Brevet FR2900201A1 — 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 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 maximale. 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 carburant 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 ce 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 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 créé 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, le cycle comporte une première et une deuxième levée de la soupape d'admission d'au moins l'un des cylindres du moteur, la première levée consistant à ouvrir la soupape d'admission pendant la phase d'admission et la deuxième levée consistant à ouvrir la soupape d'admission lorsque le piston est au voisinage du point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. [0007] Selon un mode de réalisation, la deuxième levée débute avant que le piston atteigne le point mort haut de la phase de combustion PMH COMB et se termine après que le piston soit passé au point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. [0008] Selon un autre mode de réalisation, la deuxième levée débute lorsque le piston atteint le point mort haut de la phase de combustion PMH COMB et se termine pendant que le piston descend et avant qu'il atteigne le point mort bas de la phase d'échappement PMB ECH. [0009] Selon un autre mode de réalisation, on règle la quantité d'air admis dans le cylindre durant la première levée afin d'ajuster la valeur absolue du couple négatif créé à une valeur de consigne souhaitée. La quantité d'air peut être réglée en contrôlant l'instant d'ouverture et l'instant de fermeture de la première levée de la soupape d'admission. [0010] Selon un autre mode de réalisation, la valeur absolue du couple négatif créé est réglée en contrôlant l'instant d'ouverture de la deuxième levée de la soupape d'admission, avant ou après le point mort haut de la phase de combustion. [0011] L'invention permet d'ajuster la valeur absolue du couple négatif créé globalement par le moteur à une valeur de consigne souhaitée en choisissant le nombre de soupapes d'admission du moteur fonctionnant selon le procédé défini précédemment. Lorsque la valeur de consigne souhaitée est variable dans le temps, la valeur absolue du couple négatif créé est ajustée en fonction de l'évolution de la valeur de consigne. [0012] Les soupapes d'admission sont avantageusement commandées de façon électromagnétique ou électrohydraulique. [0013] [0014] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de 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 un cycle à quatre phases et qui montre la levée L des soupapes d'échappement et d'admission, conformément à l'invention, en fonction de l'angle de rotation Vil du vilebrequin du moteur, • la figure 3 est un diagramme montrant les variations de la pression Pcyll dans un cylindre en fonction du volume du cylindre pendant un cycle à quatre phases, • la figure 4 représente le travail indiqué , et donc le couple négatif, obtenu en appliquant le procédé de l'invention, • La figure 5 illustre à partir du diagramme des levées des soupapes plusieurs méthodes permettant de régler la valeur absolue du couple négatif, et • les figures 6 et 7 représentent chacune le diagramme de la pression dans le cylindre en fonction du volume du cylindre pendant un cycle à quatre 15 phases, la deuxième levée de la soupape d'admission se produisant plus tôt dans le cycle sur la figure 7 que sur la figure 6. [0015] La figure 1 illustre un exemple de demande de création d'un couple négatif par un moteur de véhicule automobile associé à une boite de vitesse pilotée ou automatique. Il s'agit de passer d'un rapport de boîte de vitesse au 20 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 25 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 absolue du couple négatif 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. [0016] 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 20 de la soupape d'échappement et les deux levées successives 22 et 24 de la soupape d'admission d'un cylindre en fonction de l'angle de rotation Vil du vilebrequin du moteur. Le moteur fonctionne selon un cycle à quatre phases (ou temps) 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'échappement, représentée par la courbe 20, s'effectue de façon classique sensiblement 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 égal à 180 (entre deux points morts successifs de la figure 2, le vilebrequin effectue une rotation d'un angle Vil égal à 180 ). [0017] En descendant du point mort haut PMH ADM vers le point mort bas PMB ADM de la phase d'admission, la soupape d'admission est ouverte (première levée 22) de façon à admettre de l'air dans le cylindre. Cette phase est conforme au cycle classique à quatre phases. La fermeture de la soupape d'admission commence, comme représentée sur la figure 2, un peu avant que le piston atteigne le point mort bas de la phase d'admission PMB ADM. Vient ensuite la phase de compression de l'air emprisonné dans le cylindre, cette phase se produisant sensiblement du point mort bas de la phase d'admission PMB ADM au point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. Il n'y a pas injection de carburant, la combustion n'a donc pas lieu et, selon l'invention, la soupape d'admission est levée une deuxième fois (deuxième levée 24) lorsque le piston est au voisinage du PMH COMB. La période d'ouverture de la deuxième levée de la soupape d'admission peut s'étendre de part et d'autre du point mort haut de combustion PMH COMB, ou après ou avant ce point PMH COMB. [0018] Le cycle illustré sur la figure 2 peut être mis en oeuvre, lorsque l'on souhaite obtenir un couple négatif, pour chacun des cylindres du moteur ou pour quelques uns d'entre eux ou pour seulement un seul cylindre. De plus, lorsqu'un cylindre comporte plus d'une soupape d'admission (généralement deux), toutes les soupapes du cylindre peuvent être commandées selon le cycle de la figure 2 ou une seule uniquement. Alternativement, lorsque chaque cylindre comporte une première et une deuxième soupape d'admission, la première soupape peut être levée à la première levée 22 alors que la deuxième soupape est fermée et la deuxième soupape peut être levée à la deuxième levée 24 alors que la première soupape est fermée. [0019] La figure 3 est un diagramme qui représente la variation de la pression Pcyll dans la chambre d'un cylindre (désigné arbitrairement cylindre 1) en fonction du volume de la chambre du cylindre pour les quatre phases du cycle (pour simplifier, on parle de pression dans le cylindre et de volume du cylindre alors qu'il s'agit bien entendu de la pression dans la chambre du cylindre et du volume de cette chambre). Le volume minimal 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. En suivant les quatre phases du cycle selon le sens des flèches indiquées sur la figure 3, l'air emprisonné dans le cylindre lors de la première levée 22 de la soupape d'admission est comprimé durant la phase de compression COMP (représentée en trait plein) lorsque le piston monte du PMB ADM au PMH COMB. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la deuxième levée 24 de la soupape d'admission se produit lorsque le piston atteint son point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. Le volume du cylindre est alors minimal. A l'ouverture de la soupape d'admission, la pression chute brutalement au début de la phase de détente DET (représentée en pointillés) jusqu'au moment 30 de cette phase, alors que le volume n'a que très peu augmenté. La soupape d'admission est ensuite fermée au début de la descente du piston de la phase de détente DET, laquelle se poursuit jusqu'au point mort bas de la phase d'échappement PMB ECH. Le volume est maximal à ce point et la pression a légèrement diminuée du fait de la détente de l'air emprisonné dans le cylindre. Vient ensuite la phase d'échappement ECH (représentée en petits traits), de PMB ECH à PMH ADM, pendant laquelle la pression reste relativement constante alors que le volume atteint sa valeur minimale. Durant la phase suivante d'admission ADM (représentée en traits et pointillés), de PMH ADM au PMB ADM, se produit la première levée 22 de la soupape d'admission afin de remplir le cylindre d'air avant que celui-ci soit comprimé. On remarque que la courbe d'admission ADM rejoint la courbe de détente DET et que sur le diagramme les positions des points morts bas de la phase d'admission PMB ADM et de la phase de détente PMB DET sont confondues. [0020] Le diagramme de la figure 3 se compose de deux boucles : l'une concernant les phases compression et détente, qui est formée des deux courbes COMP et DET et qui est une boucle haute pression et l'autre concernant les phases échappement et admission, qui est formée des deux courbes ECH et ADM et qui est une boucle basse pression. L'aire de chacune des deux boucles est hachurée sur la figure 4 qui représente le même diagramme que celui de la figure 3. [0021] L'aire formée par chacune des deux boucles correspond à un travail 30 indiqué fourni par le moteur. Ce travail est appelé indiqué car il résulte d'un calcul effectué à partir des courbes Pression - Volume 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. [0022] Le travail indiqué calculé à partir de chacune des deux boucles est un travail négatif. En effet, d'une part parce que la courbe DET est en dessous de la courbe COMP. Pour un cycle classique avec combustion, la pression dans le cylindre pendant la phase de détente est supérieure à la pression pendant la phase de compression puisque la combustion fait augmenter la pression dans le cylindre. Dans le procédé de l'invention, donc sans combustion, c'est l'inverse qui se produit : la pression dans le cylindre pendant la phase de détente est inférieure à la pression pendant la phase de compression. De plus, la deuxième levée 24 de la soupape d'admission fait chuter brusquement la pression dans le cylindre de PMH COMB à la référence 30. L'aire de la boucle haute pression ainsi obtenue est très grande. Le travail indiqué, et donc le couple correspondant, sont très négatifs. [0023] D'autre part, la courbe ADM est en dessous de la courbe ECH puisque la fermeture de la soupape d'admission au début de la descente du piston provoque la détente de l'air emprisonné dans le cylindre et donc une diminution de pression. Le travail indiqué, représenté par l'aire de la boucle basse pression ainsi obtenue, est important et négatif. Il en est de même du couple correspondant à ce travail négatif. Pour un cycle complet, en parcourant les deux boucles haute et basse pression, on a donc bien création d'un couple négatif par le cylindre considéré (cylindre 1) du moteur. [0024] Si la force nécessaire pour lever la soupape d'admission au PMH COMB est trop importante du fait que la pression maximale atteinte dans le cylindre est trop élevée, il est possible de procéder à la deuxième levée 24 de la soupape avant ou après le passage du piston au PMH COMB, lorsque la pression dans le cylindre est plus faible. Il est également possible de diminuer la quantité d'air admis lors de la première levée 22 de la soupape d'admission en diminuant le temps d'ouverture de cette soupape. En diminuant la quantité d'air admis, on diminue en effet la pression dans le cylindre lors de la phase de compression. [0025] 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. [0026] Selon l'invention, on peut pour chaque cycle régler la valeur absolue du couple négatif créé en fonction d'une valeur de consigne. Pour cela, les deux méthodes suivantes sont possibles (les deux méthodes pouvant d'ailleurs être utilisées ensemble) : [0027] On peut ajuster la demande en couple négatif en maîtrisant la quantité d'air admis dans le cylindre lors de la première levée 22 et donc la pression maximale dans le cylindre lors de la phase de compression. C'est ce qui est illustré sur la figure 5 par la première levée 50 de la soupape d'admission. Dans ce cas, on souhaite un couple négatif plus important par rapport à la première levée indiquée par la référence 22. On ouvre alors la soupape d'admission pendant un temps plus important de façon à admettre plus d'air dans le cylindre avant la phase de compression. Le PMH COMB du diagramme est alors plus élevé en pression. Inversement, si on souhaite moins de couple négatif, on admet moins d'air dans le cylindre ce qui fait descendre le PMH COMB en pression. [0028] On peut également ajuster la demande en couple négatif en agissant sur l'instant de la deuxième levée 24 de la soupape d'admission. C'est ce qui est illustré sur la figure 5 par une deuxième levée 52 retardée par rapport à la levée 24 ou par une deuxième levée 54 avancée par rapport à la levée 24. De cette façon on modifie l'aire de la boucle haute pression formée par les phases de compression et de détente. [0029] Les figures 6 et 7 représentent chacune un diagramme Pression ù Volume permettant d'obtenir une valeur absolue de couple négatif inférieure à celle obtenue par le diagramme de la figure 3. Les différentes phases du cycle sont représentées et indiquées comme les phases de la figure 3. Dans le cas illustré sur la figure 6, la deuxième levée (52 sur la figure 5) de la soupape d'admission a lieu à un moment du cycle indiqué par la référence 60 après que le piston soit passé par le PMH COMB, donc au cours de sa descente pendant la phase de détente. Du point PMH COMB au moment 60 du cycle, les deux courbes de compression et de détente sont pratiquement confondues, puisque la combustion n'a pas eu lieu. A partir du moment 60, la deuxième levée 52 de la soupape d'admission se produit ce qui entraîne une chute brutale de la pression dans le cylindre. On remarque que l'aire de la boucle haute pression compression ù détente est plus petite que celle de la figure 3. Le travail indiqué, et donc le couple négatif, sont plus petits. [0030] L'exemple illustré sur la figure 7 correspond à une diminution du couple négatif dû à une deuxième levée (54 sur la figure 5) se produisant avant que le piston atteigne le PMH COMB, pendant la phase de compression. Le moment de la deuxième levée pendant le cycle est indiqué par la référence 70 sur le diagramme. A ce moment du cycle, la pression chute (référence 72), puis se stabilise (référence 74) sensiblement à la pression atmosphérique jusqu'au point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. Sur ce diagramme, les positions des points morts hauts PMH des phases de combustion et d'admission sont confondues. Il en est de même des positions des points morts bas PMB des phases d'échappement et d'admission. L'aire de la boucle haute pression compression ù détente est inférieure à celle de la boucle haute pression du diagramme de la figure 3. La valeur absolue du couple négatif obtenu par le cycle de la figure 7 est donc plus faible. [0031] En contrôlant l'ouverture et la fermeture d'au moins l'une des deux levées de la soupape d'admission, il est possible de doser le couple négatif 5 produit par le moteur. [0032] En considérant le couple négatif fourni par l'ensemble des pistons, et donc fourni par le moteur et non plus par un seul cylindre comme précédemment, il est également possible de régler la valeur absolue du couple négatif en agissant sur le nombre des pistons fournissant un couple 10 négatif, certains produisant un couple négatif conformément à l'invention, d'autres fonctionnant selon le cycle normal à quatre phases (mais sans combustion) 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 pendant une certaine période de temps 15 alors que les trois autres fonctionneraient selon le cycle classique à quatre phases. Cependant, pendant une autre période de temps, plusieurs cylindres (tous les quatre par exemple) pourraient fonctionner selon l'invention si la demande en couple négatif, en valeur absolue, est plus importante pendant cette autre période. De plus, si chaque cylindre comporte deux soupapes 20 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 l'invention en fonction de la valeur de consigne du couple négatif, cette valeur de consigne étant généralement 25 variable dans le temps. [0033] 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, procédé selon lequel on fait varier le diagramme d'ouverture/fermeture des soupapes du moteur, caractérisé en ce que le cycle comporte une première (22) et une deuxième (24) levée de la soupape d'admission d'au moins l'un des cylindres du moteur, la première levée (22) consistant à ouvrir la soupape d'admission pendant la phase d'admission ADM et la deuxième levée (24) consistant à ouvrir la soupape d'admission lorsque le piston est au voisinage du point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la deuxième levée (24) débute avant que le piston atteigne le point mort haut de la phase de combustion PMH COMB et se termine après que le piston soit passé au point mort haut de la phase de combustion PMH COMB. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la deuxième levée (24) débute lorsque le piston atteint le point mort haut de la phase de combustion PMH COMB et se termine pendant que le piston descend et avant qu'il atteigne le point mort bas de la phase d'échappement PMB ECH. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, chaque cylindre du moteur comportant une première et une deuxième soupape d'admission, la première soupape est levée à la première levée (22) alors que la deuxième soupape est fermée et la deuxième soupape est levée à la deuxième levée (24) alors que la première soupape est fermée. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité d'air admis dans le cylindre durant la première levée est réglable, afin d'ajuster la valeur absolue du couple négatif créé à une valeur de consigne souhaitée. 13 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la quantité d'air est réglée en contrôlant l'instant d'ouverture et l'instant de fermeture de la première levée de la soupape d'admission. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la valeur absolue du couple négatif créé est réglée en contrôlant l'instant d'ouverture de la deuxième levée de la soupape d'admission. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que 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 à l'une des revendications précédentes. 9. Procédé selon la revendication 8 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. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les soupapes d'admission sont commandées de façon électromagnétique ou électrohydraulique.