Brevet FR2900199A1 — publié le 20071026

Procédé de création d'un couple négatif par un moteur à combustion interne et de réglage de la valeur dudit couple [0001 La présente invention concerne la création d'un couple négatif par un moteur à combustion interne. Le procédé permet également de régler la valeur du couple négatif créé à une valeur de consigne souhaitée, laquelle qui peut être variable au cours du temps. [0002] Il est souhaitable, dans certaines conditions d'utilisation d'un véhicule automobile, de créer un couple négatif dont la valeur absolue est maximum. Par exemple, afin de ralentir un véhicule on créé un couple négatif, désigné par couple frein moteur, en relâchant la pédale d'accélérateur. De même, pour passer à un rapport supérieur de la boite de vitesses, quelque soit son type, on fait chuter rapidement le régime moteur en créant un couple négatif, la chute de régime étant d'autant plus rapide que le couple négatif, en valeur absolue, est important. On diminue ainsi le temps nécessaire pour passer à un rapport de vitesse supérieur et on diminue également l'usure de l'embrayage. [0003] De façon conventionnelle et évidente, un couple négatif est créé par coupure de l'injection de combustible dans les cylindres du moteur, qu'il soit de type essence ou Diesel, et en fermant le papillon d'entrée d'air pour les moteurs à essence. [0004] Des méthodes plus sophistiquées ont été proposées, consistant à agir sur le cycle d'ouverture et de fermeture des soupapes. Ainsi le brevet français FR 2 547 352, publié le 14 décembre 1984, décrit un dispositif de frein moteur provoquant l'ouverture de la soupape d'échappement d'un cylindre à la fin du temps de compression. Le brevet français FR 2 798 701, publié le 23 mars 2001, concerne un dispositif assurant le freinage moteur en compression moteur à deux cycles. Pour se faire, au moins une soupape d'échappement est ouverte au voisinage de la position du point mort haut du piston associé à ladite soupape d'échappement, tandis qu'au moins une 2 soupape d'admission est ouverte au voisinage de la position du point mort bas du piston associé à ladite soupape d'admission. [0005] La présente invention propose un procédé de création d'un couple négatif qui est relativement simple par rapport aux procédés de l'art antérieur, en ne modifiant que le fonctionnement d'une ou plusieurs soupapes d'admission. Lorsque les soupapes d'admission sont pilotées de façon électromagnétique ou électrohydraulique, le procédé utilise la flexibilité des diagrammes d'admission afin d'augmenter sensiblement le couple négatif permis par le moteur. Cette stratégie, qui mise sur le cycle d'ouverture/fermeture d'une ou plusieurs soupapes d'admission, permet d'améliorer l'asservissement de la valeur du couple négatif à une valeur de consigne, laquelle est généralement variable dans le temps. [0006] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de création d'un couple négatif par un moteur à combustion interne fonctionnant selon un cycle à quatre phases, chaque cylindre du moteur comportant au moins une soupape d'échappement et au moins une soupape d'admission, selon lequel on fait varier le diagramme d'ouverture/fermeture des soupapes du moteur. Selon l'invention, durant le cycle à quatre phases, la soupape d'admission d'au moins l'un des cylindres du moteur n'est en position ouverte qu'au voisinage du point mort bas du piston pendant la phase d'admission, avant d'atteindre le point mort bas et jusqu'à la fin de la phase d'admission. En d'autres termes, la soupape d'admission n'est ouverte que vers la fin de la phase d'admission. [0007] De façon avantageuse, la soupape d'admission est également 25 ouverte au début de la phase de compression qui suit la phase d'admission, puis fermée pendant le reste du temps de la phase de compression. [0008] Selon un mode de réalisation, la quantité d'air admis dans le cylindre durant la période d'ouverture de la soupape d'admission est réglable, afin d'ajuster la valeur absolue du couple négatif créé à une valeur de consigne 3 souhaitée. La quantité d'air peut être réglée en contrôlant la durée d'ouverture de la soupape d'admission et/ou le temps du début d'ouverture de la soupape d'admission. [0009] Selon un autre mode de réalisation, la valeur absolue du couple négatif créé par le moteur est ajustée à une valeur de consigne souhaitée en choisissant le nombre de soupapes d'admission du moteur fonctionnant selon le procédé défini précédemment. [0010] La valeur de consigne souhaitée étant généralement variable dans le temps, la valeur absolue du couple négatif créé est ajustée en fonction de 10 l'évolution de la valeur de consigne. [0011] Les soupapes d'admission sont avantageusement commandées de façon électromagnétique ou électrohydraulique. [0012] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de 15 l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 illustre un exemple d'application de l'invention pour lequel la création d'un couple négatif est utile, - la figure 2 est un diagramme qui couvre les quatre phases d'un cycle et qui 20 montre la levée des soupapes d'échappement et d'admission, conformément à l'invention, en fonction de la rotation du vilebrequin du moteur, - la figure 3 est un diagramme montrant les variations de la pression dans un cylindre en fonction du volume du cylindre au cours du déplacement du piston dans le cylindre, et 25 - la figure 4 est un agrandissement de la figure 3 pour les basses pressions. [0013] La figure 1 illustre un exemple de demande de création d'un couple négatif par un moteur d'un véhicule automobile associé à une boite de vitesse pilotée ou automatique. Il s'agit de passer d'un rapport de boîte de vitesse au rapport supérieur, sous contrôle d'un superviseur (un circuit logique ou un microprocesseur) qui pilote le régime moteur en fonction de valeurs de consigne de couple moteur. L'axe des abscisses représente le temps t et l'axe des ordonnées représente le régime de rotation du moteur, de 800 à 1.800 tours/minute, ou la valeur du couple de consigne commandé au moteur. Les valeurs de consigne sont déterminées par le superviseur selon un algorithme et en fonction de paramètres propres à chaque motoriste. Le changement de rapport de boîte de vitesse est illustré par la courbe 10 : au temps tC, on passe du rapport illustré par le segment de droite 12 au rapport supérieur illustré par le segment de droite 14. Les courbes 16 et 18 représentent respectivement la valeur consignée du couple commandé au moteur et le régime réel du moteur en fonction du temps t. On remarque qu'à partir du moment où le couple moteur chute, le régime moteur chute également et qu'une demande de couple négatif existe à partir du temps t1 jusqu'à sensiblement l'instant tC. Plus la valeur du couple négatif créé est élevée, plus la chute de régime moteur est importante et plus le laps de temps pour passer au rapport supérieur est court. D'autre part, la chute de régime plus rapide permet de diminuer l'énergie dissipée dans l'embrayage lors du passage de vitesse et ainsi d'augmenter sa durée de vie. [0014] Selon l'invention, on modifie le diagramme de distribution des soupapes d'admission (ou au moins de l'une d'entre elles) d'un moteur à combustion interne, de façon à obtenir un couple de valeur négative et donc une chute de régime moteur en un temps donné. La figure 2 représente la levée L, ou l'ouverture, de la soupape d'échappement 20 et de la soupape d'admission 22 d'un cylindre en fonction de l'angle de rotation Vil du vilebrequin du moteur. Le moteur fonctionne selon un cycle classique à quatre temps (ou phases) et peut être un moteur essence ou Diesel. Le cycle commence sur la figure 2 par le point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. L'ouverture de la soupape d'admission, représentée par la courbe 20, s'effectue de façon classique du point mort bas de la phase d'échappement PMB ECH au point mort haut du cycle d'admission PMH ADM, le vilebrequin ayant effectué une rotation d'un angle Vil égale à 180 5 (entre deux points morts successifs de la figure 2, le vilebrequin effectue une rotation de 180 ). [0015] Dans un cycle classique, la soupape d'admission est ouverte de PMH ADM jusqu'au point mort bas de la phase d'admission PMB ADM. Selon l'invention, la soupape d'admission reste fermée entre PMH ADM et PMB ADM, mais est placée en position ouverte un peu avant que le piston n'atteigne le point mort bas de la phase d'admission PMB ADM. La soupape d'admission est ensuite fermée, soit lorsque le piston atteint le PMB ADM, soit comme indiqué sur la figure 2 pendant la phase de compression qui débute à PMB ADM. L'ouverture de la soupape d'admission est représentée sur la figure 2 par la courbe 22. [0016] Pendant la phase d'admission, la soupape d'admission (et d'échappement) est fermée. Lors de la descente du piston, l'air emprisonné dans le cylindre est détendu jusqu'à une pression voisine de 0,2 bar. L'ouverture de la soupape d'admission en toute fin d'admission et éventuellement en début de la remontée du piston permet d'emmagasiner de l'air qui sera ensuite comprimé après la fermeture de la soupape d'admission. [0017] Les figures 3 et 4 représentent la pression P dans le cylindre en fonction du volume V du cylindre, pour les phases d'un cycle à quatre temps. La pression P dans le cylindre est donné en pourcentage de la pression maximale atteinte lors du cycle, au point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. Sur les figures 2 et 3, le volume minimal est indiqué égal en zéro par convenance : en fait il n'est pas nul mais il est égal à la différence des volumes du cylindre lorsque le piston est au point mort bas et lorsque le piston est au point mort haut. Au point mort haut de la 6 phase de combustion PMH COMB, le volume V est minimal et la pression P est maximale. Lorsque le piston descend, sachant qu'il n'y a pas eu de combustion et que les soupapes d'échappement et d'admission sont fermées, la pression diminue et le volume augmente (courbe 30, phase de détente) jusqu'à atteindre le point mort bas de la phase d'échappement PMB ECH. La soupape d'échappement est alors ouverte. Lorsque le piston remonte, la pression P reste sensiblement constante alors que le volume V diminue (courbe 32, phase d'échappement), jusqu'à devenir minimal au point mort haut de la phase d'admission PMH ADM. La soupape d'échappement est alors fermée, mais la soupape d'admission reste fermée. Lorsque le piston redescend, la pression diminue rapidement au début pour ensuite se stabiliser à une valeur minimale (courbe 34, phase d'admission) alors que le volume V passe de sa valeur minimale à sa valeur maximale au point mort bas de la phase d'admission PMB ADM. Vers la fin de cette phase d'admission et en début de la phase suivante de compression, la soupape d'admission est ouverte brièvement de façon à emmagasiner une quantité maximale d'air dans la chambre de combustion. La pression augmente alors à une valeur proche de la pression atmosphérique. Ensuite, lorsque le piston remonte pour passer de PMB ADM à PMH COMB, la pression remonte à sa valeur maximale alors que le volume V atteint sa valeur minimale (courbe 36, phase de compression). [0018] Pour un cycle normal avec combustion, la courbe 30 de la phase de détente se trouve au dessus de la courbe 36 de la phase de compression. En effet, dû à la combustion, la pression augmente dans le cylindre. En revanche, pour un cycle sans combustion tel qu'utilisé dans l'invention, la courbe 30 de détente se trouve en dessous de la courbe 36 de compression. La pression, à volume constant, a en effet diminué pour les raisons suivantes : lorsque le piston remonte dans le cylindre pendant la phase de compression, l'air s'échauffe puis se refroidit lorsque le piston descend pendant la phase de détente du fait principalement de la compression et de la détente du gaz. Pendant ces deux phases, la température élevée du gaz 7 comprimé provoque des pertes thermiques par les parois du cylindre. Il en résulte une diminution de pression. De plus, les segments du piston ne sont pas parfaitement étanches, ce qui donne lieu à des fuites d'air et donc à une diminution correspondante de pression. [0019] Les courbes 36 et 30 (compression puis détente) forment une boucle, appelée boucle haute pression, dont la surface correspond à un travail indiqué fourni par le moteur. Ce travail est appelé indiqué car il résulte d'un calcul effectué à partir des courbes P-V alors que le travail effectif est le travail mesuré directement à la sortie de l'arbre moteur ou du vilebrequin. La différence entre le travail indiqué et le travail effectif provient des frottements internes dans le moteur. Le travail, indiqué ou effectif, se traduit directement en couple moteur. Le travail indiqué calculé à partir des courbes 30 et 36 est un travail négatif parce que la courbe 30 de détente est en dessous de la courbe 36 de compression. Il en est de même du couple correspondant à ce travail négatif. On a donc bien création d'un couple négatif. [0020] Il convient maintenant d'examiner la boucle basse pression délimitée par les courbes 32 et 34 (phases d'échappement et d'admission). Quand la soupape d'échappement est ouverte, la pression dans le cylindre est celle de l'échappement (légèrement supérieure à la pression atmosphérique). Lors de la descente du piston depuis PMH ADM (phase d'admission), la soupape d'admission est fermée et le gaz est donc détendu et la pression diminue jusqu'à environ 0.2 bar : les pertes d'énergie par détente du gaz sont donc très importantes. L'aire de la boucle basse pression, qui correspond au travail indiqué, est très grande. Le travail indiqué de la boucle basse pression du cycle est donc très négatif. Il en est de même du couple correspondant au travail indiqué. [0021] Des essais effectués sur un moteur, dont les soupapes d'admission étaient pilotées conformément à l'invention et de façon électromagnétique, ont montré un gain de 20% sur la valeur absolue du couple négatif par 8 rapport à la valeur du couple négatif produit par un moteur dont les soupapes étaient commandées à l'aide d'un arbre à cames. [0022] De façon avantageuse, les soupapes d'admission sont commandées de façon électromagnétique ou électrohydraulique, donc sans arbre à cames, ni dispositif supplémentaire pour modifier le diagramme classique de l'ouverture/fermeture des soupapes. Il en résulte une très grande flexibilité pour actionner les soupapes d'admission à un temps et pour une durée souhaités. [0023] Selon l'invention, on peut pour chaque cycle régler la valeur absolue du couple négatif créé en fonction d'une valeur de consigne. En effet, il suffit pour cela de faire varier la quantité d'air admis dans le cylindre lors de l'ouverture de la soupape d'admission. Pour ce faire, il suffit d'ajuster, soit la durée de la période pendant laquelle la soupape est en position ouverte (largeur à mi-hauteur de la courbe 22, figure 2), soit le temps du début d'ouverture de la soupape d'admission, soit les deux paramètres à la fois. [0024] En considérant le couple négatif fourni par l'ensemble des pistons, et donc fourni par le moteur et non plus par un seul cylindre, il est possible de régler la valeur absolue du couple négatif en agissant sur le nombre des pistons fournissant un couple négatif, certains produisant un couple négatif conformément à l'invention, d'autres fonctionnant selon le cycle normal à quatre temps et produisant en conséquence un couple négatif de valeur absolue plus faible. Par exemple, pour un moteur à quatre cylindres, un seul pourrait fonctionner selon l'invention à un instant considéré alors qu'à un autre instant les quatre cylindres pourraient fonctionner selon l'invention si la demande en couple négatif, en valeur absolue, est plus importante. De plus, si chaque cylindre comporte deux soupapes d'admission, il est possible de régler la valeur du couple négatif créé en ouvrant une seule ou les deux soupapes d'admission selon le procédé de l'invention. De façon générale, on peut choisir le nombre de soupapes du moteur qui seront pilotées selon 9 l'invention en fonction de la valeur de consigne du couple négatif, cette valeur de consigne étant généralement variable dans le temps. [0025] On remarque que l'invention procure une grande souplesse permettant d'asservir à chaque instant la valeur du couple négatif créé à une valeur de consigne variable dans le temps. L'invention permet également d'obtenir une grande dynamique de commande de couple, aussi bien négatif que positif, puisque l'on passe aisément de l'un à l'autre par la simple adaptation du diagramme d'ouverture/fermeture des soupapes d'admission. REVENDICATIONS 1. Procédé de création d'un couple négatif par un moteur à combustion interne fonctionnant selon un cycle à quatre phases, chaque cylindre du moteur comportant au moins une soupape d'échappement (20) et au moins une soupape d'admission (22), procédé selon lequel on fait varier le diagramme d'ouverture/fermeture des soupapes du moteur, caractérisé en ce que, durant le cycle à quatre phases, la soupape d'admission (22) d'au moins l'un des cylindres du moteur n'est en position ouverte qu'au voisinage du point mort bas du piston (PMB ADM) pendant la phase d'admission (34), avant d'atteindre le point mort bas et jusqu'à la fin de la phase d'admission (34). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la soupape d'admission est également en position ouverte au début de la phase de compression (36) qui suit la phase d'admission (34), puis fermée pendant le reste du temps de la phase de compression (36). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité d'air admis dans le cylindre durant la période d'ouverture de la soupape d'admission est réglable, afin d'ajuster la valeur absolue du couple négatif créé à une valeur de consigne souhaitée. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la quantité d'air est réglée en contrôlant la durée d'ouverture de la soupape d'admission. 5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la quantité d'air est réglée en contrôlant le temps du début d'ouverture de la soupape d'admission. 6. Procédé selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que la quantité d'air est réglée en contrôlant la durée d'ouverture et le temps du début d'ouverture de la soupape d'admission. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la valeur absolue du couple négatif créé par le moteur est ajustée à 11 une valeur de consigne souhaitée en choisissant le nombre de soupapes d'admission du moteur fonctionnant selon le procédé défini à l'une des revendications précédentes. 8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7 caractérisé en ce que, la valeur de consigne souhaitée étant variable dans le temps, la valeur absolue du couple négatif créé est ajustée en fonction de l'évolution de la valeur de consigne. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les soupapes d'admission sont commandées de façon électromagnétique ou électrohydraulique. 20 25