Brevet FR2923550A1 — publié le 20090515

Système et procédé de démarrage d'un moteur thermique La présente invention concerne un système et un procédé de démarrage d'un moteur thermique d'un véhicule équipé de deux organes de démarrage et de deux sources d'énergie électrique. L'invention facilite les démarrages rendus difficiles lorsque la température extérieure est relativement basse, notamment pour le premier démarrage de la journée. De plus en plus de véhicules à moteur thermique possèdent des fonctions permettant de moins polluer. C'est le cas par exemple des véhicules équipés d'un système de récupération d'énergie (par exemple l'énergie de décélération est récupérée pour recharger un organe de stockage d'énergie électrique) ou un système Stop & Start qui automatiquement arrête le moteur thermique lorsque la vitesse du véhicule est en dessous d'un seuil déterminé (par exemple 5 km/h) et remet le moteur en marche dés que le conducteur manifeste son intention de redémarrer. Ces véhicules sont généralement munis de deux sources d'énergie électrique et de deux systèmes de démarrage du moteur thermique, à savoir une batterie traditionnelle généralement de 12 Volts pouvant actionner un démarreur classique et un organe de stockage d'énergie électrique pouvant alimenter un alterno-démarreur. Ce dernier est un alternateur réversible, c'est-à-dire un appareil fonctionnant en alternateur, donc fournissant du courant électrique à une batterie lorsqu'il est entraîné en rotation par le vilebrequin du moteur, et inversement fonctionnant en démarreur, c'est-à-dire en moteur électrique fournissant de l'énergie mécanique au vilebrequin lorsqu'il est alimenté en courant électrique. L'alterno-démarreur est généralement couplé à une batterie ou à un supercondensateur. La figure 1 représente le schéma classique d'un système de démarrage d'un moteur thermique. Le système comporte un démarreur 10 connecté électriquement à une source d'énergie électrique 11 telle qu'une batterie, laquelle est également connectée au réseau de bord 12 du véhicule. Le réseau de bord connecte la batterie 11 à divers consommateurs électriques (non représentés), par exemple les essuie-glaces, les phares, 2 etc. Le démarreur 10 comporte un arbre de sortie couplé par engrenages au vilebrequin du moteur thermique. Cet arbre est mis en rotation lorsque le démarreur reçoit de l'énergie électrique fournie par la batterie 11, entraînant alors la rotation du moteur thermique. Par temps froid, le démarrage du moteur thermique peut être difficile, ou même impossible, car, d'une part, la puissance délivrée par la batterie est limitée (la puissance diminue en effet lorsque la température baisse) et, d'autre part, l'huile de lubrification du moteur étant moins visqueuse, les frottements internes au moteur augmentent. La présente invention propose un système et un procédé permettant de faciliter les démarrages du moteur thermique lorsque la température extérieure est basse, par exemple ù 30 °C. De façon plus précise, l'invention propose un système de démarrage du moteur thermique d'un véhicule équipé d'un démarreur, d'un alterna- démarreur et d'une première et d'une deuxième source d'énergie électrique, Selon l'invention, le système comporte des moyens pour connecter, pendant la phase de démarrage du moteur thermique, le démarreur à la première source d'énergie électrique et l'alterno-démarreur à la deuxième source d'énergie électrique. De façon avantageuse, la première source d'énergie est une batterie et la deuxième source d'énergie est un supercondensateur. Le système peut comporter des moyens de couplage de la première source d'énergie électrique avec la deuxième source d'énergie électrique, ces moyens pouvant être constitués principalement par un convertisseur DC/DC. Le système peut comporter un circuit logique de commande de la mise en marche du démarreur pendant le début de la phase de démarrage du moteur thermique et ensuite la commande de la mise en marche de l'alternodémarreur. L'invention concerne également un procédé de démarrage du moteur thermique d'un véhicule muni d'un démarreur, d'un alterno-démarreur et d'une première et d'une deuxième source d'énergie électrique. Selon 3 l'invention, ce procédé consiste principalement, afin de démarrer le moteur thermique, à actionner le démarreur à l'aide de la première source d'énergie électrique et à actionner l'alterno-démarreur à l'aide de la deuxième source d'énergie électrique. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le démarreur et l'alterno-démarreur sont actionnés simultanément. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le démarreur est actionné seul en début de la phase de démarrage du moteur thermique, puis l'alternodémarreur est actionné lorsque le régime du moteur thermique atteint un seuil prédéterminé. 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 (art antérieur) montre le schéma électrique classique de connexion de la batterie au démarreur ; - la figure 2 représente de façon générale et schématique le système de l'invention ; - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier du 20 système ; - la figure 4 montre deux courbes représentant les valeurs du couple du démarreur et de l'alterno-démarreur en fonction du régime du vilebrequin du moteur thermique; - la figure 5 montre une courbe représentant le régime moteur au 25 démarrage du moteur thermique à l'aide du démarreur et de la batterie ; - la figure 6 montre une courbe représentant le régime moteur au démarrage du moteur thermique à l'aide d'un alterno-démarreur et d'un supercondensateur ; et - la figure 7 est une courbe représentant le régime moteur au 30 démarrage du moteur thermique à l'aide simultanément du démarreur 4 alimenté par une batterie et de l'alterna-démarreur alimenté par un supercondensateur. La figure 2 montre schématiquement un mode de réalisation général du système de l'invention. Une première source d'énergie électrique 20 peut alimenter un démarreur classique 21 couplé au vilebrequin du moteur thermique (non représenté). Une deuxième source d'énergie électrique 22 peut être connectée à un alterno-démarreur 23 couplé au vilebrequin du moteur thermique. Des moyens 24, par exemple un convertisseur DC/DC, peuvent connecter entre elles la première et la deuxième source d'énergie électrique. Pour le démarrage du moteur thermique selon l'invention, ces moyens 24 sont non passants ; en d'autres termes, les deux sources d'énergie 20 et 22 ne sont pas connectées entre elles. Un circuit logique 25 commande les moyens de connexion 24, ainsi qu'un élément de pilotage 26 de la connexion de la deuxième source 22 à l'alterna-démarreur 23 et commande également un contacteur de démarrage 27 placé entre la première source 20 et le démarreur 21. Lorsque la deuxième source d'énergie électrique 22 délivre un courant continu, l'élément de pilotage peut être par exemple un onduleur de pilotage transformant le courant continu délivré par la source 22 en un courant alternatif pour alimenter l'alterna-démarreur 23. Le circuit logique 25 est relié au dispositif de démarrage du moteur thermique (non représenté) placé sur le tableau de bord du véhicule (clé ou carte de contact ou bouton poussoir). Lorsque le conducteur du véhicule tourne la clé de contact ou appui sur le bouton de démarrage au tableau de bord pour démarrer le moteur thermique, un signal de démarrage est envoyé au circuit logique 25. Ce dernier actionne alors le contacteur de démarrage 27 et l'élément de pilotage 26 ce qui a pour effet d'alimenter en énergie électrique le démarreur 21 par la première source d'énergie 20 et l'alterna-démarreur 23 par la deuxième source d'énergie 22. Les flèches 28 et 29 indiquent le sens du courant électrique fourni respectivement par la première (20) et la deuxième (22) source d'énergie électrique. Les commandes de l'alimentation en énergie électrique de la première source et de la deuxième source d'énergie peuvent être simultanées ou décalées dans le temps comme indiqué ci-après. On remarque que l'alterno-démarreur fourni de l'énergie mécanique, sous forme de couple, au moteur thermique, couple qui s'additionne à celui fourni par le 5 démarreur classique. Le circuit logique 25 place également les moyens de connexion 24 dans un état non passant. Le mode de réalisation représenté sur la figure 3 est identique à celui de la figure 2 à l'exception des deux sources d'énergie électrique : la première source 20 est une batterie 30 (généralement de 12 Volts) et la deuxième source d'énergie 22 est un supercondensateur 31. Ce dernier a l'avantage de posséder des performances électriques à froid meilleures que celles d'une batterie (au plomb par exemple). Les éléments identiques aux modes de réalisation des figures 2 et 3 portent les mêmes références. On retrouve donc sur la figure 3 le démarreur 21, le contacteur de démarrage 27, le circuit logique 25, les moyens de connexion 24, l'élément de pilotage 26 et l'alterno-démarreur 23. Les flèches 32 et 33 indiquent le sens du courant électrique, pendant la phase de démarrage du moteur, respectivement de la batterie 30 vers le démarreur 21 et du supercondensateur 31 vers l'alternodémarreur 23. Les fonctionnements des deux systèmes représentés sur les figures 2 et 3 sont identiques. Ils permettent d'apporter un surcroît de couple mécanique au moteur thermique via deux organes différents, le démarreur 21 et l'alterno-démarreur 23. Pendant la phase de démarrage du moteur thermique, l'alterno-démarreur est piloté par le circuit logique 25 de manière à apporter une puissance mécanique au vilebrequin du moteur thermique, cette puissance étant complémentaire de celle apportée par le démarreur 21. Cette solution de démarrage combiné peut être désactivée au-dessus d'une température extérieure prédéterminée. Dans ce cas, le démarreur seul assure le démarrage du moteur thermique. La figure 4 illustre les performances des systèmes de démarrage en montrant deux courbes du couple mécanique (en Nm) apporté au 6 vilebrequin du moteur thermique en fonction du régime du vilebrequin (en tour/minute), les courbes 40 et 41 se rapportant au couple mécanique fourni respectivement par le démarreur et par l'alterno-démarreur. On remarque que le couple fourni à bas régime par le démarreur (courbe 40) est plus important que celui fourni par l'alterno-démarreur (courbe 41). Cependant, lorsque le régime vilebrequin est supérieur à environ 80 tours/minute, c'est l'inverse qui se produit : le couple fourni par l'alterno-démarreur devient supérieur à celui fourni par le démarreur. D'où une variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention selon laquelle le complément de couple apporté par l'alterno-démarreur n'est fourni que lorsque le régime moteur atteint un seuil prédéterminé (par exemple lorsque le régime vilebrequin atteint 80 tours/minute). La figure 5 montre le régime moteur (en tours/minute) en fonction du temps (en secondes) pour un démarrage effectué à l'aide d'un démarreur et d'une batterie. On remarque que le temps de démarrage est relativement long et que le régime d'entraînement du moteur est bas (inférieur à 200 tours/minute). La figure 6 montre le régime moteur (en tours/minute) en fonction du temps (en secondes) pour un démarrage effectué à l'aide d'un alterna- démarreur et d'un supercondensateur. On remarque que le couple d'arrachement n'est pas suffisant pour assurer le démarrage du moteur thermique. La figure 7 montre le régime du moteur thermique (en tours/minute) en fonction du temps (en secondes), pour un démarrage effectué à l'aide du procédé de l'invention, c'est-à-dire un démarrage à l'aide du démarreur alimenté par la batterie et de l'alterno-démarreur alimenté par le supercondensateur. Dans ce cas de figure, l'alterno-démarreur est actionné en même temps que le démarreur, au début de la phase de démarrage. Comme indiqué précédemment, l'alterno-démarreur peut être actionné plus tard lorsque le régime moteur atteint une valeur pour laquelle le couple fourni par le démarreur devient inférieur à celui que peut fournir l'alterno-démarreur 7 (voir figure 4). On remarque sur la figure 7 que le temps de démarrage est court (environ 0,5 seconde), que le démarrage est franc, pratiquement sans à-coups, et que le régime moteur est plus élevé que dans le cas de la figure 5, ce qui engendre un meilleur démarrage. L'association proposée par l'invention (démarreur- batterie/ alternodémarreur- supercondensateur) améliore considérablement la situation des démarrage à froid : le temps des démarrages est très réduit et des démarrages par grands froid (par exemple à une température de -30°C°) sont rendus possibles par l'invention. Des essais réalisés avec un alterna- démarreur de 3,5kW ont montrés des temps de démarrage divisés par 3, voire même par 4, à -25°C sur un moteur Diesel de 2,0 litres de cylindrée. D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Système de démarrage du moteur thermique d'un véhicule équipé d'un démarreur (21), d'un alterno-démarreur (22), d'une première et d'une deuxième source d'énergie électrique (20, 22), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (25, 26, 27) pour connecter, pendant la phase de démarrage du moteur thermique, le démarreur (21) à la première source d'énergie électrique (20) et l'alterno-démarreur (23) à la deuxième source d'énergie électrique (22). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première source d'énergie (20) est une batterie (30). 3. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième source d'énergie (22) est un supercondensateur (31). 4. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de couplage (24) de la première source d'énergie électrique avec la deuxième source d'énergie électrique. 5. Système selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de couplage comportent un convertisseur DC/DC (24). 6. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un circuit logique (25) de commande de la mise en marche du démarreur(21) pendant le début de la phase de démarrage du moteur thermique et, lorsque le régime moteur a atteint un seuil prédéterminé, la commande de la mise en marche de l'alternodémarreur (23). 7. Procédé de démarrage du moteur thermique d'un véhicule muni d'un démarreur (21), d'un alterno-démarreur (23), d'une première et d'une deuxième source d'énergie électrique (20, 22), le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste, afin de démarrer le moteur thermique, à actionner le démarreur (21) à l'aide de la première source d'énergie électrique (20) et à actionner l'alterno-démarreur (23) à l'aide de la deuxième source d'énergie électrique (22). 8 9 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il consiste à actionner simultanément le démarreur (21) et l'alterno-démarreur (23). 9. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il consiste à actionner d'abord le démarreur seul en début de la phase de démarrage du moteur thermique, puis à actionner l'alterno-démarreur lorsque le régime du moteur thermique atteint un seuil prédéterminé. 15 20