Brevet FR3044716A1 — publié le 20170609

PROCEDE ET SYSTEME DE FREINAGE FORCE D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001] L'invention porte sur un procédé et un système de freinage forcé d'un moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour un moteur thermique de véhicule automobile, notamment pour un véhicule automobile équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique. [0002] Un système d'arrêt et de redémarrage automatiques d'un moteur thermique de véhicule automobile, aussi dénommé sous l'appellation anglo-saxonne de « STOP and START system» ou l'abréviation STT, consiste, sous conditions définies en fonction de la chaîne de traction, à provoquer automatiquement l'arrêt complet du moteur thermique, puis à redémarrer automatiquement le moteur thermique quand une action du conducteur interprétée comme une demande de redémarrage du véhicule est détectée. [0003] Un tel système d'arrêt et de redémarrage automatiques peut comprendre un dispositif électronique, avantageusement logé sous une aile avant du véhicule automobile. Le dispositif électronique comprend une unité capacitaire et un dispositif de maintien de tension et de commutation, ce dispositif électronique étant associé à un démarreur effectuant, si besoin est, le redémarrage du moteur thermique. [0004] Un tel démarreur présente un moteur électrique pour mettre en rotation le moteur thermique et des moyens d'engagement avec le moteur thermique. En général, les moyens d'engagement sont sous la forme d'un pignon porté par le démarreur engrenant dans une couronne portée par le moteur thermique en étant solidaire d'un volant moteur. [0005] Il existe plusieurs types de démarreur. Pour un premier type de démarreur, une seule commande suffit pour engager le pignon du démarreur dans la couronne et mettre en marche le moteur électrique du démarreur. Lorsque cette commande est activée, une bobine est excitée, ce qui va faire translater le pignon sur la couronne. La commande activée ferme un circuit d'alimentation du moteur électrique et le moteur électrique du démarreur va entraîner le moteur thermique. [0006] Pour un deuxième type de démarreur, particulièrement bien approprié pour un système d'arrêt et de redémarrage automatiques, il peut être intéressant d'utiliser un démarreur à engagement piloté qui consiste à pré-engager le pignon du démarreur dans la couronne de façon à minimiser le temps mis pour redémarrer le moteur thermique. 3044716 2 [0007] Comparé à un démarreur classique, un démarreur à engagement piloté encore dénommé démarreur à pré-engagement utilise généralement une bobine supplémentaire qui contrôle l'alimentation en puissance du moteur électrique. Le démarreur est alors activé par deux commandes successives : une commande d'engagement du pignon du 5 démarreur dans la couronne suivie d'une commande moteur autorisant l'alimentation du moteur électrique du démarreur. Ainsi en fonction de la phase de démarrage, le démarreur est mis en rotation puis engagé lors de la synchronisation des régimes. [0008] Un tel démarreur à engagement piloté peut être aussi un démarreur double solénoïde. Un exemple d'un démarreur double solénoïde est donné dans le document FR- 10 A-2 971 554. [0009] Dans certaines circonstances, il convient de freiner le moteur thermique avant son arrêt en rotation. Ceci est particulièrement le cas pour une phase d'arrêt pour un système d'arrêt et de redémarrage automatiques mais pas uniquement applicable à ce cas. 15 [0010] Il a déjà été proposé des systèmes de freinage forcé en rotation du moteur thermique pour obtenir un arrêt complet du moteur thermique. Un de ces systèmes utilise un alternateur dit aussi alterno-démarreur. Cet alternateur peut être réversible ou non réversible. [0011] Lors de la rotation d'un moteur thermique, celui-ci entraîne divers accessoires du 20 véhicule automobile sur un côté du carter du moteur thermique, dit façade accessoire, par l'intermédiaire d'une courroie accessoire entraînée par une poulie de vilebrequin disposée à une extrémité de vilebrequin, la rotation du vilebrequin entraînant celle de la poulie. Un alternateur peut faire partie de ces accessoires. [0012] Cet alternateur peut aussi appliquer un couple résistif sur la poulie de vilebrequin 25 le transmettant au vilebrequin en fonctionnant en mode génération, via un courant d'excitation, ce qui permet d'avoir un effet de freinage sur le moteur thermique. Ce pilotage de l'alterno-démarreur pour aider l'arrêt du moteur ne semble cependant pas toujours efficace. [0013] II peut aussi exister un système de pilotage des soupapes d'admission et 30 échappement pour arrêter précisément dans une bonne position le moteur. Un tel système n'est pas suffisant, cependant, pour une bonne qualité de l'arrêt moteur, notamment pour certains types de moteur thermique. Le vannage apporte quand même une contribution à 3044716 3 l'arrêt. Le système proposé peut être complémentaire, notamment pour des groupes motopropulseurs présentant une phase d'arrêt particulièrement longue. [0014] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est, de concevoir un système de freinage forcé d'un moteur thermique, notamment un moteur thermique de 5 véhicule automobile et plus particulièrement de véhicule équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques, plus efficace que les systèmes présentement utilisés, en pouvant être complémentaire à ceux-ci, le système utilisant des éléments constitutifs déjà présents à proximité du moteur thermique. [0015] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de freinage 10 forcé d'un moteur thermique précédant son arrêt, le moteur thermique étant associé à un démarreur comportant un moteur électrique, le démarreur étant piloté selon une commande d'engagement mécanique du démarreur avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique, cet engagement mécanique entraînant en rotation le démarreur avec le moteur thermique, dans lequel, lors du freinage du moteur thermique, il 15 est procédé à la commande d'engagement du démarreur avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique afin de freiner le moteur via le démarreur, caractérisé par la création d'un couple électromagnétique supplémentaire de freinage du moteur thermique, engendré par un courant électrique induit par la rotation du démarreur pendant l'engagement du démarreur avec le moteur thermique. 20 [0016] L'effet technique est d'obtenir un freinage forcé accéléré pour lequel l'effet du freinage par l'inertie mécanique et le rapport de démultiplication du démarreur en engagement en rotation avec le moteur thermique est encore augmenté par la création d'un couple résistif dû à la création d'un courant induit lors de la rotation du démarreur. 25 [0017] Avantageusement, il est procédé à la fermeture d'un circuit électrique associé au démarreur dès la commande d'engagement du démarreur avec le moteur thermique pour la circulation du courant électrique induit et à son ouverture dès l'arrêt du moteur thermique. 30 [0018] L'invention concerne aussi un système de freinage forcé d'un moteur thermique pour la mise en oeuvre du procédé de freinage précédemment décrit, le système comportant un démarreur présentant un moteur électrique et des moyens d'engagement avec le moteur thermique activés par une bobine d'engagement et positionnant le démarreur solidaire en rotation du moteur thermique, les moyens d'engagement étant 3044716 4 activés sans mise en marche du moteur électrique, caractérisé en ce qu'au démarreur est associé un circuit électrique de récupération d'un courant induit par la rotation du démarreur solidaire du moteur thermique. [0019] Avantageusement, le circuit électrique de récupération d'un courant induit 5 comporte un interrupteur et une résistance. [0020] Avantageusement, la résistance est de valeur variable. [0021] Avantageusement, la position ouverte ou fermée de l'interrupteur et/ou la valeur de la résistance sont pilotées par un contrôle commande en fonction du régime moteur du moteur thermique. 10 [0022] Avantageusement, la bobine d'engagement est alimentée par un circuit d'alimentation électrique, le circuit électrique de récupération d'un courant induit étant monté en parallèle du circuit d'alimentation électrique. [0023] Avantageusement, le moteur électrique du démarreur est à aimants permanents. [0024] Avantageusement, le démarreur comprend une bobine moteur pour l'alimentation 15 électrique du moteur électrique du démarreur. [0025] L'invention concerne aussi un dispositif d'arrêt et de redémarrage automatiques d'un moteur thermique dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un tel système de freinage forcé. [0026] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront 20 à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif et sur lequel : - la figure 1 est une représentation schématique d'un démarreur présentant un circuit électrique de récupération d'un courant induit lors de la rotation du démarreur alors solidaire d'un moteur thermique, le démarreur faisant partie d'un système de freinage 25 selon la présente invention. [0027] L'invention concerne un procédé et un système de freinage forcé d'un moteur thermique. De manière totalement inverse aux propositions de l'état de la technique la présente invention utilise un démarreur 1 de moteur thermique pour effectuer le freinage du moteur thermique. 3044716 5 [0028] Le démarreur 1, équipé d'un moteur électrique pour assurer le démarrage, doit cependant remplir certaines conditions. Il doit pouvoir assurer le démarrage en deux temps, pouvant donc engager sans mettre en rotation le moteur électrique. [0029] En fonction de la phase de vie, on peut engager et mettre en rotation, ce qui est 5 le mode classique ou mettre en rotation pour synchroniser, engager et mettre en rotation en envoyant du couple. Ce qui compte est de décorréler la mise en rotation de l'engagement pour engager uniquement sans mettre en rotation afin d'avoir cet effet de freinage. [0030] Seul l'engagement est utilisé dans le cadre de l'invention. Le démarreur 1 n'est 10 pas utilisé en tant que démarreur 1 mais en tant qu'élément de freinage et n'a pas besoin de réaliser la mise en rotation du moteur électrique. Le moteur électrique du démarreur 1 reste donc inopérant lors du freinage. [0031] Selon le procédé de freinage forcé d'un moteur thermique précédant son arrêt selon l'invention, le moteur thermique étant associé à un démarreur 1 comportant un 15 moteur électrique, le démarreur 1 est piloté selon une commande d'engagement mécanique du démarreur 1 avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique. La commande de mise en marche pour un démarreur 1 remplissant son rôle de démarrage n'a pas lieu d'être dans le procédé de freinage. [0032] La présente invention utilise l'engagement mécanique du démarreur 1 avec le 20 moteur thermique qui entraîne alors en rotation le démarreur 1 pour freiner le moteur thermique avec un régime diminuant progressivement. Il est ainsi effectué un freinage forcé du moteur thermique en procédant à la mise en oeuvre de la commande d'engagement du démarreur 1 avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique. Ceci permet de freiner le moteur par l'inertie du démarreur 1. 25 [0033] Cependant comme ce freinage peut ne pas être suffisant, le procédé selon l'invention prévoit la création d'un couple inertiel de freinage du moteur thermique supplémentaire par un courant électrique induit par la rotation du démarreur 1 pendant l'engagement du démarreur avec le moteur thermique. Ce couple inertiel de freinage supplémentaire accentue le freinage du moteur thermique. 30 [0034] Pour ce faire, il est procédé à la fermeture d'un circuit 2 électrique de récupération d'un courant induit associé au démarreur 1 dès la commande d'engagement 3044716 6 du démarreur 1 avec le moteur thermique pour la circulation du courant électrique induit et à son ouverture dès l'arrêt du moteur thermique. [0035] Pour la mise en oeuvre du procédé de freinage, l'invention concerne aussi un système de freinage forcé d'un moteur thermique. Le système de freinage comporte un 5 démarreur 1 présentant un moteur électrique et des moyens d'engagement avec le moteur thermique activés par une bobine d'engagement et positionnant le démarreur 1 solidaire en rotation du moteur thermique. [0036] Les moyens d'engagement sont activés sans mise en marche du moteur électrique. Selon l'invention, au démarreur 1 est associé un circuit 2 électrique de 10 récupération d'un courant induit par la rotation du démarreur 1 solidaire du moteur thermique, ce qui permet de créer un couple inertiel induit supplémentaire à celui que délivre le démarreur 1 par son inertie mécanique. [0037] Le démarreur 1 est, par exemple, du type à pré-engagement, avantageusement à double solénoïde, c'est-à-dire qu'il présente une bobine dite d'engagement pour le 15 déplacement des moyens d'engagement avec le moteur thermique et une bobine dite moteur pour le fonctionnement du moteur électrique du démarreur 1, fonctionnement qui n'est pas nécessaire pour la mise en oeuvre de l'invention. [0038] Il est à garder à l'esprit que le procédé selon l'invention est applicable à d'autres démarreurs à pré-engagement qui, par des systèmes de contrôle de l'alimentation, 20 peuvent couper l'alimentation du moteur électrique sans forcément être en double solénoïde. [0039] Les moyens d'engagement peuvent être sous la forme d'un pignon avec des moyens de déplacement engageant une couronne solidaire du moteur thermique. Les moyens de déplacement du pignon peuvent être formés d'un axe mobile longitudinalement 25 par rapport à la bobine d'engagement avec une extrémité reliée à une des extrémités d'un bras mobile, l'autre extrémité du bras étant reliée au pignon du démarreur 1. [0040] En tant que système de freinage forcé, un démarreur 1 adapté pour la mise en oeuvre de la présente invention, par exemple un démarreur 1 à double solénoïde, présente son pignon qui s'engage dans la couronne, ceci sans démarrage de son moteur électrique 30 et permet, de par son inertie mécanique, de freiner le moteur en phase d'arrêt. 3044716 7 [0041] Avec un circuit 2 électrique de récupération d'un courant induit, il est possible d'augmenter un tel effet grâce à la force électromotrice qui se génère et engendre un couple résistif supplémentaire. [0042] Le circuit 2 électrique de récupération d'un courant induit peut comporter un 5 interrupteur 3 et une résistance 4. L'interrupteur 3, avantageusement piloté, et la résistance 4, elle aussi avantageusement piloté, permettent de piloter le système pour s'adapter aux besoins d'arrêt du moteur et favoriser la phase d'arrêt. [0043] Avantageusement, la résistance 4 peut être de valeur variable. La position ouverte ou fermée de l'interrupteur 3 et/ou la valeur de la résistance 4 sont pilotées par un 10 contrôle commande en fonction du régime moteur du moteur thermique. [0044] La force contre-électromotrice interne au démarreur 1 et le couple C sont régis par les lois suivantes, avec U et E en [V], Q en [Rad/s], I en [A], R en [Ohm] et C en [Nm] Cpertes = k1 Q + k2 15 Les pertes incluent le frottement visqueux et le frottement sec. Ces frottements génèrent l'effet de frein sur le moteur une fois que le démarreur est engagé dans la couronne. E= k(1) La force contre électromotrice générée dans le rotor est fonction de la vitesse, sans 20 prendre en compte la réaction magnétique d'induit. Le paramètre k(1) dépend de paramètres de structure (géométrie, matériaux, ...) du démarreur 1. Cette force contre électromotrice peut générer du courant dans un circuit fermé, avec un couple électromagnétique égal à : 25 Celectromag = kl$11 Ce couple s'ajoutera à l'effet de frein du couple Cpertes. Le couple freinant total est donc : Cfrein tot = Celectromag Cpertes = 4)1+ kin + k2 30 [0045] Etant donné que le démarreur 1, pendant le procédé de freinage, est utilisé en fonctionnement inversé de son fonctionnement normal assurant le démarrage du moteur thermique, plus le courant I généré par le démarreur 1 sera important, plus le couple résistif engendré Celectromag sera important. 3044716 8 [0046] Le courant est créé par la rotation du démarreur 1, entraîné par le moteur. Ce courant passe par un circuit 2 électrique de récupération d'un courant induit avec une résistance 4 et un interrupteur 3 piloté qui est fermé après le pré-engagement du démarreur 1. 5 [0047] La génération du courant induit dépend de la vitesse de rotation selon l'équation suivante : I=E/(Ra+Rdém) Avec Ra, la résistance additionnelle et Rdém la résistance interne du démarreur et E= k(1) cl, comme mentionné auparavant. 10 [0048] L'effet de frein est donc proportionnel à la vitesse de rotation du moteur thermique, c'est-à-dire le régime moteur. Ainsi, si en phase d'arrêt on ferme un circuit 2 de récupération d'un courant induit, avantageusement parallèle au circuit d'alimentation de la bobine d'engagement, on peut engendrer un courant qui sera accompagné d'un couple résistif égal à Celectromag- 15 [0049] La bobine d'engagement peut être alimentée par un circuit d'alimentation électrique, le circuit 2 électrique de récupération d'un courant induit étant monté en parallèle du circuit d'alimentation électrique. [0050] Le pilotage de l'interrupteur 3 qui ferme le circuit 2 de récupération permet de contrôler le phénomène d'arrêt du moteur, pendant les rebonds, avec les avantages 20 suivants : - ralentissement du moteur, - compensation de l'effet de frein du démarreur 1 qui varie avec son vieillissement avec modification de l'apport au frottement des balais, - amélioration des prestations en acoustique vibratoire, connu aussi sous le 25 diminutif d'ACV en phase d'arrêt pour un arrêt plus arrondi, - réduction de la durée de la phase d'arrêt. Le gain estimé sur le temps d'arrêt peut être d'environ 300 ms. [0051] II se peut que le procédé et le système selon l'invention remplissent aussi une fonction de récupération d'énergie. 30 [0052] L'effet de frein supplémentaire par courant induit ne marche pas tant que la roue libre fonctionne, donc à une vitesse du moteur positive, car le pignon serait alors 3044716 9 déconnecté de la couronne par une différence de vitesse trop importante. Néanmoins des solutions mécaniques permettraient d'éliminer ou de réduire cette limitation. [0053] Le moteur électrique du démarreur 1 comporte des aimants permanents. Si le démarreur 1 n'est pas à aimants permanents, il ne peut y avoir de force électromotrice 5 générée en phase de rotation par un démarreur 1 bobiné. [0054] Le procédé et le système de freinage forcé selon la présente invention peuvent remplacer les autres solutions proposées par l'état de la technique. Par exemple, le vannage par pilotage des soupapes pour profiter de la résistance de l'air pourrait être remplacé par le procédé et le système selon la présente invention. L'arrêt d'un moteur 10 thermique en serait facilité, ce qui est très utile pour des moteurs à fort ébranlement. [0055] L'invention concerne aussi un dispositif d'arrêt et de redémarrage automatiques d'un moteur thermique dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un tel système de freinage forcé. Ceci est une application préférentielle mais non limitative du système de freinage selon la présente invention. 15 [0056] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. REVENDICATIONS: 1. Procédé de freinage forcé d'un moteur thermique précédant son arrêt, le moteur thermique étant associé à un démarreur (1) comportant un moteur électrique, le démarreur (1) étant piloté selon une commande d'engagement mécanique du démarreur (1) avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique, cet engagement mécanique entraînant en rotation le démarreur (1) avec le moteur thermique, dans lequel, lors du freinage du moteur thermique, il est procédé à la commande d'engagement du démarreur (1) avec le moteur thermique sans mise en marche du moteur électrique afin de freiner le moteur via le démarreur (1), caractérisé par la création d'un couple électromagnétique supplémentaire de freinage du moteur thermique, engendré par un courant électrique induit par la rotation du démarreur (1) pendant l'engagement du démarreur (1) avec le moteur thermique. 2. Procédé de freinage selon la revendication 1, dans lequel il est procédé à la fermeture d'un circuit électrique associé au démarreur (1) dès la commande d'engagement du démarreur (1) avec le moteur thermique pour la circulation du courant électrique induit et à son ouverture dès l'arrêt du moteur thermique. 3. Système de freinage forcé d'un moteur thermique pour la mise en oeuvre du procédé de freinage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, le système comportant un démarreur (1) présentant un moteur électrique et des moyens d'engagement avec le moteur thermique activés par une bobine d'engagement et positionnant le démarreur (1) solidaire en rotation du moteur thermique, les moyens d'engagement étant activés sans mise en marche du moteur électrique, caractérisé en ce qu'au démarreur (1) est associé un circuit (2) électrique de récupération d'un courant induit par la rotation du démarreur (1) solidaire du moteur thermique. 4. Système de freinage selon la revendication 3, dans lequel le circuit (2) électrique de récupération d'un courant induit comporte un interrupteur (3) et une résistance (4). 5. Système de freinage selon la revendication 4, dans lequel la résistance (4) est de valeur variable. 6. Système de freinage selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel la position ouverte ou fermée de l'interrupteur (3) et/ou la valeur de la résistance (4) sont 3044716 11 pilotées par un contrôle commande en fonction du régime moteur du moteur thermique. 7. Système de freinage selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel la bobine d'engagement est alimentée par un circuit d'alimentation électrique, le circuit 5 (2) électrique de récupération d'un courant induit étant monté en parallèle du circuit d'alimentation électrique. 8. Système de freinage selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel le moteur électrique du démarreur (1) est à aimants permanents. 9. Système de freinage selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel le 10 démarreur (1) comprend une bobine moteur pour l'alimentation électrique du moteur électrique du démarreur (1). 10. Dispositif d'arrêt et de redémarrage automatiques d'un moteur thermique dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un système de freinage forcé selon l'une quelconque des revendications 3 à 9. 15