connu qu'un tel actionneur dont le circuit magnétique intègre un ou plusieurs aimants permanents qui exercent une force d'attraction sur l'armature nécessite de créer une force opposée à celle de l'aimant permanent afin de relâcher l'armature et de changer la soupape de position. La création de cette force opposée à celle de l'aimant permanent est réalisée au moyen d'un courant, appelé dans la suite courant de démagnétisation, de signe contraire à celui utilisé pour créer une force de même sens que celle de l'aimant permanent. Il a été proposé dans US006334413B1 de faire varier la quantité de courant de démagnétisation dans l'actionneur en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. La présente invention a pour objet une stratégie de calcul du courant de démagnétisation permettant de déterminer l'intensité du 40 courant nécessaire à chaque instant pour piloter l'actionneur 2875264 2 électromagnétique de soupape et commander la vitesse d'ouverture et de fermeture de la soupape commandée par l'actionneur. La présente invention s'applique à la commande d'un actionneur électromécanique pouvant comporter une ou plusieurs bobines permettant de moduler l'effort magnétique produit par un ou plusieurs aimants permanents sur une armature mobile reliée mécaniquement à une soupape de façon à ce que le déplacement de l'armature puisse entraîner un déplacement de la soupape dans son axe afin de la fermer ou de l'ouvrir. Le dit actionneur peut comporter un ou plusieurs systèmes élastiques de stockage d'énergie comme par exemple, mais non exclusivement, un ressort ou une barre de torsion. Dans une position fermée ou ouverte de la soupape, la commande d'un courant de signe choisi dans une bobine de l'actionneur permet de créer un champ magnétique de signe qui s'oppose à celui généré par un aimant permanent et de réduire l'effort magnétique exercé sur l'armature. Lorsque l'effort magnétique devient inférieur à celui exercé par le(s) dispositif(s) élastique(s) chargé(s) de stocker de l'énergie, il résulte une accélération de l'armature et le début d'une transition vers la position opposée (vers la position fermée lorsque la soupape est ouverte et vers la position ouverte lorsque la soupape est fermée). En fonction de l'écart entre l'effort magnétique et l'effort mécanique de système élastique, l'accélération de l'armature et de la soupape qui lui est liée est plus ou moins grande, et par conséquence, la vitesse d'ouverture ou de fermeture de la soupape est plus ou moins rapide, et par conséquence la durée de transition ou le temps de transition d'une de la soupape d'une position vers l'autre est plus faible et par conséquence, la section apparente pour le passage des gaz à travers la soupape varie plus ou moins rapidement, et par conséquence, la masse de gaz débitée à travers la soupape lors du fonctionnement du moteur varie également. Selon l'invention, il est possible de déterminer l'intensité du courant de démagnétisation à piloter dans une bobine de l'actionneur à chaque instant afin d'obtenir une durée de transition lors de l'ouverture ou de la fermeture de la soupape qui est choisie par avance. Selon l'invention, l'intensité du courant est déterminée en fonction de deux ou plusieurs profils d'intensité du courant de démagnétisation décrits explicitement et de la durée de transition constatée lors de l'application de chacun de ces profils. 2875264 3 Un avantage de cette invention est de pouvoir traduire simplement avec une faible quantité de calculs le temps de transition de la soupape qui est un besoin exprimé pour le fonctionnement du moteur, en une intensité de courant de démagnétisation à chaque instant, qui permet d'assurer le fonctionnement de l'actionneur. Un autre avantage de cette invention est de pouvoir décrire très précisément le profil du courant de démagnétisation à appliquer dans les cas les plus remarquables et les plus souvent utilisés mais sans limiter le fonctionnement de l'actionneur à ces cas là. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous, à titre illustratif et non limitatif, effectuée en référence aux figures ci-jointes. La figure 1A montre un schéma d'un actionneur électromécanique connu, auquel l'invention peut s'appliquer, dont l'armature est en position d'équilibre centrale. Les figures 1B et 1C montrent le même actionneur dans les deux positions extrêmes correspondant à soupape fermée et soupape ouverte. La figure 2 montre la différence de comportement de l'actionneur lorsque celui-ci comporte ou non des aimants permanents. La figure 3 montre la variation du temps de transition 301 et de la consommation énergétique 302 du système électromécanique en fonction de la quantité de courant commandée 300 pour un actionneur comprenant un ou des aimants permanents. La figure 4 montre la position de la soupape 201 en fonction du temps 200 et l'effort magnétique résiduel 203 sur l'armature correspondant à deux profil de courant de démagnétisation 202 possibles. La figure 5A montre une procédure de calcul du courant de démagnétisation conforme à l'invention. La figure 5B montre une variante de cette procédure de calcul du courant de démagnétisation. Un dispositif 100 (figure 1A, 1B, 1C) muni d'un actionneur 121 de soupape 118 comporte généralement deux électroaimants 108 et 112 comportant deux bobines 109 et 111 permettant d'exercer un effort magnétique sur l'armature 110 afin de la déplacer dans une direction verticale et, au moyen de l'axe 105 coulissant dans les guides 106 et 114, de communiquer ce mouvement à la soupape 118 coulissant dans son guide 117. Le dispositif comprend également généralement deux ressorts 102 et 116 en appui respectivement sur les plans 101 et 119 et solidaires respectivement de l'axe de l'actionneur 105 via la coupelle 103 2875264 4 et de la soupape 118 via la coupelle 115. Les dits ressorts assurent le stockage de l'énergie dans les positions soupapes fermée (fig. 1B) et soupapes ouvertes (figé 1C) dans lesquelles la position est bloquée par une force magnétique s'exerçant sur l'armature 110 dans la direction contraire à la somme des efforts exercés par les ressorts. Il est connu d'inclure dans l'actionneur des aimants permanents 107 et 113 chargés de fournir tout ou partie de l'effort magnétique nécessaire au maintien de la soupape dans l'une ou l'autre des positions ouvertes et/ou fermées. Le dispositif peut également inclure un capteur de position 104, qui permet au calculateur de contrôle de l'actionneur 120 de connaître la position de l'armature 110 ou de l'axe 105 qui y est rigidement lié, et de déterminer le courant à commander dans les bobines 109 et 111. Dans le cas où le dispositif ne comprend pas d'aimant permanent 107 et 113, un courant 208 d'intensité 202 est appliqué dans une bobine 109 ou 111 pour assurer un effort magnétique permettant de bloquer la soupape respectivement en position fermée 206 ou ouverte 207. Lorsque ce courant 208 est coupé, l'effort magnétique 209 de maintien disparaît, et les ressorts assurent la transition vers la position opposée. L'autre bobine est alors utilisée pour capturer l'armature dans cette position opposée, respectivement ouverte ou fermée. Dans ces conditions de fonctionnement, la transition 204 de la soupape d'une position vers l'autre se fait dans une durée qui est uniquement fonction de la raideur des ressorts 102 et 116 et de la masse mobile comprenant notamment l'armature 110, l'axe 105, la soupape 118, les ressorts 102 et 116 et les coupelles 103 et 115. Cette durée de transition de la soupape est appelée temps de transition théorique de la soupape. La figure 2 illustre en traits pleins le cas où la soupape est fermée et un courant 208 est appliqué puis annulé dans la bobine 109. Sur cette figure 2, on observe la différence de comportement en trait pointillé lorsque le dispositif comprend des aimants permanents ainsi que figuré sur les figures 1A, 1B et 1C, et le même courant 208 est appliqué dans la bobine 109. Du fait de la présence d'un effort magnétique exercé par la bobine et d'un effort magnétique exercé par l'aimant, il résulte un effort magnétique 210 de maintien plus important. Dans ce cas, lorsque le courant 208 est coupé comme précédemment, l'effort magnétique 210 ne devient pas nul, mais reste à une valeur correspondant à l'effort magnétique exercé par l'aimant seul. Il en résulte un freinage de l'armature et une transition plus lente comme on 2875264 5 peut le voir sur la courbe de déplacement de la soupape 205. Dans certains cas, il est possible que l'aimant produise un effort supérieur à celui des ressorts, et il n'y a pas de transition du tout: l'armature reste bloquée dans sa position. C'est le cas que l'on décrira préférentiellement ici. Le rôle du courant de démagnétisation est de produire un champ magnétique inverse à celui de l'aimant afin de réduire l'effort magnétique résiduel et le freinage de l'armature lors de la transition. La figure 3 montre comment évolue le temps de transition 301 de la soupape et la consommation énergétique de l'actionneur 302 en fonction de la quantité de courant de démagnétisation 300 commandée. Pour une très faible quantité de courant de démagnétisation, la consommation électrique du système n'est pas optimale car l'armature 110 est trop freinée lors du début de la transition. Il en découle une perte d'énergie représentant une proportion importante de celle stockée dans les ressorts 102 et 116, et cette énergie doit être restituée au système lors de la fin de la transition par une grande quantité de courant de capture dans la bobine opposée. Dans ces conditions le temps de transition 301 est assez long. Si l'on augmente un peu la quantité de courant de démagnétisation initiale, il est possible d'arriver à un optimum de consommation énergétique 302 pour lequel le freinage en début de transition est raisonnable, les vitesses des parties mobiles pas trop importantes, et l'énergie perdue est juste compensée par l'effort de l'aimant permanent opposé, donc sans consommation énergétique. Le temps de transition 301 est sensiblement réduit. Lorsque l'on augmente encore le courant de démagnétisation par rapport à cet optimum, la consommation énergétique 302 augmente car l'armature 110 étant moins freinée lors de son départ, il faut réduire l'effort magnétique à l'arrivée pour ne pas générer un choc important entre armature 110 et électroaimant108 ou 112. Pour réduire cet effort, il faut alors commander un courant de démagnétisation dans la bobine opposée qui contribue également à augmenter la consommation énergétique 302 du système. En continuant à augmenter le courant de démagnétisation, il est possible de s'approcher du temps de transition théorique 303 jusqu'à un certain point au-delà duquel la consommation énergétique augmente très fortement pour de faibles réduction du temps de transition. Le fonctionnement est limité à une certaine quantité de courant au-delà de laquelle l'actionneur ne peut plus supporter la chaleur dégagée et est détruit (304). Dans ces conditions, le temps de transition reste 2875264 6 légèrement supérieur au temps de transition théorique 303 atteint sans aimant permanent. Cette figure illustre bien la nécessité de contrôler au mieux le temps de transition de la soupape car le réduire permet de faire passer plus de gaz à travers la soupape, donc d'améliorer le fonctionnement du moteur dans certains cas, mais dégrade le rendement du système électromécanique chargé d'actionner la soupape. Par ailleurs, le point de fonctionnement de rendement optimal pour l'actionneur électromécanique correspond à un temps de transition de la soupape augmenté qui ne peut être optimum pour tous les cas de fonctionnement du moteur. La présente invention a pour objet de proposer une solution pour piloter le courant dans l'actionneur électromécanique afin d'optimiser dans tous les cas le fonctionnement de l'ensemble constitué par le moteur et le système électromécanique. Dans le mode de réalisation décrit ici, la présente invention consiste à choisir deux trajectoires remarquables Ti et T2 permettant chacune d'obtenir un fonctionnement partiellement optimal. Pour la trajectoire Ti pour laquelle la transition est la plus lente peut être choisie par exemple, mais non exclusivement, la trajectoire permettant d'obtenir la consommation énergétique du dispositif électromécanique la plus faible. Cette trajectoire peut-être utilisée à chaque fois qu'il n'est pas nécessaire de faire passer une grande quantité de gaz à travers la soupape. Pour la trajectoire T2, pour laquelle la transition est la plus rapide, peut-être choisie par exemple, mais non exclusivement, une trajectoire la plus proche possible du temps de transition théorique mais dont la consommation énergétique reste acceptable vis-à-vis du dimensionnement du dispositif 100 et de son échauffement. Cette trajectoire peut-être utilisée à chaque fois qu'il est nécessaire de faire passer la plus grande quantité de gaz possible à travers la soupape. Deux exemples de trajectoires choisies T1 et T2 sont visibles sur la figure 3, et la figure 4 montre les deux courbes d'intensité 202 du courant 403 et 404 en fonction du temps 200 lors de chacune des transitions. Les efforts magnétiques 405 et 406 correspondant appliqués sur l'armature 110 sont figurés, et les déplacement de soupapes en résultant 401 et 402 sont illustrés entre la position soupape fermée 206 et soupape ouverte 207. Pour chacune de ces trajectoires Ti et T2, l'invention consiste à décrire précisément dans le calculateur de contrôle de l'actionneur les profils IT1 (507) et IT2 (508) de l'intensité du courant de démagnétisation 2875264 7 qu'il est nécessaire d'appliquer. Chaque profil de courant peut être décrit, à titre d'exemple et non exclusivement, par une table représentant son intensité en fonction du temps 502, ou par une table représentant son intensité en fonction de la position de l'armature 501, ou préférentiellement, par une table représentant son intensité en fonction du temps 502 et de la position de l'armature 501. Dans l'invention, le profil du courant commandé 510 dans l'actionneur est déterminé à chaque instant par interpolation entre les deux profils de courants IT1 507 et IT2 508. Il est donc possible de définir un coefficient alpha 506 qui détermine le profil de courant commandé 510, tel que I=IT1 + alpha (IT2- 'Ti) Dans l'invention, le calculateur de contrôle de soupape comporte un moyen 506 lui permettant de faire correspondre à chaque temps de transition 503 de la soupape un coefficient alpha 506. Tel que montré dans la figure 5A, dans l'invention, le temps de transition 503 de la soupape est une consigne de fonctionnement pour le processeur de contrôle de soupape 120. Par le biais des stratégies décrites ci-dessus, il lui est alors possible de déterminer un coefficient alpha 5036 lui permettant d'assurer cette durée de transition 503, et de commander un profil de courant de démagnétisation 510 en fonction des profils décrits IT1 507 et IT2 508 correspondants aux trajectoires choisies T1 et T2 dont les temps de transitions sont connus. Dans une variante de l'invention, illustrée sur la figure 5B, le temps de transition 503 n'est pas explicitement utilisé comme consigne, mais le coefficient alpha 506 est directement utilisé à sa place. Cette variante permet de réduire le temps de calcul et d'assurer un traitement plus rapide de la consigne. Il est également possible d'envisager une variante de l'invention comportant plus de deux profils de courant décrits explicitement. Dans cette variante, la consigne de temps de transition 503 permet de déterminer quels profils vont être utilisés pour le calcul d'interpolation ainsi que le coefficient d'interpolation 506 associé. Dans cette variante, l'interpolation peut-être linéaire et ne porter que sur deux profils à la fois comme décrits précédemment, ou d'un degré supérieur et porter sur un nombre plus important de profils à la fois. Dans l'invention, la consigne du temps de transition 503 de la soupape peut-être déterminée à titre d'exemple, mais non exclusivement, en fonction d'un ou plusieurs états du moteur à combustion interne tels que le régime de rotation du moteur (N), le remplissage en air du moteur 2875264 8 (R), le nombre de soupapes actives sur le moteur (Ns), le nombre de cylindre actif sur le moteur (Nc), ou le couple délivré par le moteur (C). Dans l'invention, il est également possible de déterminer le temps de transition 503 de la soupape en fonction de variables décrivant la volonté du conducteur du véhicule telles que la position de la pédale d'accélérateur ou la position de la pédale de frein. 2875264 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif (100) de commande de soupape (118) comportant un actionneur électromécanique (121) muni d'une armature mobile (110) en liaison avec la dite soupape (118), d'un ou plusieurs électroaimants (108,112) comportant une ou plusieurs bobines (109,111) et un ou plusieurs aimants (107,113) et muni d'un processeur de contrôle (120) du courant de démagnétisation, caractérisé en ce que le dit processeur de contrôle (120) comprend deux profils d'intensité du courant de démagnétisation 'Ti et IT2 décrits explicitement (507,508) et associés à deux durées de transition de soupape résultantes de l'application de ces profils et utilise un coefficient d'interpolation (506) entre ces deux profils pour calculer le profil d'intensité du courant (510) de démagnétisation qui doit être appliqué à l'actionneur (121), et comprend des moyens (509) pour calculer ce coefficient d'interpolation (506) en fonction de la consigne de temps de transition (503) de la soupape. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que plus de deux profils de courant de démagnétisation sont décrits dans le processeur de contrôle (120) du courant de l'actionneur et chacun associés à la durée de transition de la soupape résultante de l'application de chacun de ces profils et en ce que le processeur 120 utilise un coefficient d'interpolation (506) entre au moins deux de ces profils et comprend des moyens pour calculer le coefficient d'interpolation et choisir les profils utilisés en fonction de la consigne de durée de transition (503) de la soupape. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer la consigne de temps de transition de la soupape (503) en fonction d'un ou plusieurs états du moteur tels que le régime du moteur (N), le remplissage en air du moteur (R), le nombre de soupapes actives sur le moteur (Ns) le nombre de cylindre actif sur le moteur (Nc), le couple délivré par le moteur (C). 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer la consigne de durée de transition (503) de la soupape en fonction d'une ou plusieurs variable décrivant la volonté du conducteur telles que la position de la pédale d'accélérateur ou la position de la pédale de frein. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que la consigne de durée de transition (503) est exprimée directement par le coefficient d'interpolation (506) au lieu d'un temps. 2875264 10 6. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction du temps (502) d'application du courant. 7. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction de la position de l'armature (501). 8. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction du temps (502) d'application du courant et de la position de l'armature (501). 9. Moteur à combustion interne muni d'un dispositif (100) de commande de soupape (118) comportant un actionneur électromécanique (121) muni d'une armature mobile (110) en liaison avec la dite soupape (118), d'un ou plusieurs électroaimants (108,112) comportant une ou plusieurs bobines (109,111) et un ou plusieurs aimants (107,113) et muni d'un processeur de contrôle (120) du courant de démagnétisation, caractérisé en ce que le dit processeur de contrôle (120) comprend deux profils d'intensité du courant de démagnétisation IT1 et IT2 décrits explicitement (507,508) et associés à deux durées de transition de soupape résultantes de l'application de ces profils et utilise un coefficient d'interpolation (506) entre ces deux profils pour calculer le profil d'intensité du courant (510) de démagnétisation qui doit être appliqué à l'actionneur (121), et comprend des moyens (509) pour calculer ce coefficient d'interpolation (506) en fonction de la consigne de temps de transition (503) de la soupape. 10. Moteur selon la revendication 9 caractérisé en ce que plus de deux profils de courant de démagnétisation sont décrits dans le processeur de contrôle (120) du courant de l'actionneur et chacun associés à la durée de transition de la soupape résultante de l'application de chacun de ces profils et en ce que le processeur 120 utilise un coefficient d'interpolation (506) entre au moins deux de ces profils et comprend des moyens pour calculer le coefficient d'interpolation et choisir les profils utilisés en fonction de la consigne de durée de transition (503) de la soupape. 11. Moteur selon la revendication 9 ou 10 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer la consigne de temps de transition de la soupape (503) en fonction d'un ou plusieurs états du moteur tels que le régime du moteur (N), le remplissage en air du moteur (R), le nombre de soupapes actives sur le moteur (Ns) le nombre de cylindre actif sur le moteur (Nc), le couple délivré par le moteur (C). 2875264 11 12. Moteur selon la revendication 9, 10 ou 11 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer la consigne de durée de transition (503) de la soupape en fonction d'une ou plusieurs variable décrivant la volonté du conducteur telles que la position de la pédale d'accélérateur ou la position de la pédale de frein. 13. Moteur selon la revendication 9, 10, 11 ou 12 caractérisé en ce que la consigne de durée de transition (503) est exprimée directement par le coefficient d'interpolation (506) au lieu d'un temps. 14. Moteur selon la revendication 9, 10, 11, 12 ou 13 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction du temps (502) d'application du courant. 15. Moteur selon la revendication 9, 10, 11, 12 ou 13 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction de la position (501) de l'armature. 16. Moteur selon la revendication 9, 10, 11, 12 ou 13 caractérisé en ce que la description des profils de courants de démagnétisation est réalisée en fonction du temps (502) d'application du courant et de la position (501) de l'armature.