Brevet FR3045107A1 — publié le 20170616

PROCÉDÉ POUR MINIMISER DES PERTES DE POMPAGE DANS UN MOTEUR THERMIQUE LORS D'UN DÉMARRAGE [0001] La présente invention porte sur un procédé pour minimiser des pertes de pompage dans un moteur thermique lors d'un démarrage. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les moteurs diesel, mais peut aussi être mise en oeuvre avec des moteurs à essence. [0002] Les moteurs à combustion interne, et notamment les moteurs équipant les véhicules automobiles, ne sont sollicités la plupart du temps qu'à une fraction de leur puissance nominale. Dans ces phases de fonctionnement qui ne réclament pas de délivrer un couple important, les moteurs subissent des pertes de rendement appelées "pertes de pompage", qui sont à l'origine d'une surconsommation de carburant et engendrent, lors d'un démarrage, une sollicitation excessive du moteur électrique du démarreur. Ces pertes de pompage correspondent au travail fourni pour aspirer le mélange air/carburant qui est situé dans le collecteur d'admission à une pression relativement faible et pour l'introduire dans la chambre de combustion lors de la phase d'admission. [0003] Pour réduire ces pertes de pompage, il est connu de désactiver et rendre inactif un certain nombre de cylindres. Toutefois, un tel système nécessite l'utilisation d'un dispositif complexe de poussoirs hydrauliques ainsi qu'une loi de commande associée prenant en compte les délais de réaction des poussoirs et des soupapes, en fonction notamment de la température de l'huile du moteur. [0004] L'invention vise à proposer une stratégie de commande alternative à la désactivation des cylindres permettant de réduire les pertes par pompage lors d'un démarrage du moteur thermique. [0005] A cet effet, l'invention porte sur un procédé pour minimiser des pertes de pompage dans un moteur de véhicule automobile, comportant une vanne de commande d'un turbocompresseur, une vanne de commande d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement, et une vanne de commande d'un doseur d'air, aptes à être déplacées par des actionneurs, caractérisé en ce que lors d'un démarrage du moteur thermique effectué par un démarreur, et avant une autorisation d'injection dans les cylindres du moteur thermique, le procédé comprend une étape de commande des actionneurs de manière à déplacer la vanne de commande du turbocompresseur, la vanne de commande du circuit 3045107 2 de recirculation des gaz d'échappement, et la vanne de commande de doseur d'air, dans des positions dites positions optimales maximisant le régime du moteur thermique. [0006] L'invention permet ainsi de limiter des pertes par pompage lors d'un démarrage en utilisant uniquement les actionneurs déjà existants de la boucle d'air. L'invention permet 5 également de moins solliciter le démarreur, ce qui augmente sa durée de vie en obtenant un gain pouvant aller jusqu'à 10 tours/min pour certains types de moteur thermique. En outre, l'invention contribue à surmonter les difficultés liées aux futures normes antipollution imposant une diminution du taux de compression des moteurs. [0007] Selon une mise en oeuvre, dès qu'une autorisation d'injection est reçue, le 10 procédé comporte: - une étape de fermeture complète de la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement, et - une étape d'ouverture complète de la vanne de commande du turbocompresseur et de la vanne de commande de doseur d'air. 15 Cela permet de ne pas pénaliser la combustion du moteur thermique lors de la phase de démarrage. [0008] Selon une mise en oeuvre, l'étape de fermeture complète de la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement et l'étape d'ouverture complète de la vanne de commande de turbocompresseur et de la vanne de commande 20 de doseur d'air sont mises en oeuvre jusqu'à ce que le moteur thermique atteigne son régime de ralenti. [0009] Selon une mise en oeuvre, les positions optimales de la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement, de la vanne de commande du turbocompresseur, et de la vanne de commande de doseur d'air sont déterminées au 25 moyen de cartographies à deux dimensions en fonction d'une température et d'une pression d'air ambiant. [0010] Selon une mise en oeuvre, des valeurs entrées dans les cartographies ont été déterminées lors d'une phase de mise au point comportant une étape de forçage d'un mode sous-démarreur en inhibant une autorisation d'injection, et une étape de balayage 30 entre 0% et 100% de la fermeture complète de la vanne de commande du turbocompresseur, de la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement, et de la vanne de commande de doseur d'air. 3045107 3 [0011] Selon une mise en oeuvre, on fixe d'abord la fermeture de la vanne de commande du turbocompresseur, puis l'ouverture de la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement, et on fait ensuite varier la fermeture de la vanne de commande de doseur d'air de 0% à 100% de sa fermeture complète. Cela permet de minimiser un 5 échauffement de l'air et des cylindres du moteur thermique. [0012] Selon une mise en oeuvre, le procédé comprend également une étape de commande des actionneurs de manière à déplacer la vanne de commande du turbocompresseur, la vanne de commande de doseur d'air, et la vanne de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement, dans les positions optimales lors d'une 10 phase d'arrêt du moteur thermique. Cela permet de gagner du temps pour l'équilibrage de l'air dans la boucle. [0013] Selon une mise en oeuvre, les actionneurs sont des actionneurs électriques. [0014] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif 15 mais nullement limitatif de l'invention. [0015] La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique mettant en oeuvre le procédé de démarrage selon la présente invention; [0016] La figure 2 est une cartographie à deux dimensions selon la présente invention représentant, pour une fermeture donnée de la vanne de commande de doseur d'air, les 20 isolignes de régime moteur en fonction d'un pourcentage d'ouverture de la vanne de commande de l'EGR et d'un pourcentage de fermeture de la vanne de commande de turbocompresseur; [0017] La figure 3 est une représentation schématique des cartographies mises en oeuvre avec le procédé selon l'invention permettant d'obtenir les positions des vannes de 25 commande de doseur d'air, de l'EGR et de turbocompresseur en phase sous-démarreur; [0018] La figure 4 représente des courbes illustrant l'évolution de positionnement des vannes de commande lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention au moment d'un démarrage; [0019] La figure 5 est un schéma illustrant le mécanisme de basculement de position des 30 actionneurs lors de l'autorisation d'injection selon la présente invention. 3045107 4 [0020] La figure 1 montre une architecture 1 comportant un moteur 5 suralimenté par un turbocompresseur 2 comprenant un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission de manière à optimiser le remplissage des cylindres du moteur 5. A cet effet, le compresseur 3 est disposé sur un conduit d'admission 8 en 5 amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur un conduit d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. Une vanne 15 de commande de turbocompresseur 2 située en amont de la turbine 4 permet de gérer le passage des gaz provenant des cylindres du moteur 5. Dans la suite de la description, on 10 considérera que la vanne est ouverte lorsque les gaz circulent à travers la turbine 4, et que la vanne est fermée lorsque les gaz ne circulent plus à travers la vanne mais passent par un conduit de décharge 16. [0021] De manière à maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 3, on utilise un échangeur de chaleur 10 dit RAS (pour Refroidisseur d'Air de Suralimentation) 15 apte à refroidir l'air circulant dans le conduit d'admission 8. L'échangeur 10 est monté en aval du compresseur 3 et en amont d'une vanne de commande de doseur d'air 18. [0022] Par ailleurs, un circuit de recirculation des gaz d'échappement 11 (dit "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais) comprend un conduit 13 établissant une mise en communication d'un collecteur d'échappement 20 avec le conduit d'admission 8, ainsi 20 qu'un refroidisseur 14 des gaz d'échappement monté sur le conduit 13. Une vanne 12 de commande de l'EGR 11 permet, par le réglage de son degré d'ouverture, de gérer une quantité de gaz d'échappement réinjecté à l'admission. [0023] En outre, l'architecture 1 comporte un démarreur 21 muni d'un pignon d'accouplement destiné à engrener avec une couronne dentée de démarrage du moteur 25 thermique 5. Le démarreur 21 permet ainsi d'assurer le démarrage du moteur thermique en entraînant le vilebrequin, via la couronne dentée, lors d'une activation de son moteur électrique. [0024] Pour assurer leur déplacement, les vannes 12, 15, 18, sont associées chacune à un actionneur 27, 28 et 29 correspondant apte à être commandé par une unité de contrôle 30 22. [0025] On décrit ci-après, en référence avec les figures 2 à 5, une mise en oeuvre du procédé de démarrage du moteur thermique 5 selon la présente invention. 3045107 5 [0026] Dans une première étape de mise au point, on recherche l'ensemble des positions optimales possibles des vannes 12, 15, 18 maximisant le régime du moteur thermique 5 en fonction de différentes conditions de pression P et de température T d'air ambient. 5 [0027] A cet effet, il est possible de spécifier pour la phase de démarrage des valeurs de positions Pos Dos, Pos_ EGR et Pos T respectivement des actionneurs 27, 28 et 29 via les modes spécifiques de la loi de commande de la boucle d'air. En forçant le mode sous-démarreur consistant à inhiber l'autorisation d'injection A inj, l'unité de contrôle 22 effectue un balayage entre 0% et 100% de la fermeture complète, par exemple par pas de 10 25%, pour la vanne de doseur d'air 18, la vanne 12 de l'EGR 11, et de la vanne 15 de turbocompresseur 2. [0028] De manière à minimiser l'échauffement de l'air et des cylindres du moteur 5, la fermeture de la vanne 15 de turbocompresseur 2 est d'abord fixée, puis l'ouverture de la vanne 12 de l'EGR 11, et l'unité de contrôle 22 commande la variation de la fermeture de 15 la vanne de doseur d'air 18 de 0% à 100% de la fermeture complète. Etant donné qu'en sous-démarreur, la mesure de pression P est relativement bruitée, le régime sous-démarreur est optimisé, c'est-à-dire qu'il convient de trouver les positions optimales des vannes 12, 18 et 15, de l'EGR 11, de doseur d'air, et du turbocompresseur 2, pour lesquelles le régime du moteur thermique 5 est maximisé. 20 [0029] A titre d'exemple, la figure 2 montre que, pour un moteur de type particulier et pour une fermeture de la vanne de doseur d'air 18 à hauteur de 50%, l'optimum du régime R sous-démarreur est obtenu pour une ouverture 0 EGR de la vanne 12 de l'EGR 11 de l'ordre de 50% et pour une fermeture F T de la vanne 15 du turbocompresseur 2 de l'ordre de 15%. 25 [0030] L'optimum trouvé dépend de la température T et de la pression P de l'air ambiant à l'intérieur du moteur. Du point de vue de la loi de commande, cela se traduit par l'introduction de trois cartographies 241, 242, 243 à deux dimensions, représentées en figure 3, ayant pour entrée la température T et la pression atmosphérique P d'air ambiant, et pour sortie la position des actionneurs 27, 28 et 29 de la boucle d'air en régime sous- 30 démarreur. La cartographie 241 permet ainsi de déterminer la position Pos_Dos de la vanne de doseur d'air 18 en fonction de la température T et de la pression P de l'air ambiant. La cartographie 242 permet de déterminer la position Pos EGR de la vanne 12 de l'EGR 11 en fonction de la température T et de la pression P de l'air ambiant. La 3045107 6 cartographie 243 permet de déterminer la position Pos T de la vanne 15 de turbocompresseur 2 en fonction de la température T et de la pression P de l'air ambiant. [0031] Dans une deuxième étape de mise en application du procédé, lorsque l'utilisateur souhaite procéder au démarrage du véhicule, l'unité de contrôle 22 exploite les 5 cartographies 241-243 pour déterminer les positions des actionneurs 27, 28 et 29 (de la vanne de doseur d'air 18, de la vanne 12 de l'EGR 11, et de la vanne 15 du turbocompresseur 2) pendant la phase sous-démarreur. [0032] Ainsi, comme on peut le voir à la figure 4, entre l'instant t1 de demande de démarrage et l'instant t2, l'autorisation de l'injection A_inj n'a pas encore été reçu (A inj=0 10 sur cette période). La vanne de doseur d'air 18 prend une position optimale O_Dos correspondant à X% de l'ouverture complète de la vanne 18 obtenue à partir de la cartographie 241. La vanne 12 de l'EGR 11 prend une position optimale F_EGR correspondant à Y% de la fermeture complète de la vanne 12 obtenue à partir de la cartographie 242. La vanne 15 de turbocompresseur 2 prend une position optimale O_T 15 correspondant à Z% de l'ouverture complète de la vanne 15 obtenue à partir de la cartographie 243. [0033] Dès que l'autorisation d'injection est donnée à l'instant t2 (A inj passe à 1), l'unité de contrôle 22 commande l'ouverture complète de la vanne de doseur d'air 18 (0 Dos = 100%) et de la vanne 15 de turbocompresseur 2 (O_T = 100%). L'unité de contrôle 22 20 commande également la fermeture complète de la vanne 12 de l'EGR 11 (F_EGR = 100%), de manière à ne pas pénaliser les combustions de la montée en régime R. En effet, si les actionneurs 27, 28 et 29 et donc les vannes correspondantes 18, 12, 15 restent dans les positions optimales sélectionnées en début de démarrage entre t1 et t2, ce n'est pas la première combustion qui sera pénalisée car l'air est déjà suffisamment présent 25 dans le circuit d'air, mais la seconde combustion qui devra prendre en compte des gaz brulés si la vanne 12 de l'EGR 11 n'est pas refermée à temps. Les vannes 12, 15, 18 sont maintenues dans les positions extrêmes précitées de préférence au moins jusqu'à ce que le moteur 5 atteigne son régime de ralenti R r (cf. instant t3). [0034] Du point de vue loi de commande, cela se traduit par le schéma de la figure 5, 30 valide uniquement en phase de démarrage et de roulage. Ainsi, si l'autorisation d'injection est donnée A_inj = 1, les vannes 18 et 15 de doseur d'air et de turbocompresseur 2 sont complètement ouvertes, soit O_Dos = 100% et O_T = 100%, et la vanne 12 de l'EGR 11 est complètement fermée soit F_EGR = 100%. En revanche, si l'autorisation d'injection 3045107 7 n'est pas donnée A inj = 0, alors les vannes 12, 15, 18 restent dans les positions optimales définies en régime sous-démarreur, c'est-à-dire 0 Dos = X%, F EGR = Y% et 0 T = Z%. [0035] Pendant la phase d'arrêt du moteur thermique 5 ou de coupure clef, il sera 5 possible d'utiliser la loi de commande de la figure 5 mais seulement au terme d'une temporisation après la coupure de l'injection. Cette temporisation est à calibrer pour minimiser les acyclismes moteurs dus à la réouverture de la vanne de doseur d'air 18. [0036] Pour un premier démarrage, le gain de l'invention correspond à la différence entre deux classes de démarreurs 21. A titre d'exemple, pour un moteur particulier, le gain vu 10 lors d'une étude exploratoire a été de 10 tr/min au niveau du régime moyen sous- démarreur, ce qui correspond à la différence entre un démarreur de classe quatre et un démarreur de classe cinq. Toutefois pour être pleinement efficace, il faut un temps d'adaptation de la ligne d'air, et le gain est donc plus tangible pour les démarrages longs que l'on peut rencontrer sur des moteurs à faibles taux de compression et à des 15 températures d'air très négatives (notamment à partir de -18°C). [0037] Pour un redémarrage, le fait de minimiser les pertes par pompage permet de gagner en durabilité du démarreur 21, dans la mesure où ce dernier est moins sollicité à chaque redémarrage. De manière à être pleinement efficace lors du redémarrage, les vannes 12, 15, 18 pourront être mises dans leur position optimale lors d'un arrêt du 20 moteur. Cela permet de gagner du temps pour l'équilibrage de l'air dans la boucle. [0038] La présente invention permet ainsi de limiter les pertes par pompage lors d'un démarrage ou d'un redémarrage en utilisant uniquement les actionneurs électriques 27, 28 et 29 déjà existants de la boucle d'air, ce qui ne nécessite pas de modification des composants du moteur. 25 REVENDICATIONS1. Procédé pour minimiser des pertes de pompage dans un moteur (5) de véhicule automobile, comportant une vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), une vanne (12) de commande d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), et une vanne de commande d'un doseur d'air (18), aptes à être déplacées par des actionneurs (27, 28, 29), caractérisé en ce que lors d'un démarrage dudit moteur thermique (5) effectué par un démarreur (21), et avant une autorisation d'injection dans les cylindres dudit moteur thermique (5), ledit procédé comprend une étape de commande desdits actionneurs (27, 28, 29) de manière à déplacer ladite vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), ladite vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), et ladite vanne de commande de doseur d'air (18), dans des positions dites positions optimales maximisant le régime dudit moteur thermique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dès qu'une autorisation d'injection est reçue, ledit procédé comporte: - une étape de fermeture complète de ladite vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), et - une étape d'ouverture complète de ladite vanne (15) de commande du turbocompresseur (2) et de ladite vanne de commande de doseur d'air (18). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de fermeture complète de la vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11) et l'étape d'ouverture complète de la vanne (15) de commande de turbocompresseur (2) et de la vanne de commande de doseur d'air (18) sont mises en oeuvre jusqu'à ce que ledit moteur thermique atteigne son régime de ralenti (R r). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites positions optimales de la vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), de la vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), et de la vanne de commande de doseur d'air (18) sont déterminées au moyen de cartographies (241, 242, 243) à deux dimensions en fonction d'une température (T) et d'une pression (P) d'air ambiant. 3045107 9 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des valeurs entrées dans les cartographies (241, 242, 243) ont été déterminées lors d'une phase de mise au point comportant une étape de forçage d'un mode sous-démarreur en inhibant une autorisation d'injection, et une étape de balayage entre 0% et 100% de 5 la fermeture complète de la vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), de la vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), et de la vanne de commande de doseur d'air (18). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fixe d'abord la fermeture de la vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), puis l'ouverture de la vanne 10 (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), et on fait ensuite varier la fermeture de la vanne de commande de doseur d'air (18) de 0% à 100% de sa fermeture complète. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend également une étape de commande desdits actionneurs (27, 28, 29) de 15 manière à déplacer la vanne (15) de commande du turbocompresseur (2), la vanne de commande de doseur d'air (18), et la vanne (12) de commande du circuit de recirculation des gaz d'échappement (11), dans lesdites positions optimales lors d'une phase d'arrêt dudit moteur thermique (5). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 20 lesdits actionneurs (27, 28, 29) sont des actionneurs électriques.