Brevet FR2986822A1 — publié le 20130816

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le remplissage en air frais des cylindres de moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un procédé de pilotage du déphasage de moyens de distribution d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile qui est équipé d'une ligne d'admission d'air frais comprenant une vanne de régulation du débit d'air frais. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les moteurs à combustion interne comportant : - au moins un cylindre, - une ligne d'admission d'air frais qui est équipée d'une vanne de régulation du débit d'air frais et qui débouche dans chaque cylindre par au moins une soupape d'admission, - une ligne d'échappement qui prend naissance dans chaque cylindre par au moins une soupape d'échappement, - des moyens de distribution à déphasage réglable adaptés à commander l'ouverture desdites soupapes d'admission et d'échappement, - des moyens d'acquisition du régime-moteur, de la charge-moteur, et d'une valeur caractéristique de la pression atmosphérique et/ou de l'altitude. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE A chaque cycle du moteur, chaque cylindre aspire un mélange d'air frais et de carburant destiné à être brûlé pour entraîner le vilebrequin en rotation. La quantité de carburant injecté dans le cylindre est fonction de la quantité d'air frais admise par ce cylindre. Les performances maximales du moteur dépendent donc de la quantité d'air frais pouvant être admise par le cylindre. Si cette quantité dépend largement des caractéristiques du moteur (cylindrée, présence d'un turbocompresseur, ...), elle dépend également des conditions atmosphériques ambiante, et notamment de la pression atmosphérique. Or, comme on le sait, la pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Il s'en suit une baisse des performances du moteur avec l'altitude. Il est alors connu, pour compenser cette chute de pression atmosphérique, de piloter le turbocompresseur de telle sorte qu'il fournisse un travail plus important à haute altitude qu'à basse altitude. L'inconvénient majeur de cette solution est qu'elle nécessite de prévoir un turbocompresseur présentant des caractéristiques lui permettant d'effectuer cette compensation altimétrique. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose un nouveau procédé utilisable sur les moteurs équipés de moyens de distribution à déphasage réglable, qui utilise ces moyens de distribution pour compenser la chute de pression atmosphérique. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de pilotage tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu des étapes a) d'acquisition d'une valeur caractéristique de la pression atmosphérique autour du véhicule automobile et/ou de l'altitude du véhicule automobile, b) d'acquisition du régime-moteur et de la charge-moteur, c) de pilotage de la vanne d'admission entre une position fermée et une position ouverte, en fonction de la charge-moteur et de ladite valeur caractéristique acquise à l'étape a), et d) de pilotage du déphasage des moyens de distribution en fonction du régime-moteur, et, lorsque la vanne d'admission est en position ouverte, en fonction également de ladite valeur caractéristique acquise à l'étape a). Les moyens de distribution d'un moteur à combustion interne comportent généralement deux arbres à cames rotatifs, dont les cames appuient régulièrement sur les soupapes d'admission et d'échappement pour permettre au cylindre d'aspirer de l'air frais et d'expulser des gaz brûlés. Les moyens de distribution à déphasage réglable permettent alors de déphaser ces deux arbres à cames à volonté, pour faire varier les moments d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement à chaque cycle de fonctionnement du moteur. Ils permettent notamment d'ouvrir les soupapes d'admission alors que les soupapes d'échappement sont encore ouvertes afin de générer un phénomène de balayage. Grâce à ce phénomène, une partie de l'air frais débouchant dans le cylindre est directement expulsée vers la ligne d'échappement, ce qui permet d'accroître le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement et, de ce fait, d'accélérer la rotation de la turbine. Il est ainsi possible de mieux comprimer l'air frais dans la ligne d'admission afin d'en insuffler une plus grande quantité dans le cylindre à chaque cycle de fonctionnement du moteur. Alors, grâce à l'invention, lorsque la pression atmosphérique diminue et 5 que le moteur est à pleine charge, il est prévu de compenser la diminution de pression d'air frais en pilotant les moyens de distribution en conséquence, notamment en favorisant le phénomène de balayage. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé de pilotage conforme à l'invention sont les suivantes : 10 - à l'étape d), lorsque la vanne d'admission est en position ouverte, le déphasage des moyens de distribution est piloté en fonction également de la charge-moteur ; à l'étape a), on acquiert également la température atmosphérique autour du véhicule automobile et à l'étape d), lorsque la vanne d'admission est 15 pilotée en position ouverte, le déphasage des moyens de distribution est piloté en fonction de ladite température atmosphérique ; - à l'étape d), lorsque la vanne d'admission est en position ouverte, le déphasage des moyens de distribution est piloté pour varier en fonction de ladite valeur caractéristique acquise à l'étape a) seulement lorsque le régime-moteur est 20 inférieur à 4000 tours par minute ; - à l'étape d), lorsque la vanne d'admission est en position ouverte, le déphasage des moyens de distribution est piloté pour varier en fonction de ladite valeur caractéristique acquise à l'étape a) seulement lorsque le régime-moteur est supérieur à 1500 tours par minute ; et 25 - le moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre équipé d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement, à l'étape d), lorsque la vanne d'admission est en position ouverte, les moyens de distribution sont pilotés pour ouvrir ladite soupape d'admission avant la fermeture de ladite soupape d'échappement. 30 L'invention concerne également un moteur à combustion interne tel que défini en introduction, qui comporte une unité de pilotage du déphasage des moyens de distribution selon un procédé de pilotage tel que défini supra. Avantageusement alors, la ligne d'admission comportant un filtre d'air frais et un compresseur, les moyens d'acquisition comportent un capteur de pression situé dans la ligne d'admission, en amont dudit filtre et dudit compresseur. Avantageusement aussi, lesdits moyens d'acquisition comportent également un capteur de température situé dans la ligne d'admission, en amont dudit filtre à air et dudit compresseur. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne apte à mettre en oeuvre le procédé de pilotage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe du bloc-moteur du moteur à combustion interne de la figure 1 ; et - les figures 3 à 5 sont des graphiques illustrant la manière de piloter le déphasage des moyens de distribution du moteur à combustion interne de la figure 1 suivant le procédé de pilotage selon l'invention. Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement des gaz 20 frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés hors du moteur. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1 de véhicule automobile, qui comprend un bloc-moteur 10 à quatre cylindres 11 en ligne. Ce moteur est ici à allumage commandé (Essence). Il pourrait également 25 être à allumage par compression (Diesel). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui débouche dans un répartiteur d'air 24 agencé pour répartir l'air frais vers chacun des quatre cylindres 11 du bloc-moteur 10. Cette ligne d'admission 20 comporte, dans le sens 30 d'écoulement de l'air frais, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère, un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé, et une vanne d'admission 25 qui permet de réguler le débit d'air frais débouchant dans le répartiteur d'air 24 et qui se présente ici sous la forme d'un volet papillon. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 qui s'étend depuis un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11, jusqu'à un silencieux d'échappement 34 permettant de détendre les gaz brûlés avant qu'ils ne soient évacués dans l'atmosphère. Elle comporte par ailleurs, dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une turbine 32 qui est entraînée en rotation par le flux de gaz brûlés sortant du collecteur d'échappement 31, et un pot catalytique 33 pour le traitement des gaz brûlés. Pour entraîner le compresseur 22 en rotation, la turbine 32 est couplée à 10 celui-ci par des moyens de couplage mécanique tels qu'un simple arbre de transmission. La ligne d'échappement 30 comporte également une conduite de court- circuitage 35 de la turbine 32, qui prend naissance entre le collecteur d'échappement 31 et l'entrée de la turbine 32 et qui débouche entre la sortie de la 15 turbine 32 et le pot catalytique 33. Cette conduite de court-circuitage 35 est équipée d'une vanne de court-circuitage 36 permettant de réguler le débit de gaz brûlés la traversant. Elle permet d'insuffler les gaz brûlés qui sortent du collecteur d'échappement 31 directement dans le pot catalytique 33, notamment pour réduire la vitesse de rotation du compresseur. 20 Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 50 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 50 comporte un réservoir de carburant 51 et une pompe d'injection 52 agencée pour prélever le carburant dans le réservoir 51 afin de l'amener sous pression dans un rail de distribution 53. Cette ligne d'injection 50 comporte en outre quatre 25 injecteurs 54 dont les entrées communiquent avec le rail de distribution 53 et dont les sorties débouchent respectivement dans les quatre cylindres 11. Sur la figure 2, on a représenté en coupe le bloc-moteur 10 du moteur à combustion interne 1. Ce bloc-moteur 10 se présente en quatre parties principales, dont un 30 bloc-cylindres 100, un carter d'huile 10D qui est fixé sous le bloc-cylindres 10C et qui renferme de l'huile destinée à lubrifier les différents organes du moteur, une culasse 10B qui est fixée sur le bloc-cylindres 10C et un couvre-culasse 10A qui recouvre la culasse 10B. On observe sur cette figure 2 l'intérieur de l'un des cylindres 11 du bloc- moteur 10. Ce cylindre présente une symétrie de révolution autour d'un axe Al vertical. Il loge un piston 14 cylindrique de révolution autour de l'axe A1, de telle manière que ce piston 14 est adapté à coulisser dans ce cylindre 11 suivant l'axe 5 Al, selon un mouvement rectiligne alternatif (ou mouvement de va-et-vient). Ce piston 14 présente une jupe périphérique qui est percée transversalement de deux ouvertures d'accueil d'un axe sur lequel est engagé une extrémité haute d'une bielle 13. L'extrémité basse de cette bielle 13 est liée, par l'intermédiaire d'une liaison excentrique, à un vilebrequin 12 (également appelé 10 « arbre moteur »). Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif du piston 14 permet d'entraîner en rotation le vilebrequin 12 du moteur à combustion interne 1 autour de son axe longitudinal, appelé axe moteur A2. On observe par ailleurs sur cette figure 2 l'extrémité de l'un des 15 injecteurs 54 de carburant, qui débouche directement à l'intérieur du cylindre 11. Pour l'admission en air frais du cylindre 11, la culasse 10B est percée d'un conduit d'admission 16A qui s'étend depuis le répartiteur d'air 24 fixé à la culasse jusqu'à une ouverture d'admission 15A prévue dans la face inférieure de la culasse, en regard du cylindre 11. 20 Pour l'échappement des gaz brûlés en dehors du cylindre 11, la culasse 10B est percée d'un conduit d'échappement 16B qui prend naissance dans une ouverture d'échappement 15B prévue dans la face inférieure de la culasse, en regard du cylindre 11, à proximité de l'ouverture d'admission 15A, et qui débouche dans le collecteur d'échappement 31 fixé à la culasse. 25 Pour réguler les débits d'arrivée d'air frais et de sortie de gaz brûlés dans chaque cylindre 11, la culasse 10B loge des soupapes d'admission 17A et des soupapes d'échappement 17B dont les extrémités évasées obturent les ouvertures d'admission 15A et d'échappement 15B des conduits d'admission 16A d'air frais et d'échappement 16B des gaz brûlés. 30 Elle loge également des moyens de distribution adaptés à commander en position ces soupapes d'admission 17A et d'échappement 17B, de telle sorte que le moteur à combustion interne fonctionne suivant quatre cycles thermodynamiques appelés cycles d'admission, de compression, d'explosion et d'échappement. Ces moyens de distribution comprennent ici : - deux arbres à cames 18A, 18B qui sont montés à rotation dans la culasse 10B et qui portent des cames 19A, 19B agencées pour appuyer périodiquement sur les soupapes d'admission 17A et d'échappement 17B de manière que chaque soupape se « lève » régulièrement afin de libérer périodiquement un passage pour l'air frais ou les gaz brûlés via les ouvertures d'admission 15A et d'échappement 15B, - une courroie de distribution (non représentée) qui lie en rotation le vilebrequin 12 à un premier des arbres à cames 18A, pour entraîner ce dernier en rotation à la moitié de la vitesse angulaire du vilebrequin 12, - un moyen de déphasage qui solidarise en rotation le deuxième arbre à cames 18B au premier arbre à cames 18A. Ce moyen de déphasage est piloté entre un état inactif, dans lequel les deux arbres à cames 18A, 18B tournent à des vitesses de rotation identiques, et un état actif dans lequel la rotation du second arbre à cames 18B est légèrement accélérée ou freinée en vue de régler le déphasage a entre les deux arbres à cames. Un tel moyen de déphasage est bien connu de l'homme du métier et il ne fait pas en propre l'objet de la présente invention. Il ne sera donc pas ici décrit plus en détail. On retiendra seulement que le déphasage a est considéré nul si la fermeture complète de la soupape d'échappement intervient au moment précis du début de l'ouverture de la soupape d'admission, alors que le piston est en position haute (au « point mort haut ») entre les cycles d'échappement et d'admission. Le déphasage a, qui se mesure en degrés, correspond à l'angle entre, d'une part, la position angulaire du second arbre à cames 18B lorsque le piston 14 est au point mort haut entre les cycles d'échappement et d'admission, et, d'autre part, la position angulaire que cet arbre à cames 18B présenterait si le déphasage était nul. Comme le montre la figure 1, pour piloter les différents organes du moteur à combustion interne 1 et notamment le moyen de déphasage et les vannes d'admission 25 et de court-circuitage 36, il est prévu un calculateur 60 comportant un processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (A/D), et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 100 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs au fonctionnement du moteur et aux conditions climatiques dans lesquelles évolue le véhicule automobile. Dans sa mémoire vive, le calculateur 100 mémorise ainsi en continu : - la charge C instantanée du moteur à combustion interne 1, - le régime moteur R instantané du moteur à combustion interne 1, - la température atmosphérique Tatmo, et - la pression atmosphérique Patmo. Le régime moteur R correspond à la vitesse de rotation du vilebrequin 12, exprimée en tours par minute. La charge C correspond au rapport du travail fourni par le moteur sur le travail maximal que pourrait développer ce moteur à un régime donné. Elle est 15 généralement exprimée à l'aide d'une variable appelée pression moyenne effective PME. La température atmosphérique Tatmo et la pression atmosphérique Patmo sont quant à elles mesurées à l'aide d'un capteur de température et de pression 61 situé à l'embouchure de la ligne d'admission, en amont du filtre à air 21. 20 Grâce à une cartographie prédéterminée sur banc d'essais et mémorisée dans sa mémoire morte, le calculateur 60 est adapté à générer, pour chaque condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie. Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 60 est adapté à transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment 25 au moyen de déphasage, à la vanne d'admission 25 et à la vanne de courtcircuitage 36. Sur la figure 3, on a représenté deux courbes Cwnso, représentée en traits discontinus, et Cperfo, représentée en pointillés. La courbe Coonso illustre, en fonction du régime moteur R, la variation de 30 l'angle de déphasage a suivant lequel il convient de piloter le moyen de déphasage lorsque le moteur est à pleine charge (volet papillon 25 complètement ouvert) afin que la consommation du moteur soit minimale. La courbe Cperfo illustre, en fonction du régime moteur R, la variation de l'angle de déphasage a suivant lequel il convient de piloter le moyen de déphasage lorsque le moteur est à pleine charge (volet papillon 25 complètement ouvert) afin que les performances du moteur soient optimales. On observe qu'au-delà de 3700 tours par minute, ces deux courbes se rejoignent, de sorte qu'il convient de piloter le moyen de déphasage suivant ces deux courbes confondues lorsque le moteur est à pleine charge (volet papillon 25 complètement ouvert) afin d'optimiser la consommation et les performances du moteur. En deçà de 3700 tours par minute, ces deux courbes sont en revanche disjointes, si bien qu'il convient de réaliser un compromis entre consommation et 10 performance. Sur la figure 3, on a alors représenté une zone hachurée qui correspond à la zone de fonctionnement du moteur dans laquelle le « balayage » présente un effet très bénéfique sur les performances du moteur. Comme cela a été exposé précédemment, le phénomène de balayage 15 est obtenu en déphasant les arbres à cames 18A, 18B de manière à ouvrir les soupapes d'admission 17A alors que les soupapes d'échappement 17B ne sont pas encore fermées (entre les cycles d'échappement et d'admission). Il permet ainsi d'accroître le débit total de gaz circulant dans la ligne d'échappement et, de ce fait, d'accélérer la rotation de la turbine 32 et celle du 20 compresseur 22. En conséquence, l'utilisation de ce phénomène permet d'insuffler une plus grande quantité d'air frais dans les cylindres 11 à chaque cycle de fonctionnement du moteur, au bénéfice de ses performances. Ce phénomène se traduit toutefois par une augmentation de la consommation du moteur. Sur la figure 4, on a représenté une courbe Co illustrant, en fonction du 25 régime moteur R, la variation de l'angle de déphasage a suivant lequel le moyen de déphasage est piloté par le calculateur 60 lorsque le moteur est à pleine charge et que le véhicule est au niveau de la mer (avec Patmo = 1,01325 bar). Cette courbe montre notamment que le moyen de déphasage est piloté de telle sorte que les performances du moteur sont privilégiées entre 1250 et 1750 30 tours par minute et que la consommation du moteur est privilégiées entre 1750 et 3700 tours par minute. En effet, entre 1250 et 1750 tours par minute, le turbocompresseur présente un rendement médiocre qu'il convient de compenser grâce au balayage. Sur cette figure 4, on a représenté une zone hachurée qui correspond 2 986 822 aux points de fonctionnement du moteur qui ne sont pas utilisés lorsque le véhicule est au niveau de la mer, mais qui, selon l'invention, sont en revanche utilisés lorsque le véhicule monte en altitude, afin de compenser la chute de pression atmosphérique Patmo. 5 Ainsi, selon l'invention, lorsque la charge C du moteur est élevée et que le volet papillon 25 est donc complètement ouvert, le moyen de déphasage est piloté non seulement en fonction du régime-moteur R, mais également en fonction de la pression atmosphérique Patmo. Autrement formulé, lorsque le véhicule se trouve à une altitude différente 10 de celle du niveau de la mer et que la pression atmosphérique Patmo est inférieure à 1,01325 bar, il est prévu de modifier le compromis entre consommation et performance pour que le moteur conserve des performances proches de celles qu'il présentait au niveau de la mer. Comme le montre la figure 2, entre 1250 et 1750 tours par minute, la courbe Co se confond déjà avec la courbe Cperfo, si bien qu'il n'est pas possible d'optimiser les performances du moteur dans ce domaine de régimes-moteur R. Il est en revanche possible d'optimiser les performances du moteur lorsque le régime-moteur est compris entre 1000 et 1250 tours par minute ou entre 1750 et 3700 tours par minute. Tel que représenté sur la figure 5, il est ici seulement prévu d'optimiser les performances du moteur lorsque le régime-moteur est compris entre 1750 et 3700 tours par minute. Sur la figure 5, on a ainsi représenté quatre courbes C250, C500, 01000, C1500 illustrant, en fonction du régime moteur R, les variations de l'angle de déphasage a suivant lequel le moyen de déphasage est piloté par le calculateur 60 lorsque le moteur est à pleine charge et que le véhicule est respectivement à 250 mètres d'altitude, à 500 mètres d'altitude, à 1000 mètres d'altitude et à 1500 mètres d'altitude. Bien entendu, d'autres courbes sont mémorisées par le calculateur 60 30 de manière à piloter précisément le moyen de déphasage lorsque l'altitude du véhicule varie entre 0 et 1500 mètres d'altitude. On constate sur cette figure qu'à 1500 mètres d'altitude, la courbe C1500 suivant laquelle le moyen de déphasage est piloté se confond avec la courbe Cperfo- Ainsi, grâce à l'invention, jusqu'à 1500 mètres d'altitude, le moteur ne présentera aucune baisse de performances. En revanche, au-delà de 1500 mètres d'altitude, le phénomène de balayage ne permettra plus de compenser à lui seul la chute de pression atmosphérique. Au-delà de cette altitude, le moyen de déphasage sera donc piloté suivant la courbe C1500, ce qui provoquera une diminution des performances du moteur. On pourra alors éventuellement prévoir de piloter le compresseur (en fermant la vanne de court-circuitage 36) de telle manière qu'il comprime au mieux l'air frais. On notera enfin que, puisque le phénomène de balayage permet de compenser la chute de pression atmosphérique tant que le régime-moteur est inférieur à 3000 tours par minute, il n'est guère utile de concevoir un compresseur dont les performances sont optimisées à bas-régimes. On pourra alors utiliser un compresseur plutôt conçu et optimisé pour les hauts régimes, afin de pouvoir l'utiliser pour compenser la chute de pression atmosphérique lorsque le moteur fonctionne à plus de 3500 tours par minute. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, on pourra prévoir de déterminer la température atmosphérique Tatmo, d'en déduire le volume exact d'air frais susceptible d'entrer dans les cylindres à chaque cycle d'admission du moteur, et de piloter le moyen de déphasage en fonction également de ce volume d'air frais. On pourra également prévoir d'adapter le procédé selon l'invention à un moteur non seulement équipé d'un moyen de déphasage des arbres à cames, mais également d'un moyen de réglage de l'amplitude de levée des soupapes, en pilotant la levée des soupapes avec une grande amplitude pour compenser la montée en altitude du véhicule. Selon une autre variante de l'invention, on pourra aussi prévoir que le moteur soit dépourvu de capteur de pression atmosphérique. Dans cette variante, il sera par exemple possible de déterminer l'altitude du véhicule par exemple grâce à la position GPS du véhicule et à un logiciel de cartographie mémorisant les altitudes. Il sera également possible de calculer la pression atmosphérique à partir d'autres données mesurées sur le moteur.